微滴喷射成形水溶型芯的粘结机理研究

Inorganic binder sand core with characters of excellent collapsibility, environment friendly and convient recycling has a good application prospect in producing casting with complex cavity and bending. However, the micro bonding mechanism of this core is not clear. In this proposal, various analyzing techniques will be adopted including SEM, DSC and XRD to systematically investigate crystallization behavior of inorganic salt solution on the surface of sand/inorganic under isothermal and non-isothermal conditions based on evaporation crystallization theory and material thermodynamics theory. Micro- droplet jetting device will be designed and manufactured based on the principle of 3D printing. The influence of forming process on core properties will be studied, and the relational model between inorganic salt crystal grain size characteristics and core properties will be established. The bonding mechanism of water-soluble core will be illuminated, and high strength water-soluble core will be made by micro-droplet jetting method based on the optimized forming process. The successful implementation of this project, not only promotes the application of inorganic binder sand core in the actual production, reduces the environmental pollution caused by the widely used resin sand core, but also provides scientific theoretical guidance for the application of 3D printing in sodium silicate binder sand core and phosphate binder sand core.

优异溃散性、环境友好型、回收便捷经济的水溶性无机盐粘结剂砂芯在带有复杂内腔及弯曲孔道的铸件生产中有着很好的应用前景。 然而此类型芯的微观粘结机理并不清楚。本项目首先依据蒸发结晶理论及材料热力学理论，借助SEM、DSC、XRD等分析测试手段研究无机盐溶液于等温及非等温条件下在砂粒/无机盐表面的结晶行为；然后依据3D打印技术原理设计制造多功能微滴喷射成形装置，研究成形工艺条件对型芯性能的影响规律，并在此基础上建立无机盐结晶晶粒特性与型芯强度的关系模型，揭示无机盐结晶晶粒特性对型芯性能的影响规律，阐明无机盐粘结剂砂芯的粘结机理；最后依据理论研究结果对成形工艺进行优化，并采用微滴喷射成形工艺制备出高强水溶型芯。本项目的成功实施，不仅可推进水溶性无机盐粘结剂砂芯在实际生产中的应用，降低因树脂砂芯广泛应用造成的环境污染，还可为3D打印技术在水玻璃、磷酸盐粘结剂砂芯中的应用提供科学的理论指导。

优异溃散性、环境友好型、回收便捷经济的水溶性无机盐粘结剂砂芯在带有复杂内腔及弯曲孔道的铸件生产中有着很好的应用前景。然而现有的水溶型芯的成型均需要采用成型模具，这造成了型芯制备成本的的增大和制造周期的延长。本项目对微滴喷射成型水溶型芯进行深入研究，获得以下研究成果：（1）碳酸钾等复杂二元水盐体系在其蒸发结晶过程中会形成细小颗粒状、针状、杆状、液滴状结晶产物，且在某些特定条件下会在粘结桥处形成裂纹，其结晶物相与溶液温升与失水的比值有关，在通常情况下首先结晶出K2CO3•1.5H2O，当温度超过152℃后K2CO3•1.5H2O会逐渐转变为无水K2CO3。（2）温度场实测结果表明，微滴喷射成型过程中型芯上下表面的温差约有20℃，而对于传统压制成型型芯内外温差可达50℃，且型芯温度的变化影响型芯中水分的散失及结晶产物的析出；有限元模拟结果表明，随着无机盐溶液浓度的增大，微液滴在砂粒粉床上的渗透深度逐渐减小。（3）揭示了成型工艺对型芯性能的影响规律。研究表明，膨润土、高岭土等添加剂可改变无机盐的结晶形态及型芯的断裂机制，从而改变型芯的强度；加热温度及加热时间除了影响析出的结晶产物，还会通过影响水分的蒸发来影响型芯的强度性能。（4）揭示了无机盐在不同温度下的粘结机理。在中低温阶段，无机盐溶液仅仅依赖于水分的蒸发，无机盐的结晶析出形成无机盐粘结桥，从而使型芯获得强度；但在高温烧结阶段，碳酸钾、碳酸钠等粘结剂与二氧化硅、三氧化二铝等物相能发生烧结反应，生成了硅酸盐，从而增强了型芯的强度，同时使得型芯的水溶性能下降。总之，本研究采用微滴喷射无机盐水溶液为粘结剂，通过加热蒸发预成型型芯，然后通过后处理可以获得具有较高强度的水溶型芯，实现了水溶型芯的无模制造，不仅推进水溶性无机盐粘结剂砂芯在实际生产中的应用，降低因树脂砂芯广泛应用造成的环境污染，还可为3D打印技术在水玻璃、磷酸盐粘结剂砂芯中的应用提供科学的理论指导。