磷酸鹽自硬砂用氧化鐵復合固化劑研究

胡 涂，張友壽，夏 露，黃 晉

（湖北工業大學，湖北 武漢 430068）

磷酸鹽是一種無毒、無害綠色環保的黏結劑，早在上世紀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]。但磷酸鹽砂強度偏低，并且存放穩定性不好，砂型存放穩定性是指制好的砂型其強度保持不變的性能，已經知道磷酸鹽砂存在吸濕而使強度下降問題。近年研究還發現[5]，磷酸鹽砂在低濕度下也有強度不穩定問題，即在低濕度下存放過程中出現強度下降。

固化劑作為磷酸鹽黏結劑體系中不可或缺的要素，目前應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，為此有學者對復合固化劑進行研究[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行復合，配置出一種復合固化劑，并研究其對磷酸鹽自硬砂性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

1）原砂：大林標準砂50/100目，含泥量小于0.5%；

2）黏結劑：自合成，代號30B6M0L7.5；

3）固化劑：鎂砂粉及其與其他物質配制的復合固化劑等。

1.2 實驗儀器和設備

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

1.3 復合固化劑配制

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，一同置入球磨機中球磨混制得到復合固化劑。

1.4 試樣制備與測量方法

標準砂+固化劑+4%黏結劑（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個為一組，室溫存放待用。使用杠桿式抗拉強度機測量砂型試樣的強度，每次選取一組進行測量，將得到的數據去除最大值和最小值，余下三個作平均值即得到此組試樣的抗拉強度值。

2 實驗結果與分析

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度上有怎樣的變化，本實驗設計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劑量的15%，氧化鐵加入量占黏結劑量的5%；

3）固化劑使用單一電熔氧化鎂，加入量占黏結劑量的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劑量的10%，氧化鐵加入量占黏結劑量的5%。

實驗時分別用四個方案制作四組砂型試樣，按前面提到的方法測量數據。實驗結果如圖1所示。

圖1 含氧化鐵固化劑對抗拉強度的影響

從圖1可以看出，1）和2）相比，后者強度明顯提高；3）和4）方案相比，后者強度提高幅度更高。由此可以得出兩點結論：第一，經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硬化強度明顯提高，提高幅度達到60%以上；第二，在其他條件相同情況下，氧化鎂含量較高時，硬化強度較低，即較高含量的氧化鎂固化劑不利于硬化強度的提高。從存放7 d的砂型試樣抗拉強度的變化可以看出，3）、4）方案強度總體呈上升趨勢，而1）、2）方案強度總體呈下降趨勢，也就是說氧化鎂含量較高時，砂型強度存放穩定性較差，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度，而且砂型的存放穩定性較好。

2.2 固化劑中氧化鐵含量對砂型試樣抗拉強度的影響

固化劑中氧化鐵的含量分別為10%、20%、30%、40%四個梯度，固化劑總加入量占黏結劑量10%，四個梯度分別制作一組砂型試樣測其24 h抗拉強度，實驗結果見圖2。

圖2 固化劑中氧化鐵含量與砂型抗拉強度關系

從圖2可以看出隨著固化劑中氧化鐵含量的增高，砂型試樣的抗拉強度出現了小幅的上漲而后又下降的一個過程，當氧化鐵含量達到20%時砂型試樣有最高的抗拉強度。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度。

2.3 固化劑中氧化鐵含量對砂型試樣穩定性影響

同上，固化劑中氧化鐵的含量采用四個梯度，固化劑總加入量占黏結劑量10%，每個梯度分別制作一組砂型試樣待用，實驗結果見圖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，砂型強度基本成一直線，即存放穩定性均較好，但隨著固化劑中氧化鎂的增加，至固化劑中氧化鎂為20%時，試樣的抗拉強度最高，當氧化鎂增加到30%、40%時，強度明顯下降。

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

從圖4看出，在前4 h，型砂抗拉強度較穩定，沒有出現大幅下降；在第5 h的時候出現明顯的下降，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間的穩定，隨時間的增長砂型會出現軟化現象導致抗拉強度降低。

圖3 不同氧化鐵含量固化劑與砂型存放穩定性關系

圖4 高濕環境下自硬砂抗拉強度變化曲線

3 結 論

1）含有氧化鐵的復合固化劑能夠提高磷酸鹽自硬砂的抗拉強度達到60%以上。

2）含有氧化鐵的復合固化劑制作出來的砂型試樣具有一段時間的存放穩定性。

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

4）在高濕環境下砂型具有一定穩定性，24 h后會因為軟化而導致強度降低。

［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］.三峽大學報，2006（6）：250-251.

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

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

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