CN105817569A - 耐高温铸造砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明在于提供一种耐高温铸造砂，包括以下重量份的组分，铝矾土100质量份；锆砂矿石20~30质量份；吸附填料10~20质量份；高温填料10~30质量份；聚硼硅氧烷5~20质量份，制备的耐高温铸造砂具有优异的耐高温性能，用于浇注温度为2000~2500℃的合金，收获良好的效果。本发明的又一目的在于提供一种耐高温铸造砂的制备方法，包括如下步骤：（1）填料预处理；（2）将（1）处理后的混合物和铝矾土共同放入球磨机中进行混料；（3）将（2）中的混合物置于成球机中，并添加适量水，在成球机中造粒成球，得到球状生坯；（4）将（3）中的球状生坯置于石墨坩埚中，经高温烧结冷却后得到耐高温铸造砂。

Description

耐高温铸造砂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种铸造用砂，更具体地说，它涉及一种耐高温铸造砂及其制备方法。

背景技术

铸造砂，是指在铸造生产中用来配制型砂和芯砂的一种造型材料。在铸造生产中，早期使用的多为天然含粘土的硅砂，具有较好的可塑性，适于当时手工生产的条件；进入工业化生产后，这种含硅的石英砂是应用最广、用量最大的铸造用砂，它的粒度等级广泛，能与各种铸造粘结剂结合，资源丰富，价格低廉。

但是这种天然硅砂性能的均一性差，型砂质量难以控制；而且热膨胀系数较大，尤其在573℃相变时所引起的突然膨胀，将使铸件产生夹砂、尺寸不符等缺陷；另外，石英砂容易与铁的氧化物发生化学反应，使铸件产生粘砂缺陷。因此，在采用砂型铸造生产大型钢铸件和合金钢铸件以及采用熔模铸造生产尺寸精度要求较高的黑色合金铸件时，经常采用非石英质铸造用砂。

目前，现有技术中申请公布号为CN104557062A的中国专利公开了一种尖晶石质铸造砂及其制备方法，包括铝矾土生料、工业氧化镁烧结制成，所制备的镁铝尖晶石质铸造砂具有耐高温、高强度、热膨胀率低、抗粘砂性能好、生产成本低以及环保的优点，是一种综合性能优良的铸造砂。

但是，在大型铸钢件领域，常常经历2000～2500℃的超高温，上述尖晶石质铸造砂以及现有技术的铸造砂均不能满足如此高温要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种能耐2000℃～2500℃高温的耐高温铸造砂。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种耐高温铸造砂，包括以下重量份的组分：

通过采用上述技术方案，以100质量份的铝矾土作为该铸造砂的基料；锆砂矿石耐火度高、密度大、蓄热系数大、抗金属渗透能力强、表面光洁且易与各种粘结剂结合，具有优异的耐高温性能；吸附填料能够将其他组分牢牢进行吸附，使该铸造砂的整体结构性较好；高温填料具有优异的耐高温性能，能够与锆砂矿石产生协同作用，使该铸造砂的耐高温性能更高；聚硼硅氧烷经高温碳化后具有胶黏剂的特性，能够牢固与其他组分粘结为一体，按照锆砂矿石100质量份、人造沸石20～30质量份、吸附填料10～20质量份、高温填料10～30质量份以及聚硼硅氧烷5～20质量份，制备的耐高温铸造砂具有优异的耐高温性能，主要用于配制大型铸钢件、合金钢件的面砂，或作为熔模铸造型壳面层涂料，用于浇注温度为2000～2500℃的合金，收获良好的效果。

本发明进一步设置为：所述铝矾土的粒径为50～100目。

通过采用上述技术方案，选用粒径范围在50～100目的铝矾土作为基料，粒径为50～100目的铝矾土砂粒较细腻，方便后续的混料，同时，与其他填料的吸附结合性比较好，所以粒径选用50～100目；而粒径小于50目的铝矾土，砂粒较大，与其他填料的接触面积变小，不利于与其他填料的混料；粒径大于100目的铝矾土，开发成本较高，获取困难。

本发明进一步设置为：所述锆砂矿石为氧化锆或者硅酸锆中至少一种。

通过采用上述技术方案，常压下氧化锆有三种形态，单斜氧化锆、四方氧化锆和立方氧化锆，三种晶型存在于不同的温度范围并可以相互转化，在2000～2500℃范围内发生立方晶型的转变，立方晶型的氧化锆具有优异的热稳定性；硅酸锆也是具有良好的化学稳定性和耐高温性能的锆砂矿石，耐高温性能不如氧化锆，但成本低廉。

本发明进一步设置为：所述锆砂矿石的粒径为100～500μm。

通过采用上述技术方案，选用粒径为100～500μm的锆砂矿石，比基料铝矾土的粒径小，在混料过程中，有利于从铝矾土的四周方向与铝矾土发生摩擦，所产生的摩擦力综合较大，则与铝矾土的相融结合性较好，结合力更高。

本发明进一步设置为：所述吸附填料为纳米石墨、碳纳米管或者活性炭中至少一种。

通过采用上述技术方案，纳米石墨、碳纳米管均具有优异的吸附性能，但成本很高；活性炭成本低廉，吸附效果优良，吸附填料在混料过程中，能够增加与其他组分填料的吸附结合性，能够增加与其它填料的结合力，使整体的结合性更好，结合成本和效果因素考虑，吸附填料相互结合使用性价比更优。

本发明进一步设置为：所述高温填料为碳纤维或者陶瓷纤维中至少一种。

通过采用上述技术方案，碳纤维是由片状石墨微晶沿纤维轴向方向堆砌而成，经碳化及石墨化处理而得，碳纤维具有优异的耐高温性以及耐腐蚀性能、较高的模量，在国防军工和民用方面都是重要的材料；陶瓷纤维具有优异的耐火、耐高温以及耐腐蚀性能，少量添加即可提高该铸造砂的耐高温性能和耐腐蚀性能。

本发明进一步设置为：所述碳纤维或者陶瓷纤维的长度为0.5～2mm。

通过采用上述技术方案，选用长度为0.5～2mm的碳纤维或者陶瓷纤维，0.5～2mm属于短切纤维范畴，特别是经过高温作用后，利用聚硼硅氧烷的胶黏特性，将碳纤维或者陶瓷纤维粘附，碳纤维或者陶瓷纤维穿入聚硼硅氧烷中，同时其他组分包覆在聚硼硅氧烷的周围并填充其他组分之间产生的空隙中，从而形成以纤维类材料为主轴，其他组分填料为包覆体，使结构整体性更强。

本发明进一步设置为：所述聚硼硅氧烷的粒径为500～1000nm。

通过采用上述技术方案，聚硼硅氧烷经历高温后发生碳化，碳化后具有优异的胶黏特性，选用粒径为500～1000nm的聚硼硅氧烷，和其他填料相比粒径较小，有利于填充其他填料之间产生的空隙内，增加了各组分之间的结合性；而粒径小于500nm的聚硼硅氧烷，则制备成本较高，粒径大于1000nm的聚硼硅氧烷颗粒较大，表明合成过程中发生结块现象，耐高温性能以及胶粘性能受到影响。

本发明进一步设置为：所述聚硼硅氧烷的粘度为2000～3000mpa·s。

通过采用上述技术方案，选用粘度为2000～3000mpa·s的聚硼硅氧烷，该粘度的聚硼硅氧烷胶黏特性适中，能较好地将其他组分进行粘附，而粘度大于3000mpa·s的聚硼硅氧烷则粘度过大，不利于与其他组分的胶粘，粘度小于2000mpa·s的聚硼硅氧烷则粘度太小，不能牢固地将其他组分进行粘附。

本发明的另一目的在于提供一种耐高温铸造砂的制备方法，包括如下步骤：

(1)预处理：将锆砂矿石、吸附填料、高温填料以及聚硼硅氧烷置于反应釜中在300℃下加热1～2h；

(2)将(1)处理后的混合物和铝矾土共同放入球磨机中进行混料，转速为70～80r/min；

(3)将(2)中的混合物置于成球机中，并添加适量水，在成球机中造粒成球，得到球状生坯并在120℃下干燥24h；

(4)将(3)中干燥后的球状生坯置于石墨坩埚中，经2000～2200℃高温烧结，冷却后过40～80目过滤筛，得到耐高温铸造砂。

通过采用上述技术方案，预处理是将锆砂矿石、吸附填料、高温填料的表面吸附的杂质去除，去除后的材料表面清洁度更高，与其他组分之间的结合力更强，同时300℃处理后的聚硼硅氧烷发生碳化表现出优异的胶黏特性，将预处理后的混合物与基体成分铝矾土进行球磨共混，然后将共混后的整体和适量水置于成球机中造粒成球，成球后的球状生坯置于石墨坩埚中高温烧结，从而制得耐高温铸造砂。

综上所述，本发明具有以下有益效果：1、耐高温性：以铝矾土为基料，添加耐高温填料以及锆砂矿石，可进一步提高铸造砂的耐高温性能，同时，吸附填料能较好地附着在其他组分上，并且纳米级的吸附填料能够填充进其他组分中，使该铸造砂的结构整体性更强，强度提高也有利于抵抗耐高温性；2、耐腐蚀性：高温填料中的纤维同时具有优异的耐化学腐蚀性能，能够用于具有腐蚀性材料的铸造领域中，适用性更广泛；3、包覆结构：纤维类填料插入到聚硼硅氧烷中，其他组分被粘附在聚硼硅氧烷周围，并将纤维类材料包覆在内部，其他组分之间由于粒径大小不一，粒径小的组分填充进粒径大的组分之间，增加保护结构整体的强度，同时进一步提高整体的耐高温性能；4、快速冷却：高温填料所使用的碳纤维同时具有优良的导热性，省去放置随形外冷铁或内冷铁情况下使浇注过程得到激冷的步骤，大幅度节约生产成本。

具体实施方式

以下结合实施方式对本发明作进一步详细说明。

制备方法：

(1)预处理：将锆砂矿石、吸附填料、高温填料以及聚硼硅氧烷置于反应釜中在300℃下加热1～2h；

(2)将(1)处理后的混合物和铝矾土共同放入球磨机中进行混料，转速为70～80r/min；

(3)将(2)中的混合物置于成球机中，并添加适量水，在成球机中造粒成球，得到球状生坯并在120℃下干燥24h；

(4)将(3)中干燥后的球状生坯置于石墨坩埚中，经2000～2200℃高温烧结，冷却后过40～80目过滤筛，得到耐高温铸造砂。

实施方式具体如下表所示：

检测方法：

(1)耐高温性：称取20g铸造砂放在石墨坩埚中，将石墨坩埚置于管式炉中，经2500℃高温烘烤1h，记录试样实验前后的质量差；

(2)粒度以及烧结强度：按照GB/T2684-2009测试标准测试；

耐高温性能的检测结果如下表所示：

	加热前(g)	加热后(g)	质量差(g)
				实施例一	20	19.86	0.14
实施例二	20	19.92	0.08
				实施例三	20	19.89	0.11
实施例四	20	19.88	0.12
				实施例五	20	19.86	0.14
实施例六	20	19.87	0.13
				实施例七	20	19.92	0.08
对比例一	20	15.84	4.16
				对比例二	20	16.25	3.75
对比例三	20	16.34	3.66

由上表可知，本专利制备的铸造砂经高温处理后，前后质量差保持在0.1g左右，质量减小量微小，表明经高温过程处理后铸造砂的热稳定性较好，未发生热分解等反应；而对比例中的铸造砂加热前后的质量差增大，表明对比例中的铸造砂的热稳定性不如本专利制备的铸造砂，质量损失较大。

粒度及烧结强度的检测结果如下表所示

	粒度(mm)	烧结强度(Mpa)
			实施例一	1.27	40
实施例二	1.25	41
			实施例三	1.23	40
实施例四	1.24	41
			实施例五	1.25	43
实施例六	1.28	45
			实施例七	1.26	44
对比例一	2.14	38
			对比例二	2.23	35
对比例三	2.25	24

通过上表可知，相比于对比例而言，实施例中试样的烧结强度均为40Mpa以上，而未添加锆砂矿石的试样的烧结强度为38Mpa，表明锆砂矿石能提高试样的耐烧结性，未添加吸附填料的试样的烧结强度为35Mpa，可见缺少吸附填料则影响试样的整体结构性，从而导致烧结强度降低，未添加高温填料的试样的烧结强度仅为24Mpa，烧结强度显著降低，这是因为纤维类高温填料与其他填料的附着力较强，可附着在其他填料组分内，同时碳纤维和陶瓷纤维均具有优异的耐热性，从而提高试样的抗烧结性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种耐高温铸造砂，其特征在于，包括以下重量份的组分：

铝矾土100质量份；

锆砂矿石20~30质量份；

吸附填料10~20质量份；

高温填料10~30质量份；

聚硼硅氧烷5~20质量份。

2.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述铝矾土的粒径为50~100目。

3.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述锆砂矿石为氧化锆或者硅酸锆中至少一种。

4.根据权利要求2所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述锆砂矿石的粒径为100~500μm。

5.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述吸附填料为纳米石墨、碳纳米管或者活性炭中至少一种。

6.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述高温填料为碳纤维或者陶瓷纤维中至少一种。

7.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述碳纤维或者陶瓷纤维的长度为0.5~2mm。

8.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述聚硼硅氧烷的粒径为10~30μm。

9.根据权利要求1所述的耐高温铸造砂，其特征在于：所述聚硼硅氧烷的粘度为2000~3000mpa·s。

10.一种如权利要求1~9所述的耐高温铸造砂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）预处理：将锆砂矿石、吸附填料、高温填料以及聚硼硅氧烷置于反应釜中在300℃下加热1~2h；

（2）将（1）处理后的混合物和铝矾土共同放入球磨机中进行混料，转速为70~80r/min；

（3）将（2）中的混合物置于成球机中，并添加适量水，在成球机中造粒成球，得到球状生坯并在120℃下干燥24h；

（4）将（3）中干燥后的球状生坯置于石墨坩埚中，经2000~2200℃高温烧结，冷却后过40~80目过滤筛，得到耐高温铸造砂。