铸造粘结剂分析课件

铸造粘结剂1铸造粘结剂的分类铸造粘结剂的主要作用是将颗粒状或粉状造型材料形成有一定强度的连续粘结簿膜而形成铸型。从粘结剂的粘结机理来分：物理成膜粘结剂与化学成膜粘结剂按组成分类：可分为有机粘结剂与无机粘结剂2一、无机粘结剂1、铸造用粘土粘土是铸造用的一种主要粘结剂，粘土被水湿润后具有粘性和塑性，烘干后有一定的强度。它的耐火度较高，复用性好，资源丰富，价格低廉，应用很广泛。粘土的组成粘土主要是由细小结晶质的粘上矿物组成，如高岭石和蒙脱石等。它的组成都是含水铝硅酸盐，化学式为3粘土的粘结机理粘土矿物的胶体特性所谓粘土胶体不是指干燥粘土，而是加水后的粘土—水两相系统。(1)粘土和水的结合；粘土中的水可分为吸附水和结构水两种。粘土吸附水可分为三种，即牢固结合水、松结合水和自由水。牢固结合水是接近于粘土表面的有规则排列的水层，有人测得其厚度约3-10个水分子厚度，而且性质也不同于普通水，其密度为1.28—1.48，不流动，沸点高于100℃，冰点低于0℃，比热于小1，不导电，没有溶解盐的能力，也称非液态吸附水。松结合水系指从规则排列到不规则排列水层，它与普通水也不同。其冰点也低于0℃，比重大于1，它虽然可在粘土表面上移动，但不受重力的影响。自由水即最外面的普通水层，也称流动水层。被粘土颗粒所吸附的水，具有较高的粘滞性。4(2)粘土胶团结构；粘土胶团结构如图所示，在粘土胶团内粘土质点本身是带负电的胶核。紧靠胶核周围吸附着一些定向的偶极水分子和一些水化的阳离子，构成了围绕胶核的吸附层，随胶核一起在水中移动。胶核与吸附层构成胶粒，胶粒可以在水中独立运动。由于吸附层内阳离子不足以补偿胶核的净电荷，因此随着离胶核距离愈远，阳离子数目愈少，形成了一个阳离子浓度和粘土负电荷逐渐递减的扩散层。胶粒加上扩散层总称为胶团。5(3)粘土的粘结机理从以上所述，可以认为粘土的湿粘结性是这样形成的，即带负电的粘土胶粒，把极性水分子吸引在自己周围形成呈胶粘性的水化膜，依靠土粒间的公共水化膜，通过其中的水化阳离子，起着“桥”或“键”的作用，使土粒相互连结起来，产生湿态粘结性(如图示)。公共水化膜就是粘土胶粒间的公共扩散层。相邻的粘土胶粒表面虽然带同号的负电荷应该互相排斥，但由于公共扩散层中阳离子的吸引，反而会使它们结合起来。显然粘土胶粒的扩散层愈薄，这种吸引力也愈强。由此可见，只有在粘土与水量比例适宜时才能获得最佳的湿态粘结力。如水分过低，不能形成完整的水化膜;如水分太高，出现自由水，这样湿态粘结力都不高。一般说粘土粒子所带电荷愈多或土粒愈细小，比表面愈大，湿粘结力愈强。67粘土的种类粘土根据它含有的粘土矿物种类及其性能的不同，主要分为普通粘土和膨润土两大类。用N和P分别表示。8（一）普通黏土普通黏土俗称白泥，呈白色或灰白色。9（二）膨润土膨润土主要由蒙脱石和黏土矿物质所组成，具有较大的吸水膨胀性、胶体分散性、吸附性、离子交换性和湿态黏结性能。按其主要交换性阳离子的不同，铸造用膨润土可分为钠基膨润土和钙基膨润土，分别以PNa和PCa表示不同的阳离子，其吸附水分子的能力是不同的：1011（三）钙膨润土的活化处理粘土表面吸附阳离子的吸附能取决于被吸附离子的作用力场。因此，可以用另一种价数高或浓度大的阳离子取代原先吸附于粘土上的阳离子，此即粘土的阳离子交换性质。这种粘土的离子交换反应具有同号离子相互交换，离子以等量变换；交换和吸附是可逆过程和离子交换并不影响粘土本身的结构等特点。122、水玻璃粘结剂水玻璃的制备方法与化学式

水玻璃别名泡花碱，是硅酸钠、硅酸钾或硅酸锂的水溶液。除特别注明外用的水玻璃均指钠水玻璃，其化学式为：Na2O·mSiO2.nH20。制造水玻璃的方法有干法和湿法两种。干法制造水玻璃是将硅砂与苏打(Na2C03)或硅砂与无水芒硝(Na2S06)及碳(焦炭、木炭或无烟煤)各按一定比例混合后，在反射炉内加热到1400℃左右，即可得到熔融的硅酸钠。1314水玻璃的组成固体水玻璃:Na2O·mSiO2,m——模数；m不一定是整数。铸造用水玻璃m在2.0~3.5之间，在状态图相当于SiO2在66—77％范围内，其最低共熔点为793℃，组成为Na2O．2SiO2+Si02。液体水玻璃:Na2O·mSiO2.nH20；模数2~3、密度1.2-1.7水玻璃的分散状态水玻璃具有某些离子溶液的性质，并不是典型的胶体溶液。水玻璃溶液是一种复杂的动平衡体系。模数在2以上的水玻璃是一种以硅酸盐离子为主，以亚胶体离子为辅的溶液。随着模数的提高，胶体性能有所增强。15水玻璃粘结剂的硬化原理1、水玻璃溶液中的平衡移动水玻璃中存在着单硅酸与胶体粒子的溶解平衡：硅酸根离子和单硅酸的电离平衡：水玻璃的模数愈高，OH-浓度和pH就愈小，胶体SiO2粒子就愈多，稳定性就低。模数为3.0一3.5的水玻璃，其pH为11.5~13。若模数更高或者加H+以提高模数，当pH值降到11.0以下时，则体系中的SiO2，数量就会增大到使稳定性破坏的程度。162、水玻璃稳定性与PH的关系水玻璃的稳定性同pH的关系呈一条N形曲线，如图所示。173、水玻璃的胶凝水玻璃中存在着单硅酸与胶体粒子的溶解平衡：硅酸根离子和单硅酸的电离平衡：在实际生产中水玻璃的硬化是在硬化剂的作用下完成的。硬化剂的水溶液呈酸性，当硬化剂同水玻璃溶液相作用时，由硬化剂产生的H+离子与水玻璃电离平衡中的oH-相结合而形成离解度极小的水，促使水玻璃电离平衡向生成Si(OH)4的方向移动。于是水玻璃的pH下降而体系内Si(OH)4浓度不断增加。单硅酸具有强烈的聚合倾向，单硅酸聚合后形成聚硅酸乃至形成胶粒。当pH降至11以下时，会出现大量SiO2胶体粒子，粒子的聚结就发生胶凝。18水玻璃发生胶凝的结果是体系失去流动性而形成网络状硅凝胶，其中包罗着大量溶剂。由于胶体粒子的相互靠拢，不稳定的硅醇键(—si—oH)会脱出部分溶剂而形成稳定性高的硅氧键(—Si—O—Si)，故凝胶的同时会伴随着体积收缩。体积收缩时将包罗于凝胶网络中的液相挤出，使凝胶的致密度和强度均有所增加，这个过程称为脱液收缩。此外，溶剂蒸发时还会产生干燥收缩，二者统称之为胶凝收缩。19水玻璃的性能指标1、模数(m)

水玻璃的模数是指其中SiO2和Na2O的克分子比值。它表明水玻璃中siO2和Na2O的相对含量关系，可用下式计算型砂用水玻璃模数一般为2.0一2.6，用作熔模铸造型壳粘结剂的水玻璃，其模数通常为3.o一3.5。202、密度(d)

水玻璃的浓度是指其水溶液中Na2O·mSiO2的含量。由于浓度愈高时，溶液密度愈大，故可以近似地用密度表示浓度的大小。但是水玻璃的密度不光取决于团体含量，而且还同其化学成分有关。这是由于Na2O提高密度的作用赂大于siO2，所以不就能像普通电解质溶液那样，按密度来确定溶质含量。固体总含量相同时，模数愈低的水玻璃，其溶液的密度愈高。213、粘度(ν)

水玻璃的粘度与其模数、密度、杂质含量及温度等因素密切相关。22水玻璃的处理水玻璃处理的原理

如果从化工厂购得的水玻璃模数和密度不符合铸造工艺要求，可在使用前进行改变模数和密度的处理。通常采用加水稀释或加热浓缩的方法来改变水玻璃的密度。而模数的改变则通过改变其中的Na2O的含量来实现。为降低模数，可在水玻璃中加入NaoH水溶液以增加其Na2O含量；如要提高模数，一般是在水玻璃中加入定量的、浓度适当的氯化铵水溶液或盐酸，与其中Na2O发生中和反应，降低Na2O含量，从而相对提高SiO2含量。反应原理如下；23二、有机粘结剂（一）植物油类植物油是油脂的一种，其组成是脂肪酸三甘油酯。铸造工业中所用的植物油粘结剂主要有桐油、亚麻油和改性米糠油等，均属于干性油。24

植物油的硬化机理主要是氧化、聚合过程，反应大致可分以下三个阶段：挥发在加热过程中，首先是水分蒸发，其次是油类中较易挥发的碳氢化合物挥发。氧化聚合植物油中带有双键的不饱和碳氢化合物，由于双键不稳定，在加热时容易与空气中的氧化合，形成过氧化物，所生成的过氧化物与含有双键的其它分子聚合。聚合生成的物质还含有双键，在氧的作用下，又转变为过氧化物，再与其它具有双键的物质发生聚合反应，形成更为复杂的化合物。随着氧化、聚合反应的不断进行，使植物油分子逐渐增大，液态油膜变成溶胶。胶凝硬化随着分散介质的继续挥发，溶胶变成凝胶，最后变成坚固有弹性的固体薄膜，使芯砂获得很高的干强度。25影响油砂性能的主要因素1、油的加入量及粘度的影响油的最适宜加入量，应使全部砂粒表面都覆盖一层完整的均匀的并具有一定厚度的油膜。2、原砂性能的影响3、水和其他加入物的影响4．配制与烘干工艺的影响26（二）合成树脂有机粘结剂壳芯法用树脂及其硬化机理先把原砂、酚醛树脂和固化剂等混制成覆膜砂，然后把覆膜砂吹入事先加热至200一280℃的金属芯盒中，保持20一60s（称为结壳时间)，使贴近芯盒壁的覆膜砂中的树脂受热熔化，将砂粒粘结在一起，形成一层薄壳，再把中间未熔化的、松散的覆膜砂倒出来，将已形成的薄壳继续加热30一90s，使它进一步硬化。然后打开芯盒，取出壳芯，即可获得厚度3—12mm左右的空心壳芯。27壳芯法所用粘结剂为线型热塑性酚醛树脂热塑性酚醛树脂硬化机理常用的固化剂是六次甲基四胺(即乌洛托品)，其分子式为(CH2)6N4，加热时分解为氨气和次甲基(一cH2一)，所以能使线型分子固化，由热塑性树脂转化为热固性树脂。28热芯盒树脂砂热芯盒树脂砂是在原砂中加入适量的呋喃树脂粘结剂和固化剂，将混好的树脂砂射入（或吹入）到加热后的金属芯盒中，通过芯盒180-2500C的热作用，使树脂与固化剂经过几秒-1min左右的反应而硬化制出砂芯。冷芯盒树脂砂冷芯盒树脂砂造芯时是将混制好的树脂砂吹（射）入芯盒中，然后用吹气设备吹入气体固化剂，砂芯在常温下迅速固化，冲净残余固化剂后即可出芯。出芯后可以立即下芯、合型、浇注，以减少砂芯储存时间。目前普遍采用的气硬冷芯盒工艺有三乙胺法和SO2法，这两种方法工艺类似，仅粘结剂和固化气体不同。29（一）三乙胺法冷芯盒树脂砂的配制将树脂粘结剂加入原砂中混匀后吹（射）入芯盒，然后通以空气、二氧化碳、氮气为载体的三乙胺，使砂芯在数秒中内硬化，用干燥空气冲净剩余三乙胺后即可取出砂芯待用。三乙胺法芯砂的缺点是粘结剂与催化剂易燃、废气有毒。（二）SO2法冷芯盒树脂砂的配制SO2法是在原砂中加入酚醛或呋喃树脂和有机过氧化物混制芯砂，芯砂吹（射）入芯盒后，向砂芯通以SO2气体促使砂芯快速硬化。30

型砂粘结剂性能要求①液体粘结剂的粘度低,混砂时轻易与砂粒混合均匀,而且混好的型砂流动性好，可以制成外形复杂的、准确反映模样表面外形的砂型和型芯。②硬化速度快，最好不经加热就能硬化，以节约能源和使用价格低廉的非金属或铝合金模样和芯盒。如能采取先硬化、后脱模的方法，就可显著提高铸件的外形和尺寸精度。较理想的型砂粘结剂应具有的特性是：③硬化后强度高，能用来制造外形复杂、截面细薄的型芯，并可减少粘结剂加入量，以便降低铸件生产成本和减少浇注过程中气体发生量，减少铸件产生气孔缺陷的可能性。④发气量少，要求粘结剂受热发气缓慢、量少。对于和等类铸件还要求粘结剂的含氮量低，以防止产生皮下气孔、针孔等缺陷。⑤溃散性好，粘结剂受到高温作用能自行分解溃散，以防止铸件凝固后产生内应力、裂纹，并使铸件轻易清砂。此外，还要求粘结剂不易吸潮或变质，混砂后可使用时间长，不粘附模样和芯盒，对人体无害，对环境无污染，来源丰富，价格低廉等。水玻璃砂由硅砂、水玻璃和辅加物混合配制而成。制成的砂型可吹以CO2实现化学