CN113547068B - 一种铸造型砂用粘结剂及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铸造型砂用粘结剂，包括液体组分和固体组分，所述液体组分和固体组分的质量比为1:(0.5~4)；其中，液体组分包括磷酸和酸式磷酸盐和水，液体组分中磷酸根离子的浓度大于或等于30%；固体组分包括重烧氧化镁和外加剂。本发明通过将酸式磷酸盐引入磷酸，然后稀释至所需浓度制得液体组分，利用液体组分中磷酸和酸式磷酸盐都能与固体组分中的氧化镁反应，形成具有胶凝性质的材料来制备无机粘结剂，用以制备所述粘结剂铸造型砂；可以通过调整固体组分和液体组分的比例来调整凝结时间和水化产物，从而提高粘结剂抗吸湿性和强度等性能。

Description

一种铸造型砂用粘结剂及其应用

技术领域

本发明涉及型砂铸造技术领域，具体涉及一种铸造型砂用粘结剂及其应用。

背景技术

铸造用型砂粘结剂按化学组成可分为有机粘结剂和无机粘结剂两大类。有机粘结剂因其本身物性，在高温环境下会裂解大量的有机物，存在污染重、生产成本高等突出缺点。无机粘结剂具有高温不燃烧，发气量小、耐高温、资源丰富、铸造过程中不会析出有毒气体和冷凝物、不污染作业环境和铸造工装等众多优点。目前使用较多的无机粘结剂主要是粘土、水玻璃和磷酸盐。粘土砂主要分为粘土湿型砂和粘土干型砂。粘土干型砂强度较高；但是需要烘干设备，能源消耗大，制造周期长，不便于组织流水作业，而且退让性和溃散性变差，同时在铸造过程中会产生较大的粉尘和黑色污染。粘土湿型砂砂型无需烘干，不存在硬化过程，所以有能耗小，制造周期短的优点；但是存在强度低，铸件质量难以保证的缺点。水玻璃砂有能耗低、铸件强度高、质量好、环境友好等优点；但也存在溃散性差、抗吸湿性差、旧砂再生和回用困难等问题，这大大限制了水玻璃类型砂的应用。

与有机树脂粘结剂和其他无机粘结剂相比，现有磷酸盐粘结剂具有力学性能好、溃散完全、热稳定性好、发气量低、无毒环保的特点，是所有无机粘结剂中综合性能最好的一种。现有的磷酸盐粘结剂主要采用磷酸二氢铝再加入少量改性组分制得，虽然可以获得较高的抗拉强度，但铸造型砂或砂芯在存放过程中，不可避免吸收空气中水分，不仅强度降低明显，而且发气量增加，限制了磷酸盐铸造型砂的推广应用。现有技术虽然也在磷酸和氢氧化铝体系中加入少量氧化镁，从一定程度上能够改善磷酸盐铸造砂的抗吸湿性，但是在高湿度的环境条件下，其改善效果非常有限。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种铸造型砂用无机粘结剂，以解决现有粘结剂存在的问题。

本发明还提供一种铸造型砂用粘结剂的应用。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种铸造型砂用粘结剂，包括液体组分和固体组分，所述液体组分和固体组分的质量比为1 : (0.5~4)；其中，液体组分包括磷酸和酸式磷酸盐，液体组分中磷酸根离子的浓度大于或等于30%；固体组分包括重烧氧化镁和外加剂，重烧氧化镁和外加剂的质量比为1:(0~0.2)。

优选地，所述磷酸为浓磷酸。

优选地，所述固体组分还包括外加剂，重烧氧化镁和外加剂的质量比为1:(0~0.1)，所述外加剂为硼砂。

优选地，所述酸式磷酸盐包括磷酸二氢钾、磷酸二氢铵的一种。

优选地，所述磷酸与酸式磷酸盐的质量比为1 : (0.3~1.0)。

优选地，所述液体组分通过以下方法获得：将酸式磷酸盐溶解于浓磷酸中，然后加水稀释，使溶液中磷酸根离子的浓度大于或等于50%。

本发明还提供一种铸造型砂用粘结剂的应用，使用前液体组分和固体组分分别单独存放；使用时，将铸造砂与固体组分混合均匀后再与液体组分混合，通过造型和静置后，得到型砂制品。

优选地，粘结剂与铸造砂质量比为1 : (10～20)。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明创造性地将大量酸式磷酸盐溶解于浓磷酸，然后加水稀释至所需浓度，制得液体组分，利用液体组分中的磷酸和酸式磷酸盐都能与固体组分中的氧化镁反应，形成具有胶凝性质的材料来得到无机粘结剂，并用以制备所述铸造型砂。

2、本发明通过先将酸式磷酸盐引入磷酸中，然后加水稀释至所需浓度，制得液体组分，调整固体组分与液体组分之间的比例，可以改变其水化产物类型，与现有磷酸盐粘结剂相比，本发明粘结剂反应后生成的产物（MgHPO₄×XH₂O、鸟粪石等）为难溶矿物；与其他无机粘结剂相比，本发明粘结剂不需要加热或通入二氧化碳等手段，就能在室温下自行硬化，即具有自硬性。因此，本发明所述粘结剂取代传统的磷酸盐粘结剂和其他无机粘结剂，不仅能有效改善铸造型砂的抗吸湿性，还能具有自硬性，且铸造型砂性能提升、制备工艺更为简单。

3、本发明所述粘结剂用于制备铸造型砂，操作简单，得到的铸造型砂具有溃散性好、抗吸湿性强和环保等特点，铸造砂回收利用更为彻底。

附图说明

图1为本发明所述粘结剂在500℃~1200℃的溃散性。

具体实施方式

考虑到无机粘结剂中传统磷酸盐粘结剂的优势，下面将以传统磷酸盐粘结剂作为对比，结合实施例对本发明作进一步说明。

一、一种铸造型砂用粘结剂

在对传统磷酸盐粘结剂进行研究后发现，当环境湿度较大时，磷酸盐粘结剂会吸收空气中的水，这便导致采用这种粘结剂制成的型砂试件，在湿度较大的环境下，抗拉强度出现大幅度的下降，导致铸造型砂的抗吸湿性较差。虽然可以使用聚乙烯醇、柠檬酸、有机磷酸等对磷酸盐进行改性，在一定程度上改善铸造型砂的抗吸湿性，但是效果仍然很不理想。加大固化剂的用量也能改善铸造型砂的抗吸湿性，但会使粘结剂的反应速度过快，大大缩短了可使用时间。

酸式磷酸盐与氧化镁反应能在很短时间内形成强度，特别是粘结强度高，而且在水中强度还能不断增加，生成的产物鸟粪石为难溶矿物，因此采用酸式磷酸盐和氧化镁作为铸造型砂粘结剂具有可行性。然而，在研究和实验中发现，采用酸式磷酸盐和氧化镁作为粘结剂制备得到的铸造型砂的抗拉强度并没有达到预期效果，不能满足要求，对其原因进行探究后发现，由于酸式磷酸盐采用的是粉体，在铸造型砂中分散性不佳，导致强度较低。由于液体的分散性优于固体，因此将酸式磷酸盐与水混合来制备溶液，然后再与氧化镁反应来制备粘结剂，但酸式磷酸盐在水中的溶解量有限，强度依旧不能达标；在对溶剂进行调整的过程中发现，酸式磷酸盐在浓磷酸中的溶解度远大于水，可以制成不同浓度的磷酸根液体组分使用，获得了特殊的技术效果。采用这种液体组分与固体组分得到的粘结剂所制成的型砂试件，1小时内就能自硬获得较高的强度，根据需要调整液体组分和固体组分的组成以及液体组分和固体组分的相互比例，还可以对自硬时间在较大范围内进行调整，特别在湿度较大的环境下，不仅抗拉强度的下降幅度较小，调整固体组分与液体组分的比例，抗拉强度还出现增加，使用所述粘结剂铸造型砂抗吸湿性也会明显提升。

本发明所述铸造型砂用粘结剂包括液体组分和固体组分，所述液体组分和固体组分的质量比为1 : (0.5~4)；其中，液体组分包括磷酸和酸式磷酸盐，液体组分中磷酸根离子的浓度大于或等于30%；固体组分包括重烧氧化镁和外加剂。

在具体实施时，所述磷酸为浓磷酸。所述固体组分还包括外加剂，重烧氧化镁和外加剂的质量比为1 : (0~0.2)，所述外加剂包括硼砂、硼酸、三聚磷酸钠中的一种或多种的混合物。所述酸式磷酸盐包括磷酸二氢钾、磷酸二氢铵、磷酸二氢钙、磷酸二氢锌或磷酸二氢钠中的一种或任意两种以上的混合物。所述磷酸与酸式磷酸盐的质量比为1 : (0.3~2.0)。所述重烧氧化镁和外加剂的粒径小于75微米。所述液体组分通过以下方法获得：将酸式磷酸盐溶解于浓磷酸盐中，然后根据需要加水稀释，使溶液中磷酸根离子的浓度大于或等于30%。

本发明还提供一种铸造型砂用粘结剂的应用，使用前液体组分和固体组分分别单独存放；使用时，将铸造砂与固体组分混合均匀后再与液体组分混合；通过造型和静置后，得到型砂制品。其中，粘结剂与铸造砂质量比为1 : (5～30)。

二、实施例和对比例

为了验证本发明的技术效果，采用本发明所述铸造型砂用粘结剂和现有粘结剂分别制备了1组和8组试件，试件的各原料配比如下表1所示，实施例中如无特殊说明，采用的原料即为普通市售产品。

其中实施例1~4中，使用的液体组分为磷酸二氢铵溶于浓磷酸配制而成，液体组分中磷酸：磷酸二氢铵：水比例为1.7 : 1 : 0.6；

实施例5使用的固体组分只有氧化镁，未掺加硼砂；

实施例6使用的液体组分为磷酸二氢钾溶于浓磷酸配制而成；

实施例7使用的液体组分为磷酸二氢铵溶于浓磷酸配制而成，液体组分中磷酸：磷酸二氢铵：水比例为1 : 1 : 0.6；

实施例8使用的液体组分为磷酸二氢铵溶于浓磷酸配制而成，胶凝材料与砂的质量比为1:10。

表 1

编号	固体组分的原料（比例）	液体组分的原料（比例）	胶凝材料中固体、液体比例	胶凝材料与砂的质量比
					对比例1	-	磷酸二氢铝	0.28:0.72	1:15
实施例1	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.7:1.0:0.5）	0.42:0.58	1:15
					实施例2	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.7:1.0:0.6）	0.60:0.40	1:15
实施例3	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.7:1.0:0.7）	0.68:0.32	1:15
					实施例4	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.7:1.0:0.8）	0.72:0.28	1:15
实施例5	氧化镁	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.7:1.0:0.6）	0.60:0.40	1:15
					实施例6	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.0:1.0:0.6）	0.65:0.35	1:15
实施例7	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢钾：水（1.7:1.0:0.6）	0.60:0.40	1:15
					实施例8	氧化镁:硼砂(100:2)	磷酸：磷酸二氢铵：水（1.7:1.0:0.6）	0.60:0.40	1:10

对于对比例1试件，使用的胶砂比为1:15，采用现有技术的常规方法制备，即对比例1试件采用的粘结剂为磷酸二氢铝；待成型后拆模，并测试试件的1 h、1 d和7 d和龄期为1 d试件在20℃和相对湿度75%恒温恒湿箱中养护1 d的8字模拉伸强度。

对于实施例1~8试件，采用所述铸造型砂用粘结剂，其中实施例1-7使用的胶凝材料与砂的质量比为1:15，实施例8使用的胶凝材料与砂的质量比为1:10；固体组分粒径小于75微米，液体组分中的水和额外添加水的总质量为砂的质量的1%；实施例6中磷酸和酸式磷酸盐的质量比为1，其余实施例中磷酸和酸式磷酸盐的质量比为1.7。其中实施例1-6和8使用的液体组分为磷酸二氢铵溶于浓磷酸配制而成，实施例7使用的液体组分为磷酸二氢钾溶于浓磷酸配制而成。

实施例1-4试件固体组分和磷酸-磷酸盐总质量(不计水)比分别为0.5:1，2:1，3:1和4:1；

实施例5试件固体组分和磷酸-磷酸盐总质量(不计水)比为2:1，硼砂掺量为0；

实施例6试件固体组分和磷酸-磷酸盐总质量(不计水)比为2:1，磷酸和磷酸二氢铵的质量比为1；

实施例7试件氧化镁和磷酸-磷酸盐总质量(不计水)比为2:1，使用的酸式磷酸盐为磷酸二氢钾；

实施例8试件氧化镁和磷酸-磷酸盐总质量(不计水)比为2:1，胶凝材料与砂的质量比为1:10；

成型后即可拆模，并测试试件的1 h、1 d和7 d和龄期为1 d试件在20℃和相对湿度75%环境中养护1d的8字模拉伸强度以及使用本发明的铸造型砂在500℃~1200℃下的溃散性。用龄期为1 d试件在20℃和相对湿度75%恒温恒湿箱中养护1 d的8字模拉伸强度与1d龄期试件抗拉强度的比值来评价铸造型砂的抗吸湿性。

对比例1

1）取铸造砂，然后加入磷酸二氢铝，搅拌均匀即得铸造型砂；其中，搅拌时间为40s；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得对比例1试件。

所述的步骤1）中，m砂：m胶凝组分=1:15；所述步骤2）中，8字模尺寸为66 mm*22.5mm*22.5 mm；实施例1~8所用的试模尺寸与该步骤一致。

实施例1

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为0.5:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例1试件。

实施例2

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为2:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例2试件。

实施例3

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为3:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例3试件。

实施例4

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为4:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例4试件。

实施例5

1）将氧化镁与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为2:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例5试件。

实施例6

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为2:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例6试件。

实施例7

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为2:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例7试件。

实施例8

1）将固体组分与铸造砂混合均匀，然后加入液体组分，搅拌40 s，即得铸造型砂；其中，固体组分（M）和磷酸-磷酸盐（P）（不计水）的质量比为2:1；

2）将步骤1）制好的铸造型砂移至8字模中，击实成型，得实施例8试件。

三、性能测试及结果

铸造型砂的抗拉强度采用SWY-2型数显式液压型砂强度试验机分别对对比例1和实施例1~8进行测试，测试龄期为1 h，1 d和7 d的抗拉强度和龄期为1 d试块在20℃和相对湿度75%恒温恒湿箱中养护1 d的抗拉强度，测试结果如表2所示。

表2

注：1d*：龄期为1 d的试块在20℃和相对湿度75%的恒温恒湿箱中养护1 d。

从表2可以看出，采用现有技术的方法制备的对比例1，铸造型砂的1 h和1 d强度较高，可以满足铸造型砂的强度要求，不过在7 d后和在20℃和相对湿度75%的恒温恒湿箱中养护1 d后抗拉强度分别为1 d抗拉强度的10%和7.5%，这显然无法满足铸造型砂的实际应用。

而实施例1~8，采用本发明所述粘结剂制备铸造型砂，与对比例1相比，实施例1~8采用本发明所述液体组分，并调整液体组分与固体组分之间的比例，得到的铸造型砂在1d的抗拉强度均有一定程度的提高，在7 d后和在20℃和相对湿度75%的恒温恒湿箱中养护1d后的抗拉强度下降幅度远远小于对比例1。实施例1~8的抗吸湿性分别为108%，78%，64%，55%，68%，85%，75%和86%，远高于对比例1的7.5%，说明采用本发明中的粘结剂可以有效改善铸造砂的抗吸湿性。同时，实施例1~4中随着固体组分和磷酸-磷酸盐（不计水）的质量比逐渐增大，铸造砂的抗吸湿性出现了下降，一方面这表明固体组分的含量并非越多越好，另一方面在实际使用时，可以通过调节固体组分和磷酸-磷酸盐（不计水）的质量比，从而使得到的铸造型砂抗吸湿性满足要求，最终实现通过磷酸盐粘接剂对铸造型砂抗吸湿性的调整。实施例5中，在硼砂掺量为0时，铸造砂的早期强度和抗吸湿性均较好；实施例6中，磷酸和磷酸二氢铵的质量比为1:1，抗吸湿性为85%，与实施例2相比，抗吸湿性有了一定程度的改善，说明增加液体组分中酸式磷酸盐的含量，可以改善所述粘结剂铸造型砂的抗吸湿性；实施例7中液体组分中使用的酸式磷酸盐为磷酸二氢钾，其抗吸湿性为75%，与实施例2相近，说明磷酸盐的种类对抗吸湿性影响不大，强度也能满足要求；实施例8中，胶凝组分与铸造砂的质量比为1:10，其抗吸湿性为86%，说明增大胶凝材料与铸造砂的比例可以改善铸造型砂的抗吸湿性。

对于铸造型砂的溃散性，使用如下方法进行测试。先将马弗炉升至目标温度（500-1200℃），然后将待测试的铸造型砂试块放入马弗炉并开始计时，十分钟后将待测铸造型砂试块取出自然冷却至室温。使用振动式筛分机筛分15 s，统计筛前和筛后残余质量，筛后残余质量与筛前质量的比即为铸造型砂溃散性，结果见附图1。从附图1中可以看出，温度达到700℃时，所有铸造型砂都能完全溃散，这表明本发明所述粘结剂制备的铸造型砂溃散性好，溃散后的铸造砂可以再次利用，且可多次重复利用。因此，采用本发明所述粘结剂来制备铸造型砂，在不影响早期抗拉强度的条件下，可有效改善磷酸盐铸造型砂的抗吸湿性，同时具备溃散性好的特点。

综上，本发明创造性地将大量酸式磷酸盐溶解于浓磷酸，根据需要稀释至所需浓度后即为液体组分，利用液体组分中的磷酸和酸式磷酸盐都能与固体组分中氧化镁反应，形成胶凝材料性质来得到无机粘结剂，用以制备所述粘结剂铸造型砂，大大提高磷酸盐铸造型砂的抗吸湿性；而且，还可以通过调整固体组分和液体组分的比例，液体组分中磷酸与酸式磷酸盐的比例来调整水化产物，从而实现对所述粘结剂铸造型砂抗吸湿性和抗拉强度的调整；并且，本发明所述粘结剂制备的铸造型砂有很好的溃散性，使用过的铸造砂能多次重复使用。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种铸造型砂用粘结剂的应用，其特征在于，粘结剂包括液体组分和固体组分；其中，液体组分包括磷酸和酸式磷酸盐，液体组分中磷酸根离子的浓度大于或等于30％；固体组分包括重烧氧化镁和硼砂；

其中，所述磷酸为浓磷酸；

使用前液体组分和固体组分分别单独存放；使用时，将铸造砂与固体组分混合均匀后再与液体组分混合，通过造型和静置后，得到型砂制品；

粘接剂的固定组分和液体组分满足下表中①～⑦之一；

2.根据权利要求1所述铸造型砂用粘结剂的应用，其特征在于，所述重烧氧化镁和硼砂的粒径小于75微米。

3.根据权利要求1所述铸造型砂用粘结剂的应用，其特征在于，所述液体组分通过以下方法获得：将酸式磷酸盐溶解于浓磷酸盐中，然后加水稀释，使溶液中磷酸根离子的浓度大于或等于30％。