覆膜种砂的激热膨胀值测试与分析

覆膜种砂的激热膨胀值测试与分析

随着机械部门的发展，对铸铁的尺寸、精度和质量的要求不断提高。而型(芯)砂激热膨胀量的大小,直接影响到所形成铸件的尺寸精度及质量。因此,在进行芯盒及模板设计之前,必须准确掌握制芯材料在铸件浇注过程中的热膨胀性能,以便根据具体铸件的结构特点及铸造工艺要求,选择性能符合要求、价格合理的制芯材料。在铸造生产中,原砂是作为造型制芯材料的骨料,与粘结剂及其他附加物一起来形成所需的型芯。因而更准确地说是型芯中原砂与粘结剂及其它附加物共同影响型芯的热膨胀性能,进而影响铸件的尺寸精度及质量的。虽然已有许多文献介绍了不同种类的原砂在某一温度下的热膨胀性能,但由于试验方法不尽相同及其他工艺因素的影响,各种测试结果之间仍存在较大的差异,不能满足铸造生产的要求。因此,在进行铸件的设计及生产时,单纯考虑原砂的热膨胀性能是不够的,必须考虑制芯材料中各组分的综合影响。只有这样才能更准确地反映出制芯材料在铸件浇注过程中的实际变化,因而以此为依据所制定的工艺方案才更科学。由于本研究拟采用特种砂作制芯材料,而已有文献对用此种原砂配制的覆膜砂的热膨胀性能的相关研究较少,因而非常有必要进行试验研究,以便为后续进行的薄壁复杂铝合金铸件的生产提供科学依据。基于此,本文测定了覆膜特种砂热膨胀性能,并与相同条件下所测定的覆膜硅砂的热膨胀性能进行了对比。1试验用原材料1.1trt法确定砂型铸件凝固过程中热传导的速率取决于铸型的热物理性能。如果原砂的热导率低,那么,在一定时间内,铸型(芯)能够传导出去的热量有限,使其局部温度上升很快,而其它部分仍处在较低温度。如果原砂的热导率高,就可使铸型在较短的时间内能传导出较多的热量,扩大热影响区,强化铸型中的传热,促使砂型中靠近铸件的一层型(芯)砂表面的树脂膜的热分解,也就能够改善铸铝件树脂砂的溃散性。为此,可以选用热导率高于硅砂的其它特种原砂,例如铁丸砂、铬铁矿砂、铬镁砂、锆砂、钛铁矿砂、钛渣砂、碳素砂等等。但如果使用的原砂热膨胀大,制成的砂芯受热由于热膨胀大,使砂芯出现裂纹,铸件就有产生毛刺的可能,而铸件复杂内腔出现毛刺则很难甚至无法清除,导致铸件报废。因此要求制芯材料在铸件浇注及凝固过程中不能出现大的膨胀。本文从上述几种特种砂选择其一,其粒度为07Q,相当于AFS细度128.42,取名为1#砂,其筛分结果如表1所示。对比试验所用硅砂为都昌擦洗砂,粒度为15Q(70/140,直径为0.21mm～0.105mm)。1.2亚甲基四胺溶液乌洛托品溶液使用的原材料包括线型热塑性酚醛树脂,产品代号为PF-90-P,呈黄褐色透明片状:硬化剂为六亚甲基四胺(商品名为乌洛托品),为化学纯级。使用时按乌洛托品:水=1:1(质量比)配成水溶液。为改善覆膜砂的存放性,防止覆膜砂在存放期间结块:加入附加物硬脂酸钙,其产品等级也为化学纯级。1.3覆膜砂硬化结构特征开发出的复合溃散剂主要由能在300℃以上释放出氧和能造成氧化性气氛,促使残碳骨架难于形成的组分和能在300℃以上低温分解,促使酚醛脂已变成体型的网状结构部分破坏的组分;加入的组分有助于在覆膜砂硬化结壳时,促使覆膜砂热态和常温强度很少降低。复合溃散剂以溶液形式加入。1.4“8”字抗拉试样测试将原砂加热到220℃,保温45min,取出后迅速将原砂卸入球形混砂机中,添加树脂混10s,加乌洛脱品混15s,再加硬脂酸钙混20s,然后出砂冷却。将“8”字抗拉试样模具在加热板上加热至220～230℃,然后将混制好的覆膜砂填入模具并刮平,待硬化后取出,冷却后即可进行测试。试样尺寸为〉10×50mm.2激热膨胀测试仪器覆膜砂试样膨胀性能的测试采用华中理工大学自行研制的激热膨胀测试仪,如图1所示。测试时先将加热炉预热至设定的温度,将试样安装于测试架上,记录仪将自动记录试样的激热膨胀量。3覆膜特种砂热膨胀表征测定了树脂加入量为2.0%的覆膜特种砂,在500℃、600℃和750℃时的激热膨胀值,并与同一配方的覆膜硅砂的激热膨胀值进行了对比,其结果如图2～4。从图2、图3和图4中可以看出,1#砂试样的激热膨胀值要比硅砂试样低得多。硅砂的体积膨胀有两个方面的原因:一是温度升高而产生热膨胀;二是在温度升高时因石英相变而产生膨胀。常温下的β石英呈四面体(见图5),当加热至573℃时转变为α石英。而β石英转变成α石英时,由于四面体的连接伸直(见图6),因而使砂子的体积变化加剧。1#砂的热稳定性好,高温时膨胀值远比硅砂低,因而试样的激热膨胀值低。当树脂量增加,例如达2.5%,2.9%,溃散剂加入量为0%,2.0%,6.0%和6.9%时,在500℃,600℃,750℃时,随时间推移测得的覆膜特种砂的激热膨胀值如表2、表3和表4所示。可以看出。配方中组分的变化对1#砂试样的激热膨胀的影响较小,相同温度下的膨胀值相差不大。树脂加入量为2.0%时,500℃时试样的膨胀量为0.07mm,而600℃时为0.06mm,750℃时为0.03mm。其它配方也存在有类似的现象。这是由于1#砂的激热膨胀值很小,覆膜后型(芯)砂的膨胀几乎都由树脂及其他附加物决定。当树脂受到激热,迅速分解、燃烧,使试样松散,从而使其具有一定的吸收膨胀的作用。测试温度较高时,由于树脂等分解、燃烧反应发生得较迅速,试样很快具有了吸收膨胀的能力,因而其膨胀值反而比低温时的要低。4覆膜砂结构类型对激热膨胀值的影响1)测试结果表明,以1#砂为原砂所配制的覆膜砂的热稳定性好,高温时膨胀值远比以普通硅砂为原砂所配制的覆膜砂的激热膨胀值低。2)以1#砂为原砂所配制覆膜砂时,不同配方对试