专利名称：：水玻璃砂添加剂的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种具有优异性能的水玻璃砂添加剂。水玻璃作为铸造用砂型(芯)粘结剂，具有固化快、强度高、发气低、污染少、成本低等优点，但其组份中Na2O造成的砂型(芯)高温软化变形及出砂性问题，历来未获得满意解决，影响其进一步扩大应用。国内外十分重视水玻璃改性及添加剂研究，从文献可知，现有技术及研究成果有以下几个方面(1)、研制各种改善出砂性用的添加剂，包括有机物、碳质材料、氧化物、碳酸盐、磷酸盐、粘土类矿物等组份。其构思是利用有机物或碳质材料在高温浇注时形成挥发物与碳膜，破坏水玻璃粘结桥连续性，降低残留强度，从而改善出砂性;利用无机物中高价阳离子在高温时与水玻璃中SiO2形成部份高熔点分散相，提高粘结剂重熔温度，使型(芯)砂残留强度第二峰值从800℃向900～1100℃转移，从而改善出砂性。采用这些添加剂，在试样爆热后室温冷却的常规试验条件下，可以获得较低的残留强度试验数据。生产实际应用时，在黑色金属浇注温度1300～1600℃影响下，砂型(芯)被长时间加热并缓慢冷却，水玻璃中Na2O与砂粒发生矿化反应，生成熔融态玻璃相，实际残留强度远高于常规试验数据。因此，水玻璃砂型(芯)，尤其中、大型铸钢件砂型(芯)，出砂性问题从未获得满意解决。此外，由于Na2O的存在，砂型(芯)高温软化造成的变形、胀型等问题，同样难以解决。(2)、研制各种改性水玻璃，在引入有机溃散物与无机溃散物的同时，提高粘结强度，降低水玻璃实际用量，以减少Na2O的有害影响。但是水玻璃自身为低成本、高强度粘结剂，改性取得的经济实效有限，Na2O的有害影响无法根除。(3)、研制各种模数高达3.4～4.5的钠系水玻璃，以及更高模数的钾系、锂系、碱金属季胺型水玻璃，以降低碱性氧化物含量，从而减少其有害影响。但由于制造成本高及使用技术复杂等原因，生产中难以推广应用。由上可知，现有技术采取破坏粘结膜连续相，提高粘结剂重熔温度，提高模数，减少加入量等措施，一定程度上减少了Na2O对水玻璃砂出砂性的有害影响，但无法摆脱Na2O与砂粒之间的矿化反应，因而实际效果有限。本发明的目的，是从根本上消除Na2O对水玻璃砂高温强度与出砂性的有害影响。本发明的构思，是寻找一种常温时与水玻璃之间化学稳定，升温时与水玻璃中Na2O形成高熔点稳定粉状相的材料作为水玻璃砂添加剂，使砂粒表面残留Na2O量减少到处于浇注温度影响下的砂型(芯)内不发生粘结剂重熔及矿化反应的程度。本发明已经证实，达到上述目的的水玻璃砂添加剂，其特征是使用化学组成为CaOP2O5＝1∶(1.12～1.40)的材料在400～1000℃温度下焙烧产物为组份。使用这种焙烧产物为添加剂时，常温下与水玻璃之间有良好的化学稳定性，升温阶段与水玻璃中的Na2O形成熔点高达1500℃以上的稳定粉状相，在此温度范围内，水玻璃砂彻底摆脱了粘结剂重熔与矿化反应现象，不出现熔融玻璃态物质。工艺试验表明，试样的高温强度延续到1000℃以上;600～1500℃爆热并炉冷后，试样的残留抗压强度稳定地低于4Kg/cm2。以下实例进一步说明了这种添加剂的优异性能。附图(1)为CO2法水玻璃砂高温抗压强度(Kg/cm2)曲线，其中曲线1为普通水玻璃砂;曲线2为本发明添加剂水玻璃砂，数据见表(1)。附图(2)为CO2法水玻璃砂残留抗压强度(Kg/cm2)曲线，其中曲线1为普通水玻璃砂;曲线2为SOLOSiL-433改性水玻璃砂;曲线3为LK-2溃散剂水玻璃砂;曲线4为本发明添加剂水玻璃砂，数据见表(2)。附图(3)为物理固化水玻璃砂残留抗压强度(Kg/cm2)曲线，其中曲线1为普通水玻璃砂;曲线2为本发明添加剂水玻璃砂，数据见表(3)。实例一将Na2CO3与本发明使用的上述焙烧产物，以1∶(2.5～3.5)比例混合，粉碎为200目以下的细粉，装入瓷坩埚内，于1500～1520℃温度焙烧20分钟，随炉冷却或室温冷却。瓷坩埚边缘釉化，试样仍呈粉状，无烧结或熔融迹象。实例二将模数为2.2～4.5的一系列水玻璃与本发明使用的上述焙烧产物，分别以1∶(0.10～0.65)比例混成粘稠悬浊液，装入瓷坩埚内，于1500～1520℃温度焙烧20分钟，随炉冷却或室温冷却。瓷坩埚边缘釉化，试样呈膨胀隆起的乳白色蜂窝状，手指重按可破，与硅溶胶高温爆热后的形态十分相似。对比的普通水玻璃试样，在坩埚内为平坦的淡绿色熔融玻璃块，十分坚硬。实例一说明，本发明使用的上述焙烧产物，升温时与一定比例的Na2O生成一种新相，其熔点高于1500℃。实例二说明，这种焙烧产物，升温时和水玻璃中Na2O反应情况，与其和单体Na2O反应情况是一致的，试样高温形态与硅溶胶的相似性证实了这一点。两个实例说明，用这种焙烧产物作为水玻璃砂添加剂时，在浇注升温时与Na2O形成高熔点稳定粉状相，水玻璃砂将不会出现粘结剂重熔与矿化反应，高温软化变形与出砂性问题将会同时获得解决。实例三将本发明使用的上述焙烧产物，与三氧化二铁、碳质材料以1∶(0～0.10)∶(0～0.10)比例组合成一种粉状添加剂，试验其对水玻璃砂高温强度的影响。试验条件为石英砂100%，模数为2.7的水玻璃5%，粉状添加剂2%，在实验用碾轮式混砂机内混碾6～8分钟，用GF手动制样仪制备φ11×20试样并吹CO2气体硬化，用GF高温性能试验仪测试200～1000℃高温强度，对比试样为相同水玻璃但不加添加剂的水玻璃砂，试验结果见表(1)及图(1)。表(1)CO2法水玻璃砂高温抗压强度(Kg/cm2)</tables>实例三说明，单一地使用这种焙烧产物，或者为改善综合性能而包含一定量其它组份时，水玻璃砂的高温强度可以延续到1000℃以上。在此温度范围内，不出现普通水玻璃砂中粘结剂重熔造成的软化现象，有利于解决胀型与变形问题，提高铸件精度。实例四将实例三所用的添加剂，试验其对CO2法水玻璃砂残留强度的影响。试验条件为配方与混砂工艺如实例三，φ50×50标准试样用2Kg/cm2压力及10L/min流量的CO2气体吹20秒硬化，试验即时强度后，在指定温度下进炉，以炉温稳定后计算爆热20分钟，随炉冷却24小时，室温下测定残留抗压强度。对比试样为FOSeCO的SOLOSiL433改性水玻璃砂;浙江临安玲珑陶土矿的LK-2溃散剂水玻璃砂;不加溃散剂的普通水玻璃砂。试验结果见表(2)及图(2)。实例四说明，使用本发明添加剂后，水玻璃砂中一定比例Na2O在升温时形成高熔点稳定粉状相，砂粒表面残留Na2O量已被减少到处于1500℃以下温度范围内不发生粘结剂重熔及矿化反应的程度，因而在600～1500℃试验温度范围内，稳定地保持了低残留强度的效果。试验中采用了最高爆热温度达到1500℃以及随炉缓慢冷却的条件，模拟了中、大型铸钢件生产实际情况，在这种试验条件下，高温阶段的矿化反应进行得比较充分，普通水玻璃砂与加入一般溃散剂的水玻璃砂，在1300℃温度爆热并炉冷，均出现典型的矿化反应造成的残留强度第三峰值，电镜观察到砂粒表面釉化与边界局部熔融形态。唯有使用本发明添加剂的水玻璃砂，既无粘结剂重熔时的第二峰值，又无矿化反应时的第三峰值，电镜观察到砂粒表面与边界轮廓清晰而无熔融玻璃态物质。具备这种优异性能的水玻璃砂，可以解决中、大型铸钢件砂型(芯)出砂性问题。实例五将实例三所用的添加剂，试验其对物理固化水玻璃砂残留强度的影响。试验条件为原砂用NBS55/100大林标准砂，烧结点为1300～1350℃，其余配方与混砂工艺如实例三，制成的φ50×50标准试样，湿态脱模后于200℃温度烘焙1小时，试样的爆热及冷却方式如实例四，对比试样为加入适量粘土以获得必要湿态强度的普通水玻璃砂。试验结果见表(3)及图(3)。实例五说明，不但化学自硬水玻璃砂，而且物理固化水玻璃砂，使用本发明添加剂后，只要爆热温度不超过砂子烧结点，同样具有摆脱Na2O有害影响而获得稳定地保持低残留强度的效果。此外，细粉状的本发明添加剂还提供了一定的湿态强度与可塑性，有利于在少加或不加粘土的情况下制型(芯)与脱模，减少粘土对降低固化强度的不利影响。实例六将实例三所用的添加剂，试验其在常温条件下与水玻璃相混合后的化学稳定性。试验条件为模数2.7的水玻璃∶添加剂＝5∶2，将其强烈搅匀后形成粘稠悬浊液，密闭存放三个月后，按实例四的方法试验，试验结果与实例四相比较，效果相同。实例六说明，在常温条件下，本发明添加剂与水玻璃之间有良好的化学稳定性。这种特性不但有利于将添加剂与水玻璃混成粘稠悬浊液使用，而且保证了对水玻璃砂可使用时间无任何不利影响。包括以上全部实例及其它一系列工艺试验表明，本发明使用的焙烧产物，可以作为添加剂的单一组份;也可与一些有机物、碳质材料、氧化物以及粘土类矿物混合使用，以改善某些综合性能，当添加剂中该焙烧产物含量达到20%以上并保证一定加入量时，即具有较明显的降低残留强度第二峰值与第三峰值效果。以上全部实例，显示了与现有技术完全不同的本发明添加剂的优异性能，可从根本上消除水玻璃砂中Na2O的有害影响。此外，这种添加剂还具有常温化学稳定性、低发气性与提供一定湿态强度等良好工艺性能。使用这种添加剂，一方面，大幅度提高水玻璃砂高温强度，使高温状态下的水玻璃粘结剂表现硅溶胶特性，将能有效地解决胀型与变形问题，提高铸件精度;另一方面，获得极佳的出砂性，将能大幅度降低铸件水爆温度或不必采用水爆清砂，避免因此造成的炸裂与微裂纹、变形等缺陷。此外，在一定范围内，这种水玻璃砂将能取代昂贵的树脂砂与低生产率的粘土干型(芯)砂。权利要求1.一种用于铸造生产，能在升温时与Na2O形成高熔点稳定粉状相，从而改善水玻璃砂型(芯)高温强度与出砂性的添加剂，其特征是该添加剂使用化学组成为CaO∶P2O5=1∶(1.12～1.40)的材料在400～1000℃温度下焙烧产物为组份。2.根据权利要求1所述添加剂，其特征为可以100%由上述焙烧产物组成;也可在保持上述焙烧产物达20%以上的基础上，包含有机物、碳质材料、氧化物、粘土类矿物等其它组份。3.根据权利要求1、2所述添加剂，其特征为粉状、悬浊液或与水玻璃混成的粘稠悬浊液。全文摘要本发明涉及一种具有优异性能的水玻璃砂添加剂。文档编号B22C1/18GK1031495SQ8810181公开日1989年3月8日申请日期1988年3月26日优先权日1988年3月26日发明者胡子敏,刘亚泉,向勇书申请人:重庆大学