CN101891444A

CN101891444A - 一种熔模铸造用加固层涂料及其制备方法

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Publication number: CN101891444A
Application number: CN2010102221848A
Authority: CN
Inventors: 李德海; 彭清莲; 陈�胜
Original assignee: Sany Heavy Industry Co Ltd
Current assignee: Sany Heavy Industry Co Ltd
Priority date: 2010-07-09
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-07-09
Also published as: CN101891444B

Abstract

本发明公开了一种熔模铸造用加固层涂料，包含粘结剂、耐火材料、磷酸二氢铝以及适量的溶剂，粘结剂为密度在1.32-1.34之间的水玻璃；耐火材料与粘结剂的重量比为1.20-1.50∶1；磷酸二氢铝的重量为粘结剂重量的0.6-1.2％。在熔模铸造中，使用本发明所提供的加固层涂料制作型壳的加固层，能够在节约成本的同时，提高型壳的强度，进而提高型壳制造的成功率，减少铸件鼓胀、跑火等现象。同时，本发明还提供了该熔模铸造用加固层涂料的制备方法。

Description

一种熔模铸造用加固层涂料及其制备方法

技术领域

本发明涉及熔模铸造领域，特别是涉及一种熔模铸造用加固层涂料及其制备方法。

背景技术

所谓熔模铸造工艺，简单地说就是用易熔材料(例如蜡料或塑料)制成可熔性熔模(简称熔模或模型)，在其上涂覆若干层特制的涂料，经过干燥和硬化形成一个整体型壳后，再用蒸汽或热水从型壳中熔掉熔模，然后将型壳置于砂箱中，在其四周填充干砂造型，最后再将型壳放入焙烧炉中经过高温焙烧，得到焙烧后的型壳，在经焙烧后的型壳中浇注熔融金属而得到铸件。

其中，涂料是由粘结剂和耐火粉料配制而成的。涂料有表面层与加固层之分，涂在熔模表面的称为表面层涂料，其作用是能精确地复制熔模的表面形状，形成致密、光滑的型腔表面，以保证最后获得表面光滑、棱角清晰的铸件。加固层涂料也称背层涂料，其作用是加厚、加固型壳，使型壳具有良好的强度及其他综合性能。

水玻璃作为一种价格低廉的粘结剂，因其涂料性能稳定，制壳周期短，而在一般的工程铸件、汽车零件等熔模铸造中被广泛采用，但应用这种以水玻璃作为粘结剂的加固层涂料所制备的型壳强度明显低于同属熔模铸造的硅溶胶、硅酸乙酯型壳。并常因型壳强度低而容易造成铸件鼓胀、跑火等现象，严重时，此类缺陷高达80％以上。同时，在熔掉模型(脱蜡)、焙烧和浇注过程中，型壳将受到各种应力的作用，若强度不足，型壳很容易会发生变形或破裂。

并且，在现有的熔模铸造工艺中，由于原料的质量波动比较大，导致型壳强度的波动也较大，常需进行工艺调整以达到型壳的质量要求。如增加型壳层数、提高粉液比等。此时，型壳的强度虽然得到了提升，但由于层数的增加或粉料含量的增加而降低了型壳的透气性，不但增加了工艺成本，而且所制得的铸件容易因为表面气孔较多而使其性能受损。

发明内容

本发明的目的是提供一种熔模铸造涂料，克服现有价格较低廉的涂料型壳强度低的不足。

本发明是通过以下技术方案实现：一种熔模铸造加固层涂料，包含粘结剂、耐火材料、磷酸二氢铝以及适量的溶剂，粘结剂为密度在1.32-1.34之间的水玻璃；耐火材料与粘结剂的重量比为1.20-1.50∶1；磷酸二氢铝的重量为粘结剂重量的0.6-1.2％。

根据本发明的进一步改进，耐火材料与粘结剂的重量比为1.40-1.50∶1；磷酸二氢铝的重量为粘结剂重量的0.6-0.8％。

根据本发明的进一步改进，耐火材料为铝矾土、铝矾土合成粉、熔融石英、高岭石类熟料、煤矸石或者耐火粘土。

根据本发明的进一步改进，耐火材料为过180-200目筛的铝矾土或铝矾土合成粉。

同时，本发明还提供了一种上述加固层涂料的制备方法，包括如下步骤：a)按配比称量各原料；b)将磷酸二氢铝融入到溶剂中，搅拌至溶解，得溶液A，备用；c)在搅拌下将溶液A倒入到粘结剂中，搅拌均匀后，加入耐火材料，持续搅拌，至耐火材料与粘结剂充分混合，得混合物B；d)将混合物B进行静置回性，至无气泡产生为止。

根据本发明的进一步改进，步骤c)中溶液A在粘结剂搅拌至液面中心形成旋涡时倒入溶液旋涡的中心处。

根据本发明的进一步改进，步骤c)中耐火材料加入时，调高搅拌器在溶液内的高度，用以将耐火材料团块打碎，使之与粘结剂充分混合，分散均匀。

根据本发明的进一步改进，所述步骤d)中静置回性时间为0.3-1小时。

本发明产生的有益效果如下：在熔模铸造中，使用本发明所提供的加固层涂料制作型壳的加固层，能够在节约成本的同时，提高型壳的强度，进而提高型壳制造的成功率，减少铸件鼓胀、跑火等现象。

具体实施方式

本发明旨在提供一种熔模铸造加固层的涂料来解决现有熔模铸造过程中使用价格便宜的水玻璃为原料时，由于型壳强度低所造成的铸件精度下降以及铸件鼓胀、跑火等现象。发明人在不断研究中发现，在加固层涂料中加入一定量的磷酸二氢铝不仅能够提高型壳的常温强度，同时也能够提高型壳的高温强度。磷酸二氢铝作为一种结合剂，其理论结合强度高达110MPa，远高于其他结合剂。并且，磷酸二氢铝具有较高的熔点，能够发生缩聚合反应，在高温焙烧过程中，温度小于800℃时主要发生聚合反应生成偏磷酸铝聚合物[Al(PO₃)₃]_n，该聚合物的形成和聚合形成较强的粘结作用；而当温度升至在800～1200℃时，所形成的[Al(PO₃)₃]_n被分解生成P₂O₅和大量的AlPO₄，由于这种AlPO₄具有较大的胶结黏附作用，故型壳的强度得以稳固提高。

在本发明的一种典型实施方式中，该涂料组合物包含：粘结剂、耐火材料、磷酸二氢铝以及适量的溶剂，其中粘结剂为密度在1.32-1.34之间的水玻璃；耐火材料与粘结剂的重量比为1.20-1.50∶1；优选为1.40-1.50∶1。磷酸二氢铝的质量为粘结剂质量的0.6-1.2％。优选为0.6-0.8。

在熔模铸造中，加固层涂料中的耐火材料与水玻璃的质量比(粉液比)直接决定涂料的粘度，且间接决定型壳强度和撒砂性能。而根据不同的生产方式(手工浸料撒砂或链式生产线自动浸料撒砂)，对涂料的粘度要求也有差异。在本发明中水玻璃的质量按本领域技术人员熟知的熔模铸造水玻璃技术要求控制即可。根据本发明的加固层涂料中的粉液比主要是根据耐火材料的粒度的大小、质量的好坏，并结合实际生产工艺所确定。

在本发明的加固层涂料中粉液比优选为1.20-1.50∶1，在该范围内能够兼顾型壳的强度与透气性。料液比不会因为太低而降低型壳的强度，也不会因为太高而影响型壳的透气性。另外，在本发明提供的涂料中磷酸二氢铝的使用量可根据耐火材料的质量进行调节，与耐火材料相配合以提高型壳的强度，耐火材料质量差，技术人员则可适当调高磷酸二氢铝的添加量，以保证型壳的强度达到要求。在本发明已经确定了粉料比的基础上，磷酸二氢铝的质量为粘结剂质量的0.6-1.2％时最为适中。磷酸二氢铝的量过高会使涂料结块，无法搅动，更无法使用；而磷酸二氢铝的量过低又不能起到增强型壳强度的作用。在本发明的加固层涂料中，粉液比更为优选为1.20-1.50∶1，磷酸二氢铝的质量优选为粘结剂质量的0.6-0.8％。由于磷酸二氢铝的加入会加速加固层涂料的凝固，涂料中磷酸二氢铝的使用量越高，其凝固的速度越快。故而磷酸二氢铝的加入量越高对加固层的生产工艺要求便较高。故从制作加固层的角度综合考虑，在实际应用中磷酸二氢铝的加入量为粘结剂的0.6-0.8％范围内更为适中，当粘结剂在0.6-0.8％范围内时，由于涂料中粉液比的提高也能增加加固层涂料的强度，故使用料液比在1.40-1.50∶1更为合适。

需要说明的是，在本发明的加固层涂料主要是针对使用价格便宜的水玻璃所提出的，但磷酸二氢铝的使用并不限于仅与水玻璃一种粘结剂的相配合，在本领域所熟知的加固层涂料中，根据所加入的粘结剂的性能、耐火材料的性能以及粉料比等加入适量的磷酸二氢铝都等达到增强型壳强度的作用。

在本发明中，可以使用的耐火材料包括但不限于铝矾土、铝矾土合成粉、熔融石英、高岭石类熟料、煤矸石、耐火粘土等，其中，优选为180-200目的铝矾土和铝矾土合成粉。这是因为铝矾土和铝矾土合成粉在自然界中蕴藏量大，廉价易得，且其耐火度高，线膨胀系数比较小，热震稳定性和高温下化学稳定性都比较好，使得所制型壳综合性能良好。

在本发明中，在加固层涂料中添加适量的溶剂，其目的是为了调节粘结剂的密度，使其保持在1.32-1.34之间。在本发明中，溶剂可选为自来水，其使用量通过本领域技术人员熟知的水玻璃比重调整系数表计算。

在本发明的一种典型实施方式中，如上加固层涂料的制备方法，包括如下步骤：

a)按配比称量各原料；b)将称量好的溶剂置于干净的容器中，将称量好的磷酸二氢铝融入到溶剂中，搅拌至溶解，得溶液A，备用；c)在搅拌前提下，将溶液A倒入到称量好的粘结剂中，搅拌均匀后，加入称量好的耐火材料，持续搅拌，至耐火材料与粘结剂充分混合，分散均匀，得混合物B；d)将所述混合物B进行静置回性，至无气泡产生为止。其中，步骤c)中，优选将溶液A在粘结剂搅拌至液面中心形成旋涡时倒入旋涡中心，如此可保证搅拌的均匀性。更为优选地，在步骤c)耐火材料加入时，调整搅拌叶片在溶液内的高度，以保证将耐火材料团块打碎，使之与粘结剂充分混合，分散均匀。步骤d)中优选静置回性0.3-1小时。静置回性时间太短不能达到将涂料中气泡完全排除的目的，静置回性时间太长会缩短涂料的使用时间。

在本发明中，如上制备方法的关键在于磷酸二氢铝需要先溶解，并且需要先于耐火材料加入到粘结剂中，否则磷酸二氢铝会与耐火材料发生反应，反应生成物会在搅拌过程中使得粘结剂快速胶凝，形成团块，无法形成涂料。

使用根据本发明熔模铸造加固层涂料制造型壳加固层的方法，包括如下步骤：

a)将模组(这里的“模组”是由若干个涂有表面层涂料的合格熔模串连在浇注工具上所构成。)浸入到根据本发明的涂料中，上、下移动和转动，将模组提起，滴除多余的涂料，使涂料均匀地涂覆在模组表面；b)对涂满涂料的模组进行撒砂，撒砂过程中砂土可使用为10-20目低品位铝矾土砂、石英砂。为降低成本，亦可采用8-30目的型壳回收砂；c)对经撒砂后的模组进行硬化，硬化过程中可以使用的硬化液包括氯化铵、氯化镁、氯化铝，使用氯化铝硬化液时，可使用浓度为30-35％，Al₂O₃含量为6-7％，PH值为2-2.5，温度为20-35℃含有0-0.1％JFC/OP-10(润湿剂)的氯化铝；d)对硬化后的型壳进行干燥，硬化与干燥工艺按本领域技术人员熟知的要求进行。e)对模组中各涂有表面层涂料的熔模的底壁以及侧壁靠近底壁的三分之一部分重复步骤a)、b)、c)和d)中的过程1次。该过程的目的是加强型壳底部的厚度，用以防止型壳底部因搬运、移动过程磨损导致型壳穿底跑火。f)重复步骤a)、b)、c)和d)中的过程1-3次；g)使用相同的涂料对完成步骤f)的模组进行封浆，封浆后静置干燥；f)对静置干燥后的模组进行融掉熔模，并对融掉熔模后的型壳在860-880℃条件下焙烧30-40分钟，焙烧完成后即完成加固层的制作。

在现有的熔模铸造中，根据铸件大小一般制壳5.5-7.5层(表面层2层，加固层3.5-5.5层)，而使用本发明所提供的加固层涂料，由于在加固层涂料中添加了磷酸二氢铝而增大了型壳的强度，故所制作的型壳层次一般在4.5-6.5层(表面层2层，加固层2.5-4.5层)即可满足型壳强度要求。

同时，熔模铸造型壳制成后至脱蜡、脱蜡至焙烧，一般要求进行静置固化(工艺老化)12-24h以增强型壳的强度，而采用本发明加固层涂料组合物所制的型壳，工艺老化时间为0-4h即可达到型壳所需的强度。

实施例1-5

按照表1中的配比制作根据本发明的实施例1-5的熔模铸造加固层的涂料，制备方法如下：

按表1中实施例1-5的配比计算好各原料的加入量，依次称取各原料，其中溶剂使用自来水即可，其使用量按照水玻璃比重调整系数表计算。先将称取好的自来水置于干净的水桶中，将称取好的结合剂磷酸二氢铝溶入自来水中，搅拌至完全溶解，备用。将称量好的水玻璃倒入搅拌池中，开启搅拌机，进行搅拌，搅拌至液面中心形成旋涡时，将溶解好的磷酸二氢铝的水溶液缓慢倒入旋涡中心；最后加入铝矾土，随铝矾土的加入，提高搅拌叶片在溶液中的高度，加入完全后持续搅拌5-15分钟；随后静置回性0.3-1.0h，排出粉粒表面吸附的和搅拌时卷入的空气，即得本发明提供的涂料。

表1.实施例1-5的原料配比

	实施例1	实施例2	实施例3	实施例4	实施例5
						水玻璃密度	1.33g/cm³	1.33g/cm³	1.33g/cm³	1.33g/cm³	1.33g/cm³
粉液比	1.2∶1	1.4∶1	1.4∶1.	1.45∶1	1.5∶1
						磷酸二氢铝	1.2％	1.0％	0.8％	0.8％	0.6％

表1中粉液比为铝矾土与水玻璃的重量比。

对比例1

按照表2中的配比制作对比例的熔模铸造加固层涂料，制备方法为不添加结合剂的常规工艺，粉液比为1.75∶1，制壳5层半。具体制备方法如下：先称取水玻璃加入涂料槽，开启搅拌机搅拌，按照水玻璃比重调整系数表计算和称取合适的自来水加入，再加入铝矾土粉，搅拌5-15分钟；随后静置回性0.3-1.0h，排出粉粒表面吸附的和搅拌时卷入的空气即可。

表2.对比例1的原料配比

工艺项目	工艺参数
		水玻璃比重	1.33g/cm³
粉液比	1.75∶1

表2中粉液比为铝矾土与水玻璃的重量比。

实验测试

分别使用根据本发明实施例1-5所制备的加固层涂料与对比例1所制备的加固层涂料制作型壳。

水玻璃型壳测试：

型壳中熔模材料选为低温石蜡-硬脂酸模料，表面层原料选为1.28g/cm³的水玻璃，270-320目石英粉，表面层及熔模采用本领域技术人员熟知的工艺制备。铸件选为单重约15.5kg的大平面铸件，组成1件/串的模组，单串重量约25.8kg。使用根据本发明实施例1-5所制备的加固层涂料以及对比例1所制备的加固层涂料对模组进行制壳，使用根据本发明实施例1-5所制备的加固层涂料时，设定加固层层数为3.5层，使用根据对比例1所制备的加固层涂料时，设定所形成的加固层层数为4.5层；每种加固层涂料分别对100串模组进行制壳。

根据本发明实施例1-5提供的加固层涂料制备型壳加固层的方法：将模组侵入到涂料组合物中，并进行上下移动和转动，将模组提起，滴除多余的涂料，使涂料均匀地覆盖在模组表面，对模组撒8～30目回收砂后，浸入到浓度为30-35％，Al₂O₃含量为6-7％，PH值为2-2.5，温度为20-35℃含有0-0.1％JFC/OP-10(润湿剂)的氯化铝硬化液中进行硬化，硬化20-40分钟后，进行干燥，干燥30-60分钟，即完成一层固定层的制作。重复上述步骤对型壳底部进行补底一次。再重复加固层的制作步骤2次，使用该涂料组合物进行封浆，封浆后置于型壳静置区干燥，干燥4h后进行脱蜡处理，脱蜡干燥4h后进行烧结，烧结温度设置为860-880℃，烧结30-40分钟，即得型壳。

对比例1制备加固层的方法：同实施例制备方法完全相同。使用根据本发明实施例1-5所制备的加固层涂料制成的型壳以及根据对比例1所制备的加固层涂料所制成的型壳，分别制作铸件。将型壳以及铸件质量的观察结果列入表3

表3.水玻璃型壳以及铸件的质量

表3中数据为通过在各组加固层涂料所制备的型壳中，抽取其中10％，对样品进行测试，所得结果的平均值，其所使用的测试方法与设备为本领域技术人员所熟知的方法和设备。其中高温强度为型壳在1050℃时的抗弯强度。

使用本发明所提供的加固层涂料所制作的型壳的强度明显要高于根据对比例所制作的型壳强度，从表3中可见，磷酸二氢铝的加入能够配合耐火材料增强型壳的强度。在磷酸二氢铝的添加量为0.6-1.2％范围内时，添加的结合剂量越大，型壳强度越高；其产品质量得到了有效保证，在耐火材料范围选择更广，大量质量稍差的耐火材料也可以得到应用。

硅溶胶-水玻璃型壳测试：

型壳中熔模材料选为低温石蜡-硬脂酸模料，表面层原料选为：30wt％硅溶胶、320目精制高铝粉，表面层及熔模采用本领域技术人员熟知的工艺制备。铸件选为单重约4kg的小铸件，组成5件/串的模组，单串重量约28kg。使用根据本发明实施例1-5所制备加固层涂料以及对比例1所制备的加固层涂料对模组进行加固层制壳，使用根据本发明实施例1-5所制备加固层涂料时，设定加固层的层数为2.5层，使用根据对比例1所制备的加固层涂料时，设定加固层的层数为3.5层，每种加固层涂料分别对1000串模组进行制壳。

制作工艺与水玻璃型壳测试中相同，所制备的型壳及铸件的质量观察结果列入表4

表4.硅溶胶-水玻璃复合型壳以及铸件的质量

本发明加固层涂料在硅溶胶-水玻璃复合型壳中应用，如表4中数据可见，根据本发明实施例1-5所制备的硅溶胶-水玻璃复合型壳明显高于对比例1所制备的常规复合型壳的强度，这对获得精确尺寸的铸件是有利的。其型壳层数较常规工艺减少了一层，不但降低了生产成本，更能减少铸件的气孔率，提升铸件品质。

需要指出的是，如表3和表4中可以看出，在加固层涂料中添加磷酸二氢铝，当其添加量为水玻璃质量的0.6-1.2％时，使用量越高其所制备的型壳的强度越高，但由于磷酸二氢铝的加入会加速加固层涂料的凝固，故而磷酸二氢铝的加入量越高对加固层的生产工艺要求便较高。故从制作加固层的角度综合考虑，在实际应用中磷酸二氢铝的加入量为粘结剂质量的0.6-0.8％范围内更为适中。

综上所述，使用本发明所提供的熔模铸造加固层涂料制作型壳时，能够有效地增强型壳的强度，在相同的强度要求下能够减少加固层的层数，提高型壳的透气性，减少制作中型壳的报废率，降低所制作的铸件的鼓胀率和炮火率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种熔模铸造用加固层涂料，包含粘结剂、耐火材料、磷酸二氢铝以及适量溶剂，所述粘结剂为密度在1.32-1.34之间的水玻璃；所述耐火材料与所述粘结剂的重量比为1.20-1.50∶1；所述磷酸二氢铝的重量为所述粘结剂重量的0.6-1.2％。

2.根据权利要求1所述的涂料，其中，所述耐火材料与所述粘结剂的重量比为1.40-1.50∶1；所述磷酸二氢铝的重量为所述粘结剂重量的0.6-0.8％。

3.根据权利要求1或2所述的涂料，其中，所述耐火材料为铝矾土、铝矾土合成粉、熔融石英、高岭石类熟料、煤矸石或者耐火粘土。

4.根据权利要求3所述的涂料，其中，所述耐火材料为过180-200目筛的铝矾土或铝矾土合成粉。

5.一种如权利要求1所述的加固层涂料的制备方法，其中，包括如下步骤：

a)按配比称量各原料；

b)将磷酸二氢铝融入到溶剂中，搅拌至溶解，得溶液A，备用；

c)在搅拌下将所述溶液A倒入到粘结剂中，搅拌均匀后，加入耐火材料，持续搅拌，至所述耐火材料与所述粘结剂充分混合，得混合物B；

d)将所述混合物B进行静置回性，至无气泡产生为止。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述步骤c)中所述溶液A在所述粘结剂搅拌至液面中心形成旋涡时倒入所述旋涡的中心处。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其中，所述步骤c)中所述耐火材料加入时，调高搅拌器在溶液内的高度，用以将耐火材料团块打碎，使之与粘结剂充分混合，分散均匀。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其中，所述步骤d)中静置回性时间为0.3-1小时。