一种发泡石膏铸型材料、发泡石膏铸型和烘烤方法

技术领域

本发明属于铸造技术，涉及一种发泡石膏铸型、发泡石膏铸型和发泡石膏铸型的烘烤方法。

背景技术

无余量精密铸造是近年来国际上日益受到重视的一种新型铸造方法，可高效快速低成本成形制造结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm的轻质合金构件，尤其是铝合金铸件，低导热系数的石膏铸型常被应用于无余量精密铸造，与普通石膏铸型相比，发泡石膏铸型内部由于含有大量均匀细小的气泡，很好地隔离了热量的传输与交换，因此，用于无余量精密铸造时具有更好的保温效果。为了铸造成形壁厚尺寸更小、表面质量更高的铝合金铸件，对发泡石膏铸型的表面光洁度、气孔等缺陷的控制和发泡石膏浆料的配比与混合工艺提出了更高的要求。同时，用于无余量精密铸造成形的发泡石膏铸型因内部含有大量的微气孔结构，在干燥与烘烤过程中易受热不均导致发泡石膏铸型产生开裂或形成微裂纹，导致发泡石膏铸型干燥后的废品率较高。目前，已公开发表的石膏铸型的制备与热烘烤方法主要针对于普通石膏铸型，涉及发泡石膏铸型的报道较少。目前常规的发泡石膏铸型制备方法多为化学发泡法与通气发泡法，化学发泡法所需的化学发泡剂目前国内还未有成熟的商品牌号可供选择，常导致发泡石膏铸型批次性制备质量波动较大，难以实现稳定化生产。通气发泡法工艺操作简便，但较难控制石膏混合浆料内的发气量，导致石膏铸型内部气孔大小与分布不一，极易在室温胶凝与干燥过程中开裂，这些方法都很难圆满成形结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm的发泡石膏铸型。传统发泡石膏铸型的干燥方法多采用热辐射或热风干燥，对于内部含有大量微气孔的发泡石膏铸型，极易产生开裂或形成微裂纹缺陷。因此，传统发泡石膏铸型的制备与热烘烤方法，很难直接应用于结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm铝合金铸件的无余量精密铸造，严重制约了无余量精密铸造技术的发展。

发明内容

本发明的目的是：提出一种发泡石膏铸型、发泡石膏铸型和发泡石膏铸型的烘烤方法，以便减小发泡石膏铸型的质量波动，实现稳定化生产；避免发泡石膏铸型在烘烤过程中产生开裂或形成微裂纹缺陷；实现成形结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm的发泡石膏铸型的制备。

本发明的技术方案是：一种发泡石膏铸型材料，其特征在于，发泡石膏铸型材料由石膏混合粉料和去离子水混合组成，石膏混合粉料由α型高强半水石膏粉料、高岭土粉、高铝矾土粉、石英粉、硅藻土粉、陶瓷短纤维、促凝剂和化学发泡剂组成；高岭土粉的重量占石膏混合粉料重量的12％～16％；高铝矾土粉的重量占石膏混合粉料重量的10％～14％；石英粉的重量占石膏混合粉料重量的14％～18％；硅藻土粉的重量占石膏混合粉料重量的6％～10％；陶瓷短纤维的重量占石膏混合粉料重量的1.2％～2.5％；促凝剂的重量占石膏混合粉料重量的1.5％～2.5％；化学发泡剂的重量占石膏混合粉料重量的1.8％～3.0％；余量为α型高强半水石膏粉料；促凝剂由NaCl与MgSO₄组成，其中NaCl与MgSO₄的质量比为1:1.2～1:1.4，化学发泡剂为十二烷基硫酸钠-K12或十二烷基磺酸钠-SDS。

使用如上面所述的发泡石膏铸型材料制备发泡石膏铸型的方法，其特征在于，制备的步骤如下：

1、配制石膏混合粉料：按比例称取各种原料，将各种原料放入搅拌机中搅拌至少8min；

2、配制促凝剂水溶液：将促凝剂加入到去离子水中，搅拌至少5min，得到促凝剂水熔液，其中促凝剂的质量与去离子水的质量比为40g～60g：1000g；

3、配制石膏浆料：向促凝剂去离子水溶液中加入石膏混合粉料，搅拌至少5min，得到石膏浆料；

4、添加化学发泡剂：向石膏浆料中加入化学发泡剂，采用机械搅拌叶片快速搅拌至少8min,得到发泡石膏浆料；

5、浇注发泡石膏浆料：将发泡石膏浆料放入带有超声振动器的浆料釜中，在超声功率为350W～500W和超声频率为30000Hz～45000Hz下振动至少1min～2min，然后将发泡石膏浆料浇注到模具型腔内；

6、静置：将模具在室温下静置2h～3h，从模具型腔内取出发泡石膏铸型；

7、晾干：将发泡石膏铸型在室温下静置干燥24h～32h，得到晾干的发泡石膏铸型。

如上面所述的发泡石膏铸型的烘烤方法，其特征在于，烘烤的步骤如下：将发泡石膏铸型放入加热炉内，发泡石膏铸型的入炉温度不小于80℃，升温到100℃±5℃，保温2h～2.5h；再以50℃±5℃/1h的升温速率升温到200℃±5℃，保温4h～5h；再以100℃±5℃/1h的升温速率升温到300℃±5℃，保温5h～6h；再以100℃±5℃/1h的升温速率升温到400℃±5℃，保温7h～8h；再以50℃±5℃/1h的升温速率升温到550℃±5℃，保温6h～7h；再以100℃±5℃/1h的升温速率升温到750℃±5℃，保温2h～3h；然后随炉冷却至200℃～250℃，打开炉门取出发泡石膏铸型，转入浇铸工序。

本发明的优点是：提出了一种发泡石膏铸型、发泡石膏铸型和发泡石膏铸型的烘烤方法，减小了发泡石膏铸型的质量波动，满足了稳定化生产的需要；避免了发泡石膏铸型在烘烤过程中产生开裂或形成微裂纹缺陷；实现了成形结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm的发泡石膏铸型的制备。

附图说明

图1是本发明实施例1中发泡石膏铸型烘烤前的EDS测试结果，其中Ca元素对应于石膏混合粉料中的α型高强半水石膏粉，Si元素对应于石膏混合粉料中的石英粉，S元素对应于石膏混合粉料中的化学发泡剂。

图2是图1中EDS分析的块体，即在本发明实施例1烘烤前扫描电镜观察视野内取样，石膏形貌呈块状与板片状。

图3是本发明实施例1烘烤后的扫描电镜照片，石高形貌呈长针状，与陶瓷短纤维交织在一起。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种发泡石膏铸型材料，其特征在于，发泡石膏铸型材料由石膏混合粉料和去离子水混合组成，石膏混合粉料由α型高强半水石膏粉料、高岭土粉、高铝矾土粉、石英粉、硅藻土粉、陶瓷短纤维、促凝剂和化学发泡剂组成；高岭土粉的重量占石膏混合粉料重量的12％～16％；高铝矾土粉的重量占石膏混合粉料重量的10％～14％；石英粉的重量占石膏混合粉料重量的14％～18％；硅藻土粉的重量占石膏混合粉料重量的6％～10％；陶瓷短纤维的重量占石膏混合粉料重量的1.2％～2.5％；促凝剂的重量占石膏混合粉料重量的1.5％～2.5％；化学发泡剂的重量占石膏混合粉料重量的1.8％～3.0％；余量为α型高强半水石膏粉料；促凝剂由NaCl与MgSO₄组成，其中NaCl与MgSO₄的质量比为1:1.2～1:1.4，化学发泡剂为十二烷基硫酸钠-K12或十二烷基磺酸钠-SDS。

使用如上面所述的发泡石膏铸型材料制备发泡石膏铸型的方法，其特征在于，制备的步骤如下：

1、配制石膏混合粉料：按比例称取各种原料，将各种原料放入搅拌机中搅拌至少8min；

2、配制促凝剂水溶液：将促凝剂加入到去离子水中，搅拌至少5min，得到促凝剂水熔液，其中促凝剂的质量与去离子水的质量比为40g～60g：1000g；

3、配制石膏浆料：向促凝剂去离子水溶液中加入石膏混合粉料，搅拌至少5min，得到石膏浆料；

4、添加化学发泡剂：向石膏浆料中加入化学发泡剂，采用机械搅拌叶片快速搅拌至少8min,得到发泡石膏浆料；

5、浇注发泡石膏浆料：将发泡石膏浆料放入带有超声振动器的浆料釜中，在超声功率为350W～500W和超声频率为30000Hz～45000Hz下振动至少1min～2min，然后将发泡石膏浆料浇注到模具型腔内；

6、静置：将模具在室温下静置2h～3h，从模具型腔内取出发泡石膏铸型；

7、晾干：将发泡石膏铸型在室温下静置干燥24h～32h，得到晾干的发泡石膏铸型。

如上面所述的发泡石膏铸型的烘烤方法，其特征在于，烘烤的步骤如下：将发泡石膏铸型放入加热炉内，发泡石膏铸型的入炉温度不小于80℃，升温到100℃±5℃，保温2h～2.5h；再以50℃±5℃/1h的升温速率升温到200℃±5℃，保温4h～5h；再以100℃±5℃/1h的升温速率升温到300℃±5℃，保温5h～6h；再以100℃±5℃/1h的升温速率升温到400℃±5℃，保温7h～8h；再以50℃±5℃/1h的升温速率升温到550℃±5℃，保温6h～7h；再以100℃±5℃/1h的升温速率升温到750℃±5℃，保温2h～3h；然后随炉冷却至200℃～250℃，打开炉门取出发泡石膏铸型，转入浇铸工序。

所述的α型高强半水石膏粉料的粒径为0.075mm～0.055mm；高岭土粉的目数为300目，粒径为0.45mm～0.24mm，纯度不低于96％；高铝矾土粉为特等高铝矾土，粒径为0.42mm～0.18mm，纯度不低于98％；石英粉的目数为400目，粒径为0.32mm～0.16mm，纯度不低于94％；硅藻土粉的纯度为化学纯；陶瓷短纤维的直径为2.5μm～4.5μm，长度为1.5mm～3.0mm；所述的促凝剂中的NaCl与MgSO₄均为分析纯；所述的十二烷基硫酸钠-K12或十二烷基磺酸钠-SDS为分析纯。

本发明的工作原理是：本发明中，主要采用物理发泡法，通过选配石膏混合粉料的最佳组分，避免了杂质离子对石膏混合浆料初凝与胶凝硬化时间的影响，选用十二烷基硫酸钠或十二烷基磺酸钠作为发泡剂，结合粉料质量配比、粒径、添加次序、水料比与超声处理等工艺参数优化，其主要目的是：为了在石膏浆料内部形成大量均匀分布、平均直径为0.4mm～1.0mm的微气孔，便于成形和烘烤结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm的发泡石膏铸型。

实施例1

1、配制石膏混合粉料：按比例称取各种原料，将各种原料放入搅拌机中搅拌10min；

2、配制促凝剂水溶液：将促凝剂加入到去离子水中，搅拌8min，得到促凝剂水熔液，其中促凝剂的质量与去离子水的质量比为45g：1000g；促凝剂中NaCl的质量为25g，MgSO₄的质量为20g；

3、配制石膏浆料：向促凝剂去离子水溶液中加入石膏混合粉料，搅拌10min，得到石膏浆料；石膏混合粉料中α型高强半水石膏粉料的平均粒径为0.06mm；高岭土粉的平均粒径为0.35mm，纯度为97％；高铝矾土粉的平均粒径为0.36mm，纯度为98.5％；石英粉的平均粒径为0.24mm，纯度为95％；硅藻土粉为化学纯；陶瓷短纤维的平均直径为3.2μm，平均长度为1.8mm；

4、添加化学发泡剂：向石膏浆料中加入化学发泡剂，采用机械搅拌叶片快速搅拌12min,得到发泡石膏浆料；化学发泡剂为十二烷基硫酸钠；

5、浇注发泡石膏浆料：将发泡石膏浆料放入带有超声振动器的浆料釜中，在超声功率为400W和超声频率为35000Hz下振动1.2min，然后将发泡石膏浆料浇注到模具型腔内；

6、静置：将模具在室温下静置2.2h，从模具型腔内取出发泡石膏铸型；

7、晾干：将发泡石膏铸型在室温下静置干燥26h，得到晾干的发泡石膏铸型。

8、烘烤：将发泡石膏铸型放入加热炉内，发泡石膏铸型的入炉温度为85℃，升温到105℃，保温2.2h；再以48℃/1h的升温速率升温到202℃，保温4.5h；再以96℃/1h的升温速率升温到302℃，保温5.4h；再以102℃/1h的升温速率升温到402℃，保温7.2h；再以48℃/1h的升温速率升温到546℃，保温6.4h；再以102℃/1h的升温速率升温到748℃，保温2.4h；然后随炉冷却至220℃，打开炉门取出发泡石膏铸型，转入浇铸工序。

使用本实施方式制备的发泡石膏铸型内部微气孔分布均匀，微气孔平均直径为0.4mm～1.0mm，微气孔大小与分布均一，且发泡石膏铸型表面无暴露气孔；发泡石膏混合浆料流动能力较佳、初凝与胶凝硬化时间合理、室温干燥后的表面强度较大,可用于成形结构尺寸为600mm～1800mm、平均壁厚尺寸为1.5mm～4.0mm的发泡石膏铸型；采用本实施方式提供的热烘烤方法后，发泡石膏铸型出现开裂和微裂纹的频率降低，废品率显著下降，废品率为0％～6％。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是步骤2中去离子水的搅拌时间为12min，其他与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是步骤2中促凝剂的质量与去离子水的质量比为55g：1000g；促凝剂中NaCl的质量为30g，MgSO₄的质量为25g，其他与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1不同的是步骤3中α型高强半水石膏粉料的平均粒径为0.072mm；高岭土粉的平均粒径为0.44mm，纯度为98％；高铝矾土粉的平均粒径为0.41mm，纯度为99％；石英粉的平均粒径为0.31mm，纯度为95％；硅藻土粉为化学纯；陶瓷短纤维的平均直径为4.3μm，平均长度为2.8mm，其他与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例1不同的是步骤3中α型高强半水石膏粉料的平均粒径为0.056mm；高岭土粉的平均粒径为0.29mm，纯度为99％；高铝矾土粉的平均粒径为0.23mm，纯度为99％；石英粉的平均粒径为0.18mm，纯度为96％；硅藻土粉为化学纯；陶瓷短纤维的平均直径为3.3μm，平均长度为1.8mm，其他与实施例1相同。

实施例6

本实施例与实施例1不同的是步骤4中采用机械搅拌叶片的快速搅拌时间为20min,其他与实施例1相同。

实施例7

本实施例与实施例1不同的是步骤4中采用的化学发泡剂为十二烷基磺酸钠,其他与实施例1相同。

实施例8

本实施例与实施例1不同的是步骤5中超声振动器的超声功率为450W，超声频率为42000Hz，振动时间为1.8min，其他与实施例1相同。

实施例9

本实施例与实施例1不同的是步骤6中室温静置时间为2.8h，其他与实施例1相同。

实施例10

本实施例与实施例1不同的是步骤7中室温静置干燥时间为30h，其他与实施例1相同。

实施例11

本实施例与实施例1不同的是步骤8中发泡石膏铸型的入炉温度为95℃，升温到102℃，保温2.4h；再以52℃/1h的升温速率升温到201℃，保温4.8h；再以98℃/1h的升温速率升温到303℃，保温5.8h；再以102℃/1h的升温速率升温到404℃，保温7.5h；再以50℃/1h的升温速率升温到552℃，保温6.7h；再以103℃/1h的升温速率升温到752℃，保温2.6h；然后随炉冷却至243℃，打开炉门取出发泡石膏铸型，转入浇铸工序，其他与实施例1相同。

实施例12

本实施例与实施例1不同的是步骤8中发泡石膏铸型的入炉温度为100℃，升温到101℃，保温2.2h；再以53℃/1h的升温速率升温到202℃，保温4.3h；再以102℃/1h的升温速率升温到303℃，保温5.7h；再以100℃/1h的升温速率升温到401℃，保温7.3h；再以52℃/1h的升温速率升温到543℃，保温6.2h；再以102℃/1h的升温速率升温到747℃，保温2.7h；然后随炉冷却至238℃，打开炉门取出发泡石膏铸型，转入浇铸工序，其他与实施例1相同。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。