组分加入量对双组分无机粘结剂砂强度的影响.pdf

现代铸铁圆园23/42012（4）：26-29.11李程碑，杨杰，杨俊伟.涂料防腐剂的研究及应用进展J.现代涂料与涂装，2013（4）：23-28.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）收稿日期：2023-02-27修订日期：2023-07-31作者简介：祁雨阳（1996.6），男，华中科技大学在读博士，主要研究方向为无机粘结剂砂。组分加入量对双组分无机粘结剂砂强度的影响祁雨阳，文艺贝，万鹏，殷亚军，李远才，周建新（华中科技大学材料成形与模具技术国家重点试验室，湖北武汉430074）摘要：试验研究了对液态粘结材料和粉状促硬剂组成的双组分新型硅酸盐无机粘结剂。试验结果表明：调控液态粘结材料和粉状促硬剂加入量和相对比例，会显著影响型（芯）砂的粘结强度，其中，液态粘结材料中的硅酸盐起主要粘结作用，过少时会影响粘结桥的内聚强度。粉状促硬剂则用来提高硅酸盐内部缩聚反应的程度，过少时无法提供充足的反应颗粒，过多则会降低液态材料的有效粘结率。通过试验得到最优组分为液态粘结材料加入量2%、粉状促硬剂加入量50%，此时综合使用性能最优。关键词：新型硅酸盐无机粘结剂；液态粘结材料；粉状促硬剂；强度中图分类号：TG221文献标志码：月文章编号：员园园猿原愿猿源缘（圆园23）园4原园园50原06Influence of Component Addition on Strength of Two-component Inorganic Binder SandQI Yu-yang，WEN Yi-bei，WAN Peng，YIN Ya-jun，LI Yuan-cai，ZHOU Jian-xin（State Key Laboratory of Materials Processing and Die&Mould Technology，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan430074，China）Abstract：Two-component new silicate inorganic binder composed of liquid bonding material and powder hardening acceleratorwas studied.The test results indicated that regulation of the amount and relative proportion of liquid bonding material andpowder hardening accelerator agent would significantly affect the bonding strength of the molding（core）sand.Among them，the silicate in liquid bonding material plays the main bonding role，and the cohesive strength of the binding bridge would beaffected when it was too little.Powder hardening agents were used to improve the degree of internal condensation reaction insilicates.If there was too little，it couldnt provide sufficient reaction particles.If there was too much，it would reduce theeffective bonding rate of liquid materials.Through the test，the optimal components were of 2%liquid bonding material and50%powder accelerator，and the comprehensive performance was optimal.Key words：new silicate inorganic binder；liquid bonding material；powder hardening accelerator；strength近年来，由于砂型铸造生产中使用的各种树脂砂产生的环境污染问题日显突出，硅酸盐和磷酸盐等无机盐类无毒、无害、无恶臭的优点再一次受到了普遍的关注，国内外的铸造行业都加强了对新型硅酸盐无机粘结剂的研究工作1-2，但在现实生产中，并未能取代树脂砂的应用地位，这主要是因为硅酸盐粘结剂砂还存在一些显著问题，例如型（芯）砂强度低、溃散性差等缺点3。硅酸盐粘结剂砂的粘结强度，主要取决于以下两方面4：（1）粘结桥的强度，当型砂内部的粘结膜越厚、粘结桥的内聚强度越高、粘结桥总数目越多、粘结桥越致密粗大，型砂的整体粘结强度就越高。（2）粘结桥与砂粒表面的联结强度（也称为附着强度），一般受粘结剂加入量、粘结剂流造型材料Moulding Materials50圆园23/4现代铸铁动性、原砂表面形貌等因素影响。只要使原砂颗粒表面和粘结物质之间形成较多的 Si-O 键，分子间作用力加强，就可以提高粘结剂的附着强度。硅酸盐粘结剂砂溃散性差，会提高型砂残留强度，加大清砂工作量，使干法落砂和旧砂回用都十分困难5，而且容易造成环境硅尘污染。笔者选用的新型商品硅酸盐粘结剂为双组分粘结剂，由液态粘结材料与粉状促硬剂配伍组成，通过调整组分加入量，来改善硅酸盐粘结剂砂的上述性能缺陷，达到最优的综合使用性能。1试验方法1.1试验材料试验原砂采用 50/100 目大林硅砂。新型硅酸盐粘结剂由液态粘结材料与粉状促硬剂配伍组成。液态粘结材料的主要成分是 Na+、K+复合硅铝酸盐溶液，辅以少量有机醇类物质。和普通的钠水玻璃相比，钾水玻璃的抗老性能更好，保存时间可以得到延长。又由于 K+在高温下对硅砂侵蚀性较弱，因此对降低硅酸盐粘结剂砂的残留强度也有所助益。总之，Na+、K+复合硅酸盐溶液的总体性能较好，既可以延缓粘结剂老化，也能提高硬化速度，同时起到改善型砂溃散性的作用。但仅使用液态粘结材料时型砂的粘结强度极差，需与相应无机粉状促硬剂配伍使用来强化粘结性能。1.2型（芯）砂试样制备方法混砂后，在覆膜砂制样机的“8”字模具中，加热到 180 益，保温 160 s，获得半厚度的标准抗拉型砂试样。1.3型（芯）砂试样性能检测1.3.1抗拉强度检测试验过程中需要测量型砂试样抗拉强度：即时强度和常温强度。即时强度是指型砂经热芯盒加热硬化起模后，砂样不经冷却，立即使用利用电脑伺服式拉压力试验机测量型砂试样的抗拉强度。每组 6 个型砂试样，去掉最高和最低值后，取余下 4 值的平均数作为最终测量结果；常温强度包含 1 h 强度和 24 h 强度，是指型砂试样取模后，在室内环境中无人为干预的条件下分别放置1 h 或 24 h 后测定的抗拉强度，最终测量结果的算法同上。1.3.2残留强度检测溃散性是指铸件冷凝后，型砂自行溃散的能力。本试验采用国内外常用的残留强度法对溃散性进行分析，将制得的“8”字形砂试样放入到800益的高温马弗炉中煅烧 30 min，随后取出型砂试样空冷至室温，再测量此时的抗拉强度，数值越小，说明型砂的溃散性能越优良。2试验结果与分析2.1液态粘结材料加入量对型砂试样强度的影响首先研究在添加一定量粉状促硬剂的条件下，改变液态粘结材料加入量对型砂试样强度性能的影响。取粉状促硬剂添加量为 0.6%（占砂重），粘结剂加入量从 1%逐渐增加到 4%。最终测得各类抗拉强度影响曲线如图 1 所示。由图 1 可见，当粉状促硬剂的添加量为砂重的 0.6%时，在不同加入量液态粘结材料的作用下，型砂试样的即时强度、常温强度的变化趋势基本相同，具有一致性。而随着粘结剂加入量的增加，型砂试样 800 益残留强度略有增高，但总体变化不大，都在 0.10.2 MPa 范围内，溃散性能良好。图 2 为粘结剂加入量为 2%的型砂试样经800 益烧灼后的粘结桥微观形貌，上面分布着大量气孔和细微的裂纹。国内外铸造研究者的工作显示，在硅酸盐水溶液中，硅酸钾的粘结力虽然不如硅酸钠强，但其抗烧结力则要强于后者，图1液态粘结材料加入量对型砂试样抗拉强度的影响Fig.1Influence of liquid bonding material addingamount on tensile strength of molding sand specimen123400.51.01.52.02.53.0即时强度1 h 强度24 h 强度800 益残留强度粘结剂加入量/%造型材料Moulding Materials51现代铸铁圆园23/4图圆800 益残留强度型砂试样粘结桥形貌Fig.圆Binding bridge morphology of 800 益 residualstrength molding sand specimen2园 滋m且 K+的胶粒凝聚能力也要高于 Na+，这些特性使得钾水玻璃更容易均匀地包覆在砂粒表面，因而硬化速度更快，形成的粘结膜更薄，砂粒间的粘结桥厚度更小，在高温下极易产生断裂，加之 K+对原砂的侵蚀性更弱，两者的共同作用导致型砂残留强度降低，因此在硅酸钠溶液中引入 K+形成复合粘结剂可以达到改善溃散性的目的。另外，液态粘结材料中还含有少量的有机物，在高温环境中会发生氧化还原反应，产生的气体和碳状残留灰分使粘结膜上产生大量气孔和裂纹，隔断了粘结网络的连续性，有利于减小砂芯的高温残留强度。随着液态粘结材料含量的增加，除残留强度外，砂芯的各抗拉强度值骤然增大，在其加入量为 2%时处于各自峰值，随后均呈现出减小的趋势，表明其含量过高或过低都会影响强度性能。当加入量为 1%时，虽然粉状促硬剂的相对含量较高，但硅酸盐的含量偏少，无法与其反应产生足够数量的硅酸凝胶，导致最终砂粒间的粘结强度过低。当液态粘结材料加入量提高到 2%时，硅酸盐的含量进一步增加，在这一比例下可以与粉状促硬剂充分反应，使得粘结结构中的硅氧四面体基团的含量与聚合程度迅速提高，粘结强度达到峰值。当其加入量继续提高到 3%和 4%时，溶液中硅酸盐的总量远远高于粉状促硬剂的总量，此时粉状促硬剂的相对含量减小，无法为硅酸盐提供数量匹配的反应物质，使得粘结强度大幅降低。为了进一步深入研究该现象产生的原因及断裂机理，本试验对粉状促硬剂加入量固定为0.6%，液态粘结材料加入量分别为 1%、2%、3%、4%时制备的型砂试样放置 24 h 拉断后的断裂面进行微观分析。图 3 为不同液态粘结材料加入量下对应的粘结桥及断口的微观形貌。由图 3（a）可见，液态粘结材料加入量偏低时，粘结桥窄小且出现明显裂纹，砂粒的表面上覆盖着大量的小颗粒物质，图 3（b）中的断口部分处完整的凸出于砂粒表面，说明粘结膜的厚度虽然较小，但是膜内的粘结质量较高，使得粘结膜的内聚力大于粘结膜与砂粒间的附着力，此时发生的断裂形式为内聚断裂。由于该加入量下硅酸盐的总量过少，粉状促硬剂的含量相对于粘结剂的含量明显偏高，其中只有一部分硅酸盐与粉状促硬剂中的有效物质充分反应形成聚合度较高的硅氧四面体结构，所构筑而成的粘结网络结构的稳定性较好。但此时大量富余的粉状促硬剂作为杂质颗粒分散在砂粒的表面、空隙中，无意义的消耗了一部分粘结材料，导致其有效粘结率减小。加之液态溶液的加入量本就偏低，无法充分浸润砂粒，二者的共同影响使得砂芯的总体粘结强度较小。当加入量增加到 2%时，图 3（c）中展现的粘结桥表面光滑，联结致密，无空洞裂纹等结构缺陷，其厚度与图 3（a）相比明显变大，同时图 3（d）中断口面积也显著增大，说明该加入量下的液态粘结材料与粉状促硬剂比例适中，二者可以均匀、充分的发生交联反应，使得硅氧四面体的数量、聚合程度大幅提高，显著强化粘结结构。当加入量为 3%时，其中的硅酸盐含量足够多，但粉状促硬剂的相对量较少，后者无法为前者提供足够的有效强化颗粒，因此交联反应不充分，降低了砂芯的粘结强度。图 3（e）中粘结桥与图 3（c）中粘结桥厚度接近，但桥面上分布着大量裂纹，图 3（f）中断口凹凸不平，一部分断裂发生在砂粒与粘结桥接触部分，一部分发生在粘结桥内部，即型砂试样在拉力的作用下发生了复合断裂。和内聚断裂相比，砂芯发生复合断裂时可承受的外力更小，内部粘结桥的质量不佳，因此24 h 强度偏低。当液态粘结材料的加入量增加到4%时，由于硅酸盐含量较高，在加热条件下可以产生更多的硅酸凝胶，粘结网络的总体积骤然增大，导致图 3（g）中的粘结桥极为宽大、肥厚。但此时粉状促硬剂的相对含量极少，只有少部分交联反应发生，因此粘结结构得不到有效强化，内部粘结质量和致密性很差，即便在室内低湿度造型材料Moulding Materials52圆园23/4现代铸铁的环境中存放时也容易受到外界少量水分子的攻击，导致粘结桥上的裂纹数量与致密程度急剧增大。同时，观察图 3（h）中的断口形貌可以看出，粘结桥完全脱离砂粒表面，表明此时发生的断裂方式为附着断裂，在 3 种断裂方式中附着断裂发生时承受的拉力最小，因此 4%加入量下的型砂试样强度降至极低。2.2粉状促硬剂加入量对型砂试样强度的影响该种粘结剂共有两种组分，其中液态粘结材料起到主要的粘结作用，而与之配伍的粉状促硬剂可以与液态溶液中的硅酸盐发生更强的交联反应，起到提高砂芯硬化速度、粘结强度等重要作用。本试验研究在液态粘结材料加入量为砂重的 2%时，粉状促硬剂加入量（占粘结剂重）对型砂一系列强度性能的影响及作用规律，并确定其最佳的添加比例。最终试验结果如图 4 所示。由图 4 可见，粉状促硬剂加入量在 20%50%时，随着其含量的增多，型砂试样的即时强度、常温强度也随之增加。其中，24 h 强度在粉状促硬剂加入量少于 40%时，增幅较大，但从 40%提高到 50%时，增长量较小。与此同时，残留强度虽然也略有增加，但均低于 0.25 MPa，变化不大，说明粉状促硬剂的含量高低对型砂试样高温残留（h）4%加入量下的断口（g）4%加入量下的粘结桥（f）3%加入量下的断口（e）3%加入量下的粘结桥（d）2%加入量下的断口（c）2%加入量下的粘结桥（b）1%加入量下的断口（a）1%加入量下的粘结桥图猿不同液态粘结材料加入量下粘结桥与断口形貌Fig.猿Binding bridge and fracture morphologies of different liquid binding material adding amounts5园 滋m2园 滋m2园 滋m5园 滋m2园 滋m5园 滋m2园 滋m5园 滋m图4粉状促硬剂加入量对型砂试样抗拉强度的影响Fig.4Influence of powder hardening accelerator addingamounts on tensile strength of molding sand specimen促硬剂加入量/%2030405000.51.01.52.02.53.03.54.04.5即时强度1 h 强度24 h 强度800 益残留强度造型材料Moulding Materials53现代铸铁圆园23/4强度的影响比较微弱，砂芯的溃散性总体保持良好。为了进一步研究粉状促硬剂加入量对型砂试样强度的影响，分别对其加入量为 20%和50%时所制试样在室内环境下存放 24 h 后进行微观分析，图 5 为两种粘结剂砂的微观形貌图。由图 5 可见，粉状促硬剂的加入量较小时，型砂试样在图 5（a）中显示的粘结桥厚度较小，表面产生多条裂痕，表面砂芯的粘结质量较差，内部的 Si-O-Si 键在受到外部少量的水分子的侵蚀下也导致粘结网络遭受严重、巨大的破坏。图5（b）中的断口处并不完整，只残留部分少量粘结桥，且粘结桥与砂粒的接触面出现粗大的裂痕，表明砂粒间的附着力和桥内分子间的内聚力都不大，在外力作用下发生了复合断裂，因此整体粘结强度不佳。粉状促硬剂含量较高时，图 5（c）中的粘结桥无裂纹缺陷，厚度、长度尺寸以及内部质量均显著大于图 5（a），粘结网络的致密性较高。增加粉状促硬剂的加入量，可以为硅酸盐提供更多的强化反应颗粒，促使内部交联反应速率及反应的均匀性、充分性显著提升。同时，适量的粉状促硬剂颗粒填充在砂粒表面与空隙间，充当了缩聚反应的核心，增加了砂粒间形成粘结桥的数量，使得粘结网络内部形成更多的高聚合态硅氧四面体。图 5（d）中的断口厚大完整，说明此时砂粒间的附着力高于粘结膜的内聚力，便发生了图示的内聚断裂。因此，粉状促硬剂含量的提高，可以使原砂颗粒间的断裂方式由复合断裂变为内聚断裂，因此，宏观上呈现出粘结强度增加的趋势。3结论（1）双组分粘结剂芯砂的粘结强度主要取决于液态粘结材料与促硬剂的相对比例。仅靠液态粘结材料的硬化固结难以大幅提高型砂试样强度，而促硬剂可以为前者提供强效反应颗粒，二者交联反应的产物使硅氧四面体的复杂度显著提升，粘结结构的内聚强度明显增大。（2）当粉状促硬剂的加入量为砂重的 0.6%时，液态粘结材料加入量从 1%递增到 4%的过程中，型砂试样整体粘结强度（除残留强度外）呈现出先增后减的趋势，当粘结剂加入量过低或过高时，硅酸盐与粉状促硬剂无法发生充分的交联反应，粘结网络的质量不高。（3）当液态粘结剂的加入量为砂重的 2%时，粉状促硬剂加入量从 20%（占粘结剂重）递增到50%的过程中，由于强化反应颗粒的含量增多，内部交联反应速率及反应的均匀性、充分性得到显著提升，型砂试样整体粘结强度一直呈增加趋势，砂粒间断裂方式由复合断裂逐渐转变为内聚（a）20%加入量下的粘结桥（b）20%加入量下的断口（c）50%加入量下的粘结桥（d）50%加入量下的断口图5不同粉状促硬剂加入量下粘结桥与断口形貌Fig.5Binding bridge and fracture morphologies ofdifferent powder hardening accelerator adding amounts5园 滋m2园 滋m5园 滋m2园 滋m造型材料Moulding Materials54圆园23/4现代铸铁面，这样第一股含杂质铁液就会进入型腔，所以在设计时横浇道增加了过滤网，用来阻挡第一股铁液中的杂质，同时通过过滤网的整流作用，使充型进一步变的更加平稳。（2）采用倾斜浇方式，弥补大平面超上排气不畅通的问题。在砂箱底部一侧垫起 80 mm 即可，铸件最高处放置出气冒口，如图 6 所示。（3）合箱时验箱，上箱出气眼位置不能偏离砂芯出气通道中心位置，并且砂芯下到型腔内时砂芯要稳不能晃动，保证内腔砂芯中的气能通过上箱的气眼通畅的排到型腔外。（4）将原来浇注温度提高到 1 4001 420 益，延长铁液中气体的排出时间，降低呛火出现的概率。（5）合箱后将上箱的出气眼用封箱泥条围住，避免浇注时多余铁液从冒口溢出后倒灌到型腔里，导致的严重呛火。3生产验证通过以上措施的实施，连续生产了 15 件铸件，经检测，铸件零废品，改进措施有效。4结论（1）解决呛火问题的最直接、最有效的方法是将砂芯或型腔中的气顺利地通过排气通道排到型腔外。（2）倾斜浇注、提高浇注温度、使充型平稳等方法有利于呛火问题的解决。参考文献1曹文龙.铸造工艺学M.北京：机械工业出版社，1988.2王文清，李魁盛.铸造工艺学M.北京：机械工业出版社，1997.3孙成涛，叶小龙，罗磊.后罩支座铸件的铸造工艺优化J.现代铸铁，2023（3）：35-39.4何长义，潘骏，苏少静，等.一种发动机气缸盖的铸造工艺J.现代铸铁，2023（3）：16-19.5陈洪涛，孙军，戚梦林.L 轴承箱型芯的铸造工艺设计J.现代铸铁，2023（1）：30-34.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）图5改进后的浇注系统Fig.5Improved gating system图6倾斜浇注Fig.6Slope pouring（上接第 44 页）断裂。（4）本试验中，液态粘结材料加入量为 2%、粉状促硬剂加入量为 50%时，该硅酸盐无机粘结剂砂的即时强度、常温强度最优，达到使用指标，800 益下的残留强度小于 0.3 MPa，展现了良好的溃散性。参考文献1龚小龙，樊自田.绿色铸造材料研究及应用新进展J.金属加工（热加工），2020（10）：15-18.2朱纯熙，卢晨.水玻璃砂的环保优势J.中国机械工程，2003（2）：64-67.3M.Stachowicz，K.Granat.Long-term Effects of Relative Humidityon Properties of Microwave Hardened Moulding Sand with SodiumSilicateJ.Archives of foundry engineering，2017（3）：127-132.4刁艳利.高强度低发气量覆膜砂制备工艺及性能研究D.南京：东南大学，2017.5祝贞凤，尹红霞.水玻璃砂改性溃散剂的研制J.铸造技术，2015（1）：175-176.（编辑：吕姗姗，E-mail：xdzt_）造型材料Moulding Materials55