改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺

摘要

改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺，是将设定数量的石英砂放入混砂机内，再加入石英砂总重量2％～4％的水玻璃，混砂3～5分钟后，再向混砂机中加入占石英砂总重量0.5～5％的改性剂，改性剂为纳米硅粉、煤渣粉、矿渣微粉，纳米硅粉占改性剂总重量的40％～80％、煤渣占改性剂总重量的10％～40％、矿渣微粉占改性剂总重量的10％～35％，加入改性剂后混砂5～6分钟；然后将上述混制好的型砂放入射芯机射砂筒内，在芯盒加热温度达到120～160℃时，进行射芯，射芯压力为0.5～0.6MPa，射芯时间为2～3s，制成砂样，硬化20～60s后脱模，取去砂样即得。该工艺的改性水玻璃芯砂固化温度(≤160℃)显著低于壳型与热芯盒制芯工艺，有利于大大降低能源消耗，改善作业环境，减少芯盒变形，延长工装寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及一种温芯盒制芯方法，特别是涉及一种改性水玻璃砂温芯盒制芯方法。

背景技术

所谓热芯盒制芯就是用射芯机以0.5～0.7Mpa的压缩空气将湿态热固性树脂砂射入加热至一定温度≥200℃的芯盒内，经数秒至数十秒钟后，即可从热芯盒中取出具有足够强度的砂芯的一种高效制芯工艺，这种工艺早在1959年，由法国人开发出来后，很快引起了世界汽车及农业机械的铸造工作者的重视和应用，现已成为我国的一种重要的高效制芯技术而得到了飞速的发展。据统计我国热法制芯工艺在汽车制造工业中已占总制芯量近50％左右。但是，热法制芯的弊病是，能耗高，常因温度高使砂芯表面发酥，或因温度过低而使部分硬化不透等原因而引起各种铸造缺陷；另外，制芯工人需要在高温及强烈刺激性气味的环境下操作，工作条件差，因此，急需寻求一种新的工艺。到1978年美国Kottke等人开创了一种温芯盒制芯工艺，由于它具有节省能源，减少环境污染和改善砂芯及铸件质量等诸多优点而得到世界各国铸造工作者的广泛重视，并不断用温芯盒工艺取代热芯盒和壳芯等热法制芯工艺，取得了较大的技术经济效益。

美国QO化学制品公司也研究成功了一种呋喃树脂砂温芯盒的制芯新工艺，它能将热法制芯的芯盒温度降低到177℃以下。所谓温芯盒制芯法是指芯盒加热温度范围在140～180℃的一种制芯方法。它在美国、德国、法国、前苏联、日本、韩国等国家中迅速推广应用，用以取代某些工厂原来采用热芯盒法、壳法，甚至冷芯盒法制芯工艺。

温芯盒法是热芯盒法工艺的改进和革新，与热芯盒法相比，该方法存在如下优势：

a.芯盒加热温度低，耗能小。根据资料分析，采用温芯盒工艺(加热温度为≤150℃)制备抗弯强度标样的能量消耗比热芯盒(加热温度≥200℃)减少20％左右。在工业生产中，用城市煤气加热芯盒，对中型砂芯(14～21kg)可节约能源15％～25％，对大型砂芯可节能50％，提高生产能力40％。

b.克服了热芯盒工艺存在的从制芯工位散发到工作环境中的各种有害气体如甲醛、苯酚、糠醇、氨等的问题，改善了工人的劳动条件。

c.提高了砂芯质量，减少了铸件缺陷，缩短了砂芯以及铸件的生产周期。美国Berlin公司铸造车间用温芯盒法生产的气缸体、集流管、液压设备等铸件的砂芯重量0.23～110kg，使铸件的气孔缺陷从20％下降到0.3％，砂芯制造周期缩短40％～50％，在某些场合下接近冷芯盒。材料成本比壳芯覆膜砂低30％，比冷硬砂低10％。

d.温芯盒法又可继续沿用原来的热芯盒射芯机，无需设备投资，不改变原有的生产工序和工艺流程。其操作工人也不需要再进行专门的技术培训，因此特别适合我国的国情，具有很大的实用价值。

目前，在世界上温芯盒工艺主要有三大类：以呋喃树脂为基、以酚醛树脂为基和以聚丙烯酸盐等。由此可知，目前温芯盒工艺与壳型工艺、热芯盒以及冷芯盒工艺相同，都是采用有机合成树脂作粘结剂，故现今的温芯盒工艺也存在着一定的问题，例如在混砂、制芯、浇注和清砂等过程中，由于树脂的氧化、分解和燃烧产生的许多有害气体，有些甚至是致癌物质，会散发到大气中，形成难以控制的环境危害，从而使车间空气遭受污染，劳动条件差，人体也受到一定程度的危害。另外，糠醇、苯酚等价格居高不下，导致铸件的生产成本不断攀升。

随着21世纪人类社会文明程度的提高，各种环保法规的不断实施，这些有毒、有害的有机合成树脂粘结剂的应用范围势必将逐步受到限制甚至禁止使用。因此，开发无毒、无污染、综合技术工艺性能好的新型无机砂芯粘结剂，已引起了世界各国铸造工作者的高度重视。水玻璃就是一种人们最熟知、最古老的造型、制芯用的无毒、无味、绿色铸造无机粘结剂，从20世纪50年代引入铸造生产(参见英国专利，GB782205)，至今已有50多年的应用历史了。水玻璃砂使用性能优越灵活，既可造型也可制芯，最早的CO₂气体硬化冷芯盒工艺应属水玻璃—CO₂法。但是，CO₂硬化水玻璃砂存在的最大问题是浇注后溃散性差，铸件清砂及旧砂回用困难，严重阻碍了它的推广应用。

与树脂砂型比较，低模数水玻璃砂存在强度低、抗湿性差、溃散性不好、铸件清砂以及旧砂再生回用困难等许多问题，一直困扰着铸造工作者几十年的时间，至今也没有得到较好的解决。

为解决低模数水玻璃砂存在的上述问题，我国在相当长的时间里，对水玻璃砂开展了大量的科研攻关工作，但仍未取得突破性进展。原因是人们企图在低模数钠水玻璃加入量较高的情况下，通过加入各种有机或无机溃散剂等附加物的办法来解决存在的问题，但收效甚微。俄罗斯РусинаВ.В.等人提出，在模数≤2.0的水玻璃混合料中加入煤渣附加物的办法，可使水玻璃的粘结强度提高5～10倍，由于采用的水玻璃的模数太低，Na₂O含量太高，不适用于铸造工业，而仅大量应用于建筑行业。日本二俣腾美等人采用微波加热提高水玻璃砂芯的强度，将砂中水玻璃加入量减少到1％～2％，达到改善水玻璃砂溃散性的目的，但是微波照射的砂芯的抗湿性较差，在生产中未能得到应用。俄罗斯ЖуКОВСКИЙ等人通过试验找出了水玻璃砂溃散性差的根本原因，他认为金属液高温浇注时，水玻璃砂在强热的作用下，其中的Na₂O对石英砂的侵蚀与烧结，形成烧结体。这种烧结体的强度在常温下决定了水玻璃砂残留强度的高低。所以，减少烧结体的形成量，即减少Na₂O对石英砂的侵蚀与烧结，是降低水玻璃砂的残留强度，提高其溃散性的根本方法。因此，大幅度降低砂中Na₂O的含量，即钠离子的数量，才是解决该问题的根本方法。但是，长期的生产实践表明，水玻璃的粘结强度低，若想提高水玻璃型芯砂的强度就需要加大水玻璃的加入量，相应地，也就必然导致其溃散性差。所以，若想足够的硬化强度与优越的溃散性二者兼得，就必须在提高水玻璃模数的基础上大幅度增加它本身的粘结强度。

发明内容

本发明的目的，是提供一种改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺，以取代目前应用的树脂砂温芯盒制芯工艺。该工艺的主要特点是，改性水玻璃芯砂固化温度(≤160℃)显著低于壳型与热芯盒制芯工艺，有利于大大降低能源消耗，改善作业环境，减少芯盒变形，延长工装寿命。同时在消除水玻璃老化现象的基础上，选用多种超细粉特殊附加物对水玻璃进行化学改性，不但能大幅度增加芯砂的强度，减少水玻璃的加入量，提高铸件的表面质量；也能降低其残留强度，改善溃散性。特别是水玻璃是一种绿色粘结材料，成本低、资源广、污染少，因此，它是一种很有应用发展前景的无机粘结剂。

本发明的主要技术特点是，在对高模数水玻璃进行加热消除老化的物理改性和用铝、胺等对它进行化学改性的前提下，再选用了纳米硅粉、煤渣、矿渣微粉等多种活性附加物对高模数水玻璃进行综合改性，旨在显著提高它的粘结强度。因为，煤渣中可溶性的SiO₂、Al₂O₃等活性组分在有水存在时，可以与Ca(OH)₂发生水化反应，生成胶凝性良好，强度较高和抗湿性强的水化硅酸钙(C-S-H)和水化硅酸铝(A-S-H)等胶粘材料，二者的生成能够大幅度提高水玻璃砂的强度，尤以高模数水玻璃砂。

但是，水化反应的进行需要两个前提条件，水和氧化钙。水玻璃中含有大量的水分，可以满足反应的需求。而煤渣却是“先天性缺钙”，其CaO含量低于10％，有的甚至低于3.0％，不利于反应的顺利进行。而CaO含量高达40％的矿渣微粉的加入，能够补充反应所需CaO的不足。

煤渣中虽然含有大量的SiO₂和Al₂O₃，但是其中[SiO4]^4-聚合度很高，结构致密，化学性质稳定，其火山灰活性大部分是潜在的，活性发挥的速度非常缓慢。若想加快煤渣发挥活性的速度，就需要加入激发剂，将其活性激发出来。水玻璃本身即为煤渣的激发剂。水玻璃是硅酸纳的胶体溶液，呈强碱性，其内部存在大量的OH^-。而煤渣主要成分是酸性氧化物，呈弱酸性，因而在碱性环境中其活性最容易被激发。在OH^-的作用下，煤渣颗粒表面的Si-O和Al-O键断裂，Si-O-Al网络聚合体的聚合度降低，表面形成游离的不饱和活性键，容易与Ca(OH)₂反应生成水化硅酸钙和水化硅酸铝等胶凝产物。另外，纳米硅粉的加入，能够补充活性高的SiO₂，有利于加速水化反应的进行。

同时，选用高模数水玻璃作芯砂粘结剂，有利于降低浇注后水玻璃砂的残留强度，改善溃散性。另外，利用纳米硅粉、煤渣和矿渣微粉改性水玻璃，由于纳米硅粉与煤渣中均含有碳，浇注时，在金属液的高温作用下，碳会烧损，这使致密的水玻璃粘结膜产生裂纹，从而显著改善溃散性。并且，在冷却过程中，纳米硅粉、煤渣和矿渣微粉与水玻璃粘结膜的收缩率不同，能够起到割裂粘结膜的作用，进一步改善溃散性，下表为模数2.6的水玻璃砂中加入了纳米硅

表1  不同改性水玻璃采用温芯盒工艺获得的试样强度数据

序号  改性水玻璃模数    改性水玻璃加入量(％)    超细粉改性剂成分    超细粉改性剂加入量(％)    砂样抗压强度(MPa)    残留强度(MPa)纳米硅粉(％)煤渣(％)矿渣微粉(％)  1  2.6    3    60    20    20    2    3.7    0.6  2  3.0    4    40    40    20    3    3.1    0.5  3  2.4    3    0    2.0    2.5

粉、煤渣、矿渣微粉等多种活性附加物进行改性后，采用温芯盒制芯工艺获得的试样强度。从表中的试验数据可知，超细粉改性剂不但能够大幅度提高水玻璃砂的硬化后的抗压强度，并且能够有效降低其残留强度。

采用的技术方案是：

改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺，包括下述工艺步骤：

1、砂型制备：将设定数量的石英砂放入混砂机内，再加入石英砂总重量2％～4％的模数为2.5～3.5，密度为1.30～1.45g/cm³的水玻璃，混砂3～5分钟后，再向混砂机中加入占石英砂总重量0.5％～5％的改性剂，改性剂为纳米硅粉、煤渣(0.4～100μm)、矿渣微粉(1～50μm)，纳米硅粉占改性剂总重量的40％～80％、煤渣占改性剂总重量的10％～40％、矿渣微粉占改性剂总重量的10％～35％，加入改性剂后混砂5～6分钟。

2、射芯：将上述混制好的型砂放入射芯机射砂筒内，在芯盒加热温度达到120～160℃时，进行射芯，射芯压力为0.5～0.6Mpa，射芯时间为2～3s，制成砂样，硬化20～60s后脱模，取去砂样，冷却后检测性能。

具体实施方式

实施例一

改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺，包括下述工艺步骤：

1、型砂制备

向5000g的混砂机内加入石英砂5000g，再加入模数为2.6，密度为1.36g/cm³的水玻璃150g，混砂3～5分钟，然后加入纳米硅粉60g、煤渣(≤80μm)20g、矿渣微粉(≤30μm)20g、混砂5～6分钟。

2、射芯

混砂完成后，将混制好的型砂放入射芯机的射砂筒内，在芯盒加热温度150℃，射芯压力0.5～0.6MPa，射砂时间2～3s的条件下，进行射砂制作砂样，硬化40～60s后便可脱模，取去砂样，冷却后检测性能。

性能测试：

试样常温抗压强度：3.7MPa

试样残留抗压强度：0.6MPa(在1000℃下保温30分钟，冷却至室温测定)

实施例二

改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺，包括下述步骤：

1、型砂制备

向混砂机内投入5000g石英砂，再加入模数为3.0，密度为1.33g/cm³的水玻璃200g，混砂3～5分钟，然后加入纳米硅粉60g、煤渣(≤80μm)60g、矿渣微粉(≤30μm)30g、混砂5～6分钟。

2、射芯

混砂完成后，将混制好的型砂放入射芯机的射砂筒内，在芯盒加热温度130℃，射芯压力0.5～0.6MPa，射砂时间2～3s的条件下，进行射砂制作砂样，硬化40～60s后便可脱模，取去砂样，冷却后检测性能。

性能测试：

试样常温抗压强度：3.1MPa

试样残留抗压强度：0.5MPa(在1000℃下保温30分钟，冷却至室温测定)

实施例三

改性水玻璃砂温芯盒制芯工艺，包括下述步骤：

1、混砂

将5000g石英砂投入混砂机内，再加入模数为2.4，密度为1.43g/cm³的水玻璃150g，混砂3～5分钟。

2、射芯

混砂完成后，将混制好的型砂放入射芯机的射砂筒内，在芯盒加热温度150℃，射芯压力0.5～0.6MPa，射砂时间2～3s的条件下，进行射砂制作砂样，硬化40～60s后便可脱模，取去砂样，冷却后检测性能。

性能测试：

试样常温抗压强度：2.0MPa

试样残留抗压强度：2.5MPa(在1000℃下保温30分钟，冷却至室温测定)