造型材料课件：水玻璃砂-

2023/12/3造型材料2023/12/3水玻璃砂2023/12/3【导入案例】珠海采埃孚推进系统公司是一个船用铜质螺旋桨专业制造厂，原来用一条台湾产2.5t/h呋喃树脂生产线，从事小型高速桨的铸造。为适应市场的需要，改为系列化大直径可调桨的制造。原有生产线出砂能力过低，完全不敷需要，改为国内比较普遍使用的CO2固化水玻璃砂；但水玻璃砂只能一次使用，每天产生的大量废砂无处倾倒，环保问题非常突出，必须寻找新的出路。

有机酯固化水玻璃砂于20世纪80年代末在我国就已开始应用于铸钢生产，代替CO2固化水玻璃砂。由于它既保持了原来水玻璃砂的成型准确、强度高的特点，又大幅度减少了水玻璃的用量，溃散性也得到了根本改善，从而为铸造界看好。但由于当时还没有找到可靠的旧砂再生方法，再生砂达不到面砂的要求，只能用作背砂，限制了它的推广应用。2023/12/3【导入案例】由于有机酯固化水玻璃砂的突出优点，十多年来铸造界对其旧砂再生的研究也有了突破性进展。研究发现有机酯固化水玻璃砂经300~350℃焙烧，即可去除结晶水和部分有机酯，使水玻璃膜脆化，此时再及时给予相应的机械搓擦和分离，就完全达到了再生的目的。

基于此，公司根据自身产品的特点决定在新厂房的设计中采用有机酯固化水玻璃砂生产可调桨叶片、桨帽、油缸及其他相关铸件。在2007年的工厂技术改造中大胆选用了有机酯固化水玻璃砂再生铸造生产线，初步取得了成功。技术改造前，采用CO2水玻璃砂时，由于水玻璃质量不稳定，造型后铸型必须使用大型箱式烘炉烘烤脱水。技改后，逐步调整了原砂技术指标、液料配比，完善了舂砂成型、起模修型、涂料涂刷、合型烘烤等操作工艺，成功地将有机酯固化水玻璃砂应用到铸造铜合金的生产之中，对公司稳定产品质量、节约能源、等发挥了很大作用。

2023/12/35.1水玻璃砂硬化工艺发展简史

19世纪中叶，人们就开始使用烘干硬化的水玻璃砂19世纪末，Hargreaues和Paulson就发现吹CO2硬化是水玻璃硬化的方法，并于1898年获得英国专利。50年后，捷克的L.Petrzela博士又重新研究了水玻璃吹CO2的工艺，并在1948年重新获得英国专利。20世纪50年代初，水玻璃砂CO2硬化工艺在铸造行业得到了广泛的应用。

2023/12/35.2水玻璃砂的硬化方式

铸造生产中，主要通过前两个途径使砂型或砂芯得到硬化，它可以是单独的化学或物理硬化，也可以是化学硬化和物理脱水硬化同时进行。2023/12/31.物理脱水硬化

凡是能去除水玻璃中水分的方法，如加热烘干、吹干燥的压缩空气、真空脱水等都可使水玻璃硬化，这主要是破坏了溶胶中的水化薄膜。

从状态图上可以看到，失水后水玻璃变成粘稠液体→半固体→水合玻璃→玻璃体。

在实际生产中，物理脱水和化学硬化两者往往是伴生的，不过有一个过程为主。

图5.1Na2O-SiO2-H2O三元状态图2023/12/3胶体凝聚的主要方法是在溶胶中加入少量电解质。铸造用水玻璃硬化常用的是CO2法。CO2是酸性氧化物，它可与水玻璃中水解产物NaOH发生如下反应：这样降低了OH-的浓度，促进硅酸钠不断水解，使SiO2分子浓度不断增加，即：

继续吹CO2，硅酸分子脱水聚合，同时硅酸胶粒稳定性下降，并且继续失水而成为网状凝胶。

2.化学硬化2023/12/3化学硬化根据试验，不同硬化方法所得到的硬化效果是不一样的，见表5-1。

硬化方法抗压强度（×105Pa）达到最大抗压强度所需时间（min）达到16~18×105Pa强度所需的时间（min）CO2硬化法16~1811200℃烘干>10010~155~7吹压缩空气70~8010~155~7真空处理70~8090~12030~40空气中自然硬化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艺CO2硬化水玻璃砂对原材料的要求如下：对原砂要求低于树脂砂，石英砂中的SiO2含量要根据合金种类及铸件尺寸而定。混砂工艺通常是干料先干混2~3min，再加液态原材料湿混，湿混时间不宜过长。混砂时间对强度的影响见图5.2，混砂时间长，砂子因摩擦发热，使水玻璃脱水硬化，导致干强度下降，湿混时间一般约为3~5min。

2023/12/35.3.1CO2硬化水玻璃砂的配比及混砂工艺图5.2混砂时间对CO2硬化水玻璃砂强度的影响混砂时间长，砂子因摩擦发热，使水玻璃脱水硬化，导致干强度下降，湿混时间一般约为3~5min。2023/12/35.3.1CO2硬化水玻璃砂的配比及混砂工艺传统的CO2硬化水玻璃砂大多数都要求造型后型砂具有一定的湿压强度，采用的是先起模后硬化的工艺，因而不得不加一定量的粉状材料（如粘土）以增加型砂的湿强度，这导致水玻璃加入量增加，型砂易烧结，溃散性差，旧砂再生困难。新型CO2硬化水玻璃砂工艺的主要特点是采用高性能水玻璃，以及先硬化再起模的生产工艺，使得水玻璃的加入量比传统工艺大大减少，从而降低了型砂浇注后的残留强度，使铸件的落砂和清理容易，也有利于旧砂的再生。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的方法主要有以下几种：

①在砂型或砂芯上扎一些直径6~10mm的吹气孔，将吹气管插入并吹CO2，硬化后起模，见图5.3；

②在砂型上盖罩吹CO2，见图5.4；③通过模样上的吹气孔吹CO2，见图5.5。在CO2吹入前，可将CO2预热或用空气、氮气稀释，以改善和提高硬化效果。

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直接吹CO2法

图5.3插管法吹CO2示意图硬化砂型硬化砂芯在砂型或砂芯上扎一些直径6~10mm的吹气孔，将吹气管插入并吹CO2，硬化后起模

2023/12/3直接吹CO2法图5.4盖罩法吹CO2示意图硬化砂型硬化砂芯硬化砂芯2023/12/3直接吹CO2法图5.5通过模样吹CO2示意图在CO2吹入前，可将CO2预热或用空气、氮气稀释，以改善和提高硬化效果2023/12/3直接吹CO2法不管那种方法，都要考虑以下几种因素的影响:(1)CO2的压力:CO2压力一般用1.5~2.0个大气压，压力的选取应视铸型和砂芯尺寸而定。通常CO2的压力很少超过2个大气压。(2)CO2的吹气时间:

CO2压力一定时，吹气时间与型砂强度的关系如图5-6所示。吹气时间超过一定值，型砂强度会下降.图5.6CO2的吹气时间与型砂强度的关系

2023/12/3直接吹CO2法(3)残留水分:

CO2法硬化砂的强度与型砂硬化后水分残留量有很大关系，见图5.7。

图5.7残留水分对强度的影响

2023/12/3直接吹CO2法(3)残留水分:在直接吹CO2后再将型（芯）烘干，这时应注意直接吹CO2法的时间不应过长。根据试验，直接吹CO2时间不同，待烘干后型砂强度变化见图5.8。从图中可以看出，直接吹CO2时间长了，再烘干后型砂强度下降，这是因为烘干时硅酸凝胶脱水收缩，产生了应力。

图5.8联合硬化强度随吹气时间的变化

2023/12/3

2.VRH法

使砂型先在真空室内经真空脱水后，再吹CO2硬化1）VRH法的主要特点

水玻璃加入量少显著改善砂型的溃散性

铸件质量高

降低造型材料的费用，提高经济效益

缺点是设备投资大，固定尺寸的真空室不能适应过大或过小的砂箱或芯盒2023/12/3VRH法2）VRH法的主要工序设备系统由CO2储气罐、CO2管路系统、硬化室、真空管路、真空过滤器、空气过滤器和真空泵等组成。

图5.9VRH法设备系统组成示意图

2023/12/3VRH法VRH法的主要工艺过程简述如下：

抽真空

往真空室导入CO2

打开真空室将紧实后砂箱或芯盒置于真空室内抽真空，要求真空度至少在5kPa以下，最好在2.6kPa以下，但低于1.0kPa时型砂强度反而下降CO2通气压力视真空室剩余空间的大小决定，一般在40kPa左右

导入CO2一段时间,即可打开真空室导入空气，然后砂型即可浇注

2023/12/35.3.3CO2硬化水玻璃砂的性能及影响因素CO2硬化水玻璃砂的性能主要包括强度、保存性和粘膜性，影响这些性能的因素有很多：1.强度2.保存性3.粘膜性2023/12/3

1.强度

CO2硬化水玻璃砂的强度除了受硬化工艺的影响之外，主要受以下因素的影响：(1)水玻璃的密度密度大，水玻璃粘度大，固体物含量较多，硬化后强度较大，但密度过大时，型砂不易混匀；相反，密度小，则型砂水分含量多，不易硬透，会导致某些缺陷，密度过小时，固体物太少，则型砂强度也低。2023/12/3强度(2)水玻璃的模数水玻璃的模数对强度的影响见图5.10。高模数水玻璃砂的湿强度较高，而硬化后干强度较低。图5.10水玻璃模数对强度的影响

2023/12/3强度(3)水玻璃的加入量

水玻璃加入量多，强度上升，但也增加型（芯）浇注后的残留强度，使清理困难。目前，国内水玻璃砂中水玻璃加入量一般在6%~9%，而国外先进水平一般为3%~5%，甚至更低，水玻璃加入量对强度的影响见图5.11。

图5.10水玻璃模数对强度的影响

2023/12/3强度(4)NaOH的影响NaOH可以与水玻璃中游离的SiO2生成硅酸钠，降低其模数，但也降低型砂湿强度，增加含水量。NaOH的浓度和加入量对水玻璃砂强度的影响见图5.12，一般生产中加入浓度为15%~20%的NaOH溶液量为1.0%左右。

图5.12NaOH溶液加入量对强度的影响

2023/12/3强度(5)粘土的影响

粘土加入到水玻璃砂中，增加湿强度，降低干强度，见图5.13。只有当对型砂湿强度要求较高时，才加入粘土。CO2法硬化多数是在硬化后再起模，故一般不加粘土。

图5.13粘土加入量对强度的影响

2023/12/3强度(6)水分的影响

水玻璃砂中总的含水量要适当，水分过多，硬化后残留水分多，强度低，但水分过低，水玻璃不能充分水解，型砂的保存性差，使强度下降。水玻璃砂中总的含水量还与水玻璃的模数有关，强度与模数、水分的关系见图5.14图5.14水分对强度的影响

2023/12/32.保存性

水玻璃砂的保存性较差，而且与水玻璃的模数、含水量及气温、大气湿度等相关，水玻璃砂最好贮存在料斗中，表面覆以湿麻袋以防失水硬化。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，木质模具要涂以硝基清漆，造型和制芯时，在模具表面喷煤油或在型砂中加0.5%~1.0%的重油可减轻粘模。2023/12/35.3.4CO2硬化水玻璃砂的高温性能加热时的体积变化

高温强度

2023/12/31.加热时的体积变化

水玻璃砂加热后，开始时膨胀，但是随后就收缩，曲线接近木屑粘土砂，故不易产生夹砂。采用不同粘结剂时，型砂的加热膨胀曲线见图5.15。

图5.15不同粘结剂型砂在加热时的体积变化2023/12/32.高温强度图5.16可以看出：在200~300℃有个峰值热强度随温度升高而下降700℃之后，强度很小，到800℃几乎无任何强度，这时水玻璃已经熔化，出现了液相。

图5.16水玻璃砂的高温强度

2023/12/35.3.5存在的问题及解决方法1.粘砂2.表面粉化3.溃散性差4.吸湿性5.旧砂再生和回用困难2023/12/31.粘砂存在问题：以水玻璃为粘结剂砂型浇注铸铁件，粘砂十分严重，这限制了水玻璃砂在铸铁件上的应用。用于中小铸钢件粘砂不严重，用于厚大铸钢件粘砂较严重。解决办法：可在铸型表面刷涂料，而且最好刷醇基快干涂料，如在铸铁件的铸型壁上刷石墨基涂料，而对铸钢件则可根据铸件情况，刷石英粉、锆英粉以铬铁矿粉涂料。此外，一般铸铁件也可在钠水玻璃砂中加入适量的煤粉或焦炭粉。

2023/12/32.表面粉化存在问题：

CO2水玻璃砂硬化后放置一段时间，在型（芯）表面会出现一种粉末状的物质，称之为“白霜”。它产生的原因是发生了下列反应：

(5-3)

(5-4)NaHCO3易随水分向外迁移，使其形成在表面。解决办法：控制型砂水分不要偏高，吹CO2时间不宜过长，型芯不要久放。另据有的工厂经验，在钠水玻璃砂中加入1%左右，密度为1.3g/cm3的糖浆可有效防止表面粉化。2023/12/33.溃散性差存在问题:在浇注后CO2水玻璃砂具有较大的残留强度。CO2水玻璃砂在不同温度下的残留强度见图5.17图5.17水玻璃砂的残留强度

2023/12/3溃散性差存在问题:残留强度与水玻璃的模数及加入量有关，分别见图5.18和图5.19。图5.18水玻璃加入量对残留强度的影响

图5.19水玻璃模数对残留强度的影响

2023/12/3溃散性差解决办法：800~1100℃水玻璃砂残留强度主要有以下措施：

①在水玻璃砂中加入附加物:有机附加物如糖浆、重油、树脂等在高温下烧毁能在一定程度上破坏水玻璃薄膜的完整性无机附加物常用的有Fe2O3、MgO、A12O3、CaCO3、ZnCO3等②减少水玻璃加入量。

水玻璃加入量对残留强度影响很大，减少水玻加入量可以降低型砂残留强度2023/12/34.吸湿性存在问题:CO2水玻璃砂的吸湿性是一个长期以来难以解决的问题解决办法：在湿度较低的情况下，应以短时间吹气为好在湿度较高的情况下，尤其注意避免使用低模数水玻璃粘结剂，并且延长吹气时间在实际生产中

①在钠水玻璃中加入锂水玻璃或在钠水玻璃中加入LiOH、CaCO3、ZnCO3等无机附加物

②在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物。2023/12/35.旧砂再生和回用困难存在问题:由于钠水玻璃砂的残留强度高、溃散性差使得旧砂的再生问题还没有完全解决好。解决办法：

旧砂再生的方法主要有两种：干法和湿法

干法再生装置可以去除部分碱分，湿法再生效果较好，但是增加砂子的烘干工序、废水处理等设备导致投资大。目前国内利用水爆清砂可使旧砂湿法再生，但水爆后砂子成块仍然严重。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：通过加热去除水玻璃中的水分，使水玻璃中硅酸钠聚合成由胶粒构成的立体网状骨架的含Na+硅凝胶。当加热到180~200℃以上脱水得到水玻璃凝胶比由硅溶胶生成的硅酸凝胶更致密,烘干硬化水玻璃砂的水玻璃加入量可降到2%~3%，因而溃散性有显著改善。

烘干硬化水玻璃砂的缺点

：吸湿性太强，可能因吸湿而完全失去强度。

2023/12/3烘干硬化水玻璃砂烘干硬化的水玻璃砂缺点的两重性对于某些特定的产品，砂型（芯）烘干后在可控条件下浇注，浇注后在潮湿环境里能自溃，旧砂再次加水后加以利用，可实现良性循环。

具体实现方法(1)过热蒸汽硬化法：将粉末状泡花碱混合在砂中，吹入芯盒，然后导入过热蒸汽，短时间内即可硬化

。(2)微波烘干法：微波加热的原理是具有极性分子的物质在交变的微波电场作用下，分子产生高频振荡而形成分子间强烈的内摩擦，系统内能增加，温度升高

。这种加热方式与普通辐射、传导、对流换热方式有本质区别。微波加热它是材料在电磁场中由于介质损耗而引起的体积加热。2023/12/3微波烘干法的优点微波硬化水玻璃砂几乎全是物理过程，水玻璃吸收微波能后，硅酸分子和水分子高速振荡，温度迅速上升同时胶粒热运动也加剧，发生凝聚，进而产生凝胶颗粒，使硅酸缩合，形成链状结构链结构继续脱水缩合，最后硬化形成高强度的网状结构。由于微波以体积方式加热，水玻璃各部分同时均匀升温，水分由里向外充分迁移，水玻璃凝聚快且各处速度一致微波硬化水玻璃砂表面平整，胶粒紧密细小，大小均匀不需大量模具即可实现，加热固化后脱模可获得高精度型芯，可按型芯随制随用，组织生产，避免型芯受潮2023/12/3微波烘干法的优点微波硬化的水玻璃砂和CO2硬化水玻璃砂的强度性能的比较图5.20微波硬化与吹CO2硬化水玻璃砂性能比较

微波硬化的水玻璃砂常温强度比CO2水玻璃砂要高，残留强度很低，有利于型砂的溃散

2023/12/3微波硬化水玻璃砂生产线

图5.21微波硬化水玻璃砂造型流水线布置图

2023/12/35.5水玻璃自硬砂水玻璃砂在混砂时加入液态或固态硬化剂，在室温下能够自硬，不必吹CO2或加热，砂型（芯）在硬化后起模，称之为水玻璃自硬砂。目前国内常用的水玻璃自硬砂有：硅铁粉水玻璃自硬砂、硅酸二钙水玻璃自硬砂、水玻璃流态自硬砂和有机酯水玻璃自硬砂。

2023/12/35.5.1硅铁粉水玻璃自硬砂硅铁粉自硬砂是以硅铁粉作硬化剂的水玻璃自硬砂。这种工艺方法是日本的西山太喜夫在60年代初研究出来的，所以也叫做西山法。本节主要内容1.硅铁粉水玻璃自硬砂硬化机理2.影响硅铁粉水玻璃自硬砂的因素3.硅铁粉水玻璃自硬砂的优缺点2023/12/31.硅铁粉水玻璃自硬砂硬化机理作硬化剂的硅铁粉，一般都由含硅75%的硅铁磨细而成在水玻璃砂中加入少量硅铁粉后，型砂可自硬，其反应为水玻璃发生如下水解：

硅与NaOH和水反应生成硅胶：

Si除了促进水玻璃水解，增加水玻璃的浓度，促进形成硅胶，并产生热量，故使水玻璃硬化。这种工艺，在硬化过程中放出氢气，要小心避免氢的爆炸。同时，这一反应又是放热反应。

2023/12/3硅铁粉水玻璃自硬砂硬化机理综合起来，就有以下效果：提高了水玻璃的模数（或硅碱比），导致水玻璃的粘度增高，促使其胶凝。水玻璃在以化学方式的硬化的同时，也会以物理方式硬化。水玻璃中的水分蒸发，这又加强了水玻璃的物理脱水硬化。在水玻璃加入量相同的情况下，硅铁粉水玻璃自硬砂的强度将比吹CO2硬化的高。2023/12/32.影响硅铁粉水玻璃自硬砂的因素硅铁粉水玻璃自硬砂主要受以下因素的影响:水玻璃加入量：一般说来，水玻璃的加入量在5%左右。如原砂质量好，可低到4%。

硅铁粉的加入量：硅铁粉的加入量理论上应是水玻璃的12%~21%，水玻璃模数低时，就取较高的数值。铸造生产中，一般用通过140号标准筛的粗硅铁粉。这么粗的粒子和0.002~0.0lmm厚的水玻璃膜接触，反应只能在表面进行，很难达到内部。因此，实际上需用的硅铁粉要比理论值多一些。一般来说，自硬砂中的硅铁粉加入量应该是水玻璃加入量的20%~30%。

2023/12/33.硅铁粉水玻璃自硬砂的优缺点硅铁粉水玻璃自硬砂的优点如下：

用自硬砂造型制芯，不需烘干脱水，也不要吹CO2，这对于无法进炉烘烤又不便安排吹CO2的特大铸型尤为重要型砂硬化后的强度较高。利用这一特点可将水玻璃加入量降到最低限度，使落砂性较好，同时也能节省水玻璃；铸型硬化以后，残留的水分很少，浇注时发气较少，这对于对气体敏感的特殊铸钢件非常合适。

2023/12/3硅铁粉水玻璃自硬砂的优缺点硅铁粉水玻璃自硬砂存在问题，它们是如下：因为型砂在硬化过程中发热，使水分蒸发，木模容易变形、脱胶；

硬化过程中释放的氢气，遇火可能引起爆炸；硅铁粉碎困难，加工费用很高；使用固体颗粒作硬化剂，其颗粒的大小以及它在型砂中的分散程度，都会显著影响型砂的硬化过程。制备好的的硅铁粉在保存过程中，由于受潮、氧化或被污染，其硬化作用也难以保持恒定。2023/12/35.5.2硅酸二钙水玻璃自硬砂硅铁粉水玻璃自硬砂出现后不久，就出现了用硅酸二钙作硬化剂的水玻璃自硬砂。硅酸二钙水玻璃自硬砂的使用比硅铁粉水玻璃自硬砂普遍的多。本小节主要内容硅酸二钙水玻璃自硬砂的硬化机理硅酸二钙水玻璃自硬砂的配方和混砂工艺2023/12/31.硬化机理硅酸二钙水玻璃自硬砂的硬化过程是很复杂的，到目前为止，对于硅酸二钙促使水玻璃硬化的机理说法不一。一种看法认为是一良好的水化物质，这个过程可用下述反应来说明：2023/12/3硬化机理Ca2+可置换水玻璃结构末端的Na+，如下式

所示。两个硅酸钠分子的接近，在分子内部硅氧键发生歪斜而易于失水聚合硅酸钠分子硅氧键另一端分别与第三个、第四个硅酸钠分子的硅氧键通过Ca2+结合起来，使硅氧键连得更长2023/12/3硬化机理除了上述主要反应外，由于C2S水化物及Ca(OH)2的生成，使未反应的水玻璃粘度增大，也增加了粘结力。图5.22说明在不同湿度和压力下型砂试样强度的变化。

图5.22水玻璃自硬砂放置时间与强度的关系

一般认为C2S与水玻璃的反应主要使型砂获得初期强度，以后强度的增大主要是依赖水分的蒸发，故型（芯）停放时大气中的湿度对强度影响很大2023/12/3硬化机理第二种看法认为：加入硅酸二钙后，C2S水解生成Ca(OH)2，Ca(OH)2与水玻璃反应生成硅酸钙和硅酸胶体，后者再变成凝胶使型砂硬化。这个过程可表示为：

第三种看法认为：与水玻璃之间发生反应生成原硅酸二氢钙CaH2SiO4，它的粘结力很大，从而使型砂获得强度。2023/12/32.配方和混砂工艺用赤泥、炉渣之类作硬化剂，往往要占水玻璃的60%~90%。加了这样多的粉状材料，必然要吸附相当多的水玻璃而使型砂的强度下降。水玻璃要加6%~7%，赤泥或炉渣要加2%~4%。

要使型砂不发干，必须保持较高的水分，除水玻璃带进的水分之外，还得补加一些水。但是由于这种自硬砂硬化过程中脱水很少，因此，硬化了的铸型和芯子中，仍有相当高的水分。如果希望铸型或型芯中水分较低，有时还得在其硬化后加以短时间的烘烤。2023/12/3配方和混砂工艺表5-7某些工厂硅酸二钙水玻璃自硬砂的配方

序号配比（质量分数，%）原砂(40/70或50/100)水玻璃(模数=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——适量21006~72~40~1.0—3~53~5适量31006~72~40~1.0———适量41005~62~40~1.0———适量序号性能应用水分（%）湿透气性24h后残余水分（%）24h后抗压强度（KPa）14.5~5.0>100<4>7用于难清理的自硬芯砂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.硅酸二钙水玻璃自硬砂的性能1)强度

型（芯）砂的强度与水玻璃的加入量、模数、含水量等有关。低模数水玻璃后期强度大。见图5.23。

图5.23水玻璃模数和加入量对强度的影响

型砂总含水量为4%~6%，不能过高，否则会使残留水分多，强度下降，而且硬化很慢。2023/12/3硅酸二钙水玻璃自硬砂的性能2)高温强度硅酸二钙水玻璃自硬砂的高温强度见图5.24。

图5.24硅酸二钙水玻璃自硬砂的高温强度

在400℃以下，低温强度并不高。500℃之后强度升高，到600~700℃是高温强度的峰值，700℃之后，强度急剧下降，这时水玻璃已开始软化。2023/12/3硅酸二钙水玻璃自硬砂的性能3)残留强度硅酸二钙水玻璃自硬砂的残留强度比CO2水玻璃砂小一些，落砂较容易，但仍不如粘土砂。水玻璃的模数和加入量对溃散性的影响如同CO2法，所以硅酸二钙水玻璃自硬砂存在的问题与CO2法是一样的。此外，硅酸二钙水玻璃自硬砂也使铸铁严重粘砂，需要刷涂料。

4)保存性保存性也就是型（芯）砂的可使用时间。水玻璃自硬砂的可使用时间主要决定于硬化剂的加入量和水分，与气温和湿度也有关。生产中根据气候条件来调节硬化剂和水的加入量来保证一定的可使用时间。2023/12/35.5.3水玻璃流态自硬砂

水玻璃流态自硬砂是在硅酸二钙水玻璃自硬砂的基础上发展起来的其特点在硅酸二钙水玻璃自硬砂中加入0.1%~0.2%左右的发泡剂。发泡剂是一种水的表面活性剂，在少量水存在的条件下，在砂粒之间能形成大量细小泡沫，砂粒间的摩擦为液态摩擦，阻力很小，型砂变得可以流动国内常用发泡剂有烷基磺酸钠、烷基苯磺酸钠和脂肪醇硫酸钠等。泡沫使砂粒之间的空隙增多。由于空气是热的不良导体，铸型的导热能力降低，使金属的凝固迟缓。

2023/12/35.5.4有机酯水玻璃自硬砂60年代至70年代初，出现了用有机酯作硬化剂的水玻璃自硬砂。铸型浇注后，有机酯受热分解，改善型砂落砂性能，是水玻璃自硬砂重要进展。本节主要内容：1.有机酯2.有机酯水玻璃自硬砂的硬化原理3.有机酯水玻璃自硬砂的混制工艺4.酯硬化水玻璃砂的性能及影响因素2023/12/31.有机酯有机酯是水玻璃砂最常用的液态硬化剂。有机酯在水玻璃的碱性介质中水解成醇和酸，水解生成的酸中和水玻璃中部分Na2O组分，使水玻璃模数升高。反应生成的醇使水玻璃吸收结晶水，使整个水玻璃溶液中浓度提高。根据水玻璃硬化机理可知，水玻璃的粘度随着其模数和浓度的升高而增大，当其达到一定的临界值后便失去流动性而硬化。2023/12/3有机酯目前最常用的有机酯有4种，见表5-8所示

名称分子式熔点（℃）沸点（℃）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—极大快丙三醇二乙酸酯-402801.178极快丙三醇三乙酸酯-77258~2591.1607.17(15℃)极慢2023/12/3有机酯

我国供应最普通的MDT系列有机酯在不同使用温度下使用时的配方见表5-9。

名称适用温度（℃）05101520253035MDT-901（慢酯）—02040608010050MDT-903（快酯）90100806040200—MDT-800（极慢）———————50MDT-Q（极快）10———————2023/12/32.有机酯水玻璃自硬砂的硬化原理有机酯水玻璃自硬砂的硬化可分为三个阶段：第一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。

化学反应通式如下：

第二阶段，有机酯和水玻璃反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，型砂便失去流动性而固化。化学反应通式如下：

以上两步总的反应式为：

2023/12/3有机酯水玻璃自硬砂的硬化原理第三阶段，水玻璃进一步失水强化。由于反应产物的有机酸盐一般为结晶水化物，而生成的醇也要吸收溶剂水，再加上挥发失水，有机酯能使水玻璃模数和浓度升高到临界值以上，即可促进固化。有机酯加入量一般为水玻璃重量的10%~12%。

由上述分析可知，有机酯水玻璃自硬砂的硬化剂在型砂中是反应物，必须具备一定的数量使反应达到一定的程度，砂型才能硬化。这个数量不但与水玻璃加入量有关，还与水玻璃的模数、浓度及有机酯的种类有关。2023/12/33.有机酯水玻璃自硬砂的混制工艺1)配比典型的有机酯硬化水玻璃砂的配比为：原砂（擦洗砂或水洗砂，40/70目）100，水玻璃（M=2.2~2.8）3，有机酯（快、中、慢硬化速度）0.3。

原砂必须采用擦洗砂。原砂的含泥量应少于0.5%。在保证足够的使用强度的前提下，应尽量降低水玻璃的加入量，以改善水玻璃砂的溃散性和旧砂的再生回用性能。水玻璃的模数和有机酯的硬化速度的选择，要视环境的温度和湿度、合箱浇注时间等调定。有机酯水玻璃砂，通常造型8~12h后，即可合箱浇注。当采用再生砂（或回用旧砂）造型造芯时，水玻璃的模数及有机酯硬化速度的选择都有很大的不同，水玻璃和硬化剂的加入量也要作一定的调整。

2023/12/3有机酯水玻璃自硬砂的混制工艺2)混砂工艺有机酯硬化水玻璃砂的混砂工艺一般为：在原砂中先加有机酯混均，然后再加水玻璃混均直至卸砂。混制的时间以混碾均匀为宜，一般整个时间为3~5min。出砂后一般尽快用完，不能超过型砂的可使用时间，否则型砂就会报废。较多采用球形（碗形）混砂机（用于制芯或砂箱尺寸小的砂型制造）和连续式混砂机混砂（用于大批量生产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响因素采用酯硬化水玻璃砂工艺，水玻璃加入量可降至为3.0%~3.5%，甚至达到1.8%~2.5%，其溃散散性比普通CO2硬化水玻璃砂大为改善。

水玻璃模数趣高，硬化速度越快，硬化初期强度较高，但型砂终强度较低。水玻璃的加入量越大，其浓度越高，其常温硬化强度越高，但其残留强度也越高，溃散性越差。环境湿度的影响具有两面性：环境湿度增加，初始硬化速度加快，初始硬化强度有所增加，但硬化终强度有所下降，铸型的表面稳定性下降.硬化剂的种类对水玻璃型砂的硬化速度和硬化强度有决定性的影响。原砂的品质和种类对酯硬化水玻璃砂的常温强度和残留强度也有银大影响。

2023/12/35.常见缺陷及预防措施有机酯硬化的水玻璃砂使用中的常见问题及预防措施见表5-10。

序号缺陷的表征产生原因防止措施1可使用时间短（常发生在夏天的高温季节）、砂型强度低、型（芯）表面发酥水玻璃模数太高；所用有机酯不合适（硬化速度过快）；混砂时间过长；原砂温度太高；采用较低模数的水玻璃；采用硬化速度慢的有机酯；缩短混砂时间；给原砂冷却降温，不使用热砂2硬化速度太慢（常在冬天的低温季节出现）水玻璃模数太低；所用有机酯不合适（硬化速度太慢）；原材料的温度太低采用较高模数的水玻璃；采用硬化速度快的有机酯；预热原砂、水玻璃、模板等；提高生产环境温度3砂型（芯）产生蠕变、塌落型砂配比不合适，硬化反应不完全；原砂水分过高；原材料定量不准、定量失控；水玻璃、有机酯质量失控调整配比，增加有机酯加入量或提高水玻璃模数；加强对原材料质量检测和监控；加强对混砂机定量系统监控4粘膜模具表面油漆不合适；起模时砂型（芯）的强度太低模具表面涂刷不被有机酯重溶的油漆，待砂型（芯）硬化强度更高后起模2023/12/3常见缺陷及预防措施5冲砂、夹砂浇注系统设置不当；砂型（芯）强度太低；浇道及砂型中有浮砂不使金属液直接冲击砂型（芯），在直浇道底部垫耐火砖片；大中铸件浇注系统采用耐火砖；调整型砂配比，提高砂型（芯）强度，加强造型操作管理；合型前吹净浇道和型腔中的浮砂6铸件表面粘砂涂料质量差，涂层薄；砂型紧实度低；砂型强度低，表面发酥；造型材料耐火度不够选用质量好的涂料，涂刷到规定厚度；提高砂型紧实度；加强配砂和造型工序的质量管理控制；在铸件热节大、散热条件差的部位使用特种砂7铸件气孔原砂水分高；型砂混合不均匀，局部水分高；砂型吸湿加强原材料质量检测，严禁使用湿原砂；加强设备维修管理，确保正常运行；选用混砂功能好设备；采取防止砂型（芯）回潮吸湿的措施，采用热风烘干原砂工艺8残留强度高水玻璃加入量过高；原砂质量不合格、易烧结尽量降低水玻璃加入量，采用高质量原砂；采用改性水玻璃；添加溃散剂2023/12/35.6水玻璃砂的再生传统的水玻璃砂工艺，由于水玻璃加入量多，浇注后砂型残留强度高，有些型砂的残留抗压强度可达10MPa左右，尤其是生产大型铸钢件浇注后的砂型，在长时间高温作用下，石英砂和水玻璃被烧结成整体，几乎不能破碎，勉强破碎也只能是大块变小块，很难获得接近原耖的粒度。水玻璃砂溃散性差、再生难的问题长期困扰着铸造工作者。与传统的水玻璃砂工艺相比，近年一些单位开发的水玻璃砂工艺，型砂中水玻璃加入量显著降低，型砂溃散性明显改善。2023/12/3水玻璃砂的再生表5-11是近年来开发的几种新型水玻璃砂的残留强度。从表5-8中型砂残留强度数据可以看出，近年开发的水玻璃砂工艺中，水玻璃砂的残留强度降低银多，溃散性有了很大的提高。

序号型砂种类1000℃残留抗压强度（MPa）1CO2硬化RC系改性水玻璃砂≈12CO2硬化强力2000多重变性水玻璃砂0.86~0.923CO2硬化Solosil-433改性水玻璃砂0.097~0.26（800℃加热20min）4有机酯水玻璃自硬砂≈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湿法再生干法再生化学再生2023/12/31.湿法再生湿法再生的特点如下:①旧砂中的Na2O去除率高，一般可达达80%以上，有的甚至可超过90%②再生砂回用率高，可达9%％以上；③再生砂可作为造型的面砂和单一砂使用；④对于酯硬化水玻璃旧砂，能有效去除残留酯，延长再生砂混砂后的可使用时间湿法再生的不足是：再生工艺和设备系统较复杂，湿砂需脱水烘干，热砂需冷却，湿法再生的污水需经处理后循环回用或无害排放。湿法再生虽然费用高，但对水玻璃砂来讲，有较好的再生效果。处理以后的砂子可在配砂时100%的采用，不必掺用新砂。

2023/12/3湿法再生不同硬化工艺的水玻璃旧砂，湿法再生的难易程度不同。由图5.25可以看出：水玻璃粘结膜脱水程度愈高，旧砂愈难再生。

图5.25湿法再生效果与粘结膜脱水程度的关系如果胶粒间含有的水分较多，湿法再生的效果就较好；如果硅酸凝胶完全脱水了，则非常难溶，再生效果也就较差。

2023/12/3湿法再生图5.26是一种效果较好的湿法再生系统。

图5.26湿法再生系统组成

2023/12/3湿法再生湿法再生系统旧砂经振动砂块破碎机将团块破碎，砂粒经风送装置送到储砂斗，储砂斗中的砂用螺旋定量器送入擦洗室.由2号水泵送来循环水，用叶片强力擦洗，擦洗后的砂浆流到1#水槽，砂粒沉降后用1号泵送到液力旋流