磷酸盐无机铸造粘结剂研究

摘要

磷酸盐无机铸造粘结剂，由于其优良的溃散性和环保性，是很有应用价值的一类新型铸造粘结剂，但其粘结剂稳定性不好，粘结剂砂抗吸湿性差，粘结力偏低是这类粘结剂的主要缺点，从而影响了其应用。本文在综述现有铸造粘结剂优缺点的基础上，提出了研究新型磷酸盐无机铸造粘结剂的必要性及该粘结剂存在的问题，通过试验研究了粘结剂中和度及改性剂M、改性剂B等因素对粘结剂性能的影响，重点探讨了粘结剂自硬砂和热硬砂的一些规律。 试验表明，粘结剂的稳定性、抗吸湿性与其中和度、密度及改性剂的加入量有密切的关系。低中和度粘结剂的稳定性比高中和度粘结剂的稳定性好，但低中和度粘结剂砂抗吸湿性差；粘结剂的稳定性除与中和度有关外，还与其密度和成分或改性有关，密度高的粘结剂，稳定性差；过量的改性剂M、改性剂B的加入也会降低粘结剂的稳定性，改性剂M和改性剂B同时对粘结剂改性比它们各自单独改性对改善粘结剂的稳定性更有利。 通过实验观察发现，无机粘结剂热硬化产物比自硬化产物更容易吸湿。 特定条件下的正交试验发现，对磷酸盐粘结剂自硬砂性能有显著影响的因素是改性剂M，有一定影响的因素是改性剂B，磷酸浓度和氢氧化铝。 通过改性剂B对粘结剂自硬砂的性能影响试验发现，改性剂B能显著提高粘结剂自硬砂的强度，在0℃左右很低的环境温度下改性剂M有利于提高自硬砂的反应速度和砂型强度外，但在较高环境温度下，改性剂M均降低粘结剂自硬砂的强度，但是适量的改性剂M有利于改善自硬砂的抗吸湿性，而改性剂B对于改善自硬砂的抗吸湿性的作用不如改性剂M明显，电镜观察发现抗吸湿性较好的自硬砂在高湿度下存放一定时间后，在粘结膜裂纹处会形成一种绒毛状物质，该物质对裂纹具有愈合作用，这种绒毛状物质中具有改性剂M中的某种成分，且含量很高，由此说明改性剂M对提高抗吸湿性有利。 研究了固化剂的种类，固化剂加入量，环境温度，粘结剂的组成等对自硬砂反应速度的影响。通过测试型砂可使用时间得知，使用不同类型固化剂，自硬砂的反应速度是不同的，以冶金镁砂为固化剂的自硬砂反应速度是电熔镁的2倍：固化剂加入量的影响是：固化剂加入量不足时，型砂硬化不足，且硬化强度低，砂型抗吸湿性很差；固化剂加入量很高时，型砂硬化速度快，硬化强度低，但抗吸湿性较好；固化剂加入量中等时，砂型有较好的综合性能。改性剂M改性的粘结剂，在环境温度较低时，有利于提高自硬砂固化反应速度，从而有利于环境温度低的情况下自硬砂的硬化，减少固化剂的加入量，但在较高环境温度下，改性剂M使自硬砂反应速度很快，严重降低型砂固化强度。改性剂B对型砂自硬化反应速度没有影响。热硬砂的强度和抗吸湿性主要决定于中和度大小及粘结剂中的改性剂M和改性剂B的量，改性剂B单独改性粘结剂能显著提高粘结剂热硬砂的烘干强度，并且热硬砂在RH70％湿度以下有足够的抗吸湿性，但在RH80％～RH90％的高湿度下的抗吸湿性较差，再加入改性剂M改性且二者加入量较高时，热硬砂在高湿度下也有良好的烘干强度和抗吸湿性。 热硬砂的烘干硬化速度，型砂硬化强度，抗吸湿性等与烘干温度，烘干时间，粘结剂改性情况等有密切的关系。烘干温度和烘干时间对热硬砂性能的影响及其与粘结剂改性的关系是：未经改性剂B和改性剂M改性的粘结剂砂，脱水速度较慢，烘干温度越高，时间越长，则硬化强度也越高，但未经改性的粘结剂热硬砂的抗吸湿性较差；经改性剂B而不经改性剂M改性的粘结剂热硬砂，烘干硬化速度较快，强度也高，但在高湿度下的抗吸湿性不好；经改性剂M改性而不经改性剂B改性的粘结剂热硬砂，烘干时强度先随烘干时间升高至最大值后，继续烘干时强度又出现下降；经改性剂B和经改性剂M共同改性的粘结剂热硬砂能在短时间和较低的烘干温度下就可烘干到最高强度，即烘干脱水的速度较快，但试样的抗吸湿性差，若在更高温度和更长时间下烘干，试样的抗吸湿性得到改善，综合考虑烘干强度和抗吸湿性要求，对于φ30×30mm试样，理想的烘干温度是200℃，烘干时间20分钟。 电镜观察发现，自硬砂“粘结桥”的断裂属于附着破裂的破坏形式，因此改善型砂的硬化强度应主要从砂子表面质量着手；热硬砂缩颈处损伤断口呈现光滑和粗燥并存，“粘结桥”的断裂属于附着破裂和缩颈断裂的复合破坏形式，因此热硬砂强度的改善应从粘结剂和型砂两个方面着手。 碳纳米管能显著提高无机粘结剂自硬砂强度，但加入量多时，在粘结剂中容易团聚。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1引言-绿色铸造的必要性和迫切性

1.2铸造粘结剂分类及特点

1.2.1粘土砂

1.2.2硅酸盐

1.2.3有机粘结剂

1.3国内外绿色铸造粘结剂现状

1.4磷酸盐粘结剂特点及现状

1.5磷酸盐无机粘结剂存在的主要问题

1.6项目来源及研究的主要内容和拟解决的关键问题

第2章 磷酸盐无机粘结剂理化性能

2.1磷酸盐粘结剂的合成原理及中和度概念

2.1.1合成原理

2.1.2中和度概念及粘结剂的稳定性

2.2影响粘结剂稳定性及其它理化性能的因素

2.2.1粘结剂合成方法及合成装置

2.2.2磷酸盐粘结剂的稳定性与粘结剂中和度及密度的关系

2.2.3改性剂B对粘结剂理化性能的影响

2.2.4改性剂M对粘结剂理化性能的影响

2.2.5改性剂B、M的共同作用与粘结剂稳定性的关系

2.3磷酸盐粘结剂的胶凝固化产物特点分析

2.3.1 Al2O3-P2O5-H2O系统加热脱水固化产物特性

2.3.2 Al2O3-P2O5-H2O系统化学反应固化产物分析

2.3.3热固化产物和化学硬化产物的差热分析

2.4磷酸盐无机粘结剂粘结机理分析

2.4.1磷酸盐加热脱水固化

2.4.2粘结剂化学硬化

2.5本章小结

第3章 磷酸盐无机粘结剂自硬砂研究

3.1引言

3.2试验条件

3.2.1试验用原材料

3.2.2实验用仪器设备及试验方法

3.3自硬砂常温强度及其影响因素

3.3.1以自硬砂硬化强度为指标的粘结剂组成的正交优化设计

3.3.2高湿度下磷酸盐自硬砂抗吸湿性研究

3.3.3自硬砂在不同空气湿度下硬化时的性能

3.4自硬砂反应速度及其影响因素研究

3.4.1反应模型及反应速率推导

3.4.2自硬砂实际反应速率分析

3.4.3固化剂对硬化反应速度和型砂性能的影响

3.4.4改性粘结剂对型砂固化反应速度的影响

3.5砂型溃散性和旧砂再生性

3.5.1砂型溃散性测试

3.5.2自硬砂旧砂的再生

3.6自硬砂破坏机制分析

3.6.1砂粒之间的粘结及固化粘结膜的破坏形式

3.6.2粘结膜及其损伤形貌观察

3.7自硬砂吸湿机理分析

3.8本章小结

第4章 磷酸盐无机粘结剂热硬砂研究

4.1引言

4.2实验用材料及实验方法

4.3实验内容及结果分析

4.3.1热硬砂用粘结剂中和度的选择

4.3.2改性剂B对磷酸盐粘结剂热硬砂性能的影响

4.3.3改性剂M对磷酸盐粘结剂热硬砂性能的影响

4.3.4改性剂B、M的共同作用对粘结剂热硬砂性能的影响

4.3.5烘干温度和烘干时间对型砂性能的影响

4.3.6粘结剂比重及原砂水分对砂型强度的影响

4.3.7热硬砂的可使用时间及其影响因素分析

4.3.8热硬砂损伤断面分析

4.4本章小结

第5章 纳米材料强化磷酸盐粘结剂初探

5.1前言

5.2实验用材料的制备及材料指标

5.3实验结果及其分析

5.3.1碳纳米管加入量对型砂性能的影响

5.3.2型砂的抗吸湿性

5.3.3型砂的残留强度

5.3.4无机粘结剂的存放稳定性

5.3.5结论

第6章 结论、创新与展望

6.1本文研究的主要结论

6.2本文研究的创新点

6.3展望

参考文献

致谢

附录