CN104338893A - 一种具有高流动性的水玻璃砂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种具有高流动性的水玻璃砂及其制备方法，其特征在于：所用水玻璃的模数为2.2～2.8，制备水玻璃时在水玻璃中加入1%～10%（wt%）的碱金属无机物以及5%～15%（wt%）的非晶态磷酸盐。本发明通过对水玻璃的改性和混砂时流动性促进剂的加入提高水玻璃砂的流动性，从而解决了水玻璃砂流动性差的问题，对水玻璃砂的应用及绿色铸造的发展具有极大的意义。

Description

一种具有高流动性的水玻璃砂及其制备方法
技术领域
本发明属于铸造领域，特别提供一种具有高流动性的水玻璃砂及其制备方法。
背景技术
我国发展的“十二五”规划，将节能减排、绿色制造和循环经济作为社会和经济发展的重点。铸造行业作为中国制造业的重要组成部分，在快速发展的同时也产生了极大的能源和环境问题。面向21世纪的铸造技术将朝着绿色铸造工艺方法和材料装备的方向发展。
在铸造生产中砂型铸造是铸造工艺的主要方法，占整个铸件生产的80%～90%，在砂型铸造涉及的诸多粘结剂中，水玻璃砂作为无机粘结剂使水玻璃砂成为最有可能实现绿色铸造生产要求的铸造工艺方法。但水玻璃砂也同样存在着很多问题，例如在生产过程中水玻璃砂强度较低，水玻璃加入量大，水玻璃砂流动性差等。
近年来随着各国对环境污染的控制越来越严格，使水玻璃的各项研究进入了新的阶段，例如在专利DE2856267A1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DE102007045649A1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，但是水玻璃砂的流动性差的问题仍然是其在铸造行业中发展的瓶颈。水玻璃砂流动性差导致造型过程中水玻璃砂紧实度不够，这不但增加了工人的劳动强度，降低铸件的表面质量甚至内部质量，而且使水玻璃砂生产铸件的生产效率极低。尤其在水玻璃砂热芯盒的生产应用中，由于流动性差导致水玻璃砂在射芯时充型不充分，使砂型紧实度不够而降低了型砂的强度，这不但影响砂型的脱模、运输、组型，而且直接导致铸造缺陷的产生，严重降低了铸件的质量和生产效率。
水玻璃砂流动性差的原因是多方面的，水玻璃自身的表面张力比较大，使水玻璃与硅砂间的润湿性较差，而且铸造用水玻璃的粘度普遍偏大，使混制后的水玻璃砂粘度很大，导致附着水玻璃的砂粒间的运动阻力非常大，导致水玻璃砂的流动性较差。
发明内容
针对水玻璃的特性及在铸造中应用的特点，本发明通过对水玻璃的改性和混砂时流动性促进剂的加入提高水玻璃砂的流动性，从而解决了水玻璃砂流动性差的问题，对水玻璃砂的应用及绿色铸造的发展具有极大的意义。
本发明通过两个阶段对水玻璃的控制实现其流动性的改进，第一个阶段是在水玻璃的制备过程中，通过改性剂的加入降低水玻璃的粘度，用以提高水玻璃对硅砂的润湿能力；第二个阶段是在混砂过程中，通过流动性促进剂（即有机流动剂）的加入，降低水玻璃的表面张力，并减少水玻璃砂粒的运动阻力，从而实现提高水玻璃砂流动性的目的。
本发明具体提供了一种具有高流动性的水玻璃砂，其特征在于：所用水玻璃的模数为2.2～2.8，制备水玻璃时在水玻璃中加入碱金属无机物以及非晶态磷酸盐，其中各成分的重量比为水玻璃：碱金属无机物：非晶态磷酸盐=100：1～10：5～15。
本发明所述具有高流动性的水玻璃砂，其特征在于：所述碱金属无机物优选为硅酸钾、磷酸钠、磷酸一氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸一氢钾、磷酸二氢钾、偏磷酸钠、偏磷酸钾、硼酸钠、硼酸钾、偏铝酸钠之一种或多种。
本发明还提供了所述具有高流动性水玻璃砂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）、水玻璃改性：将模数为2.2～2.8的水玻璃加热到60℃～80℃，保温10～30min，加入碱金属无机物和非晶态磷酸盐，按1～5℃/min的升温速度加热到90～120℃，保温30～90min，冷却至室温；
2）、水玻璃砂混砂：石英砂中加入水玻璃，混制1～3min，再加入有机流动剂，继续混制1～3min，制得具有高流动性的水玻璃砂；所述有机流动剂为阳离子表面活性剂，各成分的重量比为石英砂：水玻璃：有机流动剂=100：2.5～3.5：2～4。
其中，所述有机流动剂为聚丙烯酰胺表面活性剂和有机硅表面活性剂的一种或混合物。所述聚丙烯酰胺表面活性剂优选为醇醚磷酸酯、月桂醇醚磷酸酯钾和月桂酰胺丙基氧化胺的一种或混合物。
表1是改性前后水玻璃及水玻璃砂各项性能参数的对比，其中普通水玻璃砂中水玻璃的加入量为7%，改性水玻璃砂中水玻璃加入量为3%。表中流动性的测量是通过侧孔质量法（测量方法参照《铸造手册》第四卷）测得。
表1水玻璃改性前后各参数的对比
普通呋喃树脂砂用该种流动性测量方法测得的流动性为3.9g，经改性并加入固体颗粒的水玻璃砂已经与呋喃树脂砂的流动性相接近。
具体实施方式
注：实施例中的型砂强度是按照GB/T2684-2009标准要求的方法测得，型砂流动性的测量方法是参照《铸造手册》第四卷中方法测得
实施例1
水玻璃改性：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，加入偏磷酸钠60g，非晶态磷酸盐100g，以3℃/min的速度加热到90℃，保温30min，冷却至室温。
混砂：硅砂1000g，加入改性水玻璃25g，混砂1min，加入有机硅表面活性剂20g，混砂1min，三锤法制取抗压试样。
性能测试：
试样1h抗压强度：3.0Mpa
试样流动性：3.5g
实施例2
水玻璃改性：水玻璃1000g，水玻璃模数2.4，置于三孔瓶中加热，加热到60℃，保温10min，加入偏铝酸钠70g，非晶态磷酸盐120g，继续以5℃/min的速度加热到100℃，保温30min，冷却至室温。
混砂：硅砂1000g，加入改性水玻璃25g，混砂1min，加入月桂醇醚磷酸酯钾40g，混砂1min，三锤法制取抗压试样。
性能测试：
试样1h抗压强度：3.2Mpa
试样流动性：3.7g
实施例3
水玻璃改性：水玻璃1000g，水玻璃模数2.6，置于三孔瓶中加热，加热到60℃，保温10min，加入硼酸钠、磷酸二氢钾（质量比为1:1.5）80g，非晶态磷酸盐100g，继续以1℃/min的速度加热到90℃，保温30min，冷却至室温。
混砂：硅砂1000g，加入改性水玻璃30g，混砂1min，加入月桂酰胺丙基氧化胺、有机硅（质量比为1:2）30g，混砂1min，三锤法制取抗压试样。
性能测试：
试样1h抗压强度：3.6Mpa
试样流动性：3.6g
实施例4
水玻璃改性：水玻璃1000g，水玻璃模数2.8，置于三孔瓶中加热，加热到60℃，保温10min，加入硼酸钾75g，非晶态磷酸盐100g，继续以2.5℃/min的速度加热到90℃，保温30min，冷却至室温。
混砂：硅砂1000g，加入改性水玻璃35g，混砂1min，加入醇醚磷酸酯、月桂酰胺丙基氧化胺（质量比为1:1.5）25g，混砂1min，三锤法制取抗压试样。
性能测试：
试样1h抗压强度：3.9Mpa
试样流动性：3.65g
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。

Claims (5)

1.一种具有高流动性的水玻璃砂，其特征在于：所用水玻璃的模数为2.2～2.8，制备水玻璃时在水玻璃中加入碱金属无机物以及非晶态磷酸盐，其中各成分的重量比为水玻璃：碱金属无机物：非晶态磷酸盐=100：1～10：5～15。
2.按照权利要求1所述具有高流动性的水玻璃砂，其特征在于：所述碱金属无机物为硅酸钾、磷酸钠、磷酸一氢钠、磷酸二氢钠、磷酸钾、磷酸一氢钾、磷酸二氢钾、偏磷酸钠、偏磷酸钾、硼酸钠、硼酸钾、偏铝酸钠之一种或多种。
3.一种按照权利要求1所述具有高流动性水玻璃砂的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）、水玻璃改性：将模数为2.2～2.8的水玻璃加热到60℃～80℃，保温10～30min，加入碱金属无机物和非晶态磷酸盐，按1～5℃/min的升温速度加热到90～120℃，保温30～90min，冷却至室温；
2）、水玻璃砂混砂：石英砂中加入水玻璃，混制1～3min，再加入有机流动剂，继续混制1～3min，制得具有高流动性的水玻璃砂；所述有机流动剂为阳离子表面活性剂，各成分的重量比为石英砂：水玻璃：有机流动剂=100：2.5～3.5：2～4。
4.按照权利要求3所述具有高流动性水玻璃砂的制备方法，其特征在于：所述有机流动剂为聚丙烯酰胺表面活性剂和有机硅表面活性剂的一种或混合物。
5.按照权利要求4所述具有高流动性水玻璃砂的制备方法，其特征在于：所述聚丙烯酰胺表面活性剂为醇醚磷酸酯、月桂醇醚磷酸酯钾和月桂酰胺丙基氧化胺的一种或混合物。
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