磷酸鹽自硬砂用氧化鐵復(fù)合固化劑研究

胡 涂，張友壽，夏 露，黃 晉

（湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068）

磷酸鹽是一種無毒、無害綠色環(huán)保的黏結(jié)劑，早在上世紀(jì)美國等西方國家就在這方面做了大量的研究[1～2]，我國在這方面的研究也取得了不錯(cuò)的效果，通過添加改性劑（如：硼酸、檸檬酸等）改善其性能上的不足[3～4]。但磷酸鹽砂強(qiáng)度偏低，并且存放穩(wěn)定性不好，砂型存放穩(wěn)定性是指制好的砂型其強(qiáng)度保持不變的性能，已經(jīng)知道磷酸鹽砂存在吸濕而使強(qiáng)度下降問題。近年研究還發(fā)現(xiàn)[5]，磷酸鹽砂在低濕度下也有強(qiáng)度不穩(wěn)定問題，即在低濕度下存放過程中出現(xiàn)強(qiáng)度下降。

固化劑作為磷酸鹽黏結(jié)劑體系中不可或缺的要素，目前應(yīng)用較多的主要是氧化鎂，但氧化鎂在性能上存著這一些不足，為此有學(xué)者對復(fù)合固化劑進(jìn)行研究[6]，以改善磷酸鹽自硬砂性能。本文將氧化鐵皮破碎、碾磨成粉末狀與氧化鎂進(jìn)行復(fù)合，配置出一種復(fù)合固化劑，并研究其對磷酸鹽自硬砂性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1）原砂：大林標(biāo)準(zhǔn)砂50/100目，含泥量小于0.5%；

2）黏結(jié)劑：自合成，代號(hào)30B6M0L7.5；

3）固化劑：鎂砂粉及其與其他物質(zhì)配制的復(fù)合固化劑等。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器和設(shè)備

KQM-X4行星式四頭快速球磨機(jī)、SHY-A葉片式混砂機(jī)（攪拌速度200r/min）、“8”字型木模、SWG杠桿式萬能強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、溫濕度計(jì)等。

1.3 復(fù)合固化劑配制

將氧化鐵皮敲碎，碾磨至粉末；按配比分別稱量氧化鎂和氧化鐵粉末，一同置入球磨機(jī)中球磨混制得到復(fù)合固化劑。

1.4 試樣制備與測量方法

標(biāo)準(zhǔn)砂+固化劑+4%黏結(jié)劑（占砂量）混砂2min～3min出砂制樣，使用“8”字型模具制作砂型試樣若干，每5個(gè)為一組，室溫存放待用。使用杠桿式抗拉強(qiáng)度機(jī)測量砂型試樣的強(qiáng)度，每次選取一組進(jìn)行測量，將得到的數(shù)據(jù)去除最大值和最小值，余下三個(gè)作平均值即得到此組試樣的抗拉強(qiáng)度值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 固化劑中含氧化鐵的作用

為了考察加入氧化鐵粉末后的固化劑與使用單一氧化鎂固化劑在強(qiáng)度上有怎樣的變化，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了四種固化劑加入方案。

1）固化劑使用單一電熔氧化鎂，加入量占黏結(jié)劑量的15%；

2）固化劑使用電熔氧化鎂和氧化鐵的混合物，其中電熔氧化鎂加入量占黏結(jié)劑量的15%，氧化鐵加入量占黏結(jié)劑量的5%；

3）固化劑使用單一電熔氧化鎂，加入量占黏結(jié)劑量的10%；

4）固化劑使用電熔氧化鎂和氧化鐵的混合物，其中電熔氧化鎂加入量占黏結(jié)劑量的10%，氧化鐵加入量占黏結(jié)劑量的5%。

實(shí)驗(yàn)時(shí)分別用四個(gè)方案制作四組砂型試樣，按前面提到的方法測量數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 含氧化鐵固化劑對抗拉強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，1）和2）相比，后者強(qiáng)度明顯提高；3）和4）方案相比，后者強(qiáng)度提高幅度更高。由此可以得出兩點(diǎn)結(jié)論：第一，經(jīng)過氧化鐵改性的氧化鎂固化劑與單一氧化鎂固化劑相比，磷酸鹽自硬砂的24 h硬化強(qiáng)度明顯提高，提高幅度達(dá)到60%以上；第二，在其他條件相同情況下，氧化鎂含量較高時(shí)，硬化強(qiáng)度較低，即較高含量的氧化鎂固化劑不利于硬化強(qiáng)度的提高。從存放7 d的砂型試樣抗拉強(qiáng)度的變化可以看出，3）、4）方案強(qiáng)度總體呈上升趨勢，而1）、2）方案強(qiáng)度總體呈下降趨勢，也就是說氧化鎂含量較高時(shí)，砂型強(qiáng)度存放穩(wěn)定性較差，氧化鎂偏低且含有氧化鐵的固化劑不僅具有較高的硬化強(qiáng)度，而且砂型的存放穩(wěn)定性較好。

2.2 固化劑中氧化鐵含量對砂型試樣抗拉強(qiáng)度的影響

固化劑中氧化鐵的含量分別為10%、20%、30%、40%四個(gè)梯度，固化劑總加入量占黏結(jié)劑量10%，四個(gè)梯度分別制作一組砂型試樣測其24 h抗拉強(qiáng)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 固化劑中氧化鐵含量與砂型抗拉強(qiáng)度關(guān)系

從圖2可以看出隨著固化劑中氧化鐵含量的增高，砂型試樣的抗拉強(qiáng)度出現(xiàn)了小幅的上漲而后又下降的一個(gè)過程，當(dāng)氧化鐵含量達(dá)到20%時(shí)砂型試樣有最高的抗拉強(qiáng)度。固化劑中氧化鐵含量從20%增加到40%，含量增加一倍而砂型抗拉強(qiáng)度卻降低了31.6%，這說明氧化鐵含量太高并不能提高砂型試樣的抗拉強(qiáng)度。

2.3 固化劑中氧化鐵含量對砂型試樣穩(wěn)定性影響

同上，固化劑中氧化鐵的含量采用四個(gè)梯度，固化劑總加入量占黏結(jié)劑量10%，每個(gè)梯度分別制作一組砂型試樣待用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可見，砂型存放7 d，從總體上看，不同氧化鐵含量的固化劑，砂型強(qiáng)度基本成一直線，即存放穩(wěn)定性均較好，但隨著固化劑中氧化鎂的增加，至固化劑中氧化鎂為20%時(shí)，試樣的抗拉強(qiáng)度最高，當(dāng)氧化鎂增加到30%、40%時(shí)，強(qiáng)度明顯下降。

由于每次測量試樣抗拉強(qiáng)度時(shí)相對濕度都維持在50%以內(nèi)，為了考查其在高濕度（大于90%）情況下強(qiáng)度變化情況，將已經(jīng)完全硬化的試樣置于高濕的環(huán)境中加速軟化，每隔一定時(shí)間測量其強(qiáng)度，結(jié)果如圖4所示。

從圖4看出，在前4 h，型砂抗拉強(qiáng)度較穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大幅下降；在第5 h的時(shí)候出現(xiàn)明顯的下降，而后呈緩慢降低趨勢。這說明該型砂試樣在高濕情況下維持一段時(shí)間的穩(wěn)定，隨時(shí)間的增長砂型會(huì)出現(xiàn)軟化現(xiàn)象導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度降低。

圖3 不同氧化鐵含量固化劑與砂型存放穩(wěn)定性關(guān)系

圖4 高濕環(huán)境下自硬砂抗拉強(qiáng)度變化曲線

3 結(jié) 論

1）含有氧化鐵的復(fù)合固化劑能夠提高磷酸鹽自硬砂的抗拉強(qiáng)度達(dá)到60%以上。

2）含有氧化鐵的復(fù)合固化劑制作出來的砂型試樣具有一段時(shí)間的存放穩(wěn)定性。

3）不同氧化鐵含量的復(fù)合固化劑對型砂強(qiáng)度和穩(wěn)定性有著不同影響，20%左右的含量對強(qiáng)度的提高最佳，30%含量的存放穩(wěn)定性好于其他含量。

4）在高濕環(huán)境下砂型具有一定穩(wěn)定性，24 h后會(huì)因?yàn)檐浕鴮?dǎo)致強(qiáng)度降低。

［1］Toeniskoetter Richard H，Spiwak John J.Method of casting nonferrous alloys：US Pat，3968828［P］.1976-07-13.

［2］Bambauer Ruth A，Langer Heimo J，Akey Steven C.Inorganic foundery binder systems and their uses：US Pat，5582232［P］.1996-12-10.

［3］夏露，張友壽，黃晉.改性劑對鑄造用鋁磷酸鹽自硬砂性能的影響［J］.三峽大學(xué)報(bào)，2006（6）：250-251.

［4］楊金，張友壽，夏露，等.檸檬酸改性磷酸鹽無機(jī)鑄造黏結(jié)劑研究［J］.鑄造設(shè)備研究，2008（5）：38-40.

［5］張友壽，商宏飛，黃晉，等.磷酸鹽無機(jī)粘結(jié)劑自硬砂硬化強(qiáng)度及砂型存放穩(wěn)定性影響因素研究［J］.鑄造技術(shù)，2010（2）：137-139.

［6］商宏飛，張友壽，夏露，等.磷酸鹽粘結(jié)劑自硬砂用復(fù)合固化劑［J］.鑄造技術(shù)，2010，（5）31：554-556.