一种无机覆膜砂用固化剂及包含其的无机覆膜砂芯
阅读说明：本技术 一种无机覆膜砂用固化剂及包含其的无机覆膜砂芯 (Curing agent for inorganic coated sand and inorganic coated sand core containing curing agent ) 是由 刘栋 尹海军 李卓情 唐品 包羽冲 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种无机覆膜砂用固化剂,其包括氧化钙、氧化铜、乙二酸四乙酸二钠和十二烷基磺酸钠,其中氧化钙和氧化铜能够与无机覆膜砂中的表面粘结剂膜发生中和反应,缩短固化时间；乙二酸四乙酸二钠能够与无机覆膜砂和氧化铜、氧化钙反应得到的产物发生配合反应,形成稳定的多元配合物,有效增强砂芯强度；十二烷基磺酸钠溶于水后能够有效增加砂粒之间的流动性,从而使用砂芯表面更加致密、光滑,且能有效屏蔽大气中的水分侵入,防止出现造成强度下降,砂芯结构变软断裂等问题。本发明得到的砂芯的固化时间在135s以下,抗拉强度在2.33MPa以上；24h抗拉强度下降率在25％以下,具有表安性好、强度高、存放稳定的优点。(The invention provides a curing agent for inorganic precoated sand, which comprises calcium oxide, copper oxide, disodium edetate and sodium dodecyl sulfate, wherein the calcium oxide and the copper oxide can be subjected to neutralization reaction with a surface binder film in the inorganic precoated sand, so that the curing time is shortened; the disodium ethylene diamine tetraacetate can perform a matching reaction with a product obtained by the reaction of the inorganic coated sand, copper oxide and calcium oxide to form a stable multi-element complex, so that the strength of the sand core is effectively enhanced; the sodium dodecyl sulfate can effectively increase the fluidity among sand grains after being dissolved in water, so that the surface of the sand core is more compact and smooth, the invasion of moisture in the atmosphere can be effectively shielded, and the problems of strength reduction, softening and breaking of the sand core structure and the like are prevented. The curing time of the sand core obtained by the invention is below 135s, and the tensile strength is above 2.33 MPa; the reduction rate of the tensile strength is below 25 percent after 24 hours, and the composite material has the advantages of good surface safety, high strength and stable storage.)
技术领域
本发明属于覆膜砂技术领域，具体涉及一种无机覆膜砂用固化剂、固化剂的应用及包含固化剂的无机覆膜砂芯。
背景技术
无机粘结剂相较于传统有机树脂，其在铸造生产使用中不会产生有毒有害气体，能够极大改善铸造生产作业环境，是一种绿色环保型铸造材料。而无机粘结剂在实际应用仍存在一些问题，首先无机粘结剂的使用需要与之匹配的配套生产设备，因此会造成铸造企业设备成本增加。此外，无机粘结剂的使用存在混砂可使用时间短、存放稳定性差等诸多问题。因此，无机粘结剂目前应用范围小，且应用条件苛刻。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本发明提供一种用于磷酸盐无机覆膜砂的固化剂，本发明提供的固化剂与磷酸盐无机覆膜砂表面的粘接剂膜能够发生化学反应，实现迅速固化成型，制备得到表安性好、强度高、存放稳定的砂芯。
本发明的目的是提供一种无机覆膜砂用固化剂。
本发明的另一目的是提供上述固化剂在磷酸盐无机覆膜砂中的应用。
本发明的再一目的是提供包括上述固化剂的无机覆膜砂砂芯。
本发明提供的无机覆膜砂用固化剂，包括以下重量百分比的组分：
氧化钙30％-50％，
氧化铜5％-20％，
乙二酸四乙酸二钠20％-40％，
十二烷基磺酸钠10％-25％。
本发明提供的无机覆膜砂用固化剂包括乙二酸四乙酸二钠、十二烷基磺酸钠以及碱性金属氧化物氧化钙、氧化铜，其中碱性金属氧化物氧化钙和氧化铜能够与无机覆膜砂中的酸性物质-表面粘结剂膜发生中和反应，起到固化作用；其中的乙二酸四乙酸二钠是一种多齿配体，能够与无机覆膜砂和碱性金属氧化物反应得到的产物发生配合反应，形成稳定的多元配合物，有效增强砂芯强度；十二烷基磺酸钠是一种表面活性剂，溶于水后能够有效增加砂粒之间的流动性，从而使用砂芯表面更加致密、光滑，且能有效屏蔽大气中的水分侵入，防止出现造成强度下降，砂芯结构变软断裂等问题。
优选地，所述氧化钙和氧化铜的重量和在50wt％以上。进一步优选地，所述氧化钙和氧化铜的重量和在50-55wt％。本发明中氧化钙和氧化铜能够与呈酸性的磷酸盐胶体发生中和反应，起到固化作用，且其中的金属离子能够与乙二酸四乙酸二钠能够发生配合反应，形成具有更加稳定结构的多元配合物，能够有效增强砂芯强度和稳定性；当氧化钙和氧化铜的含量过低时，固化时间过长，当氧化钙和氧化铜的含量过高时会影响砂芯的强度。
上述的无机覆膜砂用固化剂，优选地，包括以下重量百分比的组分：
氧化钙29.5％-45.7％，
氧化铜10.2％-20.4％，
乙二酸四乙酸二钠25％-33.5％，
十二烷基磺酸钠11.5％-23.3％。
由于固化剂中的原料在制备无机覆膜砂的过程中与无机覆膜砂发生反应，不同的原料在其中的作用不同，反应不同，本发明人研究发现碱性金属氧化物子氧化钙和氧化铜在上述的重量范围内，其固化时间在135s以下，固化效果好；其中乙二酸四乙酸二钠在上述的重量范围内，得到的砂芯的抗拉强度高，其中抗拉强度在2.33MPa以上；十二烷基磺酸钠在上述的重量范围内，得到的覆膜砂的抗吸湿性能高，24h抗拉强度下降率在25％以下。
上述的无机覆膜砂用固化剂，优选地，包括以下重量百分比的组分：
氧化钙40％，
氧化铜15％，
乙二酸四乙酸二钠30％，
十二烷基磺酸钠15％。
由于固化剂中的原料在制备无机覆膜砂的过程中与无机覆膜砂发生反应，不同的原料在其中的作用不同，反应不同，本发明人研究发现碱性金属氧化物子氧化钙和氧化铜在上述的重量范围内，其固化时间在130s以下，固化效果好；其中乙二酸四乙酸二钠在上述的重量范围内，得到的砂芯的抗拉强度高，其中抗拉强度在2.6MPa以上；十二烷基磺酸钠在上述的重量范围内，得到的覆膜砂的抗吸湿性能高，24h抗拉强度下降率在15％以下。
本发明提供的上述的无机覆膜砂用固化剂能够应用于磷酸盐无机覆膜砂中，加速无机砂在制备砂芯过程中的固化速度，得到表安性良好、强度高、存放稳定性高的砂芯。
优选地，所述固化剂在磷酸盐无机覆膜砂中的添加量为0.4-1.4wt％。本发明提供的固化剂在无机覆膜砂中的用量少，在较小的添加的前提下能够达到良好的性能。
本发明提供一种无机覆膜砂砂芯，其制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入权利要求1-3任一所述的无机覆膜砂固化剂，搅拌均匀，得到混合砂；
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，进行砂芯的成型和固化，得到无机覆膜砂砂芯。
优选地，步骤(1)中，所述磷酸盐无机覆膜砂为磷酸盐粘结剂在原砂上覆膜制成。本发明采用的磷酸盐无机覆膜砂用的磷酸盐粘结剂为铸造用磷酸盐无机粘结剂。
进一步优选地，所述磷酸盐粘结剂的用量为1.5-3wt％，所述磷酸盐粘结剂的中合度为32％。
优选地，步骤(1)中，所述搅拌的时间为20-45s。
优选地，步骤(2)中，所述喷洒水雾的速率为45-55mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为3-10s。
本发明的有益效果为：
1.本发明提供的无机覆膜砂用固化剂包括乙二酸四乙酸二钠、十二烷基磺酸钠以及碱性金属氧化物氧化钙、氧化铜，其中碱性金属氧化物氧化钙和氧化铜能够与无机覆膜砂中的表面粘结剂膜发生中和反应，起到固化作用；其中的乙二酸四乙酸二钠是一种多齿配体，能够与无机覆膜砂和碱性金属氧化物反应得到的产物发生配合反应，形成稳定的多元配合物，有效增强砂芯强度；十二烷基磺酸钠是一种表面活性剂，溶于水后能够有效增加砂粒之间的流动性，从而使用砂芯表面更加致密、光滑，且能有效屏蔽大气中的水分侵入，防止出现造成强度下降，砂芯结构变软断裂等问题。
2.本发明提供的无机覆膜砂用固化剂在使用过程中，固化剂与磷酸盐无机覆膜砂充分混合，然后射入模具型腔内，对模具型腔进行喷洒水雾；其中的磷酸盐无机覆膜砂表面的磷酸盐粘结剂膜首先进行迅速吸水，形成磷酸二氢盐胶体，然后氧化钙和氧化铜与呈酸性的磷酸二氢盐胶体进行中和反应，无需进行高温加热，加速固化，缩短固化时间，且在混砂时无机覆膜砂与固化剂不发生化学反应，大大延长混砂后的可使用时间；乙二酸四乙酸二钠是一种多齿配体，在磷酸二氢盐与碱性金属氧化物反应后，反应物中的金属离子与乙二酸四乙酸二钠能够发生配合反应，形成具有更加稳定结构的多元配合物，能够有效增强砂芯强度和稳定性；十二烷基磺酸钠溶于水后能够有效增加砂粒之间的流动性，从而使用得到的砂芯表面更加致密、光滑，且能有效屏蔽大气中的水分侵入，防止出现造成强度下降，砂芯结构变软断裂等问题。
3.本发明提供的无机覆膜砂砂芯的制备工艺简单、成本较低、过程控制方便，能够制备出满足铸造生产所需的磷酸盐无机覆膜砂用固化剂及砂芯。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
本发明提供一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的0.4-1.4wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙30％-50％，
氧化铜5％-20％，
乙二酸四乙酸二钠20％-40％，
十二烷基磺酸钠10％-25％；
本发明提供的磷酸盐无机覆膜砂砂芯以磷酸盐无机覆膜砂为基体材料，以乙二酸四乙酸二钠、十二烷基磺酸钠以及碱性金属氧化物氧化钙、氧化铜为无机覆膜砂固化剂，在砂芯的制备过程中，磷酸盐无机覆膜砂表面的磷酸盐粘结剂膜首先进行迅速吸水，形成磷酸二氢盐胶体，然后氧化钙和氧化铜与呈酸性的磷酸二氢盐胶体进行中和反应，起到固化作用，在此过程中无需进行高温加热，固化速度快，固化效率高，且在混砂时无机覆膜砂与固化剂不发生化学反应，大大延长混砂后的可使用时间；无机覆膜砂固化剂中的组分乙二酸四乙酸二钠是一种多齿配体，在磷酸二氢盐与碱性金属氧化物反应后，反应物中的金属离子能够与乙二酸四乙酸二钠能够发生配合反应，形成具有更加稳定结构的多元配合物，能够有效增强砂芯强度和稳定性；十二烷基磺酸钠溶于水后能够有效增加砂粒之间的流动性，从而使用得到的砂芯表面更加致密、光滑，且能有效屏蔽大气中的水分侵入，防止出现造成强度下降，砂芯结构变软断裂等问题。
优选地，无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙29.5％-45.7％，
氧化铜10.2％-20.4％，
乙二酸四乙酸二钠25％-33.5％，
十二烷基磺酸钠11.5％-23.3％。
进一步优选地，
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙40％，
氧化铜15％，
乙二酸四乙酸二钠30％，
十二烷基磺酸钠15％。
本发明人经过研究发现氧化钙和氧化铜的含量影响固化时间，乙二酸四乙酸二钠的含量影响砂芯的强度，十二烷基磺酸钠影响砂芯的抗吸湿性能。当各组分在上述的重量百分比时，其固化时间、抗拉强度和抗吸湿性能达到最优。其中固化时间在130s以下，固化效果好，抗拉强度在2.6MPa以上，24h抗拉强度下降率在15％以下。
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入上述的无机覆膜砂固化剂，搅拌均匀，得到混合砂；
优选地，磷酸盐无机覆膜砂包括磷酸盐粘结剂，所述磷酸盐粘结剂的用量为1.5-3wt％，所述磷酸盐粘结剂的中合度为30-35％；
本发明采用的磷酸盐无机覆膜砂采用上述性能的磷酸盐粘接剂，添加量少，能够与本发明的固化剂实现良好的反应，得到高强度、高稳定性的砂芯。
优选地，所述搅拌的时间为20-45s。
经过20-45s的搅拌，固化剂与基体材料能够得到充分的接触，有利于后续反应的进行。
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，进行砂芯的成型和固化，得到无机覆膜砂砂芯。
优选地，所述喷洒水雾的速率为45-55mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为3-10s。
本发明采用对砂芯喷洒水雾的方式进行成型和固化，均匀的喷洒水雾，砂芯中的各组分能够进行充分的反应，加快固化，使得反应更加均匀，有效提高砂芯的强度。
本发明具体提供以下实施例。
实施例1
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的0.4wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙50％，
氧化铜5％，
乙二酸四乙酸二钠20％，
十二烷基磺酸钠25％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入上述的无机覆膜砂固化剂，搅拌20s至均匀，得到混合砂；所述磷酸盐无机覆膜砂为磷酸盐无机粘结剂在原砂上覆膜制成，所述磷酸盐无机粘结剂的用量为1.5wt％，所述磷酸盐无机粘结剂的中合度为32％；
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，所述喷洒水雾的速率为45mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为3s，进行砂芯的成型和固化，得到无机覆膜砂砂芯。
实施例2
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的1.4wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙30％，
氧化铜20％，
乙二酸四乙酸二钠40％，
十二烷基磺酸钠10％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入上述的无机覆膜砂固化剂，搅拌45s至均匀，得到混合砂；所述磷酸盐无机覆膜砂为磷酸盐无机粘结剂在原砂上覆膜制成，所述磷酸盐无机粘结剂的用量为3wt％，所述磷酸盐无机粘结剂的中合度为32％；
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，所述喷洒水雾的速率为55mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为3-10s，进行砂芯的成型和固化，固化的时间为20-45s，得到无机覆膜砂砂芯。
实施例3
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的1wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙29.5％，
氧化铜20.4％，
乙二酸四乙酸二钠33.5％，
十二烷基磺酸钠16.6％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入上述的无机覆膜砂固化剂，搅拌30s至均匀，得到混合砂；所述磷酸盐无机覆膜砂为磷酸盐无机粘结剂在原砂上覆膜制成，所述磷酸盐无机粘结剂的用量为2wt％，所述磷酸盐无机粘结剂的中合度为32％；
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，所述喷洒水雾的速率为50mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为8s，进行砂芯的成型和固化，得到无机覆膜砂砂芯。
实施例4
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的1.2wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙45.7％，
氧化铜10.2％％，
乙二酸四乙酸二钠32.6％，
十二烷基磺酸钠11.5％％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入上述的无机覆膜砂固化剂，搅拌35s至均匀，得到混合砂；所述磷酸盐无机覆膜砂为磷酸盐无机粘结剂在原砂上覆膜制成，所述磷酸盐无机粘结剂的用量为2.5wt％，所述磷酸盐无机粘结剂的中合度为32％；
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，所述喷洒水雾的速率为50mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为8s，进行砂芯的成型和固化，得到无机覆膜砂砂芯。
实施例5
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的0.8wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙36.7％，
氧化铜15％，
乙二酸四乙酸二钠25％，
十二烷基磺酸钠23.3％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法与实施例4相同。
实施例6
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的0.8wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙40％，
氧化铜15％，
乙二酸四乙酸二钠30％，
十二烷基磺酸钠15％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法与实施例4相同。
对比例1
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的20wt％；
无机覆膜砂固化剂为市售电熔镁砂粉作为固化剂。
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法包括以下步骤：
(1)称取磷酸盐无机覆膜砂，加入上述的无机覆膜砂固化剂，搅拌35s至均匀，得到混合砂；所述磷酸盐无机覆膜砂为磷酸盐无机粘结剂在原砂上覆膜制成，所述磷酸盐无机粘结剂的用量为2wt％，所述磷酸盐无机粘结剂的中合度为32％；
(2)将步骤(1)得到的混合砂进行射砂制芯；然后喷洒水雾，所述喷洒水雾的速率为50mL/s，水雾颗粒的直径在10μm以下，喷洒时间为8s，进行砂芯的成型和固化，得到无机覆膜砂砂芯。
对比例2
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的0.8wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙20％，
氧化铜15％，
乙二酸四乙酸二钠60％，
十二烷基磺酸钠5％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法与实施例4相同。
对比例3
一种磷酸盐无机覆膜砂砂芯，
其原料包括磷酸盐无机覆膜砂和无机覆膜砂固化剂，
所述固化剂的用量为磷酸盐无机覆膜砂的0.8wt％；
无机覆膜砂固化剂包括以下重量百分比的组分：
氧化钙50％，
氧化铜30％，
乙二酸四乙酸二钠15％，
十二烷基磺酸钠5％；
上述磷酸盐无机覆膜砂砂芯的制备方法与实施例4相同。
试验例
对实施例1-6以及对比例1-3得到的磷酸盐无机覆膜砂砂芯进行测试，根据JB/T8583-2008测试其抗拉强度；根据JB/T8583-2008测试24h抗拉强度，计算24h后的抗拉强度与初始抗拉强度相比下降率，得到其抗吸湿性能；其固化时间的检测方法为：当测得试样表面硬度达到90H时硬度计指针无明显回转时即认为其完成硬化，统计其时间，每组测试5个试样，求平均值，得到其固化时间。结果见表1。
表1砂芯性能测试结果
从表1的结果可以看出，对比例1采用传统的电熔镁砂粉作为磷酸盐无机覆膜砂固化剂，在采用传统的电熔镁砂粉时，其加入量大，且固化时间长，强度远远低于本发明提供的砂芯的强度，抗吸湿性能也远不及本发明提供的砂芯。对比例2提供的砂芯中碱性氧化物氧化钙和氧化铜的含量较低，其固化时间延长，十二烷基磺酸钠的含量低，其抗吸湿性能严重下降；对比例3提供的砂芯中乙二酸四乙酸二钠的含量低，其抗拉强度不高，十二烷基磺酸钠的含量低，其抗吸湿性能严重下降。这是由于碱性金属氧化物的加入对固化时间有较大的影响，但是当其加入量过大时也会影响其强度，乙二胺四乙酸二钠加入量高于30％后，与金属离子配合反应饱和，继续提高加入量并不会进一步提高强度，当达到40％之后，继续提高加入量会影响其他物质的含量，反而降低抗拉强度。本发明实施例1-6得到的砂芯的固化时间在135s以下，抗拉强度在2.33MPa以上，24h强度下降率在25.0％以下，这说明本发明提供的砂芯具有较短的固化时间，较高的抗拉强度和较好的抗吸湿性能。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
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