造型材料課件：水玻璃砂-

2023/12/3造型材料2023/12/3水玻璃砂2023/12/3【導(dǎo)入案例】珠海采埃孚推進(jìn)系統(tǒng)公司是一個(gè)船用銅質(zhì)螺旋槳專業(yè)制造廠，原來(lái)用一條臺(tái)灣產(chǎn)2.5t/h呋喃樹脂生產(chǎn)線，從事小型高速槳的鑄造。為適應(yīng)市場(chǎng)的需要，改為系列化大直徑可調(diào)槳的制造。原有生產(chǎn)線出砂能力過低，完全不敷需要，改為國(guó)內(nèi)比較普遍使用的CO2固化水玻璃砂；但水玻璃砂只能一次使用，每天產(chǎn)生的大量廢砂無(wú)處傾倒，環(huán)保問題非常突出，必須尋找新的出路。

有機(jī)酯固化水玻璃砂于20世紀(jì)80年代末在我國(guó)就已開始應(yīng)用于鑄鋼生產(chǎn)，代替CO2固化水玻璃砂。由于它既保持了原來(lái)水玻璃砂的成型準(zhǔn)確、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，又大幅度減少了水玻璃的用量，潰散性也得到了根本改善，從而為鑄造界看好。但由于當(dāng)時(shí)還沒有找到可靠的舊砂再生方法，再生砂達(dá)不到面砂的要求，只能用作背砂，限制了它的推廣應(yīng)用。2023/12/3【導(dǎo)入案例】由于有機(jī)酯固化水玻璃砂的突出優(yōu)點(diǎn)，十多年來(lái)鑄造界對(duì)其舊砂再生的研究也有了突破性進(jìn)展。研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)酯固化水玻璃砂經(jīng)300~350℃焙燒，即可去除結(jié)晶水和部分有機(jī)酯，使水玻璃膜脆化，此時(shí)再及時(shí)給予相應(yīng)的機(jī)械搓擦和分離，就完全達(dá)到了再生的目的。

基于此，公司根據(jù)自身產(chǎn)品的特點(diǎn)決定在新廠房的設(shè)計(jì)中采用有機(jī)酯固化水玻璃砂生產(chǎn)可調(diào)槳葉片、槳帽、油缸及其他相關(guān)鑄件。在2007年的工廠技術(shù)改造中大膽選用了有機(jī)酯固化水玻璃砂再生鑄造生產(chǎn)線，初步取得了成功。技術(shù)改造前，采用CO2水玻璃砂時(shí)，由于水玻璃質(zhì)量不穩(wěn)定，造型后鑄型必須使用大型箱式烘爐烘烤脫水。技改后，逐步調(diào)整了原砂技術(shù)指標(biāo)、液料配比，完善了舂砂成型、起模修型、涂料涂刷、合型烘烤等操作工藝，成功地將有機(jī)酯固化水玻璃砂應(yīng)用到鑄造銅合金的生產(chǎn)之中，對(duì)公司穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)約能源、等發(fā)揮了很大作用。

2023/12/35.1水玻璃砂硬化工藝發(fā)展簡(jiǎn)史

19世紀(jì)中葉，人們就開始使用烘干硬化的水玻璃砂19世紀(jì)末，Hargreaues和Paulson就發(fā)現(xiàn)吹CO2硬化是水玻璃硬化的方法，并于1898年獲得英國(guó)專利。50年后，捷克的L.Petrzela博士又重新研究了水玻璃吹CO2的工藝，并在1948年重新獲得英國(guó)專利。20世紀(jì)50年代初，水玻璃砂CO2硬化工藝在鑄造行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。

2023/12/35.2水玻璃砂的硬化方式

鑄造生產(chǎn)中，主要通過前兩個(gè)途徑使砂型或砂芯得到硬化，它可以是單獨(dú)的化學(xué)或物理硬化，也可以是化學(xué)硬化和物理脫水硬化同時(shí)進(jìn)行。2023/12/31.物理脫水硬化

凡是能去除水玻璃中水分的方法，如加熱烘干、吹干燥的壓縮空氣、真空脫水等都可使水玻璃硬化，這主要是破壞了溶膠中的水化薄膜。

從狀態(tài)圖上可以看到，失水后水玻璃變成粘稠液體→半固體→水合玻璃→玻璃體。

在實(shí)際生產(chǎn)中，物理脫水和化學(xué)硬化兩者往往是伴生的，不過有一個(gè)過程為主。

圖5.1Na2O-SiO2-H2O三元狀態(tài)圖2023/12/3膠體凝聚的主要方法是在溶膠中加入少量電解質(zhì)。鑄造用水玻璃硬化常用的是CO2法。CO2是酸性氧化物，它可與水玻璃中水解產(chǎn)物NaOH發(fā)生如下反應(yīng)：這樣降低了OH-的濃度，促進(jìn)硅酸鈉不斷水解，使SiO2分子濃度不斷增加，即：

繼續(xù)吹CO2，硅酸分子脫水聚合，同時(shí)硅酸膠粒穩(wěn)定性下降，并且繼續(xù)失水而成為網(wǎng)狀凝膠。

2.化學(xué)硬化2023/12/3化學(xué)硬化根據(jù)試驗(yàn)，不同硬化方法所得到的硬化效果是不一樣的，見表5-1。

硬化方法抗壓強(qiáng)度（×105Pa）達(dá)到最大抗壓強(qiáng)度所需時(shí)間（min）達(dá)到16~18×105Pa強(qiáng)度所需的時(shí)間（min）CO2硬化法16~1811200℃烘干>10010~155~7吹壓縮空氣70~8010~155~7真空處理70~8090~12030~40空氣中自然硬化70~803~4天7~9h2023/12/35.3CO2硬化水玻璃砂5.3.1CO2硬化水玻璃砂的配比及混砂工藝CO2硬化水玻璃砂對(duì)原材料的要求如下：對(duì)原砂要求低于樹脂砂，石英砂中的SiO2含量要根據(jù)合金種類及鑄件尺寸而定。混砂工藝通常是干料先干混2~3min，再加液態(tài)原材料濕混，濕混時(shí)間不宜過長(zhǎng)?；焐皶r(shí)間對(duì)強(qiáng)度的影響見圖5.2，混砂時(shí)間長(zhǎng)，砂子因摩擦發(fā)熱，使水玻璃脫水硬化，導(dǎo)致干強(qiáng)度下降，濕混時(shí)間一般約為3~5min。

2023/12/35.3.1CO2硬化水玻璃砂的配比及混砂工藝圖5.2混砂時(shí)間對(duì)CO2硬化水玻璃砂強(qiáng)度的影響混砂時(shí)間長(zhǎng)，砂子因摩擦發(fā)熱，使水玻璃脫水硬化，導(dǎo)致干強(qiáng)度下降，濕混時(shí)間一般約為3~5min。2023/12/35.3.1CO2硬化水玻璃砂的配比及混砂工藝傳統(tǒng)的CO2硬化水玻璃砂大多數(shù)都要求造型后型砂具有一定的濕壓強(qiáng)度，采用的是先起模后硬化的工藝，因而不得不加一定量的粉狀材料（如粘土）以增加型砂的濕強(qiáng)度，這導(dǎo)致水玻璃加入量增加，型砂易燒結(jié)，潰散性差，舊砂再生困難。新型CO2硬化水玻璃砂工藝的主要特點(diǎn)是采用高性能水玻璃，以及先硬化再起模的生產(chǎn)工藝，使得水玻璃的加入量比傳統(tǒng)工藝大大減少，從而降低了型砂澆注后的殘留強(qiáng)度，使鑄件的落砂和清理容易，也有利于舊砂的再生。2023/12/3

5.3.2水玻璃砂吹CO2硬化的方法

目前，水玻璃砂的CO2硬化主要采用：

1.直接吹CO2法2.VRH法2023/12/3

1.直接吹CO2法

直接吹CO2的方法主要有以下幾種：

①在砂型或砂芯上扎一些直徑6~10mm的吹氣孔，將吹氣管插入并吹CO2，硬化后起模，見圖5.3；

②在砂型上蓋罩吹CO2，見圖5.4；③通過模樣上的吹氣孔吹CO2，見圖5.5。在CO2吹入前，可將CO2預(yù)熱或用空氣、氮?dú)庀♂?，以改善和提高硬化效果?/p>

2023/12/3

直接吹CO2法

圖5.3插管法吹CO2示意圖硬化砂型硬化砂芯在砂型或砂芯上扎一些直徑6~10mm的吹氣孔，將吹氣管插入并吹CO2，硬化后起模

2023/12/3直接吹CO2法圖5.4蓋罩法吹CO2示意圖硬化砂型硬化砂芯硬化砂芯2023/12/3直接吹CO2法圖5.5通過模樣吹CO2示意圖在CO2吹入前，可將CO2預(yù)熱或用空氣、氮?dú)庀♂?，以改善和提高硬化效?023/12/3直接吹CO2法不管那種方法，都要考慮以下幾種因素的影響:(1)CO2的壓力:CO2壓力一般用1.5~2.0個(gè)大氣壓，壓力的選取應(yīng)視鑄型和砂芯尺寸而定。通常CO2的壓力很少超過2個(gè)大氣壓。(2)CO2的吹氣時(shí)間:

CO2壓力一定時(shí)，吹氣時(shí)間與型砂強(qiáng)度的關(guān)系如圖5-6所示。吹氣時(shí)間超過一定值，型砂強(qiáng)度會(huì)下降.圖5.6CO2的吹氣時(shí)間與型砂強(qiáng)度的關(guān)系

2023/12/3直接吹CO2法(3)殘留水分:

CO2法硬化砂的強(qiáng)度與型砂硬化后水分殘留量有很大關(guān)系，見圖5.7。

圖5.7殘留水分對(duì)強(qiáng)度的影響

2023/12/3直接吹CO2法(3)殘留水分:在直接吹CO2后再將型（芯）烘干，這時(shí)應(yīng)注意直接吹CO2法的時(shí)間不應(yīng)過長(zhǎng)。根據(jù)試驗(yàn)，直接吹CO2時(shí)間不同，待烘干后型砂強(qiáng)度變化見圖5.8。從圖中可以看出，直接吹CO2時(shí)間長(zhǎng)了，再烘干后型砂強(qiáng)度下降，這是因?yàn)楹娓蓵r(shí)硅酸凝膠脫水收縮，產(chǎn)生了應(yīng)力。

圖5.8聯(lián)合硬化強(qiáng)度隨吹氣時(shí)間的變化

2023/12/3

2.VRH法

使砂型先在真空室內(nèi)經(jīng)真空脫水后，再吹CO2硬化1）VRH法的主要特點(diǎn)

水玻璃加入量少顯著改善砂型的潰散性

鑄件質(zhì)量高

降低造型材料的費(fèi)用，提高經(jīng)濟(jì)效益

缺點(diǎn)是設(shè)備投資大，固定尺寸的真空室不能適應(yīng)過大或過小的砂箱或芯盒2023/12/3VRH法2）VRH法的主要工序設(shè)備系統(tǒng)由CO2儲(chǔ)氣罐、CO2管路系統(tǒng)、硬化室、真空管路、真空過濾器、空氣過濾器和真空泵等組成。

圖5.9VRH法設(shè)備系統(tǒng)組成示意圖

2023/12/3VRH法VRH法的主要工藝過程簡(jiǎn)述如下：

抽真空

往真空室導(dǎo)入CO2

打開真空室將緊實(shí)后砂箱或芯盒置于真空室內(nèi)抽真空，要求真空度至少在5kPa以下，最好在2.6kPa以下，但低于1.0kPa時(shí)型砂強(qiáng)度反而下降CO2通氣壓力視真空室剩余空間的大小決定，一般在40kPa左右

導(dǎo)入CO2一段時(shí)間,即可打開真空室導(dǎo)入空氣，然后砂型即可澆注

2023/12/35.3.3CO2硬化水玻璃砂的性能及影響因素CO2硬化水玻璃砂的性能主要包括強(qiáng)度、保存性和粘膜性，影響這些性能的因素有很多：1.強(qiáng)度2.保存性3.粘膜性2023/12/3

1.強(qiáng)度

CO2硬化水玻璃砂的強(qiáng)度除了受硬化工藝的影響之外，主要受以下因素的影響：(1)水玻璃的密度密度大，水玻璃粘度大，固體物含量較多，硬化后強(qiáng)度較大，但密度過大時(shí)，型砂不易混勻；相反，密度小，則型砂水分含量多，不易硬透，會(huì)導(dǎo)致某些缺陷，密度過小時(shí)，固體物太少，則型砂強(qiáng)度也低。2023/12/3強(qiáng)度(2)水玻璃的模數(shù)水玻璃的模數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響見圖5.10。高模數(shù)水玻璃砂的濕強(qiáng)度較高，而硬化后干強(qiáng)度較低。圖5.10水玻璃模數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響

2023/12/3強(qiáng)度(3)水玻璃的加入量

水玻璃加入量多，強(qiáng)度上升，但也增加型（芯）澆注后的殘留強(qiáng)度，使清理困難。目前，國(guó)內(nèi)水玻璃砂中水玻璃加入量一般在6%~9%，而國(guó)外先進(jìn)水平一般為3%~5%，甚至更低，水玻璃加入量對(duì)強(qiáng)度的影響見圖5.11。

圖5.10水玻璃模數(shù)對(duì)強(qiáng)度的影響

2023/12/3強(qiáng)度(4)NaOH的影響NaOH可以與水玻璃中游離的SiO2生成硅酸鈉，降低其模數(shù)，但也降低型砂濕強(qiáng)度，增加含水量。NaOH的濃度和加入量對(duì)水玻璃砂強(qiáng)度的影響見圖5.12，一般生產(chǎn)中加入濃度為15%~20%的NaOH溶液量為1.0%左右。

圖5.12NaOH溶液加入量對(duì)強(qiáng)度的影響

2023/12/3強(qiáng)度(5)粘土的影響

粘土加入到水玻璃砂中，增加濕強(qiáng)度，降低干強(qiáng)度，見圖5.13。只有當(dāng)對(duì)型砂濕強(qiáng)度要求較高時(shí)，才加入粘土。CO2法硬化多數(shù)是在硬化后再起模，故一般不加粘土。

圖5.13粘土加入量對(duì)強(qiáng)度的影響

2023/12/3強(qiáng)度(6)水分的影響

水玻璃砂中總的含水量要適當(dāng)，水分過多，硬化后殘留水分多，強(qiáng)度低，但水分過低，水玻璃不能充分水解，型砂的保存性差，使強(qiáng)度下降。水玻璃砂中總的含水量還與水玻璃的模數(shù)有關(guān)，強(qiáng)度與模數(shù)、水分的關(guān)系見圖5.14圖5.14水分對(duì)強(qiáng)度的影響

2023/12/32.保存性

水玻璃砂的保存性較差，而且與水玻璃的模數(shù)、含水量及氣溫、大氣濕度等相關(guān)，水玻璃砂最好貯存在料斗中，表面覆以濕麻袋以防失水硬化。2023/12/33.粘膜性

水玻璃砂易粘模，故使用的模型、芯盒表面要光滑，木質(zhì)模具要涂以硝基清漆，造型和制芯時(shí)，在模具表面噴煤油或在型砂中加0.5%~1.0%的重油可減輕粘模。2023/12/35.3.4CO2硬化水玻璃砂的高溫性能加熱時(shí)的體積變化

高溫強(qiáng)度

2023/12/31.加熱時(shí)的體積變化

水玻璃砂加熱后，開始時(shí)膨脹，但是隨后就收縮，曲線接近木屑粘土砂，故不易產(chǎn)生夾砂。采用不同粘結(jié)劑時(shí)，型砂的加熱膨脹曲線見圖5.15。

圖5.15不同粘結(jié)劑型砂在加熱時(shí)的體積變化2023/12/32.高溫強(qiáng)度圖5.16可以看出：在200~300℃有個(gè)峰值熱強(qiáng)度隨溫度升高而下降700℃之后，強(qiáng)度很小，到800℃幾乎無(wú)任何強(qiáng)度，這時(shí)水玻璃已經(jīng)熔化，出現(xiàn)了液相。

圖5.16水玻璃砂的高溫強(qiáng)度

2023/12/35.3.5存在的問題及解決方法1.粘砂2.表面粉化3.潰散性差4.吸濕性5.舊砂再生和回用困難2023/12/31.粘砂存在問題：以水玻璃為粘結(jié)劑砂型澆注鑄鐵件，粘砂十分嚴(yán)重，這限制了水玻璃砂在鑄鐵件上的應(yīng)用。用于中小鑄鋼件粘砂不嚴(yán)重，用于厚大鑄鋼件粘砂較嚴(yán)重。解決辦法：可在鑄型表面刷涂料，而且最好刷醇基快干涂料，如在鑄鐵件的鑄型壁上刷石墨基涂料，而對(duì)鑄鋼件則可根據(jù)鑄件情況，刷石英粉、鋯英粉以鉻鐵礦粉涂料。此外，一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉或焦炭粉。

2023/12/32.表面粉化存在問題：

CO2水玻璃砂硬化后放置一段時(shí)間，在型（芯）表面會(huì)出現(xiàn)一種粉末狀的物質(zhì)，稱之為“白霜”。它產(chǎn)生的原因是發(fā)生了下列反應(yīng)：

(5-3)

(5-4)NaHCO3易隨水分向外遷移，使其形成在表面。解決辦法：控制型砂水分不要偏高，吹CO2時(shí)間不宜過長(zhǎng)，型芯不要久放。另?yè)?jù)有的工廠經(jīng)驗(yàn)，在鈉水玻璃砂中加入1%左右，密度為1.3g/cm3的糖漿可有效防止表面粉化。2023/12/33.潰散性差存在問題:在澆注后CO2水玻璃砂具有較大的殘留強(qiáng)度。CO2水玻璃砂在不同溫度下的殘留強(qiáng)度見圖5.17圖5.17水玻璃砂的殘留強(qiáng)度

2023/12/3潰散性差存在問題:殘留強(qiáng)度與水玻璃的模數(shù)及加入量有關(guān)，分別見圖5.18和圖5.19。圖5.18水玻璃加入量對(duì)殘留強(qiáng)度的影響

圖5.19水玻璃模數(shù)對(duì)殘留強(qiáng)度的影響

2023/12/3潰散性差解決辦法：800~1100℃水玻璃砂殘留強(qiáng)度主要有以下措施：

①在水玻璃砂中加入附加物:有機(jī)附加物如糖漿、重油、樹脂等在高溫下燒毀能在一定程度上破壞水玻璃薄膜的完整性無(wú)機(jī)附加物常用的有Fe2O3、MgO、A12O3、CaCO3、ZnCO3等②減少水玻璃加入量。

水玻璃加入量對(duì)殘留強(qiáng)度影響很大，減少水玻加入量可以降低型砂殘留強(qiáng)度2023/12/34.吸濕性存在問題:CO2水玻璃砂的吸濕性是一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)難以解決的問題解決辦法：在濕度較低的情況下，應(yīng)以短時(shí)間吹氣為好在濕度較高的情況下，尤其注意避免使用低模數(shù)水玻璃粘結(jié)劑，并且延長(zhǎng)吹氣時(shí)間在實(shí)際生產(chǎn)中

①在鈉水玻璃中加入鋰水玻璃或在鈉水玻璃中加入LiOH、CaCO3、ZnCO3等無(wú)機(jī)附加物

②在鈉水玻璃中加入少量有機(jī)材料或加入具有表面活性劑作用的有機(jī)物。2023/12/35.舊砂再生和回用困難存在問題:由于鈉水玻璃砂的殘留強(qiáng)度高、潰散性差使得舊砂的再生問題還沒有完全解決好。解決辦法：

舊砂再生的方法主要有兩種：干法和濕法

干法再生裝置可以去除部分堿分，濕法再生效果較好，但是增加砂子的烘干工序、廢水處理等設(shè)備導(dǎo)致投資大。目前國(guó)內(nèi)利用水爆清砂可使舊砂濕法再生，但水爆后砂子成塊仍然嚴(yán)重。2023/12/35.4烘干硬化水玻璃砂烘干硬化水玻璃砂的硬化原理：通過加熱去除水玻璃中的水分，使水玻璃中硅酸鈉聚合成由膠粒構(gòu)成的立體網(wǎng)狀骨架的含Na+硅凝膠。當(dāng)加熱到180~200℃以上脫水得到水玻璃凝膠比由硅溶膠生成的硅酸凝膠更致密,烘干硬化水玻璃砂的水玻璃加入量可降到2%~3%，因而潰散性有顯著改善。

烘干硬化水玻璃砂的缺點(diǎn)

：吸濕性太強(qiáng)，可能因吸濕而完全失去強(qiáng)度。

2023/12/3烘干硬化水玻璃砂烘干硬化的水玻璃砂缺點(diǎn)的兩重性對(duì)于某些特定的產(chǎn)品，砂型（芯）烘干后在可控條件下澆注，澆注后在潮濕環(huán)境里能自潰，舊砂再次加水后加以利用，可實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)。

具體實(shí)現(xiàn)方法(1)過熱蒸汽硬化法：將粉末狀泡花堿混合在砂中，吹入芯盒，然后導(dǎo)入過熱蒸汽，短時(shí)間內(nèi)即可硬化

。(2)微波烘干法：微波加熱的原理是具有極性分子的物質(zhì)在交變的微波電場(chǎng)作用下，分子產(chǎn)生高頻振蕩而形成分子間強(qiáng)烈的內(nèi)摩擦，系統(tǒng)內(nèi)能增加，溫度升高

。這種加熱方式與普通輻射、傳導(dǎo)、對(duì)流換熱方式有本質(zhì)區(qū)別。微波加熱它是材料在電磁場(chǎng)中由于介質(zhì)損耗而引起的體積加熱。2023/12/3微波烘干法的優(yōu)點(diǎn)微波硬化水玻璃砂幾乎全是物理過程，水玻璃吸收微波能后，硅酸分子和水分子高速振蕩，溫度迅速上升同時(shí)膠粒熱運(yùn)動(dòng)也加劇，發(fā)生凝聚，進(jìn)而產(chǎn)生凝膠顆粒，使硅酸縮合，形成鏈狀結(jié)構(gòu)鏈結(jié)構(gòu)繼續(xù)脫水縮合，最后硬化形成高強(qiáng)度的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。由于微波以體積方式加熱，水玻璃各部分同時(shí)均勻升溫，水分由里向外充分遷移，水玻璃凝聚快且各處速度一致微波硬化水玻璃砂表面平整，膠粒緊密細(xì)小，大小均勻不需大量模具即可實(shí)現(xiàn)，加熱固化后脫?？色@得高精度型芯，可按型芯隨制隨用，組織生產(chǎn)，避免型芯受潮2023/12/3微波烘干法的優(yōu)點(diǎn)微波硬化的水玻璃砂和CO2硬化水玻璃砂的強(qiáng)度性能的比較圖5.20微波硬化與吹CO2硬化水玻璃砂性能比較

微波硬化的水玻璃砂常溫強(qiáng)度比CO2水玻璃砂要高，殘留強(qiáng)度很低，有利于型砂的潰散

2023/12/3微波硬化水玻璃砂生產(chǎn)線

圖5.21微波硬化水玻璃砂造型流水線布置圖

2023/12/35.5水玻璃自硬砂水玻璃砂在混砂時(shí)加入液態(tài)或固態(tài)硬化劑，在室溫下能夠自硬，不必吹CO2或加熱，砂型（芯）在硬化后起模，稱之為水玻璃自硬砂。目前國(guó)內(nèi)常用的水玻璃自硬砂有：硅鐵粉水玻璃自硬砂、硅酸二鈣水玻璃自硬砂、水玻璃流態(tài)自硬砂和有機(jī)酯水玻璃自硬砂。

2023/12/35.5.1硅鐵粉水玻璃自硬砂硅鐵粉自硬砂是以硅鐵粉作硬化劑的水玻璃自硬砂。這種工藝方法是日本的西山太喜夫在60年代初研究出來(lái)的，所以也叫做西山法。本節(jié)主要內(nèi)容1.硅鐵粉水玻璃自硬砂硬化機(jī)理2.影響硅鐵粉水玻璃自硬砂的因素3.硅鐵粉水玻璃自硬砂的優(yōu)缺點(diǎn)2023/12/31.硅鐵粉水玻璃自硬砂硬化機(jī)理作硬化劑的硅鐵粉，一般都由含硅75%的硅鐵磨細(xì)而成在水玻璃砂中加入少量硅鐵粉后，型砂可自硬，其反應(yīng)為水玻璃發(fā)生如下水解：

硅與NaOH和水反應(yīng)生成硅膠：

Si除了促進(jìn)水玻璃水解，增加水玻璃的濃度，促進(jìn)形成硅膠，并產(chǎn)生熱量，故使水玻璃硬化。這種工藝，在硬化過程中放出氫氣，要小心避免氫的爆炸。同時(shí)，這一反應(yīng)又是放熱反應(yīng)。

2023/12/3硅鐵粉水玻璃自硬砂硬化機(jī)理綜合起來(lái)，就有以下效果：提高了水玻璃的模數(shù)（或硅堿比），導(dǎo)致水玻璃的粘度增高，促使其膠凝。水玻璃在以化學(xué)方式的硬化的同時(shí)，也會(huì)以物理方式硬化。水玻璃中的水分蒸發(fā)，這又加強(qiáng)了水玻璃的物理脫水硬化。在水玻璃加入量相同的情況下，硅鐵粉水玻璃自硬砂的強(qiáng)度將比吹CO2硬化的高。2023/12/32.影響硅鐵粉水玻璃自硬砂的因素硅鐵粉水玻璃自硬砂主要受以下因素的影響:水玻璃加入量：一般說來(lái)，水玻璃的加入量在5%左右。如原砂質(zhì)量好，可低到4%。

硅鐵粉的加入量：硅鐵粉的加入量理論上應(yīng)是水玻璃的12%~21%，水玻璃模數(shù)低時(shí)，就取較高的數(shù)值。鑄造生產(chǎn)中，一般用通過140號(hào)標(biāo)準(zhǔn)篩的粗硅鐵粉。這么粗的粒子和0.002~0.0lmm厚的水玻璃膜接觸，反應(yīng)只能在表面進(jìn)行，很難達(dá)到內(nèi)部。因此，實(shí)際上需用的硅鐵粉要比理論值多一些。一般來(lái)說，自硬砂中的硅鐵粉加入量應(yīng)該是水玻璃加入量的20%~30%。

2023/12/33.硅鐵粉水玻璃自硬砂的優(yōu)缺點(diǎn)硅鐵粉水玻璃自硬砂的優(yōu)點(diǎn)如下：

用自硬砂造型制芯，不需烘干脫水，也不要吹CO2，這對(duì)于無(wú)法進(jìn)爐烘烤又不便安排吹CO2的特大鑄型尤為重要型砂硬化后的強(qiáng)度較高。利用這一特點(diǎn)可將水玻璃加入量降到最低限度，使落砂性較好，同時(shí)也能節(jié)省水玻璃；鑄型硬化以后，殘留的水分很少，澆注時(shí)發(fā)氣較少，這對(duì)于對(duì)氣體敏感的特殊鑄鋼件非常合適。

2023/12/3硅鐵粉水玻璃自硬砂的優(yōu)缺點(diǎn)硅鐵粉水玻璃自硬砂存在問題，它們是如下：因?yàn)樾蜕霸谟不^程中發(fā)熱，使水分蒸發(fā)，木模容易變形、脫膠；

硬化過程中釋放的氫氣，遇火可能引起爆炸；硅鐵粉碎困難，加工費(fèi)用很高；使用固體顆粒作硬化劑，其顆粒的大小以及它在型砂中的分散程度，都會(huì)顯著影響型砂的硬化過程。制備好的的硅鐵粉在保存過程中，由于受潮、氧化或被污染，其硬化作用也難以保持恒定。2023/12/35.5.2硅酸二鈣水玻璃自硬砂硅鐵粉水玻璃自硬砂出現(xiàn)后不久，就出現(xiàn)了用硅酸二鈣作硬化劑的水玻璃自硬砂。硅酸二鈣水玻璃自硬砂的使用比硅鐵粉水玻璃自硬砂普遍的多。本小節(jié)主要內(nèi)容硅酸二鈣水玻璃自硬砂的硬化機(jī)理硅酸二鈣水玻璃自硬砂的配方和混砂工藝2023/12/31.硬化機(jī)理硅酸二鈣水玻璃自硬砂的硬化過程是很復(fù)雜的，到目前為止，對(duì)于硅酸二鈣促使水玻璃硬化的機(jī)理說法不一。一種看法認(rèn)為是一良好的水化物質(zhì)，這個(gè)過程可用下述反應(yīng)來(lái)說明：2023/12/3硬化機(jī)理Ca2+可置換水玻璃結(jié)構(gòu)末端的Na+，如下式

所示。兩個(gè)硅酸鈉分子的接近，在分子內(nèi)部硅氧鍵發(fā)生歪斜而易于失水聚合硅酸鈉分子硅氧鍵另一端分別與第三個(gè)、第四個(gè)硅酸鈉分子的硅氧鍵通過Ca2+結(jié)合起來(lái)，使硅氧鍵連得更長(zhǎng)2023/12/3硬化機(jī)理除了上述主要反應(yīng)外，由于C2S水化物及Ca(OH)2的生成，使未反應(yīng)的水玻璃粘度增大，也增加了粘結(jié)力。圖5.22說明在不同濕度和壓力下型砂試樣強(qiáng)度的變化。

圖5.22水玻璃自硬砂放置時(shí)間與強(qiáng)度的關(guān)系

一般認(rèn)為C2S與水玻璃的反應(yīng)主要使型砂獲得初期強(qiáng)度，以后強(qiáng)度的增大主要是依賴水分的蒸發(fā)，故型（芯）停放時(shí)大氣中的濕度對(duì)強(qiáng)度影響很大2023/12/3硬化機(jī)理第二種看法認(rèn)為：加入硅酸二鈣后，C2S水解生成Ca(OH)2，Ca(OH)2與水玻璃反應(yīng)生成硅酸鈣和硅酸膠體，后者再變成凝膠使型砂硬化。這個(gè)過程可表示為：

第三種看法認(rèn)為：與水玻璃之間發(fā)生反應(yīng)生成原硅酸二氫鈣CaH2SiO4，它的粘結(jié)力很大，從而使型砂獲得強(qiáng)度。2023/12/32.配方和混砂工藝用赤泥、爐渣之類作硬化劑，往往要占水玻璃的60%~90%。加了這樣多的粉狀材料，必然要吸附相當(dāng)多的水玻璃而使型砂的強(qiáng)度下降。水玻璃要加6%~7%，赤泥或爐渣要加2%~4%。

要使型砂不發(fā)干，必須保持較高的水分，除水玻璃帶進(jìn)的水分之外，還得補(bǔ)加一些水。但是由于這種自硬砂硬化過程中脫水很少，因此，硬化了的鑄型和芯子中，仍有相當(dāng)高的水分。如果希望鑄型或型芯中水分較低，有時(shí)還得在其硬化后加以短時(shí)間的烘烤。2023/12/3配方和混砂工藝表5-7某些工廠硅酸二鈣水玻璃自硬砂的配方

序號(hào)配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）原砂(40/70或50/100)水玻璃(模數(shù)=2.2~2.4密度1.5~1.55)赤泥NaOH溶液木素焦炭粉石墨粉水11006~72~40~1.01.5~2.0——適量21006~72~40~1.0—3~53~5適量31006~72~40~1.0———適量41005~62~40~1.0———適量序號(hào)性能應(yīng)用水分（%）濕透氣性24h后殘余水分（%）24h后抗壓強(qiáng)度（KPa）14.5~5.0>100<4>7用于難清理的自硬芯砂24.5~5.0>100<4>734.5~5.0>100<4>8一般自硬芯砂44.0~4.5>100<4>8一般自硬型砂2023/12/33.硅酸二鈣水玻璃自硬砂的性能1)強(qiáng)度

型（芯）砂的強(qiáng)度與水玻璃的加入量、模數(shù)、含水量等有關(guān)。低模數(shù)水玻璃后期強(qiáng)度大。見圖5.23。

圖5.23水玻璃模數(shù)和加入量對(duì)強(qiáng)度的影響

型砂總含水量為4%~6%，不能過高，否則會(huì)使殘留水分多，強(qiáng)度下降，而且硬化很慢。2023/12/3硅酸二鈣水玻璃自硬砂的性能2)高溫強(qiáng)度硅酸二鈣水玻璃自硬砂的高溫強(qiáng)度見圖5.24。

圖5.24硅酸二鈣水玻璃自硬砂的高溫強(qiáng)度

在400℃以下，低溫強(qiáng)度并不高。500℃之后強(qiáng)度升高，到600~700℃是高溫強(qiáng)度的峰值，700℃之后，強(qiáng)度急劇下降，這時(shí)水玻璃已開始軟化。2023/12/3硅酸二鈣水玻璃自硬砂的性能3)殘留強(qiáng)度硅酸二鈣水玻璃自硬砂的殘留強(qiáng)度比CO2水玻璃砂小一些，落砂較容易，但仍不如粘土砂。水玻璃的模數(shù)和加入量對(duì)潰散性的影響如同CO2法，所以硅酸二鈣水玻璃自硬砂存在的問題與CO2法是一樣的。此外，硅酸二鈣水玻璃自硬砂也使鑄鐵嚴(yán)重粘砂，需要刷涂料。

4)保存性保存性也就是型（芯）砂的可使用時(shí)間。水玻璃自硬砂的可使用時(shí)間主要決定于硬化劑的加入量和水分，與氣溫和濕度也有關(guān)。生產(chǎn)中根據(jù)氣候條件來(lái)調(diào)節(jié)硬化劑和水的加入量來(lái)保證一定的可使用時(shí)間。2023/12/35.5.3水玻璃流態(tài)自硬砂

水玻璃流態(tài)自硬砂是在硅酸二鈣水玻璃自硬砂的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的其特點(diǎn)在硅酸二鈣水玻璃自硬砂中加入0.1%~0.2%左右的發(fā)泡劑。發(fā)泡劑是一種水的表面活性劑，在少量水存在的條件下，在砂粒之間能形成大量細(xì)小泡沫，砂粒間的摩擦為液態(tài)摩擦，阻力很小，型砂變得可以流動(dòng)國(guó)內(nèi)常用發(fā)泡劑有烷基磺酸鈉、烷基苯磺酸鈉和脂肪醇硫酸鈉等。泡沫使砂粒之間的空隙增多。由于空氣是熱的不良導(dǎo)體，鑄型的導(dǎo)熱能力降低，使金屬的凝固遲緩。

2023/12/35.5.4有機(jī)酯水玻璃自硬砂60年代至70年代初，出現(xiàn)了用有機(jī)酯作硬化劑的水玻璃自硬砂。鑄型澆注后，有機(jī)酯受熱分解，改善型砂落砂性能，是水玻璃自硬砂重要進(jìn)展。本節(jié)主要內(nèi)容：1.有機(jī)酯2.有機(jī)酯水玻璃自硬砂的硬化原理3.有機(jī)酯水玻璃自硬砂的混制工藝4.酯硬化水玻璃砂的性能及影響因素2023/12/31.有機(jī)酯有機(jī)酯是水玻璃砂最常用的液態(tài)硬化劑。有機(jī)酯在水玻璃的堿性介質(zhì)中水解成醇和酸，水解生成的酸中和水玻璃中部分Na2O組分，使水玻璃模數(shù)升高。反應(yīng)生成的醇使水玻璃吸收結(jié)晶水，使整個(gè)水玻璃溶液中濃度提高。根據(jù)水玻璃硬化機(jī)理可知，水玻璃的粘度隨著其模數(shù)和濃度的升高而增大，當(dāng)其達(dá)到一定的臨界值后便失去流動(dòng)性而硬化。2023/12/3有機(jī)酯目前最常用的有機(jī)酯有4種，見表5-8所示

名稱分子式熔點(diǎn)（℃）沸點(diǎn)（℃）密度(g/cm3)水中溶解度（%）硬化速度乙二醇二乙酸酯-31190.51.10914.2(22℃)慢二乙二醇二乙酸酯17~19250—極大快丙三醇二乙酸酯-402801.178極快丙三醇三乙酸酯-77258~2591.1607.17(15℃)極慢2023/12/3有機(jī)酯

我國(guó)供應(yīng)最普通的MDT系列有機(jī)酯在不同使用溫度下使用時(shí)的配方見表5-9。

名稱適用溫度（℃）05101520253035MDT-901（慢酯）—02040608010050MDT-903（快酯）90100806040200—MDT-800（極慢）———————50MDT-Q（極快）10———————2023/12/32.有機(jī)酯水玻璃自硬砂的硬化原理有機(jī)酯水玻璃自硬砂的硬化可分為三個(gè)階段：第一階段，有機(jī)酯在堿性水溶液中發(fā)生水解，生成有機(jī)酸或醇。

化學(xué)反應(yīng)通式如下：

第二階段，有機(jī)酯和水玻璃反應(yīng)，使水玻璃模數(shù)升高，且整個(gè)反應(yīng)過程為失水反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)水玻璃的粘度超過臨界值，型砂便失去流動(dòng)性而固化?；瘜W(xué)反應(yīng)通式如下：

以上兩步總的反應(yīng)式為：

2023/12/3有機(jī)酯水玻璃自硬砂的硬化原理第三階段，水玻璃進(jìn)一步失水強(qiáng)化。由于反應(yīng)產(chǎn)物的有機(jī)酸鹽一般為結(jié)晶水化物，而生成的醇也要吸收溶劑水，再加上揮發(fā)失水，有機(jī)酯能使水玻璃模數(shù)和濃度升高到臨界值以上，即可促進(jìn)固化。有機(jī)酯加入量一般為水玻璃重量的10%~12%。

由上述分析可知，有機(jī)酯水玻璃自硬砂的硬化劑在型砂中是反應(yīng)物，必須具備一定的數(shù)量使反應(yīng)達(dá)到一定的程度，砂型才能硬化。這個(gè)數(shù)量不但與水玻璃加入量有關(guān)，還與水玻璃的模數(shù)、濃度及有機(jī)酯的種類有關(guān)。2023/12/33.有機(jī)酯水玻璃自硬砂的混制工藝1)配比典型的有機(jī)酯硬化水玻璃砂的配比為：原砂（擦洗砂或水洗砂，40/70目）100，水玻璃（M=2.2~2.8）3，有機(jī)酯（快、中、慢硬化速度）0.3。

原砂必須采用擦洗砂。原砂的含泥量應(yīng)少于0.5%。在保證足夠的使用強(qiáng)度的前提下，應(yīng)盡量降低水玻璃的加入量，以改善水玻璃砂的潰散性和舊砂的再生回用性能。水玻璃的模數(shù)和有機(jī)酯的硬化速度的選擇，要視環(huán)境的溫度和濕度、合箱澆注時(shí)間等調(diào)定。有機(jī)酯水玻璃砂，通常造型8~12h后，即可合箱澆注。當(dāng)采用再生砂（或回用舊砂）造型造芯時(shí)，水玻璃的模數(shù)及有機(jī)酯硬化速度的選擇都有很大的不同，水玻璃和硬化劑的加入量也要作一定的調(diào)整。

2023/12/3有機(jī)酯水玻璃自硬砂的混制工藝2)混砂工藝有機(jī)酯硬化水玻璃砂的混砂工藝一般為：在原砂中先加有機(jī)酯混均，然后再加水玻璃混均直至卸砂?；熘频臅r(shí)間以混碾均勻?yàn)橐耍话阏麄€(gè)時(shí)間為3~5min。出砂后一般盡快用完，不能超過型砂的可使用時(shí)間，否則型砂就會(huì)報(bào)廢。較多采用球形（碗形）混砂機(jī)（用于制芯或砂箱尺寸小的砂型制造）和連續(xù)式混砂機(jī)混砂（用于大批量生產(chǎn)或者砂箱尺寸大的砂型（芯）制造）。2023/12/34.酯硬化水玻璃砂的性能及影響因素采用酯硬化水玻璃砂工藝，水玻璃加入量可降至為3.0%~3.5%，甚至達(dá)到1.8%~2.5%，其潰散散性比普通CO2硬化水玻璃砂大為改善。

水玻璃模數(shù)趣高，硬化速度越快，硬化初期強(qiáng)度較高，但型砂終強(qiáng)度較低。水玻璃的加入量越大，其濃度越高，其常溫硬化強(qiáng)度越高，但其殘留強(qiáng)度也越高，潰散性越差。環(huán)境濕度的影響具有兩面性：環(huán)境濕度增加，初始硬化速度加快，初始硬化強(qiáng)度有所增加，但硬化終強(qiáng)度有所下降，鑄型的表面穩(wěn)定性下降.硬化劑的種類對(duì)水玻璃型砂的硬化速度和硬化強(qiáng)度有決定性的影響。原砂的品質(zhì)和種類對(duì)酯硬化水玻璃砂的常溫強(qiáng)度和殘留強(qiáng)度也有銀大影響。

2023/12/35.常見缺陷及預(yù)防措施有機(jī)酯硬化的水玻璃砂使用中的常見問題及預(yù)防措施見表5-10。

序號(hào)缺陷的表征產(chǎn)生原因防止措施1可使用時(shí)間短（常發(fā)生在夏天的高溫季節(jié)）、砂型強(qiáng)度低、型（芯）表面發(fā)酥水玻璃模數(shù)太高；所用有機(jī)酯不合適（硬化速度過快）；混砂時(shí)間過長(zhǎng)；原砂溫度太高；采用較低模數(shù)的水玻璃；采用硬化速度慢的有機(jī)酯；縮短混砂時(shí)間；給原砂冷卻降溫，不使用熱砂2硬化速度太慢（常在冬天的低溫季節(jié)出現(xiàn)）水玻璃模數(shù)太低；所用有機(jī)酯不合適（硬化速度太慢）；原材料的溫度太低采用較高模數(shù)的水玻璃；采用硬化速度快的有機(jī)酯；預(yù)熱原砂、水玻璃、模板等；提高生產(chǎn)環(huán)境溫度3砂型（芯）產(chǎn)生蠕變、塌落型砂配比不合適，硬化反應(yīng)不完全；原砂水分過高；原材料定量不準(zhǔn)、定量失控；水玻璃、有機(jī)酯質(zhì)量失控調(diào)整配比，增加有機(jī)酯加入量或提高水玻璃模數(shù)；加強(qiáng)對(duì)原材料質(zhì)量檢測(cè)和監(jiān)控；加強(qiáng)對(duì)混砂機(jī)定量系統(tǒng)監(jiān)控4粘膜模具表面油漆不合適；起模時(shí)砂型（芯）的強(qiáng)度太低模具表面涂刷不被有機(jī)酯重溶的油漆，待砂型（芯）硬化強(qiáng)度更高后起模2023/12/3常見缺陷及預(yù)防措施5沖砂、夾砂澆注系統(tǒng)設(shè)置不當(dāng)；砂型（芯）強(qiáng)度太低；澆道及砂型中有浮砂不使金屬液直接沖擊砂型（芯），在直澆道底部墊耐火磚片；大中鑄件澆注系統(tǒng)采用耐火磚；調(diào)整型砂配比，提高砂型（芯）強(qiáng)度，加強(qiáng)造型操作管理；合型前吹凈澆道和型腔中的浮砂6鑄件表面粘砂涂料質(zhì)量差，涂層??；砂型緊實(shí)度低；砂型強(qiáng)度低，表面發(fā)酥；造型材料耐火度不夠選用質(zhì)量好的涂料，涂刷到規(guī)定厚度；提高砂型緊實(shí)度；加強(qiáng)配砂和造型工序的質(zhì)量管理控制；在鑄件熱節(jié)大、散熱條件差的部位使用特種砂7鑄件氣孔原砂水分高；型砂混合不均勻，局部水分高；砂型吸濕加強(qiáng)原材料質(zhì)量檢測(cè)，嚴(yán)禁使用濕原砂；加強(qiáng)設(shè)備維修管理，確保正常運(yùn)行；選用混砂功能好設(shè)備；采取防止砂型（芯）回潮吸濕的措施，采用熱風(fēng)烘干原砂工藝8殘留強(qiáng)度高水玻璃加入量過高；原砂質(zhì)量不合格、易燒結(jié)盡量降低水玻璃加入量，采用高質(zhì)量原砂；采用改性水玻璃；添加潰散劑2023/12/35.6水玻璃砂的再生傳統(tǒng)的水玻璃砂工藝，由于水玻璃加入量多，澆注后砂型殘留強(qiáng)度高，有些型砂的殘留抗壓強(qiáng)度可達(dá)10MPa左右，尤其是生產(chǎn)大型鑄鋼件澆注后的砂型，在長(zhǎng)時(shí)間高溫作用下，石英砂和水玻璃被燒結(jié)成整體，幾乎不能破碎，勉強(qiáng)破碎也只能是大塊變小塊，很難獲得接近原耖的粒度。水玻璃砂潰散性差、再生難的問題長(zhǎng)期困擾著鑄造工作者。與傳統(tǒng)的水玻璃砂工藝相比，近年一些單位開發(fā)的水玻璃砂工藝，型砂中水玻璃加入量顯著降低，型砂潰散性明顯改善。2023/12/3水玻璃砂的再生表5-11是近年來(lái)開發(fā)的幾種新型水玻璃砂的殘留強(qiáng)度。從表5-8中型砂殘留強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以看出，近年開發(fā)的水玻璃砂工藝中，水玻璃砂的殘留強(qiáng)度降低銀多，潰散性有了很大的提高。

序號(hào)型砂種類1000℃殘留抗壓強(qiáng)度（MPa）1CO2硬化RC系改性水玻璃砂≈12CO2硬化強(qiáng)力2000多重變性水玻璃砂0.86~0.923CO2硬化Solosil-433改性水玻璃砂0.097~0.26（800℃加熱20min）4有機(jī)酯水玻璃自硬砂≈0.25普通CO2硬化水玻璃砂≈22023/12/35.6.2水玻璃砂的再生方法濕法再生干法再生化學(xué)再生2023/12/31.濕法再生濕法再生的特點(diǎn)如下:①舊砂中的Na2O去除率高，一般可達(dá)達(dá)80%以上，有的甚至可超過90%②再生砂回用率高，可達(dá)9%％以上；③再生砂可作為造型的面砂和單一砂使用；④對(duì)于酯硬化水玻璃舊砂，能有效去除殘留酯，延長(zhǎng)再生砂混砂后的可使用時(shí)間濕法再生的不足是：再生工藝和設(shè)備系統(tǒng)較復(fù)雜，濕砂需脫水烘干，熱砂需冷卻，濕法再生的污水需經(jīng)處理后循環(huán)回用或無(wú)害排放。濕法再生雖然費(fèi)用高，但對(duì)水玻璃砂來(lái)講，有較好的再生效果。處理以后的砂子可在配砂時(shí)100%的采用，不必?fù)接眯律啊?/p>

2023/12/3濕法再生不同硬化工藝的水玻璃舊砂，濕法再生的難易程度不同。由圖5.25可以看出：水玻璃粘結(jié)膜脫水程度愈高，舊砂愈難再生。

圖5.25濕法再生效果與粘結(jié)膜脫水程度的關(guān)系如果膠粒間含有的水分較多，濕法再生的效果就較好；如果硅酸凝膠完全脫水了，則非常難溶，再生效果也就較差。

2023/12/3濕法再生圖5.26是一種效果較好的濕法再生系統(tǒng)。

圖5.26濕法再生系統(tǒng)組成

2023/12/3濕法再生濕法再生系統(tǒng)舊砂經(jīng)振動(dòng)砂塊破碎機(jī)將團(tuán)塊破碎，砂粒經(jīng)風(fēng)送裝置送到儲(chǔ)砂斗，儲(chǔ)砂斗中的砂用螺旋定量器送入擦洗室.由2號(hào)水泵送來(lái)循環(huán)水，用葉片強(qiáng)力擦洗，擦洗后的砂漿流到1#水槽，砂粒沉降后用1號(hào)泵送到液力旋流