CN108941440B - 一种用于砂型铸造的复合特种砂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种用于砂型铸造的复合特种砂及其制备方法，所述用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿30～50份、镁橄榄石12～25份、电熔刚玉3～10份、石灰石砂1～5份、改性二氧化硅粒子22～35份；所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末；本发明提供的复合特种砂中，混合粉料的膨胀系数均明显小于石英砂，具有较好的热稳定性和耐火度。掺入的改性二氧化硅粒子表面含有碳层包覆，在高温金属液体浇注的过程中，在高温金属液体的侵蚀下，在砂型与液态金属的接触面上产生光亮的碳膜，从而确保铸件与砂型能很好的分开，并且有效的防止了铸件的粘砂和夹砂缺陷。

Description

一种用于砂型铸造的复合特种砂及其制备方法
技术领域
本发明属于铸造技术领域，具体涉及一种用于砂型铸造的复合特种砂及其制备方法。
背景技术
砂型铸造是指在砂型中生产铸件的铸造方法，钢、铁和大多数有色合金铸件都可以用砂型铸造方法获得，由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造方便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。制造砂型的基本原料是铸造砂和型砂粘结剂，最常用的铸造砂是硅质砂，硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。
石英砂是一种普遍使用的硅质砂，因其具有较高的熔点和硬度，复用性好，分布广泛，价格低，因此在铸造中得以广泛应用，但是石英砂的热膨胀系数较大，热扩散率较低，易与铁的氧化物作用而引起粘砂，特别是在浇注大中型铸件和高合金钢铸件时易出现粘砂缺陷；同时，加工和使用时产生粉尘易使工人患上矽肺病。相比较而言，特种砂不仅具有耐火度高，热化学稳定性好，不与钢液及其氧化物反应的优点，还具有蓄热系数高，导热性好，能加速铸件表面凝固，热膨胀系数小的优点，特种砂还能有效的预放工人的矽肺病。
但是，特种砂也存在含量少，提取困难，成本高的缺点。例如，锆英砂主要分布在海砂中，分布广但具有开采价值的矿藏很少，锆英砂要经过重选、磁选等工艺，若获得1吨的锆英砂，常需选出400～500吨的海砂；又如铬铁矿，一种重矿石，世界的储藏量很大，但用于铸造上的很少，铬矿石常含有很多伴生矿，特别要除去脉石，生产铬矿砂要经过破碎、水洗、浮选等工艺，全世界年产200万吨铬铁矿，其中70万吨可以用于铸造，用于铸造的只有南非及芬兰的一部分，其他的都不能用于铸造(因为铸造性能要求纯的铬铁矿，且铸造上要求Cr2O3＜50％)。为此，开发一种复合的特种砂，减少对于含量少，成本高的特种砂的依赖，对于要求较高的铸造行业来说，非常必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于砂型铸造的复合特种砂，降低对现有特种砂的依赖，同时确保大中型铸件和高合金钢铸件的品质，避免出现粘砂等缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于砂型铸造的复合特种砂，用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿30～50份、镁橄榄石12～25份、电熔刚玉3～10份、石灰石砂1～5份、改性二氧化硅粒子22～35份；
所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末。
在进一步的技术方案中，所述改性二氧化硅粒子的粒径为10～50nm。
在进一步的技术方案中，用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿40份、镁橄榄石20份、电熔刚玉6份、石灰石砂3份、改性二氧化硅粒子30份。
在进一步的技术方案中，所述菱镁矿的颗粒细度≤0.074mm；
所述镁橄榄石的颗粒细度≤0.149mm；
所述电熔刚玉的颗粒细度≤0.149mm；
所述石灰石砂的颗粒细度≤0.074mm。
本发明还提供了一种所述用于砂型铸造的复合特种砂的制备方法，包括以下步骤：
(1)按配方量分别称取镁橄榄石和电熔刚玉、菱镁矿和石灰石砂，使用行星研磨机磨细，接着掺入碳粉，混合均匀得到混合粉料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，揉制成颗粒混合物；
(2)采用1550～1600℃的高温对步骤(1)中揉做成型的颗粒混合物进行煅烧，煅烧后，继续使用行星研磨机进行磨细处理，然后掺入改性二氧化硅粒子，混合均匀后得到所述的复合特种砂。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明提供的复合特种砂中，混合粉料的膨胀系数均明显小于石英砂，具有较好的热稳定性和耐火度。掺入的改性二氧化硅粒子表面含有碳层包覆，在高温金属液体浇注的过程中，在高温金属液体的侵蚀下，在砂型与液态金属的接触面上产生光亮的碳膜，从而确保铸件与砂型能很好的分开，并且有效的防止了铸件的粘砂和夹砂缺陷。
本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式中予以详细说明。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐明本发明。
本发明提供了一种用于砂型铸造的复合特种砂，用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿30～50份、镁橄榄石12～25份、电熔刚玉3～10份、石灰石砂1～5份、改性二氧化硅粒子22～35份；
所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末。
具体的，所述改性二氧化硅粒子的制备方法包括：向纳米级二氧化硅中加入其质量的5～25％的碳源物质的水溶液，在60～90℃的温度条件下和100～200r/min的搅拌速度下分散均匀，在90～100℃烘干得到含有包覆层的二氧化硅，再经惰性气体分为中，在400～500℃下碳化得到碳包覆的二氧化硅粒子，即改性二氧化硅粒子。
本发明对所述的碳源物质不做特殊限定，可以为本领域技术人员所熟知的，具体的，所述的碳源物质为淀粉，例如糯米淀粉、玉米淀粉、豌豆淀粉、木薯淀粉、红薯淀粉、大豆淀粉、高粱淀粉中的一种或一种以上的混合物，所述的淀粉在使用前，在90℃进行糊化。
上述用于砂型铸造的复合特种砂的制备方法包括以下步骤：
(1)按配方量分别称取镁橄榄石和电熔刚玉、菱镁矿和石灰石砂，使用行星式研磨机磨细，接着掺入碳粉，混合均匀得到混合粉料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，揉制成颗粒混合物；
(2)采用1550～1600℃的高温对步骤(1)中揉做成型的颗粒混合物进行煅烧，煅烧后，继续使用行星式研磨机进行磨细处理，然后掺入改性二氧化硅粒子，混合均匀后得到所述的复合特种砂。
步骤(1)中，掺入碳粉的目的在于提高混合粉料的煅烧效率，本发明对所述碳粉的量不做特殊要求，例如，所述碳粉的含量可以为混合料重量的5％。
在高温煅烧处理的过程中，菱镁矿中的MgCO3分解，得到MgO；石灰石砂中的主要矿物成分是CaCO3，在900～920℃左右即发生分解反应，生成CaO，上述矿料中含有的杂质元素在高温煅烧的条件下还生成了SiO2等氧化物，上述混合粉料的膨胀系数均明显小于石英砂，具有较好的热稳定性和耐火度。掺入的改性二氧化硅粒子表面含有碳层包覆，在高温金属液体浇注的过程中，在高温金属液体的侵蚀下，在砂型与液态金属的接触面上产生光亮的碳膜，从而确保铸件与砂型能很好的分开，并且有效的防止了铸件的粘砂和夹砂缺陷。
本发明中，所述的电熔刚玉是一种纯氧化铝耐火材料，耐火度高，在加热过程中热膨胀系数小且均匀，由室温加热至2000℃，其总膨胀量约为2％，化学性能稳定。
本发明中所述的菱镁矿，在我国的储存量是世界上最多的国家；所述的石灰石砂的资源也很丰富，可就地取材，成本也很低廉。
根据本发明，优选条件下，所述改性二氧化硅粒子的粒径为10～50nm。
进一步的，根据本发明，所述用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿40份、镁橄榄石20份、电熔刚玉6份、石灰石砂3份、改性二氧化硅粒子30份。
为了提高矿物原料的煅烧效率，所述菱镁矿的颗粒细度≤0.074mm；
所述镁橄榄石的颗粒细度≤0.149mm；
所述电熔刚玉的颗粒细度≤0.149mm；
所述石灰石砂的颗粒细度≤0.074mm。
本发明还提供了一种包括上述复合特种砂、型砂粘结剂为原料的砂型。所述砂型的制备方法包括以下步骤：
(1)将复合特种砂、型砂粘结剂与去离子水加入到混合器中搅拌均匀，得到原料混合物；
(2)将步骤(1)中的原料混合物倒入到模型中，在常温下静置成型，自然干燥，得到砂型。
优选的，所述型砂粘结剂为粘土；
优选的，所述复合特种砂与型砂粘结剂的质量比为1：(0.4～0.5)。
以下通过具体的实施例对本发明提供的用于砂型铸造的复合特种砂做出进一步的说明。
实施例1
一种用于砂型铸造的复合特种砂，用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿40份、镁橄榄石20份、电熔刚玉6份、石灰石砂3份、改性二氧化硅粒子30份；
所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末；改性二氧化硅粒子的粒径为30nm。
用于砂型铸造的复合特种砂的制备方法包括：
(1)按配方量分别称取镁橄榄石和电熔刚玉、菱镁矿和石灰石砂，使用行星式研磨机磨细，接着掺入碳粉，混合均匀得到混合粉料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，揉制成颗粒混合物；
(2)采用1600℃的高温对步骤(1)中揉做成型的颗粒混合物进行煅烧，煅烧后，继续使用行星式研磨机进行磨细处理，然后掺入改性二氧化硅粒子，混合均匀后得到所述的复合特种砂。
利用上述制备得到的复合特种砂制备砂型，制备方法包括：
S1：将复合特种砂、型砂粘结剂与去离子水加入到混合器中搅拌均匀，得到原料混合物；所述复合特种砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45；
S2：将步骤S1中的原料混合物倒入到模型中，在常温下静置成型，自然干燥，得到砂型。
实施例2
一种用于砂型铸造的复合特种砂，用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿30份、镁橄榄石12份、电熔刚玉3份、石灰石砂1份、改性二氧化硅粒子22份；
所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末；改性二氧化硅粒子的粒径为30nm。
用于砂型铸造的复合特种砂的制备方法包括：
(1)按配方量分别称取镁橄榄石和电熔刚玉、菱镁矿和石灰石砂，使用行星式研磨机磨细，接着掺入碳粉，混合均匀得到混合粉料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，揉制成颗粒混合物；
(2)采用1600℃的高温对步骤(1)中揉做成型的颗粒混合物进行煅烧，煅烧后，继续使用行星式研磨机进行磨细处理，然后掺入改性二氧化硅粒子，混合均匀后得到所述的复合特种砂。
利用上述制备得到的复合特种砂制备砂型，制备方法包括：
S1：将复合特种砂、型砂粘结剂与去离子水加入到混合器中搅拌均匀，得到原料混合物；所述复合特种砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45；
S2：将步骤S1中的原料混合物倒入到模型中，在常温下静置成型，自然干燥，得到砂型。
实施例3
一种用于砂型铸造的复合特种砂，用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿50份、镁橄榄石25份、电熔刚玉10份、石灰石砂5份、改性二氧化硅粒子35份；
所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末；改性二氧化硅粒子的粒径为30nm。
用于砂型铸造的复合特种砂的制备方法包括：
(1)按配方量分别称取镁橄榄石和电熔刚玉、菱镁矿和石灰石砂，使用行星式研磨机磨细，接着掺入碳粉，混合均匀得到混合粉料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，揉制成颗粒混合物；
(2)采用1600℃的高温对步骤(1)中揉做成型的颗粒混合物进行煅烧，煅烧后，继续使用行星式研磨机进行磨细处理，然后掺入改性二氧化硅粒子，混合均匀后得到所述的复合特种砂。
利用上述制备得到的复合特种砂制备砂型，制备方法包括：
S1：将复合特种砂、型砂粘结剂与去离子水加入到混合器中搅拌均匀，得到原料混合物；所述复合特种砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45；
S2：将步骤S1中的原料混合物倒入到模型中，在常温下静置成型，自然干燥，得到砂型。
实施例4
如实施例1的复合特种砂及其制备方法，并以制备得到的复合特种砂作为原料制备砂型，不同的是，所述复合特种砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.4；其余不变，制备得到砂型。
实施例5
如实施例1的复合特种砂及其制备方法，并以制备得到的复合特种砂作为原料制备砂型，不同的是，所述复合特种砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.5；其余不变，制备得到砂型。
对比例1
如实施例1的复合特种砂及其制备方法，并以制备得到的复合特种砂作为原料制备砂型，不同的是，所述用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿40份、镁橄榄石20份、电熔刚玉6份、石灰石砂3份、二氧化硅粒子30份；所述二氧化硅粒子与实施例1中用于制备改性二氧化硅粒子的二氧化硅原料相同；其余不变，制备得到砂型。
对比例2
如实施例1的复合特种砂及其制备方法，并以制备得到的复合特种砂作为原料制备砂型，不同的是，所述用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿40份、镁橄榄石20份、电熔刚玉6份、石灰石砂3份、改性二氧化硅粒子15份；其余不变，制备得到砂型。
按照以下测试方法对实施例1-5、对比例1-2得到的砂型，以及利用该砂型铸造得到的铸件进行评价测试。
1、砂型强度
将砂型打制为
Figure BDA0001783748430000071
标准抗压试验，室温硬化24h，测试抗压强度并记录到表1中。(具体的测试标准可以参见GB2684-81《铸造原砂及混合料试验方法》)
2、残留抗压强度
将砂型打制为
Figure BDA0001783748430000083
标准抗压试验，室温硬化24h，接着将其放入到600℃、800℃、1000℃的箱式电阻炉中30min，取出后冷却到室温，测试试样的残留抗压强度并记录到表2中。
3、铸件表面状态
通过目视的方法对从铸型脱模后的铸件表面进行评价。评价基准为：
○：表示没有型砂痕迹，为平滑的面；
△：表示能稍稍辨认出型砂痕迹，为稍平滑的面；
╳：表示型砂痕迹明显，为粗糙的面。
将测试结果记录到表1中。
表1：
Figure BDA0001783748430000081
表2：
Figure BDA0001783748430000082
Figure BDA0001783748430000091
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的特点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求保护的范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1. 一种用于砂型铸造的复合特种砂，其特征在于：用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿 30~50份、镁橄榄石 12~25份、电熔刚玉 3~10份、石灰石砂 1~5份、改性二氧化硅粒子 22~35份；
所述的改性二氧化硅粒子是以二氧化硅为核，碳为壳的纳米粉末，所述改性二氧化硅粒子的粒径为10~50nm；
所述改性二氧化硅粒子的制备方法包括：向纳米级二氧化硅中加入其质量的5~25%的碳源物质的水溶液，在60~90℃的温度条件下和100~200r/min的搅拌速度下分散均匀，在90~100℃烘干得到含有包覆层的二氧化硅，再经惰性气体氛围中，在400~500℃下碳化得到碳包覆的二氧化硅粒子，即改性二氧化硅粒子；
所述的碳源物质为淀粉。
2.根据权利要求1所述的用于砂型铸造的复合特种砂，其特征在于：用于制备所述复合特种砂的原料组合物包括以下重量份的原料：菱镁矿 40份、镁橄榄石 20份、电熔刚玉 6份、石灰石砂 3份、改性二氧化硅粒子 30份。
3.根据权利要求1所述的用于砂型铸造的复合特种砂，其特征在于：所述菱镁矿的颗粒细度≤0.074mm；
所述镁橄榄石的颗粒细度≤0.149mm；
所述电熔刚玉的颗粒细度≤0.149mm；
所述石灰石砂的颗粒细度≤0.074mm。
4.一种如权利要求1~3任意一项所述用于砂型铸造的复合特种砂的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）按配方量分别称取镁橄榄石和电熔刚玉、菱镁矿和石灰石砂，使用行星研磨机磨细，接着掺入碳粉，混合均匀得到混合粉料，以聚乙烯醇水溶液作为粘结剂，揉制成颗粒混合物；
（2）采用1550~1600℃的高温对步骤（1）中揉做成型的颗粒混合物进行煅烧，煅烧后，继续使用行星研磨机进行磨细处理，然后掺入改性二氧化硅粒子，混合均匀后得到所述的复合特种砂。
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