一种基于耐热钢铸造的覆膜砂及其制备工艺
一种基于耐热钢铸造的覆膜砂及其制备工艺
本发明涉及铸造领域，具体是一种基于耐热钢铸造的覆膜砂及其制备工艺。
背景技术
覆膜砂是一种壳（芯）型精密铸造用造型材料，通过铸造工艺，将覆膜砂制成薄壳状的铸型或型芯，用于铸铁、铸钢、合金铸铁铸钢及有色金属铸件的生产。从20世纪40年代德国工程师发明覆膜砂以来，其制备工艺均采用酚醛树脂为粘结剂与乌洛托品为固化剂，解决了铸件的高效大规模生产的问题，使得现代工业得以长足的发展。覆膜砂的骨料为耐高温无机天然石英砂或人工砂，骨料表面裹覆了有机高分子树脂，由于覆膜砂中含有乌洛托品固化剂，在制芯时随着酚醛树脂加热固化而发生的物理化学过程中，会向作业环境大量排放如甲醛等有害物质，严重地污染工作环境，给操作工人的身体带来严重的危害。
同时，覆膜砂在高温铸造过程中容易发生热变形、强度降低，导致铸件表面缺陷增多，出现热裂、粘砂等现象，影响铸件质量。传统覆膜砂的抗氧化和耐磨性能不足，在高温金属浇注时容易出现砂芯破损或表面氧化损坏，使铸件表面出现不平整、不光滑的问题。
铸造过程中，金属液接触覆膜砂时会产生气体。温度急剧升高会导致砂芯砂型膨胀，覆膜砂中孔隙减少，气体无法从覆膜砂中逸出，只能通过未成型的铸件释放，进而导致铸件产品出现大量气孔，极大影响铸件的质量。
技术实现思路
本发明提供一种基于耐热钢铸造的覆膜砂及其制备工艺，实现覆膜砂耐高温的目的。
制备工艺步骤
制备改性纳米钡钇氧化钨复配酚醛树脂材料
将硅烷偶联剂改性的纳米钡钇氧化钨与酚醛树脂混合，得到改性纳米钡钇氧化钨复配酚醛树脂材料。制备聚苯并咪唑改性uio-66复配有机硅树脂材料
将uio-66与聚苯并咪唑溶液混合均匀，过滤、干燥，得到聚苯并咪唑改性uio-66，再与有机硅树脂混合均匀，得到聚苯并咪唑改性uio-66复配有机硅树脂材料。覆膜砂制备
将硅砂、硅烷偶联剂改性碳化钒、乌洛托品、硬脂酸钙、所述改性纳米钡钇氧化钨复配酚醛树脂和所述聚苯并咪唑改性uio-66复配有机硅树脂进行混砂固化，得到覆膜砂。
技术优势
改性纳米钡钇氧化钨的作用
改性纳米钡钇氧化钨具有高熔点和良好抗氧化能力，能够在高温环境下形成一层致密的保护膜阻挡氧气，防止铸件与覆膜砂氧化，避免铸件表面形成氧化铁等物质影响铸件表面的光滑平整。同时，保护膜也能够避免酚醛树脂与氧气接触导致的氧化分解，提升覆膜砂的使用寿命。通过使用改性纳米钡钇氧化钨复配酚醛树脂，有效增强覆膜砂耐高温能力，减少铸件出现粘砂、裂纹等现象。聚苯并咪唑改性uio-66的作用
有机硅树脂具有良好的热隔离效果，可以提升覆膜砂的耐热能力，减少热传导到砂型砂芯，避免覆膜砂出现变形。同时树脂固化形成的有机-无机杂化结构，具有更高的稳定性，能够提高覆膜砂的机械强度。uio-66金属-有机框架的多孔结构给气体提供了通道，使覆膜砂受热产生的气体能够从其提供的通道释放，避免了气体从熔融状态的铸件逸出，导致最终成型铸件出现气孔的问题。同时uio-66的吸附能力还可以吸附一部分产生的气体，进一步减少气体在铸件表面形成气泡的机会，降低气体对铸件的影响。
聚苯并咪唑可以通过氢键、范德华力吸附在uio-66表面，大大提升uio-66在有机硅树脂中的分散性，确保uio-66能够均匀分散。并且聚苯并咪唑具有极高的热稳定性，适用于高温环境，可以为uio-66提供保护，增强其耐热能力，保证uio-66能够稳定的发挥作用。除此之外，聚苯并咪唑含有的氮原子和苯环结构能够与甲醛形成氢键和π-π相互作用，与uio-66的吸附作用配合，极大提升了甲醛吸附能力，降低了甲醛的释放量，减少了对人体和环境的危害。
碳化钒的作用
碳化钒可以通过变形抵抗、吸收和分散覆膜砂因热胀冷缩不一致而产生的集中应力，降低热应力集中效应，避免铸件出现不平整的缺陷。且碳化钒具有极高的熔点、硬度和耐磨性，可以有效提高覆膜砂整体的耐高温和抗磨损能力。使用γ-氨丙基三乙氧基硅烷偶联剂改性碳化钒，保证碳化钒在涂覆过程中能够均匀分散在硅砂中，且其带有的有机官能团能够与内层酚醛树脂所带有的酚羟基或醛基之间形成共价键连接，从而形成交联结构，使涂覆层更好的结合。碳化钒在高温下具有优良的抗氧化性能，能够在铸件铸造过程中形成保护性氧化层，减少覆膜砂的氧化损失，使覆膜砂在高温条件下仍能保持稳定的结构。同时这种氧化层具有高粘附性，与γ-氨丙基三乙氧基硅烷配合能够与内外层涂覆的树脂形成良好的界面结合，使三层涂覆能够稳定结合在硅砂表面。
混砂固化工艺
硅砂加入混砂机中第一次混砂，加热；加入改性纳米钡钇氧化钨复配酚醛树脂，第二次混砂；加入硬脂酸钙，第三次混砂，降温；加入乌洛托品，第四次混砂，固化；加入硅烷偶联剂改性碳化钒，升温；加入聚苯并咪唑改性uio-66复配有机硅树脂，第五次混砂，降温；加入乌洛托品，第六次混砂；加入硬脂酸钙，第七次混砂，固化得到覆膜砂。三层涂覆体系通过不同材料的功能叠加，使覆膜砂在高温铸造中表现出更高的耐热、导热、机械性能等，使铸件有了更好的成型环境，大大提升了铸件的质量。同时覆膜砂的整体性能提高，延长了覆膜砂的使用寿命，降低覆膜砂的维护成本。
有益效果
本发明引入改性纳米钡钇氧化钨，利用改性纳米钡钇氧化钨具有高熔点和良好抗氧化能力，防止铸件与覆膜砂氧化。通过使用改性纳米钡钇氧化钨复配酚醛树脂，能够有效增强覆膜砂的耐高温和抗热能力，使覆膜砂的散热速率提升，减少了铸件粘砂、裂纹等现象的出现，保证了铸件的质量。
本发明引入聚苯并咪唑改性uio-66，利用uio-66金属-有机框架具有的多孔结构和吸附能力，提供气体通道，并吸附部分气体，避免铸件出现气孔。聚苯并咪唑具有极高的热稳定性，可以增强uio-66耐热能力。除此之外，聚苯并咪唑含有的氮原子和苯环结构能够与甲醛形成氢键和π-π相互作用，与uio-66的吸附作用配合，极大提升了甲醛吸附能力，减少了对人体和环境的危害。
本发明使用了三层涂覆的方式制备覆膜砂，三层涂覆通过不同材料的功能叠加，使覆膜砂在高温铸造中表现出更好的耐热性、机械性能和透气性，延长了覆膜砂的使用寿命，降低覆膜砂的维护成本，同时使铸件成型环境质量得到改善，提升了铸件的质量。