[发明专利]一种粉末固化无机自硬砂及制芯方法

说明书

本发明涉及一种砂及制芯方法，尤其是一种粉末固化无机硬砂及制芯方法，属于铸造技术领域。一种粉末固化无机自硬砂，包括以下重量百分比的组分：占天然硅砂重量0.8%～2.0%的粉末固化剂，占天然硅砂重量1.8%～3.0%的无机粘结剂和余量的天然硅砂。与现有技术相比，本发明具有如下显著优点，通过改性水玻璃和粉末硬化剂实现粉末自硬方式，从而使砂型达到树脂砂的强度、溃散、抗吸湿性又综合了传统水玻璃砂的低发气量、退让性。

技术领域

本发明涉及一种砂及制芯方法，尤其是一种粉末固化无机硬砂及制芯方法，属于铸造技术领域。

背景技术

铸造工业属于高能耗、污染严重的行业，尤其是在生产过程中对环境的污染——固体废弃物和空气污染。近年来，随着国家环保要求的提高，铸造企业面临着越来越大的生产压力，国家制定了越来越多的新标准，并且提高了旧有的标准的要求。对污染物的排放提出了严格的要求，并且积极推进降低污染排放的科学研究。金属熔炼及浇注成型的过程中产生污染的最大源头便是造型材料上，生产车间从混砂、砂型制作、型芯制作、浇注、固化冷却、落砂、清理、打磨等后续处理均会从造型材料上产生污染。可以说正真决解铸造污染的方案是从源头杜绝有害气体的产生及固体废气无物——造型材料。

有机树脂砂造型材料。呋喃树脂、酚醛树脂、三乙胺等有机树脂应用于铸造，是近代以来综合性能最为优良的造型材料类别，在砂型强度、抗吸湿性、表面粗糙度、溃散性和再生性能等五个方面具有显著的优势。其缺点主要有三个方面，需要进一步改进：1.发气量和最大发气速率高。采用树脂砂生产铸件，侵入式气孔是最常见的缺陷之一。目前覆膜砂发气量已普遍降低至12ml/g左右，但相比新型无机粘结剂低于5ml/g的发气量仍需改进。此外树脂砂的最大发气速率也是需要进一步改进的难点，由于树脂砂透气性较差，相比发气量，最大发气速率也是导致铸件气孔不可忽略的重要因素之一，这一点可能要从提高树脂阻燃特性等方面入手。2.型砂退让性差。树脂砂通常用来生产铸铁件而不适用于铸钢件是普遍共识，但随着铸件表面要求的提高，近年来越来越多的铸钢件直接采用或者结合覆膜砂砂型/芯进行生产，但由于树脂砂高温持久时间长，退让性差，铸件易产生裂纹缺陷。尤其在汽车行业中，普遍采用覆膜砂生产不锈钢铸件，裂纹一直是危害最大而且最普遍的问题之一。3.有害气体排放。树脂不完全燃烧容易产生各类有害气体和有机小分子挥发物，这是目前树脂砂面临的最大问题，现在所采取的的措施有采用木香树脂、邦尼树脂等芳香类树脂、增加制芯和浇注过程中的吸气罩、采用喷淋中和等，但这些措施都是治标不治本，而且需要极大的设备投入、动能消耗和维护管理成本，增加铸造企业的负担，使得原本就微利的铸造行业雪上加霜。

无机粘结剂砂造型材料。传统的无机粘结剂砂主要有硅酸盐砂和磷酸盐砂两类。硅酸盐砂粘结剂为水玻璃，水玻璃有钠水玻璃、钾水玻璃、锂水玻璃等，均为碱金属硅酸盐的水溶液，商业名为泡花碱，铸造中主要应用的是钠水玻璃。水玻璃砂的硬化方式可分为热硬法、气硬法和自硬法三大类。热硬法是利用装备加热使砂型脱水硬化，其强度高，水玻璃加入量在3%～4%，但生产效率低、能耗大，砂型加热时其表面先受热固化，内部的水蒸气不易排除，故厚大件砂型强度不足。普通CO₂气硬法是水玻璃粘结剂由于设备简单，操作方便，使用灵活，成本低廉，在国内外大多数的铸钢件生产中得到了广泛的应用。其硬化速度快，强度高；硬化后起模，铸件精度高。但是型砂强度低，水玻璃加入量高达7%～8%或者更多；含水量大，易潮湿，冬季硬透性差；溃散性差，旧砂再生困难，大量旧砂的废气导致环境碱性污染。粉末硬化剂自硬法是利用一些能够吸附水、颗粒小、表面积大的粉末使水玻璃脱水黏度增加，从而产生粘结力。这种粉末自硬砂操作简单、成本低，可以在很短时间内获得高强度砂型，但是粉末硬化剂加入量大，损耗粘结剂也较多，导致粘结剂的加入量无法降低，一般在6%～7%或者更多，且最后加重粉尘污染，因而限制了其应用。