一種鑄造水玻璃用固化劑及其制備方法和用圖
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及鑄造型砂改性技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種鑄造水玻璃用固化劑及其制備 方法和用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 鑄件是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)件，因此鑄造業(yè)的發(fā)展標(biāo)志著一個(gè)國(guó)家的生產(chǎn)實(shí)力。據(jù) 2008年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年產(chǎn)鑄件3350萬(wàn)噸，是世界鑄造第一大國(guó)。這些鑄件的生成大多采用自硬 砂制備鑄型和型芯。
[0003] 用于制備金屬成型體的鑄型基本上以?xún)煞N結(jié)構(gòu)形式制備。第一種是形成所謂的型 芯或型。由其裝配成鑄型，其基本上是所要制備的鑄件的陰模。第二種是形成空心體。所謂 的給料器，其起平衡儲(chǔ)備容器的作用，該容器接收液態(tài)金屬，在此通過(guò)相應(yīng)的措施確保金屬 與處于構(gòu)成陰模的鑄型中的金屬相比更長(zhǎng)時(shí)間地保持在液相下。如果金屬在陰模中凝固， 那么液態(tài)金屬可能從平衡儲(chǔ)備容器中隨后流出，以平衡在金屬凝固時(shí)出現(xiàn)的體積收縮。
[0004] 鑄型由耐火的材料，例如石英砂構(gòu)成，它的顆粒在鑄型成形后通過(guò)合適的粘結(jié)劑 而接合，以保證鑄型足夠的機(jī)械強(qiáng)度;也應(yīng)用耐火的造型基礎(chǔ)材料用于制備鑄型，該造型基 礎(chǔ)材料被用合適的粘結(jié)劑處理。耐火的造型基礎(chǔ)材料優(yōu)選以可流動(dòng)的形式存在，使得其可 填充入合適的空心型中和在那里被緊實(shí)。通過(guò)粘結(jié)劑在造型基礎(chǔ)材料的顆粒之間產(chǎn)生牢固 的接合，使得鑄型獲得必要的機(jī)械穩(wěn)定性。
[0005] 鑄型必須滿足各種不同的要求。對(duì)于澆鑄過(guò)程本身，其首先必須具有足夠的穩(wěn)定 性和耐溫度性，以將液態(tài)的金屬接收到由一個(gè)或多個(gè)鑄(分)型所構(gòu)成的空心型中。在凝固 過(guò)程開(kāi)始后，鑄型的機(jī)械穩(wěn)定性通過(guò)凝固的金屬層而保證，該金屬層沿著空心型的壁形成。 鑄型的材料這時(shí)必須在由金屬所釋放的熱量的影響下以這種方式分解，即其失去它的機(jī)械 強(qiáng)度，也即在耐火材料的單個(gè)顆粒之間的接合被消除。這通過(guò)例如粘結(jié)劑在熱的作用下分 解而達(dá)到。在冷卻后振動(dòng)凝固的鑄件，在此在理想的情況下，鑄型的材料再次分解成細(xì)砂， 其可以從金屬模具的空腔中倒出。
[0006] 為了制備鑄型，不僅可使用有機(jī)的粘結(jié)劑，而且可以使用無(wú)機(jī)的粘結(jié)劑，所述粘結(jié) 劑的硬化各自可通過(guò)冷法或熱法進(jìn)行。鑄造是機(jī)械制造業(yè)中污染最嚴(yán)重的一個(gè)行業(yè)，其中 造型制芯用粘結(jié)劑是造成污染的主要根源。目前，鑄造廠廣泛采用呋喃樹(shù)脂、脲烷樹(shù)脂等有 機(jī)粘結(jié)劑，它們?cè)谝簯B(tài)金屬澆入鑄型時(shí)燃燒分解可能釋放出甲苯、二甲苯、苯酚、一氧化碳 和懸浮物等有毒氣體和有害物質(zhì)。隨著國(guó)家法律、法規(guī)對(duì)鑄造廠環(huán)保要求的日益提高，水玻 璃自硬砂越來(lái)越多的受到人們的關(guān)注。
[0007] 為了避免在澆鑄過(guò)程期間分解產(chǎn)物的排放，必須應(yīng)用這樣的粘結(jié)劑，即，其基于無(wú) 機(jī)的材料或最多含有非常少量的有機(jī)化合物。在DE19925167A中描述了一種放熱的給料組 合物，其含有堿金屬硅酸鹽作為粘結(jié)劑。此外已研發(fā)出了這種粘結(jié)劑體系，其是在室溫下自 硬化的。一種這樣的基于磷酸和金屬氧化物的體系例如描述在US5，582，232A1中。還有一種 無(wú)機(jī)粘結(jié)劑體系，其在較高溫度下硬化，例如在熱的模具中硬化。這樣的熱硬化性粘結(jié)劑體 系例如從US5,474,606A1中是已知的，在此文獻(xiàn)中描述了由堿金屬水玻璃和硅酸鋁構(gòu)成的 粘結(jié)劑體系。
[0008] 典型地，水玻璃是硅砂和純堿合成的無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，是地球上資源最豐富的物質(zhì)之 一，是對(duì)環(huán)境影響最小的鑄造樹(shù)脂。新型水玻璃自1999年問(wèn)世，到現(xiàn)在水玻璃加入量降低至 1.8-3.0%，其具有強(qiáng)度高、潰散性好、舊砂可再生回用，回用率達(dá)80-90%，使用時(shí)間可調(diào)， 可用于機(jī)械化造型生產(chǎn)線，也可用于單件小批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
[0009] 水玻璃作為型(芯)砂粘結(jié)劑，能較好地滿足技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)方面的要求，是一種 具有廣泛應(yīng)用前途的鑄造用粘結(jié)劑。但是，水玻璃粘結(jié)劑在相同加入量下，由于普通水玻璃 的比強(qiáng)度< 0.3MPa(l% )，其力學(xué)性能還是低于有機(jī)樹(shù)脂，加上水玻璃砂潰散性差，阻礙了 它的推廣和應(yīng)用。然而通過(guò)加入水玻璃增強(qiáng)劑，卻可以在限制水玻璃用量的前提下提高它 的比強(qiáng)度。
[0010] CN104226890A公開(kāi)了 一種鑄造用的水玻璃增強(qiáng)劑及其制備方法。按照重量份數(shù) 計(jì)，該水玻璃增強(qiáng)劑的原料包括以下組分:聚烯醇4-5份;氟硅酸鹽0-0.5份;醇糖類(lèi)0.1-8 份;無(wú)機(jī)酸0.1-2份。該新型水玻璃增強(qiáng)劑能夠大大減少水玻璃的加入量，并且可顯著地增 加水玻璃砂的強(qiáng)度，提高其力學(xué)性能，使其應(yīng)用范圍更加廣泛，然而其對(duì)于成型后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí) 間的貯存后的強(qiáng)度改善十分有限。
[0011] CN101027147A公開(kāi)了一種用于制備金屬加工用鑄型的造型材料混合物，為制備鑄 型，使用耐火的造型基礎(chǔ)材料以及基于水玻璃的粘結(jié)劑，并將一定比例的顆粒狀金屬氧化 物加入到粘結(jié)劑中，該顆粒狀金屬氧化物選自二氧化硅、氧化鋁、氧化鈦和氧化鋅。雖然其 對(duì)于成型后鑄型的強(qiáng)度有了很大提高，然而固體粉料加入的連續(xù)性較差、加料時(shí)粉塵飛揚(yáng) 惡化了工作環(huán)境，尤其是在酯硬化水玻璃砂使用時(shí)，多組分分別加入增加了操作的復(fù)雜性， 從而不利于產(chǎn)業(yè)化。
[0012] 于欣偉等報(bào)道了改性納米二氧化硅-丙烯酸酯聚氨酯乳液的制備及表征，該乳液 對(duì)于漆膜的硬度、吸水率和耐醇性等性能均有明顯改善(于欣偉等，改性納米二氧化硅-丙 烯酸酯聚氨酯乳液的制備及表征，電鍍與涂飾，第22期，2014年），然而，其并未公開(kāi)將該乳 液用于水玻璃自硬砂的制備中，未將其作為一種鑄造水玻璃用的增強(qiáng)劑。
[0013]因此，開(kāi)發(fā)一種鑄造水玻璃用增強(qiáng)劑，其除了能更好地提高水玻璃砂的力學(xué)性能 外，還能避免粉體污染，使操作簡(jiǎn)單，計(jì)量、添加使用方便，并能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，對(duì)水玻璃 自硬砂推廣應(yīng)用具有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的之一在于提供了一種新型的鑄造水玻璃用固 化劑，所述固化劑含有：酯、無(wú)定形二氧化娃和水;所述無(wú)定形二氧化娃為熱解法無(wú)定形二 氧化娃和/或沉淀法無(wú)定形二氧化娃。
[0015] 本發(fā)明所述固化劑可用于制備鑄型或型芯中，即將所述鑄造水玻璃用固化劑作為 液體增強(qiáng)劑用于水玻璃自硬砂的用途。
[0016] 本發(fā)明通過(guò)將固化劑的各組分混合均勻配制成懸浮液，然后再將其應(yīng)用于水玻璃 自硬砂的制備中，從而實(shí)現(xiàn)了鑄造水玻璃用固化劑的一次性加入，無(wú)粉體污染，操作簡(jiǎn)單， 計(jì)量、添加使用方便，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)；除此以外，將所述固化劑用于鑄型或型芯的制備 中，可以顯著增加水玻璃砂的強(qiáng)度，并在成型后經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間的貯存后其強(qiáng)度仍保持在較高 水平，大大改善了鑄型或型芯的力學(xué)性能。
[0017] 本發(fā)明所述的"含有"，意指其除所述組分外，還可以包括其他組分，這些其他組分 賦予所述固化劑不同的特性。除此之外，本發(fā)明所述的"含有"，還可以替換為封閉式的"為" 或"由……組成"。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明，所述鑄造水玻璃用固化劑中含有一定比例的顆粒狀的無(wú)定形二氧化 硅，該顆粒狀無(wú)定形二氧化硅的粒度優(yōu)選為小于50μηι，更優(yōu)選為小于ΙΟμπι，特別優(yōu)選為小于 5μπι。粒度可以通過(guò)篩分分析而確定。在具有ΙΟμπι的篩孔尺寸的篩上的篩分殘留物特別優(yōu)選 為小于7重量％，優(yōu)選為小于4重量％。
[0019] 根據(jù)本發(fā)明，優(yōu)選應(yīng)用熱解法無(wú)定形二氧化娃或沉淀法無(wú)定形二氧化娃中的任意 一種或至少兩種的混合物作為顆粒狀的無(wú)定形二氧化硅。
[0020] 熱解法無(wú)定形二氧化娃或沉淀法無(wú)定形二氧化娃對(duì)于根據(jù)本發(fā)明的鑄造水玻璃 用固化劑是同樣適用的。其中，熱解法無(wú)定形二氧化硅通常是指是在高溫下通過(guò)從氣相中 凝聚而得到的；熱解法無(wú)定形二氧化硅的制備例如可通過(guò)四氯化硅的火焰水解，或在電弧 爐中通過(guò)用焦炭或無(wú)煙煤將石英砂還原生成一氧化硅氣體，隨后氧化成二氧化硅而進(jìn)行； 按電弧爐法制備的熱解法無(wú)定形二氧化娃還可含有碳。沉淀法無(wú)定形二氧化娃是通過(guò)堿金 屬硅酸鹽水溶液與無(wú)機(jī)酸的反應(yīng)而得到的，隨后，在此產(chǎn)生的沉淀物中被分離出并對(duì)其進(jìn) 行干燥和研磨。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明，所述無(wú)定形二氧化娃優(yōu)選ZrSi〇4熱分解而形成的無(wú)定形二氧化娃， 在加入量相同的情況下比其它來(lái)源的無(wú)定形二氧化硅獲得了更高的型芯重量，表明鑄型粒 子的堆積更加緊密。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，所述鑄造水玻璃用固化劑中，所述酯為單乙酸甘油酯、二乙酸甘油 酯、三乙酸甘油酯、乙二醇二乙酸酯、碳酸丙烯酯或二元酯中的任意一種或至少兩種的混合 物，所述混合物典型但非限制性的實(shí)例為單乙酸甘油酯和二乙酸甘油酯的混合物，三乙酸 甘油酯和乙二醇二乙酸酯的混合物，二乙酸甘油酯、三乙酸甘油酯、乙二醇二乙酸酯和碳酸 丙烯酯的混合物。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明，所述鑄造水玻璃用固化劑中的水可以采用自來(lái)水等，在此不做特別 限定。
[0024] 根據(jù)本發(fā)明，所述鑄造水玻璃用固化劑中，酯和無(wú)定形二氧化硅是以合適的重量 配比進(jìn)行混合的，其典型但非限制性的重量比為(0.3-4) :1。申請(qǐng)人聲明，上述酯和無(wú)定形 二氧化娃的重量比為（0.3-4): 1，涵蓋了該范圍的各具體點(diǎn)值，例如可以是0.3:1、0.4:1、 0·45:1、0·68:1、0·8:1、0·92:1、1:1、1·2:1、1·3:1、1·6:1、1·8:1、2:1 等，以及上述數(shù)值之間 的具體點(diǎn)值，比如0.7:1、1.4:1等，限于篇幅及出于簡(jiǎn)明的考慮，本發(fā)明不再窮盡列舉所述 范圍包括的具體點(diǎn)值。然而根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于酯和無(wú)定形二氧化硅的重量配比，其優(yōu)選為 (0.68-2):1〇
[0025]根據(jù)本發(fā)明，所述鑄造水玻璃用固化劑按質(zhì)量分?jǐn)?shù)含有:酯20-40%;無(wú)定形二氧 化硅30-60% ;水5-30%。申請(qǐng)人聲明，上述各組分的含量范圍，涵蓋了該范圍的各具體點(diǎn) 值，例如酯占所述固化劑的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以是20%、22%、23%、23.5%、24%、25%、26.5%、 2