一种复杂铸件用高性能覆膜砂制备工艺及其压制成型系统的制作方法

本发明涉及铸造覆膜砂技术领域，具体说是一种复杂铸件用高性能覆膜砂制备工艺及其压制成型系统。

背景技术：

覆膜砂是指表面附有一层固体树脂膜的型砂或芯砂，用于铸造各种金属铸件。通常选用坚硬、耐磨、化学性质稳定的石英砂为原砂，以酚醛树脂作为粘结剂，配以固化剂、润滑剂等原料制作而成。由于覆膜砂具有强度高、发气量较低的优点，可用于铸造各种精密度高、表面光洁的铸钢件、铸铁件。随着汽车工业的快速发展和高精度机械产品的技术需要，对铸件的质量和精度要求逐步提高，这就对酚醛树脂基覆膜砂的性能提出了更高的要求，特别是近几年，出现了一些新型的复杂铸件结构，铸造工艺难度大，对铸模的要求极高。采用传统方法生产的覆膜砂在铸造中用于生产这些高精度铸件时，由于在高温时其强度和热稳定性不能满足要求，导致铸件产生裂纹。因此，开发高强度、热稳定性优异的酚醛树脂基覆膜砂，对于高端铸造技术的发展意义重大。

技术实现要素：

为了满足铸造复杂高精度铸件的需求，我们迫切需要开发强度高、热稳定性优异的酚醛树脂基覆膜砂，解决高端铸件生产面临的易产生裂纹的难题，本发明的目的是提供一种复杂铸件用高性能覆膜砂制备工艺及其压制成型系统。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种复杂铸件用高性能覆膜砂，其粘结剂为双酚a环氧树脂改性酚醛树脂。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：

向反应釜中加入苯酚、甲醛、草酸，加热至60～100℃下搅拌反应4～8小时，测游离醛的含量小于1.5％时，蒸馏脱水，反应釜内温度升至140℃时，开启真空，继续蒸馏脱水1～3小时，加入双酚a环氧树脂和丁腈橡胶，搅拌0.1～0.5小时，得双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

其中苯酚、甲醛、草酸、双酚a环氧树脂和丁腈橡胶的质量比为100～150：85～135：5～15：1～5：10～30。

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

将原砂加热至100～150℃，置于混砂机中，依次加入双酚a环氧树脂改性酚醛树脂，改性偶联剂，搅拌混合0.2～1小时，降温至20～50℃，加入六亚甲基四胺，乙酸乙酯，混合、冷冻粉碎、过筛得复杂铸件用高性能覆膜砂；

所述改性偶联剂由硅烷偶联剂和氯化铝按照质量比10～15：1～3组成；

其中原砂、双酚a环氧树脂改性酚醛树脂、改性偶联剂、六亚甲基四胺和乙酸乙酯的质量比为100～120：5～15：0.05～0.2：0.5～2.5：1～4。

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，在加入改性偶联剂之前先加入复合溃散剂；

所述复合溃散剂为蒙脱土，硬脂酸钙和无碱玻璃纤维按照质量比1～5：2～10：1～4组成。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂和复合溃散剂质量比为5～15：0.3～0.8。

所述硅烷偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-(2-氨乙基)-氨丙基三甲氧基硅烷。

所述原砂为石英砂，目数为50～100目。

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为31％～35％。

优选的，硅烷偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

优选的，改性偶联剂由硅烷偶联剂和氯化铝按照质量比13：2组成。

所述的复杂铸件用高性能覆膜砂，采用如下砂型压制系统，至少包括第一传送带以及支撑柱，所述第一传送带至少包括位于两端的滚筒以及设置于两个滚筒间的皮带，其中一端的滚筒上连接有驱动设备，所述第一传送带的两侧皆设置有支撑柱，所述支撑柱的内部设置有齿板，所述齿板上设置有与齿板啮合的齿轮，两个齿轮间穿设有转动杆，所述转动杆的端部固定有转盘，所述齿板的顶端固定有第一固定块，所述第一固定块的内侧开设有与皮带为配合结构的固定槽，所述第一固定块、皮带组成外高内低的第一弧形槽。

所述齿板由上至下依次设置有多个插槽，所述支撑柱上开设有与插槽为配合结构的插孔，所述插孔与插槽间穿设有插杆，所述插杆与插槽为螺纹配合。

所述第一传送带的顶部设置有第二传送带且第一传送带与第二传送带的传送方向相反。

所述第一固定块的顶部固定有固定杆，所述固定杆的顶部固定有与第二传送带为配合结构的第二固定块，所述第二传送带与第二固定块组成外高内低的第二弧形槽。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明采用双酚a环氧树脂和丁腈橡胶改性酚醛树脂，并将其生产高性能覆膜砂，由于环氧树脂和酚醛树脂可以互相用作改性剂和固化剂，环氧树脂中的环氧基可以和酚醛树脂中的羟基或羟甲基反应，反应后在酚醛树脂中引入了柔性的环氧树脂，同时降低了固化产物的交联密度，使酚醛树脂的韧性大大增强。

丁腈橡胶具有优异的耐磨性，耐热性和化学稳定性，同时其粘接力也强，广泛用于材料改性，用于提高材料的强度、机械性能和、稳定性。酚醛树脂、环氧树脂和丁腈橡胶结合后所得新树脂的粘结强度也大大提高，固化产物的尺寸稳定性优异，特别适合于制造强度高、热稳定性优异的覆膜砂，该覆膜砂在铸造高精度、结构复杂的铸件时，由于其高强度、热稳定性和尺寸稳定性，可抵抗砂芯膨胀产生的热应力，防止铸件裂纹的产生。

此外，压制成型系统利用成型的砂型的余温对覆膜砂进行预热，使其更加易于成型。

附图说明

图1为一种覆膜砂砂型压制系统的主视结构示意图。

图2为一种覆膜砂砂型压制系统的侧视结构示意图。

图3为本申请中支撑柱的侧视结构示意图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种复杂铸件用高性能覆膜砂制备工艺及其压制成型系统，通过以下技术方案实现：

一种复杂铸件用高性能覆膜砂，其粘结剂为双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂按照以下步骤制备得到：

向反应釜中加入苯酚、甲醛、草酸，加热至60～100℃下搅拌反应4～8小时，测游离醛的含量小于1.5％时，蒸馏脱水，反应釜内温度升至140℃时，开启真空，继续蒸馏脱水1～3小时，加入双酚a环氧树脂和丁腈橡胶，搅拌0.1～0.5小时，得双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

其中苯酚、甲醛、草酸、双酚a环氧树脂和丁腈橡胶的质量比为100～150：85～135：5～15：1～5：10～30。

由于环氧树脂和酚醛树脂可以互相用作改性剂和固化剂，环氧树脂中的环氧基可以和酚醛树脂中的羟基或羟甲基反应，反应后在酚醛树脂中引入了柔性的环氧树脂，同时降低了固化产物的交联密度，使酚醛树脂的韧性大大增强；本发明的酚醛树脂中还加入了丁腈橡胶，丁腈橡胶具有优异的耐磨性，耐热性和化学稳定性，同时其粘接力也强，广泛用于材料改性，用于提高材料的强度、机械性能和、稳定性；酚醛树脂、环氧树脂和丁腈橡胶结合后所得新树脂的粘结强度也大大提高，固化产物的尺寸稳定性优异，特别适合于制造强度高、热稳定性优异的覆膜砂，该覆膜砂在铸造高精度、结构复杂的铸件时，由于其高强度、热稳定性和尺寸稳定性，可抵抗砂芯膨胀产生的热应力，防止铸件裂纹的产生。

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

将原砂加热至100～150℃，置于混砂机中，依次加入双酚a环氧树脂改性酚醛树脂，改性偶联剂，搅拌混合0.2～1小时，降温至20～50℃，加入六亚甲基四胺，乙酸乙酯，混合、冷冻粉碎、过筛得复杂铸件用高性能覆膜砂；

所述改性偶联剂由硅烷偶联剂和氯化铝按照质量比10～15：1～3组成；向硅烷偶联剂中添加氯化铝，氯化铝可以与硅烷偶联剂中的氮原子和氧原子螯合，所得螯合物能够改善覆膜砂的强度、耐磨和耐屈挠性能。

其中原砂、双酚a环氧树脂改性酚醛树脂、改性偶联剂、六亚甲基四胺和乙酸乙酯的质量比为100～120：5～15：0.05～0.2：0.5～2.5：1～4。

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，在加入改性偶联剂之前先加入复合溃散剂；复合溃散剂为蒙脱土，硬脂酸钙和无碱玻璃纤维按照质量比1～5：2～10：1～4组成；以蒙脱土、硬脂酸钙和无碱玻璃纤维作为复合溃散剂，硬脂酸钙是制造覆膜砂用的润滑剂，可以改善覆膜砂的溃散性、结块性、流动性、发气量、强度和热韧度，使砂芯紧实度增加，提高型芯的强度，同时蒙脱土也具有改善覆膜砂溃散性和提高强度的作用，而无碱玻璃纤维可进一步增强覆膜砂的强度，防止铸件变形，将蒙脱土、硬脂酸钙和无碱玻璃纤维复合形成溃散剂后，在用量较少的情况下，就会显著增强覆膜砂的性能，防止铸件裂纹。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂和复合溃散剂质量比为5～15：0.3～0.8。

所述硅烷偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷、3-氨丙基三甲氧基硅烷或3-(2-氨乙基)-氨丙基三甲氧基硅烷。

所述原砂为石英砂，目数为50～100目。

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为31％～35％。

优选的，硅烷偶联剂是γ-氨丙基三乙氧基硅烷。

优选的，改性偶联剂由硅烷偶联剂和氯化铝按照质量比13：2组成。

覆膜砂砂型压制系统，至少包括第一传送带10以及支撑柱20，所述第一传送带10至少包括位于两端的滚筒11以及设置于两个滚筒11间的皮带12，其中一端的滚筒11上连接有驱动设备13，所述第一传送带10的两侧皆设置有支撑柱20，所述支撑柱20的内部设置有齿板21，所述齿板21上设置有与齿板21啮合的齿轮22，两个齿轮22间穿设有转动杆23，所述转动杆23的端部固定有转盘24，所述齿板21的顶端固定有第一固定块25，所述第一固定块25的内侧开设有与皮带12为配合结构的固定槽251，所述第一固定块25、皮带12组成外高内低的第一弧形槽30。所述齿板21由上至下依次设置有多个插槽211，所述支撑柱20上开设有与插槽211为配合结构的插孔26，所述插孔26与插槽211间穿设有插杆40。所述插杆40与插槽211为螺纹配合。

为了增强隧道炉的加热效果，所述第一传送带10的顶部设置有第二传送带50且第一传送带10与第二传送带50的传送方向相反。需要说明的是，本中第一传送带10上运输覆膜砂而第二传送带50运输铸造好砂型，继而通过第二传送带50运输的铸造好砂型的余温对第一传送带10上的覆膜砂加热，所述第一固定块25的顶部固定有固定杆27，所述固定杆27的顶部固定有与第二传送带50为配合结构的第二固定块28，所述第二传送带50与第二固定块28组成外高内低的第二弧形槽60。从而拉近第二传送带50上铸造好砂型与覆膜砂的间距，继而加强了铸造好砂型的余温对覆膜砂加热效果。

综上所述，本结构简单，造型新颖，通过在隧道炉中传送带的两侧加装支撑柱20，使得支撑柱20上的第一固定块25与皮带12组成第一弧形槽30，从而避免了覆膜砂从皮带两端滑落的情况发生，值得大力推广使用。

以下结合具体实施例来对本发明作进一步的描述。

实施例1

一种复杂铸件用高性能覆膜砂，按照以下步骤制备得到：

①向反应釜中加入苯酚100kg、甲醛85kg、草酸5kg，加热至60℃下搅拌反应4小时，测游离醛的含量小于1.5％时，蒸馏脱水，反应釜内温度升至140℃时，开启真空，继续蒸馏脱水1小时，加入双酚a环氧树脂1kg和丁腈橡胶10kg，搅拌0.1小时，得双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

②将原砂100kg加热至100℃，置于混砂机中，依次加入双酚a环氧树脂改性酚醛树脂5kg，改性偶联剂0.05kg，搅拌混合0.2小时，降温至20℃，加入六亚甲基四胺0.5kg，乙酸乙酯1kg，混合、冷冻粉碎、过筛得复杂铸件用高性能覆膜砂；

所述改性偶联剂由3-氨丙基三甲氧基硅烷和氯化铝按照质量比10：1组成；

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，在加入改性偶联剂之前先加入复合溃散剂；复合溃散剂为蒙脱土，硬脂酸钙和无碱玻璃纤维按照质量比1：2：1组成。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂和复合溃散剂质量比为5：0.3。

所述原砂为石英砂，目数为50～100目。

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为31％～35％。

实施例2

一种复杂铸件用高性能覆膜砂，按照以下步骤制备得到：

①向反应釜中加入苯酚150kg、甲醛135kg、草酸15kg，加热至100℃下搅拌反应8小时，测游离醛的含量小于1.5％时，蒸馏脱水，反应釜内温度升至140℃时，开启真空，继续蒸馏脱水3小时，加入双酚a环氧树脂5kg和丁腈橡胶30kg，搅拌0.5小时，得双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

②将原砂120kg加热至150℃，置于混砂机中，依次加入双酚a环氧树脂改性酚醛树脂15kg，改性偶联剂0.2kg，搅拌混合1小时，降温至50℃，加入六亚甲基四胺2.5kg，乙酸乙酯4kg，混合、冷冻粉碎、过筛得复杂铸件用高性能覆膜砂；

所述改性偶联剂由3-(2-氨乙基)-氨丙基三甲氧基硅烷和氯化铝按照质量比15：3组成；

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，在加入改性偶联剂之前先加入复合溃散剂；复合溃散剂为蒙脱土，硬脂酸钙和无碱玻璃纤维按照质量比5：10：4组成。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂和复合溃散剂质量比为15：0.8。

所述原砂为石英砂，目数为50～100目。

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为31％～35％。

实施例3

一种复杂铸件用高性能覆膜砂，按照以下步骤制备得到：

①向反应釜中加入苯酚131kg、甲醛98kg、草酸7.2kg，加热至80℃下搅拌反应6小时，测游离醛的含量小于1.5％时，蒸馏脱水，反应釜内温度升至140℃时，开启真空，继续蒸馏脱水2小时，加入双酚a环氧树脂3.8kg和丁腈橡胶21kg，搅拌0.3小时，得双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

②将原砂110kg加热至130℃，置于混砂机中，依次加入双酚a环氧树脂改性酚醛树脂12kg，改性偶联剂0.13kg，搅拌混合0.5小时，降温至40℃，加入六亚甲基四胺1.8kg，乙酸乙酯2.5kg，混合、冷冻粉碎、过筛得复杂铸件用高性能覆膜砂；

所述改性偶联剂由γ-氨丙基三乙氧基硅烷和氯化铝按照质量比13：2组成；

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，在加入改性偶联剂之前先加入复合溃散剂；所述复合溃散剂为蒙脱土，硬脂酸钙和无碱玻璃纤维按照质量比3：7：2组成。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂和复合溃散剂质量比为12：0.6。

所述原砂为石英砂，目数为50～100目。

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为31％～35％。

实施例4

一种复杂铸件用高性能覆膜砂，按照以下步骤制备得到：

①向反应釜中加入苯酚130kg、甲醛98kg、草酸11kg，加热至70℃下搅拌反应5小时，测游离醛的含量小于1.5％时，蒸馏脱水，反应釜内温度升至140℃时，开启真空，继续蒸馏脱水2小时，加入双酚a环氧树脂1.9kg和丁腈橡胶23kg，搅拌0.3小时，得双酚a环氧树脂改性酚醛树脂；

②将原砂110kg加热至120℃，置于混砂机中，依次加入双酚a环氧树脂改性酚醛树脂11kg，改性偶联剂0.12kg，搅拌混合0.4小时，降温至35℃，加入六亚甲基四胺1.4kg，乙酸乙酯2kg，混合、冷冻粉碎、过筛得复杂铸件用高性能覆膜砂；

所述改性偶联剂由γ-氨丙基三乙氧基硅烷和氯化铝按照质量比12：2组成；

所述的一种复杂铸件用高性能覆膜砂的制备方法，在加入改性偶联剂之前先加入复合溃散剂；复合溃散剂为蒙脱土，硬脂酸钙和无碱玻璃纤维按照质量比3：7：3组成。

所述双酚a环氧树脂改性酚醛树脂和复合溃散剂质量比为12：0.7。

所述原砂为石英砂，目数为50～100目。

所述丁腈橡胶中丙烯腈含量为31％～35％。

对比实施例5

按照专利cn107282869a的方法制备木质素改性覆膜砂，具体步骤如下：

①称取100kg酚醛树脂加入到粉碎机中粉碎1小时，所的酚醛树脂粉末加入到400l丙酮中，搅拌混合1小时，加入30l2,4-二甲苯二异氰酸酯，反应液升温至60℃，在250转/分的条件下搅拌反应2小时，过滤，滤渣用水洗涤三次，95℃干燥3小时得改性酚醛树脂。

②取40kg二氧化铈，100l质量份数为25％的盐酸和5l质量份数为30％的双氧水，加入到反应釜中，搅拌混合30分钟，加入25l羟基亚乙基叉二膦酸，反应40分钟，加入15l质量份数为15％的过硫酸钠，搅拌1小时，所得产物在95℃干燥至恒重得干燥物。

③取15kg木质素，100l水和10kg三乙醇胺加入到反应釜中，搅拌条件下升温至80℃，滴加8l环氧氯丙烷，滴加完毕后，搅拌反应1小时，过滤，所的固体用水洗涤三次，95℃干燥2小时得改性木质素。

④取100kg原砂，加热至95℃后置于混砂机中，加入2kg步骤①所得改性酚醛树脂，1kg硅烷偶联剂kh-560，1kg步骤②所得干燥物和0.6kg步骤③所得改性木质素，搅拌混合20分钟，冷却至室温，加入0.3kg乌洛托品和1kg乙酸乙酯，再次搅拌混合5分钟，所得混合物冷冻粉碎15分钟，过80目筛，得木质素改性覆膜砂。

将实施例1～4及对比实施例5所制备的覆膜砂，与市场购买的铸钢覆膜砂(巩义市邦原精密铸造材料有限公司)做对比，测定其性能，结果如表1所示。

表1本发明实施例制备的覆膜砂与对比专利制备和市场购买覆膜砂的性能测试结果

表1本发明实施例制备的覆膜砂与对比专利制备和市场购买覆膜砂的性能测试结果

如表1所示，与对比实施例5和市场购买的铸钢覆膜砂相比，本发明实施例1、2、3、4制备的复杂铸件用高性能覆膜砂均表现出出色的性能，特别是实施例3。实施例3所制备的覆膜砂耐热时间达到258s，远大于对比实施例5的210s和市场购买覆膜砂的203s，说明其具有优异的耐热性能；实施例3所制备的覆膜砂发气量低至4.18ml/g，溃散性达到55％/s，证明本实施例的覆膜砂在铸造时砂芯更加紧实，型芯强度高，强度高可有效防止，防止铸件变形、裂纹；另外，实施例3所制备的覆膜砂常温抗拉强度达到5.2mpa，热韧性>400s，热膨胀率低至0.9％，证明该覆膜砂具有非常好的强度和热稳定性，在高温情况下不易变形，进一步证明该覆膜砂在复杂铸件铸造中具有非常好的性能。

实施例5

请参阅图1～3，本实施例中，覆膜砂砂型压制系统，至少包括第一传送带10以及支撑柱20，所述第一传送带10至少包括位于两端的滚筒11以及设置于两个滚筒11间的皮带12，其中一端的滚筒11上连接有驱动设备13，所述第一传送带10的两侧皆设置有支撑柱20，所述支撑柱20的内部设置有齿板21，所述齿板21上设置有与齿板21啮合的齿轮22，两个齿轮22间穿设有转动杆23，所述转动杆23的端部固定有转盘24，所述齿板21的顶端固定有第一固定块25，所述第一固定块25的内侧开设有与皮带12为配合结构的固定槽251，所述第一固定块25、皮带12组成外高内低的第一弧形槽30。所述齿板21由上至下依次设置有多个插槽211，所述支撑柱20上开设有与插槽211为配合结构的插孔26，所述插孔26与插槽211间穿设有插杆40。所述插杆40与插槽211为螺纹配合。

为了增强隧道炉的加热效果，所述第一传送带10的顶部设置有第二传送带50且第一传送带10与第二传送带50的传送方向相反。需要说明的是，本中第一传送带10上运输覆膜砂而第二传送带50运输铸造好砂型，继而通过第二传送带50运输的铸造好砂型的余温对第一传送带10上的覆膜砂加热，所述第一固定块25的顶部固定有固定杆27，所述固定杆27的顶部固定有与第二传送带50为配合结构的第二固定块28，所述第二传送带50与第二固定块28组成外高内低的第二弧形槽60。从而拉近第二传送带50上铸造好砂型与覆膜砂的间距，继而加强了铸造好砂型的余温对覆膜砂加热效果。

综上所述，本结构简单，造型新颖，通过在隧道炉中传送带的两侧加装支撑柱20，使得支撑柱20上的第一固定块25与皮带12组成第一弧形槽30，从而避免了覆膜砂从皮带两端滑落的情况发生，值得大力推广使用。