磷酸盐自硬砂用氧化铁复合固化剂研究

胡 涂，张友寿，夏 露，黄 晋

（湖北工业大学，湖北 武汉 430068）

磷酸盐是一种无毒、无害绿色环保的黏结剂，早在上世纪美国等西方国家就在这方面做了大量的研究[1～2]，我国在这方面的研究也取得了不错的效果，通过添加改性剂（如：硼酸、柠檬酸等）改善其性能上的不足[3～4]。但磷酸盐砂强度偏低，并且存放稳定性不好，砂型存放稳定性是指制好的砂型其强度保持不变的性能，已经知道磷酸盐砂存在吸湿而使强度下降问题。近年研究还发现[5]，磷酸盐砂在低湿度下也有强度不稳定问题，即在低湿度下存放过程中出现强度下降。

固化剂作为磷酸盐黏结剂体系中不可或缺的要素，目前应用较多的主要是氧化镁，但氧化镁在性能上存着这一些不足，为此有学者对复合固化剂进行研究[6]，以改善磷酸盐自硬砂性能。本文将氧化铁皮破碎、碾磨成粉末状与氧化镁进行复合，配置出一种复合固化剂，并研究其对磷酸盐自硬砂性能的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

1）原砂：大林标准砂50/100目，含泥量小于0.5%；

2）黏结剂：自合成，代号30B6M0L7.5；

3）固化剂：镁砂粉及其与其他物质配制的复合固化剂等。

1.2 实验仪器和设备

KQM-X4行星式四头快速球磨机、SHY-A叶片式混砂机（搅拌速度200r/min）、“8”字型木模、SWG杠杆式万能强度试验机、温湿度计等。

1.3 复合固化剂配制

将氧化铁皮敲碎，碾磨至粉末；按配比分别称量氧化镁和氧化铁粉末，一同置入球磨机中球磨混制得到复合固化剂。

1.4 试样制备与测量方法

标准砂+固化剂+4%黏结剂（占砂量）混砂2min～3min出砂制样，使用“8”字型模具制作砂型试样若干，每5个为一组，室温存放待用。使用杠杆式抗拉强度机测量砂型试样的强度，每次选取一组进行测量，将得到的数据去除最大值和最小值，余下三个作平均值即得到此组试样的抗拉强度值。

2 实验结果与分析

2.1 固化剂中含氧化铁的作用

为了考察加入氧化铁粉末后的固化剂与使用单一氧化镁固化剂在强度上有怎样的变化，本实验设计了四种固化剂加入方案。

1）固化剂使用单一电熔氧化镁，加入量占黏结剂量的15%；

2）固化剂使用电熔氧化镁和氧化铁的混合物，其中电熔氧化镁加入量占黏结剂量的15%，氧化铁加入量占黏结剂量的5%；

3）固化剂使用单一电熔氧化镁，加入量占黏结剂量的10%；

4）固化剂使用电熔氧化镁和氧化铁的混合物，其中电熔氧化镁加入量占黏结剂量的10%，氧化铁加入量占黏结剂量的5%。

实验时分别用四个方案制作四组砂型试样，按前面提到的方法测量数据。实验结果如图1所示。

图1 含氧化铁固化剂对抗拉强度的影响

从图1可以看出，1）和2）相比，后者强度明显提高；3）和4）方案相比，后者强度提高幅度更高。由此可以得出两点结论：第一，经过氧化铁改性的氧化镁固化剂与单一氧化镁固化剂相比，磷酸盐自硬砂的24 h硬化强度明显提高，提高幅度达到60%以上；第二，在其他条件相同情况下，氧化镁含量较高时，硬化强度较低，即较高含量的氧化镁固化剂不利于硬化强度的提高。从存放7 d的砂型试样抗拉强度的变化可以看出，3）、4）方案强度总体呈上升趋势，而1）、2）方案强度总体呈下降趋势，也就是说氧化镁含量较高时，砂型强度存放稳定性较差，氧化镁偏低且含有氧化铁的固化剂不仅具有较高的硬化强度，而且砂型的存放稳定性较好。

2.2 固化剂中氧化铁含量对砂型试样抗拉强度的影响

固化剂中氧化铁的含量分别为10%、20%、30%、40%四个梯度，固化剂总加入量占黏结剂量10%，四个梯度分别制作一组砂型试样测其24 h抗拉强度，实验结果见图2。

图2 固化剂中氧化铁含量与砂型抗拉强度关系

从图2可以看出随着固化剂中氧化铁含量的增高，砂型试样的抗拉强度出现了小幅的上涨而后又下降的一个过程，当氧化铁含量达到20%时砂型试样有最高的抗拉强度。固化剂中氧化铁含量从20%增加到40%，含量增加一倍而砂型抗拉强度却降低了31.6%，这说明氧化铁含量太高并不能提高砂型试样的抗拉强度。

2.3 固化剂中氧化铁含量对砂型试样稳定性影响

同上，固化剂中氧化铁的含量采用四个梯度，固化剂总加入量占黏结剂量10%，每个梯度分别制作一组砂型试样待用，实验结果见图3。

由图3可见，砂型存放7 d，从总体上看，不同氧化铁含量的固化剂，砂型强度基本成一直线，即存放稳定性均较好，但随着固化剂中氧化镁的增加，至固化剂中氧化镁为20%时，试样的抗拉强度最高，当氧化镁增加到30%、40%时，强度明显下降。

由于每次测量试样抗拉强度时相对湿度都维持在50%以内，为了考查其在高湿度（大于90%）情况下强度变化情况，将已经完全硬化的试样置于高湿的环境中加速软化，每隔一定时间测量其强度，结果如图4所示。

从图4看出，在前4 h，型砂抗拉强度较稳定，没有出现大幅下降；在第5 h的时候出现明显的下降，而后呈缓慢降低趋势。这说明该型砂试样在高湿情况下维持一段时间的稳定，随时间的增长砂型会出现软化现象导致抗拉强度降低。

图3 不同氧化铁含量固化剂与砂型存放稳定性关系

图4 高湿环境下自硬砂抗拉强度变化曲线

3 结 论

1）含有氧化铁的复合固化剂能够提高磷酸盐自硬砂的抗拉强度达到60%以上。

2）含有氧化铁的复合固化剂制作出来的砂型试样具有一段时间的存放稳定性。

3）不同氧化铁含量的复合固化剂对型砂强度和稳定性有着不同影响，20%左右的含量对强度的提高最佳，30%含量的存放稳定性好于其他含量。

4）在高湿环境下砂型具有一定稳定性，24 h后会因为软化而导致强度降低。

［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，张友寿，黄晋.改性剂对铸造用铝磷酸盐自硬砂性能的影响［J］.三峡大学报，2006（6）：250-251.

［4］杨金，张友寿，夏露，等.柠檬酸改性磷酸盐无机铸造黏结剂研究［J］.铸造设备研究，2008（5）：38-40.

［5］张友寿，商宏飞，黄晋，等.磷酸盐无机粘结剂自硬砂硬化强度及砂型存放稳定性影响因素研究［J］.铸造技术，2010（2）：137-139.

［6］商宏飞，张友寿，夏露，等.磷酸盐粘结剂自硬砂用复合固化剂［J］.铸造技术，2010，（5）31：554-556.