CN108580796A - 一种铸造用无机粘结剂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于铸造型砂粘结材料技术领域，具体公开了一种铸造用无机粘结剂及其制备方法，铸造用无机粘结剂包括配合使用的液体粘结剂和固体粘结剂，液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝50‑100：20‑50；所述液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸705‑900份、硼酸25‑35份、氢氧化铝100‑150份、柠檬酸32‑45份、氧化镁3‑8份、水50‑250份、C4K0‑5份、Z02 0‑3份，所述固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸15‑20份、微粉10‑15份、氧化锌1.3‑2.5份，氧化铝1.3‑2.5份，氧化镁0.6‑1.3份，石墨0.2‑0.6份、聚乙烯醇0.2‑0.6份。使用本发明的技术方案，能够解决用现有无机粘结剂制备得到的型砂流动性和抗吸附性较差的问题。

Description

一种铸造用无机粘结剂及其制备方法

技术领域

本发明属于铸造型砂粘结材料技术领域，尤其涉及一种铸造用无机粘结剂及其制备方法。

背景技术

铸造用粘结剂大致可分为有机粘结剂和无机粘结剂。有机树脂砂污染严重，浇筑过程中有刺激性气体释放。使用有机树脂生产的铸件会产生毛刺、气孔且容易产生裂纹。在国外，天然的黏土、无机的水玻璃是应用较广的不含有害物质的绿色粘结剂，但是水玻璃溃散性差，且旧砂再生对能源需求大，综合成本较高。磷酸盐粘结剂作为一种很有前途的铸造材料，具有对环境无污染、强度高、溃散性好等优点，很多国家都对它进行过研究。近年来，我国针对磷酸盐粘结剂也进行了大量的研究。磷酸盐粘结剂是一种绿色无污染的材料，具有较高的强度，环保性大大优于有机树脂；溃散性优于水玻璃，有“无机树脂”之称，旧砂可以干法再生，实现节能和资源的再利用。

公开号为CN105964891A的中国发明专利公开了一种具有高流动性的磷酸盐无机粘结剂砂及其制备方法，该发明中包括烧砂、磷酸盐无机粘结剂、固化剂和添加剂，各组分质量份数为烧砂2500、磷酸盐无机粘结剂100、固化剂8、添加剂5；所述磷酸盐无机粘结剂包括氢氧化铝、磷酸、硼酸、柠檬酸、氧化镁和水；所述固化剂为氧化镁、氧化铝、氧化锌、氧化铁、氧化钙、氧化铜；所述添加剂包括由一种或几种烷基糖苷、l-61、l-62、S-80、MOA-9P等非离子型表面活性剂制得的溶液，与该溶液混合的二氧化硅。使用该发明制备得到的磷酸盐粘结剂砂具有清洁环保、溃散性好、强度较高、流动性较好等特点。但是经过申请人的研究发现该专利还存在以下问题：(1)磷酸盐无机粘结剂中加入的硼酸量较多，硼酸粘度大，加入较多的硼酸容易使液体结晶，降低粘结剂的分散度。(2)在该发明中加入表面活性剂，加入的表面活性剂不但不能改善磷酸盐粘结剂砂的流动性，反而降低了磷酸盐粘结剂砂的抗吸附性，容易使得磷酸盐粘结剂砂不能射芯成型，使型芯发生形变。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铸造用无机粘结剂及其制备方法，解决用现有无机粘结剂制备得到的型砂流动性和抗吸附性较差的问题。

为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种铸造用无机粘结剂及其制备方法，包括配合使用的液体粘结剂和固体粘结剂，液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝50-100：20-50；所述液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸705-900份、硼酸25-35份、氢氧化铝100-150份、柠檬酸32-45份、氧化镁3-8份、水50-250份、C4K0-5份、Z02 0-3份，所述固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸15-20份、微粉10-15份、氧化锌1.3-2.5份，氧化铝1.3-2.5份，氧化镁0.6-1.3份，石墨0.2-0.6份、聚乙烯醇0.2-0.6份。

本基础方案的工作原理在于：液体粘结剂部分主要采用氢氧化铝和磷酸反应生成的磷酸二氢铝，加入氧化镁，并加入硼酸、柠檬酸等作为改性剂，使磷酸盐无机粘结剂形成更好的网状结构，增加了液体粘结剂部分的粘结效能。含硼改性剂与磷酸反应会生成磷酸硼，也能与Al(OH)₃反应生成氢氧化铝络合硼酸盐，这两种物质也可使磷酸盐粘结剂体系形成更好的网状结构。在150-160℃条件下，液体粘结剂和固体粘结剂发生化学交联反应，反应速率较快，使液态粘结剂快速固化，并使凝胶体系中插入了金属元素，金属元素与凝胶之间形成了键能高的金属键，进一步增强凝胶的粘结力。

本基础方案的有益效果在于：

1、在液体粘结剂部分降低了硼酸的用量，改善液体粘结剂的流动性，确保了制备磷酸盐无机粘结剂砂时，液体粘结剂具有良好的均匀分散度，能与固体粘结剂充分发生化学交联反应。由于液体粘结剂部分硼酸用量降低了，在一定程度上降低了粘结剂的粘结性能，在固体粘结剂部分增加硼酸，确保粘结剂具有良好的粘结性能。

2、在液体粘结剂和固体粘结剂部分中均添加氧化镁，氧化镁能够增强型砂的抗吸附性，具有防潮的作用。本发明中并非将氧化镁全部加入液体粘结剂或固体粘结剂中，而是将氧化镁分别添加到液体粘结剂、固体粘结剂的部分中，原因在于氧化镁全部使用固体效果不是很好，而全部加入液体粘结剂中会有结晶，影响粘结剂性能。

3、微粉粒度极小，在固体粘结剂中添加微粉，制备磷酸盐无机粘结剂砂时，微粉混在砂里能够填补在砂的空隙中，增加接触面，使砂芯更加紧密。液体粘结剂部分黏度较高，在固体粘结剂中添加石墨，石墨能使混合后的湿态覆膜砂的流动性增强。

4、氧化锌具有固化的作用下，在固体粘结剂中添加氧化锌能使粘结剂快速固化，增加型砂的强度；氧化铝、氧化镁共同具有抗湿、防潮的效果，能够有效避免型砂吸附较多的水分而导致不能射芯成型。

5、无机粘结剂的粘性高，非离子型表面活性剂具有润湿作用，为了增强流动性容易想到加入表面活性剂，但是经过申请人的研究发现，本发明的无机粘结剂为酸性，表面活性剂在这个环境中容易分解为多种有机成分，这些有机成分容易吸附水分，抗吸附性差。因此添加了表面活性剂成分不但不能起到增强流动性的作用，还会降低型砂的抗吸附性，导致型砂的含水量高，在射芯成型时这些水分不能散发出来，容易导致形变。在本发明中，取消加入表面活性剂，使得型砂能够射芯成型，不会有形变。

6、添加C4K和Z02能够提高液体粘结剂的流动性，增加液体粘结剂的耐存放性。

7、添加聚乙烯醇能够增加粘结性，提高砂芯强度。

进一步，所述液体粘结剂的中和度为3.6：1-4：1。经申请人多次试验测试，将液体粘结剂的中和度控制在上述范围，制备得到的型砂综合效果较好。

进一步，所述液体粘结剂的中和度为3.8：1。经申请人多次试验测试，中和度为3.8：1时，使用该粘结剂制备得到的型砂强度更大。

进一步，所述液体粘结剂包括以下质量份数的组分：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份、C4K 3.5份、Z02 1.3份。经申请人多次试验发现，将液体粘结剂的成分控制在上述参数内，制备得到的型砂综合效果较好。

进一步，所述固体粘结剂包括以下质量份数的组分：所述固体粘结剂包括以下质量份数的组分：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，氧化镁1份，石墨0.5份、聚乙烯醇0.5份。经申请人多次试验发现，将固体粘结剂的成分控制在上述参数内，制备得到的型砂综合效果较好。

进一步，所述步骤(1)中磷酸选用浓度为70％的磷酸。磷酸的浓度为70％时制备得到的型砂流动性最好。

本发明申请还公开了一种铸造用无机粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取原料：液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸705-900份、硼酸25-35份、氢氧化铝100-150份、柠檬酸32-45份、氧化镁3-8份、水50-250份、C4K 0-5份、Z020-3份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸15-20份、微粉10-15份、氧化锌1.3-2.5份，氧化铝1.3-2.5份，氧化镁0.6-1.3份，石墨0.2-0.6份、聚乙烯醇0.2-0.6份；其中液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝50-100：20-50；

(2)制备液体粘结剂：先将氢氧化铝和水加入到容器中进行搅拌，再加入液体粘结剂中2/5-3/5的磷酸，对容器中的液体进行加热，当液体温度在50-70℃时，向容器中加入剩余磷酸，继续加热至80-90℃时，加入硼酸、柠檬酸、氧化镁，继续加热，当溶液温度加热到106-108℃时，保持温度，溶液澄清后，即可停止加热，继续搅拌，待溶液冷却至68-73℃时，加入C4K和Z02，继续搅拌，待溶液冷却至室温，即制得液体粘结剂；

(3)制备固体粘结剂：将硼酸、微粉、氧化锌、氧化铝、氧化镁、聚乙烯醇和石墨混合搅拌均匀。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

实施例1

本实施例公开了一种铸造用无机粘结剂，包括配合使用的液体粘结剂和固体粘结剂，液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝80：33.52；所述液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份、C4K 3.5份、Z02 1.3份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，氧化镁1份、石墨0.5份、聚乙烯醇0.5份。其中C4K是为磺酸盐类化合物，Z02是为多聚磷酸酯类化合物。

本实施例还公开了一种铸造用无机粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取原料：液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份、C4K 3.5份、Z02 1.3份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，氧化镁1份、石墨0.5份、聚乙烯醇0.5份；液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝80：33.52；

(2)制备液体粘结剂：先将氢氧化铝和水加入到容器中进行搅拌，再加入液体粘结剂中一半的磷酸，对容器中的液体进行加热，当液体温度在50-70℃时，向容器中加入剩余磷酸，继续加热至80-90℃时，加入硼酸、柠檬酸、氧化镁，继续加热，当溶液温度加热到106-108℃时，保持温度，溶液澄清后，即可停止加热，继续搅拌，待溶液冷却至70℃左右，加入C4K和Z02，继续搅拌，待溶液冷却至室温，即制得液体粘结剂；

(3)制备固体粘结剂：将硼酸、微粉、氧化锌、氧化铝、氧化镁、聚乙烯醇和石墨在混粉机里面混合搅拌均匀。

实施例2

本实施例公开了一种铸造用无机粘结剂，包括配合使用的液体粘结剂和固体粘结剂，液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝80：33.52；所述液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份、C4K 3.5份、Z02 1.3份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，石墨0.5份。其中C4K是为磺酸盐类化合物，Z02是为多聚磷酸酯类化合物。

本实施例还公开了一种铸造用无机粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取原料：液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份、C4K 3.5份、Z02 1.3份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，石墨0.5份；液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝80：33.52；

(2)制备液体粘结剂：先将氢氧化铝和水加入到容器中进行搅拌，再加入液体粘结剂中一半的磷酸，对容器中的液体进行加热，当液体温度在50-70℃时，向容器中加入剩余磷酸，继续加热至80-90℃时，加入硼酸、柠檬酸、氧化镁，继续加热，当溶液温度加热到106-108℃时，保持温度，溶液澄清后，即可停止加热，继续搅拌，待溶液冷却至70℃左右，加入C4K和Z02，继续搅拌，待溶液冷却至室温，即制得液体粘结剂；

(3)制备固体粘结剂：将硼酸、微粉、氧化锌、氧化铝和石墨在混粉机里面混合搅拌均匀。

实施例3

本实施例公开了一种铸造用无机粘结剂，包括配合使用的液体粘结剂和固体粘结剂，液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝80：33.52；所述液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，氧化镁1份、石墨0.5份、聚乙烯醇0.5份。

本实施例还公开了一种铸造用无机粘结剂的制备方法，包括以下步骤：

(1)称取原料：液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，氧化镁1份、石墨0.5份、聚乙烯醇0.5份；液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝80：33.52；

(2)制备液体粘结剂：先将氢氧化铝和水加入到容器中进行搅拌，再加入液体粘结剂中一半的磷酸，对容器中的液体进行加热，当液体温度在50-70℃时，向容器中加入剩余磷酸，继续加热至80-90℃时，加入硼酸、柠檬酸和氧化镁，继续加热，当溶液温度加热到106-108℃时，保持温度，溶液澄清后，即可停止加热、搅拌，待溶液自然冷却至室温，即制得液体粘结剂；

(3)制备固体粘结剂：将硼酸、微粉、氧化锌、氧化铝、氧化镁、聚乙烯醇和石墨在混粉机里面混合搅拌均匀。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于：本对比例中在还增加表面活性剂，液体粘结剂与表面活性剂的质量份数比为液体粘结剂：表面活性剂＝80：0.32，表面活性剂烷基糖苷非离子型表面活性剂。

对比例2

本对比例与实施例1的区别在于：本对比例中在还增加表面活性剂，液体粘结剂与表面活性剂的质量份数比为液体粘结剂：表面活性剂＝80：0.16，表面活性剂为烷基糖苷非离子型表面活性剂。

对比例3

本对比例与实施例1的区别在于：本对比例中在还增加表面活性剂，液体粘结剂与表面活性剂的质量份数比为液体粘结剂：表面活性剂＝80：0.08，表面活性剂为烷基糖苷非离子型表面活性剂。

分别用实施例1-3、对比例1-3制备得到的无机粘结剂制备磷酸盐无机湿态覆膜砂，具体步骤如下：先称取定量的烧砂放在混砂机上，加入固体粘结剂先混合搅拌混制1分钟，再加入液体粘结剂混制2分钟，得到磷酸盐无机湿态覆膜砂。分别测量实施例1-3、对比例1-3制备得到的磷酸盐无机湿态覆膜砂的参数，得到的数据如表1所示：

表1

对比结论：

1、实施例1与实施例2相比，实施例2中固体粘结剂中没有加入氧化镁和聚乙烯醇，表1的试验数据表示，实施例1制备得到的无机粘结剂制备磷酸盐无机湿态覆膜砂在流动性、即时抗拉强度和常温抗拉强度均优于实施例2制备得到的无机粘结剂制备磷酸盐无机湿态覆膜砂，通过对比分析可知，在固体粘结剂中加入氧化镁和聚乙烯醇，能增强用无机粘结剂制备得到的磷酸盐无机湿态覆膜砂的强度以及砂芯抗吸湿性。

2、实施例1与实施例3相比，实施例3中液体粘结剂中没有加入C4K、Z02，表1的试验数据表示，实施例1制备得到的无机粘结剂制备磷酸盐无机湿态覆膜砂在流动性、即时抗拉强度和常温抗拉强度均优于实施例3制备得到的无机粘结剂制备磷酸盐无机湿态覆膜砂，通过对比分析可知，添加C4K和Z02能够提高液体粘结剂的流动性，以及增强用无机粘结剂制备得到的磷酸盐无机湿态覆膜砂的强度。

3、将实施例1分别与对比例1-3相比，对比例1-3中均加入了表面活性剂，表1的试验数据表示，在无机粘结剂中加入表面活性剂，会降低磷酸盐无机湿态覆膜砂的流动性以及强度。

Claims (7)

1.一种铸造用无机粘结剂，其特征在于：包括配合使用的液体粘结剂和固体粘结剂，液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝50-100：20-50；所述液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸705-900份、硼酸25-35份、氢氧化铝100-150份、柠檬酸32-45份、氧化镁3-8份、水50-250份、C4K 0-5份、Z02 0-3份，所述固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸15-20份、微粉10-15份、氧化锌1.3-2.5份，氧化铝1.3-2.5份，氧化镁0.6-1.3份，石墨0.2-0.6份、聚乙烯醇0.2-0.6份。

2.根据权利要求1所述的一种铸造用无机粘结剂，其特征在于：所述液体粘结剂的中和度为3.6：1-4：1。

3.根据权利要求2所述的一种铸造用无机粘结剂，其特征在于：所述液体粘结剂的中和度为3.8：1。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种铸造用无机粘结剂，其特征在于：所述液体粘结剂包括以下质量份数的组分：磷酸800份、硼酸32份、氢氧化铝117.5份、柠檬酸40份、氧化镁7份、水175.5份、C4K 3.5份、Z02 1.3份。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种铸造用无机粘结剂，其特征在于：所述固体粘结剂包括以下质量份数的组分：硼酸16份、微粉10份、氧化锌2份、氧化铝2份，氧化镁1份，石墨0.5份、聚乙烯醇0.5份。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种铸造用无机粘结剂，其特征在于：磷酸选用浓度为70％的磷酸。

7.一种铸造用无机粘结剂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)称取原料：液体粘结剂包括以下质量份数的原料：磷酸705-900份、硼酸25-35份、氢氧化铝100-150份、柠檬酸32-45份、氧化镁3-8份、水50-250份、C4K 0-5份、Z02 0-3份；固体粘结剂包括以下质量份数的原料：硼酸15-20份、微粉10-15份、氧化锌1.3-2.5份，氧化铝1.3-2.5份，氧化镁0.6-1.3份，石墨0.2-0.6份、聚乙烯醇0.2-0.6份；其中液体粘结剂与固体粘结剂的质量份数比为液体粘结剂：固体粘结剂＝50-100：20-50；

(2)制备液体粘结剂：先将氢氧化铝和水加入到容器中进行搅拌，再加入液体粘结剂中2/5-3/5的磷酸，对容器中的液体进行加热，当液体温度在50-70℃时，向容器中加入剩余磷酸，继续加热至80-90℃时，加入硼酸、柠檬酸、氧化镁，继续加热，当溶液温度加热到106-108℃时，保持温度，溶液澄清后，即可停止加热，继续搅拌，待溶液冷却至68-73℃时，加入C4K和Z02，继续搅拌，待溶液冷却至室温，即制得液体粘结剂；

(3)制备固体粘结剂：将硼酸、微粉、氧化锌、氧化铝、氧化镁、聚乙烯醇和石墨混合搅拌均匀。