一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂及制取方法与流程

1.本发明涉及铸造辅助材料领域，尤其涉及一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂及制取方法。


背景技术：

2.进入二十一世纪，全球化的政治、经济和社会得到极大发展，人类社会对环境的保护意识得到极大强化，在此背景条件下，国家不断出台各种方针和政策，指导和引导社会向可持续性发展转型，铸造行业中高能耗、高污染与此趋势格格不入，这种现象已经引起全世界铸造工作者的强烈关注，绿色铸造，保护环境，成为铸造业者的共同心声，从树脂砂大规模应用于铸造生产以来，其所产生的化学污染日益严重，国内外研究者们积极开展广泛研究，力图更快找到一种新的造型材料，克服缺点，增强优点，降低生产成本，并取得了可喜的进展。
3.从2001年开始，无机粘结剂的粘结性能和硬化特性研究在德国hannover大众汽车厂铸造车间得到迅速开展，该公司研究人员主要是针对磷酸盐和硫酸盐无机粘结剂的砂型铸造进行了大量的前期生产性试验，并且根据研究目的制定了详细的工作计划，其研究目的是使用诸多必要的控制措施达到使该公司在砂型铸造制芯工作中全部采用无机粘结剂砂。并通过采集试验数据对各种不同造型粘结剂的生产效率及其生产流程进行分析对比，并对现有实际生产中的制芯工艺进行了分析和评价。
4.2003年，gifa博览会上展出了一些新开发的无污染硅酸盐系的和盐基类的新型无机粘结剂，这些无机粘结剂研究开发的主要目的是克服其在目前生产中的固有缺点，扩大已有的优势，使之更适应铸造生产不断发展的低成本要求。无机粘结剂的主要优点有：(1)原辅材料来源方便，采购成本低，使用安全；(2)造型、制芯过程中可采用多种硬化方式(如气硬、热硬和自硬等)综合处理；(3)制备过程中很少有有毒气体和固体污染物排放；(4)使用过程中排放的有毒气体、冷凝物和气味均很少，有利于铸造作业环境改善；(5)制备的砂芯耐热性高、热稳定性好等。但是，也经常出现如下缺点：(1)有时制备的砂芯强度低，抗湿性差；(2)造型、制芯时粘结剂加入量多；(3)型芯砂的残余强度较高、砂芯溃散性差，出砂困难；(4)铸件焊补和清铲的工作量大；(5)旧砂再生回用困难等。
5.针对这些问题，国内外铸造工作者进行了一系列的研究，如中国专利cn105440957a，其公开了一种钾水玻璃粘结剂，其特征在于，它包括以下质量份的原料：钾水玻璃30～50份、白炭黑8～14份、氧化镁14～28份、氯化镁5～10份、硫酸镁5～10份、缩合磷酸铝5～10份、平平加o5～12份和水6～12份。但是该技术方案不能有效改善无机粘结剂砂的抗湿性以及溃散性的问题；在专利de 2856267 a1中介绍了通过对水玻璃的改性使水玻璃的加入量降低到3％，而即时强度达到0.4mpa，一小时强度达到1.7mpa。在专利de102007045649 a1中介绍了通过对水玻璃的改性使水玻璃的加入量降低到2％，而使水玻璃砂的即时强度达到2.0mpa，一小时强度达到3.8mpa。通过各国科研工作者对水玻璃研究的不断深入，使造型过程中水玻璃的加入量、水玻璃砂的强度问题已不断被解决，但是水玻
璃砂的溃散性差的问题仍然是其在铸造行业中发展的瓶颈，现有技术中由于无机粘结剂中不含易分解物质等成分，导致无机粘结剂砂虽然有较高的强度等性能指标，却因为没有良好的溃散性能，在浇注后铸件难以型砂剥离，铸件清理困难，以上问题亟待解决。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂及制取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂，包括：
8.硅砂；
9.改性无机粘结剂，包括无机粘结剂和改性剂，无机粘结剂是以硅酸盐为基础的粘结剂，改性剂包括磷酸盐、硼酸盐和偏铝酸盐，用于对无机粘结剂改性；
10.粉料溃散剂，为无机盐类和有机粉末的混合物；
11.其中，包括如下重量份的各物质：硅砂100份、改性无机粘结剂2-5份以及粉料溃散剂1-3份。
12.进一步地，硅酸盐的模数为2.0～3.0，其中硅酸盐的含固量的重量百分比为30％～55％。
13.进一步地，优选硅酸盐的模数为2.2～2.6，其中优选硅酸盐的含固量的重量百分比为40％～45％。
14.进一步地，无机粘结剂中的硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的一种或几种。
15.进一步地，磷酸盐包括磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钠、磷酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸钾中的一种或几种。
16.进一步地，硼酸盐包括四硼酸钠、偏硼酸钠、三羟基苯基硼酸钠、四硼酸钾、偏硼酸钾中的一种或几种。
17.进一步地，偏铝酸盐包括偏铝酸钠和/或偏铝酸钾。
18.进一步地，粉料溃散剂中的无机盐包括：云母粉、海波粉、硫酸盐、磷酸盐中一种或几种；粉料溃散剂中的有机粉末包括：活性炭粉、竹纤维粉、膨胀石墨、环氧树脂粉、酚醛树脂粉、苯磺酸钠粉、谷氨酸钠粉中的一种或几种；其中，无机盐与有机粉末的重量比例为：40～80：20～50。
19.进一步地，一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂制取方法，包括以下步骤：
20.取100份硅砂；
21.加入2～5份改性无机粘结剂，混制1～2min，
22.加入粉料溃散剂1～3份，继续混制1～2min，
23.取出制型，硬化方式为co2硬化，或加热硬化，或加有机酯硬化。
24.进一步地，中改性无机粘结剂的制取方法包括以下步骤：
25.无机粘结剂加热至60～85℃；
26.加入磷酸盐、硼酸盐和偏铝酸盐改性剂，加入量占无机粘结剂重量百分比为5～30％；
27.升温至90～95℃，保温0.5～2h，冷却至室温。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：在无机粘结剂改性过程中添加溃散改性剂，并在混砂过程中添加粉料溃散剂，显著提高了无机粘结剂型砂的溃散性，使无机粘结剂砂型在浇注后大幅降低残留强度，易于铸件清理，可使铸件较容易与型砂剥离，利于清砂，降低工人劳动强度。
附图说明
29.图1为种具有溃散性的改性无机粘结剂砂制取方法流程图；
30.图2为改性前后无机粘结剂砂性能参数的对比表；
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
33.请参阅说明书附图，本发明提供一种技术方案：一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂，包括：硅砂；改性无机粘结剂，包括无机粘结剂和改性剂，无机粘结剂是以硅酸盐为基础的粘结剂，改性剂包括磷酸盐、硼酸盐和偏铝酸盐，用于对无机粘结剂改性；粉料溃散剂，为无机盐类和有机粉末的混合物；其中，包括如下重量份的各物质：硅砂100份、改性无机粘结剂2-5份以及粉料溃散剂1-3份；
34.优选地，硅酸盐的模数为2.0～3.0，其中硅酸盐的含固量的重量百分比为30％～55％。
35.优选地，硅酸盐的模数为2.2～2.6，其中硅酸盐的含固量的重量百分比为40％～45％。
36.优选地，无机粘结剂中的硅酸盐为硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂中的一种或几种。
37.优选地，磷酸盐包括磷酸氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钠、磷酸氢钾、磷酸二氢钾、磷酸钾中的一种或几种。
38.优选地，硼酸盐包括四硼酸钠、偏硼酸钠、三羟基苯基硼酸钠、四硼酸钾、偏硼酸钾中的一种或几种。
39.优选地，偏铝酸盐包括偏铝酸钠和/或偏铝酸钾。
40.优选地，粉料溃散剂中的无机盐包括：云母粉、海波粉、硫酸盐、磷酸盐等一种或几种；粉料溃散剂中的有机粉末包括：活性炭粉、竹纤维粉、膨胀石墨、环氧树脂粉、酚醛树脂粉、苯磺酸钠粉、谷氨酸钠粉中的一种或几种；其中，无机盐与有机粉末的重量比例为：40～80：20～50。
41.优选地，一种具有溃散性的改性无机粘结剂砂制取方法，包括以下步骤：
42.s100、取100份硅砂；
43.s200、加入2～5份改性无机粘结剂，混制1～2min，
44.s300、加入粉料溃散剂1～3份，继续混制1～2min，
45.s400、取出制型，硬化方式为co2硬化，或加热硬化，或加有机酯硬化。
46.优选地，步骤s200中的改性无机粘结剂制取方法包括以下步骤：
47.s210、无机粘结剂加热至60～85℃；
48.s220、加入磷酸盐、硼酸盐和偏铝酸盐改性剂，加入量占无机粘结剂重量百分比为5～30％；
49.s230、升温至90～95℃，保温0.5～2h，冷却至室温。
50.本发明通过两个阶段对无机粘结剂的控制实现其溃散性的改进。
51.第一个阶段是在无机粘结剂的制备过程中，在上述步骤s210、s220和s230通过对无机粘结剂的改性，提高无机粘结剂砂的粘结强度，降低无机粘结剂的加入量，能够显著提高无机粘结剂砂的溃散性，同时，在步骤s220中因为改性剂中磷酸盐、硼酸盐等改性剂与无机粘结剂经过改性融合后，改性剂均匀分散于无机粘结剂中，在固化过程中，与无机粘结剂共同形成粘结网络结构，能够限制凝胶胶粒的长大，使其细小，常温或低温条件下，共同起到粘结作用，并能提高无机粘结剂的粘结强度。在浇注时的高温作用下改性剂与无机粘结剂的熔化、冷却方式均有不同，可以起到破坏粘结剂膜烧结的作用，使无机粘结膜高温熔化、烧结而又冷却后形成的玻璃体上出现孔洞或裂纹，降低无机粘结剂的残留强度；
52.第二个阶段是在混砂过程中，在步骤s300中，通过粉状溃散剂的加入，改变型砂在加热、冷却过程中粘结剂形态改变的形式，少量的有机添加剂中的有机组分因挥发、燃烧使粘结膜中产生气泡、缝隙，降低无粘结剂砂的残留强度；加入的无机盐粉末均属于晶体种类，无机粘结剂属于非晶体物质，两者交混一起后，在砂型经过加热、高温、冷却过程中，晶体与非晶体的状态的改变方式的不用，使粘结体系无法形成一个整体的玻璃体，进一步降低了无机粘结剂砂的残留强度，使无机粘结剂砂的溃散性能达到铸造生产的使用要求。
53.为更好地理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
54.采用对比例的方法，无机粘结剂采用普通无机粘结剂和改性无机粘结剂，无机粘结剂砂制取方法中使用的硬化方式为co2硬化、加热硬化和加有机酯硬化。
55.对比例一：普通无机粘结剂砂的制备，取100份硅砂，加入硅砂重量百分比3.0％的无机粘结剂，混制2分钟，然后通过co2硬化方式，24小时测试抗拉强度为0.95mpa，残留抗拉强度为1.15mpa。
56.实施例一：改性无机粘结剂砂的制备，取100份硅砂，加入硅砂重量百分比3.0％的改性无机粘结剂，混制2分钟，加入硅砂重量百分比1.5％的粉料溃散剂，混制2分钟，然后通过co2硬化方式，24小时测试抗拉强度为1.06mpa，残留抗拉强度为0.07mpa。
57.对比例二：普通无机粘结剂砂的制备，取100份硅砂，加入硅砂重量百分比2.5％的无机粘结剂，混制2分钟，然后通过有机酯硬化方式，24小时测试抗拉强度为1.08mpa，残留抗拉强度为0.61mpa。
58.实施例二：改性无机粘结剂砂的制备，取100份硅砂，加入硅砂重量百分比2.5％的改性无机粘结剂，混制2分钟，加入硅砂重量百分比1.0％的粉料溃散剂，混制2分钟，然后通过有机酯硬化方式，24小时测试抗拉强度为1.22mpa，残留抗拉强度为0.04mpa。
59.对比例三：普通无机粘结剂砂的制备，取100份硅砂，加入硅砂重量百分比2.0％的无机粘结剂，混制2分钟，然后通过热空气硬化方式，24小时测试抗拉强度为1.16mpa，残留抗拉强度为0.77mpa。
60.实施例三：改性无机粘结剂砂的制备，取100份硅砂，加入硅砂重量百分比2.0％的改性无机粘结剂，混制2分钟，再加入硅砂重量百分比1.0％的粉料溃散剂，继续混制2分钟，然后通过有机酯硬化方式，24小时测试抗拉强度为1.65mpa，残留抗拉强度为0.02mpa。
61.改性前后无机粘结剂砂性能参数的对比：
[0062][0063]
上表是通过实施例反映改性前后无机粘结剂砂各项性能参数的对比，混砂工艺如上，普通无机粘结剂未进行改性，并且混砂过程中不加粉料溃散剂，改性无机粘结剂是进改性后，并且在混砂过程中添加粉料溃散剂，其中残留抗拉强度为制备完“8”字试样并且硬化后放置24h，再置于850℃高温炉中焙烧10min后，取出，冷却至室温，测量其抗拉强度所得数值。
[0064]
由表中数据可以看出，改性后无机粘结剂硬化后粘结强度较普通无机粘结剂较高，而850℃焙烧后的残留强度改性后无机粘结剂砂有显著降低。
[0065]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。