CN110496933B - 一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂56‑80份、镁橄榄石砂8‑12份、硅砂2‑4份、锆英砂3‑6份、水玻璃溶液4‑7份、聚三氟乙丙烯1‑2份、石蜡基石油磺酸钙2‑4份、氧化铬纤维0.3‑0.8份。本发明适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，其热膨胀系数低、高溃散性、不与碱性高锰钢铸件材料产生化学反应，且价格低廉，可推广应用。

Description

一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳 硬化型砂

技术领域

本发明属于铸造材料领域，具体涉及一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂。

背景技术

砂型铸造，是一种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，铸型制造简便，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。制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。

目前铸造碱性高锰钢铸件材料大量使用的铸造砂，以天然的硅砂或人工破碎的硅砂为主，但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：硅砂受热后膨胀，容易破碎，硅砂的热膨胀率高，溃散性差，很容易产生铸造缺陷，同时，由于硅砂是酸性材料，而高锰钢是碱性材料，当液态碱性高锰钢(温度在1350-1550℃)材料浇入砂型型腔冷却过程中，两者容易起化学反应而产生铸件表面化学粘砂，严重影响铸件表面质量。因此如何开发一种低热膨胀系数、高溃散性、不与碱性高锰钢铸件材料产生化学反应的铸造砂，成为了研究的的重点和热点，目前仍未找到廉价的造型材料。

发明内容

本发明提供一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以解决天然的硅砂或人工破碎的硅砂在造型浇铸过程中存在热膨胀率高、溃散性差等问题。

为了解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂56-80份、镁橄榄石砂8-12份、硅砂2-4份、锆英砂3-6份、水玻璃溶液4-7份、聚三氟乙丙烯1-2份、石蜡基石油磺酸钙2-4份、氧化铬纤维0.3-0.8份。

技术原理：本发明适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂以氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂作为原砂的主要成分，氧化钙砂、镁橄榄石砂、锆英砂受热时膨胀系数较小，将氧化钙砂、镁橄榄石砂、锆英砂与硅砂混合作为适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的原砂，降低硅砂的膨胀系数，提高了结构稳定性，使得高锰钢铸件冷凝速度均匀，冷凝后高锰钢铸件表面不易产生裂纹和缩孔；加入水玻璃可以使得铸造型砂的粘性增强。在应用中，浇入的碱性高锰钢液体温度一般在1350-1550℃，制备水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中含有聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维，聚三氟乙丙烯在高温度下会产生氟光气，氟光气能够提高氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂的活性，这是因为氟光气能增加晶格的空穴量，从而在高锰钢铸件铸造中提高适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂原料之间的结合强度，进而提高适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂溃散性；石蜡基石油磺酸钙在混合过程中具有良好的分散性，在高温度下分解成具有活性的氧化钙和硫元素，硫元素掺杂到聚三氟乙丙烯提高氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂的晶格中活性空穴，用硫原子的电子效应形成电子云，从而有效提高晶格层之间的稳定性，进而提高溃散性能和降低热膨胀系数，氧化钙利用自身较强的粘附性能和低热膨胀系数，能够进一步降低热膨胀系数和提高溃散性；氧化铬纤维具有较大的比表面积和良好的分散性，进而提高适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的溃散性，并且石蜡基石油磺酸钙和聚三氟乙丙烯的活性硫原子和氟原子能够结合到氧化铬纤维表层的活性基团上，利用氧化铬纤维的分散性，将活性掺杂原子分散到组分中，进而通过聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维的协同配合，实现降低热膨胀系数和提高溃散性的目的。

进一步地，所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂70份、镁橄榄石砂10份、硅砂3份、锆英砂5份、水玻璃溶液6份、聚三氟乙丙烯1.6份、石蜡基石油磺酸钙3份、氧化铬纤维0.6份。

进一步地，所述的氧化钙砂中氧化钙含量≥97.46％，粒度为20-100目。

进一步地，所述的镁橄榄石砂中氧化镁含量为46.13-58.61％，粒度为20-100目。

进一步地，所述的硅砂中二氧化硅含量为85.47％-92.64％，氧化铝≤5％，粒度为20-100目。

进一步地，所述的硅砂的粒度为20-100目。

进一步地，所述的锆英砂中氧化锆含量≥63.45％，氧化硅含量≤19.76％，氧化钛含量≤0.32％，氧化铝含量≤0.24％。

进一步地，所述的锆英砂的粒度为20-100目。

进一步地，所述的水玻璃溶液模数为2.0-3.0。

进一步地，所述的氧化铬纤维的长度为0.43-2.16μm。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂不易“蚯裂”和“缩沉”及粘砂，复用性及溃散性较好，价格低廉。

(2)本发明减少了镁橄榄石砂的用量，加入氧化钙砂，在不影响铸型效果的基础上，既减少了有害粉尘的对人体的伤害，又基本克服了粘砂缺陷，同时大大降低了成本。

(3)本发明加入适量的锆英砂有助于抗粘砂和使高锰钢铸件表面光洁。

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，所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂56-80份、镁橄榄石砂8-12份、硅砂2-4份、锆英砂3-6份、水玻璃溶液4-7份、聚三氟乙丙烯1-2份、石蜡基石油磺酸钙2-4份、氧化铬纤维0.3-0.8份；

所述的氧化钙砂中氧化钙含量≥97.46％，粒度为20-100目；

所述的镁橄榄石砂中氧化镁含量为46.13-58.61％，粒度为20-100目；

所述的硅砂中二氧化硅含量为85.47％-92.64％，氧化铝≤5％，粒度为20-100目；

所述的锆英砂中氧化锆含量≥63.45％，氧化硅含量≤19.76％，氧化钛含量≤0.32％，氧化铝含量≤0.24％，粒度为20-100目；

所述的水玻璃溶液模数为2.0-3.0；

所述的氧化铬纤维的长度为0.43-2.16μm；

所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原材料通过粉碎和球磨等方式进行粉磨制备成粒径大于40目的粉料，根据配方的重量份数，将氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂、聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维进行搅拌混料，得到粉料混合物；

(2)将所述粉料混合物加入混砂装置，用液体泵将水玻璃溶液均匀泵入到所述混砂装置内，使所述粉料混合物混合均匀制成半成品；

(3)将半成品添加到放置模具的砂箱内，并紧实；

(4)在型砂中插通气孔，使用橡胶软管插入型砂内，通入二氧化碳，并控制通入二氧化碳的压力和时间，二氧化碳的压力为0.3-0.8公斤，通入二氧化碳的时间为10-30分钟，使得型砂硬化，制得适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂腔。

实施例1

一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂60份、镁橄榄石砂8份、硅砂2份、锆英砂3份、水玻璃溶液5份、聚三氟乙丙烯1份、石蜡基石油磺酸钙2份、氧化铬纤维0.4份；

所述的氧化钙砂中氧化钙含量为97.53％，粒度为20目；

所述的镁橄榄石砂中氧化镁含量为48.76％，粒度为20目；

所述的硅砂中二氧化硅含量为87.16％，氧化铝为2.69％，粒度为40目；

所述的锆英砂中氧化锆含量为67.58％，氧化硅含量为15.61％，氧化钛含量为0.24％，氧化铝含量为0.13％，粒度为60目；

所述的水玻璃溶液模数为2.2；

所述的氧化铬纤维的长度为0.56-2.09μm；

所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为60-80目的粉料，根据配方的重量份数，将氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂、聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维进行搅拌混料，得到粉料混合物；

(2)将所述粉料混合物加入混砂装置，用液体泵将水玻璃溶液均匀泵入到所述混砂装置内，使所述粉料混合物混合均匀制成半成品；

(3)将半成品添加到放置模具的砂箱内，并紧实；

(4)在型砂中插通气孔，使用橡胶软管插入型砂内，通入二氧化碳，并控制通入二氧化碳的压力和时间，二氧化碳的压力为0.3-0.7公斤，通入二氧化碳的时间为25分钟，使得型砂硬化，制得适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂腔。

适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的应用：在硬化型砂腔内浇入碱性高锰钢液体，冷却后获得所需的高锰钢铸件。

实施例2

一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂70份、镁橄榄石砂10份、硅砂3份、锆英砂5份、水玻璃溶液6份、聚三氟乙丙烯1.6份、石蜡基石油磺酸钙3份、氧化铬纤维0.6份；

所述的氧化钙砂中氧化钙含量为98.29％，粒度为40目；

所述的镁橄榄石砂中氧化镁含量为53.82％，粒度为40目；

所述的硅砂中二氧化硅含量为为90.47％，氧化铝为5％，粒度为20目；

所述的锆英砂中氧化锆含量为66.12％，氧化硅含量为15.49％，氧化钛含量为0.14％，氧化铝含量为0.21％，粒度为20目；

所述的水玻璃溶液模数为2.8；

所述的氧化铬纤维的长度为0.75-1.68μm；

所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为80-100目的粉料，根据配方的重量份数，将氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂、聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维进行搅拌混料，得到粉料混合物；

(2)将所述粉料混合物加入混砂装置，用液体泵将水玻璃溶液均匀泵入到所述混砂装置内，使所述粉料混合物混合均匀制成半成品；

(3)将半成品添加到放置模具的砂箱内，并紧实；

(4)在型砂中插通气孔，使用橡胶软管插入型砂内，通入二氧化碳，并控制通入二氧化碳的压力和时间，二氧化碳的压力为0.4-0.8公斤，通入二氧化碳的时间为22分钟，使得型砂硬化，制得适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂腔。

适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的应用：在硬化型砂腔内浇入碱性高锰钢液体，冷却后获得所需的高锰钢铸件。

实施例3

一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂78份、镁橄榄石砂12份、硅砂3份、锆英砂5份、水玻璃溶液7份、聚三氟乙丙烯2份、石蜡基石油磺酸钙4份、氧化铬纤维0.7份；

所述的氧化钙砂中氧化钙含量为98.39％，粒度为60目；

所述的镁橄榄石砂中氧化镁含量为58.23％，粒度为20目；

所述的硅砂中二氧化硅含量为90.53％，氧化铝为4.18％，粒度为40目；

所述的锆英砂中氧化锆含量为63.45％，氧化硅含量为18.47％，氧化钛含量为0.25％，氧化铝含量为0.21％，粒度为20目；

所述的水玻璃溶液模数为3.0；

所述的氧化铬纤维的长度为0.36-1.98μm；

所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为60-100目的粉料，根据配方的重量份数，将氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂、聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维进行搅拌混料，得到粉料混合物；

(2)将所述粉料混合物加入混砂装置，用液体泵将水玻璃溶液均匀泵入到所述混砂装置内，使所述粉料混合物混合均匀制成半成品；

(3)将半成品添加到放置模具的砂箱内，并紧实；

(4)在型砂中插通气孔，使用橡胶软管插入型砂内，通入二氧化碳，并控制通入二氧化碳的压力和时间，二氧化碳的压力为0.5-0.8公斤，通入二氧化碳的时间为16分钟，使得型砂硬化，制得适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂腔。

适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的应用：在硬化型砂腔内浇入碱性高锰钢液体，冷却后获得所需的高锰钢铸件。

对比例1

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中缺少聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维。

对比例2

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中缺少聚三氟乙丙烯。

对比例3

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中缺少石蜡基石油磺酸钙。

对比例4

与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中缺少氧化铬纤维。

对实施例1-3和对比例1-4制得的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂进行热膨胀系数和溃散性测试，其中，型砂在600℃下的残留抗压强度越低，说明型砂的溃散性越高，结果如下表所示。

由上表可知：(1)由实施例1-3的数据可见，实施例2为最优实施例；制备适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中缺少聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维，均对适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的热膨胀系数和溃散性能产生较大影响。

(2)由实施例2和对比例1-4的数据可见，聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维在制备适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂中起到了协同作用，协同降低了适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的热膨胀系数，提高了溃散性，这可能是：

在应用中，浇入的碱性高锰钢液体温度一般在1350-1550℃，制备水玻璃二氧化碳硬化型砂的原料中含有聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维，聚三氟乙丙烯在高温度下会产生氟光气，氟光气能够提高氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂的活性，这是因为氟光气能增加晶格的空穴量，从而在高锰钢铸件铸造中提高适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂原料之间的结合强度，进而提高适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂溃散性；石蜡基石油磺酸钙在混合过程中具有良好的分散性，在高温度下分解成具有活性的氧化钙和硫元素，硫元素掺杂到聚三氟乙丙烯提高氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂的晶格中活性空穴，用硫原子的电子效应形成电子云，从而有效提高晶格层之间的稳定性，进而提高溃散性能和降低热膨胀系数，氧化钙利用自身较强的粘附性能和低热膨胀系数，能够进一步降低热膨胀系数和提高溃散性；氧化铬纤维具有较大的比表面积和良好的分散性，进而提高适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的溃散性，并且石蜡基石油磺酸钙和聚三氟乙丙烯的活性硫原子和氟原子能够结合到氧化铬纤维表层的活性基团上，利用氧化铬纤维的分散性，将活性掺杂原子分散到组分中，进而通过聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维的协同配合，实现降低热膨胀系数和提高溃散性的目的。

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 (1)

1.一种适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂，其特征在于，以重量份为单位，包括以下原料：氧化钙砂70份、镁橄榄石砂10份、硅砂3份、锆英砂5份、水玻璃溶液6份、聚三氟乙丙烯1.6份、石蜡基石油磺酸钙3份、氧化铬纤维0.6份；

所述的氧化钙砂中氧化钙含量为98.29％，粒度为40目；

所述的镁橄榄石砂中氧化镁含量为53.82％，粒度为40目；

所述的硅砂中二氧化硅含量为为90.47％，氧化铝为5％，粒度为20目；

所述的锆英砂中氧化锆含量为66.12％，氧化硅含量为15.49％，氧化钛含量为0.14％，氧化铝含量为0.21％，粒度为20目；

所述的水玻璃溶液模数为2.8；

所述的氧化铬纤维的长度为0.75-1.68μm；

所述的适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂的制备方法，包括以下步骤：

(1)将原材料通过粉碎和球磨方式进行粉磨制备成粒径为80-100目的粉料，根据配方的重量份数，将氧化钙砂、镁橄榄石砂、硅砂、锆英砂、聚三氟乙丙烯、石蜡基石油磺酸钙、氧化铬纤维进行搅拌混料，得到粉料混合物；

(2)将所述粉料混合物加入混砂装置，用液体泵将水玻璃溶液均匀泵入到所述混砂装置内，使所述粉料混合物混合均匀制成半成品；

(3)将半成品添加到放置模具的砂箱内，并紧实；

(4)在型砂中插通气孔，使用橡胶软管插入型砂内，通入二氧化碳，并控制通入二氧化碳的压力和时间，二氧化碳的压力为0.4-0.8公斤，通入二氧化碳的时间为22分钟，使得型砂硬化，制得适合于铸造碱性高锰钢铸件材料使用的水玻璃二氧化碳硬化型砂腔。