一种高性能铝合金铸造用复合铸型、覆砂金属外模的制备方法、及高导热砂芯的制备方法与流程

本发明涉及一种高性能铝合金铸造用复合铸型及其制备方法，属于铝合金精密铸造领域。

背景技术：

随着轻量化的推进，高性能铝合金铸件做为关键结构的承重件，在航空航天、兵器、船舶等领域的应用日益广泛。al-cu合金结晶温度范围宽（100℃左右），流动性差，热裂倾向大，不易实现顺序凝固，铸件内部易出现缩孔、疏松等质量问题。具有糊状凝固特性al-cu合金，冒口有效补缩距离短，铸件中下部的补缩效果差，凝固组织不致密，合金凝固时α固溶体过度生长，θ(al2cu）、t(al12mn2cu)等强化相偏聚在晶界处，导致铸件晶粒粗大、性能低下，因此，要解决al-cu合金铸件的上述问题，必须建立合理的温度场，保证铸件顺序凝固。

目前，国内针对al-cu合金铸件缩孔、疏松严重等问题也展开了相关研究，主要集中在铸型水冷、空冷、局部加热等温度调控方式方面，并取得了一定的效果，但对铸件的凝固缺陷调控作用有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过能够实现顺序凝固的高性能铝合金铸造用铸型。

为了实现上述目的，本发明是这样实现的：一种高性能铝合金铸造用铸型，其特征在于：包括覆砂金属外模与高导热砂芯，所述覆砂金属外模与高导热砂芯围合成型腔，在所述覆砂金属外模上还设置有与型腔相通的浇道，所述浇道包括远型腔端的直浇道和近型腔端的缝隙浇口，在所述浇道壁与型腔外壁上设置有覆砂层，在所述浇道壁上的覆砂层外还设置有保温涂层。

所述高导热砂芯为中空结构，孔径为φ150~φ350mm。

所述保温涂层由硅石粉35~40wt%，锆英粉25~30wt%，石墨粉10~15wt%，酚醛树脂5~8wt%，无水乙醇25~30wt%配制而成。

所述高导热砂芯由30目~50目的石灰石砂40~45wt%，70目~80目的碳质砂35~40wt%，40目~60目的铁粉25~30wt%，低糠醇树脂粘接剂0.6%~1.0%，对甲苯磺酸固化剂0.8%~1.2%配制而成。

所述高导热砂芯由50目~60目的硅砂85~90wt%，酚醛树脂2~3wt%，固化剂10~12wt%，润滑剂6~9wt%，溃散剂0.2~0.5wt%，短波纤维0.1~0.3wt%配制而成。

一种覆砂金属外模的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备而成：

（1）将金属外模具烘烤到40~50℃，

（2）采用射砂机在内表面上制备均匀的覆砂层，厚度5~20mm，

（3）采用搅拌法配制均匀的保温涂料，通过喷涂的方式在直浇道及缝隙浇口制备2~5mm的保温涂层。

一种高导热砂芯的制备方法，其特征在于，按以下步骤制备而成，

（1）先将低糠醇树脂和对甲苯磺酸通过搅拌机混合均匀备用，

（2）按比例向步骤（1）中的混合料加入石灰石砂、碳质砂和铁粉，然后边搅拌，边按比例加入固化剂和粘接剂，搅拌均匀后，

（3）将步骤（2）中的混合粉料置于砂芯模具中，自然硬化2h~3h。

有益效果：

1.本发明的保温涂层配方，通过添加硅石粉、锆英粉等低导热率的耐火填料配制的保温涂料，导热系数仅0.42w•m^-2•k^-1，保温性能好，隔热保温抑制效果达90%，最高耐温达2000℃，对直浇道及缝隙浇口具有良好的保温效果。

2.本发明的高导热砂芯配方由石灰石砂、碳质砂和铁粉组成，具有热导率高、热容量大、热膨胀系数低等特点，混合均匀的砂芯导热率高达930w•m^-2•k^-1，且在砂芯中部开φ150~φ350mm的中心孔，砂芯的散热和排气效果得到大幅提升。

3.本发明的复合铸型，建立了由铸件→缝隙浇道→直浇道的顺序凝固温度场，金属型外模有利于铸件凝固时的热量从外模快速散去，中空的高导热砂区能实现铸件内腔的厚度部位的快速散热和排气，能有效解决铸件的缩孔、疏松等缺陷，实现zl205a高性能铝合金铸件的本体指定部位抗拉强度由350~450mpa提升至480~520mpa，内部质量由ⅱ～ⅲ级提升至ⅰ级。

4.本发明的复合铸型制备工艺，具有适用性强、操作简单、流程清晰、稳定性高等特点，已在大型高性能铝合金铸件树脂砂型反重力铸造上实现了批量生产，推广应用价值较高，工业潜力巨大。

附图说明：

图1为本发明的铸型的剖视图一；

图2为图1的剖视图；

图3为高性能铝合金舱体铸件的复合铸型。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例：如图1-3所示，一种高性能铝合金铸造用铸型，包括覆砂金属外模5与高导热砂芯7，所述覆砂金属外模与高导热砂芯围合成型腔4，在所述覆砂金属外模上还设置有与型腔相通的浇道，所述浇道包括远型腔端的直浇道2和近型腔端且与型腔相通的缝隙浇口3，在所述浇道壁与型腔外壁上设置有覆砂层6，在所述浇道壁上的覆砂层外还设置有保温涂层1。

其中，本实施例中的高导热砂芯为中空结构，孔径为φ150~φ350mm。

图3中还提供了铸型的具体结构，其还依次叠设的包括底板8、下底箱9和上底箱10，所述高导热砂芯和覆砂金属外模置于所述上底箱上，且在所述高导热砂芯和覆砂金属外模上还设置有箱盖11。

另外，本实施例中所述保温涂层由硅石粉35~40wt%，锆英粉25~30wt%，石墨粉10~15wt%，酚醛树脂5~8wt%，无水乙醇25~30wt%配制而成。

关于保温涂层的配比关系，可具有多种选择，如硅石粉可选择但不限于35wt%、36wt%、37wt%、38wt%、39wt%、40wt%等；锆英粉可选择但不限于25wt%、26wt%、27wt%、28wt%、29wt%、30wt%等；石墨粉可选择但不限于10wt%、11wt%、12wt%、13wt%、14wt%、15wt%等；酚醛树脂可选择但不限于5wt%、6wt%、7wt%、8wt%等；无水乙醇可选择但不限于25wt%、26wt%、27wt%、28wt%、29wt%、30wt%等。

本实施例中所述高导热砂芯由30目~50目的石灰石砂40~45wt%，70目~80目的碳质砂35~40wt%，40目~60目的铁粉25~30wt%，低糠醇树脂粘接剂0.6%~1.0%，对甲苯磺酸固化剂0.8%~1.2%配制而成。

关于高导热砂芯的配比关系，可具有多种选择，如石灰石砂可选择40wt%、41wt%、42wt%、43wt%、44wt%、45wt%等；碳质砂可选择但不限于35wt%、36wt%、37wt%、38wt%、39wt%、40wt%等；铁粉可选择但不限于25wt%、26wt%、27wt%、28wt%、29wt%、30wt%等；低糠醇树脂粘接剂可选择但不限于0.6wt%、0.7wt%、0.8wt%、0.9wt%、1.0wt%等；甲苯磺酸固化剂可选择但不限于0.8wt%、0.9wt%、1.0wt%、1.1wt%、1.2wt%等。而石灰石砂的大小可选择但不限于30目、35目、40目、45目、50目等，碳质砂的大小可选择但不限于70目、75目、80目等，铁粉的大小可选择但不限于40目、45目、50目、55目、60目等。

本实施例中所述高导热砂芯由50目~60目的硅砂85~90wt%，酚醛树脂2~3wt%，固化剂10~12wt%，润滑剂6~9wt%，溃散剂0.2~0.5wt%，短波纤维0.1~0.3wt%配制而成。

关于高导热砂芯的配比关系，具有多种选择，如硅砂可选择但不限于85wt%、86wt%、87wt%、88wt%、89wt%、90wt%等，酚醛树脂可选择但不限于2wt%、2.5wt%、3wt%等，固化剂可选择但不限于10wt%、11wt%、12wt%等，润滑剂可选择但不限于6wt%、7wt%、8wt%、9wt%等，溃散剂可选择但不限于0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%、0.5wt%等。而硅砂的大小可选择但不限于50目、55目、60目等。

另外，本实施例中还提供了以上所述的覆砂金属外模的制备方法，如下：

一种覆砂金属外模的制备方法，按以下步骤制备而成：

（1）将金属外模具烘烤到40~50℃，可选择但不限于40℃、45℃或50℃等；

（2）采用射砂机在内表面上制备均匀的覆砂层，厚度5~20mm，并且通过覆砂层形成了金属外模上的直浇道和缝隙浇道，厚度可选择5mm、10mm、15mm或20mm；

（3）采用搅拌法配制均匀的保温涂料，通过喷涂的方式在直浇道及缝隙浇口制备2~5mm的保温涂层，保温涂层的厚度可选择但不限于2mm、3mm、4mm、5mm等。

其中，金属外模具可材质可采用铝合金。

本实施例还提供了以上所述的高导热砂芯的制备方法，按以下步骤制备而成

（1）先将低糠醇树脂和对甲苯磺酸通过搅拌机混合均匀备用，

（2）按比例向步骤（1）中的混合料加入石灰石砂、碳质砂和铁粉，然后边搅拌，边按比例加入固化剂和粘接剂，搅拌均匀后，

（3）将步骤（2）中的混合粉料置于砂芯模具中，自然硬化2h~3h，其中硬化时间可选择2h、2.5h或3h等。

以下为本实施例提供的三个具体应用实例：

应用实例一：采用本发明制备某高性能铝合金舱体铸件用复合铸型，铸件轮廓尺寸φ1700×400mm，材料zl205a，主体壁厚3.5mm，外形为异型曲面，含220×220mm窗口6个，450×350mm窗口2个，典型的舱体铸件结构。

1.配制保温涂料：称量硅石粉5.4kg，锆英粉4.3kg，石墨粉1.8kg，酚醛树脂0.9kg，无水乙醇3.8kg，采用搅拌机均匀搅拌，依次加入硅石粉、锆英粉、石墨粉、酚醛树脂，然后边搅拌边加入无水乙醇，搅拌均匀后，静置25min。

2.配制高导热砂芯：称量石灰石砂758kg，碳质砂647kg，铁粉465kg，低糠醇树脂14.5kg，对甲苯磺酸18kg。先将低糠醇树脂和对甲苯磺酸通过搅拌机混合均匀，然后在混砂机中依次加入石灰石砂、碳质砂和铁粉，边搅拌边加入固化剂和粘接剂，搅拌均匀后，将混合粉料置于模具中，自然硬化3h，砂芯中部开φ350mm的中心孔，利于排气和散热。

3.配制覆膜砂：称量硅砂420kg，酚醛树脂12.5kg，固化剂48kg，润滑剂33.6kg，溃散剂1.4kg，短波纤维0.8kg，在混砂机中先加入硅砂搅拌，然后边搅拌边加入酚醛树脂、固化剂、润滑剂和短波纤维，搅拌均匀后，采用射砂机在金属外模内表面上制备20mm的覆砂层。

4.将配制好的保温涂料，采用喷涂的方式在直浇道及缝隙浇口表面制备5mm的保温涂层，然后合箱。

实施效果：zl205a铝合金舱体铸件本体指定部位抗拉强度达到520mpa，延伸率8.0%，力学性能提升35%以上，针孔度ⅰ级，疏松度ⅰ级。

应用实例二：采用本发明制备某高性能铝合金舱体铸件用复合铸型，铸件轮廓尺寸：大端圆φ750mm，小端圆φ610mm，高度720mm，材料zl205a，主体壁厚9.0mm，含80×80mm方形窗口2个，40×40mm方形窗口2个，φ60mm圆形窗口1个，典型的舱体铸件结构。

1.配制保温涂料：称量硅石粉3.7kg，锆英粉3.0kg，石墨粉1.2kg，酚醛树脂0.6kg，无水乙醇2.6kg，采用搅拌机均匀搅拌，依次加入硅石粉、锆英粉、石墨粉、酚醛树脂，然后边搅拌边加入无水乙醇，搅拌均匀后，静置15min。

2.配制高导热砂芯：称量石灰石砂454kg，碳质砂388kg，铁粉279kg，低糠醇树脂8.7kg，对甲苯磺酸10.8kg。先将低糠醇树脂和对甲苯磺酸通过搅拌机混合均匀，然后在混砂机中依次加入石灰石砂、碳质砂和铁粉，边搅拌边加入固化剂和粘接剂，搅拌均匀后，将混合粉料置于模具中，自然硬化2h，砂芯中部开φ150mm的中心孔，利于排气和散热。

3.配制覆膜砂：称量硅砂210kg，酚醛树脂6.2kg，固化剂23kg，润滑剂16.5kg，溃散剂0.6kg，短波纤维0.3kg，在混砂机中先加入硅砂搅拌，然后边搅拌边加入酚醛树脂、固化剂、润滑剂和短波纤维，搅拌均匀后，采用射砂机在金属外模内表面上制备10mm的覆砂层。

4.将配制好的保温涂料，采用喷涂的方式在直浇道及缝隙浇口表面制备3mm的保温涂层，然后合箱。

实施效果：zl205a铝合金舱体铸件本体指定部位抗拉强度达到520mpa，延伸率8.0%，力学性能提升35%以上，针孔度ⅰ级，疏松度ⅰ级。

应用实例三：采用本发明制备某高性能铝合金舱体铸件用复合铸型，铸件轮廓尺寸φ1250×980mm，材料zl205a，主体壁厚4.0mm，外形为异型曲面，含φ160mm圆形窗口8个，典型的舱体铸件结构。

1.配制保温涂料：称量硅石粉4.3kg，锆英粉3.4kg，石墨粉1.4kg，酚醛树脂0.7kg，无水乙醇3.0kg，采用搅拌机均匀搅拌，依次加入硅石粉、锆英粉、石墨粉、酚醛树脂，然后边搅拌边加入无水乙醇，搅拌均匀后，静置20min。

2.配制高导热砂芯：称量石灰石砂530kg，碳质砂452kg，铁粉325kg，低糠醇树脂10.2kg，对甲苯磺酸12.6kg。先将低糠醇树脂和对甲苯磺酸通过搅拌机混合均匀，然后在混砂机中依次加入石灰石砂、碳质砂和铁粉，边搅拌边加入固化剂和粘接剂，搅拌均匀后，将混合粉料置于模具中，自然硬化2.5h，砂芯中部开φ250mm的中心孔，利于排气和散热。

3.配制覆膜砂：称量硅砂252kg，酚醛树脂7.5kg，固化剂28.8kg，润滑剂20.2kg，溃散剂0.8kg，短波纤维0.5kg，在混砂机中先加入硅砂搅拌，然后边搅拌边加入酚醛树脂、固化剂、润滑剂和短波纤维，搅拌均匀后，采用射砂机在金属外模内表面上制备15mm的覆砂层。

4.将配制好的保温涂料，采用喷涂的方式在直浇道及缝隙浇口表面制备4mm的保温涂层，然后合箱。

实施效果：zl205a铝合金舱体铸件本体指定部位抗拉强度达到520mpa，延伸率8.0%，力学性能提升35%以上，针孔度ⅰ级，疏松度ⅰ级。

需要说明的是zl205a合金，其铝合金强度可达到500mpa，在兵器航空航天中应用非常广泛。但是其具有十多种合金元素，导致其凝固温度区间范围达到100℃以上（固液温度区间），若采用现有的铸型容易造成糊状凝固，导致铸件不致密，造成缩孔和缩松。通过本实施例提供的铸型，能够使得zl205a合金组件能够顺序凝固且快速凝固，保证铸件的致密性，避免铸件出现缩孔缩松及裂纹等缺陷。