CN103302232A

CN103302232A - 一种改性磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN103302232A
Application number: CN2013101643140A
Authority: CN
Inventors: 张友寿; 黄晋; 夏露; 李四年; 黄建波; 何丹
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2013-05-07
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: CN103302232B

Abstract

本发明公开了一种改性磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法与应用。改性磷酸盐铸造粘结剂按重量百分比，是由9~15%的氢氧化铝、60~65%的磷酸、1~5%的硼酸、1~3%硼砂、1~5%的柠檬酸、10~20%水和4~15%乙醇进行化学反应合成、配制而成。所制得的粘结剂化学稳定性好，抗吸湿性强，粘结强度高。该粘结剂适用于自硬化砂型的制造，具有粘结强度高、型砂可使用时间长、砂型性能稳定性好、砂型易溃散、旧砂能实现常温再生、铸件易清砂的特点，在铸造行业具有广阔的应用前景。

Description

一种改性磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及粘结剂，具体地指一种改性磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法与应用。

背景技术

传统磷酸盐铸造粘结剂具有环保优点，其溃散性达到有机树脂的水平,有代替有机树脂的可能，但由于还存在很多的问题，阻碍其应用。

例如，传统铝磷酸盐粘结剂的铝磷摩尔比在0.29~0.3之间，为了提高粘结剂的抗吸湿性，要求粘结剂具有较高的铝磷摩尔比，铝磷摩尔比要求大于＞0.32，但是会带来粘结剂的化学稳定性较差，固化反应速度太快以及型砂可使用时间短（＜5分钟）等问题。另据研究，粘结剂中水分较高时，即水的重量百分比为25~30%时，磷酸盐粘结剂自硬砂型的存放稳定性差，即制好的砂型或砂芯在存放过程中存在变脆现象等，其粘结强度也不如有机粘结剂。因此，传统磷酸盐铸造粘结剂在应用上难以推广。

如果能解决这些问题，在铸造生产中应用磷酸盐粘结剂代替有机粘结剂，如桐油，合脂油，有机树脂等，可以解决因有机树脂燃烧产生二恶英，大气污染严重，人们的健康受到严重影响等问题，这将会创造巨大的经济效益与社会效益。因而，对磷酸盐铸造粘结剂进行改性以解决上述问题具有重要理论与现实意义。

发明内容

本发明的目的是针对传统磷酸盐粘结剂所存在的不足，提供一种化学稳定性好、自硬砂抗吸湿性强、砂型存放稳定性好、粘结强度高、且无毒的改性磷酸盐铸造粘结剂及其制备方法，并应用于制备铸造用型砂。

本发明的改性磷酸盐铸造粘结剂，各组分及其重量百分比如下：

氢氧化铝 9~15%，磷酸 60~65%，

硼酸 1~5%，硼砂 1~3%，

柠檬酸 1~5%，乙醇 4~15%，

水 10~20%。

本发明中，所用的氢氧化铝的粒度为牙膏级。所用的磷酸为质量分数为85%的工业磷酸。所用的硼酸、硼砂、柠檬酸、乙醇均为工业级。

上述改性磷酸盐铸造粘结剂的制备方法，其具体步骤是：

（1）按所给配比称取各组分；首先加入磷酸，再按比例加入水，加热至沸腾，然后缓慢加入氢氧化铝，边加边搅拌，加完后，继续加热，直至获得均匀透明的溶液为止；

（2）将硼酸逐步缓慢加入上述溶液中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（3）将硼砂逐步缓慢加入上述溶液中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（4）将柠檬酸逐步缓慢加入上述溶液中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（5）待上述反应完毕，降至室温，再加乙醇，得到改性磷酸盐铸造粘结剂。

本发明在制备改性磷酸盐铸造粘结剂中，上述硼酸、硼砂、柠檬酸的加入顺序可不分先后，但为防止反应过快，不宜同时加。

上述配比合成的改性磷酸盐铸造粘结剂存放稳定性好，存放1年以上依旧保持清澈透明，不析出结晶物。

将本发明合成的改性磷酸盐铸造粘结剂应用于制备铸造用型砂的步骤如下：

（1）称取石英砂，再取占石英砂重量2~5%的改性磷酸盐铸造粘结剂，取占改性磷酸盐铸造粘结剂重量10~30%的固化剂；

（2）先加入石英砂，再加入粘结剂混碾2~5分钟；

（3）再加入固化剂混碾20~50秒，即得到铸造用型砂；

在制备铸造用型砂时，所用的石英砂为20~100目。所用的固化剂为600~1000目的重量百分比为70%的电熔镁砂粉与重量百分比为30%的氧化铁粉的复合固化剂。

本发明改性磷酸盐铸造粘结剂的组成中：铝磷摩尔比可达0.32以上，硼酸能显著提高粘结剂的粘结强度，将柠檬酸直接与粘结剂合成在一起，能延长型砂的可使用时间及提高自硬砂的强度，硼砂可提高粘结剂的化学稳定性，使粘结剂长期保持为透明状态，防止粘结剂出现结晶和沉淀现象，适量乙醇可减少粘结剂中的水分，改善砂型的存放稳定性，减少硬化的砂型脆化现象，并在混砂过程中靠其挥发特性带走部分反应热，提高型砂可使用时间。

本发明粘结剂强度提高的原因有以下几点：一是粘结剂的中和度较高，即粘结剂中铝磷摩尔比较高，二是凡是具有降低反应速度的因素都有提高砂型强度，柠檬酸，乙醇等都具有降低反应速度的作用。

这些组分的合理配比使所合成的改性磷酸盐铸造粘结剂的铝磷摩尔比高、化学稳定性好、自硬砂抗吸湿性强、砂型存放稳定性好、粘结强度高、且无毒，不会燃烧产生二恶英等有毒气体，不会污染环境，不会对人们的身心健康受到影响。

本发明通过两个方法来延长型砂可使用时间：一是粘结剂中柠檬酸具有降低反应速度的作用，二是粘结剂中的乙醇蒸发能带走型砂的热量，因而具有降低反应速度，延长可使用时间的作用，型砂可使用时间可达20分钟以上。

研究表明，磷酸盐粘结剂自硬砂具有吸潮性，增加固化剂的量可降低这一倾向，但会缩短型砂的可使用时间，由于合成的改性磷酸盐铸造粘结剂中具有柠檬酸及乙醇，具有延长可使用时间的作用，因此可以抵消增加固化剂的影响。研究还发现，减少改性磷酸盐铸造粘结剂中水的用量，可以降低砂型在存放过程中的变脆现象，但粘结剂粘度将变得太大，不利于混砂中粘结剂的分散，故粘结剂中加入乙醇，不仅可以降低水的影响，同时不会增加粘结剂的粘度。经实验证明，本发明的型砂在粘结剂加入量2%时，自硬砂抗拉强度可达1Mp，砂型较少出现存放强度下降现象。

本发明与现有技术比，具有下列优点：

（1）粘结剂化学稳定性好，抗吸湿性强，粘结强度高；

（2）型砂可使用时间长，自硬砂强度高，不出现脆化现象；

（3）硬化的砂型或砂芯稳定性好，能长期存放，不吸湿，不变脆；

（4）由于硬化产物不吸湿变潮，旧砂表面的粘结膜呈脆性状态，通过机械摩擦较易脱去，旧砂能实现常温再生，再生效果好，克服了传统磷酸盐砂吸湿后需要加热再生的问题。

附图说明

图1为再生前旧砂表面的结构示意图。

图2为再生后旧砂表面的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

本发明中技术术语：

型砂，在铸造中用来造型的材料。

砂型，用型砂制成的铸型。

旧砂，使铸件和型砂、砂箱分开后尚未处理的型砂。

实施例1

改性磷酸盐铸造粘结剂的各组分及其重量百分比：

粒度为牙膏级的氢氧化铝 13%，

质量分数为85%的工业磷酸 63%，

硼酸 1.5%，硼砂1%，

柠檬酸 1.8%，乙醇4.7%，

水 15%。

上述改性磷酸盐铸造粘结剂的合成是在带有冷凝管的反应釜内进行的，可以避免因水分蒸发造成粘结剂的浓度的变化，按下列步骤合成改性磷酸盐铸造粘结剂200克：

（1）首先将质量分数为85%的工业磷酸126克加入反应釜内，再加水30克，加热至沸腾，然后缓慢加入粒度为牙膏级的氢氧化铝26克，边加边搅拌，加完后，继续加热，直至获得均匀透明的溶液为止；

（2）将硼酸3克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（3）将硼砂2克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（4）将柠檬酸3.6克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（5）待上述反应完毕，降至室温，再加乙醇9.4克，即可得到改性磷酸盐铸造粘结剂。所得的粘结剂存放超过1年也不变质。

使用上述合成的改性磷酸盐铸造粘结剂制备铸造用型砂的步骤：

（1）称取40/70目石英砂2000克，取40克合成的改性磷酸盐铸造粘结剂，8克800目的重量百分比为70%的电熔镁砂粉与重量百分比为30%的氧化铁粉的复合固化剂。

（2）先将石英砂加入混砂机中，开动混砂机，再加入合成的改性磷酸盐铸造粘结剂混碾5分钟；

（3）再加入复合固化剂混碾35秒，得到铸造用型砂。

准备“8”字试样模型，使用上述型砂造型，测试型砂的可使用时间，硬化24小时后测试其抗拉强度。型砂可使用时间10分钟，随机选取5个试样，测试其抗拉强度如下：0.5MPa，0.43 MPa，0.45 MPa，0.33MPa，0.38MPa。

使用上述型砂造一个直径50mm×100mm圆柱砂芯，浇注一空心铝合金圆柱体，冷却后，易于清砂，整个生产过程无异味，无烟雾。

实施例2

改性磷酸盐铸造粘结剂的各组分及其重量百分比：

粒度为牙膏级的氢氧化铝 12%，

质量分数为85%的工业磷酸 62%，

硼酸 2.4%，硼砂2%，

柠檬酸 2.4%，乙醇3.2%，

水 16%。

（1）首先将质量分数为85%的工业磷酸124克加入反应釜内，加水32克，加热至沸腾，然后缓慢加入粒度为牙膏级的氢氧化铝24克，边加边搅拌，加完后，继续加热，直至获得均匀透明的溶液为止；

（2）将硼砂4克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（3）将硼酸4.8克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（4）将柠檬酸4.8克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（5）待上述反应完毕，降至室温，再加乙醇6.4克，即可得到改性磷酸盐铸造粘结剂。所得的粘结剂存放超过1年也不变质。

（1）称取40/70目石英砂2000克，取60克合成的改性磷酸盐铸造粘结剂，15克800目的重量百分比为70%的电熔镁砂粉与重量百分比为30%的氧化铁粉的复合固化剂。

（2）先将石英砂加入混砂机中，开动混砂机，再加入合成的改性磷酸盐铸造粘结剂混碾3分钟；

（3）再加入复合固化剂混碾40秒，得到铸造用型砂。

准备“8”字试样模型，使用上述型砂造型，测试型砂的可使用时间，硬化24小时后测试其抗拉强度。型砂可使用时间13分钟，随机选取5个试样，测试其抗拉强度如下：0.59MPa，0.6 MPa，0.58 MPa，0.61MPa，0.68MPa。

使用上述型砂造一个直径50mm×100mm圆柱砂芯，浇注一空心铸铁圆柱体，冷却后，易于清砂，整个生产过程无异味，无烟雾。

实施例3

改性磷酸盐铸造粘结剂的各组分及其重量百分比：

粒度为牙膏级的氢氧化铝 11%，

质量分数为85%的工业磷酸 61%，

硼酸 3.2%，硼砂3%，

柠檬酸 2.8%，乙醇4%，

水 15%。

（1）首先将质量分数为85%的工业磷酸122克加入反应釜内，加水30克，加热至沸腾，然后缓慢加入粒度为牙膏级的氢氧化铝22克，边加边搅拌，加完后，继续加热，直至获得均匀透明的溶液为止；

（2）将柠檬酸5.6克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（3）将硼酸6.4克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（4）将硼砂6克逐步缓慢加入上述反应釜中，加热并搅拌直至获得透明溶液为止；

（5）待上述反应完毕，降至室温，再加乙醇8克，即可得到改性磷酸盐铸造粘结剂。所得的粘结剂存放超过1年也不变质。

（1）称取40/70目石英砂2000克，取80克合成的改性磷酸盐铸造粘结剂，8克800目的重量百分比为70%的电熔镁砂粉与重量百分比为30%的氧化铁粉的复合固化剂。

（2）先将石英砂加入混砂机中，开动混砂机，再加入合成的改性磷酸盐铸造粘结剂混碾2分钟；

（3）再加入复合固化剂混碾25秒，得到铸造用型砂。

准备“8”字试样模型，使用上述型砂造型，测试型砂的可使用时间，硬化24小时后测试其抗拉强度。型砂可使用时间25分钟，随机选取5个试样，测试其抗拉强度如下：0.69MPa，0.8 MPa，0.9 MPa，0.79MPa，1.1MPa。

使用上述型砂造一个直径50mm×100mm圆柱砂芯，浇注一空心铸钢圆柱体，冷却后，易于清砂，整个生产过程无异味，无烟雾。

使铸件和型砂、砂箱分开后尚未处理的所得的旧砂常温再生：图1为再生前型砂表面结构图，旧砂表面的粘结膜呈脆性状态；图2为再生后型砂表面结构图，通过砂粒表面摩擦再生的粘结膜对比，可见粘结膜脱除较彻底。因而，旧砂通过机械摩擦较易脱去，能实现常温再生，再生效果好。

Claims

1.一种改性磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于，各组分及其重量百分比如下：

氢氧化铝 9~15%，磷酸 60~65%，

硼酸 1~5%，硼砂 1~3%，

柠檬酸 1~5%，乙醇 4~15%，

水 10~20%。

2.根据权利要求1所述的改性磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：所述氢氧化铝的粒度为牙膏级。

3.根据权利要求1所述的改性磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：所述磷酸为质量分数为85%的工业磷酸。

4.根据权利要求1所述的改性磷酸盐铸造粘结剂，其特征在于：所述硼酸、硼砂、柠檬酸、乙醇均为工业级。

5.根据权利要求1所述的改性磷酸盐铸造粘结剂的制备方法，其特征在于，具体步骤是：

（5）待上述反应完毕，降至室温，再加乙醇，得到改性磷酸盐铸造粘结剂；

所述步骤（2）、（3）、（4）中的硼酸、硼砂、柠檬酸的加入顺序可不分先后。

6.根据权利要求1所述的改性磷酸盐铸造粘结剂的应用，其特征在于：所述改性磷酸盐铸造粘结剂应用于制备铸造用型砂时，

（2）先加入石英砂混砂，再加入粘结剂混碾2~5分钟；

（3）再加入固化剂混碾20~50秒，得到铸造用型砂。

7.根据权利要求6所述的改性磷酸盐铸造粘结剂的应用，其特征在于：所述石英砂为20~100目。

8.根据权利要求6所述的改性磷酸盐铸造粘结剂的应用，其特征在于：所述固化剂为600~1000目的重量百分比为70%的电熔镁砂粉与重量百分比为30%的氧化铁粉的复合固化剂。