CN115477823A - 一种涡轮增压器壳用高发热冒口及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本申请涉及铸造的技术领域，具体公开了一种涡轮增压器壳用高发热冒口及其制备工艺。一种涡轮增压器壳用高发热冒口，由包括以下重量份的原料制成：漂珠65～71份；发热材料18～30份；呋喃树脂5～11份；其制备方法为：1)将漂珠和发热材料进行预混并搅拌均匀，加入呋喃树脂进行混合搅拌，得到混合料；2)将步骤1得到的混合料填充到发热保温冒口模具中，压制成型，脱模干燥后得到上述高发热冒口。本申请的高发热冒口相对而言具有更低的生产成本，同时兼具较小的导热系数和较好的耐火度，除此之外成型后的冒口还具有较好的结构强度和保温效果。

Description

一种涡轮增压器壳用高发热冒口及其制备工艺

技术领域

本申请涉及铸造的技术领域，更具体地说，它涉及一种涡轮增压器壳用高发热冒口及其制备工艺。

背景技术

大部分金属在冷却过程中通常会经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩，而在铸造生产过程中，部分铸件凝固后会产生缩孔和缩松，主要是因为铸件的冷却时间相对较长，铸型中的金属件产生收缩，但是缺乏足够的金属液去补收缩的空间，进而严重影响了铸件的致密性，导致铸件的成品率有所下降。

为了改善铸件在铸造过程中产生收缩的问题，通常会采用冒口来对铸件进行补缩，但是冒口在补缩过程中会由内向外大量散热，导致其自身也是由外向内发生凝固，而实际的有效补缩量占冒口总容积的比例约为8-14％，利用率低，补缩效果较差。

针对以上问题，如何提高冒口的补缩效率成为了目前主要研究的问题，发热保温冒口作为改进方案应运而生，由于其兼具保温和发热的功能，使得其在实际生产过程中并取得了良好的效果。常见的保温冒口有珍珠岩复合型保温冒口、纤维复合型保温冒口和空心微珠型保温冒口等，但是各种类型的冒口仍存在一些问题，如珍珠岩复合型保温冒口的产品可能会存在强度低、耐火度不高的问题，而纤维复合型保温冒口虽具有较高的耐火度和较好的保温性能，但是其原材料的成本比较高且较不容易进行混制，对于生产过程具有一定要求。因此有必要研究一种兼具较高耐火度、较好保温性能且能够合理控制生产成本的发热保温冒口。

发明内容

本申请的目的是为了提供一种发热保温冒口，其兼具有较高的耐火度和较好的保温性能，同时一定程度上能够合理控制生产发热保温冒口的成本。

第一方面，本申请提供一种涡轮增压器壳用高发热冒口，采用如下的技术方案：

一种涡轮增压器壳用高发热冒口，由包括以下重量份的原料制成：漂珠65～71份；发热材料18～30份；呋喃树脂5～11份。

通过采用上述技术方案，漂珠是一种粉煤灰空心珠，其壁较薄且内部呈中空设置，具有较轻的重量，表面封闭且光滑，热导率低且具有较好的耐火度，利用漂珠作为保温耐火材料，使得最终成型后的漂珠型保温冒口具有重量轻、导热系数小、抗压强度高以及不吸潮的特点。同时漂珠的主要组成是粉煤灰，实现了对粉煤灰的综合利用，相较于纤维复合型保温冒口所需的有机纤维和无机纤维而言，有效降低了生产成本且环保。

发热材料的添加，起到对补缩的金属液的保温和加热作用；在进行浇注补缩工作时，浇注的金属液进入高发热冒口腔体内，使得高发热冒口内温度升高，当温度达到一定阈值时，由于高温引发高发热冒口内的发热材料发生反应，发热材料在反应的过程中会释放出大量的热量，进而使得冒口腔体内的金属液持续保持高温的状态，有效地延长了金属液的凝固时间，从而使得铸件得到有效的补缩量，提高铸件的生产质量。

而呋喃树脂作为粘结剂进行添加，呋喃树脂的添加起到粘连漂珠和发热材料的作用，使得高发热冒口具有一定的形状。

另一方面，漂珠中含有SiO₂和Al₂O₃，而SiO₂和Al₂O₃的在高温受热状态下能够形成耐高温骨架，同时能够与漂珠间形成松散密制的蜂窝状结构，使得高发热冒口具有较高的强度和空隙率。

通过上述配比制备获得的高发热冒口，相较于纤维复合型冒口而言，具有更低的生产成本，同时兼具较小的导热系数和较好的耐火度，除此之外成型后的冒口还具有较好的结构强度。

优选的，所述发热材料至少包含铝粉、石英砂粉。

通过采用上述技术方案，铝粉作为发热剂进行添加，其主要作用是起到反应释放热量的作用，进而使得冒口腔体内的金属液持续保持高温的状态，有效地延长金属液的凝固时间；石英砂粉作为阻燃剂进行添加，其主要作用是起到阻燃耐火作用同时一定程度上控制铝热反应的速率，在铝热反应的过程中，使得铝热反应释放热量的速度能够维持冒口中的金属液的保温状态，尽可能使得冒口中的金属液的凝固时间大于铸件中的金属液凝固时间。另一方面，铝热反应结束后，石英砂粉和反应产物会产生细小的空隙，形成网状结构，起到一定的保温作用，从而使得发热材料兼具发热功能和一定的保温功能，除此之外网状结构的形成也一定程度上增强了冒口的成型强度。

优选的，一种涡轮增压器壳用高发热冒口由包含以下重量份的原料制成：漂珠68份，铝粉11份，石英砂粉13份，呋喃树脂8份。

优选的，所述发热材料还包括钾盐氧化剂，其中钾盐氧化剂为硝酸钾、高锰酸钾中的一种或多种。

通过采用上述技术方案，申请人发现采用上述配比制备得到的高发热冒口能够具有较低的导热系数，仅为0.136W(m·K)，进一步提高漂珠的添加量，对于冒口的导热系数的降低并无太大影响，除此之外，随着漂珠的添加量的增加，冒口整体成型受到一定影响，分析原因可能在于随着漂珠添加量的增加，冒口整体成型起到粘连成型作用的呋喃树脂无法充分地将各组分结合粘连。

钾盐氧化剂的添加起到控制铝热反应速度的作用，进一步控制发热反应的速率，延长了铝热反应的作用时间，使得铝热反应释放热量的速度能够维持冒口中的金属液的保温状态，尽可能使得冒口中的金属液的凝固时间大于铸件中的金属液凝固时间，提高发热保温冒口的保温效果。

优选的，所述发热材料还包括氟铝酸钠和氯化钠。

通过采用上述技术方案，申请人发现在发热材料中适当加入氯化钠后，能够显著地提高发热材料初期的放热速率，起到助熔剂的作用，分析原因可能在于添加氯化钠后，氯化钠能够对铝热反应中铝表面产生的氧化铝薄膜具有活化作用，进而使得铝进一步反应并释放热量。

氟铝酸钠的添加，同样起到助熔剂的作用，分析原因可能在于，氟元素的添加能够起到助燃的作用，能够有效降低铝热反应的初始反应温度。

优选的，还涂覆有涂层，所述涂层由包含以下原料制成：高铝矾土、酚醛树脂、羟甲基纤维素钠、乳胶粉以及溶剂。

通过采用上述技术方案，利用涂层的设置，使得高发热冒口在成型后表面形成均匀、连续且致密的薄膜，起到保护高发热冒口的同时，使得高发热冒口的机械强度得到提升。另一方面，由于在高发热冒口添加了氟铝酸钠，使得高发热冒口中可能出现“鱼眼”的缺陷，而申请人发现在高发热冒口上新增涂层的设置，能够较好地改善添加氟铝酸钠所带来的高发热冒口出现“鱼眼”的问题。

其中高铝矾土主要是由二氧化硅和氧化铝组成的铝硅酸盐，是一种耐火性能优良的材料，同时高铝矾土具有较小热膨胀量，且其价格较为低廉，成本可控。利用高铝矾土作为涂层主要组成，能够赋予涂层较好的耐火度。

酚醛树脂主要起到成膜物质的作用，是在高发热冒口表面形成涂膜的主要物质，酚醛树脂的添加使得涂层能够具有一定机械强度且较好地附着到铸型材料上，使得高发热冒口表面能够形成连续且均匀的涂层，而该涂层能够对高热冒口起到保护作用，有效地改善添加氟铝酸钠引起的“鱼眼”等缺陷问题。

羟甲基纤维素钠主要起到悬浮剂的作用，能够提高涂料的悬浮率，进而使得涂料容易形成复杂的网状结构，使得耐火粉料高铝矾土不易发生沉淀的现象；乳胶粉主要起到粘接剂的作用。

优选的，所述涂层还包含有乙基纤维素。

通过采用上述技术方案，申请人在实验的过程中发现在涂层原料中适当添加乙基纤维素，能够改善涂料的悬浮性，同时能够使得涂料具有较好的稠度，相较于未添加乙基纤维素而言，添加乙基纤维素后的涂料能够更好地成型附着到高发热冒口并形成均匀、连续的涂膜。

第二方面，本申请提供一种涡轮增压器壳用高发热冒口的制备工艺，采用如下的技术方案：

一种涡轮增压器壳用高发热冒口的制备工艺，包括以下工艺步骤：

1)将漂珠和发热材料进行预混并搅拌均匀，加入呋喃树脂进行混合搅拌，得到混合料；

2)将步骤1得到的混合料填充到发热保温冒口模具中，压制成型，脱模干燥后得到上述高发热冒口。

优选的，其中步骤2中具体包括如下步骤：

将氟铝酸钠、氯化钠、钾盐氧化剂与部分漂珠、铝粉、石英砂粉、呋喃树脂预混并填充形成下层；将铝粉、石英砂粉、钾盐氧化剂和呋喃树脂进行预混并填充形成中层，将剩余漂珠、呋喃树脂进行预混并填充形成上层，压制成型，脱模干燥后得到初产品，将初产品内外表面浸没并涂覆形成上述涂层，得到上述高发热冒口。

通过采用上述技术方案，申请人发现相较于传统的高发热冒口成型工艺而言，(即将上述发热材料与铝粉预混，然后加入呋喃树脂并持续搅拌，将搅拌后的产物填充到模具中压制成型、脱模并干燥得到成品)，采用上述将发热冒口分成三部分组成进行成型的方式，能够使得高发热冒口能够具有更好的保温性能同时能够使得铸件有效补缩量得到一定程度的提升。

分析其原因可能在于，在补缩过程中，金属液是慢慢从高发热冒口底部慢慢填充的，而在金属液在慢慢填充满高发热冒口的过程中，金属液与高发热冒口的接触时间是与高发热冒口高度成反比的，下层的发热材料受到温升的影响首先开始发生氧化反应，而位于上层和中层可能还未接触金属液或未达到反应发生的初始温度。而当金属液填充满高发热冒口后，随着补缩工作的进行，高发热冒口的液位发生下降，此时上层若仍发生放热反应，但是其对于金属液的保温作用并无过多作用，而高发热冒口的下层始终与金属液接触并持续发生放热反应，以维持金属液的温度。因此分析采用本申请的方式设计高发热冒口，使得采用同样原料配比的情况下，能够有效增强高发热冒口对于金属液的补缩效果。

综上所述，本申请具有以下有益效果：

1、由于本申请采用漂珠、铝粉、石英砂粉、氟铝酸钠、氯化钠、钾盐氧化剂和呋喃树脂，通过上述配比制备获得的高发热冒口，相较于纤维复合型冒口而言，具有更低的生产成本，同时兼具较小的导热系数和较好的耐火度，除此之外成型后的冒口还具有较好的结构强度和保温效果。

2、本申请在高发热冒口外涂覆有涂层，使得高发热冒口在成型后表面形成均匀、连续且致密的薄膜，起到保护高发热冒口的同时，使得高发热冒口的机械强度得到提升，同时能够较好地改善添加氟铝酸钠所带来的高发热冒口出现“鱼眼”的问题。

3、本申请高发热冒口的制备工艺，通过上层、中层、下层的设置，相较于传统的成型方式而言，使得采用同样原料配比的情况下，能够有效增强高发热冒口对于金属液的补缩效果。

具体实施方式

以下结合实施例和对比例对本申请作进一步详细说明。

涂层的制备例

制备例1

本制备例公开了一种涂层，制备得到一份涂层所需要的原料如下：高铝矾土70重量份；酚醛树脂1.5重量份；羟甲基纤维素钠1重量份；乳胶粉0.5重量份；溶剂27重量份。

其中乳胶粉选用常规市售的可再分散乳胶粉，溶剂选用无水乙醇。

需要注意的是，本说明书中的重量份表达的是一种比例关系，1重量份可以为1g、10g、100g，也可以是1kg、10kg等，可根据实际可发热冒口的尺寸型号以及所需涂层量进行调整，本申请制备例中1重量份为15g。

制备例2

制备例2与制备例1的区别在于，制备得到一份涂层所需要的原料如下：高铝矾土70重量份；酚醛树脂1.5重量份；羟甲基纤维素钠1重量份；乳胶粉0.5重量份；乙基纤维素1重量份；溶剂26重量份。

其中乳胶粉选用常规市售的可再分散乳胶粉，溶剂选用无水乙醇，乙基纤维素n取200～300。

制备例3

制备例3与制备例2的区别在于，制备得到一份涂层所需要的原料如下：高铝矾土60重量份；酚醛树脂1.5重量份；羟甲基纤维素钠1重量份；乳胶粉0.5重量份；乙基纤维素1重量份；溶剂36重量份。

制备例4

制备例4与制备例2的区别在于，制备得到一份涂层所需要的原料如下：高铝矾土80重量份；酚醛树脂1.5重量份；羟甲基纤维素钠1重量份；乳胶粉0.5重量份；乙基纤维素1重量份；溶剂16重量份。

实施例

实施例1

本申请实施例公开一种高发热冒口，由包括以下原料制备得到：漂珠390g；铝粉48g；石英砂粉60g；呋喃树脂30g；硝酸钾6g。

其中上述高发热冒口的制备工艺包括如下工艺步骤：

1)将390g漂珠、40g铝粉、50g石英砂粉和5g硝酸钾进行预混并搅拌，5min后向反应器中加入25g呋喃树脂并持续搅拌，搅拌5min后得到混合料；

2)将步骤1得到的混合料填充到高发热保温冒口模具当中，填充的过程同时进行预压紧，通过在1.5MPa下的压力压制成型，脱模后将高发热冒口放入烘箱中烘干硬化，控制温度为140℃，得到高发热冒口。

实施例2

实施例2与实施例1的区别在于，高发热冒口由包括以下原料制备得到：漂珠390g；铝粉48g；石英砂粉60g；呋喃树脂30g；硝酸钾6g；氟铝酸钠3g；氯化钠3g。

实施例3

实施例3与实施例2的区别在于，高发热冒口由包括以下原料制备得到：漂珠408g；铝粉66g；石英砂粉78g；呋喃树脂48g；硝酸钾9g；氟铝酸钠4.5g；氯化钠4.5g。

实施例4

实施例4与实施例2的区别在于，高发热冒口由包括以下原料制备得到：漂珠426g；铝粉84g；石英砂粉96g；呋喃树脂66g；硝酸钾12g；氟铝酸钠6g；氯化钠6g。

实施例5

实施例5与实施例2的区别在于，高发热冒口的制备工艺包括如下工艺步骤：

1)将3g氟铝酸钠、3g氯化钠、4.2g硝酸钾、156g漂珠、19.2g铝粉、24g石英砂粉、12g呋喃树脂进行预混并搅拌，搅拌5min后填充至高发热保温冒口模具当中进行预压紧，通过在1.5MPa下的压力压制成型形成下层，其中下层占整体的40％；

将1.8g硝酸钾、117g漂珠、14.4g铝粉、18g石英砂粉、9g呋喃树脂进行预混并搅拌，搅拌5min后填充至高发热保温冒口模具当中进行预压紧，通过在1.5MPa下的压力压制成型形成中层，其中中层占整体的30％；

将剩余117g漂珠、14.4g铝粉、18g石英砂粉、9g呋喃树脂进行预混并搅拌，搅拌5min后填充至高发热保温冒口模具当中进行预压紧，通过在1.5MPa下的压力压制成型形成上层，其中上层占整体的30％；

脱模后将高发热冒口放入烘箱中烘干硬化，控制温度为140℃，得到高发热冒口。

实施例6

实施例6与实施例5的区别在于，脱模干燥后得到的初产品，将初产品内外表面浸没于制备例1的涂层原料中，并涂覆于40℃干燥后形成有涂层，得到高发热冒口。

实施例7

实施例7与实施例6的区别在于，实施例7的涂层原料选用制备例2制备得到的涂层原料。

实施例8

实施例8与实施例6的区别在于，实施例7的涂层原料选用制备例3制备得到的涂层原料。

实施例9

实施例9与实施例6的区别在于，实施例7的涂层原料选用制备例4制备得到的涂层原料。

对比例

对比例1

对比例1选用CN111673049A中的实施例1的纤维保温冒口材料，以重量份计，包括以下组分：硅酸铝纤维60份，含有氧化钙的氯氧镁水泥30份，硅微粉10份，氧化铁2份，碳粉4份。

其制备工艺如下：

将硅酸铝纤维加水经胶体磨加工成2～5mm短纤维糊状料；再加入除氯氧镁水泥浆料外的其余组分，置于搅拌机内混合成浆状料；再加入含有氧化钙的氯氧镁水泥浆料，继续搅拌成泥料；然后注入φ180mm×20mm的用于导热率测试的平板试样金属模具中和注入φ30mm×30mm的用于抗压强度测试的圆柱试样木模中，放置48h后脱模，放人烘箱经150℃×3h干燥最终成型。

各实施例的高发热冒口材料的配比组成如表1所示，

表1

对各实施例和对比例进行导热性能测试，对各实施例和对比例进行抗压性能测试，测得的结果如表2所示。

	导热系数/W(m·K)1200℃	抗压强度/Mpa
			实施例1	0.136	1.908
实施例2	0.119	1.89
			实施例3	0.114	1.884
实施例4	0.117	1.878
			实施例5	0.118	1.891
实施例6	0.112	1.928
			实施例7	0.108	1.938
实施例8	0.108	1.939
			实施例9	0.107	1.938
对比例1	0.116	1.893

表2

结合实施例1～4和对比例1并结合表2可以看出，选用本申请中的漂珠、铝粉、石英砂粉、呋喃树脂、硝酸钾以及对应配比，能够使得最终制备获得的高发热冒口具有较低的导热系数和较好的抗压强度。

同时氟铝酸钠和氯化钠的添加能够显著的降低高发热冒口的导热系数，分析原因可能在于氯化钠能够对铝热反应中铝表面产生的氧化铝薄膜具有活化作用，进而使得铝进一步反应并释放热量，使得高发热冒口测试具有更小的损失热量差，从而体现为更低的导热系数；氟元素的添加能够起到助燃的作用，能够有效降低铝热反应的初始反应温度。

同时发现氟铝酸钠的添加对于高发热冒口的强度可能要有一定降低作用，可能在于氟元素的添加会使得高发热冒口出现“鱼眼”等缺陷，进而一定程度上影响了高发热冒口的结构强度。

结合实施例2、5、6～9并结合表2可以看出，选用本申请的工艺方法，即将发热冒口分成三部分组成进行成型的方式，使得发热冒口能够具有更好的保温性能，在实际进行补缩的过程中，申请人发现采用上层、中层、下层的高发热冒口设计在实际应用过程中具有更好的有效补缩量，分析原因可能在于在补缩过程中，金属液是慢慢从高发热冒口底部慢慢填充的，而在金属液在慢慢填充满高发热冒口的过程中，金属液与高发热冒口的接触时间是与高发热冒口高度成反比的，下层的发热材料受到温升的影响首先开始发生氧化反应，而位于上层和中层可能还未接触金属液或未达到反应发生的初始温度。而当金属液填充满高发热冒口后，随着补缩工作的进行，高发热冒口的液位发生下降，此时上层若仍发生放热反应，但是其对于金属液的保温作用并无过多作用，而高发热冒口的下层始终与金属液接触并持续发生放热反应，以维持金属液的温度。

同时本申请的涂层能够较好地提升高发热冒口的结构强度同时一定程度上降低高发热冒口的导热系数，且乙基纤维素的添加能够进一步提升高发热冒口的结构强度，分析原因可能在于乙基纤维素的添加能够改善涂料的悬浮性，同时能够使得涂料具有较好的稠度，使得涂料能够更好地成型附着到高发热冒口并形成均匀、连续的涂膜，从而更好地改善因添加氟铝酸钠可能带来的“鱼眼”等缺陷。

本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (9)

1.一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，由包括以下重量份的原料制成：漂珠65～71份；发热材料18～30份；呋喃树脂5～11份。

2.根据权利要求1所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，所述发热材料至少包含铝粉、石英砂粉。

3.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，由包含以下重量份的原料制成：漂珠68份，铝粉11份，石英砂粉13份，呋喃树脂8份。

4.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，所述发热材料还包括钾盐氧化剂，其中钾盐氧化剂为硝酸钾、高锰酸钾中的一种或多种。

5.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，所述发热材料还包括氟铝酸钠和氯化钠。

6.根据权利要求2所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，还涂覆有涂层，所述涂层由包含以下原料制成：高铝矾土、酚醛树脂、羟甲基纤维素钠、乳胶粉以及溶剂。

7.根据权利要求6所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口，其特征在于，所述涂层还包含有乙基纤维素。

8.权利要求1-7任一所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口的制备工艺，其特征在于，包括以下工艺步骤：

1)将漂珠和发热材料进行预混并搅拌均匀，加入呋喃树脂进行混合搅拌，得到混合料；

2)将步骤1得到的混合料填充到发热保温冒口模具中，压制成型，脱模干燥后得到上述高发热冒口。

9.根据权利要求8所述的一种涡轮增压器壳用高发热冒口的制备工艺，其特征在于，其中步骤2中具体包括如下步骤：

将氟铝酸钠、氯化钠、钾盐氧化剂与部分漂珠、铝粉、石英砂粉、呋喃树脂预混并填充形成下层；将铝粉、石英砂粉、钾盐氧化剂和呋喃树脂进行预混并填充形成中层，将剩余漂珠、呋喃树脂进行预混并填充形成上层，压制成型，脱模干燥后得到初产品，将初产品内外表面浸没并涂覆形成上述涂层，得到上述高发热冒口。