CN104942219B - 一种适合于水玻璃精密铸造型壳的硬化剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于水玻璃精密铸造型壳的硬化剂及其制备方法，该硬化剂由如下以质量份数计的氯化钠、碳酸钙、盐酸及水组成，其中：氯化钠：15～25份，碳酸钙：5～12份，盐酸：1～3份，水：70～80份。本发明所用的硬化剂为工业氯化钠、碳酸钙及盐酸，原材料成本低；同时，水玻璃精密铸造型壳过程中仅生成二氧化碳，无污染；型壳硬化周期短；且所制型壳浇注的铸件易清理，表面质量好。本发明具有配制方法简单、成本低、无污染气体排放、硬化周期短的优点，该硬化剂的配方能替代目前水玻璃型壳硬化过程中价格昂贵的有机酯、型壳浇注铸件后清砂难的氯化铝、及硬化过程中产生大量氨气影响工人身体健康、造成环境污染、腐蚀机器设备的氯化铵。

Description

一种适合于水玻璃精密铸造型壳的硬化剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及精密铸造领域，尤其是涉及一种大型复杂铸件的适合于水玻璃精密铸造型壳的硬化剂及其制备方法。

背景技术

在国内精密铸造行业中，水玻璃型壳的精铸工艺有着非常重要的地位。直到今天，以水玻璃作为粘结剂的熔模铸造工艺在国内的使用仍然非常广泛。国内水玻璃型壳的精铸工艺获得广泛应用有以下几个主要原因：（1）与另外两种常用的粘结剂硅溶胶和硅酸乙酯水解液比较，水玻璃型壳工艺采用的是湿法型壳，化学硬化法可以使型壳迅速的硬化进而建立湿强度，生产周期较短，生产效率较高。（2）水玻璃具有较稳定的性能，耐火粉料对其涂料的化学稳定性产生的影响很小，相对于其他粘结剂，水玻璃对生产现场的温度、湿度的要求不大，故其的生产控制更为简单。（3）水玻璃价格较低，既可以使生产成本降低，又能保证质量；对环境保护要求较低，适合大批量的生产。

水玻璃作为粘结剂在铸造行业中被广泛应用，国内外对其硬化剂进行了广泛研究。传统的水玻璃硬化剂种类较多，如有机酯、氯化铝、氯化铵等，各有劣势。其中，有机酯作为硬化剂硬化的水玻璃型壳具有较高的强度和较好的溃散性，是一种比较好的硬化剂，但其价格较高。氯化铝是比较常用的硬化剂，但其在生产应用中还存在三个主要问题：一是由于其渗透硬化能力低导致的硬化速度较慢，硬化时间较长；二是其硬化型壳表面存在的缺陷较多，铸件的表面光洁度较差；三是由于其硬化型壳的残留强度高和溃散性差，导致铸件清砂难。氯化铵也是被广泛使用的硬化剂，在梅雨、阴寒的季节时掌握和控制其干燥的程度较为困难，严重影响铸件品质，特别是氯化铵溶液产生的氨气腐蚀机器设备、造成环境污染，损害工人的身体健康，现我国的环保部门已禁止企业使用。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种适合于水玻璃精密铸造型壳的硬化剂，该硬化剂的配方能替代目前水玻璃型壳硬化过程中价格昂贵的有机酯、型壳浇注铸件后清砂难的氯化铝、及硬化过程中产生大量氨气影响工人身体健康、造成环境污染、腐蚀机器设备的氯化铵，它具有成本低、无污染气体排放的优点，所制型壳浇注的铸件强度高、易清理，表面质量好。

本发明的第二个目的在于提供一种配制方法简单、硬化周期短、成本低、无污染的适合于水玻璃精密铸造型壳的制备方法。

本发明的第一个目的是这样实现的：

一种适合于水玻璃精密铸造型壳的硬化剂，特征是：由如下以质量份数计的氯化钠、碳酸钙、盐酸及水组成，其中：

氯化钠：15～25份，碳酸钙：5～12份，盐酸：1～3份，水：70～80份。

氯化钠为工业用氯化钠（NaCl ≥95），碳酸钙为工业用碳酸钙，盐酸为浓度36份的盐酸，水为工业用水。

一种适合于水玻璃精密铸造型壳的制备方法，特征是：具体步骤如下：

A、首先取质量份数为70～80份的水放入硬化池中，在水中再加入质量份数为15～25份的氯化钠，让氯化钠充分溶解，得到氯化钠溶液；

B、在氯化钠溶液中加入质量份数为5～12份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；

C、在浑浊液中再慢慢注入质量份数为1～3份的盐酸，并进行充分搅拌；

D、最后将水玻璃精密铸件型壳放到硬化池中硬化3-5分钟，取出即完成制壳过程。

本发明的硬化剂是在近饱和的氯化钠水溶液中加入过量的碳酸钙，再加入盐酸后，碳酸钙与盐酸中的H⁺发生化学反应，该反应消耗了溶胶中的H⁺，并释放出CO₂气体。水玻璃与CO₂发生反应生成硅酸，此硅酸以胶体的形式存在的，可逆反应离解成H₂SiO₄ ^2-和H₃SiO₄ ⁻。近饱和的氯化钠水溶液作为强电解质溶液，中和硅酸胶粒的电荷，加快其胶粒的热运动以增加胶粒的结合机会，促使硅酸胶体聚集的现象，发生聚沉，从而形成硅酸凝胶，最后硅酸凝胶失去结合水生成SiO₂，型壳得以固化。

实验表明，过量的碳酸钙最终会少量吸附在硬化后型壳表面，这是由于碳酸钙有强大附着力，吸附在硅酸凝胶表面，能使固化后型壳表面光滑，紧致，

无微粉粒脱落。

本发明所用的硬化剂为工业氯化钠、碳酸钙及盐酸，原材料成本低；同时，水玻璃精密铸造型壳过程中仅生成二氧化碳，无污染；型壳硬化周期短；且所制型壳浇注的铸件易清理，表面质量好。

因此，本发明具有配制方法简单、成本低、无污染气体排放、硬化周期短的优点，所制型壳浇注的铸件强度高、易清理，表面质量好，该硬化剂的配方能替代目前水玻璃型壳硬化过程中价格昂贵的有机酯、型壳浇注铸件后清砂难的氯化铝、及硬化过程中产生大量氨气影响工人身体健康、造成环境污染、腐蚀机器设备的氯化铵。

本发明在盐酸酸性条件下的氯化钠-碳酸钙型壳硬化的化学反应如下：

CaCO₃ ⁺ 2H⁺ = Ca²⁺ + H₂O + CO₂↑ （1）

Na₂O.mSiO₂.n H₂O + CO₂= Na₂CO₃+ mSi(OH)₄+nH₂O （2）

Si(OH)₄⇌H₄SiO₄⇌H₂SiO₄ ^2- +2 H⁺⇌H₃SiO⁴⁻ + H⁺ （3）

H₄SiO₄= SiO₂ +2 H₂O （4）

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述，需要说明的是硬化的时间可根据不同的工艺而设定。

实施例1：

先取70份的水放入硬化池中，在水中加入25份的氯化钠，让氯化钠充分溶解；再加入5份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；接着再慢慢注入2份的盐酸，，并进行充分搅拌；这时碳酸钙与盐酸中的H⁺发生化学反应，并释放出CO₂气体。最后将铸件型壳放到硬化池中硬化3分钟，完成型壳。硬化时，型壳中的水玻璃与CO₂发生反应生成硅酸，此硅酸是以胶体的形式存在的，可逆离解成H₂SiO₄ ^2-和 H₃SiO₄ ⁻。氯化钠水溶液作为电解质溶液，中和硅酸胶粒的电荷，促使硅酸胶体聚集的现象，发生聚沉，从而形成硅酸凝胶，硬化后型壳取出干燥，硅酸凝胶失去结合水生成SiO₂，型壳得以固化。

实施例2：

先取75份的水放入硬化池，在水中加入20份的氯化钠，让氯化钠充分溶解；再加10份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；接着再慢慢注入3份的盐酸，并进行充分搅拌；这时碳酸钙与盐酸中的H⁺发生化学反应，并释放出CO₂气体。最后将铸件型壳放到硬化池5分钟硬化，完成型壳。硬化时，型壳中水玻璃与CO₂发生反应生成硅酸，此硅酸是以胶体的形式存在的，可逆离解成H₂SiO₄ ^2-和 H₃SiO₄ ⁻。氯化钠水溶液作为电解质溶液，中和硅酸胶粒的电荷，促使硅酸胶体聚集的现象，发生聚沉，从而形成硅酸凝胶，硬化后型壳取出干燥，硅酸凝胶失去结合水生成SiO₂，型壳得以固化。

实施例3：

先取73份的水放入硬化池，在水中加入15份的氯化钠，让氯化钠充分溶解；再加入12份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；接着再慢慢注入3份的盐酸，并进行充分搅拌；这时碳酸钙与盐酸中的H⁺发生化学反应，并释放出CO₂气体。最后将铸件型壳放到硬化池5分钟硬化，完成型壳。硬化时，型壳中水玻璃与CO₂发生反应生成硅酸，此硅酸是以胶体的形式存在的，可逆离解成H₂SiO₄ ^2-和 H₃SiO₄ ⁻。氯化钠水溶液作为电解质溶液，中和硅酸胶粒的电荷，促使硅酸胶体聚集的现象，发生聚沉，从而形成硅酸凝胶，硬化后型壳取出干燥，硅酸凝胶失去结合水生成SiO₂，型壳得以固化。

实施例4：

先取77份的水放入硬化池，在水中加入18份的氯化钠，让氯化钠充分溶解；再加入8份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；接着再慢慢注入2份的盐酸，并进行充分搅拌；这时碳酸钙与盐酸中的H⁺发生化学反应，并释放出CO₂气体。最后将铸件型壳放到硬化池4分钟硬化，完成型壳。硬化时，型壳中水玻璃与CO₂发生反应生成硅酸，此硅酸是以胶体的形式存在的，可逆离解成H₂SiO₄ ^2-和 H₃SiO₄ ⁻。氯化钠水溶液作为电解质溶液，中和硅酸胶粒的电荷，促使硅酸胶体聚集的现象，发生聚沉，从而形成硅酸凝胶，硬化后型壳取出干燥，硅酸凝胶失去结合水生成SiO₂，型壳得以固化。

实施例5：

先取80份的水放入硬化池，在水中加入22份的氯化钠，让氯化钠充分溶解；再加入5份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；接着再慢慢注入1份的盐酸，并进行充分搅拌；这时碳酸钙与盐酸中的H⁺发生化学反应，并释放出CO₂气体。最后将铸件型壳放到硬化池5分钟硬化，完成型壳。硬化时，型壳中水玻璃与CO₂发生反应生成硅酸，此硅酸是以胶体的形式存在的，可逆离解成H₂SiO₄ ^2-和 H₃SiO₄ ⁻。氯化钠水溶液作为电解质溶液，中和硅酸胶粒的电荷，促使硅酸胶体聚集的现象，发生聚沉，从而形成硅酸凝胶，硬化后型壳取出干燥，硅酸凝胶失去结合水生成SiO₂，型壳得以固化。

Claims (1)

1.一种适合于水玻璃精密铸造型壳的制备方法，其特征在于：

A、首先取质量份数为70～80份的水放入硬化池中，在水中再加入质量份数为15～25份的氯化钠，让氯化钠充分溶解，得到氯化钠溶液；

B、在氯化钠溶液中加入质量份数为5～12份的碳酸钙，碳酸钙微溶于水，搅拌形成浑浊液；

C、在浑浊液中再慢慢注入质量份数为1～3份的盐酸，并进行充分搅拌；

D、最后将水玻璃精密铸件型壳放到硬化池中硬化3-5分钟，取出即完成制壳过程。