水玻璃砂的硬化方法

1、國內(nèi)外幾十年來對樹脂砂鑄造工藝的應用實踐表明：樹脂砂雖然具有鑄件尺寸精度高，表面光潔，造型效率高，可以制造形狀復雜和內(nèi)部質(zhì)量要求嚴格的鑄件，舊砂回收再生容易等優(yōu)點;但是，樹脂砂的生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染嚴重，在人們對于自身生存條件和環(huán)境的要求日趨嚴格的條件下，由于車間勞動保護和生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生方面的投資很大，樹脂砂的應用受到一定限制。而水玻璃無色、無臭、無毒，在混砂造型、硬化和澆鑄過程中都沒有刺激性或有毒氣體溢出。故近年來許多國家對水玻璃砂重新重視起來。 水玻璃砂的硬化方法可分為熱硬法、氣硬法和自硬法三大類，包括很多種方法。但目前 常用的硬化方法主要有以下兩種： 1、普通CO2氣硬法 此法是水玻璃粘結

2、劑領域里應用最早的一種快速成型工藝，由于設備簡單，操作方便， 使用靈活，成本低廉，在國內(nèi)外大多數(shù)的鑄鋼件生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。 CO2氣體硬化水玻璃砂的主要優(yōu)點是：硬化速度快，強度高;硬化后起模，鑄件精度高。 普通CO2氣體硬化水玻璃砂的缺點是：型(芯砂強度低，水玻璃加入量(質(zhì)量分數(shù)往往高達78%或者更多;含水量大，易吸潮;冬季硬透性差;潰散性差，舊砂再生困難，大量舊砂被廢棄，造成環(huán)境的堿性污染。 2、有機酯自硬法 此法是采用液體的有機酯代替CO2氣體作水玻璃的硬化劑。 這種硬化工藝的優(yōu)點是：型(芯砂具有較高的強度，水玻璃加入量可降至3.5%以下;冬季硬透性好，硬化速度可依生產(chǎn)及環(huán)境條件通過

3、改變粘結劑和固化劑種類而調(diào)整(5150min;型(芯砂潰散性好，鑄件出砂清理容易，舊砂易干法再生，回用率80%，減少水玻璃堿性廢棄砂對生態(tài)環(huán)境的污染，節(jié)約廢棄砂的運輸、占地等費用，節(jié)約優(yōu)質(zhì)硅砂資源;型砂熱塑性好，發(fā)氣量低，可以克服呋喃樹脂砂生產(chǎn)鑄鋼件時易出現(xiàn)的裂紋、氣孔等缺陷;可以克服CO2水玻璃砂存在的砂型表面穩(wěn)定性差、容易過吹等工藝問題，鑄件質(zhì)量和尺寸精度可與樹脂砂相媲美;在所有自硬砂工藝中生產(chǎn)成本最低，勞動條件好。 該硬化工藝的主要缺點是：型芯砂硬化速度較慢，流動性較差。 目前鑄造生產(chǎn)中，有時采用復合硬化工藝，例如短時吹CO2達到起模強度后先起模，再吹熱空氣，或烘干，或利用有機酯自硬，或

4、自然脫水干燥，以獲得較大的終強度，提高生產(chǎn)效率。 水玻璃砂鑄造時，應重點注意以下幾個主要問題： 1 影響水玻璃“老化”的因素有哪些?如何消除水玻璃“老化”? 新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存 放過程中，水玻璃中硅酸要進行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數(shù)、濃度、溫度、電解質(zhì)含量和存放時間的影響。 水玻璃在存放過程中分子產(chǎn)生縮聚，形成凝膠，其粘結強度隨著貯存時間的延長而逐漸降低，這一現(xiàn)象稱為水玻璃“老化”。 “老化”現(xiàn)象可由下述兩組試驗數(shù)據(jù)來說明：高模數(shù)水玻璃(M=2.89，=1.44g/c

5、m3貯放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強度相應下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%;低模數(shù)水玻璃(M=2.44，=1.41g/cm3貯放7、30、60和90天后，干拉強度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。 水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強度影響不大，但對后期強度影響明顯，據(jù)測定，對于高模數(shù)水玻璃下降60%左右，對于低模數(shù)水玻璃下降1520%。殘留強度也隨存放時間的延長而降低。 水玻璃在存放過程中聚硅酸的縮聚反應和解聚反應同時進行著，分子量發(fā)生了歧化，最終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過程中，聚硅酸的

6、聚合度發(fā)生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應的結果，使粘結強度下降了，即產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象。 影響水玻璃“老化”的因素主要有：存放時間、水玻璃的模數(shù)和濃度。存放時間越長，模數(shù)越高，濃度越大，則“老化”越嚴重。 對久存的水玻璃可以采用多種方法的改性處理，以消除“老化”，使水玻璃恢復到新鮮水玻璃的性能： 1、物理改性 水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發(fā)過程，用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，向水玻璃體系提供能量，促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均勻化，從而消除了老化現(xiàn)象，這就是物理改性的機理。例如

7、，用磁場處理后，水玻璃砂的強度提高了2030%，減少水玻璃加入量3040%，節(jié)約CO2，改善潰散性，有較好的經(jīng)濟效益。 物理改性的缺點是不持久，處理后再貯放，粘結強度又會下降，故適用于鑄造廠處理后盡快使用。尤其是M>2.6的水玻璃，硅酸分子濃度大，經(jīng)過物理改性解聚后又會較快地縮聚，最好是處理后立即使用。 2、化學改性 化學改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改變其表面位能和溶劑化能力，提 高聚硅酸穩(wěn)定性，從而阻止“老化”進行。 例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，可取得

8、較好的效果。 往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機物可以起到多種作用，如：改變水玻璃的粘流性質(zhì);改善水玻璃混和料的造型性能;提高粘結強度，使水玻璃的絕對加入量減少;提高硅酸凝膠的可塑性;降低殘留強度，使水玻璃砂更適用于鑄鐵和有色合金。 3、物理化學改性 物理改性適宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用?；瘜W改性適宜于處理新鮮水玻璃，改性后的水玻璃可較長時間的存放。物理改性與化學改性結合起來，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高壓釜中加聚丙烯酰胺來改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高壓釜的壓力和攪拌是屬于物理改性，加聚丙烯酰胺是化學改性。 2 如何防止CO2吹氣硬化水玻璃砂型(芯表面粉化?

9、 鈉水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段時間后，有時在下型(芯表面會出現(xiàn)象白霜一樣的物質(zhì)，嚴重降低該處表面強度，澆注時易產(chǎn)生沖砂缺陷。根據(jù)分析，這種白色物質(zhì)的主要成分是NaHCO3，可能是由于鈉水玻璃砂中含水分或CO2過多而引起的，其生成的反應如下： Na2CO3+H2ONaHCO3+NaOH Na2O+2CO2+H2O2NaHCO3 NaHCO3易隨水分向外遷移，使型、芯表面出現(xiàn)類似霜的粉狀物。 解決的方法如下： 1、控制鈉水玻璃砂的水分不要偏高(特別是雨季和冬季。 2、吹CO2時間不宜過長。 3、硬化的型、芯不要久放，應及時合型澆注。 4、在鈉水玻璃砂中加入占砂1%(質(zhì)量分數(shù)左右、密度為1.3g

10、/cm3的糖漿，可以有效地防止表面粉化。 3 如何提高水玻璃砂型(芯抗吸濕性? 用CO2或加熱等方法硬化的鈉水玻璃砂芯，裝配在粘土濕型中，如果不及時澆注，砂芯強度將急劇降低，不僅可能出現(xiàn)蠕變，甚至斷塌;在潮濕的環(huán)境中儲放的砂芯，強度也明顯降低。表1為CO2硬化鈉水玻璃砂芯在相對濕度為97%環(huán)境中放置24h時的強度值。在潮濕環(huán)境中存放失去強度的原因，是由于鈉水玻璃重新發(fā)生水合作用。鈉水玻璃粘結劑基體中的Na+與OH吸收水分并浸蝕基體，最后使硅氧鍵SiOSi斷裂，致使鈉水玻璃砂粘結強度顯著降低。 表1 鈉水玻璃砂芯在高濕度環(huán)境存放對其強度的影響 水玻璃砂鑄造應注意的幾個問題 2008-04-07

11、水玻璃砂鑄造應注意的幾個問題 兼論砂型鑄造生產(chǎn)技術500問的特點 馮勝山 (湖北工業(yè)大學機電研究設計院 武漢 430070 國內(nèi)外幾十年來對樹脂砂鑄造工藝的 應用實踐表明：樹脂砂雖然具有鑄件尺寸精度高， 表面光潔，造型效率高，可以制造形狀復雜和內(nèi)部質(zhì)量要求嚴格的鑄件，舊砂回收再生容易等優(yōu)點;但是，樹脂砂的生產(chǎn)成本高，環(huán)境污染嚴重，在人們對于自身生存條件和環(huán)境的要求日趨嚴格的條件下，由于車間勞動保護和生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生方面的投資很大，樹脂砂的應用受到一定限制。而水玻璃無色、無臭、無毒，在混砂造型、硬化和澆鑄過程中都沒有刺激性或有毒氣體溢出。故近年來許多國家對水玻璃砂重新重視起來。 水玻璃砂的硬化方法可

12、分為熱硬法、氣硬法和自硬法三大類，包括很多種方法。但目前 常用的硬化方法主要有以下兩種： 1、普通CO2氣硬法 此法是水玻璃粘結劑領域里應用最早的一種快速成型工藝，由于設備簡單，操作方便， 使用靈活，成本低廉，在國內(nèi)外大多數(shù)的鑄鋼件生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。 CO2氣體硬化水玻璃砂的主要優(yōu)點是：硬化速度快，強度高;硬化后起模，鑄件精度高。 普通CO2氣體硬化水玻璃砂的缺點是：型(芯砂強度低，水玻璃加入量(質(zhì)量分數(shù)往往高達78%或者更多;含水量大，易吸潮;冬季硬透性差;潰散性差，舊砂再生困難，大量舊砂被廢棄，造成環(huán)境的堿性污染。 2、有機酯自硬法 此法是采用液體的有機酯代替CO2氣體作水玻璃的硬化

13、劑。 這種硬化工藝的優(yōu)點是：型(芯砂具有較高的強度，水玻璃加入量可降至3.5%以下;冬季硬透性好，硬化速度可依生產(chǎn)及環(huán)境條件通過改變粘結劑和固化劑種類而調(diào)整(5150min;型(芯砂潰散性好，鑄件出砂清理容易，舊砂易干法再生，回用率80%，減少水玻璃堿性廢棄砂對生態(tài)環(huán)境的污染，節(jié)約廢棄砂的運輸、占地等費用，節(jié)約優(yōu)質(zhì)硅砂資源;型砂熱塑性好，發(fā)氣量低，可以克服呋喃樹脂砂生產(chǎn)鑄鋼件時易出現(xiàn)的裂紋、氣孔等缺陷;可以克服CO2水玻璃砂存在的砂型表面穩(wěn)定性差、容易過吹等工藝問題，鑄件質(zhì)量和尺寸精度可與樹脂砂相媲美;在所有自硬砂工藝中生產(chǎn)成本最低，勞動條件好。 該硬化工藝的主要缺點是：型芯砂硬化速度較慢，流

14、動性較差。 目前鑄造生產(chǎn)中，有時采用復合硬化工藝，例如短時吹CO2達到起模強度后先起模，再吹熱空氣，或烘干，或利用有機酯自硬，或自然脫水干燥，以獲得較大的終強度，提高生產(chǎn)效率。 水玻璃砂鑄造時，應重點注意以下幾個主要問題： 1 影響水玻璃“老化”的因素有哪些?如何消除水玻璃“老化”? 新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進行 縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數(shù)、濃度、溫度、電解質(zhì)含量和存放時間的影響。 水玻璃在存放過程中分子產(chǎn)生縮聚，形成凝膠，其粘結強度隨著貯存時間的延

15、長而逐漸降低，這一現(xiàn)象稱為水玻璃“老化”。 “老化”現(xiàn)象可由下述兩組試驗數(shù)據(jù)來說明：高模數(shù)水玻璃(M=2.89，=1.44g/cm3貯放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強度相應下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%;低模數(shù)水玻璃(M=2.44，=1.41g/cm3貯放7、30、60和90天后，干拉強度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。 水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強度影響不大，但對后期強度影響明顯，據(jù)測定，對于高模數(shù)水玻璃下降60%左右，對于低模數(shù)水玻璃下降1520%。殘留強度也隨存放時間的延長而降低。 水玻璃在存放過程中聚硅酸

16、的縮聚反應和解聚反應同時進行著，分子量發(fā)生了歧化，最終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過程中，聚硅酸的聚合度發(fā)生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應的結果，使粘結強度下降了，即產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象。 影響水玻璃“老化”的因素主要有：存放時間、水玻璃的模數(shù)和濃度。存放時間越長，模數(shù)越高，濃度越大，則“老化”越嚴重。 對久存的水玻璃可以采用多種方法的改性處理，以消除“老化”，使水玻璃恢復到新鮮水玻璃的性能： 1、物理改性 水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發(fā)過程，用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，向

17、水玻璃體系提供能量，促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均勻化，從而消除了老化現(xiàn)象，這就是物理改性的機理。例如，用磁場處理后，水玻璃砂的強度提高了2030%，減少水玻璃加入量3040%，節(jié)約CO2，改善潰散性，有較好的經(jīng)濟效益。 物理改性的缺點是不持久，處理后再貯放，粘結強度又會下降，故適用于鑄造廠處理后盡快使用。尤其是M>2.6的水玻璃，硅酸分子濃度大，經(jīng)過物理改性解聚后又會較快地縮聚，最好是處理后立即使用。 2、化學改性 化學改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改

18、變其表面位能和溶劑化能力，提高聚硅酸穩(wěn)定性，從而阻止“老 化”進行。 例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，可取得較好的效果。 往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機物可以起到多種作用，如：改變水玻璃的粘流性質(zhì);改善水玻璃混和料的造型性能;提高粘結強度，使水玻璃的絕對加入量減少;提高硅酸凝膠的可塑性;降低殘留強度，使水玻璃砂更適用于鑄鐵和有色合金。 3、物理化學改性 物理改性適宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用?；瘜W改性適宜于處理新鮮水玻璃，改性后的水玻璃可較長時間的存放。物理改性與化學改性結合起來，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高壓釜中加聚丙烯酰胺來改性“老化”的水玻璃

19、效果很好，其中利用高壓釜的壓力和攪拌是屬于物理改性，加聚丙烯酰胺是化學改性。 2 如何防止CO2吹氣硬化水玻璃砂型(芯表面粉化? 鈉水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段時間后，有時在下型(芯表面會出現(xiàn)象白霜一樣的物質(zhì)，嚴重降低該處表面強度，澆注時易產(chǎn)生沖砂缺陷。根據(jù)分析，這種白色物質(zhì)的主要成分是NaHCO3，可能是由于鈉水玻璃砂中含水分或CO2過多而引起的，其生成的反應如下： Na2CO3+H2ONaHCO3+NaOH Na2O+2CO2+H2O2NaHCO3 NaHCO3易隨水分向外遷移，使型、芯表面出現(xiàn)類似霜的粉狀物。 解決的方法如下： 1、控制鈉水玻璃砂的水分不要偏高(特別是雨季和冬季。 2、

20、吹CO2時間不宜過長。 3、硬化的型、芯不要久放，應及時合型澆注。 4、在鈉水玻璃砂中加入占砂1%(質(zhì)量分數(shù)左右、密度為1.3g/cm3的糖漿，可以有效地防止表面粉化。 3 如何提高水玻璃砂型(芯抗吸濕性? 用CO2或加熱等方法硬化的鈉水玻璃砂芯，裝配在粘土濕型中，如果不及時澆注，砂芯強度將急劇降低，不僅可能出現(xiàn)蠕變，甚至斷塌;在潮濕的環(huán)境中儲放的砂芯，強度也明顯降低。表1為CO2硬化鈉水玻璃砂芯在相對濕度為97%環(huán)境中放置24h時的強度值。在潮濕環(huán)境中存放失去強度的原因，是由于鈉水玻璃重新發(fā)生水合作用。鈉水玻璃粘結劑基體中的Na+與OH吸收水分并浸蝕基體，最后使硅氧鍵SiOSi斷裂，致使鈉水

21、玻璃砂粘結強度顯著降低。 表1 鈉水玻璃砂芯在高濕度環(huán)境存放對其強度的影響 水玻璃模數(shù)M 性能 硬化方法 2.00 2.40 2.58 抗拉強度/ MPa CO2硬化1h后 0.41 0.34 0.34 CO2硬化1h后，再在相對濕度 為97%的環(huán)境中存放24h 0 0.21 0.2 解決此問題的措施有： 1、在鈉水玻璃中加入鋰水玻璃，或在鈉水玻璃中加 入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等無機附加物，由于能形成相對不溶的碳酸鹽和硅酸鹽，以及可減少游離的鈉離子，因而可改善鈉水玻璃粘結劑的抗吸濕性。 2、在鈉水玻璃中加入少量有機材料或加入具有表面活性劑作用的有機物，粘結劑硬化時，鈉水玻璃凝膠內(nèi)

22、親水的Na+和OH離子或為有機憎水基取代，或相互結合，外露的為有機憎水基，從而改善吸濕性。 3、提高水玻璃模數(shù)，因為高模數(shù)水玻璃的抗吸濕性比低模數(shù)水玻璃強。 4、在鈉水玻璃砂中加入淀粉水解液。更好的方法是采用淀粉水解液對鈉水玻璃改性。 4 CO2吹氣硬化水玻璃堿性酚醛樹脂砂復合工藝有何特點? 近幾年來，有些中小企業(yè)為提高鑄鋼件質(zhì)量;急需采用樹脂砂工藝，但是由于經(jīng)濟能力有限，無力購置樹脂砂再生設備，舊砂不能再生回用，生產(chǎn)成本高。為了尋找一條既提高鑄件質(zhì)量又不過多增加成本的有效途徑，可結合CO2吹氣硬化水玻璃砂和CO2吹氣硬化堿性酚醛樹脂砂的工藝特點，采用CO2吹氣硬化水玻璃堿性酚醛樹脂砂復合工藝

23、，用堿性酚醛樹脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同時吹CO2硬化。 CO2堿性酚醛樹脂砂所用的酚醛樹脂是由苯酚和甲醛在強堿性催化劑作用下縮聚，并添加耦合劑而制成。其PH值13，粘度500mPa?s。酚醛樹脂在砂中的加入量為3%4%(質(zhì)量分數(shù)。當CO2流量為0.81.0m3/h時，最佳吹氣時間為3060s;吹氣時間過短則砂芯硬化強度低;吹氣時間過長，砂芯強度并不隨之增長，而且浪費氣體。 CO2堿性酚醛樹脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等;澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護;潰散性好，極易清理;尺寸精度高;生產(chǎn)效率高。 CO2吹氣硬化水

24、玻璃堿性酚醛樹脂砂復合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。 該復合工藝是一種簡便的工藝方法，其過程為：先將樹脂砂和水玻璃砂分別混制好后，裝入兩個砂斗;再將混制好的樹脂砂作為面砂加入砂箱并舂實，面砂層厚度一般為3050mm;然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實;最后向鑄型內(nèi)吹CO2氣體進行硬化。 吹氣管的直徑一般為25mm，可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。 吹氣時間取決于砂型(芯的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時間控制在1540s。 吹硬砂型(芯后即可取模。砂型(芯的強度上升速度快。取模后半小時內(nèi)刷上涂料，4小時后即可合箱澆注。 該復合工藝特別適合于沒有樹脂砂再生

25、設備而又要生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的鑄鋼廠，工 藝操作簡便，易于進行工藝控制，生產(chǎn)的鑄件與其它樹脂砂生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量相當。 CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂復合，用于生產(chǎn)高品質(zhì)的各種鑄件。 5 CO2-有機酯復合硬化水玻璃砂工藝有何利弊? 近年來，CO2-有機酯復合硬化水玻璃砂工藝有擴大應用的趨勢。其工藝過程是：在混砂時加入一定數(shù)量的有機酯(一般為正常需要量之半或水玻璃重量的46%;造型完成后，吹CO2硬化到脫模強度(一般要求抗壓強度0.5MPa左右;脫模后，有機酯繼續(xù)硬化，型砂強度以較快速度升高;吹完CO2再放置36h后，砂型即可進行合箱和澆注。 其硬化機理是： 水玻璃砂吹CO

26、2時，在氣體壓力差及濃度差的作用下，CO2氣體將力圖向型砂各方向流動，CO2氣體與水玻璃接觸后，立即與之反應生成凝膠。由于擴散作用，反應總是從外向里，外層先形成一層凝膠薄膜，阻礙CO2氣體和水玻璃繼續(xù)進行反應。因此在短時間內(nèi)，無論采用何種方法控制CO2氣體，使其和全部水玻璃反應是不可能的。據(jù)分析，當型砂達到最佳吹氣強度時，和CO2氣體反應的水玻璃約為65%，這就是說水玻璃沒有充分發(fā)揮粘結作用，至少有35%以上的水玻璃沒有反應。而有機酯硬化劑能與粘結劑形成均勻的混合物，能充分發(fā)揮粘結劑的粘結作用，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立強度。 提高水玻璃加人量，砂型終強度將增加，但是其殘留強度也會增加

27、，導致清砂困難。而水玻璃加入量過少時，其終強度過小，達不到使用要求。在實際生產(chǎn)中,一般把水玻璃加入量控制在4%左右。 單獨用有機酯硬化時，一般有機酯的加人量為水玻璃量的815%。而采用復合硬化時，吹CO2時估計已有一半左右的水玻璃硬化，還有一半左右的水玻璃還沒有硬化。所以有機酯的加人量占水玻璃加人量的46%是比較合適的。 采用復合硬化法，可以充分發(fā)揮CO2硬化和有機酯硬化的雙重優(yōu)點，并能使水玻璃的粘結作用充分發(fā)揮出來，達到硬化速度快，起模早，強度高，潰散性好，成本低的綜合效果。 但是CO2-有機酯復合硬化工藝需要比單純的有機酯硬化法多加0.51%水玻璃，這將給水玻璃舊砂的再生增大難度。 6 為

28、什么采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)鑄鐵件時容易產(chǎn)生粘砂?如何防止? 用鈉水玻璃砂制造的砂型(芯澆注鑄鐵件時，常產(chǎn)生嚴重粘砂，這限制了它在鑄鐵生產(chǎn)中的應用。 鈉水玻璃砂中的Na2O、SiO2等與液態(tài)金屬在澆注時產(chǎn)生的鐵的氧化物，形成低熔點的硅酸鹽。前已述及，如果這種化合物中含有較多易熔性非晶態(tài)的玻璃體，那么這層玻璃體 與鑄件表面結合力很小，而且收縮系數(shù)與金屬也不相同，它們之間就會有較大應力，易于從鑄件表面清除，不產(chǎn)生粘砂。如果在鑄件表面形成的化合物中SiO2含量高，F(xiàn)eO、MnO等含量少，它的凝固組織基本上具有晶體結構，會與鑄件牢固地結合在一起，就產(chǎn)生粘砂。 鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時，由于鑄鐵件澆注溫度低，

29、碳含量高，鐵、錳等不易氧化，形成的粘砂層呈晶體結構，而且鑄鐵件與粘砂層之間難以建立起適宜的氧化鐵層厚度，鑄件與粘砂層間不像樹脂砂生產(chǎn)鑄鐵件時能夠通過樹脂熱解產(chǎn)生光亮碳膜，所以粘砂層不易清除。 為了防止鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時產(chǎn)生粘砂，可采用合適的涂料。如用水基涂料，涂刷后需進行表面烘干，故最好采用醇基快干涂料。 一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉(如3%6%(質(zhì)量分數(shù)，使鑄件與粘砂層間能夠通過煤粉的熱解產(chǎn)生光亮碳膜，由于它不被金屬及其氧化物所潤濕，使得粘砂層容易從鑄件上剝離下來。 7 水玻璃砂有望成為無廢砂排放的環(huán)保型型砂嗎? 水玻璃無色、無臭、無毒，沾于皮膚和衣服后用水沖洗即無大礙，但

30、必須避免濺入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和澆注過程中都沒有刺激性或有害氣體釋出，沒有黑色和酸性污染。但若工藝失當，水玻璃加入過多，水玻璃砂的潰散性便不好，清砂時粉塵飛揚，也會造成污染。同時，舊砂再生困難，廢砂的排放造成對環(huán)境的堿性污染。 如果能克服這兩個難題，水玻璃砂便可成為基本沒有廢砂排放的環(huán)保型型砂。 解決這兩個問題的根本措施是：將水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震動落砂。當水玻璃加入量減少，舊砂中殘留Na2O也減少，使用比較簡易的干法再生，有可能將循環(huán)砂中殘留Na2O量維持在0.25%以下。此再生砂可滿足中小型鑄鋼件單一型砂的應用要求。此時，水玻璃舊砂即使不采用費用高昂、步驟繁

31、復的濕法再生，而用比較簡易便宜的干法再生，也可以做到全額再生利用，基本不再有廢砂排放，砂鐵比可降到11以下。 8 水玻璃砂如何有效再生? 若水玻璃舊砂中殘留Na2O過高，加入水玻璃混砂后，型砂沒有足夠的可使用時間，而且過多的Na2O積累，會惡化石英砂的耐火度。因此水玻璃舊砂再生時要盡可能地去除殘留Na2O。 水玻璃砂再生方法有濕法再生、干法再生、干熱聯(lián)合再生三種。 1、濕法再生 由于舊砂中的殘留水玻璃能夠溶于水，所以水玻璃舊砂可以用濕法再生。其工藝過程是：水玻璃舊砂先經(jīng)磁選、粉碎、過篩、二次磁選，再浸泡在10倍左右 的稀堿水中，并輔以強力攪拌，然后經(jīng)過濾、淋洗、甩干烘干、冷卻。 水玻璃砂濕法再

32、生的特點是： (1舊砂中的Na2O去除率一般可達80%以上，有的甚至可超過90 %。 (2再生砂回用率高，可達95%以上。 (3再生砂可作為造型的面砂和單一砂使用。 (4對于酯硬化水玻璃舊砂，能有效去除殘留酯，延長再生砂混砂后的可使用時間。 但是，水玻璃砂濕法再生的工序繁多，設備龐大，占地大，能耗高，并需要排放大量的廢水，濕砂要烘干，廢水要處理后才能排放，再生費用幾乎與新砂持平。 不同硬化工藝的水玻璃舊砂，濕法再生的難易程度不同。舊砂表面的失水高模數(shù)水玻璃可溶于水，但速度緩慢，特別是CO2法水玻璃表層的不溶性硅凝膠自動溶解的過程更長，為了加速其溶解，往往必須采取攪拌或超聲振蕩。烘干硬化為主的水

33、玻璃舊砂吸濕性強，失水的水玻璃膜較易溶解于水。 2、干法再生 干法再生的原理是利用砂粒與砂粒之間及砂粒與機械之間的機械摩擦、撞擊或高頻振動，使砂粒表面的廢水玻璃膜脫落，以達到去除殘留Na2O的目的。 水玻璃砂干法再生的工作原理是： (1預再生 預再生開始于振動落砂機。振動落砂機是一振動摩擦裝置，從鑄件上落下的砂塊在落砂機的振動下逐漸破碎，由于振動時砂塊與砂粒之間摩擦，去除了一部分廢水玻璃膜。 (2再生 再生方式有逆流摩擦式、氣流撞擊式、機械離心式等，其中以逆流摩擦再生機的再生效果較好，Na2O去除率達4050%。逆流摩擦式再生機的原理是：旋轉的筒體和反向旋轉的轉子(葉輪驅動砂流互相摩擦，達到去

34、除砂粒表面水玻璃膜的目的。 (3除塵 除塵至關重要，因為在整個再生過程中產(chǎn)生大量含有廢水玻璃膜的粉塵，必須將這些粉塵去除掉，否則即使再生設備效果再好，脫膜率很高，仍然不能達到去除殘留Na2O的目的。而且舊砂粉塵含量高，會造成水玻璃加入量增加，進一步增加再生難度，這樣就會形成一種惡性循環(huán)。 3、干熱聯(lián)合再生 砂粒表面的水玻璃膜在通常濕度條件下具有強的韌性，靠撞擊和摩擦很難去除。為了提高脫膜效率，可采用熱法再生，即將舊砂加熱到180200(酯硬化水玻璃舊砂加熱到300350,以利去除殘留有機酯，使水玻璃膜失水脆化，再進行撞擊或摩擦，可使Na2O去除率顯著提高。 干熱聯(lián)合再生方法的殘留Na2O去除率

35、可提高到50%，一般可穩(wěn)定在40%以上。 水玻璃舊砂干法再生的優(yōu)點是設備結構和系統(tǒng)布置較為簡單，投資較少，二次污染較易 解決。 水玻璃舊砂干法再生的缺點是殘留Na2O去除率低，干法再生后的砂一般可用于混制造型的背砂，不宜作為面砂或芯砂。雖然延長再生加工時間可提高Na2O去除率，但是砂粒容易破碎和粉化。采用干熱聯(lián)合再生，存在能源消耗增大和熱砂冷卻困難等問題。 8 砂型鑄造生產(chǎn)技術500問具有哪些特色? 以上幾個問題摘自作者主編的砂型鑄造生產(chǎn)技術500問一書的第五章第5節(jié)“水玻 璃砂”。 眾所周知，鑄造歷來是裝備制造業(yè)的基礎，但是我國鑄造行業(yè)尚屬裝備制造業(yè)的薄弱環(huán)節(jié)。我國要從鑄造大國向鑄造強國邁進

36、，必須盡快解決生產(chǎn)技術水平和人才素質(zhì)問題。這些問題的主要表現(xiàn)是：鑄造生產(chǎn)企業(yè)的工程技術人員后繼乏人，技術力量的不足已嚴重影響了鑄造行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展;大專院校普遍將原來的鑄造、鍛壓、焊接及熱處理專業(yè)合并為金屬材料成形與控制工程專業(yè)，同時大幅削減鑄造方面的專業(yè)課內(nèi)容及學時，學生走上鑄造崗位后很難適應工作要求;多數(shù)鑄造企業(yè)在員工培訓方面的投入難以滿足需求，致使不少在崗人員的繼續(xù)教育主要依靠自學，其特點表現(xiàn)為：時間上的間歇性，內(nèi)容上的斷續(xù)性，理論上的欠缺性，功能上的實用性。因此，編寫一本內(nèi)容以生產(chǎn)實用技術為主，兼有教材、專著與手冊特點，形式新穎，使用方便的適用書籍以滿足相關讀者的需求，已是勢在必行。

37、作者主編的砂型鑄造生產(chǎn)技術500問一書，堅持“適用、常用、實用”原則，以問答和典型案例的形式分析鋼、鐵、銅合金和鋁合金鑄件在砂型鑄造生產(chǎn)過程中普遍存在的有關技術問題，主要內(nèi)容包括鑄件成型與合金強化的基本知識，砂型鑄造材料及工藝，鑄鐵件、鑄鋼件、鋁合金和銅合金鑄件的材料特性、熔煉、澆注及熱處理工藝，鑄件缺陷的分析及防止方法。 該書在結構上，以“是什么怎么辦為什么”的思路進行編寫，重點闡述解決這些問題的切實可行的方法、手段、措施及其效果。在內(nèi)容上，密切結合國內(nèi)鑄造生產(chǎn)現(xiàn)狀，突出重點，兼顧全面;盡量反映編者自己的研究特色和工作經(jīng)驗，也參考大量國內(nèi)外公開發(fā)表的論文資料和研究成果;力圖在傳播實用知識的同

38、時，適當介紹一些不可或缺的基礎知識和獲得知識的途徑。 該書在編寫過程中，強調(diào)理論與實踐相結合，注意分析事物的內(nèi)因與外因的關系，力圖通過事物的表面現(xiàn)象去探討事物的本質(zhì)，盡可能抓住主要矛盾，使問題更有針對性和可操作性。因為每一種材料、工藝及技術的優(yōu)與劣總是相比較而存在，隨條件而轉變，相競爭而發(fā)展，書中試 水玻璃中加入少量有機材料或加入具有表面活性劑作用的有機物，粘結劑硬化時，鈉水玻璃凝膠內(nèi)親水的Na+和OH離子或為有機憎水基取代，或相互結合，外露的為有機憎水基，從而改善吸濕性。 3、提高水玻璃模數(shù)，因為高模數(shù)水玻璃的抗吸濕性比低模數(shù)水玻璃強。 4、在鈉水玻璃砂中加入淀粉水解液。更好的方法是采用淀粉

39、水解液對鈉水玻璃改性。 4 CO2吹氣硬化水玻璃堿性酚醛樹脂砂復合工藝有何特點? 近幾年來，有些中小企業(yè)為提高鑄鋼件質(zhì)量;急需采用樹脂砂工藝，但是由于經(jīng)濟能力有限，無力購置樹脂砂再生設備，舊砂不能再生回用，生產(chǎn)成本高。為了尋找一條既提高鑄件質(zhì)量又不過多增加成本的有效途徑，可結合CO2吹氣硬化水玻璃砂和CO2吹氣硬化堿性酚醛樹脂砂的工藝特點，采用CO2吹氣硬化水玻璃堿性酚醛樹脂砂復合工藝，用堿性酚醛樹脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同時吹CO2硬化。 CO2堿性酚醛樹脂砂所用的酚醛樹脂是由苯酚和甲醛在強堿性催化劑作用下縮聚，并添加耦合劑而制成。其PH值13，粘度500mPa?s。酚醛樹脂在砂中的加

40、入量為3%4%(質(zhì)量分數(shù)。當CO2流量為0.81.0m3/h時，最佳吹氣時間為3060s;吹氣時間過短則砂芯硬化強度低;吹氣時間過長，砂芯強度并不隨之增長，而且浪費氣體。 CO2堿性酚醛樹脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等;澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護;潰散性好，極易清理;尺寸精度高;生產(chǎn)效率高。 CO2吹氣硬化水玻璃堿性酚醛樹脂砂復合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。 該復合工藝是一種簡便的工藝方法，其過程為：先將樹脂砂和水玻璃砂分別混制好后，裝入兩個砂斗;再將混制好的樹脂砂作為面砂加入砂箱并舂實，面砂層

41、厚度一般為3050mm;然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實;最后向鑄型內(nèi)吹CO2氣體進行硬化。 吹氣管的直徑一般為25mm，可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。 吹氣時間取決于砂型(芯的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時間控制在1540s。 吹硬砂型(芯后即可取模。砂型(芯的強度上升速度快。取模后半小時內(nèi)刷上涂料，4小時后即可合箱澆注。 該復合工藝特別適合于沒有樹脂砂再生設備而又要生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的鑄鋼廠，工藝操作簡便，易于進行工藝控制，生產(chǎn)的鑄件與其它樹脂砂生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量相當。 CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂復合，用于生 產(chǎn)高品質(zhì)的各種鑄件。 5 CO

42、2-有機酯復合硬化水玻璃砂工藝有何利弊? 近年來，CO2-有機酯復合硬化水玻璃砂工藝有擴大應用的趨勢。其工藝過程是：在混砂時加入一定數(shù)量的有機酯(一般為正常需要量之半或水玻璃重量的46%;造型完成后，吹CO2硬化到脫模強度(一般要求抗壓強度0.5MPa左右;脫模后，有機酯繼續(xù)硬化，型砂強度以較快速度升高;吹完CO2再放置36h后，砂型即可進行合箱和澆注。 其硬化機理是： 水玻璃砂吹CO2時，在氣體壓力差及濃度差的作用下，CO2氣體將力圖向型砂各方向流動，CO2氣體與水玻璃接觸后，立即與之反應生成凝膠。由于擴散作用，反應總是從外向里，外層先形成一層凝膠薄膜，阻礙CO2氣體和水玻璃繼續(xù)進行反應。因

43、此在短時間內(nèi)，無論采用何種方法控制CO2氣體，使其和全部水玻璃反應是不可能的。據(jù)分析，當型砂達到最佳吹氣強度時，和CO2氣體反應的水玻璃約為65%，這就是說水玻璃沒有充分發(fā)揮粘結作用，至少有35%以上的水玻璃沒有反應。而有機酯硬化劑能與粘結劑形成均勻的混合物，能充分發(fā)揮粘結劑的粘結作用，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立強度。 提高水玻璃加人量，砂型終強度將增加，但是其殘留強度也會增加，導致清砂困難。而水玻璃加入量過少時，其終強度過小，達不到使用要求。在實際生產(chǎn)中,一般把水玻璃加入量控制在4%左右。 單獨用有機酯硬化時，一般有機酯的加人量為水玻璃量的815%。而采用復合硬化時，吹CO2時估計已

44、有一半左右的水玻璃硬化，還有一半左右的水玻璃還沒有硬化。所以有機酯的加人量占水玻璃加人量的46%是比較合適的。 采用復合硬化法，可以充分發(fā)揮CO2硬化和有機酯硬化的雙重優(yōu)點，并能使水玻璃的粘結作用充分發(fā)揮出來，達到硬化速度快，起模早，強度高，潰散性好，成本低的綜合效果。 但是CO2-有機酯復合硬化工藝需要比單純的有機酯硬化法多加0.51%水玻璃，這將給水玻璃舊砂的再生增大難度。 6 為什么采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)鑄鐵件時容易產(chǎn)生粘砂?如何防止? 用鈉水玻璃砂制造的砂型(芯澆注鑄鐵件時，常產(chǎn)生嚴重粘砂，這限制了它在鑄鐵生產(chǎn)中的應用。 鈉水玻璃砂中的Na2O、SiO2等與液態(tài)金屬在澆注時產(chǎn)生的鐵的氧化

45、物，形成低熔點的硅酸鹽。前已述及，如果這種化合物中含有較多易熔性非晶態(tài)的玻璃體，那么這層玻璃體與鑄件表面結合力很小，而且收縮系數(shù)與金屬也不相同，它們之間就會有較大應力，易于從鑄件表面清除，不產(chǎn)生粘砂。如果在鑄件表面形成的化合物中SiO2含量 高，F(xiàn)eO、MnO等含量少，它的凝固組織基本上具有晶體結構，會與鑄件牢固地結合在一起，就產(chǎn)生粘砂。 鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時，由于鑄鐵件澆注溫度低，碳含量高，鐵、錳等不易氧化，形成的粘砂層呈晶體結構，而且鑄鐵件與粘砂層之間難以建立起適宜的氧化鐵層厚度，鑄件與粘砂層間不像樹脂砂生產(chǎn)鑄鐵件時能夠通過樹脂熱解產(chǎn)生光亮碳膜，所以粘砂層不易清除。 為了防止鈉水玻璃砂生

46、產(chǎn)鑄鐵件時產(chǎn)生粘砂，可采用合適的涂料。如用水基涂料，涂刷后需進行表面烘干，故最好采用醇基快干涂料。 一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉(如3%6%(質(zhì)量分數(shù)，使鑄件與粘砂層間能夠通過煤粉的熱解產(chǎn)生光亮碳膜，由于它不被金屬及其氧化物所潤濕，使得粘砂層容易從鑄件上剝離下來。 7 水玻璃砂有望成為無廢砂排放的環(huán)保型型砂嗎? 水玻璃無色、無臭、無毒，沾于皮膚和衣服后用水沖洗即無大礙，但必須避免濺入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和澆注過程中都沒有刺激性或有害氣體釋出，沒有黑色和酸性污染。但若工藝失當，水玻璃加入過多，水玻璃砂的潰散性便不好，清砂時粉塵飛揚，也會造成污染。同時，舊砂再生困難，廢砂的

47、排放造成對環(huán)境的堿性污染。 如果能克服這兩個難題，水玻璃砂便可成為基本沒有廢砂排放的環(huán)保型型砂。 解決這兩個問題的根本措施是：將水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震動落砂。當水玻璃加入量減少，舊砂中殘留Na2O也減少，使用比較簡易的干法再生，有可能將循環(huán)砂中殘留Na2O量維持在0.25%以下。此再生砂可滿足中小型鑄鋼件單一型砂的應用要求。此時，水玻璃舊砂即使不采用費用高昂、步驟繁復的濕法再生，而用比較簡易便宜的干法再生，也可以做到全額再生利用，基本不再有廢砂排放，砂鐵比可降到11以下。 8 水玻璃砂如何有效再生? 若水玻璃舊砂中殘留Na2O過高，加入水玻璃混砂后，型砂沒有足夠的可使用時間

48、，而且過多的Na2O積累，會惡化石英砂的耐火度。因此水玻璃舊砂再生時要盡可能地去除殘留Na2O。 水玻璃砂再生方法有濕法再生、干法再生、干熱聯(lián)合再生三種。 1、濕法再生 由于舊砂中的殘留水玻璃能夠溶于水，所以水玻璃舊砂可以用濕法再生。其工藝過程是：水玻璃舊砂先經(jīng)磁選、粉碎、過篩、二次磁選，再浸泡在10倍左右的稀堿水中，并輔以強力攪拌，然后經(jīng)過濾、淋洗、甩干烘干、冷卻。 水玻璃砂濕法再生的特點是： (1舊砂中的Na2O去除率一般可達80%以上，有的 甚至可超過90 %。 (2再生砂回用率高，可達95%以上。 (3再生砂可作為造型的面砂和單一砂使用。 (4對于酯硬化水玻璃舊砂，能有效去除殘留酯，延長再生砂混砂后的可使用時間。 但是，水玻璃砂濕法再生的工序繁多，設備龐大，占地大，能耗高，并需要排放大量的廢水，濕砂要烘干，廢水要處理后才能排放，再生費用幾乎與新砂持平。 不同硬化工藝的水玻璃舊砂，濕法再生的難易程度不同。舊砂表面的失水高模數(shù)水玻璃可溶于水，但速度緩慢，特別是CO2法水玻璃表層的不溶性硅凝膠自動溶解的過程更長，為了加速其溶解，往往必須采取攪拌或超聲振蕩。烘干硬化為主的水玻璃舊砂吸濕性強，失水的水玻璃膜較易溶解于水。 2、干法再生 干法再生的原理是利用砂粒與砂粒之間及砂粒與機械之間的機械摩擦、撞擊或高頻振動，使砂粒表面的廢水玻璃膜脫落，以達