大學(xué)材料加工工程液態(tài)金屬鑄造成形《水玻璃砂鑄造》課件

1第3章砂型鑄造3.1砂型（芯）制造方法3.2粘土濕型3.3

砂型性能控制3.4水玻璃砂型（芯）3.5樹(shù)脂砂型（芯）3.6砂型烘干、合箱、澆注清理3.4.1水玻璃粘結(jié)劑3.4.2水玻璃砂類(lèi)型3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂3.4.4有機(jī)酯水玻璃砂3.4.5水玻璃砂舊砂回用3.3水玻璃砂型（芯）第3章砂型鑄造3.4水玻璃砂型（芯）8:01上午5

CO2硬化水玻璃砂工藝由捷克人L.Pet?ela于1947年研究成功，并于1948年獲得英國(guó)專(zhuān)利；

1952年水玻璃砂工藝經(jīng)原蘇聯(lián)、捷克專(zhuān)家介紹到我國(guó)，先是作為快干砂在鑄鋼件的生產(chǎn)中使用，1956年前后吹CO2氣體硬化工藝也得到推廣應(yīng)用。直至今日，我國(guó)鑄鋼件和大型鑄鐵件70%以上仍然采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)；七十年代開(kāi)發(fā)粉末硬化劑自硬水玻璃砂；八十年代末我國(guó)開(kāi)始應(yīng)用液態(tài)有機(jī)酯自硬水玻璃砂。3.3.1水玻璃粘結(jié)劑3.4.1水玻璃粘結(jié)劑8:01上午6

水玻璃的種類(lèi)及基本特征Lithiumsilicate(硅酸鋰)Li2O.nSiO2Sodiumsilicate(硅酸鈉)Na2O.nSiO2nfrom2.0to4.0forPotassiumslicate(硅酸鉀)K2O.nSiO2水玻璃通常的化學(xué)表達(dá)式為M2O·mSiO2·nH2O。其中，M為Na+、K+、Li+等，m、n為M2O、SiO2、H2O為三個(gè)組物質(zhì)的量的相互比例。堿金屬元素3.3.1水玻璃粘結(jié)劑3.4.1水玻璃粘結(jié)劑8:01上午7鈉水玻璃又稱(chēng)“泡化堿”

鈉水玻璃的化學(xué)表達(dá)式為Na2O·mSiO2·nH2O，表達(dá)式中的m俗稱(chēng)為“模數(shù)”，它為SiO2與Na2O的摩爾數(shù)比。鑄造水玻璃砂用水玻璃的模數(shù)m一般為1.5~3.0，水玻璃的濃度一般為1.3~1.6(g/cm3)硅酸鈉是弱酸強(qiáng)堿鹽，其干態(tài)時(shí)為白色或灰白色的團(tuán)塊或粉末，溶于水時(shí)，純的鈉水玻璃外觀為無(wú)色粘稠液體，pH值為11~13。鑄造用水玻璃中通常含少量的雜質(zhì)（如Fe2O3、Al2O3、CaO等），故其外觀呈灰色或綠色。3.3.1水玻璃粘結(jié)劑3.4.1水玻璃粘結(jié)劑8:01上午8鈉水玻璃的性能參數(shù)---模數(shù)

鈉水玻璃的主要性能參數(shù)為模數(shù)、密度及雜質(zhì)含量等。對(duì)鈉水玻璃作化學(xué)分析，可得出鈉水玻璃中SiO2和Na2O的質(zhì)量分?jǐn)?shù)模數(shù)(m)為SiO2和Na2O的摩爾比值，可由下式計(jì)算：

m＝SiO2摩爾數(shù)/Na2O摩爾數(shù)

由于Na2O的分子量為62，SiO2的分子量為60，則：

m＝[SiO2%（質(zhì)量）/Na2O%（質(zhì)量）]×1.033

即：m＝[WSiO2/WNa2O]×1.033=R×1.0333.3.1水玻璃粘結(jié)劑3.4.1水玻璃粘結(jié)劑8:01上午9VRH-CO2法水玻璃砂CO2硬化法自硬法加熱硬化普通CO2法硅酸二鈣液態(tài)硬化劑粉末硬化劑無(wú)機(jī)酯有機(jī)酯硅鐵粉普通加熱微波加熱3.3.2

水玻璃砂硬化方式及其分類(lèi)3.4.2水玻璃砂類(lèi)型8:01上午103.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂（1）工藝原理在CO2氣體作用下，鈉水玻璃的硬化過(guò)程分為三個(gè)階段：①

硅酸鈉的分解——在CO2氣體作用下，硅酸鈉發(fā)生快速的分解反應(yīng)，并放出熱量：

Na2Si2O5+CO2→Na2CO3+2SiO2+Q②硅酸凝膠的形成——SiO2的水合作用：

mSiO2+nH2O→mSiO2·nH2O③硅酸凝膠部分失去結(jié)合水（這是一個(gè)吸熱過(guò)程）：

mSiO2·nH2O→mSiO2·pH2O+(n-p)H2O硅酸凝膠含水越少，型砂就越堅(jiān)固，型砂的強(qiáng)度也越高。8:01上午11（2）鈉水玻璃粘結(jié)劑膜的結(jié)構(gòu)模型（水玻璃）Na2Si2O5SiO2砂粒SiO2mSiO2·pH2ONa2CO3NaHCO3CO2氣流3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午12附著斷裂內(nèi)聚斷裂復(fù)合斷裂哪種斷裂形式強(qiáng)度高？粘結(jié)橋3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午13（3）老化問(wèn)題

水玻璃的另一個(gè)問(wèn)題是老化。水玻璃在存放過(guò)程中硅酸的自發(fā)聚合而生成硅膠粒子，硅膠粒子緩慢的釋放能量并長(zhǎng)大，這種現(xiàn)象就叫做水玻璃的老化。老化現(xiàn)象使得水玻璃的粘度不斷下降，強(qiáng)度降低。一般來(lái)說(shuō)，強(qiáng)度損失約30%左右。因此，使用時(shí)應(yīng)該盡可能使用新鮮水玻璃，避免采用老化水玻璃。除了上面所述情況之外，使用水玻璃還應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：盡可能使用抗老化能力強(qiáng)的水玻璃，例如鈉鉀復(fù)合水玻璃，方便生產(chǎn)管理。盡可能使用已經(jīng)在其它工廠應(yīng)用成功的改性水玻璃。在使用強(qiáng)度許可的條件下用較高模數(shù)的水玻璃。在混砂工序之前增加水玻璃物理改性的措施，如在輸送管道上增添磁化處理裝置等。3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午14膠粒老化過(guò)程3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午15

（4）混合料配比及其混制工藝

鈉水玻璃砂可使用各種混砂機(jī)混制。混好的砂最好放在有蓋的容器中，或者用濕的麻袋蓋嚴(yán)實(shí)，以免砂中的水分蒸發(fā)和與空氣中的CO2接觸而造成硬化。

混制工藝按下列順序進(jìn)行：先加干料，混均勻后在加濕料。一般加料順序?yàn)椋?/p>

＋＋＋混制時(shí)間

玻璃砂不宜混制時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，否則對(duì)其濕強(qiáng)度和硬化后的強(qiáng)度影響很大，一般濕混時(shí)間為2～4min；如果用快速混砂機(jī)混制，則只需5～30S原砂粉狀附加物混合料水玻璃有機(jī)液狀附加物出砂3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午16（5）CO2吹氣硬化工藝及其裝置

1）、傳統(tǒng)吹氣方式插管法吹CO2示意圖a）硬化砂型b)硬化砂芯1－膠皮管

2－砂箱

3、6－砂芯

4－芯盒

5－吹氣管

7－芯盒

合理的插管法圖示a)直通管b)多孔管3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午17圖插管法吹CO2示意圖a）硬化砂型b)硬化砂芯1－膠皮管

2－砂箱

3、6－砂芯

4－芯盒

5－吹氣管

7－芯盒

（5）CO2吹氣硬化工藝及其裝置3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂8:01上午18

蓋罩法吹氣的運(yùn)用要注意以下幾點(diǎn)：a、作好吹氣罩板的結(jié)合處的密封，盡可能的減少氣體的泄漏；b、在鑄型的底板或模底板上開(kāi)設(shè)導(dǎo)氣孔；c、盡可能的在吹氣罩上多開(kāi)設(shè)入氣管道，使得硬化比較均勻；d、對(duì)于大型芯多采用大流量、長(zhǎng)時(shí)間的吹氣硬化工藝；該法適用于濕態(tài)取模的水玻璃型芯，或者型芯表面不能破壞的型芯。（5）CO2吹氣硬化工藝及其裝置3.4.3

CO2吹氣硬化水玻璃砂3.4.4有機(jī)酯硬化水玻璃砂有機(jī)酯水玻璃自硬砂的粘結(jié)效率較高，使得水玻璃砂中的水玻璃加入量降至2.5～3.5%，較大地改善了水玻璃砂的潰散性和舊砂的回用性。有機(jī)酯硬化水玻璃工藝所需設(shè)備比較簡(jiǎn)單，投資少、上馬快。其主要優(yōu)點(diǎn)有：(1)水玻璃硬化用有機(jī)酯是低毒性、低粘度、成分均勻的有機(jī)液體，對(duì)環(huán)境污染少；(2)硬化劑定量容易、使用方便、易與水玻璃形成均一的混合物；(3)水玻璃有機(jī)酯型砂強(qiáng)度高，而且粘結(jié)劑加入量的明顯減少，提高了型(芯)砂的流動(dòng)性和耐火度，可明顯改善鑄件的表面質(zhì)量。（1）工藝原理有機(jī)酯水玻璃自硬砂的硬化過(guò)程可分為如下三個(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?；瘜W(xué)反應(yīng)通式如下：

OH-R-COOR’+xH2ORCOOH+R’OH第二階段：有機(jī)酯和水玻璃粘結(jié)劑反應(yīng)，使水玻璃模數(shù)升高，且整個(gè)反應(yīng)過(guò)程為失水反應(yīng)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)水玻璃的粘度超過(guò)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：

Na2O·mSiO2·nH2O+xRCOOH(1-x/2)Na2O·mSiO2·(n+x/2)H2O+xRCOONa

以上兩步總的反應(yīng)式為：

xRCOOR’+Na2O·mSiO2·nH2O+xH2O(1-x/2)Na2O·mSiO2·(n+x/2)H2O+xR’OH+xRCOONa第三階段：水玻璃進(jìn)一步失水硬化。3.4.4有機(jī)酯硬化水玻璃砂（2）、有機(jī)酯用于水玻璃砂硬化酯一般是三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯和單醋酸甘油酯的混合物，而工業(yè)上用的快、慢、中酯實(shí)際上就是這三種酯的比例不同而已，可以通過(guò)不同的三酯、二酯和單酯的比例，調(diào)整硬化速度。酯的種類(lèi)可使用時(shí)間（min）24小時(shí)終強(qiáng)度（MPa）產(chǎn)地15~20℃25~30℃γ－丁內(nèi)酯（快）5~10<52.0～2.5江蘇宜興天源化工有限公司TEL乙酸甘油酯（中）25~3510~20>2.5三甘醇二乙酸酯（慢）60~9030~45>2.53.4.4有機(jī)酯硬化水玻璃砂（3）、硬化劑速度的調(diào)節(jié)

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不同的室溫和濕度，硬化劑的硬化速度不一樣冬天，氣溫低，應(yīng)該用快酯；夏天氣溫高，應(yīng)該用慢酯；春秋季節(jié)，可根據(jù)氣溫的高低，用快、慢酯以不同的比率進(jìn)行互配，達(dá)到一個(gè)合適的可使用時(shí)間。

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硬化劑酯的加入量也會(huì)影響型砂的可使用期，熱天氣溫高可少加硬化劑冬天氣溫低可多加硬化劑不同的原砂，其表面的酸堿、雜質(zhì)不同也會(huì)影響型砂的可使用期。最大的工藝問(wèn)題3.4.4有機(jī)酯硬化水玻璃砂（4）混合料配比及其混制工藝

典型的有機(jī)酯硬化水玻璃砂的配方(質(zhì)量比％)：原砂(40/70篩號(hào))：100％，水玻璃：2.5～4.5％有機(jī)酯(快、中、慢硬化速度)10～15％（占水玻璃量）。

原砂的選擇：石英含量、表面雜質(zhì)、圓整度

水玻璃：模數(shù)、黏度和氣候的關(guān)系！

硬化劑：種類(lèi)、配比和氣候的關(guān)系！3.4.4有機(jī)酯硬化水玻璃砂3.4.5水玻璃砂舊砂再生殘留粘結(jié)膜澆注后不能燃燒分解，牢固地粘附在砂粒表面，干法再生舊砂的脫膜率低。舊砂具有很強(qiáng)的吸濕性，干法再生的效果差；再生前對(duì)舊砂進(jìn)行加熱，可提高除膜效果。水玻璃舊砂粒表面上的殘留物溶于水，濕法再生水玻璃舊砂的效果好。再生砂粒表面上殘留的高模數(shù)水玻璃、酯、鹽等對(duì)再生砂的性能（強(qiáng)度、可使用時(shí)間等）具有巨大影響。去除上述殘留物是舊砂再生的主要任務(wù)。再生（1）水玻璃舊砂再生方法分類(lèi)

再生方法粘結(jié)方法干法濕法熱法化學(xué)法機(jī)械式氣動(dòng)式無(wú)機(jī)粘土粘結(jié)AAAB水玻璃粘結(jié)CO2硬化BBACA酯硬化BBABC有機(jī)樹(shù)脂粘結(jié)冷固化AACA熱固化CCCA

舊砂再生的方法很多，根據(jù)其再生原理可分為：干法再生、濕法再生、熱法再生、化學(xué)再生四大類(lèi)。各種粘結(jié)劑舊砂用不同再生方法的效果3.4.5水玻璃砂舊砂再生（2）干法再生簡(jiǎn)述

再生機(jī)理：碰撞摩擦

優(yōu)勢(shì)：設(shè)備的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)布置較簡(jiǎn)單，投資較少，二次污染問(wèn)題較易解決。

缺點(diǎn)：除膜率低（20~35%）、質(zhì)量差，作單一砂循環(huán)時(shí)，潰散性顯著下降。應(yīng)用：做填充砂或背砂3.