鑄造粘結(jié)劑的應(yīng)用與發(fā)展

鑄造粘結(jié)劑的應(yīng)用與發(fā)展

1溶液及粘結(jié)劑的使用注意事項(xiàng)現(xiàn)有設(shè)備中鑄造材料占很大比例。例如,普通車床與數(shù)控車床的床身與主軸箱的重量占整個(gè)機(jī)床總重量的85%~90%以上,材料一般為HT200灰口鑄鐵;由于這種材料具有成本低廉、鑄造性優(yōu)良、易于加工、耐磨性和吸震性好等優(yōu)點(diǎn),因此為床身和主軸箱的最佳材料,但在鑄造過(guò)程中存在一定的污染,影響最大的就是鑄造粘結(jié)劑。鑄造粘結(jié)劑不同于其它用途的粘結(jié)劑,對(duì)其在性能、經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境等多方面都有獨(dú)特的要求:(1)鑄造時(shí)工人要直接或間接地接觸到粘結(jié)劑,因此要求粘結(jié)劑無(wú)毒或低毒、無(wú)腐蝕性、無(wú)刺激氣味、直接接觸時(shí)沒(méi)有傷害皮膚的成分;(2)粘結(jié)劑受熱分解后,要盡可能不產(chǎn)生有毒或易燃易爆物質(zhì),廢料和廢砂在堆放場(chǎng)所不會(huì)分離出對(duì)水源和生態(tài)環(huán)境有毒和有害的物質(zhì);(3)鑄造用粘結(jié)劑的使用量很大,鑄造砂一般都要循環(huán)反復(fù)地被使用,因此要求鑄造粘結(jié)劑要易分解,易去除和容易再生;(4)鑄造粘結(jié)劑的工藝性能、工作性能應(yīng)滿足鑄造生產(chǎn)的制造工藝和鑄件質(zhì)量的要求,因此除了具有高的粘結(jié)強(qiáng)度外,還要求用該粘結(jié)劑制造的型砂具有一定的可使用時(shí)間,型砂流動(dòng)性好,易于制出表面致密、尺寸穩(wěn)定的砂型和砂芯;(5)要獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的綜合高溫性能,型砂的發(fā)氣量要低,以減少鑄件的氣孔傾向;(6)粘結(jié)劑要便于儲(chǔ)運(yùn)、價(jià)廉物美。當(dāng)然,沒(méi)有一種粘結(jié)劑能夠完全滿足上述所有的要求,但應(yīng)能滿足上述大部分要求,不足之處不妨礙其正常使用。目前,國(guó)內(nèi)外采用的鑄造粘結(jié)劑品種繁多,主要有兩大范疇:濕型砂用的粘土和化學(xué)砂用的合成樹(shù)脂粘結(jié)劑。在目前的鑄造生產(chǎn)中,粘土砂濕型是最重要的鑄造工藝,但一般只適用于鑄造中、小件(300~500kg以下),造型時(shí)間長(zhǎng),鑄件精度和質(zhì)量不高;而粘土砂干型,由于其造型周期長(zhǎng)、需大型烘干設(shè)備且耗能多、落砂困難,有逐漸被淘汰的趨勢(shì)。生產(chǎn)各種中大型鑄件,為提高造型、制芯效率和鑄件質(zhì)量,采用合成樹(shù)脂和CO2水玻璃化學(xué)粘結(jié)劑代替粘土砂具有較好的效果。水玻璃砂一般用于鑄鋼件,但水玻璃砂殘留強(qiáng)度高,潰散性差,給落砂清理和舊砂再生帶來(lái)很大困難。以呋喃樹(shù)脂砂為代表的各種樹(shù)脂粘結(jié)劑生產(chǎn)效率高、砂芯強(qiáng)度高,不需烘干,鑄件外表好,尺寸精度穩(wěn)定,不用修邊,適于自動(dòng)化生產(chǎn)。樹(shù)脂砂的確在相當(dāng)大的程度上解決了水玻璃砂存在的問(wèn)題,現(xiàn)有的普通機(jī)床床身和主軸箱就是采用這種鑄造方法,但這種粘結(jié)劑有刺激性氣味,環(huán)境污染大,樹(shù)脂價(jià)格較貴,而且要求操作者技能高。從以上分析可以看出,每一種粘結(jié)劑都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性,不可能出現(xiàn)某一種粘結(jié)劑一統(tǒng)天下的局面?？偟膩?lái)說(shuō),鑄造粘結(jié)劑的發(fā)展方向是:沒(méi)有材料缺乏、不會(huì)引起鑄造缺陷和環(huán)境污染、能保證砂的全部再生。2聚乙烯醇砂硬化強(qiáng)度試驗(yàn)鑄造生產(chǎn)的污染源是多方面的,其中最大的污染源之一是造型材料。除了丟棄的大量廢砂和排入空氣的粉塵外,型(芯)砂粘結(jié)劑(包括敷料,如煤粉、重油、煤油等)是有害或有毒物質(zhì)的主要來(lái)源;有些粘結(jié)劑需要烘干設(shè)備,消耗大量能源。因此治理鑄造工業(yè)的污染應(yīng)從造型材料入手。設(shè)計(jì)和應(yīng)用綠色造型材料、綠色粘結(jié)劑和綠色制型(芯)工藝勢(shì)在必行。目前鑄造廠使用的普通有機(jī)樹(shù)脂粘結(jié)劑幾乎每種都包含有害物質(zhì)。粘土、淀粉、動(dòng)物蛋白質(zhì)等天然水溶性的化合物雖然是無(wú)害的,但粘土粘結(jié)劑的使用范圍有限,淀粉、動(dòng)物蛋白質(zhì)是成本高的糧食制品。而聚乙烯醇由聚醋酸乙烯經(jīng)皂化而成,其原始原料來(lái)源于石油與天然氣,可取代成本高的植物油和糧食制品粘結(jié)劑。聚乙烯醇(PVA)為有機(jī)高分子有機(jī)化合物,是一種水溶性樹(shù)脂,為白色或淡黃色粉末,易溶于水,其水溶液同淀粉的水溶液有許多相似之處。因此,聚乙烯醇目前已開(kāi)始用做鑄造用型(芯)砂和涂料的粘結(jié)劑。其優(yōu)點(diǎn)是原料來(lái)源豐富、無(wú)毒、無(wú)味、對(duì)環(huán)境污染小。單純的聚乙烯醇砂,濕強(qiáng)度很低,因此常同某些無(wú)機(jī)粘結(jié)劑混合使用。聚乙烯醇砂是一種把有機(jī)和無(wú)機(jī)粘結(jié)劑綜合應(yīng)用的型砂。在某種程度上,它克服了有機(jī)或無(wú)機(jī)粘結(jié)劑單獨(dú)使用的缺點(diǎn),綜合了兩類粘結(jié)劑的優(yōu)點(diǎn),大大改善了型(芯)砂的性能,例如干強(qiáng)度高、潰散性好等。以聚乙烯醇作鑄造粘結(jié)劑,用水泥作固化劑和增強(qiáng)劑,可配制成聚乙烯醇自硬砂,取代油砂、合脂和表干型砂。還可采用Ca(OH)2作固化劑,吹CO2硬化,配制成聚乙烯醇CO2快硬砂等。聚乙烯醇尚處于試用階段,還沒(méi)有比較成熟的成分配比。以下是用此粘結(jié)劑與砂制芯,進(jìn)行鑄鐵件的澆鑄實(shí)驗(yàn),此實(shí)驗(yàn)由工廠協(xié)助完成。試驗(yàn)原料(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):24/45篩號(hào)硅砂,100%;150篩號(hào)粘土,1%;425篩號(hào)水泥,1%;聚乙烯醇,1%~3%。試樣:50mm×50mm砂芯。試驗(yàn)準(zhǔn)備:把固態(tài)聚乙烯醇先制成10%~20%濃度的溶液,再在混碾時(shí)加入其它試驗(yàn)原料中。混制工藝:把試樣在140℃烘烤1小時(shí),待冷至室溫后測(cè)量干強(qiáng)度,檢驗(yàn)可知:型(芯)砂的強(qiáng)度隨聚乙烯醇的增加而提高。當(dāng)聚乙烯醇的加入量為0.8%~1.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí),干剪強(qiáng)度為0.82~0.86MPa,已完全滿足生產(chǎn)要求。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,可得出聚乙烯醇砂強(qiáng)度的影響因素:(1)聚乙烯醇溶液濃度的影響當(dāng)其它成分配比一定時(shí),聚乙烯醇濃度是影響聚乙烯醇砂硬化強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一。在保證聚乙烯醇砂硬化強(qiáng)度的前提下,選擇合適的聚乙烯醇濃度,以降低生產(chǎn)成本,用濃度分別為5%、10%、15%、20%、25%的聚乙烯醇進(jìn)行了聚乙烯醇砂硬化強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件為原砂100%,425篩號(hào)水泥1.5%,150篩號(hào)粘土1%,濕度:72%~78%,氣溫:21℃~32℃,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。由圖可見(jiàn),當(dāng)聚乙烯醇濃度在5%~10%范圍內(nèi)比強(qiáng)度增加均較快(比強(qiáng)度為每1%聚乙烯醇粘結(jié)劑(指固體物含量)所產(chǎn)生的聚乙烯醇砂的硬化強(qiáng)度值),在聚乙烯醇濃度為15%時(shí)比強(qiáng)度值最大,說(shuō)明選擇濃度為15%的聚乙烯醇粘結(jié)效率最高。其原因是聚乙烯醇溶液濃度過(guò)低時(shí),芯砂中的水分增加,在烘干過(guò)程中由于大量水分蒸發(fā)而破壞了砂粒表面上的薄膜,因而使強(qiáng)度下降。反之,濃度過(guò)高,粘性增大,造成混砂不勻,也會(huì)降低芯砂的強(qiáng)度。(2)原砂粒度和含泥量的影響通過(guò)試驗(yàn),當(dāng)原砂粒度(篩號(hào):24/45)不變,而含泥量從1.5%增加到2.1%時(shí),對(duì)芯砂強(qiáng)度幾乎沒(méi)有影響。但當(dāng)聚乙烯醇的加入量一定,原砂粒度不同,芯砂的強(qiáng)度也不同。一般粗砂的強(qiáng)度比細(xì)砂的強(qiáng)度要高些。(3)水泥和粘土加入量的影響聚乙烯醇的濕強(qiáng)度很低,在不加水泥的情況下,濕壓強(qiáng)度只有2~3kPa,這給制芯帶來(lái)很大的困難。因此,常加入水泥以加速其脫水硬化,增加其濕強(qiáng)度。一般來(lái)說(shuō),水泥加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.8%時(shí),濕壓強(qiáng)度可達(dá)20~30kPa。若水泥含量再增加,雖然濕壓強(qiáng)度會(huì)繼續(xù)增加,但干剪強(qiáng)度卻會(huì)下降。因此,水泥加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)以1.8%左右為宜。同樣,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,認(rèn)為粘土的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~1.8%時(shí)為最佳。(4)溫度與時(shí)間的影響以下是聚乙烯醇在不同時(shí)間和溫度下的濕強(qiáng)度和干強(qiáng)度試驗(yàn)圖(圖2、3)。從圖2和圖3可看出,聚乙烯醇砂的濕強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高,超過(guò)一定的范圍時(shí)強(qiáng)度逐漸下降;聚乙烯醇砂的干強(qiáng)度隨溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)而下降。以下是以聚乙烯醇作主粘結(jié)劑制作砂芯和鑄件,與合脂砂、亞麻油砂作性能對(duì)比的試驗(yàn)。粘結(jié)劑配比和烘干工藝如下:石英砂100%、亞麻油2.5%、210℃烘60min;合脂2.5%、210℃烘60min;聚乙烯醇1.2%、425篩號(hào)水泥1%、140℃烘干1h。從表1可以看出,聚乙烯醇粘結(jié)砂有較好的濕壓強(qiáng)度;流動(dòng)性次于亞麻油砂和合脂砂;聚乙烯醇砂的比強(qiáng)度最高,其次是亞麻油砂、合脂砂。圖4和圖5是幾種砂潰散性和發(fā)氣性比較。在三種粘結(jié)劑中,亞麻油砂芯的潰散性最差,合脂砂芯次之,而水溶性的聚乙烯醇砂的潰散性最好;三種粘結(jié)劑中亞麻油砂芯的發(fā)氣量最高,合脂砂芯次之,聚乙烯醇砂最低(但比粘土砂高)。由于聚乙烯醇砂的潰散性好、發(fā)氣量低,因此,聚乙烯醇砂的出砂性很好,鑄件表面質(zhì)量高。由于聚乙烯醇是水溶性的,它制作的型芯砂具有易于回用和再生性能。將生產(chǎn)剩余的芯砂、廢砂芯打碎加入適量水和少量新粘結(jié)劑再次混碾,型(芯)砂可以重新使用。取舊砂各50g分別按標(biāo)準(zhǔn)清洗,在顯微鏡下觀察,比較聚乙烯醇粘結(jié)劑砂與合脂砂的復(fù)用性。聚乙烯醇砂表面清潔,無(wú)油膜包溶,合脂砂表面包溶油脂,且有黑色惰性膜粘附其上。其次,將聚乙烯醇砂和合脂砂(澆鑄后的砂塊)分別放在造好型的型腔表面,合箱后澆注鑄件。鑄件表面跡象不同,前者清理后無(wú)任何痕跡,而后者則出現(xiàn)氣孔缺陷,表明聚乙烯醇砂的復(fù)用性優(yōu)于合脂砂。根據(jù)熱失重分析表明,在高溫作用下聚乙烯醇燃燒分解,殘留在砂粒表面的聚乙烯醇粘結(jié)劑將全部去除,從而完成熱法再生過(guò)程。對(duì)再生砂性能實(shí)驗(yàn)表明,經(jīng)數(shù)次再生循環(huán)的再生砂強(qiáng)度、流動(dòng)性、表面質(zhì)量等都能滿足生產(chǎn)使用要求。在再生砂未作除塵處理的條件下,隨著再生次數(shù)的增加,再生砂的含泥量將有所增加。3其他物理、物理和化學(xué)粘結(jié)劑聚乙烯醇是一種值得推廣的綠色粘結(jié)劑,是