專利名稱：：改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種溫芯盒制芯方法，特別是涉及一種改性水玻璃砂溫芯盒制芯方法。
背景技術(shù)：
：所謂熱芯盒制芯就是用射芯機(jī)以0.50.7Mpa的壓縮空氣將濕態(tài)熱固性樹脂砂射入加熱至一定溫度》20(TC的芯盒內(nèi)，經(jīng)數(shù)秒至數(shù)十秒鐘后，即可從熱芯盒中取出具有足夠強(qiáng)度的砂芯的一種高效制芯工藝，這種工藝早在1959年，由法國人開發(fā)出來后，很快引起了世界汽車及農(nóng)業(yè)機(jī)械的鑄造工作者的重視和應(yīng)用，現(xiàn)已成為我國的一種重要的高效制芯技術(shù)而得到了飛速的發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國熱法制芯工藝在汽車制造工業(yè)中已占總制芯量近50%左右。但是，熱法制芯的弊病是，能耗高，常因溫度高使砂芯表面發(fā)酥，或因溫度過低而使部分硬化不透等原因而引起各種鑄造缺陷；另外，制芯工人需要在高溫及強(qiáng)烈刺激性氣味的環(huán)境下操作，工作條件差，因此，急需尋求一種新的工藝。到1978年美國Kottke等人開創(chuàng)了一種溫芯盒制芯工藝，由于它具有節(jié)省能源，減少環(huán)境污染和改善砂芯及鑄件^質(zhì)量等諸多優(yōu)點(diǎn)而得到世界各國鑄造工作者的廣泛重視，并不斷用溫芯盒工藝取代熱芯盒和殼芯等熱法制芯工藝，取得了較大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。美國QO化學(xué)制品公司也研究成功了一種呋喃樹脂砂溫芯盒的制芯新工藝，它能將熱法制芯的芯盒溫度降低到177i:以下。所謂溫芯盒制芯法是指芯盒加熱溫度范圍在14018(TC的一種制芯方法。它在美國、德國、法國、前蘇聯(lián)、日本、韓國等國家中迅速推廣應(yīng)用，用以取代某些工廠原來采用熱芯盒法、殼法，甚至冷芯盒法制芯工藝。溫芯盒法是熱芯盒法工藝的改進(jìn)和革新，與熱芯盒法相比，該方法存在如下優(yōu)勢a.芯盒加熱溫度低，耗能小。根據(jù)資料分析，采用溫芯盒工藝(加熱溫度為《150°C)制備抗彎強(qiáng)度標(biāo)樣的能量消耗比熱芯盒(加熱溫度》20(TC)減少20%左右。在工業(yè)生產(chǎn)中，用城市煤氣加熱芯盒，對中型砂芯(1421kg)可節(jié)約能源15%25%，對大型砂芯可節(jié)能50%，提高生產(chǎn)能力40%。b.克服了熱芯盒工藝存在的從制芯工位散發(fā)到工作環(huán)境中的各種有害氣體如甲醛、苯酚、糠醇、氨等的問題，改善了工人的勞動(dòng)條件。C.提高了砂芯質(zhì)量，減少了鑄件缺陷，縮短了砂芯以及鑄件的生產(chǎn)周期。美國Berlin公司鑄造車間用溫芯盒法生產(chǎn)的氣缸體、集流管、液壓設(shè)備等鑄件的砂芯重量0.23110kg,使鑄件的氣孔缺陷從20%下降到0.3%，砂芯制造周期縮短40%50%，在某些場合下接近冷芯盒。材料成本比殼芯覆膜砂低30%，比冷硬砂低10%。d.溫芯盒法又可繼續(xù)沿用原來的熱芯盒射芯機(jī)，無需設(shè)備投資，不改變原有的生產(chǎn)工序和工藝流程。其操作工人也不需要再進(jìn)行專門的技術(shù)培訓(xùn)，因此特別適合我國的國情，具有很大的實(shí)用價(jià)值。目前，在世界上溫芯盒工藝主要有三大類:以呋喃樹脂為基、以酚醛樹脂為基和以聚丙烯酸鹽等。由此可知，目前溫芯盒工藝與売型工藝、熱芯盒以及冷芯盒工藝相同，都是采用有機(jī)合成樹脂作粘結(jié)劑，故現(xiàn)今的溫芯盒工藝也存在著一定的問題，例如在混砂、制芯、澆注和清砂等過程中，由于樹脂的氧化、分解和燃燒產(chǎn)生的許多有害氣體，有些甚至是致癌物質(zhì)，會(huì)散發(fā)到大氣中，形成難以控制的環(huán)境危害，從而使車間空氣遭受污染，勞動(dòng)條件差，人體也受到一定程度的危害。另外，糠醇、苯酚等價(jià)格居高不下，導(dǎo)致鑄件的生產(chǎn)成本不斷攀升。隨著21世紀(jì)人類社會(huì)文明程度的提高，各種環(huán)保法規(guī)的不斷實(shí)施，這些有毒、有害的有機(jī)合成樹脂粘結(jié)劑的應(yīng)用范圍勢必將逐步受到限制甚至禁止使用。因此，開發(fā)無毒、無污染、綜合技術(shù)工藝性能好的新型無機(jī)砂芯粘結(jié)劑，已引起了世界各國鑄造工作者的高度重視。水玻璃就是一種人們最熟知、最古老的造型、制芯用的無毒、無味、綠色鑄造無機(jī)粘結(jié)劑，從20世紀(jì)50年代引入鑄造生產(chǎn)(參見英國專利，GB782205)，至今已有50多年的應(yīng)用歷史了。水玻璃砂使用性能優(yōu)越靈活，既可造型也可制芯，最早的C02氣體硬化冷芯盒工藝應(yīng)屬水玻璃一C02法。但是，C02硬化水玻璃砂存在的最大問題是澆注后潰散性差，鑄件清砂及舊砂回用困難，嚴(yán)重阻礙了它的推廣應(yīng)用。與樹脂砂型比較，低模數(shù)水玻璃砂存在強(qiáng)度低、抗?jié)裥圆?、潰散性不好、鑄件清砂以及舊砂再生回用困難等許多問題，一直困擾著鑄造工作者幾十年的時(shí)間，至今也沒有得到較好的解決。為解決低模數(shù)水玻璃砂存在的上述問題，我國在相當(dāng)長的時(shí)間里，對水玻璃砂開展了大量的科研攻關(guān)工作，但仍未取得突破性進(jìn)展。原因是人們企圖在低模數(shù)鈉水玻璃加入量較高的情況下，通過加入各種有機(jī)或無機(jī)潰散劑等附加物的辦法來解決存在的問題，但收效甚微。俄羅斯PycimaB.B.等人提出，在模數(shù)《2.0的水玻璃混合料中加入煤渣附加物的辦法，可使水玻璃的粘結(jié)強(qiáng)度提高510倍，由于采用的水玻璃的模數(shù)太低，Na20含量太高，不適用于鑄造工業(yè)，而僅大量應(yīng)用于建筑行業(yè)。日本二俁勝美等人采用微波加熱提高水玻璃砂芯的強(qiáng)度，將砂中水玻璃加入量減少到1%2%，達(dá)到改善水玻璃砂漬散性的目的，但是微波照射的砂芯的抗?jié)裥暂^差，在生產(chǎn)中未能得到應(yīng)用。俄羅斯^yKOBCKM等人通過試驗(yàn)找出了水玻璃砂潰散性差的根本原因，他認(rèn)為金屬液高溫澆注時(shí)，水玻璃砂在強(qiáng)熱的作用下，其中的Na20對石英砂的侵蝕與燒結(jié)，形成燒結(jié)體。這種燒結(jié)體的強(qiáng)度在常溫下決定了水玻璃砂殘留強(qiáng)度的高低。所以，減少燒結(jié)體的形成量，即減少Na20對石英砂的侵蝕與燒結(jié)，是降低水玻璃砂的殘留強(qiáng)度，提高其潰散性的根本方法。因此，大幅度降低砂中Na20的含量，即鈉離子的數(shù)量，才是解決該問題的根本方法。但是，長期的生產(chǎn)實(shí)踐表明，水玻璃的粘結(jié)強(qiáng)度低，若想提高水玻璃型芯砂的強(qiáng)度就需要加大水玻璃的加入量，相應(yīng)地，也就必然導(dǎo)致其潰散性差。所以，若想足夠的硬化強(qiáng)度與優(yōu)越的潰散性二者兼得，就必須在提高水玻璃模數(shù)的基礎(chǔ)上大幅度增加它本身的粘結(jié)強(qiáng)度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的，是提供一種改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，以取代目前應(yīng)用的樹脂砂溫芯盒制芯工藝。該工藝的主要特點(diǎn)是，改性水玻璃芯砂固化溫度(《160°C)顯著低于殼型與熱芯盒制芯工藝，有利于大大降低能源消耗，改善作業(yè)環(huán)境，減少芯盒變形，延長工裝壽命。同時(shí)在消除水玻璃老化現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，選用多種超細(xì)粉特殊附加物對水玻璃進(jìn)行化學(xué)改性，不但能大幅度增加芯砂的強(qiáng)度，減少水玻璃的加入量，提高鑄件的表面質(zhì)量；也能降低其殘留強(qiáng)度，改善潰散性。特別是水玻璃是一種綠色粘結(jié)材料，成本低、資源廣、污染少，因此，它是一種很有應(yīng)用發(fā)展前景的無機(jī)粘結(jié)劑。本發(fā)明的主要技術(shù)特點(diǎn)是，在對高模數(shù)水玻璃進(jìn)行加熱消除老化的物理改性和用鋁、胺等對它進(jìn)行化學(xué)改性的前提下，再選用了納米硅粉、煤渣、礦渣微粉等多種活性附加物對高模數(shù)水玻璃進(jìn)行綜合改性，旨在顯著提高它的粘結(jié)強(qiáng)度。因?yàn)?，煤渣中可溶性的Si02、Al203等活性組分在有水存在時(shí)，可以與Ca(OH)2發(fā)生水化反應(yīng)，生成膠凝性良好，強(qiáng)度較高和抗?jié)裥詮?qiáng)的水化硅酸鈣(C-S-H)和水化硅酸鋁(A-S-H)等膠粘材料，二者的生成能夠大幅度提高水玻璃砂的強(qiáng)度，尤以高模數(shù)水玻璃砂。但是，水化反應(yīng)的進(jìn)行需要兩個(gè)前提條件，水和氧化鈣。水玻璃中含有大量的水分，可以滿足反應(yīng)的需求。而煤渣卻是"先天性缺鈣"，其CaO含量低于10%，有的甚至低于3.0%，不利于反應(yīng)的順利進(jìn)行。而CaO含量高達(dá)40X的礦渣微粉的加入，能夠補(bǔ)充反應(yīng)所需CaO的不足。煤渣中雖然含有大量的Si02和Al203，但是其中[Si04]4—聚合度很高，結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，其火山灰活性大部分是潛在的，活性發(fā)揮的速度非常緩慢。若想加快煤渣發(fā)揮活性的速度，就需要加入激發(fā)劑，將其活性激發(fā)出來。水玻璃本身即為煤渣的激發(fā)劑。水玻璃是硅酸納的膠體溶液，呈強(qiáng)堿性，其內(nèi)部存在大量的OH—。而煤渣主要成分是酸性氧化物，呈弱酸性，因而在堿性環(huán)境中其活性最容易被激發(fā)。在OH—的作用下，煤渣顆粒表面的Si—O和Al—O'鍵斷裂，Si—O—Al網(wǎng)絡(luò)聚合體的聚合度降低，表面形成游離的不飽和活性鍵，容易與Ca(OH)2反應(yīng)生成水化硅酸鈣和水化硅酸鋁等膠凝產(chǎn)物。另外，納米硅粉的加入，能夠補(bǔ)充活性高的Si02，有利于加速水化反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，選用高模數(shù)水玻璃作芯砂粘結(jié)劑，有利于降低澆注后水玻璃砂的殘留強(qiáng)度，改善潰散性。另外，利用納米硅粉、煤渣和礦渣微粉改性水玻璃，由于納米硅粉與煤渣中均含有碳，澆注時(shí)，在金屬液的高溫作用下，碳會(huì)燒損，這使致密的水玻璃粘結(jié)膜產(chǎn)生裂紋，從而顯著改善潰散性。并且，在冷卻過程巾，納米硅粉、煤渣和礦渣微粉與水玻璃粘結(jié)膜的收縮率不同，能夠起到割裂粘結(jié)膜的作用，進(jìn)一歩改善潰散性，下表為模數(shù)2.6的水玻璃砂中加入了納米硅表1不同改性水玻璃采用溫芯盒工藝獲得的試樣強(qiáng)度數(shù)據(jù)<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>粉、煤渣、礦渣微粉等多種活性附加物進(jìn)行改性后，采用溫芯盒制芯工藝獲得的試樣強(qiáng)度。從表中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，超細(xì)粉改性劑不但能夠大幅度提高水玻璃砂的硬化后的抗壓強(qiáng)度，并且能夠有效降低其殘留強(qiáng)度。采用的技術(shù)方案是改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，包括下述工藝步驟:1、砂型制備將設(shè)定數(shù)量的石英砂放入混砂機(jī)內(nèi)，冉加入石英砂總重量2%4%的模數(shù)為2.53.5，密度為1.301.45g/cm3的水玻璃，混砂35分鐘后，再向混砂機(jī)中加入占石英砂總重量0.5%5%的改性劑，改性劑為納米硅粉、煤渣(0.4100um)、礦渣微粉(150um)，納米硅粉占改性劑總重量的40%80%、煤渣占改性劑總重量的10%40%、礦渣微粉占改性劑總重量的10%35%，加入改性劑后混砂56分鐘。2、射芯將上述混制好的型砂放入射芯機(jī)射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度達(dá)到12016(TC時(shí)，進(jìn)行射芯，射芯壓力為0.50.6Mpa，射芯時(shí)間為23s，制成砂樣，硬化2060s后脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。具體實(shí)施方式實(shí)施例一改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，包括下述工藝步驟1、型砂制備向5000g的混砂機(jī)內(nèi)加入石英砂5000g，再加入模數(shù)為2.6，密度為1.36g/cm3的水玻璃150g，混砂35分鐘，然后加入納米硅粉60g、煤渣(《80ixm)20g、礦渣微粉(《30iim)20g、混砂56分鐘。2、射芯混砂完成后，將混制好的型砂放入射芯機(jī)的射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度150°C，射芯壓力0.50.6MPa，射砂時(shí)間23s的條件下，進(jìn)行射砂制作砂樣，硬化4060s后便可脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。性能測試試樣常溫抗壓強(qiáng)度3.7MPa試樣殘留抗壓強(qiáng)度0.6MPa(在1000。C下保溫30分鐘，冷卻至室溫測定)實(shí)施例二改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，包括下述步驟1、型砂制備向混砂機(jī)內(nèi)投入5000g石英砂，再加入模數(shù)為3.0，密度為1.33g/cn^的水玻璃200g，混砂35分鐘，然后加入納米硅粉60g、煤渣(《80um)60g、礦渣微粉(《30iim)30g、混砂56分鐘。2、射芯混砂完成后，將混制好的型砂放入射芯機(jī)的射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度130°C，射芯壓力0.50.6MPa，射砂時(shí)間23s的條件下，進(jìn)行射砂制作砂樣，硬化4060s后便可脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。性能測試試樣常溫抗壓強(qiáng)度3.1MPa試樣殘留抗壓強(qiáng)度0.5MPa(在100(TC下保溫30分鐘，冷卻至室溫測定)實(shí)施例三改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，包括下述步驟1、混砂將5000g石英砂投入混砂機(jī)內(nèi)，再加入模數(shù)為2.4，密度為1.43g/cn^的水玻璃150g，混砂35分鐘。2、射芯混砂完成后，將混制好的型砂放入射芯機(jī)的射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度150°C，射芯壓力0.50.6MPa，射砂時(shí)間23s的條件下，進(jìn)行射砂制作砂樣，硬化4060s后便可脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。性能測試試樣常溫抗壓強(qiáng)度2.0MPa試樣殘留抗壓強(qiáng)度2.5MPa(在100(TC下保溫30分鐘，冷卻至室溫測定)。權(quán)利要求1、改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在于包括下述工藝步驟A、砂型制備將設(shè)定數(shù)量的石英砂放入混砂機(jī)內(nèi)，再加入石英砂總重量2％～4％的模數(shù)為2.5～3.5，密度為1.30～1.45g/cm3的水玻璃，混砂3～5分鐘后，再向混砂機(jī)中加入占石英砂總重量0.5～5％的改性劑，改性劑為納米硅粉、煤渣粉、礦渣微粉，納米硅粉占改性劑總重量的40％～80％、煤渣占改性劑總重量的10％～40％、礦渣微粉占改性劑總重量的10％～35％，加入改性劑后混砂5～6分鐘；B、射芯將上述混制好的型砂放入射芯機(jī)射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度達(dá)到120～160℃時(shí)，進(jìn)行射芯，射芯壓力為0.5～0.6Mpa，射芯時(shí)間為2～3s，制成砂樣，硬化20～60s后脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在于所述的改性水玻璃的模數(shù)為2.53.5，密度為1.301.45g/cm3，加入量為占砂子重量的2%4%。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在于所述的改性劑為納米硅粉、煤渣、礦渣微粉，納硅粉占改性劑總重量的40%80%、煤渣占改性劑總重量的10%40%、礦渣微粉占改性劑總重量的10%35%，，加入量為占砂子重量的0.5%5%。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在于所述的芯盒加熱溫度為120160°C，硬化時(shí)間為2060s。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在于所述的煤渣粒度為0.4—100um，所述的礦渣微粉粒度為1一50ym。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在包括下述工藝步驟A、型砂制備向5000g的混砂機(jī)內(nèi)加入石英砂5000g，再加入模數(shù)為2.6，密度為1.36g/cm3的水玻璃150g，混砂35分鐘，然后加入納米硅粉60g、粒度《80um的煤渣20g、粒度《30um的礦渣微粉20g、混砂56分鐘；B、射芯混砂完成后，將混制好的型砂放入射芯機(jī)的射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度150°C，射芯壓力0.50.6MPa，射砂時(shí)間23s的條件下，進(jìn)行射砂制作砂樣，硬化4060s后便可脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，其特征在包括下述工藝步驟A、型砂制備向混砂機(jī)內(nèi)投入5000g石英砂，再加入模數(shù)為3.0，密度為1.33g/cn^的水玻璃200g，混砂35分鐘，然后加入納米硅粉60g、粒度《80tim的煤渣60g、粒度《30Pm的礦渣微粉30g、混砂56分鐘。B、射芯混砂完成后，將混制好的型砂放入射芯機(jī)的射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度130°C，射芯壓力0.50.6MPa，射砂時(shí)間23s的條件下，進(jìn)行射砂制作砂樣，硬化4060s后便可脫模，取去砂樣，冷卻后檢測性能。全文摘要改性水玻璃砂溫芯盒制芯工藝，是將設(shè)定數(shù)量的石英砂放入混砂機(jī)內(nèi)，再加入石英砂總重量2％～4％的水玻璃，混砂3～5分鐘后，再向混砂機(jī)中加入占石英砂總重量0.5～5％的改性劑，改性劑為納米硅粉、煤渣粉、礦渣微粉，納米硅粉占改性劑總重量的40％～80％、煤渣占改性劑總重量的10％～40％、礦渣微粉占改性劑總重量的10％～35％，加入改性劑后混砂5～6分鐘；然后將上述混制好的型砂放入射芯機(jī)射砂筒內(nèi)，在芯盒加熱溫度達(dá)到120～160℃時(shí)，進(jìn)行射芯，射芯壓力為0.5～0.6MPa，射芯時(shí)間為2～3s，制成砂樣，硬化20～60s后脫模，取去砂樣即得。該工藝的改性水玻璃芯砂固化溫度(≤160℃)顯著低于殼型與熱芯盒制芯工藝，有利于大大降低能源消耗，改善作業(yè)環(huán)境，減少芯盒變形，延長工裝壽命。文檔編號B22C9/10GK101172302SQ20071015720公開日2008年5月7日申請日期2007年9月29日優(yōu)先權(quán)日2007年9月29日發(fā)明者劉加軍,呂德志,李漢錕,昊羅,謝華生申請人:沈陽鑄造研究所