CN101941043A - 水玻璃砂硬化剂 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种为水玻璃砂硬化剂，按重量百分比该硬化剂由以下组分组成：有机酯20～80%、质量浓度为80%磷酸6～24%、可溶性酸式磷酸盐2～8%、尿素1～4%和水11～44%。其制备方法是：将可溶性酸式磷酸盐、尿素混合溶解于水中形成溶液，再与磷酸、有机酯混合均匀，即得到水玻璃砂硬化剂。本发明水玻璃砂硬化剂使用方便、硬化效果好、成本低廉、硬化速度可控、能够显著降低水玻璃的加入量、显著改善型砂溃散性。

Description

水玻璃砂硬化剂

技术领域

本发明涉及铸造型砂硬化剂，特别涉及一种水玻璃砂硬化剂。

背景技术

铸造行业中造型（芯）用的粘结剂有粘土、水玻璃、树脂等。其中水玻璃作为一种无机化学粘结剂，具有价格低廉、来源广泛、无毒无味等优点，被广泛用于铸钢生产中。目前水玻璃砂硬化的主要方法有CO₂硬化法和酯硬化法等。

其中，CO₂硬化法的原理是：水玻璃砂吹入CO₂气体硬化时，水玻璃的表层因吸收CO₂而其模数升高和脱水，在酸化和脱水两重作用下，迅速硬化而形成初强度。已固化的表层水玻璃阻碍了CO₂往深层渗透，内层水玻璃只能靠脱水而继续增加强度。CO₂硬化法的优点是硬化速度快、成本低、设备简单。突出的缺点是，由于硬化后的强度不够高，因此需要加入较多的水玻璃（通常为砂重的8-10%），造成浇注后砂型溃散性差，铸件清理和旧砂再生困难，目前大多用于中、小批量铸钢件生产。酯硬化法的原理是：采用液体的有机酯作水玻璃的硬化剂。有机酯在强碱性水玻璃溶液的作用下，水解为醇与酸；醇有很强的亲水性，它可夺去水玻璃的水分，构成它的溶剂化水；酸与水玻璃反应，析出钠盐，它也有一定的亲水性，能夺取水玻璃的水分，构成它的结晶水；在酸化和脱水双重作用下，使水玻璃砂硬化。酯硬化法不仅使型（芯）砂具有很高的强度，还可以充分发挥水玻璃的粘接能力，大大降低了水玻璃的加入量，因此显著改善了水玻璃砂的溃散性，是一种比较理想的硬化方法，在国外已普遍采用。

但从国外引进的酯硬化剂价格昂贵，一般企业不敢问津；国内生产的酯硬化剂，有的使水玻璃砂残留强度还比较高；有的对酯硬化剂性能研究不够，夏季硬化时间太快的问题没有很好解决。《铸造》杂志于1997.2的第39-41页公开了一种水玻璃自硬砂GY液体硬化剂，其主要成分为1^#酯或6^#酯、磷酸、磷酸盐和尿素，上述硬化剂在400～800℃残留强度显著降低、表面稳定性大于99%，是一种性能较好的液体硬化剂。但是文中并未公开各组分具体的配方，而各组分的配方直接关系到硬化剂的性能。比如，有机酯在硬化剂中的比例决定了水玻璃砂硬化速度和最终强度；而磷酸、磷酸盐、尿素及水所占的比例在硬化剂中也非常重要：①比例合适的磷酸、磷酸盐和尿素能与有机酯配合起到调节和控制硬化速度的作用，以适应不同环境温度对型砂硬化速度的要求；②合适的比例还可以使水玻璃砂残留强度降低，从而改善水玻璃砂溃散性，减少清理工作量，这是其他系列有机酯无可比拟的；③而磷酸、磷酸盐以及尿素等对水玻璃砂强度的影响和对硬化速度的影响是相互关联的，不是呈线性的关系的，因此，硬化剂的配方尤其是磷酸、磷酸盐、尿素及水所占的比例和各自的含量需要进行大量的摸索和试验。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种成本低廉、硬化速度可控的并能够显著改善型砂溃散性的水玻璃砂硬化剂。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种水玻璃砂硬化剂，其按照下述重量百分比的组分混配而成：有机酯20～80%、质量浓度为80%磷酸6～24%、可溶性酸式磷酸盐2～8%、尿素1～4%和水11～44%。

所述有机酯为丙三醇二乙酸酯、乙二醇单乙酸酯或二乙二醇单乙酸酯。

所述可溶性酸式磷酸盐为磷酸二氢铝或磷酸二氢钠。

上述水玻璃砂硬化剂的制备方法按照下述步骤进行：

①   按照上述重量百分比将可溶性酸式磷酸盐、尿素混合溶解于水中，得溶液A；

②   在步骤①所述的溶液A中分别加入上述重量百分比的质量浓度为80%的磷酸和有机酯，混合均匀，即得水玻璃砂硬化剂。

应用上述水玻璃砂硬化剂时，水玻璃砂的配比为：石英砂100%，水玻璃（模数2.43，密度1.48）加入量为砂重的4%，硬化剂加入量为水玻璃重的10%。

水玻璃砂的酯硬化要经过三个阶段：

第一步是水解生成硅酸：Na₂O·mSiO₂+(m+1)H₂O = 2NaOH+mSiO₂·H₂O；

第二步是随着水解的不断进行，水玻璃中硅酸的浓度增加，形成胶粒，呈现胶体分散即硅酸溶胶；

第三步是胶粒之间相互凝聚成网状结构，包住所有或大部分水，使整个体系失去流动性，形成胶凝。

由于本发明的水玻璃砂硬化剂呈液态，能与水玻璃形成均匀的混合物。水玻璃的pH值在10-12范围内，是一个有效的羟基离子源。硬化剂中的有机酯在羟基离子环境下发生水解，生成的有机酸与水玻璃水解产物NaOH发生反应，生成皂化物，促使水玻璃连续不断的水解，造成水玻璃溶液中硅胶粒子不断增加，并最终形成多孔态的具有发达分支链的立体网状结构，将石英砂粒粘接在一起。经测定，有机酯硬化能使水玻璃的利用率达到70.4%，而CO₂硬化的只有22.7%，因此在保证同样铸型强度的条件下，可以大大减少水玻璃的加入量。由于单独使用有机酯作硬化剂时，水玻璃砂硬化速度受温度影响比较大，温度越高，硬化速度越快，造成夏季硬化速度过快，生产过程难以控制。本发明水玻璃砂硬化剂中加入了磷酸、磷酸盐、尿素和水，目的就是在保持有机酯硬化的优点的同时，有效调节水玻璃砂硬化速度。已有研究表明，加入含氮物质可有效延缓水玻璃的水解速度；本发明中酸式磷酸盐与尿素相互作用获得的安替匹林，可有效提高水玻璃砂的强度，降低金属液浇注以后的残留强度。

研究表明，在保证铸型足够室温强度的前提下，水玻璃加入量每减少1%，高温金属液浇注后铸型的残留强度就明显降低；当水玻璃的加入量从8%降到4%时，可使铸件清理和旧砂再生回用的工作量减少4/5。

采用了上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在有机酯中加入了无机物，既发挥了有机酯硬化效果好的优点，又通过加入不同比例的无机物，很好的弥补了水玻璃砂单独使用有机酯作硬化剂时夏季的硬化速度快，生产控制困难的缺点。形成了硬化速度可控的、能够满足不同季节、不同生产模式要求的系列硬化剂。并且由于使用本发明硬化剂的水玻璃砂硬化强度高、发气量小，使型砂在满足强度要求的基础上，水玻璃的加入量可明显减少，为原砂重量的4%。因此型砂的溃散性好，铸件清理容易，旧砂再生回用方便，铸件气孔缺陷也明显减少。本发明硬化剂成本较CO₂硬化和使用有机酯硬化等生产成本明显降低。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明做进一步详细说明：

实施例一

水玻璃砂硬化剂按照表一中所列重量百分比的组分混配而成。

上述水玻璃砂硬化剂的配制步骤：

①   按照表一中的重量百分比将可溶性酸式磷酸盐、尿素混合溶解于水中，得溶液A；

②   在步骤①所述的溶液A中分别加入上述重量百分比的质量浓度为80%的磷酸和有机酯，混合均匀，即得水玻璃砂硬化剂。

使用上述水玻璃砂硬化剂时，水玻璃砂的配比为：石英砂100%，水玻璃（模数2.43，密度1.48）加入量为石英砂重的4%，硬化剂加入量为水玻璃重的10%。首先按上述配比将本发明硬化剂直接与石英砂混合均匀后，再加入水玻璃混合均匀即可。然后分别在0～5℃，12～18℃，25～30℃三个温度范围下、不同的时间内进行抗压强度试验，所得的试验结果见表2、表3、表4；然后进行表面安定性和高温残留强度试验。上述试验按照常规方法进行。

实施例二～实施例五

水玻璃砂硬化剂的组分及其含量见表1，试验结果见表2～表4。

所述水玻璃砂硬化剂的配制方法及应用同实施例一。

表1 水玻璃砂硬化剂的组分及其含量

注：1）所述可溶性酸式磷酸盐为磷酸二氢铝或磷酸二氢钠。 

2）所述有机酯为丙三醇二乙酸酯、乙二醇单乙酸酯或二乙二醇单乙酸酯。

表2 采用本发明在0～5℃下的试验结果

表3采用本发明在12～18℃下的试验结果

表4采用本发明在25～30℃下的试验结果

试验结果表明，本发明的新型硬化剂对水玻璃砂的硬化速度不同，可适应不同速度要求；水玻璃砂硬化终期强度高，表面安定性好，可满足铸造对型砂强度的要求；水玻璃砂1000℃残留强度较低，最低只有24h强度的20%（进口英国某品牌的carset555硬化剂硬化的水玻璃砂1000℃残留强度2.23 MPa，约为24h强度的45%），型砂溃散性好，铸件清理和旧砂再生回用方便。

从混制一吨水玻璃砂所需的水玻璃及硬化剂的费用，综合计算，与CO₂硬化法、进口英国某品牌的carset555硬化剂进行对比，分别减少45元和50元。按年产5000吨铸件所需10000吨型砂计算，每年可节约成本45万元和50万元，经济效益十分显著。

Claims (3)

1.一种水玻璃砂硬化剂，其特征在于其按照下述重量百分比的组分混配而成：有机酯20～80%、质量浓度为80%磷酸6～24%、可溶性酸式磷酸盐2～8%、尿素1～4%和水11～44%。

2.根据权利要求1所述的水玻璃砂硬化剂，其特征在于所述有机酯为丙三醇二乙酸酯、乙二醇单乙酸酯或二乙二醇单乙酸酯。

3.根据权利要求1所述的水玻璃砂硬化剂，其特征在于所述可溶性酸式磷酸盐为磷酸二氢铝或磷酸二氢钠。