本发明属于精密铸造领域，具体涉及一种透气性佳的精密铸造用型砂的制备方法。
背景技术：
铸造是一种将金属加热成液态，然后将液态金属浆浇注至具有一定形状的铸型中，使液态金属浆在外力，如压力、重力作用下充满型腔，冷却并凝固形成具有型腔形状的铸件的工艺方法。在诸多铸造方法中，应用于精密铸造的，砂型铸造工艺是最为常见，同时也应用最多的。在砂型铸造过程中，型砂由于受到高温金属液的热作用，会产生气体或者表面发生性状的改变，这些变化都会改变铸件的质量。铸件的质量与型砂的质量密切相关，在铸造生产过程中，铸件的缺陷在很大程度上是由型砂的质量问题所造成的，隐形啥质量而造成的铸件废品约占总废品的30%-50%，因此型砂的性能是保证铸件质量的重要一环。铸造用型砂需考虑的工艺参数主要包括：型砂水分含量、紧实率、透气性、含泥量、湿压强度、湿拉强度、抗剪强度等，确认合适的型砂各项指标才能够保证金属铸造生产的正常进行。
质量好的型砂需具备以下特点：
1、具有较高的强度和热稳定性，以承受各种外力和高温的作用；
2、具有良好的流动性，即型砂在外力或本身重力作用下砂粒间相互移动的能力；
3、具有一定的可塑性，即型砂在外力作用下变形，当外力去除后能保持所给予的形状的能力；
4、具有良好的透气性，即型砂孔隙透过气体的能力；
5、具有良好的溃散性，又称出砂性，即在铸件凝固后型砂是否容易破坏，是否容易从铸件上清除的性能。
上述特点中，应用于精密铸造工艺中，以强度、稳定型和透气性最难以达到使用要求。尤其是应用于较大体积的铸件铸造过程中，由于结构原因散热不畅从而导致局部过热、局部压力过大等问题，成为了精密铸造工艺良率无法提升的元凶。
技术实现要素：
为了解决所述现有技术的不足，本发明提供了一种适用于精密铸造工艺，具有高的强度和热稳定性，能够耐受1500℃以上的高温和铸造过程中的较大的外力作用的型砂的制备方法，本发明制备出的型砂具有良好的透气性，能够快速排出铸造过程中多余的气体和热量，使精密铸造过程效率更高，同时本发明中制备出的型砂在铸造过程中能够使铸件表面粗糙度降低，形成光滑表面，而且本发明中制备出的型砂在铸造工艺结束后具有良好的溃散性，在铸件凝固后型砂非常容易从铸件上清除。
本发明所要达到的技术效果通过以下方案实现：
本发明中提供的透气性佳的精密铸造用型砂的制备方法，包括如下步骤：
步骤一，按照如下组分及质量份数称取原料：
二氧化硅气凝胶30-40份
碳化硅砂10-15份
聚四氟乙烯纤维5-8份
高硅氧玻璃纤维3-4份
氧化锌粉2-4份
呋喃树脂0.8-1.5份
润滑组分10-12份
环保组份1-2份
其中，所述润滑组分为羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼以1：（0.2-0.3）：（0.05-0.08）混合形成的粉体材料；
所述环保组份为淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉以质量比1：（2-4）：（3-6）：（0.02-0.05）混合形成的粉体材料；
将上述原料分别研磨至小于2μm后，混合置于行星式研磨机中，添加固体粉末质量为3-5%的无水乙醇进行研磨至粉末粒度小于1μm，制得型砂本体；
步骤二，将磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：（1.2-1.3）进行混合，制成呋喃树脂固化剂；
步骤三，型砂使用前30min内，将步骤一中型砂本体与步骤二中的呋喃树脂固化剂进行混匀，得到所需型砂。
本发明中首先对型砂本体的组成进行了改进，与传统的单纯利用石英砂或者粘土矿物的型砂不同，单一的石英砂或者包含粘土矿物的型砂烧结之后均为整体的结块，而且硬度非常高，比较脆。本发明中采用二氧化硅气凝胶、碳化硅砂和氧化锌粉作为型砂的本体骨架结构，在上述骨架材料中相适配地添加呋喃树脂，构成新型的自硬型的型砂，添加呋喃树脂后的型砂在铸造过程中经浇铸高温煅烧形成具有微小孔洞的透气结构，不仅能够快速散热，同时还能够有效排气，非常符合精密铸造的需求。二氧化硅气凝胶、碳化硅砂和氧化锌粉的配合不仅能够进一步增加型砂的强度，还能够有效增加型砂的韧性、塑形和抗高温的能力，同时二氧化硅气凝胶密度小、比表面积大、表面能低，不仅能够构成微小孔道，而且能够使型砂高温接触后的表面更加光滑。氧化锌粉具有较为特殊的热性能，氧化锌粉受热后随着温度的提升逐渐由白色变成浅黄及柠檬黄色，冷却后黄色退去，在型砂铸造的过程中，利用氧化锌的这一特点可以辅助监控铸造过程中的温升温降情况。
自硬型的型砂由于存在透气性的结构，往往还会存在硬度、强度不够、尺寸变化大，产生的透气孔大小不均一，部分较大孔径的透气孔对铸件表面粗糙度会产生不利影响的问题，本发明中的型砂中还添加了一定量的聚四氟乙烯纤维和高硅氧玻璃纤维，纤维材料在铸造过程中由于高温能够形成均匀的细小孔道，同时聚四氟乙烯纤维和高硅氧玻璃纤维高温性能好（能够耐受不锈钢铸造过程中的高温，同时还易剥离）、强度高，能够进一步提升型砂本体的使用性能。同时本发明中还添加了润滑组分用于改善型砂表面状态，添加了润滑组分的型砂高温接触后，其表面的表面能明显降低，能够使液态的金属熔液表面对其不浸润，从而形成光滑的表面，提高铸造的精度。进一步地，为了使型砂在铸造过程中产生的空隙更为均匀，本发明中还添加了环保组份。本发明中的环保组份天然无毒害，能够细化型砂整体的粒度结构，使得型砂整体粒度分布更为均匀，铸造过程高温接触后产生的孔隙更佳均匀。
本发明中的环保组份采用淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉混合而成。淀粉的粘性高，能够使环保组份与其他组分有机融合在一起。伊利石粉为具有层状结构的粘土矿物，光滑细腻且遇水不膨胀不发生形变，但遇到铸造过程中的水份时，很容易使水份透过然后散失，有利于水份的排出。重力选矿的尾矿往往粒度小、密度高，具有非常好的成型性能，还能够降低型砂的成本，氟化钙粉具有一定的促进铸造合金熔液流动的功能，能够提升型砂的溃散性。
进一步地，步骤一中，所述淀粉为玉米淀粉或者糯米淀粉。
进一步地，步骤一中，羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼的粉体粒度为10-20μm。
进一步地，步骤一中，所述二氧化硅气凝胶的密度为80-90kg/m3，比表面积为180-220m2/g。
进一步地，步骤一中，所述重力选矿的尾矿为铁含量低于0.2%的重选铁矿的尾矿。
进一步地，步骤一中，所述重力选矿的尾矿粒度为1-2μm。
进一步地，步骤二中，呋喃树脂固化剂为磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：1.3进行混合的混合物。
进一步地，步骤三中，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的60-70%。优选地，步骤三中，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的65%。
本发明具有以下优点：
1、本发明中制备出的型砂适用于精密铸造工艺，具有高的强度和热稳定性，能够耐受1500℃以上的高温和铸造过程中的较大的外力作用，坚固耐用。尤其适用于不锈钢、高温合金等温度非常高、压力较大的合金材料的铸造工艺。
2、本发明中制备出的型砂具有良好的透气性，能够快速排出铸造过程中多余的气体和热量，使精密铸造过程效率更高。
3、本发明中制备出的型砂在铸造过程中能够使铸件表面粗糙度降低，形成光滑表面。
4、本发明中制备出的型砂在铸造工艺结束后具有良好的溃散性，在铸件凝固后型砂非常容易从铸件上清除。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
本实施例中型砂的制备方法步骤如下：
步骤一，按照如下组分及质量份数称取原料：
二氧化硅气凝胶30份
碳化硅砂15份
聚四氟乙烯纤维8份
高硅氧玻璃纤维4份
氧化锌粉2份
呋喃树脂1.5份
润滑组分12份
环保组份2份
其中，所述润滑组分为羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼以1：0.2：0.05混合形成的粉体材料；羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼的粉体粒度为10μm。二氧化硅气凝胶的密度为90kg/m3，比表面积为210m2/g。
所述环保组份为玉米淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉以质量比1：2：3：0.02混合形成的粉体材料。重力选矿的尾矿为铁含量低于0.2%的重选铁矿的尾矿（矿产来源：湖北大冶），重力选矿的尾矿粒度范围为1-2μm。
将上述原料分别研磨至小于2μm后，混合置于行星式研磨机中，添加固体粉末质量为3%的无水乙醇进行研磨至粉末粒度小于1μm，制得型砂本体。利用添加无水乙醇进行研磨以促进多种原料的混合。
步骤二，将磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：1.2进行混合，制成呋喃树脂固化剂。
步骤三，型砂使用前30min内，将步骤一中型砂本体与步骤二中的呋喃树脂固化剂进行混匀，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的65%，得到所需型砂（随用随配）。
实施例2
本实施例中型砂的制备方法步骤如下：
步骤一，按照如下组分及质量份数称取原料：
二氧化硅气凝胶40份
碳化硅砂15份
聚四氟乙烯纤维6份
高硅氧玻璃纤维4份
氧化锌粉2份
呋喃树脂1.0份
润滑组分11份
环保组份1.5份
其中，润滑组分为羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼以1：0.3：0.08混合形成的粉体材料；羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼的粉体粒度为10μm。二氧化硅气凝胶的密度为90kg/m3，比表面积为210m2/g。
环保组份为玉米淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉以质量比1：4：3：0.02混合形成的粉体材料。重力选矿的尾矿为铁含量低于0.2%的重选铁矿的尾矿（矿产来源：湖北大冶），重力选矿的尾矿粒度范围为1-2μm。
将上述原料分别研磨至小于2μm后，混合置于行星式研磨机中，添加固体粉末质量为3%的无水乙醇进行研磨至粉末粒度小于1μm，制得型砂本体。利用添加无水乙醇进行研磨以促进多种原料的混合。
步骤二，将磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：1.3进行混合，制成呋喃树脂固化剂。
步骤三，型砂使用前30min内，将步骤一中型砂本体与步骤二中的呋喃树脂固化剂进行混匀，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的65%，得到所需型砂（随用随配）。
实施例3
本实施例中型砂的制备方法步骤如下：
步骤一，按照如下组分及质量份数称取原料：
二氧化硅气凝胶35份
碳化硅砂15份
聚四氟乙烯纤维8份
高硅氧玻璃纤维4份
氧化锌粉2份
呋喃树脂1.3份
润滑组分10份
环保组份1.8份
其中，润滑组分为羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼以1：0.26：0.06混合形成的粉体材料；羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼的粉体粒度为10μm。二氧化硅气凝胶的密度为90kg/m3，比表面积为210m2/g。
环保组份为糯米淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉以质量比1：4：6：0.05混合形成的粉体材料。重力选矿的尾矿为铁含量低于0.2%的重选铁矿的尾矿（矿产来源：湖北大冶），重力选矿的尾矿粒度范围为1-2μm。
将上述原料分别研磨至小于2μm后，混合置于行星式研磨机中，添加固体粉末质量为3%的无水乙醇进行研磨至粉末粒度小于1μm，制得型砂本体。利用添加无水乙醇进行研磨以促进多种原料的混合。
步骤二，将磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：1.3进行混合，制成呋喃树脂固化剂。
步骤三，型砂使用前30min内，将步骤一中型砂本体与步骤二中的呋喃树脂固化剂进行混匀，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的65%，得到所需型砂（随用随配）。
实施例4
本实施例中型砂的制备方法步骤如下：
步骤一，按照如下组分及质量份数称取原料：
二氧化硅气凝胶38份
碳化硅砂12份
聚四氟乙烯纤维5份
高硅氧玻璃纤维3份
氧化锌粉3.4份
呋喃树脂1.5份
润滑组分12份
环保组份1份
其中，润滑组分为羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼以1：0.3：0.08混合形成的粉体材料；羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼的粉体粒度为10μm。二氧化硅气凝胶的密度为90kg/m3，比表面积为210m2/g。
环保组份为糯米淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉以质量比1：3：5：0.02混合形成的粉体材料。重力选矿的尾矿为铁含量低于0.2%的重选铁矿的尾矿（矿产来源：湖北大冶），重力选矿的尾矿粒度范围为1-2μm。
将上述原料分别研磨至小于2μm后，混合置于行星式研磨机中，添加固体粉末质量为3%的无水乙醇进行研磨至粉末粒度小于1μm，制得型砂本体。利用添加无水乙醇进行研磨以促进多种原料的混合。
步骤二，将磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：1.3进行混合，制成呋喃树脂固化剂。
步骤三，型砂使用前30min内，将步骤一中型砂本体与步骤二中的呋喃树脂固化剂进行混匀，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的65%，得到所需型砂（随用随配）。
实施例5
本实施例中型砂的制备方法步骤如下：
步骤一，按照如下组分及质量份数称取原料：
二氧化硅气凝胶30份
碳化硅砂14份
聚四氟乙烯纤维6份
高硅氧玻璃纤维3份
氧化锌粉4份
呋喃树脂1.5份
润滑组分12份
环保组份2份
其中，润滑组分为羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼以1：0.3：0.08混合形成的粉体材料；羟基硅酸镁、白炭黑、二硫化钼的粉体粒度为10μm。二氧化硅气凝胶的密度为90kg/m3，比表面积为210m2/g。
环保组份为糯米淀粉、重力选矿的尾矿、伊利石粉、氟化钙粉以质量比1：4：6：0.02混合形成的粉体材料。重力选矿的尾矿为铁含量低于0.2%的重选铁矿的尾矿（矿产来源：湖北大冶），重力选矿的尾矿粒度范围为1-2μm。
将上述原料分别研磨至小于2μm后，混合置于行星式研磨机中，添加固体粉末质量为3%的无水乙醇进行研磨至粉末粒度小于1μm，制得型砂本体。利用添加无水乙醇进行研磨以促进多种原料的混合。
步骤二，将磷酸与对苯磺酸以摩尔比1：1.3进行混合，制成呋喃树脂固化剂。
步骤三，型砂使用前30min内，将步骤一中型砂本体与步骤二中的呋喃树脂固化剂进行混匀，呋喃树脂固化剂质量为呋喃树脂的65%，得到所需型砂（随用随配）。
由上述实施例可见，本发明提供了一种适用于精密铸造工艺，具有高的强度和热稳定性，能够耐受1500℃以上的高温和铸造过程中的较大的外力作用的型砂的制备方法，本发明制备出的型砂具有良好的透气性，能够快速排出铸造过程中多余的气体和热量，使精密铸造过程效率更高，同时本发明中制备出的型砂在铸造过程中能够使铸件表面粗糙度降低，形成光滑表面，而且本发明中制备出的型砂在铸造工艺结束后具有良好的溃散性，在铸件凝固后型砂非常容易从铸件上清除。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。