本发明涉及一种型砂，具体地说是涉及一种三维打印用型砂及其制备方法。
背景技术：
砂型铸造是个古老的生产技术，几千年来一直是生产铸件的主导工艺。镁合金是目前应用最轻的金属材料，在航空航天、军工和汽车等领域具有广阔的应用前景。其中，在航空航天和军工领域，目前镁合金零件多以砂型铸造方法成型。近些年来，随着科技进步，增材制造、数字化制造正逐步进入传统制造领域。如果把三维打印(简称3d打印)技术用于镁合金的精密铸造成型，利用三维打印铸造砂型，可以实现无模铸造，极大地缩短了镁合金铸造周期并提高了铸件尺寸精度，实现了数字化制造。
型砂在三维打印中用来造型的材料。型砂一般有铸造用原砂、型砂粘结剂和辅加物等造型材料按一定的比例混合而成。型砂按所用粘结剂不同，可分为粘土砂、水玻璃砂、水泥砂、树脂砂等。以粘土砂、水玻璃砂及树脂砂用的最多。型砂在铸造生产中的作用极其重要，因型砂的质量不好而造成的铸件废品约占铸件总废品的30～50％。通常对型砂的要求是：具有较高的强度和热稳定性，以承受各种外力和高温的作用；良好的流动性，即型砂在外力或本身重力作用下砂粒间相互移动的能力；一定的可塑性，即型砂在外力作用下变形，当外力去除后能保持所给予的形状的能力；较好的透气性，即型砂孔隙透过气体的能力；高的溃散性，又称出砂性，即在铸件凝固后型砂是否容易破坏，是否容易从铸件上清除的性能。
但目前镁合金砂型铸造遇到的一个突出问题是由于呋喃树脂砂型高温退让性差，一些壁厚不均匀的大型复杂铸件容易造成热裂，造成铸件报废；同时由于镁的化学性质很活泼，极易与铸型中的水起反应，造成镁合金铸件表面出现空洞和氧化皱皮等缺陷，显著降低镁合金的力学性能和抗蚀性。因此在三维打印镁合金铸造用的砂型时有必要开发一种既能避免铸件开裂，又具有高退让性和较好阻燃效果的型砂混制工艺来确保镁合金铸件质量，无疑具有重大的经济效益和社会效益。
技术实现要素：
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有镁合金铸造用型砂高温退让性差、阻燃效果差等技术瓶颈，开发一种既能避免铸件开裂，又具有高退让性和较好阻燃效果的三维打印用型砂及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种三维打印用型砂，由以下重量份的原料配制而成：镁橄榄石砂150～300份、锆砂10～20份、耐火微粒10～20份、阻燃剂6～12份、偶联剂0.2～2份、粘结剂0.5～5份、溃散剂2～6份、固化剂0.5～5份。
优选地，所述型砂的粒度为100～300目；
优选地，所述镁橄榄石砂、锆砂的比例为15：1；
优选地，所述镁橄榄石砂的粒度为100～300目；
优选地，所述锆砂的粒度为100～200目；
优选地，所述耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂10～20份、硅酸铝砂10～20份、耐火纤维2～10份、石墨粉2～10份；
优选地，所述耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂15份、硅酸铝砂15份、耐火纤维6份、石墨粉6份；
优选地，所述阻燃剂包括质量份数为40～80％的氢氧化镁和20～60％的硫磺。所述氢氧化镁含量过多，硫磺含量过少，砂型强度降低，同时会导致砂型透气性变差；反之则会导致阻燃效果变差，同时还会导致砂型发气量变大；
更优选地，所述氢氧化镁的粒度为50～200目；
更优选地，所述硫磺的粒度为50～200目；
优选地，所述偶联剂为硅烷偶联剂kh-560，密度为0.98g/cm3；
优选地，所述粘结剂为环氧树脂粘结剂、聚氨酯粘结剂、丙烯酸粘结剂、丙烯酸聚氨酯厌气性粘结剂中的至少一种；
优选地，所述溃散剂为wk型溃散剂、lk型溃散剂、jdm型溃散剂、jda型溃散剂中的至少一种；
优选地，所述固化剂为二氨基环己烷固化剂、二氨基二苯基甲烷固化剂、130改性固化剂、592改性固化剂中的至少一种。
本发明还涉及所述型砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)将镁橄榄石砂、锆砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为200～500rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至150～250℃时停止加热并保持恒温2～6h，然后加入耐火微粒，并开启高速搅拌，高速搅拌转速为800-1600rpm；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌10～30min，之后调节搅拌转速至200～500rpm，当物料温度降至100-200℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌10～30min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为100～400目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的三维打印用型砂中，含有良好导热散热效果的锆砂，同时制备过程中添加有耐火微粒和阻燃剂，提高了型砂的退让性和阻燃效果，能够确保型砂耐火性的持久，未见镁合金类铸件开裂，铸件表面质量得到改善。
(2)本发明制备的砂型脱模后24h抗拉强度高于1.5mpa，100h后的抗拉强度仍然高于1mpa，满足生产要求。
(3)本发明的三维打印用型砂中，加入了偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，与镁橄榄石砂、锆砂结合，显著提高了型砂的流动性、透气性和强度，且性质稳定，利用该型砂可以打印微小零部件，且产品强度好、精度高。
具体实施方式
下面将结合具体实验数据，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
以下实施例提供了一种三维打印用型砂，所述型砂包括以下重量份的组分：镁橄榄石砂150～300份、锆砂10～20份、耐火微粒10～20份、阻燃剂6～12份、偶联剂0.2～2份、粘结剂0.5～5份、溃散剂2～6份、固化剂0.5～5份。
所述型砂的粒度为100～300目；
所述镁橄榄石砂、锆砂的比例为15：1；
所述镁橄榄石砂的粒度为100～300目；
所述锆砂的粒度为100～200目；
所述耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂10～20份、硅酸铝砂10～20份、耐火纤维2～10份、石墨粉2～10份；
所述耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂15份、硅酸铝砂15份、耐火纤维6份、石墨粉6份；
所述阻燃剂包括质量份数为40～80％的氢氧化镁和20～60％的硫磺；
所述氢氧化镁的粒度为50～200目；
所述硫磺的粒度为50～200目；
所述偶联剂为硅烷偶联剂kh-560，密度为0.98g/cm3。
所述粘结剂为环氧树脂粘结剂、聚氨酯粘结剂、丙烯酸粘结剂、丙烯酸聚氨酯厌气性粘结剂中的至少一种；
所述溃散剂为wk型溃散剂、lk型溃散剂、jdm型溃散剂、jda型溃散剂中的至少一种；
所述固化剂为二氨基环己烷固化剂、二氨基二苯基甲烷固化剂、130改性固化剂、592改性固化剂中的至少一种。
实施例1
本实施例提供了用于三维打印的型砂，其重量份组成为：镁橄榄石砂150份、锆砂10份、耐火微粒10份、阻燃剂6份、偶联剂0.2份、环氧树脂粘结剂0.5份、lk型溃散剂2份、二氨基二苯基甲烷固化剂0.5份。耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂10份、硅酸铝砂10份、耐火纤维10份、石墨粉10份；阻燃剂包括质量份数为40％的氢氧化镁和60％的硫磺。
本实施例中三维打印用型砂，通过以下步骤制备：
(1)将镁橄榄石砂、锆砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为200rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至150℃时停止加热并保持恒温6h，然后加入耐火微粒，并开启高速搅拌，高速搅拌转速为800rpm；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌10min，之后调节搅拌转速至500rpm，当物料温度降至100℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌30min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为100目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
实施例2
本实施例提供了用于三维打印的型砂，其重量份组成为：镁橄榄石砂300份、锆砂20份、耐火微粒20份、阻燃剂12份、偶联剂2份、丙烯酸粘结剂5份、jdm型溃散剂6份、592改性固化剂5份。耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂20份、硅酸铝砂20份、耐火纤维2份、石墨粉2份；阻燃剂包括质量份数为80％的氢氧化镁和20％的硫磺。
本实施例中三维打印用型砂，通过以下步骤制备：
(1)将镁橄榄石砂、锆砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为500rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至250℃时停止加热并保持恒温2h，然后加入耐火微粒，并开启高速搅拌，高速搅拌转速为1600rpm；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌30min，之后调节搅拌转速至200rpm，当物料温度降至200℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌10min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为400目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
实施例3
本实施例提供了用于三维打印的型砂，其重量份组成为：镁橄榄石砂225份、锆砂15份、耐火微粒15份、阻燃剂8份、偶联剂1.1份、聚氨酯粘结剂2.75份、wk型溃散剂4份、二氨基环己烷固化剂2.75份。耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂15份、硅酸铝砂15份、耐火纤维6份、石墨粉6份；阻燃剂包括质量份数为60％的氢氧化镁和40％的硫磺。
本实施例中三维打印用型砂，通过以下步骤制备：
(1)将镁橄榄石砂、锆砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为350rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至200℃时停止加热并保持恒温4h，然后加入耐火微粒，并开启高速搅拌，高速搅拌转速为1200rpm；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌20min，之后调节搅拌转速至350rpm，当物料温度降至150℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌20min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为250目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
实施例4
本实施例提供了用于三维打印的型砂，其重量份组成为：镁橄榄石砂200份、锆砂15份、耐火微粒15份、阻燃剂10份、偶联剂0.5份、丙烯酸聚氨酯厌气性粘结剂2份、jda型溃散剂4份、130改性固化剂2份。耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂15份、硅酸铝砂15份、耐火纤维3份、石墨粉3份；阻燃剂包括质量份数为50％的氢氧化镁和50％的硫磺。
本实施例中三维打印用型砂，通过以下步骤制备：
(1)将镁橄榄石砂、锆砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为300rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至200℃时停止加热并保持恒温4h，然后加入耐火微粒，并开启高速搅拌，高速搅拌转速为1000rpm；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌20min，之后调节搅拌转速至300rpm，当物料温度降至200℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌20min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为300目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
对比例1
本实施例提供了用于三维打印的型砂，其重量份组成为：镁橄榄石砂200份、阻燃剂10份、偶联剂3份、聚氨酯粘结剂6份、wk型溃散剂1份、二氨基环己烷固化剂6份。耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂30份、耐火纤维6份、石墨粉6份；阻燃剂包括质量份数为50％的氢氧化镁和50％的硫磺。
本实施例中三维打印用型砂，通过以下步骤制备：
(1)将镁橄榄石砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为150rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至100℃时停止加热并保持恒温4h；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌30min，之后调节搅拌转速至200rpm，当物料温度降至200℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌10min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为400目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
对比例2
本实施例提供了用于三维打印的型砂，其重量份组成为：镁橄榄石砂200份、锆砂15份、阻燃剂10份、偶联剂2份、聚氨酯粘结剂5份、wk型溃散剂1份、二氨基环己烷固化剂3份。耐火微粒的组成成分及其重量份比例为：镁橄榄石砂15份、耐火纤维12份、石墨粉5份；阻燃剂包括质量份数为50％的氢氧化镁和50％的硫磺。
本实施例中三维打印用型砂，通过以下步骤制备：
(1)将镁橄榄石砂、锆砂加入混砂机中进行低速搅拌，搅拌转速为300rpm；
(2)搅拌过程中混砂机进行加热升温，当温度升至200℃时停止加热并保持恒温4h；
(3)从混砂机的加料口喷洒阻燃剂至上述混合物料中，喷洒完毕后再搅拌20min，之后调节搅拌转速至300rpm，当物料温度降至200℃时，依次加入偶联剂、粘结剂、溃散剂、固化剂，加料完全后再搅拌20min；
(4)待混合物料冷却至室温后取出，粉碎成粒径大小为300目的颗粒，包装，即为三维打印用型砂。
效果验证：
将实施例1-4及对比例1-2中制得的型砂进行性能测试，其中将各实施例及对比例中的型砂制备成铸膜件进行强度测试，测试结果如表1所示。
表1
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施例仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。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，这些改进也应视为本发明的保护范围。