专利名称：铸型上复合补贴及其材料与构制方法
技术领域：
本发明涉及铸造工艺，特别是涉及铸钢件用的铸型上复合补贴和复合补贴材料以及复合补贴的构制方法。
现行铸钢件的铸造工艺用的金属补贴是在冒口下面的铸件壁上做出一个楔形的金属块，以使铸件该部份的热节向上移或者增大冒口的有效补缩距离，在清理铸件时，需用氧炬或者其它方法将其割掉。切割后的铸件表面极不平整，在机械加工时不仅延长加工时间，而且使机床产生振动，影响机床的精度，缩短刀具的使用寿命。已知的用陶瓷棉做成保温板代替铸钢件的金属补贴(《科技资料》，编号CL8136期，《用保温方法取代铸钢件补贴的研究》，西北工业大学，一九八一年十月)，并未用于工业生产，主要原因是陶瓷棉保温板所采用的树脂粘结剂高温性能差，经不起高达1500℃的钢水在1.2～1.4个大气压下长时间的作用。
本发明的目的在于提供一种常压性能、高温性能和保温性能都极佳的铸型上复合补贴和复合补贴材料以及复合补贴的构制方法。以复合补贴代替现行铸造工艺中用的金属补贴，保障冒口的补缩效果。
本发明的复合补贴材料包括保温混合料和耐火混合料。耐火混合料是由耐火材料与粘结剂混合配制而成，其配比为耐火材料∶粘结剂＝100∶5～40。耐火材料应具有足够的高温强度和耐火度，化学稳定性好，而且不粘砂，易与铸件剥离等性能。耐火材料可采取钛砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂或石英砂等。粘结剂应为能满足复合补贴的常温性能和高温性能要求的粘结剂，粘结剂可采用水玻璃或磷酸盐粘结剂，耐火混合料因粘结剂不同，其配比分别为耐火材料∶水玻璃＝100∶5～20;耐火材料∶磷酸盐粘结剂＝100∶5～40。耐火混合料用来构制铸钢件用的复合补贴的耐火层。保温混合料是由保温材料与粘结剂混合配制而成，其配比为保混材料∶粘结剂＝100∶8～55。保温材料应具有导热系数小，并具有良好的保温性能，保温材料可采用空心微珠、膨胀珍珠岩、硅酸盐纤维以及与其它材料组成的空心微珠类、膨胀珍珠岩类或者硅酸盐纤维类复合保温材料，所谓复合保温材料是指为了改善保温材料的耐火度，而在保温材料中适当地加入少量的耐火材料，例如在膨胀珍珠岩中加入少量的熟料，就称为膨胀珍珠岩类复合保温材料。粘结剂也采用水玻璃或者磷酸盐粘结剂。保温混合料因粘结剂不同，其配比分别为保温材料∶水玻璃＝100∶8～30;保温材料∶磷酸盐粘结剂＝100∶10～55。保温混合料用来构制铸钢件用的复合补贴的保温层。混合配制耐火混合料和保温混合料采用的粘结剂，水玻璃为一般砂型铸造使用的水玻璃;磷酸盐粘结剂，例如磷酸铝粘结剂是以工业用氢氧化铝(Al(OH)3)或者经去油污处理的纯铝或铝屑和工业用磷酸(H3PO4)以及水(H2O)为原料配制而成，其配比为Al(OH)3∶H3PO4∶H2O＝100∶180～250∶180～250，其配制工艺是先将水加入容器中，再倒入氢氧化铝，搅拌成浆料，然后边搅拌边加入磷酸，将按配比应加入的磷酸全部加完，继续搅拌，直至生成均匀、无色透明的磷酸铝粘结剂为止。用纯铝或铝屑代替氢氧化铝时，其用铝量与氢氧化铝中的铝含量相当。
本发明的铸钢件用的复合补贴，必须具有导热系数小以及良好的高温性能(能经受长时间、大压力的高温作用)和常温性能(运输与造型操作中破损少、保存过程中不吸潮)，才可能用其取代金属补贴，提高铸件质量。铸钢件用的复合补贴，是由保温层和靠近铸钢件的耐火层组成。
本发明的复合补贴的构制方法。铸钢件用的复合补贴的耐火层的形状与铸钢件上的补贴所在的位置的外形相同，耐火层的厚度随冒口高度的增加而加厚，耐火层的厚度与冒口高度的关系是冒口高度(H)(mm)分别为300以下，300～400、400～500，和500以上，则耐火层的厚度(a′)(mm)分别为10以下、10～12、12～18、18以上;铸钢件用的复合补贴的保温层的形状和尺寸按照等效金属补贴的原则确定把铸钢件用的复合补贴的保温层分成若干个横截面，各个横截面的宽度δi与铸件上设置补贴处的模数M和所采用的保温材料的保温性能有关，用模数增大系数Ei表示，δ、M、E三者关系如下列各式δi=1lnkE i - 1· P · M ------- ( 1 )]]>式中δi-复合补贴的保温层第i个横截面的宽度(mm)，i＝1、2、3、……、n。
K-与保温材料的热物性数值有关的系数。采用空心微珠类保温材料时K＝0.767～0.797;膨胀珍珠岩类时K＝0.456～0.550;硅酸盐纤维类时K＝0.765～0.835。
P-保温材料的保温能力随保温层厚度变化的系数。采用空心微珠类保温材料时P＝0.72～0.92;膨胀珍珠岩类时P＝0.73～0.93;硅酸盐纤维类时P＝0.72～0.92。
Ei＝ (Mi)/(M) ……(2)式中M-铸铁件应加金属补贴部位的模数(mm)，(其单位制在本申请中一律采用mm)。
Mi-复合补贴第i个横截面所在部位的模数(mm)，即等效金属补贴模数。
Mi＝ (Fi)/(Si) ……(3)式中Fi-加补贴后第i个横截面的面积(mm)2。
Si-加补贴后第i个横截面的散热周长(mm)。
确定铸钢件用的复合补贴的保温层外部轮廓的形状和尺寸的步骤是(1)计算确定铸钢件应加金属补贴部位的模数M值;
(2)根据(3)式计算确定复合补贴第i个横截面所在部位的模数Mi值;
(3)根据(2)式求出模数增大系数Ei值;
(4)将M和Ei值代入(1)式中，逐个求出i个横截面的宽度(mm)δi值;
(5)连接各横截面的δi值，就形成铸钢件用的复合补贴的保温层的外缘形状和尺寸。复合补贴的长度l与金属补贴的长度l相同，而其高度是金属补贴的高度h与耐火层厚度a′之和;
根据计算确定的结果，做出铸钢件用的复合补贴芯盒，造型时，耐火层以耐火混合料制成，保温层以保温混合料制成。最后将构制成的复合补贴放在200℃左右温度的条件下干燥1～3小时后，取出备用。
铜、铝合金铸件亦可用等效金属补贴的方法设计只有保温层的单一保温补贴的形状和尺寸。
本发明是在铸型(砂型或金属型)上设置复合补贴，代替现行铸造工艺中的金属补贴。采用复合补贴，可以节省大量的金属和能耗，铸件表面光滑平整，而且不出现缩松现象，也省掉了切割金属补贴的切割工序，节约了清理工时和能耗，消除了机械加工时的振动，延长了加工刀具的使用寿命，缩短了加工机时。本发明的复合补贴用于使铸件局部缓冷，与冷铁(使铸件局部激冷)配合使用，控制铸件的凝固过程，从而全面提高铸件质量。本发明的复合补贴的材料易得，构制方法简便易行，其质量和保温效果稳定。并且可以建立专业厂家，集中生产复合补贴，从而产生突出、巨大的社会经济效益，这是因为复合补贴是铸型的组成部份，用来形成铸件的局部表面，不同铸件上的这种表面的形状和尺寸复杂多样，需要各种形状和尺寸的模具和装备来构制各种形状和尺寸的复合补贴，如果每个铸造厂家都为本厂家生产的铸件准备模具，其利用率极低，同时给管理工作也带来沉重负担，所以组建专业厂家，集中生产出技术质量合格的复合补贴，供给各铸造厂家使用，将能更显示出复合补贴的优点及其积极效果。
图1和图2是外径为1000mm铸钢齿轮用的轮缘冒口和金属补贴示意图;
图3和图4是外径为1000mm铸钢齿轮用的金属补贴的形状和尺寸示意图;
图5是外径为1000mm铸钢齿轮用的复合补贴的俯视图，图6为其A-A剖视图。
实施例以外径为1000mm、水玻璃石英砂造型的铸钢齿轮用的复合补贴给出实施例。取耐火材料铬铁矿砂和磷酸铝粘结剂，其比例为铬铁矿砂∶磷酸铝粘结剂＝100∶10，将其混合配制成铸钢齿轮用的复合补贴的耐火混合料，取保温材料空心微珠和磷酸铝粘结剂，其比例为空心微珠∶磷酸铝粘结剂＝100∶20，将其混合配制成铸钢齿轮用的复合补贴的保温混合料。
混合配制耐火混合料和保温混合料采用的磷酸铝粘结剂，以工业用氢氧化铝(Al(OH)3)和工业用磷酸(H3PO4)以及水(H2O)配制而成，其配比为Al(OH)3∶H3PO4∶H2O＝100∶200∶200，先将按配比称得的水倒入容器中，再加入按比例称得的氢氧化铝，搅拌成浆料，然后边搅拌边加入磷酸，将按配比称得的磷酸全部加完，继续搅拌，直至生成均匀、无色透明的磷酸铝粘结剂为止。
外径为1000mm的铸钢齿轮(13、23)的轮缘冒口(11、21)(轮缘冒口为相同的六个，图中只画出一个，也就此一个进行描述铸钢齿轮用的复合补贴的构制方法)，轮缘冒口(11、21)的高度H为350mm，金属补贴(12、32、42)长l为215mm，上部宽度b为54mm，设置复合补贴处铸钢齿轮(13、23)的铸件壁厚a为56mm，铸钢齿轮(13、23)应加金属补贴(12、32、42)部位的模数M为28mm，根据铸钢齿轮(13、32)的轮缘冒口(11、21)的高度H为350mm，可以确定铸钢齿轮(13、23)用的复合补贴(540、640)的耐火层(641)的厚度a′为11mm。铸钢齿轮(13、23)用的复合补贴(540、640)的保温层(642)形状和尺寸按下列步骤确定(1)将铸钢齿轮(13、23)加金属补贴(12、32、42)部份沿竖直方向等分为五个横截面(42)b1、b2、b3、b4、b5和(642)δ1、δ2、δ3、δ4、δ5，分别计算确定每个横截面的宽度(642)δ1、δ2、δ3、δ4、δ5;
(2)铸钢齿轮(13、23)设置复合补贴处的模数M为28mm;
(3)计算确定每个横截面的金属补贴(42)的宽度bi，其结果为b1＝54mm，b2＝40.5mm，b3＝27mm，b4＝13.5mm，b5＝0mm;
(4)按(3)式Mi＝ (Fi)/(Si) ＝ (l(a+bi))/(2(l+bi)) 计算确定加复合补贴后的模数Mi，例如第3个横截面(642)M3= (l(a+b3))/(2(l+b3)) = (215×(56+27))/(2×(215+27)) =37mm其结果为M1＝44mm，M2＝41mm，M3＝37mm，M4＝33mm，M5＝28mm。
(5)根据(2)式Ei＝ (Mi)/(M) 计算确定每个横截面的模数增大系数Ei，例如第三个横截面(642)E3= (M3)/(M) = 37/28 ，其结果为E1＝1.57，E2＝1.46，E3＝1.32，E4＝1.18，E5＝1;
(6)根据(1)式δi=1lnkE i - 1·P ·M]]>计算确定每个横截面的宽度δi，因为采用空心微珠为保温材料，所以K＝0.787，P＝0.82，例如第三个横截面(642)δ3=1lnkE3- 1· P · M =1ln0.7871.32 - 1×0.82×28= 25.5 ( mm )]]>，其结果为δ1＝71.2mm，δ2＝42.8mm，δ3＝25.5mm，δ4＝15.6mm，δ5＝0mm;
(7)根据五个横截面宽度δi的计算结果，连成曲面(642)δ1δ2δ3δ4δ5。即为铸钢齿轮(13、23)用的复合补贴(540、640)的保温层(642)的形状和尺寸。复合补贴(540、640)的长度l为215mm，其高度为h+a′＝124+11＝135(mm)。
根据计算确定的结果，制出铸钢齿轮(13、23)用的复合补贴(540、640)芯盒，造芯时，耐火层(641)以耐火混合料制成，其厚度a′为11mm，以面砂形式构制出，保温层(642)以保温混合料制成。从而构制成外径为1000mm铸钢齿轮(13、23)用的复合补贴(540、640)，再将其放在200℃温度的条件下干燥2小时，取出备用。造型时，将复合补贴(540、640)置放在铸钢齿轮(13、23)轮缘上原设置金属补贴(12)的位置上。
外径为1000mm铸钢齿轮(13、23)用的复合补贴(540、640)由保温层(642)和靠近铸钢齿轮(13、23)的耐火层(641)组成。
权利要求
1.一种用于构制铸钢件(13、23)用的复合补贴(540640)的材料，其特征在于包括耐火混合料与保温混合料；耐火混合料由耐火材料同粘结剂混合而成，耐火材料粘结剂=100∶5～40；保温混合料由保温材料同粘结剂混合而成，保温材料∶粘结剂=100∶8～55。
2.根据权利要求1的材料，其特征是耐火材料是钛砂、铬铁矿砂、镁砂、锆砂或者石英砂。
3.根据权利要求1的材料，其特征是保温材料是空心微珠，膨胀珍珠岩或硅酸盐纤维，或者它们各自与其它材料组成的空心微珠类、膨胀珍珠岩类或硅酸盐纤维类复合保温材料。
4.根据权利要求1的材料，其特征是粘结剂是水玻璃粘结剂或者磷酸盐粘结剂。
5.根据权利要求1和4的材料，其特征是磷酸盐粘结剂是磷酸铝粘结剂，磷酸铝粘结剂是由氢氧化铝、磷酸和水配制而成，其配比为氢氧化铝∶磷酸∶水＝100∶180～250∶180～250;或者以纯铝或铝屑代替氢氧化铝，其用铝量与氢氧化铝中的铝含量相当。
6.一种按照铸钢件(13、23)冒口(11、21)的高度H和金属补贴(12、32、42)的形状和尺寸构制铸钢件(13、23)用的复合补贴(540、640)的方法，其特征在于复合补贴(540、640)的耐火层(641)的厚度a′，依照冒口(11、21)的高度H确定，即冒口(11、21)的高度H(mm)分别为300以下，300～400，400～500，500以上，则耐火层(541)的厚度a′(mm)分别为10以下。10～12、12～18、18以上;复合补贴(540、640)的保温层(642)的形状和尺寸依照等效金属补贴(12、32、42)的原则确定(1)确定铸钢件应加金属补贴(12、32、42)的部位的模数M(mm);(2)根据(3)式Mi＝ (Fi)/(Si) 计算确定复合补贴(640)的保温层(642)第i个横截面所在部位的模数Mi(mm);(3)根据(2)式Ei＝ (Mi)/(M) 求出模数增大系数Ei;(4)根据(1)式δi=1lnkE i - 1]]>逐个求出保温层(642)i个横截面的宽度δi(mm);(5)连接保温层(642)各横截面的δi值，就形成铸钢件(13、23)用的复合补贴(540、640)的保温层(642)的外缘(δ1δ2δ3δ4δ5)形状和尺寸;复合补贴(540)的长度l与金属补贴(32)的长度l相同，复合补贴(640)的高度为金属补贴(12、42)的高度h与耐火层(641)的厚度a′之和;按照计算确定的结果，构制铸钢件(13、23)用的复合补贴(540、640)，耐火层(641)采用耐火混合料，保温层(642)采用保温混合料;将构制的铸钢件(13、23)用的复合补贴(540、640)放在200℃左右温度条件下干燥1～3小时。
7.一种采用权利要求1的材料和权利要求6的方法构制的铸钢件(13、23)用的复合补贴(540、640)，其特征在于由保温层(642)和靠近铸钢件(13、23)的耐火层(641)组成。
全文摘要
本发明涉及铸造工艺，是铸型上复合补贴和复合补贴材料以及复合补贴的构制方法，以复合补贴代替铸钢件的金属补贴，提高铸件质量，节省金属和能耗，复合补贴材料包括耐火混合料和保温混合料，耐火混合料由耐火材料与粘结剂混合而成；保温混合料由保温材料与粘结剂混合而成，复合补贴构制方法，是以等效金属补贴原则确定等效金属补贴模数、模数增大系数，每个横截面的宽度，从而计算确定复合补贴的耐火层与保温层的形状与大小，复合补贴由耐火层和保温层组成。
文档编号B22C1/00GK1034873SQ87107429
公开日1989年8月23日 申请日期1987年12月10日 优先权日1987年12月10日
发明者宋新华, 孙实淮, 孙万柏 申请人:沈阳工业大学