一种基于石墨砂铸型的铝锂合金制备方法及产品与流程

1.本发明属于铸造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于石墨砂铸型的铝锂合金制备方法及产品。


背景技术：

2.铝锂合金具有质轻、高比强度、高弹性模量等优点，在航空航天、武器装备等领域具有广阔应用前景。砂型铸造是铸造成型工艺中应用最为普遍、技术最为成熟的工艺，如果能够使用砂型铸造制备高质量铝锂合金铸件，将会具有极大地推动铸造铝锂合金的应用。但是砂型铸造铝锂合金容易产生较为严重的粘砂和气孔缺陷，其原因主要归咎于两方面。一方面目前普遍采用的砂型铸造耐火材料为石英砂、铝矾土砂、莫来石砂等，这些材料中的主要成分为sio2和al2o3，li能与sio2反应生成li2sio3、li4sio4或li6si2o7，与al2o3反应生成α-lialo2或γ-lialo2，因此容易造成粘砂缺陷；另一方面，砂型铸造的粘结剂主要有有机粘结剂和无机粘结剂两种。有机粘结剂主要为呋喃树脂、酚醛树脂和酚尿烷树脂，树脂中的羟基会和li反应生成大量氢气，无机粘结剂(粘土、水玻璃)中含有的结晶水也会与li反应生成氢气，这些氢气会侵入铸件内部，造成大量气孔缺陷。因此，如何解决上述的两个问题是提高铝锂合金铸件质量的关键。
3.目前，已知c不与li发生反应，因此，选用碳质耐火材料制备砂型是一种可能有效的措施。目前，只有少量关于使用碳质材料作为耐火材料的研究。例如，潘应君等人在《镁合金石墨砂型铸造的防燃保护性能及其机理研究》一文中研究了使用石墨砂作为耐火材料、膨润土作为粘结剂、水作为固化剂制备铸型生产镁合金。谭锁奎在《激冷砂在铝合金铸造中的应用与发展》一文中提出了使用石墨砂铸型制备铝合金具有导热性好、抗变形能力高、表面质量好等优点。潘应君等人在《无定形石墨砂在铜合金铸造中的应用研究》一文中研究了石墨砂铸型对铜合金组织和性能的影响。魏伯君等人在《无定形石墨砂在铸铁中的应用》一文中研究了无定形石墨对铸铁件的组织和性能的影响。但是目前还没有关于使用碳质材料铸型成型铝锂合金铸件的报道，对于适合铸造铝锂合金的碳质耐火材料的种类、粘结剂的种类、制备工艺还没有一个系统的研究，并且如何减弱或者消除粘结剂对铝锂合金的不利影响也还没明确的方案。因此，如何使用碳质耐火材料制备铸型并消除粘结剂对铸件的不利影响是制备高性能铝锂合金急需解决的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于石墨砂铸型的铝锂合金制备方法及产品，解决铸造过程中的粘砂和气孔问题。
5.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于石墨砂铸型的铝锂合金制备方法，该方法包括下列步骤：
6.s1选取石墨砂、粘结剂和固化剂进行混合，将获得的混合物导入模具中铸型，以此获得石墨砂铸型；
7.s2在所述石墨砂铸型的内表面涂覆羟基抑制剂，将铝锂合金倒入所述石墨砂铸型中，以此获得所需的铝锂合金产品。
8.进一步优选地，在步骤s1中，所述石墨砂的目数为50目～150目。
9.进一步优选地，在步骤s1中，所述粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂或酚尿烷树脂，当粘结剂为呋喃树脂时，所述粘结剂的质量为所述石墨砂的4％～6％；当粘结剂为酚醛树脂时，所述粘结剂的质量为所述石墨砂的3％～5％，当所述粘结剂为酚尿烷树脂，所述粘结剂的质量为所述石墨砂的4％～5.5％。
10.进一步优选地，在步骤s1中，所述固化剂为磺酸、无机酸或多元醇的有机脂。进一步优选地，在步骤s1中，所述固化剂的质量为所述粘结剂的30％～60％。
11.进一步优选地，在步骤s1之前，还需将石墨砂进行清洗，以去除石墨砂表面的石墨灰。
12.进一步优选地，在步骤s2中，所述羟基抑制剂为浓度在30％～50％的三甲基氯硅烷、三甲基溴硅烷和三苯基氯硅烷中的任意一种。
13.进一步优选地，在步骤s2中，羟基抑制剂通过喷涂或浸涂的方式涂敷在铸型内表面，涂覆次数为2～6遍，直至最后一遍涂覆后铸型表面无白色烟雾状气体溢出。
14.进一步优选地，在步骤s2中，浇注铝锂合金之前，还对涂覆羟基抑制剂的石墨砂铸型进行烘干，烘干温度为200℃～300℃，保温时间2h～6h。
15.按照本发明的另一个方面，提供了一种上述项所述的制备方法获得的铝锂合金产品。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
17.1.本发明中通过选取石墨砂做铸型，相比于现有的其他铸型材料，石墨砂作为耐火材料，石墨砂的主要成分c，c的化学性质十分稳定，不论在何种温度下都不与li发生反应，能够有效防止粘砂缺陷，另外，由于石墨具有高的导热系数和低的热膨胀系数，可以细化晶粒和减少应力，另外高温下石墨会与空气中氧气反应生成co2或co，这些气体为还原性气体，能够有效阻止铝锂合金与氧气反应，减少氧化夹杂缺陷；
18.2.本发明通过在铸件内表面涂覆羟基抑制剂并在浇注前进行烘干处理，现有技术中在砂型铸造铝锂合金的气孔缺陷主要是由于合金中的li和水或羟基反应产生的大量氢气侵入铸件内部造成的，本发明的羟基抑制剂能有效减少铸型中的羟基和水对铸件的不利影响，羟基抑制剂可以与粘结剂中的羟基反应形成硅醚键，从而减少了粘结剂中的羟基，在浇注前进行烘干处理则可以去除铸件中的水分，因此，通过上面两步处理，可以极大的减少铸件气孔缺陷，从而显著提高铝锂合金铸件的质量。
附图说明
19.图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于石墨砂铸型的铝锂合金制备方法的流程图；
20.图2是按照本发明的优选实施例所构建的呋喃树脂石墨砂铸型的实物图；
21.图3是按照本发明的优选实施例所构建的使用呋喃树脂石墨砂浇注后获得的铝锂合金铸件的宏观图像；
22.图4是按照本发明的优选实施例所构建的使用呋喃树脂石墨砂浇注后获得的铝锂合金铸件的横截面宏观图像；
23.图5是按照本发明的优选实施例所构建的使用呋喃树脂石墨砂浇注后获得的铝锂合金铸件的横截面边缘sem图像；
24.图6是按照对比实施例1所构建的使用呋喃树脂石英砂砂浇注后获得的铝锂合金铸件的宏观图像；
25.图7是按照对比实施例1所构建的使用呋喃树脂石英砂砂浇注后获得的铝锂合金铸件的横截面宏观图像；
26.图8是按照对比实施例1所构建的使用呋喃树脂石英砂砂浇注后获得的铝锂合金铸件的横截面边缘sem图像。
具体实施方式
27.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
28.如图1所示，一种基于石墨砂铸型的铝锂合金制备方法，该方法包括下列步骤：
29.s1清洗石墨砂
30.将石墨砂放入水中，施加机械搅拌，搅拌一段时间后停止，静置一段时间，倒掉上部含有石墨灰的水。按照上面的步骤清洗多遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，烘干后备用。
31.进一步地，在步骤s1中，石墨砂选用人造颗粒状石墨砂，目数为50～150目，清洗过程中水与石墨砂的体积比为1:1，搅拌速度为300～800rpm，搅拌时间为0.5～2h。
32.进一步地，在步骤s1中，石墨砂清洗次数为3～8次，烘干温度为50～100℃。
33.s2混砂
34.首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
35.进一步地，在步骤s2中，粘结剂为呋喃树脂、酚醛树脂或酚尿烷树脂的任意一种，树脂粘结剂的加入量分别为石墨砂重量的4～6％，3～5％和4～5.5％。粘结剂的作用是将石墨砂颗粒粘结在一起从而成形，最后通过固化剂使铸型固化，获得具有一定强度的铸型。粘结剂的含量太少，将会无法使石墨砂颗粒粘结在一起，无法成形；粘结剂含量太高，则会造成粘结剂的浪费以及增加成本，并且过多的粘结剂的存在也会增加缺陷的产生。因此，粘结剂的含量需要一个合理的范围。
36.进一步地，在步骤s2中，固化剂为树脂对应的固化剂，加入量为树脂的30～60％。
37.s3制备石墨砂铸型
38.将步骤s2中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置一段时间后将砂型从模具中取出，放置一段时间直至砂型完全硬化。将硬化后的石墨砂铸型放入烘箱中烘干。
39.进一步地，在步骤s3中，石墨砂填入模具并压实后20～40min后取模，取模后常温下放置24～48h后完全固化，固化后在50～100℃的烘箱中保温2～6h烘干。
40.s4涂覆羟基抑制剂
41.将羟基抑制剂均匀地涂覆在铸型的内表面，烘干后得到适合铸造铝锂合金的并能够抑制金属-铸型界面反应的石墨砂铸型。
42.进一步地，在步骤s4中，羟基抑制剂为浓度在30～50％的三甲基氯硅烷、三甲基溴硅烷和三苯基氯硅烷中的任意一种。
43.进一步地，在步骤s4中，羟基抑制剂通过喷涂或浸涂的方式涂敷在铸型内表面，涂覆次数为2～6遍，直至最后一遍涂覆后铸型表面无白色烟雾状气体溢出。
44.进一步地，在步骤s4中，浇注前，对涂覆羟基抑制剂的砂型进行烘干，烘干温度为200～300℃，保温时间2～6h。
45.下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。
46.实施例1
47.(1)清洗石墨砂
48.(a)将100目人造颗粒状石墨砂放入水中，石墨砂与水的体积比为1:1，然后施加机械搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌1h后停止搅拌，静置10s后立即倒掉上部含有石墨灰的水。
49.(b)按照上面的步骤清洗6遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，60℃烘干后备用。
50.(2)混砂
51.(a)首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为呋喃树脂，占石墨砂重的5％，固化剂为呋喃树脂用固化剂，占树脂重量的50％。
52.(b)将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
53.(3)制备石墨砂铸型
54.(a)将步骤(2)中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
55.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
56.(4)涂覆羟基抑制剂
57.(a)将浓度为40％的三甲基氯硅烷喷涂在铸件内表面，这时铸件周围会产生一层白色雾状气体，待白色雾状气体消失后，再次喷涂三甲基氯硅烷，如此反复进行4次，直至最后一次喷涂时不再产生白色雾状气体。
58.(b)浇注前，将涂有羟基抑制剂的铸型放入250℃的烘箱中保温3h，烘干后的铸型如图2所示。
59.(5)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件，所获得的的铝锂合金铸件如图3所示，可以看见铸件表面无粘砂缺陷。铸件横截面如图4所示，无明显气孔缺陷。铸件横截面边缘sem图像如图5所示，铸件内部无明显气孔缺陷和界面反应层。因此，铸件质量较高。
60.实施例2
61.(1)清洗石墨砂
62.(a)将100目人造颗粒状石墨砂放入水中，石墨砂与水的体积比为1:1，然后施加机
械搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌1h后停止搅拌，静置10s后立即倒掉上部含有石墨灰的水。
63.(b)按照上面的步骤清洗6遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，60℃烘干后备用。
64.(2)混砂
65.(a)首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为呋喃树脂，占石墨砂重的4％，固化剂为呋喃树脂用固化剂，占树脂重量的60％。
66.(b)将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
67.(3)制备石墨砂铸型
68.(a)将步骤(2)中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
69.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
70.(4)涂覆羟基抑制剂
71.(a)将浓度为50％的三甲基溴硅烷倒入铸型内部，静置一段时间后倒出三甲基溴硅烷，待白色雾状气体消失后，再次进行上述步骤，如此反复进行2次，直至不再产生白色雾状气体。
72.(b)浇注前，将涂有羟基抑制剂的铸型放入250℃的烘箱中保温3h。
73.(5)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件。
74.实施例3
75.该实施例中，步骤与参数的设置与实施例2相同，不同之处在于，在步骤(2)的(a)中粘结剂为呋喃树脂，占石墨砂重的6％。
76.实施例4
77.(1)清洗石墨砂
78.(a)将70目人造颗粒状石墨砂放入水中，石墨砂与水的体积比为1:1，然后施加机械搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌1h后停止搅拌，静置10s后立即倒掉上部含有石墨灰的水。
79.(b)按照上面的步骤清洗6遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，60℃烘干后备用。
80.(2)混砂
81.(a)首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为酚醛树脂，占石墨砂重的3.5％，固化剂为酚醛树脂用固化剂，占树脂重量的30％。
82.(b)将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
83.(3)制备石墨砂铸型
84.(a)将步骤(2)中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
85.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
86.(4)涂覆羟基抑制剂
87.(a)将浓度为35％的三甲基溴硅烷喷涂在铸件内表面，这时铸件周围会产生一层白色雾状气体，待白色雾状气体消失后，再次喷涂三甲基氯硅烷，如此反复进行5次，直至最后一次喷涂时不再产生白色雾状气体。
88.(b)浇注前，将涂有羟基抑制剂的铸型放入200℃的烘箱中保温5h。
89.(5)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件。
90.实施例5
91.(1)清洗石墨砂
92.(a)将50目人造颗粒状石墨砂放入水中，石墨砂与水的体积比为1:1，然后施加机械搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌1h后停止搅拌，静置10s后立即倒掉上部含有石墨灰的水。
93.(b)按照上面的步骤清洗6遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，60℃烘干后备用。
94.(2)混砂
95.(a)首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为酚醛树脂，占石墨砂重的3％，固化剂为酚醛树脂用固化剂，占树脂重量的40％。
96.(b)将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
97.(3)制备石墨砂铸型
98.(a)将步骤(2)中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
99.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
100.(4)涂覆羟基抑制剂
101.(a)将浓度为40％的三苯基氯硅烷倒入铸型内部，静置一段时间后倒出三苯基氯硅烷，待白色雾状气体消失后，再次进行上述步骤，如此反复进行3次，直至不再产生白色雾状气体。
102.(b)浇注前，将涂有羟基抑制剂的铸型放入200℃的烘箱中保温5h。
103.(5)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件。
104.实施例6
105.该实施例中，步骤与参数的设置与实施例5相同，不同之处在于，在步骤(2)的(a)中粘结剂为酚醛树脂，占石墨砂重的5％。
106.实施例7
107.(1)清洗石墨砂
108.(a)将100目人造颗粒状石墨砂放入水中，石墨砂与水的体积比为1:1，然后施加机械搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌1h后停止搅拌，静置10s后立即倒掉上部含有石墨灰的水。
109.(b)按照上面的步骤清洗6遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，60℃烘干后备用。
110.(2)混砂
111.(a)首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为酚尿烷树脂，占石墨砂重的4.5％，固化剂为酚尿烷树脂用固化剂，占树脂重量的60％。
112.(b)将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
113.(3)制备石墨砂铸型
114.(a)将步骤(2)中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
115.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
116.(4)涂覆羟基抑制剂
117.(a)将浓度为30％的三苯基氯硅烷喷涂在铸件内表面，这时铸件周围会产生一层白色雾状气体，待白色雾状气体消失后，再次喷涂三苯基氯硅烷，如此反复进行3次，直至最后一次喷涂时不再产生白色雾状气体。
118.(b)浇注前，将涂有羟基抑制剂的铸型放入300℃的烘箱中保温2h。
119.(5)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件。
120.实施例8
121.(1)清洗石墨砂
122.(a)将150目人造颗粒状石墨砂放入水中，石墨砂与水的体积比为1:1，然后施加机械搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌1h后停止搅拌，静置10s后立即倒掉上部含有石墨灰的水。
123.(b)按照上面的步骤清洗6遍直至水中没有石墨灰呈现出澄清的状态，60℃烘干后备用。
124.(2)混砂
125.(a)首先称取一定量清洗后的石墨砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为酚尿烷树脂，占石墨砂重的5.5％，固化剂为酚尿烷树脂用固化剂，占树脂重量的60％。
126.(b)将石墨砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
127.(3)制备石墨砂铸型
128.(a)将步骤(2)中混合好后的石墨砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
129.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
130.(4)涂覆羟基抑制剂
131.(a)将浓度为50％的三甲基氯硅烷喷涂在铸件内表面，这时铸件周围会产生一层白色雾状气体，待白色雾状气体消失后，再次喷涂三甲基氯硅烷，如此反复进行4次，直至最后一次喷涂时不再产生白色雾状气体。
132.(b)浇注前，将涂有羟基抑制剂的铸型放入250℃的烘箱中保温64h。
133.(5)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件。
134.实施例9该实施例中，步骤与参数的设置与实施例8相同，不同之处在于，在步骤(2)的(a)中粘结剂为酚尿烷树脂，占石墨砂重的4％。
135.对比实施例1：
136.(1)混砂
137.(a)首先称取一定量100目石英砂、树脂粘结剂和对应的固化剂，粘结剂为呋喃树脂，占石英砂重的1.2％，固化剂为呋喃树脂用固化剂，占树脂重量的50％。
138.(b)将石英砂加入到混砂机中，开始搅拌，搅拌过程中先加入固化剂，搅拌均匀后再加树脂粘结剂，搅拌均匀。
139.(2)制备铸型
140.(a)将步骤(1)中混合好后的石英砂放入到模具中，压实。放置30min后将砂型从模具中取出。
141.(b)将取出的砂型在常温下36h直至完全固化。将固化后的石墨砂铸型放入60℃的烘箱中4h烘干。
142.(c)浇注前，将铸型放入250℃的烘箱中保温3h。
143.(3)浇注铝锂合金，凝固后打碎铸型，获得铝锂合金铸件。铝锂合金铸件的宏观图像如图6所示，可以发现铸件表面有明显的粘砂缺陷。铸件横截面如图7所示，横截面上存在很多气孔缺陷。其横截面边缘sem图像如图8所示，可以发现铸件表面存在一层较厚的界面层。
144.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。