添加剂对水玻璃砂热性能的研究Word文件下载.docx
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1.3.4水玻璃砂硬化速度与强度的关系4
1.4水玻璃及特性5
1.4.1水玻璃的定义5
1.4.2水玻璃的重要参数5
1.4.3水玻璃的物理性质6
1.5本课题的研究意义和内容8
1.6本论文的结构安排8
2CO2水玻璃砂的硬化机理研究及其存在的问题9
2.1CO2的基本性质9
2.2.1CO2硬化是化学硬化10
2.2.2CO2硬化是物理硬化10
2.2.3脱水硬化法10
2.3吹CO2时气流与水玻璃膜的作用11
2.4CO2水玻璃砂低温硬化11
2.5CO2水玻璃砂的影响因素12
2.5.1水玻璃的模数和密度12
2.5.2水玻璃加入量13
2.5.3吹气时间、方式和流量13
2.5.4温度13
2.6CO2水玻璃砂存在的主要问题13
2.6.1溃散性差13
2.6.2砂型(芯)表面粉化14
2.6.3粘结强度偏低,水玻璃加入量大14
2.7总结14
3各配方水玻璃砂溃散性研究15
3.1试验目的15
3.2添加剂的确定15
3.2.1添加剂的拟定15
3.3水玻璃砂加添加剂试验设计及结果分析16
3.3.1主要试验原材料、设备及试验方法16
3.3.2混砂流程16
3.3.3制样流程16
3.3.4各配方水玻璃砂性能对比17
3.4本章小结17
4添加剂对水玻璃砂热性能的研究19
4.1实验目的19
4.2各配方水玻璃砂热性能实验及分析19
4.2.1主要试验原材料、设备及试验方法19
4.2.2混砂流程19
4.2.3制样流程20
4.2.4DSC热分析实验20
4.2.5热膨胀实验22
4.2.6热台显微镜23
4.3本章小结25
5结论及展望26
5.1结论26
5.2展望26
参考文献28
1绪论
1.1引言
机械制造业是我国国民经济的基础,而铸造业是机械制造业中不可缺少的重要组成部分。
而铸钢件的生产主要是水玻璃砂工艺,但是绝大部分铸钢厂还是采用传统的工艺即水玻璃砂强度的提高,长期以来依靠水玻璃加入量来弥补。
现在的新工艺、新方法(如有机脂硬化、VHR硬化、微波硬化等等),应用的还较少。
水玻璃砂溃散性差的问题一直困扰着我国铸钢厂的生产,并且溃散性差的水玻璃砂也很难再生回用。
这样,就不可能实现绿色清洁铸造生产。
所以本课题对添加剂对水玻璃砂热性能的影响进行了研究,分析添加剂如何改善水玻璃溃散性。
1.2水玻璃砂溃散性的国内外研究现状与发展
为了改善水玻璃砂的溃散性,实现的主要办法有三条:
(1)添加附加物;
(2)水玻璃改性;
(3)改进硬化工艺。
1.2.1添加附加物
SKH-石灰石、SKH-蛭石及TN2、TN5与英国的SoloSilhi改性水玻璃砂的溃散性相当,而从成本看,SKH-石灰石和SKH-蛭石与加7%纯水玻璃的普通水玻璃砂相当,TN2和TN5则低于国内研制的其它改性水玻璃砂和英国SoloSilhi改性水玻璃砂,因此从成本看TN2、TN5则更好一些。
VRH-CO2法是改善中小型铸件用水玻璃砂的溃散性的一种有效的适用的方法[1]。
1.2.2水玻璃改性
CO2水玻璃砂具有冷芯盒工艺的一系列优点,在铸造生产中占有重要地位。
但它的残留强度高,溃散性差,给铸件的落砂清理带来一定困难,这些缺点阻碍着它的进一步发展和应用。
采用有机改性剂氢化液(SH)和无机溃散剂(AMG及AMGF)的技术措施,根据不同生产情况,研制了
型改性水玻璃砂(Wg-SH-AMG)及
型改良水玻璃(Wg-AMGF)[4]。
溃散性差和旧砂再生困难是水玻璃砂工艺的两大难题。
采用水玻璃砂新工艺及新材料以降低型砂中水玻璃粘结剂的加入量是解决水玻璃砂溃散性差的有效方法。
协调水玻璃砂的常温强度及高温残留强度(即溃散性)的大小,是改性水玻璃砂工艺的新问题。
新型酯硬化改性水玻璃砂工艺具有如下技术优势:
(1)铸件的精度高、质量好,还可克服用树脂砂生产铸钢件时易产生热裂的缺点。
(2)生产环境友好、对环境污染最轻。
(3)生产成本较低、工艺操作性好。
与各类树脂砂工艺相比,水玻璃砂工艺的生产成本低。
(4)生产装备简单、投资少。
1.2.3改进硬化工艺
采用VRH-CO2法,水玻璃加入量减少到原来的1/2~1/3,仅为2%~3%,CO2量仅是普通CO2法的1/10~1/50。
普通CO2水玻璃加入量一般为6%~8%,800℃和1000℃时的残留强度分别为7.8MPa和4.2Mpa;
而VRH-CO2法水玻璃加入量一般为2.5%~3%,800℃以上残留强度仅为普通CO2法的1/10。
1.3水玻璃硬化
1.3.1水玻璃砂的硬化机理
水玻璃砂在一定条件下逐渐变硬的过程,称为水玻璃的硬化。
水玻璃砂可以
通过如下几种方式硬化:
(1)加入气体、液体、固体硬化剂,与水玻璃起化学反应,生成具有粘结性能的新产物,常称之为化学硬化。
(2)采用能除去水玻璃中水分的方法,常称之为物理硬化。
(3)加入可溶性硅酸盐使水玻璃饱和。
铸造生产中通常采用一种或几种方法综合使用。
1.3.2各种硬化方法机理
根据硬化原理的不同,水玻璃砂硬化可分为:
吹CO2气体硬化、加热硬化和
硬化剂自硬化三大类,三种硬化方式的最新发展形成了新一代的水玻璃砂硬化工
艺。
(1)CO2气体硬化水玻璃砂的机理:
向水玻璃砂中吹入CO2气体后,水玻璃能快速硬化,水玻璃由液态变为固态
的硬化机理,归纳起来有如下几种观点。
1.化学硬化
在CO2气体作用下,水玻璃的硬化过程分为三个阶段
(1)硅酸钠的分解——在CO2气体作用下,硅酸钠发生快速的分解反应,并
发出热量。
(2)硅酸凝胶的形成——SiO2的水合作用
(3)硅酸凝胶部分失去结合水
硅酸凝胶含水量越少,型砂就越坚固,型砂的强度也越高。
2.物理硬化
水玻璃CO2硬化的本质是物理硬化,水玻璃能够硬化,并非在于化学反应,
而是依赖于CO2的脱水作用;
而且,水玻璃硬化后的机械强度,主要来源于水玻
璃的脱水。
3.复合硬化
CO2硬化过程中,既有化学硬化反应,同时也有物理硬化作用,是二者的复
合。
水玻璃与CO2反应生成硅酸凝胶,这属于化学硬化;
而CO2是一种干燥性很
强的气体,其露点为-30℃,它可以加速水玻璃的干燥过程,产生物理的或玻璃
质的粘结,属于物理硬化。
1.3.3水玻璃砂的粘接强度与破裂形式
水玻璃砂的粘结强度是指水玻璃砂硬化后具有的强度,对水玻璃砂的粘结强
度与破裂形式的认识,有利于研究水玻璃砂的硬化机理和提高水玻璃砂的硬化速
度。
水玻璃和原砂经混砂机混拌以后,砂粒表面上就包覆一层薄薄的水玻璃膜,
即粘结膜。
相邻的砂粒通过粘结膜连接起来,形成粘结桥[17]。
光有粘结膜和粘结桥,并不能把分散的砂粒联结在一起,还需要有胶凝的过程才能建立起粘结强度,见图1.1。
图1.1砂粒上的粘接膜及砂粒间的粘接桥
建立起强度的水玻璃砂的破裂主要有两种:
一种是内聚破裂,另一种是附着破裂。
一般说来型砂试样的断口上既有内聚破裂又有附着破裂。
如果以内聚破裂为主,想要提高强度就得增加粘结剂的用量或是改进粘结剂的聚合;
如果以附着破裂为主,则说明粘结剂的作用未充分发挥,想要提高型砂强度,就得设法改善粘结剂与砂粒之间的附着状况。
图1.2型砂的破裂方式
因此,水玻璃砂粘结强度主要取决于三个因素:
砂粒本身的形貌和强度,水
玻璃的粘结强度和砂粒与水玻璃之间的粘结强度,其中任何一种粘结强度的降低
都会降低水玻璃砂的粘结强度。
不过,观察水玻璃砂的断裂面基本上是以内聚破
裂为主,很少见到附着破裂[17],因此就不过多的考虑砂粒种类的选择。
1.3.4水玻璃砂硬化速度与强度的关系
水玻璃砂硬化强度包括常温强度、烘干强度和残留强度等。
常温强度指在室
温下测定的强度以及表面稳定性等,即时强度、1小时强度,24小时强度
均属于常温强度,也可称为存放强度,而24小时强度还常称为终强度。
烘干强
度主要是指对烘干后的型砂试样测定的强度,烘干温度根据实际而定,在本论文
中烘干温度定为200℃。
残留强度是指高温烧结后测定的强度,在本论文中烧结
温度为800℃。
硬化速度是用来评价在硬化过程中水玻璃砂硬化快慢的一个指标,其有两种
评价方法:
一种是在硬化相同时间内水玻璃砂硬化强度高则表明其硬化速度快,
另一种是在达到相同硬化强度时所需的时间越短则表明其硬化速度越快。
化学硬化法主要是加入酸性物质或电解质来促使水玻璃胶粒凝胶并聚集,从
而提高水玻璃砂硬化速度,使其尽可能在短而合适的时间内达到生产所需的硬化
强度。
物理硬化法关键是脱水,破坏水化膜促进水玻璃的凝聚,因此对于物理硬
化法则有脱水速度越快水玻璃砂硬化速度越快。
大量实践表明:
物理硬化法较化
学硬化法硬化速度要快,且得到的硬化强度也要高。
1.4水玻璃及特性
1.4.1水玻璃的定义
中文教科书和专著中都称水玻璃是硅酸钠的水溶液,水玻璃是硅酸盐溶液,但硅酸盐溶液并不一定是水玻璃。
因此,必须给硅酸盐的水溶液框定一个范围。
水玻璃是硅酸盐在水中真溶液(离子和分子分散)和胶体溶液(胶粒分散)并存的体系。
水玻璃的通式为M2O·
mSiO2·
nH2O,M为Na+、K+、Li+、Rb+和R4N+,m和n必须处在特定的数值范围内。
1.4.2水玻璃的重要参数
水玻璃的主要参数是模数、密度和客盐浓度。
(1)模数
水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔比值,称之为水玻璃的模数,用m来表示。
在欧美,也习惯直接用SiO2和Na2O的百分质量比值来表示模数,称作硅碱比。
(2)浓度和密度
水玻璃的浓度(concentration)是指它的水溶液中含有的Na2O·
mSi02百分含
量,代号为C。
同时,浓度和水玻璃硅酸钠含量有一定关系(见图1.3)。
图1.320℃时水玻璃硅酸钠含量和浓度的关系
作为溶剂的氧化硅对密度的影响,通常比氧化钠对密度的影响小些。
此外其密度与硅酸钠溶液的模数也有一定关系(见图1.4)
图1.4硅酸钠溶液的模数与其密度的关系
密度的代号为ρ,国际标准为103kg/m3。
但铸造业仍然沿用两种习惯方法,即g/cm3和波美度(用Be来表示)。
硅酸钠溶液的测定,在精确度要求高时,应该用比重法进行。
在工业生产上
是用比重计或波美比重计进行测定,一般多用后者。
随着温度的提高,硅酸钠溶液的体积发生膨胀,使密度降低,反之则密度升
高。
所以生产中测定的波美度,要校正成温度293K(20℃)以下的Be。
(3)水玻璃中客盐含量
水玻璃中的客盐(NaCl、Na2SO4、Na2CO3等)含量,对水玻璃密度、粘度、表面张力、老化速度、硬化速度以及粘结强度都有显著的不良影响,所以是水玻璃的重要参数。
但是,这个问题还没有引起水玻璃生产者和铸造工作者的注意。
目前测得的
许多水玻璃和水玻璃砂性状,都是在客盐的存在下测定的,但对于客盐的不良影
响完全被忽视掉了。
因此,我们对于水玻璃和水玻璃砂的实际情况,并未很好掌
握。
1.4.3水玻璃的物理性质
(1)水玻璃的光散射现象
m>
2的水玻璃,刚制好时没有光散射现象,应该属于真溶液。
大约15min后
便出现微弱的光散射,随着时间的推移,光散射越来越强。
在高模数和高浓度的
情况下,这种倾向更强。
丁泽尔现象是胶态离子的特征现象,光散射的出现,说
明系统内不断有胶粒生成。
这时因为水玻璃在储藏过程中,含在其中的硅酸能自
发进行聚合,生成胶粒,并且缓慢的释放能量,这称作水玻璃的“老化”。
(2)水玻璃的碱性
硅酸钠是由强碱和弱酸生成的盐,在水溶液中容易电离水的电离SiO32-与H+生成电离很小的硅酸Na+与OH-生成电离度很大的NaOH所以,整个溶液体系内OH-浓度很高,而H+浓度低,呈碱性。
低模数的水玻璃m=(2.1~2.6),pH值为(11~13)。
老化的水玻璃中,硅酸的聚合度发生了变化,电离度也发生了微小的变化。
目前还未看到,关于水玻璃在老化过程中pH值变化的数据。
已知老化的水玻璃电离率减小。
聚硅酸钠的溶液在稀释时,pH值逐渐减小,即酸性有所增强。
这是因为,在稀释过程中聚合度不断降低,粘结力不断减小,低聚硅酸不断增多,
解离出更多H+,使pH值下降。
(3)水玻璃的粘度
水玻璃的粘度很大,且随模数、浓度与客盐含量的不同而变化,但温度对粘
度的影响也很显著。
在贮放过程中,粘度因老化而缓慢下降。
(4)凝固点及冷冻时特征
不同模数及不同浓度的硅酸钠溶液,其凝固点大约在-2~-11℃。
模数低,
浓度高时溶液的冰点低。
零度以下时,硅酸钠溶液的粘度剧增,然后析出冰晶体及絮状颗粒,此时,
模数大于3.0的硅酸钠溶液,变成白色蛋白质状物质,冰晶体浮于上层,使溶液浓度上下不均。
模数小于3.0的硅酸钠溶液,即使在冰冻状态下,仍是稠厚的冰状物,硬度不高,具有胶体的性质。
加热并均匀地搅拌冻结的硅酸钠溶液,能恢复冻结前的性质,但会减弱其作为胶凝(防腐用的胶凝)的耐水性。
当硅酸钠溶液的含水量,减少到一定程度时,它的外形就像固体物质。
当温
度降到0℃以下,透明的固体状的高浓度硅酸钠溶液,外表无明显变化,但变得
和玻璃一样,较脆而容易破碎。
但温度上升到O℃以上时,脆性消失,恢复原状。
1.5本课题的研究意义和内容
水玻璃砂的溃散性差是困扰铸造界的一个老、大、难问题,长期未得到很好解决,因而阻碍了它的推广和应用。
本课题主要通过向水玻璃型砂中添加溃散剂的方法来研究其对型砂溃散性的改善作用,并找出具有良好性能的型砂配方。
具体工作包括以下几个方面:
(1)了解水玻璃砂工艺的优越性和问题;
(2)评价水玻璃砂溃散性的方法和指标;
(3)研究添加剂改善水玻璃砂溃散性的因素;
(4)研究添加剂对水玻璃砂热性能的影响;
1.6本论文的结构安排
(1)绪论。
(2)CO2水玻璃砂的硬化研究及其存在的问题:
介绍了CO2水玻璃砂的硬化机理,以及CO2水玻璃砂各存在的诸多问题和解决措施。
(3)水玻璃砂溃散性研究试验:
主要通过向水玻璃型砂中添加溃散剂的方法来研究其对型砂溃散性的改善作用,并找出具有良好性能的型砂配方。
最后通过应力试验,检验水玻璃型砂的溃散效果。
确定溃散剂的选用,设计试验验证水玻璃砂受热温度与溃散性之间的关系;
进行热分析试验,对比找出具有良好性能的型砂配方。
(4)添加剂水玻璃砂热性能的研究实验:
通过对三种配方的水玻璃砂进行DSC热分析实验和热膨胀实验分析各配方优劣之处,找出添加剂对水玻璃砂热性能的影响因素及效果。
(5)结论及展望。
2CO2水玻璃砂的硬化机理研究及其存在的问题
近年来人们对精确控制CO2吹气工艺参数,提高CO2硬化效率、节约气体等方面做了不少工作[6]。
但是到目前为止,对于精确控制CO2吹气工艺参数(流量、压力等)并没有得到广泛的应用。
因此,本课题重点研究CO2气体的通气时间、流量等因素对水玻璃砂硬化的影响,以尽可能研究出更为合理的吹气工艺,为之后溃散性的。
研究水玻璃砂硬化需要测定的性能指标有很多,如强度(即时强度、终强度和残留强度等),含水量,透气性,表面稳定性,可使用时间以及吸湿性等。
目前使用的吹CO2硬化法,水玻璃的凝胶并不以化学方式为主,吹CO2只是为了使型砂具有脱模和搬运所需的强度,凝胶主要还是靠吹CO2之后进行的脱水处理。
这样就可以充分发挥水玻璃的粘接作用,从而降低水玻璃的降入量。
因此选取即时强度、终强度以及残留强度为主要测试性能指标。
本章节主要研究CO2水玻璃砂的硬化机理,了解CO2的基本性质对研究CO2水玻璃砂硬化有着很大的意义。
2.1CO2的基本性质
CO2在不同条件下可以气、液、固三种状态存在,密度、比热容、扩散力和粘度都随温度而变。
当其以气态形式存在时,其还和压力有关。
何时是单相,何时又是共存状态,何时发生相变,这取决于所处环境的温度和压力。
在临界状况时气相和液相性质非常接近,气液两相处于一个相对稳定的共存状态,这种状态称为饱和状态或临界状态。
临界状态的参数叫临界常数,饱和状态的压力为饱和蒸汽压。
在使用CO2硬化水玻璃砂时除了解CO2的基本性质之外,有必要了解CO2气瓶的几个基本常识,以便能更好地利用C02气体。
气瓶公称工作压力为15Mpa,而气体出口压力为5MPa。
在由液相变为气相时,临界蒸汽压和气化温度与气体压力有关,在气体压力为7.16MPa时,气体液化临界温度为31.16℃[6];
气体压力为5MPa时,气体液化临界温度约为15℃。
由于CO2能以气、液、固三种形态存在,且由液相到气相是一吸热过程,使得CO2吹入型砂时温度比较低甚至其吹入型砂后还要继续吸收一定的热量,尤其是在冬季时其必然导致型砂反应系统的温度降低。
2.2CO2硬化的概念
CO2硬化水玻璃砂的全部硬化过程,包含着化学反应、物理作用两种过程。
2.2.1CO2硬化是化学硬化
水玻璃砂的硬化过程分为三步:
(1)硅酸盐的分解在CO2作用下,硅酸钠发生快速的分解反应,并释放出热量:
(2-1)
(2)硅凝胶的生成析出的SiO2与水结合,生成硅酸,硅酸又凝聚成硅凝胶:
(2-2)
(3)硅凝胶部分失去结合水这是一个吸热过程:
(2-3)
2.2.2CO2硬化是物理硬化
硅酸的析出和硅凝胶的生成是CO2硬化水玻璃砂强度的唯一来源,所以称作“化学硬化”;
水玻璃砂吹CO2硬化,必须处于一种非常特殊的条件下,即水玻璃涂敷在砂粒表面上,形成厚仅若干
m的薄膜。
只有造成良好的脱水条件,才能促使水玻璃迅速固化;
所以说“水玻璃的硬化本质上是物理硬化”。
为了得到强度高而终强度低的水玻璃砂,所以决定对水玻璃硬化采用物理硬化为主的方法,即减少水玻璃与CO2的化学反应,转而以物理脱水为主对水玻璃砂进行吹气硬化。
2.2.3脱水硬化法
水玻璃砂采用烘干炉、热芯盒、微波辐射或高频烘干等加热去水硬化方法,
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