本发明涉及铸造技术领域中的一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂及制备方法。
背景技术：
目前，高锰钢是一种含锰量在13%左右的高合金钢，由于其具有良好的加工硬化性能，在冲击磨料磨损的工况条件下，特别在强载荷冲击下使用，具有优异的耐磨性和良好的韧性，故至今仍是世界各国通用的一种耐磨钢。它被广泛地用于冶金、矿山、电力机械、铁路运输、工程机械等方面。在铸造过程中，为防止粘砂，一般都应用非石英质的原砂，其粘砂原因为：由于含锰量高，钢液中含有较多的碱性氧化物MnO，它在高温情况下成碱性，很容易和石英质的原砂（主要成分是酸性氧化物SiO2）或是含有酸性耐火材料的涂料，如石英粉等发生化学反应：
MnO+ SiO2= MnO·SiO2
反应生成物（MnO·SiO2）是一种熔点较低的化合物，具有良好的流动性，易渗入砂粒间隙中，凝固时使砂粒牢牢地粘附于铸件表面，形成化学粘砂。
目前国内外在生产高锰钢铸件时，普遍应用的原砂为七零砂或镁橄榄石砂，七零砂主要成分是石灰石，由于其粒度难以控制，粒度较大且灰分很高，导致砂型表面质量极差，难以获得高表面质量的高锰钢铸件。而高锰钢的加工硬化特性非常显著，使其难以被加工（加工成本很高），像铁路道岔等对表面质量要求较高的高锰钢铸件，目前生产厂家均采用镁橄榄石砂造型。
镁橄榄石的主要成分为Mg2SiO4，无游离的SiO2，一般使用的镁橄榄石砂耐火度为1700℃左右，具有耐高温抗浸蚀性,没有石英砂那样的相变膨胀，其化学性能相对稳定。目前，镁橄榄石砂在国内所用的粘结剂主要是粘土，这种镁橄榄石粘土砂只能用于小型高锰钢铸件，对于中大型铸件必须采用水玻璃作粘结剂。但是，镁橄榄石砂采用水玻璃作粘结剂时存在如下一些主要技术难点，至今尚未获得彻底的解决，因此，它在中大型高锰钢铸件中应用还不多。
一是这种碱性钠水玻璃砂的强度很低，特别是即时强度不高，起模时间较长，生产效率较低；
二是由于这种碱性砂的强度很低，为了满足生产对其强度的需要，必须增加水玻璃加入量，导致型芯砂溃散性太差，铸件落砂清理十分困难；
三是采用水玻璃混制镁橄榄石砂，型砂表面质量较差，使得高猛钢铸件表面质量不好，难以获得高品质铸件。因此研发一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂及制备方法一直是国内外同行业急待解决的新课题。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂及制备方法，该发明针对镁橄榄石砂和水玻璃在造型制芯过程中各种特性，提出在无机的水玻璃中加入碱性酚醛树脂的方法解决其固有的缺点，使得发明的粘结剂体系中同时具有有机粘结剂和无机粘结剂各自的优点，无机粘结剂成本较低、环保性强，有机粘结剂使型砂表面质量高，型砂表面稳定性好，而且由于加入有机成分，大幅降低型砂的残留强度，解决以水玻璃作为粘结剂，在镁橄榄石砂等碱性砂的造型及清砂过程的各种问题，对高锰钢铸件的铸造生产、产品质量、产品生产效率都起积极的作用。。
本发明的目的是这样实现的：一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂，包括水玻璃、助溶剂、可溶性碱、碱性酚醛树脂，所述各组分加入比例为水玻璃100，助溶剂0.5-2，可溶性碱1-5，碱性酚醛树脂10-60；
所述的水玻璃的模数为2.2-2.6，制备水玻璃过程中，通过添加助溶剂和可溶性碱，在水玻璃中加入的活性树脂；
所述的制备水玻璃过程中的活性树脂为碱性酚醛树脂；
所述的可溶性碱为氢氧化钠或氢氧化钾；
所述的助溶剂为水杨酸钠、硼砂、苯甲酸钠、对氨基苯甲酸钠的一种或几种的混合物；
所述的一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂的制备方法，具体步骤如下：
（1）水玻璃改性：将模数为2.2-2.6的水玻璃加热到60℃-80℃，保温10-30min，加入可溶性碱和助溶剂，加入碱性酚醛树脂，按1-5℃/min的升温速度加热到90-100℃，保温30-90min，冷却至室温，制成改性水玻璃；
（2）水玻璃砂混砂：镁橄榄石砂中加入有机酯固化剂，混制1-2min，再加入改性水玻璃，继续混制1-2min，制得具有水玻璃砂；各成分的重量比为镁橄榄石砂100，有机酯固化剂0.25-0.6，水玻璃2-4；
所述的有机酯固化剂为三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯、柠檬酸酯、乙二醇醋酸酯、乙二醇二醋酸酯的一种或混合物。
所述的镁橄榄石砂为硅砂或镁橄榄石砂。
本发明的要点在于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂及其制备方法。其工作原理是，镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂及其制备方法，所用水玻璃的模数为2.2-2.6，制备水玻璃时在助溶剂和可溶性碱的共同作用下，在水玻璃中加一定量的碱性酚醛树脂，通过助溶剂的选取以及与可溶性碱的共同作用，实现碱性酚醛树脂溶解于水玻璃当中，混砂后不但提高水玻璃砂的表面质量，而且降低水玻璃砂的残留强度，在尽量少的增加成本的基础上，完全解决在高锰钢铸件生产过程中，镁橄榄石砂应用有机酯硬化水玻璃做粘结剂时所遇到的问题，对目前高猛钢铸造生产具有极大的意义。
一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂及制备方法与现有技术相比，具有该发明针对镁橄榄石砂和水玻璃在造型制芯过程中各种特性，提出在无机的水玻璃中加入碱性酚醛树脂的方法解决其固有的缺点，使得发明的粘结剂体系中同时具有有机粘结剂和无机粘结剂各自的优点，无机粘结剂成本较低、环保性强，有机粘结剂使型砂表面质量高，型砂表面稳定性好，而且由于加入有机成分，大幅降低型砂的残留强度，解决以水玻璃作为粘结剂，在镁橄榄石砂等碱性砂的造型及清砂过程的各种问题，对高锰钢铸件的铸造生产，产品质量，产品生产效率都起积极的作用等优点，将广泛的应用于铸造技术领域中。
下面通过实施例对本发明进行详细说明。
具体实施方式
一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂，包括水玻璃、助溶剂、可溶性碱、碱性酚醛树脂，所述各组分加入比例为水玻璃100，助溶剂0.5-2，可溶性碱1-5，碱性酚醛树脂10-60。
所述的水玻璃的模数为2.2-2.6，制备水玻璃过程中，通过添加助溶剂和可溶性碱，在水玻璃中加入的活性树脂。
所述的制备水玻璃过程中的活性树脂为碱性酚醛树脂。
所述的可溶性碱为氢氧化钠或氢氧化钾。
所述的助溶剂为水杨酸钠、硼砂、苯甲酸钠、对氨基苯甲酸钠的一种或几种的混合物。
所述的一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂的制备方法，具体步骤如下：
（1）水玻璃改性：将模数为2.2-2.6的水玻璃加热到60℃-80℃，保温10-30min，加入可溶性碱和助溶剂，加入碱性酚醛树脂，按1-5℃/min的升温速度加热到90-100℃，保温30-90min，冷却至室温，制成改性水玻璃；
（2）水玻璃砂混砂：镁橄榄石砂中加入有机酯固化剂，混制1-2min，再加入改性水玻璃，继续混制1-2min，制得具有水玻璃砂；各成分的重量比为镁橄榄石砂100，有机酯固化剂0.25-0.6，水玻璃2-4。
所述的有机酯固化剂为三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯、柠檬酸酯、乙二醇醋酸酯、乙二醇二醋酸酯的一种或混合物。
所述的镁橄榄石砂为硅砂或镁橄榄石砂。
实施例一
所述的一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂的制备方法，具体步骤如下：
（1）水玻璃改性：将水玻璃1000g，水玻璃模数2.2，置于三孔瓶中加热，加热到60℃，保温10min，加入硼砂5g，氢氧化钾10g，碱性酚醛树脂100g，以1℃/min的速度加热到90℃，保温30min，冷却至室温，制成改性水玻璃。
（2）水玻璃砂混混砂：将硅砂1000g，加入二醋酸甘油酯2.5g，混砂1min，加入改性水玻璃20g，混砂1min，混砂完成，制得具有水玻璃砂，制样。
型砂强度是按照GB/T 2684-2009标准要求的方法性能测试测得：
试样1h抗拉强度：0.25MPa
24h抗拉强度：0.97MPa
1000℃残留强度（抗压）：0.81MPa
实施例二
所述的一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂的制备方法，具体步骤如下：
（1）水玻璃改性：将水玻璃1000g，水玻璃模数2.6，置于三孔瓶中加热，加热到80℃，保温30min，加入水杨酸钠20g，氢氧化钠50g，碱性酚醛树脂600g，继续以5℃/min的速度加热到100℃，保温30min，冷却至室温，制成改性水玻璃。
（2）水玻璃砂混混砂：将镁橄榄石砂1000g，加入三醋酸甘油酯4g，混砂1min，加入改性水玻璃40g，混砂1min，混砂完成，制得具有水玻璃砂，制样。
型砂强度是按照GB/T 2684-2009标准要求的方法性能测试测得：
试样1h抗拉强度：0.35MPa
24h抗拉强度：1.16MPa
1000℃残留强度（抗压）：0.65MPa
实施例三
所述的一种适用于镁橄榄石砂的有机酯硬化水玻璃砂的制备方法，具体步骤如下：
（1）水玻璃改性：将水玻璃1000g，水玻璃模数2.4，置于三孔瓶中加热，加热到70℃，保温20min，加入苯甲酸钠10g，氢氧化钾25g，碱性酚醛树脂300g，继续以3℃/min的速度加热到95℃，保温30min，冷却至室温，制成改性水玻璃。
（2）水玻璃砂混混砂：镁橄榄石砂1000g，加入柠檬酸酯6g，混砂1min，加入改性水玻璃30g，混砂1min，混砂完成，制得具有水玻璃砂，制样。
型砂强度是按照GB/T 2684-2009标准要求的方法性能测试测得：
试样1h抗拉强度：0.42MPa
24h抗拉强度：1.08MPa
1000℃残留强度（抗压）：0.77MPa
表1是改性前后水玻璃砂各项性能参数的对比，型砂为50/100目的镁橄榄石砂，其中普通水玻璃砂中水玻璃的加入量为5%，改性水玻璃砂中水玻璃加入量为3%。表中型砂强度是按照GB/T 2684-2009标准要求的方法测得。
表1 水玻璃改性前后各参数的对比
注：残留强度为Φ50mm的圆柱试样，其值为抗压强度值。
通过对水玻璃的改性，镁橄榄石砂强度有明显提高，速度（1h抗拉强度）明显增快，1000℃残留强度明显降低，满足铸造生产要求。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。