CN108405792A - 一种铸造用陶粒砂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铸造用陶粒砂及其制备方法，属于高分子材料领域。所述的铸造用陶粒砂，包括以下原料：包括以下原料：三氧化二铝，二氧化硅，氧化硼、聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维。所述的铸造用陶粒砂是经过粉碎、混合、烧结等步骤制得。本发明通过采用聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维为补强体系，降低铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性。

Description

一种铸造用陶粒砂及其制备方法
技术领域
本发明属于铸造材料领域，具体涉及一种铸造用陶粒砂及其制备方法。
背景技术
陶粒砂又名宝珠砂，是石英砂的高级替代品。陶粒砂因其能够克服石英砂膨胀系数大、铸件精度低、表面粘砂严重和清砂困难的缺点，大大提高铸件的质量而受到了广泛关注。目前铸造用陶粒砂主要是用高铝矿石为原料，主要有两种制备方法，一种是通过将原料高温熔融，经喷吹雾化形成颗粒，筛分后得到各种粒度的陶粒砂；另外一种是通过机械造粒，烧结、筛分，得到陶粒砂。CN1899722A 公开了一种新型人造铸造砂及其制备方法，其中人造铸造砂是以三氧化二铝含量 45-90％的铝矾土矿石为原料，电熔成液态后，经过70-85m/s的空气压，利用强风将液体原料破碎冷却后，得到形状为球形或类球形的砂粒，经筛分后得到人造陶粒砂。
目前大量使用的铸造砂，主要有两种：一种是产自于天然的硅砂或人工破碎的硅砂，另一种是以铝钒土为主要原料制得的铸造砂。天然的硅砂或人工破碎的硅砂在造型浇铸过程中存在以下几个缺点：耐火温度不够理想；硅砂受热后膨胀，容易破碎，污染环境；硅砂的热膨胀率高，有多次相变，很容易产生铸造缺陷；硅砂特别是人工破碎砂粒型不好；回收利用率低，再生性能不好。而以铝钒土为主要原料制得的铸造砂，成本较高，回用性能较差。
中国专利申请文献“一种铸造用陶粒砂(公开号：CN105344919A)”公开了一种铸造用陶粒砂，该陶粒砂按照重量百分含量计包括：25wt％-40wt％的三氧化二铝，55wt％-75wt％的二氧化硅，0.5wt％-10wt％的氧化钾、氧化锂和氧化硼中的一种或者多种。该发明与传统的陶粒砂相比，本发明所提供的铸造用陶粒砂，其三氧化二铝的含量和耐火度明显低于现有技术中所采用的陶粒砂，其可以采用无铝或低铝矿产作为原材料，大大降低生产成本，合理利用矿产资源；再者，通过选用无铝或低铝矿产作为原材料，使得本发明铸造用陶粒砂半成品烧结时采用较低温度即可制备，进而能够节约能源。
发明内容
本发明的目的是提供一种铸造用陶粒砂及其制备方法，以解决在专利申请文献“一种铸造用陶粒砂(公开号：CN105344919A)”公开的一种铸造用陶粒砂的基础上，如何优化组分、用量、方法等，提高陶粒砂的热膨胀系数、溃散性的问题。
为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种铸造用陶粒砂，包括以下原料：三氧化二铝，二氧化硅，氧化硼、聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维；所述的聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比为(3-5)：(5-10)：(1-3)。
进一步地，所述聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比为4:7.5:2。
进一步地，所述铸造用陶粒砂以重量份为单位，包括以下原料：三氧化二铝 25-40质量份，二氧化硅55-75质量份，氧化硼0.5-10质量份，聚四氟乙烯3-5 份、木质素磺酸钙5-10份、氧化锆纤维1-3份。
进一步地，所述铸造用陶粒砂的堆积密度为1.0-1.8g/cm3。
进一步地，所述铸造用陶粒砂的耐火度小于1600℃。
进一步地，所述聚四氟乙烯的重均分子量为1百万-1千万。
进一步地，所述氧化锆纤维的长度为3-8μm。
一种上述的铸造用陶粒砂的制备方法，包括以下步骤：
a.将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为500-800目的粉料，根据配方的重量份数，进行搅拌混料，得到粉料混合物；
b.将所述粉料混合物加入制球装置，用喷雾器将预先配制好的水溶液喷洒到所述制球装置内，使所述粉料混合物制成粒度为30-60目的、含水量为1.5％的球粒状半成品；
c.将球粒状半成品进行烘干至其含水量为0.2％后，再置于烧结回转窑内进行焙烧，烧结温度为1550-1700℃，烧结时间为3.5-5.0小时；
d.焙烧完成后，粉碎过30-60目筛筛分，得到所述陶粒砂。
本发明具有以下有益效果：
(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3制得的铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性能显著低于对比例5制得的陶粒砂的热膨胀系数和溃散性能；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。
(2)由实施例1和对比例1-4的数据可见，聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维在制备铸造用陶粒砂中起到了协同作用，协同降低了铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性能；这是：
适当的三氧化二铝含量可以适当确保陶粒砂的强度和耐火度。在本发明中上述铸造用陶粒砂通过引入氧化硼，能够获得更小的热膨胀系数。聚四氟乙烯在高温烧结时，会分解出产物氟光气，具有超强活性，能够部分氟原子替换二氧化硅和氧化铝中的硅和铝，增加晶格的空穴量提高陶粒砂的活性，从而在铸造件铸造过程中提高陶粒砂与其他金属组分的结合强度，从而降低溃散性；木质素磺酸钙在混合过程中具有很好的分散性，并且在高温条件下分解成活性硫元素和氧化钙，硫元素掺杂到利用聚四氟乙烯分解产生的二氧化硅和氧化铝的晶格中的活性空穴中，用硫原子的电子效应，形成空间电子云可以有效提高的晶格层层之间的晶格的稳定性，从而降低热膨胀系数和溃散性能，氧化钙尤其其自身的低热膨胀系和较强的粘附效果，能够进一步降低溃散性和热膨胀系数；氧化锆纤维配合实现良好的分散性和较大的比表面积，从而降低陶粒砂的溃散性，并且聚四氟乙烯和木质素磺酸钙的活性氟原子和硫原子可以结合到氧化锆纤维的表层的活性基团上，通过洋氧化锆纤维的分散性，进一步将活性掺杂原子分散到组分中，从而通过三者的配合进一步降低溃散性和热膨胀系数。
(3)由对比例6-8的数据可见，聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比不在(3-5)：(5-10)：(1-3)范围内时，制得的陶粒砂的热膨胀系数和溃散性数值与实施例1-3的数值相差甚大，远大于实施例1-3的数值，与现有技术(对比例5)的数值相当。本发明聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维作为补强体系，实施例1-3在制备铸造用陶粒砂时通过添加聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比为(3-5)：(5-10)：(1-3)，实现在补强体系中利用聚四氟乙烯掺杂促进剂，利用分解得到活性氟光子形成晶格空穴；木质素磺酸钙与聚四氟乙一起使用，增大晶格的稳定性；氧化锆纤维综合提高聚四氟乙烯、木质素磺酸钙形成的氟和硫原子的分散性，降低铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性等特点，使得聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维构成的补强体系在本发明的铸造用陶粒砂中，降低铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性。
具体实施方式
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述铸造用陶粒砂，包括以下原料：三氧化二铝25-40质量份，二氧化硅55-75质量份，氧化硼0.5-10质量份，聚四氟乙烯3-5份、木质素磺酸钙5-10份、氧化锆纤维1-3份。所述铸造用陶粒砂的堆积密度为1.0-1.8g/cm3。所述铸造用陶粒砂的耐火度小于1600℃。所述聚四氟乙烯的重均分子量为1百万-1千万。所述氧化锆纤维的长度为3-8μm。
一种上述的铸造用陶粒砂的制备方法，包括以下步骤：
a.将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为500-800目的粉料，根据配方的重量份数，进行搅拌混料，得到粉料混合物；
b.将所述粉料混合物加入制球装置，用喷雾器将预先配制好的水溶液喷洒到所述制球装置内，使所述粉料混合物制成粒度为30-60目的、含水量为1.5％的球粒状半成品；
c.将球粒状半成品进行烘干至其含水量为0.2％后，再置于烧结回转窑内进行焙烧，烧结温度为1550-1700℃，烧结时间为3.5-5.0小时；
d.焙烧完成后，粉碎过30-60目筛筛分，得到所述陶粒砂。
实施例1
一种铸造用陶粒砂，包括以下原料：三氧化二铝30质量份，二氧化硅60 质量份，氧化硼5质量份，聚四氟乙烯4份、木质素磺酸钙8份、氧化锆纤维2 份。所述聚四氟乙烯的重均分子量为5百万。所述氧化锆纤维的长度为3-8μm。一种上述的铸造用陶粒砂的制备方法，包括以下步骤：
a.将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为650目的粉料，根据配方的重量份数，进行搅拌混料，得到粉料混合物；
b.将所述粉料混合物加入制球装置，用喷雾器将预先配制好的水溶液喷洒到所述制球装置内，使所述粉料混合物制成粒度为50目的、含水量为1.5％的球粒状半成品；
c.将球粒状半成品进行烘干至其含水量为0.2％后，再置于烧结回转窑内进行焙烧，烧结温度为1600℃，烧结时间为4.0小时；
d.焙烧完成后，粉碎过50目筛筛分，得到所述陶粒砂。
实施例2
一种铸造用陶粒砂，包括以下原料：三氧化二铝40质量份，二氧化硅55 质量份，氧化硼10质量份，聚四氟乙烯3份、木质素磺酸钙10份、氧化锆纤维 1份。所述聚四氟乙烯的重均分子量为1百万。所述氧化锆纤维的长度为3-8μ m。
一种上述的铸造用陶粒砂的制备方法，包括以下步骤：
a.将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为500目的粉料，根据配方的重量份数，进行搅拌混料，得到粉料混合物；
b.将所述粉料混合物加入制球装置，用喷雾器将预先配制好的水溶液喷洒到所述制球装置内，使所述粉料混合物制成粒度为60目的、含水量为1.5％的球粒状半成品；
c.将球粒状半成品进行烘干至其含水量为0.2％后，再置于烧结回转窑内进行焙烧，烧结温度为1550℃，烧结时间为5.0小时；
d.焙烧完成后，粉碎过30目筛筛分，得到所述陶粒砂。
实施例3
一种铸造用陶粒砂，包括以下原料：三氧化二铝25质量份，二氧化硅75 质量份，氧化硼0.5质量份，聚四氟乙烯5份、木质素磺酸钙5份、氧化锆纤维 3份。所述聚四氟乙烯的重均分子量为1千万。所述氧化锆纤维的长度为3-8μ m。
一种上述的铸造用陶粒砂的制备方法，包括以下步骤：
a.将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为800目的粉料，根据配方的重量份数，进行搅拌混料，得到粉料混合物；
b.将所述粉料混合物加入制球装置，用喷雾器将预先配制好的水溶液喷洒到所述制球装置内，使所述粉料混合物制成粒度为30目的、含水量为1.5％的球粒状半成品；
c.将球粒状半成品进行烘干至其含水量为0.2％后，再置于烧结回转窑内进行焙烧，烧结温度为1700℃，烧结时间为3.5小时；
d.焙烧完成后，粉碎过30目筛筛分，得到所述陶粒砂。
对比例1
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中缺少聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维。
对比例2
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中缺少聚四氟乙烯。
对比例3
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中缺少木质素磺酸钙。
对比例4
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中缺少氧化锆纤维。
对比例5
采用中国专利申请文献“一种铸造用陶粒砂(公开号：CN105344919A)”中具体实施例1-3所述的方法制备铸造用陶粒砂。
对比例6
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中聚四氟乙烯为1份、木质素磺酸钙为12份、氧化锆纤维为5份。
对比例7
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中聚四氟乙烯为7份、木质素磺酸钙为3份、氧化锆纤维为0.5份。
对比例8
与实施例1的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备铸造用陶粒砂的原料中聚四氟乙烯为8份、木质素磺酸钙为3份、氧化锆纤维为5份。
对实施例1-3和对比例1-8制得的产品进行热膨胀系数和溃散性测试，结果如下表所示。
由上表可知：(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3制得的铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性能显著低于对比例5制得的陶粒砂的热膨胀系数和溃散性能；同时由实施例1-3的数据可见，实施例1为最优实施例。
(2)由实施例1和对比例1-4的数据可见，聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维在制备铸造用陶粒砂中起到了协同作用，协同降低了铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性能；这是：
适当的三氧化二铝含量可以适当确保陶粒砂的强度和耐火度。在本发明中上述铸造用陶粒砂通过引入氧化硼，能够获得更小的热膨胀系数。聚四氟乙烯在高温烧结时，会分解出产物氟光气，具有超强活性，能够部分氟原子替换二氧化硅和氧化铝中的硅和铝，增加晶格的空穴量提高陶粒砂的活性，从而在铸造件铸造过程中提高陶粒砂与其他金属组分的结合强度，从而降低溃散性；木质素磺酸钙在混合过程中具有很好的分散性，并且在高温条件下分解成活性硫元素和氧化钙，硫元素掺杂到利用聚四氟乙烯分解产生的二氧化硅和氧化铝的晶格中的活性空穴中，用硫原子的电子效应，形成空间电子云可以有效提高的晶格层层之间的晶格的稳定性，从而降低热膨胀系数和溃散性能，氧化钙尤其其自身的低热膨胀系和较强的粘附效果，能够进一步降低溃散性和热膨胀系数；氧化锆纤维配合实现良好的分散性和较大的比表面积，从而降低陶粒砂的溃散性，并且聚四氟乙烯和木质素磺酸钙的活性氟原子和硫原子可以结合到氧化锆纤维的表层的活性基团上，通过洋氧化锆纤维的分散性，进一步将活性掺杂原子分散到组分中，从而通过三者的配合进一步降低溃散性和热膨胀系数。
(3)由对比例6-8的数据可见，聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比不在(3-5)：(5-10)：(1-3)范围内时，制得的陶粒砂的热膨胀系数和溃散性数值与实施例1-3的数值相差甚大，远大于实施例1-3的数值，与现有技术(对比例5)的数值相当。本发明聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维作为补强体系，实施例1-3在制备铸造用陶粒砂时通过添加聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比为(3-5)：(5-10)：(1-3)，实现在补强体系中利用聚四氟乙烯掺杂促进剂，利用分解得到活性氟光子形成晶格空穴；木质素磺酸钙与聚四氟乙一起使用，增大晶格的稳定性；氧化锆纤维综合提高聚四氟乙烯、木质素磺酸钙形成的氟和硫原子的分散性，降低铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性等特点，使得聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维构成的补强体系在本发明的铸造用陶粒砂中，降低铸造用陶粒砂的热膨胀系数和溃散性。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种铸造用陶粒砂，其特征在于，包括以下原料：三氧化二铝，二氧化硅，氧化硼、聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维；所述的聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比为(3-5)：(5-10)：(1-3)。
2.根据权利要求1所述的铸造用陶粒砂，其特征在于，所述聚四氟乙烯、木质素磺酸钙、氧化锆纤维的重量比为4:7.5:2。
3.根据权利要求1所述的铸造用陶粒砂，其特征在于，所述铸造用陶粒砂以重量份为单位，包括以下原料：三氧化二铝25-40质量份，二氧化硅55-75质量份，氧化硼0.5-10质量份，聚四氟乙烯3-5份、木质素磺酸钙5-10份、氧化锆纤维1-3份。
4.根据权利要求1所述的铸造用陶粒砂，其特征在于，所述铸造用陶粒砂的堆积密度为1.0-1.8g/cm3。
5.根据权利要求1所述的铸造用陶粒砂，其特征在于，所述铸造用陶粒砂的耐火度小于1600℃。
6.根据权利要求1所述的铸造用陶粒砂，其特征在于，所述聚四氟乙烯的重均分子量为1百万-1千万。
7.根据权利要求1所述的铸造用陶粒砂，其特征在于，所述氧化锆纤维的长度为3-8μm。
8.一种根据权利要求1-7任一项所述的铸造用陶粒砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为500-800目的粉料，根据配方的重量份数，进行搅拌混料，得到粉料混合物；
b.将所述粉料混合物加入制球装置，用喷雾器将预先配制好的水溶液喷洒到所述制球装置内，使所述粉料混合物制成粒度为30-60目的、含水量为1.5％的球粒状半成品；
c.将球粒状半成品进行烘干至其含水量为0.2％后，再置于烧结回转窑内进行焙烧，烧结温度为1550-1700℃，烧结时间为3.5-5.0小时；
d.焙烧完成后，粉碎过30-60目筛筛分，得到所述陶粒砂。
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