CN109277517A - 一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂及其制备方法。该覆膜砂由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂100～200份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂2～8份，树脂1～5份，石墨粉0.1～1份，乌洛托品0.02～2份，硬脂酸钙0.05～0.5份。该覆膜砂以陶粒砂作为骨料，具有耐高温性能好和原料制作过程环保的优点，且成本低于锆英砂和宝珠砂。并且，该陶粒砂以石墨粉作为辅料，能够提高该覆膜砂的强度。

Description

一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂及其制备方法

技术领域

本发明涉及铸造材料技术领域，具体涉及一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂，以及该覆膜砂的制备方法。

背景技术

用于铸造行业的覆膜砂都具有一定的耐高温能力。一般将浇注温度在1500℃以上，还能够保持自身强度的覆膜砂称为耐高温覆膜砂。其具有优异的耐高温、高强度、低膨胀、低发气、慢发气、易溃散等性能。耐高温覆膜砂特别适用于复杂薄壁精密的铸铁件，如汽车发动机缸体、缸盖等；以及高要求的铸钢件，如集装箱角、火车刹车缓冲器壳件等，可有效消除粘砂、变形、热裂和气孔等铸造缺陷。

耐高温覆膜砂的制备工艺包括在硅砂覆膜时加入一定量的惰性材料，如锆砂、铬铁矿砂、含碳材料或其他惰性材料等。目前国内的耐高温覆膜砂选取的骨料主要有高硅砂、宝珠砂、锆英砂等。高硅砂具有热膨胀量大、角形系数较大、流动性差等缺点，易引起铸件出现粘砂、脉纹、变形以及开裂等缺陷；宝珠砂中铁单质和铁氧化物含量高，在铸铝件和铸钢件生产中容易化学反应，导致铸件粘砂烧结。并且其制作过程对环境造成污染较大，成本太高。锆英砂虽然综合性能较高，但是资源稀缺、价格昂贵。同时也因为在生产过程中是由机械破碎，角形系数较大会消耗大量的粘结剂。

另外，耐高温覆膜砂的性能主要取决于耐高温强度和防止铸造粘砂缺陷的效果。当前主要通过加入四氧化三铁砂起到激冷作用，使得与铸型接触的金属液温度降低，从而防止粘砂；或者加入耐火度为1900℃的铬铁矿粉在硅砂表面形成耐高温膜，增加其耐高温性能，如专利CN 107262662 A；或者加入耐火度为1800℃的空心陶瓷微珠替代铬铁矿粉，如专利CN 108127073 A。但是，上述防止粘砂的辅剂由于其耐火性能不够好，在实际铸造生产中仍然会出现粘砂等缺陷，严重时会导致铸件报废。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂。

本发明的第二目的在于提供上述覆膜砂的制备方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明涉及一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂，由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂100～200份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂2～8份，树脂1～5份，石墨粉0.1～1份，乌洛托品0.02～2份，硬脂酸钙0.05～0.5份。

优选地，所述覆膜砂由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂150份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂3～7份，树脂2.5～4份，石墨粉0.1～0.8份，乌洛托品0.02～1份，硬脂酸钙0.1～0.3份。

优选地，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH570中的至少一种。

优选地，所述树脂为酚醛树脂或改性酚醛树脂。

优选地，所述陶粒砂由包括以下重量份数的原料制备得到：粘土、板岩、页岩或煤矸石85～95份，铝粉5～15份。

优选地，所述陶粒砂通过以下方法制备得到：

(1)将粘土、板岩、页岩或煤矸石粉碎为颗粒；

(2)将所述颗粒加入造粒机中进行造粒，待造粒完成后，向造粒机中加入铝粉，混合搅拌均匀，得到裹覆有铝粉的球粒状半成品；

(3)将所述球粒状半成品进行烧结，得到所述陶粒砂。

优选地，步骤(1)中，所述颗粒的细度为500～600目。

优选地，步骤(3)中，所述烧结的温度为1000～1200℃；所述烧结的时间为25～35min。

本发明还涉及所述覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

将陶粒砂与铁砂预热至120～130℃后加入混砂机，同时加入硅烷偶联剂，混合后依次加入树脂、石墨粉、乌洛托品和硬脂酸钙，冷却后得到所述覆膜砂。

优选地，所述覆膜砂的常温抗拉强度≥4.9MPa，耐高温时间≥250s。

本发明的有益效果：

本发明提供了一种耐高温覆膜砂，该覆膜砂以陶粒砂作为骨料，其具有耐高温性能好和原料制作过程环保的优点，且将陶粒砂作为骨料的成本低于锆英砂和宝珠砂。并且，该陶粒砂以石墨粉作为辅料，由于石墨粉耐火度能达到3000℃，因此能够提高该覆膜砂的强度。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明实施例涉及一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂，由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂100～200份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂2～8份，树脂1～5份，石墨粉0.1～1份，乌洛托品0.02～2份，硬脂酸钙0.05～0.5份。

其中，陶粒砂也称为陶粒，是利用各类粘土、板岩、页岩、煤矸石，以及工业固体废弃物等多种原料，经过陶瓷烧结而成，一般是用来取代混凝土中的碎石和卵石。陶粒砂具有密度低、保温隔热、抗渗性优异、抗碱集料反应性优异、吸水率低、抗冻性能和耐久性能好等众多优点。本发明采用的陶粒砂原料来源广泛，无需过多资金投入，与传统覆膜砂相比节省了铸造企业造型材料的成本。

铁砂的主要成分为四氧化三铁，在耐高温覆膜砂中主要起到激冷作用，使得与铸型接触的金属液温度降低，从而防止粘砂。

硅烷偶联剂的分子结构式一般为Y-R-Si(OR)₃，式中Y为有机官能基，SiOR为硅烷氧基。硅烷氧基对无机物具有反应性，有机官能基对有机物具有反应性或相容性。因此,，当硅烷偶联剂介于无机和有机界面之间，可形成有机基体-硅烷偶联剂-无机基体的结合层。加入硅烷能够提高树脂的覆膜效果，以增加耐高温覆膜砂的机械强度。本发明中的硅烷偶联剂可选自KH550、KH560、KH570中的至少一种。

本发明中，树脂主要作为粘结剂使用，可以为酚醛树脂或改性酚醛树脂。

石墨粉的耐火度能达到3000℃，因此能够提高该覆膜砂的强度。将石墨粉用于覆膜砂后，在铸钢浇注温度(1600℃)下的强度能提高近乎一倍。因此可以用石墨粉替代铬铁矿粉(耐火度1900℃)或空心陶瓷微珠(耐火度1800℃)等耐高温细粉颗粒。并且，石墨粉的成本明显低于后者。

乌洛托品，化学名为六亚甲基四胺，用作树脂和塑料的固化剂。当覆膜砂受热时，包覆在沙粒表面的树脂熔融，在乌洛托品分解出的亚甲基作用下，熔融的树脂由线性结构迅速转变为不熔融的体型结构，从而使覆膜砂固化成型。

硬脂酸钙是作为润滑剂使用，主要作用为防止结块，并提高覆膜砂的流动性和脱模性。润滑剂应选择熔点较高的物质，以防止覆膜砂在使用过程中脱壳。

在本发明的一个实施例中，覆膜砂由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂150份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂3～7份，树脂2.5～4份，石墨粉0.1～0.8份，乌洛托品0.02～1份，硬脂酸钙0.1～0.3份。

在本发明的一个实施例中，陶粒砂由包括以下重量份数的原料制备得到：粘土、板岩、页岩或煤矸石85～95份，铝粉5～15份。

如前所述，粘土、板岩、页岩、煤矸石以及工业固体废弃物均可作为制备陶粒砂的原料。但是，如果采用铸造废灰或者再生砂的除尘灰，制备得到的陶粒砂粒径不均匀且表面粗糙，只能作为建筑材料使用。这种陶粒砂价格较低，约上百元一吨。本发明采用的陶粒砂骨料能够耐受高温，再加上包覆铝粉的工艺，使陶粒砂的强度高、耐高温、表面光滑角形系数好且易于覆膜，是一种精工艺的铸造材料，价格在3000元左右一吨。

进一步地，该陶粒砂通过以下方法制备得到：

(1)将粘土、板岩、页岩或煤矸石粉碎为颗粒，优选颗粒的细度为500～600目。

(2)将颗粒加入造粒机中进行造粒，待造粒完成后，向造粒机中加入铝粉，混合搅拌均匀，得到裹覆有铝粉的球粒状半成品；

优选铝粉的细度为600～800目。如果不裹覆铝粉，由于球粒状半成品的表面潮湿，容易相互粘结，烧制的时候会粘结在一起，从而降低陶粒砂的圆整度和流动性。而采用铝粉裹覆后，可以有效地避免球粒状半成品互相粘结的问题。此外，在烧制过程中，铝粉会氧化成耐火度很高的三氧化二铝包覆在陶粒表面，进一步提高陶粒的耐火度。最后，陶粒砂表面的氧化铝膜可以填平球粒状半成品表面的凹坑，降低其表面的粗糙度，使陶粒砂在制备覆膜砂时，能够更好地被树脂包覆。

(3)将球粒状半成品进行烧结，得到陶粒砂。优选烧结的温度为1000～1200℃；烧结的时间为25～35min。

该陶粒砂中，氧化铝的质量百分含量为50～60％，氧化硅的质量百分含量≤30％，氧化铁的质量百分含量≤3％，二氧化钛的质量百分含量≤2％。

一般来说，氧化铝的含量越高，陶粒砂的耐火度越高。但是相应地会增加原料成本。而二氧化硅的含量不宜过高，过多的二氧化硅在相变时会增加陶粒砂的热膨胀率。氧化铁的含量会影响陶粒砂的耐火度，所以氧化铁的含量也不宜过高。二氧化钛对陶粒砂的性能无明显影响。

本发明实施例还涉及覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

将陶粒砂与铁砂预热至120～130℃后加入混砂机，同时加入硅烷偶联剂，混合后依次加入树脂、石墨粉、乌洛托品和硬脂酸钙，冷却后得到覆膜砂。

在本发明的一个具体实施例中，将陶粒砂与铁砂预热至120～130℃后加入混砂机，同时加入硅烷偶联剂。混合5秒后，加入树脂混制55～60秒。接着加入石墨粉，混制15～20秒。再加入乌洛托品，混合35～40秒。然后加入硬脂酸钙，混合10～15秒，得到覆膜砂。经筛分机去除杂质颗粒，最后经冷却床将覆膜砂降温冷却。

实施例1

一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂的制备方法，包括以下步骤：

(一)制备陶粒砂

(1)将90份粘土、板岩、页岩或煤矸石粉碎为细度为500～600目的颗粒；

(2)将所述颗粒加入圆盘造粒机内进行造粒。待造粒完成后，向造粒机中加入目数低于1000目的10份铝粉，混合搅拌1～3min后，得到裹覆有铝粉的球粒状半成品。

(3)将所述球粒状半成品在1000～1200℃烧结25～35min，得到所述陶粒砂，该陶粒砂的粒径为30～270目，性能参数如表1所示。

表1

检测项目	检测结果
		外观	浅黄棕色球形
角形系数	1.05
		耐火度(℃)	1850
堆积密度(g/cm<sup>3</sup>)	1.45～1.55
		热膨胀系数/×10<sup>-6</sup>℃<sup>-1</sup>	4～6(20～1000℃)
灼减量(％)	≤0.12
		含泥量(％)	≤0.15
酸耗值	≤5.0
		pH值	7～8

(二)制备铸造用耐高温陶粒覆膜砂

原材料为：上述制备的陶粒砂150份，30～270目的铁砂7.5份，硅烷偶联剂KH550 3份(用水稀释3倍)，酚醛树脂2.84份，石墨粉1.5份，乌洛托品0.3份(实际使用的是乌洛托品水溶液，乌洛托品与水的质量比为1:3)，硬脂酸钙0.15份。

将陶粒砂与铁砂预热至120～130℃后加入混砂机，同时加入硅烷偶联剂。混合5秒后，加入酚醛树脂混制55～60秒。接着加入石墨粉，混制15～20秒。再加入乌洛托品，混合35～40秒。然后加入硬脂酸钙，混合10～15秒，得到覆膜砂。经筛分机去除杂质颗粒，最后经冷却床将覆膜砂降温冷却。

实施例2

一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂的制备方法，其中制备陶粒砂的原料为：粘土、板岩、页岩或煤矸石95重量份，目数低于1000目的铝粉5重量份。

制备铸造用耐高温陶粒覆膜砂的原料为：上述制备的陶粒砂200份，30～270目的铁砂10份，硅烷偶联剂KH570 8份(用水稀释3倍)，酚醛树脂3.78份，石墨粉4份，乌洛托品0.4份(实际使用的是乌洛托品水溶液，乌洛托品与水的质量比为1:3)，硬脂酸钙0.24份。

其它操作步骤同实施例1。

实施例3

一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂的制备方法，其中制备陶粒砂的原料为：粘土、板岩、页岩或煤矸石85重量份，目数低于1000目的铝粉15重量份。

制备铸造用耐高温陶粒覆膜砂的原料为：上述制备的陶粒砂100份，30～270目的铁砂5份，硅烷偶联剂KH570 2份(用水稀释3倍)，酚醛树脂2份，石墨粉0.2份，乌洛托品0.2份(实际使用的是乌洛托品水溶液，乌洛托品与水的质量比为1:3)，硬脂酸钙0.12份。

其它操作步骤同实施例1。

对比例1

将陶粒砂替换为海南砂，其它原料和操作步骤同实施例1。

对比例2

将石墨粉替换为铬铁矿粉，其它原料和操作步骤同实施例1。

对比例3

不加入硅烷，其它原料和操作步骤同实施例1。

对实施例和对比例的覆膜砂的相关性能进行检测，检测结果如表2所示：

表2

检测项目	常温抗拉强度(MPa)	耐高温时间(s)
			实施例1	5.0	255
实施例2	4.9	252
			实施例3	4.9	250
对比例1	4.3	210
			对比例2	4.9	190
对比例3	4.1	253

*耐高温时间的具体测试方式为：制作圆柱形覆膜砂试块，试块的直径为Φ10-Φ50mm，高度为20-100mm，圆柱体的直径与高度的比值为1:2。恒温恒压垂直加载，温度为1200℃，压力为0.2MPa。

根据行业标准，铸钢件用耐高温覆膜砂的常温抗拉强度至少大于4.0MPa，耐高温时间至少大于200s。

将实施例1至3与对比例1对比可以看出，使用本发明的陶粒砂，覆膜砂的强度和耐高温性能都有明显提升。本发明覆膜砂的常温抗拉强度≥4.9MPa，耐高温时间≥250s。

将实施例1与对比例2对比可以看出，将石墨粉作为防粘结剂时，对耐高温性能有明显的提升，但对强度提升作用不明显。

将实施例1与对比例3对比可以看出，加入硅烷能够明显提升强度，但对耐高温性能没有明显影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种铸造用耐高温陶粒覆膜砂，其特征在于，由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂100～200份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂2～8份，树脂1～5份，石墨粉0.1～1份，乌洛托品0.02～2份，硬脂酸钙0.05～0.5份。

2.根据权利要求1所述的覆膜砂，其特征在于，所述覆膜砂由包括以下重量份数的原料制备得到：陶粒砂150份，铁砂5～10份，硅烷偶联剂3～7份，树脂2.5～4份，石墨粉0.1～0.8份，乌洛托品0.02～1份，硬脂酸钙0.1～0.3份。

3.根据权利要求1或2所述的覆膜砂，其特征在于，所述硅烷偶联剂选自KH550、KH560、KH570中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的覆膜砂，其特征在于，所述树脂为酚醛树脂或改性酚醛树脂。

5.根据权利要求1或2所述的覆膜砂，其特征在于，所述陶粒砂由包括以下重量份数的原料制备得到：粘土、板岩、页岩或煤矸石85～95份，铝粉5～15份。

6.根据权利要求5所述的覆膜砂，其特征在于，所述陶粒砂通过以下方法制备得到：

(1)将粘土、板岩、页岩或煤矸石粉碎为颗粒；

(2)将所述颗粒加入造粒机中进行造粒，待造粒完成后，向造粒机中加入铝粉，混合搅拌均匀，得到裹覆有铝粉的球粒状半成品；

(3)将所述球粒状半成品进行烧结，得到所述陶粒砂。

7.根据权利要求6所述的覆膜砂，其特征在于，步骤(1)中，所述颗粒的细度为500～600目。

8.根据权利要求6所述的覆膜砂，其特征在于，步骤(3)中，所述烧结的温度为1000～1200℃；所述烧结的时间为25～35min。

9.根据权利要求1至8任一项所述覆膜砂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将陶粒砂与铁砂预热至120～130℃后加入混砂机，同时加入硅烷偶联剂，混合后依次加入树脂、石墨粉、乌洛托品和硬脂酸钙，冷却后得到所述覆膜砂。

10.根据权利要求1至8任一项所述的覆膜砂，其特征在于，所述覆膜砂的常温抗拉强度≥4.9MPa，耐高温时间≥250s。