CN109093060A - 一种高强度砂型及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械铸造技术领域，具体涉及一种高强度砂型及其制备方法，所述的制备方法包括：(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；(3)将步骤(2)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；本发明中，通过在粘土粉中掺入了煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粉，各原料组分之间相互协同配合，提高了砂型的综合性能，确保了制备得到的铸件的质量。
Description
技术领域
本发明属于机械铸造技术领域，具体涉及一种高强度砂型及其制备方法。
背景技术
砂型是铸造生产过程中用原砂、粘结剂及其他辅料做成的铸件型腔，高温液态金属浇注到砂型中，冷却成型为铸件型腔的模样，接着进行落砂作业，得到铸件产品；落砂被回收利用。砂型的质量将直接影响到铸件的质量，砂型质量不好会使得铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷，良好的砂型应当同时具备以下性能：(1)透气性；(2)强度；(3)耐火性；(4)可塑性；(5)退让性。
目前，用于机械铸造过程中的造型、制芯用的粘结剂主要分为有机和无机两大类，有机粘结剂，即有机树脂粘结剂，其粘接强度高，固化剂为液体，便于实现自动化定量生产，并且在混砂过程中不产生粉尘污染，但是有机树脂砂在浇注过程中容易产生有毒气体，如二噁英、氨气、二氧化硫等，对环境污染较严重；无机粘结剂因其不易产生有毒气体、原料成本低而成为型砂粘结剂的重点开发方向。目前，使用较多的无机粘结剂有粘土和水玻璃。现有的无机粘结剂在进一步提高型砂性能，确保铸件质量上仍有待改善。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高强度砂型的制备方法，制备得到的砂型具有较好的综合性能，能有效防止铸件表面出现的外观缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种高强度砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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。
在进一步的技术方案中，步骤(2)中，所述石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：(1.5～3.5)：(4～6.5)混合而成。
在进一步的技术方案中，步骤(2)中，所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：(0.4～0.5)。
在进一步的技术方案中，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉80～130份、煤矸石粉4.8～19.5份、硅铝酸盐40～60份、硅藻土30～70份、珍珠岩粉5～10份、纳米硅微粉8～20份、去离子水140～200份。
在进一步的技术方案中，所述煤矸石粉与粘土粉的质量比为(0.06～0.15)：1。
在进一步的技术方案中，所述珍珠岩粉的目数为90～120目。
在进一步的技术方案中，所述的纳米硅微粉为平均粒径在30～60nm的粉状硅微粉。
本发明还提供了一种采用上述制备方法制备得到的高强度砂型。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
本发明中，通过在粘土粉中掺入了煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粉，各原料组分之间相互协同配合，提高了砂型的综合性能，确保了制备得到的铸件的质量；
所述的砂型采用不同粒径的石英砂粉体进行混合制备得到，确保了砂型的紧实度，利于提高整体强度，与此同时，与之配合相配合的型砂粘结剂保证了在提高紧实度的同时提高砂型的透气性能，防止了铸件表面缺陷的产生。
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。
本发明提供了一种高强度砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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。
本发明提供的型砂粘结剂，以粘土粉作为主要材料，在粘土粉中掺入了煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粉。
所述的煤矸石粉是由煤矸石粉碎而成的粉末状物质，煤矸石是在采煤过程和洗煤过程中排放的固体废弃物，是一种在成煤过程中与煤层伴生的一种含碳量低、比煤坚硬的黑灰色岩石，煤矸石的主要成分有Al2O3、SiO2，另外还含有数量不等的Fe2O3、CaO、MgO、Na2O、K2O、P2O5、SO3和微量稀有元素(镓、钒、钛、钴)；现有技术中，煤矸石作为固体废弃物，不仅堆积占地，而且还能产生自燃污染空气或引起火灾，因此煤矸石的开发利用也是一个亟待解决的技术问题，本发明中，将煤矸石粉与粘土粉混合后作为型砂粘结剂，在型砂成型后浇注高温液态金属的过程中，高温液态金属可以使得煤矸石粉中的微量碳发生反应，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；同时，砂型外层含有的碳在高温作用下发生氧化反应，生成二氧化碳气体溢出，并在砂型中形成由内向外的空隙结构，确保了砂型的透气性能，这对高温液态金属浇注后产生大量气体的顺利排出是极其有利的。
本发明中，所述煤矸石的含碳量为10～20％，煤矸石粉的制备方法为，将煤矸石与石灰石按照质量比为1：(0.3～0.7)进行混合，接着在110～130℃的温度下煅烧处理1～3h，然后磨细至粒度小于0.05mm，得到煤矸石粉；通过石灰石的加入，在高温作用下，煤矸石中的高岭石转变为硅酸二钙和七铝十二钙，处于介稳状态的硅酸二钙在晶相转变过程中产生的体积膨胀可以达到10％之多，造成硅酸二钙连同矿物组成一同粉化。如此，极大的降低了煤矸石破碎成煤矸石粉的能耗。
本发明中，煤矸石的用量影响其在粘土粉中发挥的作用，煤矸石的用量过少时，无法形成碳膜结构，容易出现铸件的表面缺陷，而煤矸石的用量过多时，会影响整体砂型的强度。优选条件下，所述煤矸石粉与粘土粉的质量比为(0.06～0.15)：1。
本发明中所述的硅铝酸盐的主要成分有氧化硅、氧化钛、氧化铝、氧化铁、氧化镁、氧化钙、氧化钠和氧化钾，其中氧化硅和氧化铝的总含量超过了70％，硅铝酸盐的掺入能够很好的提高砂型的耐火性能，并确保砂型在浇注高温液态金属过程中的尺寸稳定性。
本发明中所述的硅藻土是一种生物成因的硅质沉积岩，它主要由古代硅藻的遗骸所组成。其化学成分以SiO2为主，可用SiO2·nH2O表示。硅藻土有细腻、松散、质轻、多孔、吸水性和渗透性强的特点。在砂型浇注高温液态金属的过程中，砂型内产生大量的气体，这些气体必须由铸型内顺利排出去，否则将会使铸件产生气孔、浇不足等缺陷，一般来说，砂型中的砂粒粒径较大，可以确保较好的透气性能，但是对于铸件表面性能影响较大；砂粒的粒度越细，砂型紧实度越高，则透气性能越差，本发明在确保砂型具有较高紧实度的前提下，通过硅藻土的掺入，提高了砂型的整体透气性能，从而确保能够铸造出外观条件良好的铸件。
本发明中，所述珍珠岩粉和纳米硅微粉的作用在于填充在砂型中，进一步的提高砂型的紧实度，确保制备得到良好表面外观的铸件，减少铸件的表面缺陷。优选条件下，所述珍珠岩粉的目数为90～120目。所述的纳米硅微粉为平均粒径在30～60nm的粉状硅微粉。
本发明中，型砂粘结剂中的原料之间相互协同作用，在确保砂型紧实度的前提下，提高了砂型的透气性能，从而确保铸件的表面外观，防止出现缺陷、外观不良的现象。
根据本发明，通过不同粒径的石英砂的组合，确保了制备的砂型具有较好的紧实度，便于提高砂型强度。优选条件下，步骤(2)中，所述石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：(1.5～3.5)：(4～6.5)混合而成。
根据本发明，优选条件下，步骤(2)中，所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：(0.4～0.5)。
本发明中，所述型砂粘结剂中各组分的含量可以在较宽的范围内选择，为了确保得到的型砂粘结剂具有较好的综合性能，优选条件下，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉80～130份、煤矸石粉4.8～19.5份、硅铝酸盐40～60份、硅藻土30～70份、珍珠岩粉5～10份、纳米硅微粉8～20份、去离子水140～200份。
以下通过具体的实施例对本发明提供的高强度砂型的制备方法做出进一步的说明。
实施例1
一种砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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；
用于制备型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉100份、煤矸石粉15份、硅铝酸盐50份、硅藻土55份、珍珠岩粉(100目)8份、纳米硅微粉(50nm)15份、去离子水160份；
所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：2.5：5.5混合而成；
所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45。
实施例2
一种砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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；
用于制备型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉110份、煤矸石粉14份、硅铝酸盐45份、硅藻土60份、珍珠岩粉(100目)7份、纳米硅微粉(50nm)16份、去离子水180份；
所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：2.5：5.5混合而成；
所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45。
实施例3
一种砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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；
用于制备型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉95份、煤矸石粉8份、硅铝酸盐55份、硅藻土50份、珍珠岩粉(100目)8份、纳米硅微粉(50nm)16份、去离子水170份；
所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：2.5：5.5混合而成；
所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45。
实施例4
一种砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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；
用于制备型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉80份、煤矸石粉4.8份、硅铝酸盐40份、硅藻土30份、珍珠岩粉(100目)5份、纳米硅微粉(50nm)8份、去离子水140份；
所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：2.5：5.5混合而成；
所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45。
实施例5
一种砂型的制备方法，包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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；
用于制备型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉130份、煤矸石粉19.5份、硅铝酸盐60份、硅藻土70份、珍珠岩粉(100目)10份、纳米硅微粉(50nm)20份、去离子水200份；
所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：2.5：5.5混合而成；
所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.45。
实施例6
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：1.5：4混合而成；其余不变，得到砂型。
实施例7
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，所述的石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：3.5：6.5混合而成；其余不变，得到砂型。
实施例8
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.4；其余不变，得到砂型。
实施例9
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.5；其余不变，得到砂型。
对比例1
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物中不含有煤矸石粉，其余不变，得到砂型。
对比例2
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物中煤矸石的含量为5份，即：
用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉100份、煤矸石粉5份、硅铝酸盐50份、硅藻土55份、珍珠岩粉(100目)8份、纳米硅微粉(50nm)15份、去离子水160份；其余不变，得到砂型。
对比例3
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物中不含有硅藻土，其余不变，得到砂型。
对比例4
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物中不含有珍珠岩粉，其余不变，得到砂型。
对比例5
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物中不含有纳米硅微粉，其余不变，得到砂型。
对比例6
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，在制备砂型过程中，使用的石英砂总量不变，粒径更改为20～50目；其余不变，得到砂型。
对比例7
如实施例1提供的砂型的制备方法，不同的是，在制备砂型过程中，所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：0.3；其余不变，得到砂型。
按照以下测试方法对上述实施例1-9、对比例1-7得到的型砂粘结剂和砂型进行相关性能的测试：
1、砂型强度
将砂型打制为标准抗压试验，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：
表2：
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 (8)
1.一种高强度砂型的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将煤矸石粉、硅铝酸盐、硅藻土、珍珠岩粉和纳米硅微粒加入到去离子水中，搅拌混合均匀后，在搅拌的条件下加入粘土粉，持续搅拌混合，即得型砂粘结剂；
(2)将石英砂与步骤(1)中的型砂粘结剂加入混合器中搅拌混匀，得到原料混合物；
(3)将步骤(2)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。
2.根据权利要求1所述的高强度砂型的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述石英砂包括粒径为20～50目、50～70目、70～90目的石英砂粉体按质量比为1：(1.5～3.5)：(4～6.5)混合而成。
3.根据权利要求1所述的高强度砂型的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述石英砂与型砂粘结剂的质量比为1：(0.4～0.5)。
4.根据权利要求1所述的高强度砂型的制备方法，其特征在于：用于制备所述型砂粘结剂的原料组合物包括以下重量份的原料：粘土粉80～130份、煤矸石粉4.8～19.5份、硅铝酸盐40～60份、硅藻土30～70份、珍珠岩粉5～10份、纳米硅微粉8～20份、去离子水140～200份。
5.根据权利要求1所述的高强度砂型的制备方法，其特征在于：所述煤矸石粉与粘土粉的质量比为(0.06～0.15)：1。
6.根据权利要求1所述的高强度砂型的制备方法，其特征在于：所述珍珠岩粉的目数为90～120目。
7.根据权利要求1所述的高强度砂型的制备方法，其特征在于：所述的纳米硅微粉为平均粒径在30～60nm的粉状硅微粉。
8.一种如权利要求1～7任意一项所述的制备方法制备得到的高强度砂型。
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|---|---|---|---|---|
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