[发明专利]铸钢件水溶性型芯

说明书

本发明属于铸造技术领域。

随着现代工业技术的发展，尤其是航空、航天事业的突飞猛进，铸件的形状日益复杂;对其内腔的复杂程度、尺寸精度及表面光洁度等方面的要求越来越高。现有的技术已难以适应，铸造工作者们迫切需要一种高强度、高精度、耐热性好、易成形、易溃散的型芯来满足生产的要求。在此基础上，水溶性型芯应运而生了，这是一种浇注后不需清理，可直接在水或稀酸中溶解溃散的型芯。

水溶性型芯早在四十年代就有人进行过探索与研究。见不池敬一《铸段造》，1978，（5），1～9。六十年代开始用来解决铝、镁合金的复杂内腔的成形问题，见CastingTechnologyApril1967，（27）那时的水溶芯是用水溶性无机盐为基体材料，故称为水溶性盐芯。这类型芯虽然能用于铝、镁合金的铸造，但它们的熔点低（只有几百度），耐热性差，且易与金属液反应，因此对浇注温度高达1600℃以上的铸钢、耐热合金等高熔点合金的铸造就无能为力了。

高熔点合金的细孔，目前多用以石英为主要成分的硅基陶瓷芯来形成。这种陶瓷芯虽然耐热性很高，也不与金属液反应，但不易脱芯，必须采用热荷性碱或氢氟酸溶液来除芯。除芯工艺复杂，设备庞大、时间长，且对铸造合金有腐蚀作用。见USPatentUS3701379。

因此，在水溶性盐芯的基础上，国外发展了一种既具有盐芯的水溶性又具有陶瓷芯的耐热性的型芯，这就是水溶性陶瓷芯。这种型芯可分为两类：

1.以能溶于水或稀酸的耐火陶瓷材料（如MgO、（6、5〕CaO〔8、7〕）为基材，加入一些易发挥的有机增塑剂，成形后高温烧结而成。

2.以难溶耐火材料（多用Al₂O₃系材料）为基材，可溶性盐类为粘结剂，通过各种成形工艺制成。

第一类水溶性陶瓷芯最突出的优点是优异的高温性能及良好的表面光洁度，使之能用于许多高熔点合金的精铸生产中。其缺点是需高温烧结，不但使工艺复杂化，还使型芯水溶性下降。这是因为高温烧结导致烧结体的晶粒粗大、致密;同时也使杂质活性增大，与基体材料形成难溶的新相。故这类型芯的脱芯条件要求较高，一般要在温度相当高的热蒸汽或有机酸中脱芯，有时还需辅之以一定的机械搅动或振动。脱芯后原材料也不易回收，成本高。见USpatentUS3722574，USPatentUS3643728。

第二类水溶性陶瓷芯不需要高温烧结，低温烘干后即可使用，生产工艺简单，原材料易回收，多用于砂型铸造中。其水溶性较第一类型芯好得多，这类型芯的结构是可溶性盐包复于耐火材料颗粒的表面，型芯入水后，由于耐火材料颗粒之间的毛细管现象。产生水的渗透，使粘结层的盐溶解，导致整个型芯的迅速溃散，故这类型芯在80℃左右的热水中就可以脱芯，且速度较快，φ50×50mm的型芯只需1分钟。但这类型芯受其粘结剂盐熔点的限制，使用温度不能太高，受热时间也不能太长，且这类型芯的光洁度不如第一类陶瓷芯，在精铸中使用还有困难。见黄星亮《现代铸造》1982（3），5-12。

本发明的目的在于选择合理的水溶性型芯混合料的配方，使之可以采用一般的制芯方法制造型芯，并具有较好的水溶溃散性，无烧结现象，从而获得光洁的铸件内腔。

本发明的要点在于：

1.原材料选用

（1）型芯基材：采用电熔刚玉砂或铝钒土熟料砂。其化学组成，结构性质见表1

两种原砂常温岩相结构中的刚玉相（α-Al₂O₃）和莫来石相（3Al₂O₃·2SiO₂）结构稳定，致密，且不与钢液反应，因而是铸钢件理想的耐火材料，尤其是铝钒土砂价格低廉（不到刚玉砂的十分之一，也低于石英砂），采用后可有效地降低成本。

（2）.型芯粘结剂：采用氢氧化钡有机粘结剂，由工业Ba（OH）₂·8H₂O和高价醇制成，Ba（OH）₂·8H₂O的化学组成见表2

本铸钢件水溶性型芯经高温且能水溶主要靠Ba（OH）₂，其加入量的多少对水溶性能的好坏影响甚大，一般加入量多，水溶性能好，否则较差，Ba（OH）₂受热后，在不同温度下有不同的反应，最后形成BaO·6Al₂O₃，有水溶性。