一种金属型铸造用型芯的制备方法与流程

本发明涉及金属材料成形技术领域，具体是一种金属型铸造用型芯的制备方法。

背景技术：

金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。根据充型及凝固压力的不同，金属型铸造一般可分为重力铸造、低压铸造、差压铸造、反重力铸造等。金属型铸造的铸型用金属制成，对铸件的冷却能力强，铸件组织致密、机械性能高。金属型铸造的铸件内腔既可用金属芯形成也可用砂芯形成。对于形状复杂、难于抽芯形成的内腔，通常需使用砂芯，同时砂芯退让性比金属芯好，有利于减小铸件的热裂、冷裂倾向。现行的砂芯主流工艺技术包括无机粘结剂砂芯和有机粘结剂砂芯。无机粘结剂通常较为环保，但溃散性、退让性较差，较少使用。有机粘结剂砂芯综合性能较好，但制芯、浇注等环节通常会产生大量有毒有害烟、气，而且难于治理，不但恶化作业环境，影响作业人员健康，而且污染周边空气，引发民众不满。新一代的冷冻型芯以水(冰)为粘结剂，绿色环保且退让性、溃散性优异，受到铸造行业的高度关注和青睐。只是对于金属型铸造，生产过程中金属型一直处于较高温度(一般≥150℃)，如果直接使用冷冻砂芯，芯头及其邻近部位很容易被高温芯座加热而致使强度降低，引发砂芯变形、错位、垮塌等，恶化铸件质量，严重时甚至难于获得合格铸件。由此，保证冷冻砂芯芯头及其邻近部位在砂芯安置、合型、浇注等过程中保持冷冻状态，保持足够高的强度，是冷冻砂芯技术应用于金属型铸造的关键之一。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于冷冻砂芯技术，采用隔热芯座，以延长冷冻砂芯芯头及其邻近部位处于冷冻状态并具有足够强度的时长，满足金属型铸造工艺要求，使绿色环保的冷冻砂芯应用于金属型铸造成为可能。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种金属型铸造用型芯的制备方法，所述型芯包括砂芯、芯座和金属型，包括以下制备步骤：

A.制备冷冻砂芯：以原砂、水及添加剂为原料，计量后混合均匀，填入芯盒，紧实并冷冻，以获得冷冻砂芯。

B.制备隔热芯座：采用隔热材料制备芯座，或者采用内设有冷却腔的金属芯座，或者采用上述二者的复合结构，以获得隔热芯座。

C.制备金属型：根据铸件相关尺寸及隔热芯座安装尺寸要求，制作金属型。

D.将隔热芯座安装到金属型中，再将金属型预热至设定温度。

E.将冷冻砂芯借助隔热芯座安装到金属型中，合型，完成型芯制备。

进一步地，A步骤中，所述原砂为硅砂、石英砂、锆砂、镁砂、刚玉砂、铝硅系耐火材料砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、石墨砂、人造宝珠砂中的一种或两种及多种上述各类别砂的混合物。

进一步地，A步骤中，所述添加剂为硅酸盐粘结剂、磷酸盐粘结剂和树脂中的一种或两种及多种上述类别粘结剂的混合物。

进一步地，A步骤中，各原料的配比为：原砂100％，水占原砂的1％～15％，添加剂占原砂的0～15％。

进一步地，A步骤中，所述冷冻的温度为：-0.1℃～-200℃；冷冻的方式为：冷气灌流砂芯冷冻，浸入液氮冷冻，在冷的芯盒中冷冻，在冷室中冷冻或者采用两种及多种上述冷冻方式的冷冻；冷冻时间以砂芯各部位均达到预定温度为准。

进一步地，B步骤中，所述金属芯座由芯座体、冷却腔、冷却介质组成。而且，还可包括设置在金属芯座外的外置冷凝器、泵、控制单元和连接管，所述外置冷凝器、泵和金属芯座的冷却腔通过连接管连接并构成冷却介质的循环系统，所述控制单元用以实现对循环系统的集成控制。

本发明的有益效果：

1.本发明的一种金属型铸造用型芯的制备方法，针对冷冻砂芯在下芯、合型等阶段“怕热”的特点，采用隔热材料制作芯座或者使用带冷却腔的金属芯座，能有效解决普通冷冻砂芯的芯头难于承受金属型高温的问题，使技术、经济、资源、环境性能优异的冷冻砂芯能应用于金属型重力铸造、低压铸造等铸造生产，有益效果包括：

①相对于现有的有机粘结剂砂芯、无机粘结剂砂芯，本发明的使用的冷冻砂芯的主要粘结剂为水(冰)，制芯、浇铸、再生等全流程均十分绿色环保，

②本发明的冷冻砂芯初强度好，铸件相关部位尺寸精度好，而且冷冻砂芯在浇铸后具有优异的退让性及溃散性，有利于预防铸件开裂，有利于落砂清理。

③本发明的隔热芯座可一次制备，长时间使用，十分便捷、经济、节能、环保，有利于金属型铸造产品品质保障与提升、作业环境改善、应用领域拓展等。

附图说明

图1为本发明的一种包含隔热材料芯座的金属型铸造用型芯的制备方法的实施例示意图。

图2为本发明的一种包含带冷却腔的金属芯座的金属型铸造用型芯的制备方法的实施例示意图。

图3为本发明的一种包含隔热材料及金属冷却腔组成的复合芯座的金属型铸造用型芯的制备方法的实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合图1、图2、图3对本发明作进一步详细说明。

实施例1

一种金属型铸造用型芯的制备方法，型芯包括冷冻砂芯、隔热材料芯座和金属型(图1)，其制备方法包括以下步骤：

A制备冷冻砂芯：以原砂、水及添加剂为原料，其中原砂为硅砂、石英砂、锆砂、镁砂、刚玉砂、铝硅系耐火材料砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、石墨砂、人造宝珠砂中的一种或上述各类别砂的混合物；其中添加剂为硅酸盐粘结剂、磷酸盐粘结剂和树脂中的一种或上述各类别粘结剂的混合物；砂芯用砂配比(质量比)：原砂100％、水6％、添加剂2％，混合均匀后填入芯盒，紧实并冷冻，冷冻温度设为：-30℃，冷冻方式可选择冷气灌流、浸入液氮、在冷的芯盒中冷冻、在冷室中冷冻方式或者采用上述冷冻方式的组合冷冻，冷冻时间以砂芯各部位均达到预定温度为准，以获得冷冻砂芯。

B制备隔热芯座：采用陶瓷隔热材料制备陶瓷芯座，陶瓷芯座厚度以连续的铸造生产中能为冷冻砂芯提供足够隔热保护为准，陶瓷芯座的形状尺寸依据冷冻砂芯芯头形状尺寸、陶瓷芯座与金属型的匹配等确定

C制备金属型：根据铸件相关尺寸及陶瓷芯座安装要求，制作金属型。

D将陶瓷芯座安装到金属型中，再将金属型预热并恒定在工作温度。

E将冷冻砂芯借助陶瓷芯座安装到金属型中。

F合模、浇铸。

G铸件凝固后，开模，取出铸件，回收并再利用冷冻砂芯役后材料。

本实施例采用陶瓷隔热材料制备芯座的金属型铸造用型芯，其显著优点为：陶瓷隔热材料兼具优良的力学性能、耐温性能、隔热性能等性能，有利于消减金属型与冷冻砂芯之间的传输，增加冷冻砂芯芯头及其邻近部位处于低温的时长，满足下芯、合型、浇铸等工艺需要，实现热金属型、隔热材料芯座、冷冻砂芯的良好组合，实现冷冻砂芯与金属型的优势集成。本实施例采用陶瓷隔热材料制备芯座的弱点是：要求铸造工艺尽量稳定，铸造工艺大幅波动时，芯座隔热能力难于适时调节。

实施例2

一种金属型铸造用型芯的制备方法，型芯包括冷冻砂芯、带冷却腔的金属芯座和金属型(图2)，其制备方法包括以下步骤：

A制备冷冻砂芯：以原砂和水为原料，其中原砂为硅砂、石英砂、锆砂、镁砂、刚玉砂、铝硅系耐火材料砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、石墨砂、人造宝珠砂中的一种或上述各类别砂的混合物；砂芯用砂配比(质量比)：原砂100％、水5％，混合均匀后填入芯盒，紧实并冷冻，冷冻温度设为：-50℃，冷冻方式可选择冷气灌流、浸入液氮、在冷的芯盒中冷冻或者在冷室中冷冻方式，冷冻时间以砂芯各部位均达到预定温度为准，以获得冷冻砂芯。

B制备金属隔热芯座：采用内设有冷却腔的金属芯座，金属芯座包括固设在金属型上的座体和设在其内的冷却腔，还包括设置在金属型外的外置冷凝器、泵、控制单元和连接管，外置冷凝器、泵、控制单元和座体内的冷却腔通过连接管连接并构成冷却介质的循环系统，控制单元用以实现对循环系统的集成控制；同时金属芯座座体形状尺寸依据冷冻砂芯芯头形状尺寸、金属芯座与金属型的匹配等确定。

C制备金属型：根据铸件相关尺寸及金属芯座安装尺寸要求，制作金属型。

D将金属芯座安装在金属型中，并与外置冷凝器、泵等组成冷却介质的循环系统，将金属型预热并恒定在工作温度，开启冷却介质的循环系统，通过控制单元调控金属芯座与芯头接触的表面的温度处于预定温度区间。

E将冷冻砂芯借助金属芯座安装到金属型中，完成型芯的制备。

F合模、浇铸。

G铸件凝固后，开模，取出铸件，回收并再利用冷冻砂芯役后材料

本实施例采用带冷却腔的金属芯座的金属型铸造用型芯，其显著优点为：金属芯座体兼具优良的力学性能、耐温性能、机械加工性能等性能，金属芯座体内的冷却腔及冷却介质的循环系统能实现对金属芯座工作面(与芯头配合的面)温度的有效调控，确保冷冻砂芯芯头及其邻近部位温度计强度等满足下芯、合型、浇铸等工艺需要，实现热金属型、隔热金属芯座、冷冻砂芯的良好组合，实现冷冻砂芯与金属型的优势集成。本实施例中冷却介质会转移金属型的部分热量到系统外，比较适于需强制冷却以恒定金属型温度的工况。

实施例3

一种金属型铸造用型芯的制备方法，型芯包括冷冻砂芯、隔热材料及金属冷却腔组成的复合芯座、金属型(图3)，其制备方法包括以下步骤：

A制备冷冻砂芯：以原砂和水为原料，其中原砂为硅砂、石英砂、锆砂、镁砂、刚玉砂、铝硅系耐火材料砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、石灰石砂、石墨砂、人造宝珠砂中的一种或上述各类别砂的混合物；砂芯用砂配比(质量比)：原砂100％、水5％，混合均匀后填入芯盒，紧实并冷冻，冷冻温度设为：-20℃，冷冻方式可选择冷气灌流、浸入液氮、在冷的芯盒中冷冻或者在冷室中冷冻方式，冷冻时间以砂芯各部位均达到预定温度为准，以获得冷冻砂芯。

B制备复合隔热芯座：复合隔热芯座由内设有冷却腔的金属芯座和空心玻璃微珠隔热层组成。金属芯座的制备方法与实施例2基本相同，不同之处为金属芯座与金属型之间有5mm的等厚间隙，其间充满空心玻璃微珠。

C制备金属型：根据铸件相关尺寸及金属芯座安装尺寸要求，制作金属型。

D将金属芯座安装在金属型中，并与外置冷凝器、泵等组成冷却介质的循环系统，将金属型预热并恒定在工作温度，开启冷却介质的循环系统，通过控制单元调控金属芯座与芯头接触的表面的温度处于预定温度区间。

E将冷冻砂芯借助金属芯座安装到金属型中，完成型芯的制备。

F合模、浇铸。

G铸件凝固后，开模，取出铸件，回收并再利用冷冻砂芯役后材料。

相对于实施例2，本实施例在带冷却腔的金属芯座与金属型之间增加了隔热材料层，其好处是可以减小冷却腔的冷却负荷，进而减轻介质的循环系统的负担并减少金属型热量向系统外的迁移，特别适于连续的金属型铸造生产中，需要辅助加热以恒定金属型温度的工况。

以上的说明和实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。