造型材料課件：水泥自硬砂-

2023/12/3造型材料2023/12/3水泥自硬砂

【本章知識框架】2023/12/3【導入案例】水泥自硬砂的應用水泥自硬砂是一種以各類水泥為粘結劑能自行硬化的型砂或芯砂。這種型（芯）砂的物理化學性能基本上是水泥、水、砂三者之間相互作用的特性的具體表現(xiàn)。水泥砂是與水玻璃砂、樹脂砂等相類似的一種自硬砂，它的特點是流動性好，與粘土砂相比澆出的鑄件表面光滑，鑄件不易產(chǎn)生夾砂、氣孔、沖砂等缺陷，是鑄造生產(chǎn)中一種較良好的型砂。水泥砂是與水玻璃砂、樹脂砂等相類似的一種自硬砂，它的特點是流動性好，與粘土砂相比澆出的鑄件表面光滑，鑄件不易產(chǎn)生夾砂、氣孔、沖砂等缺陷，是鑄造生產(chǎn)中一種較良好的型砂。水泥砂是與水玻璃砂、樹脂砂等相類似的一種自硬砂，它的特點是流動性好，與粘土砂相比澆出的鑄件表面光滑，鑄件不易產(chǎn)生夾砂、氣孔、沖砂等缺陷，是鑄造生產(chǎn)中一種較良好的型砂。

2023/12/3【導入案例】水泥自硬砂的應用蘇州機床廠生在對水泥砂進行各種性能試驗的基礎上，確定超早強水泥的最佳配料表為：新砂100%，水泥8%，硼酸0.2%~0.4%，水分8%~10%。該種水泥具有良好的流動性，使用該早強水泥砂成功生產(chǎn)了CY5112型立式車床的立柱和橫臂，比較用水泥砂和粘土砂兩者的效果可以看出，不論是造型勞動力、清砂時間，還是原材料節(jié)約等方面，水泥砂均優(yōu)于粘土砂。2023/12/36.1水泥自硬砂的配比

型（芯）砂配比要保證型砂具有一定的成型性能，然后經(jīng)過一定時間之后能達到一定強度和其它性能，使制成的鑄型、型芯能適于澆注，并獲得質量良好的鑄件。本節(jié)主要內(nèi)容：

1.水泥加入量

2.水灰比2023/12/31.水泥加入量水泥自硬砂成型后，當其抗壓強度達到0.2~0.4MPa即可起?；蛘鄢竞?，對于大中型鑄件，達到1~2MPa即可進行澆注。根據(jù)水泥標號選定水泥加入量，一般情況下以6%~12%為宜。如遇到水泥的早期強度低，影響起模，則可加入速凝劑；如硬化太快影響正常操作則可加入緩凝劑

2023/12/32.水灰比在硬化的水泥自硬砂中，水以下列三種形式存在：硬化水化物的化合水，即結晶水；水化物凝膠體的吸附水；所有毛細孔和孔隙中所包含的水。

這三種形式的水的配比，由水泥水化的時間、水化的深度、水灰比、大氣溫度和濕度等條件來才決定。水泥砂中含水量高時必然導致強度降低，凝結緩慢且發(fā)氣量大，使鑄件質量不能保證。因此，確定合適的水灰比是很重要的，應綜合各方面因素加以考慮。2023/12/32.水灰比一般生產(chǎn)條件下，水灰比可選擇在0.75~1.0的范圍內(nèi)，不宜有較大的波動。鑄型澆注時的殘留水分應在2%~3%以下，殘余水分過多，澆注時鑄件易產(chǎn)生氣孔等缺陷。經(jīng)實際測定，確定澆注時允許的殘余水分可參照表6-1。

鑄型及型芯經(jīng)過烘干后，可以防止鑄件產(chǎn)生氣孔，但烘干溫度不能過高，一般采用200~300℃，否則會顯著影響型砂強度。

鑄件型芯使用范圍殘留水分（%）壁厚≤15mm鑄件的型芯≤2.5壁厚>15mm鑄件的型芯3~4局部與鐵水接觸的型芯≤5一般鑄型5~62023/12/36.2水泥自硬砂的高溫性能

水泥砂受熱以后，水化物會發(fā)生脫水現(xiàn)象，分解成氧化鈣。水泥砂加熱到不同溫度的強度變化和試樣失重的百分率見圖6.1。

各種配比的水泥砂，它們的高溫強度曲線形式相同。在250℃時都出現(xiàn)強度最高峰，這是由于水泥凝膠脫水與部分氫氧化鈣產(chǎn)生加速結晶，起了增進密度的作用。升高溫度則強度開始下降，在400~500℃時，強度恢復到室溫強度，這是水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣脫水引起的。在400~800℃之間，除水化物分解外，還有石英砂受熱膨脹的影響，會引起顆粒間的相對移動，使水泥粘結強度受到破壞當溫度達到1000℃時，水化物全部分解，水泥的粘結作用受到完全破壞，強度達到最低點。在1100℃時，曲線稍有提高趨勢，可能是水泥中氧化鐵和氧化鈣熔融生成的類似玻璃體物質而引起一定的強化。到1300℃時形成的玻璃體又被熔化，其強度又下降。此外，水泥砂的常溫強度與高溫強度之間有一定關系，常溫強度高則高溫強度也高。2023/12/36.2水泥自硬砂的高溫性能改變水灰比或在水泥中加入添加劑對高溫強度都有影響。如使用1.5%的氧化鈣為速凝劑，因其能促進水化反應，使水化物結晶完善而使常見的250℃高峰不再出現(xiàn)，但使用0.5%的氯化鈣時，則還會出現(xiàn)250℃高峰。從水泥自硬砂的高溫曲線特點可以看出，水泥砂的激熱強度比粘土砂差。在金屬液長時間的高溫作用下，水泥砂鑄型可能被沖刷破壞，使鑄件產(chǎn)生砂眼、沖砂、夾砂等缺陷。實驗也證明：在1300℃進行激熱試驗時，隨時間增長，型砂的抗壓強度逐漸降低，激熱250s后，各種成分的水泥自硬砂的抗壓強度均低于0.2MPa，激熱600s以后則均低于0.lMPa。因此，當用水泥自硬砂澆鑄大型鑄件時，應采取相應的工藝措施，以免產(chǎn)生鑄造缺陷。

2023/12/36.3常用水泥自硬砂

6.3.1硅酸鹽水泥自硬砂6.3.2礬土水泥自硬砂6.3.4雙快水泥自硬砂2023/12/36.3.1硅酸鹽水泥自硬砂硅酸鹽水泥自硬砂可用于鑄鐵及有色合金鑄件的鑄型和型芯。幾種常用硅酸鹽水泥自硬砂的配比見表6-2，此表僅作參考.應根據(jù)具體情況適當調(diào)整。序號原砂水泥膨潤土水糖漿氧化鐵粉焦炭粉185717———2809.5280.5——386.5733.5——47492.590.5—55829—7—2—2023/12/36.3.1硅酸鹽水泥自硬砂一般使用的水泥標號為400或500號。用低標號水泥時用量較多，在10%左右，使用高標號時，可用7%~8%。水泥的礦物組成，要求含快凝組分越高越好，且水泥表面積應盡量大。糖漿的作用是促使水泥早凝早硬，并能改善型砂的出砂性能和造型性能。糖漿加入量一般為3%~4%。水的加入量也極為重要，由于糖漿改善了水泥顆粒的分散狀況，水灰比控制在0.5左右，水的加入量在3%~4%已經(jīng)足以滿足水泥水化反應和發(fā)展強度的需要。如果加水過多，水分蒸發(fā)緩慢，可能影響起模時間和24h以后的強度。2023/12/36.3.1硅酸鹽水泥自硬砂圖6.2為水泥砂強度與石灰水加入量的關系。夏季和冬季氣溫相差很大，可加入緩凝劑或促硬劑加以調(diào)整。圖6.3為同一配方的情況下，水泥砂強度與溫度的關系。

圖6.2糖漿水泥砂的強度與消石灰加入量的關系

圖6.3糖漿水泥砂的強度與溫度的關系

2023/12/36.3.1硅酸鹽水泥自硬砂下面列舉幾種添加劑加入量對水泥砂強度影響，見圖6.4。

圖6.4添加劑對水泥糖漿自硬砂強度的影響

水泥砂的配比為：40/70目天然石英砂100%，標號500的水泥8%，糖漿4%，水3%；添加劑溶液配比及加入量為：①0.5%的硼酸加入量1.5%；②0.5%的磷酸鈉溶液加入量2.0%；③0.5%的氟硅酸鈉溶液加入量1.0%。在加入適當添加劑之后水泥砂可獲得足夠的硬化性能，可以作為良好的粘結材料用于自硬砂。

2023/12/36.3.1硅酸鹽水泥自硬砂國內(nèi)外，在硅酸鹽水泥自硬砂中，加入聚乙烯醇等有機粘結劑進行試驗，結果表明，水泥砂中加1%聚乙烯醇后，在一定程度上，綜合了這兩類粘結劑的優(yōu)點。型砂配制后，水泥即逐漸吸收聚乙烯醇溶液中的水，使其變稠，從而使型砂具有強度。水泥水化后，也逐漸硬化而進一步提高了強度。配制型砂時，先將聚乙烯醇在不斷攪拌的情況下溶于70℃左右的熱水中，聚乙烯醇在溶液中占15%，冷卻后待用。聚乙烯醇水泥自硬砂的配比如下：原砂100%，硅酸鹽水泥3%~5%，聚乙烯醇水溶液5.5%~6.5%。先將原砂和聚乙烯醇溶液混勻，然后加入水泥再混至充分分三為止。這種自硬砂不僅有良好的自硬性能，而且出砂性良好。2023/12/36.3.2礬土水泥自硬砂硅酸鹽水泥由于耐火度不夠，故主要用于鑄鐵和有色合金鑄件。鑄鋼件用的鑄型和型芯以及鑄鐵件用的半永久型往往采用礬土水泥作為型砂的粘結硬化劑。礬土水泥是用氧化鋁為主要原料，加入適量的石灰石，經(jīng)煅燒磨細而成。它的化學成分中以A12O3和CaO為主（A12O3占33~35%），礦物組成中含有多種鋁酸鈣，如鋁酸一鈣CaO?A12O3（簡寫為CA）、二鋁酸一鈣CaO?2A12O3（簡寫為CA2）、三鋁酸五鈣5CaO?3A12O3（簡寫為C5A3）等。2023/12/36.3.2礬土水泥自硬砂礬土水泥自硬砂中，一般加入礬土水泥9%~12%，加水7%~10%。有時還加入1%~3%左右的糖漿和其它附加物。表6-3為幾種礬土水泥自硬砂的組成，僅供參考。

在礬土水泥的水化物中，高溫作用下的體積收縮和強度降低較小。故礬土水泥砂可用來作鑄鋼件的鑄型和型芯。用20%礬土水泥作粘結劑，80%含氧化鋁較高的礦砂作填充料，制成半永久性鑄型和型芯，可簡化造型工作。序號原砂礬土水泥水糖漿亞甲基雙萘磺酸鈉1848.57.5——2848.562.50.138677——2023/12/36.3.2礬土水泥自硬砂礬土水泥的硬化過程與硅酸鹽水泥相似，但礬土水泥還具有高強快硬的特點。這是因為礬土水泥的主要成分鋁酸鹽水化反應快，其中CA、C5A3都能很快水化生成鋁酸鈣結晶和氫氧化鋁凝膠A12O3?H2O。CA2雖然水化作用較慢，但水化產(chǎn)物具有較高的機械強度。在各種鋁酸鹽中CA的水化過程最重要，它的反應式如下：

2023/12/36.3.2礬土水泥自硬砂為了加快礬土水泥的凝結速度，可加入促凝劑，如Ca(OH)2、KOH、NaOH、Na2CO3及鋰鹽等。反之，則可以加入緩凝劑如NaCl、KCl、稀鹽酸和甘油籌來減緩其凝結速度。在實際應用中礬土水泥自硬砂存在兩個問題:其一，礬土水泥水化時需水量很大，因此，其殘留水分還是相當高，影響鑄件質量。其二，水泥的凝結時間長，需要幾小時以后才達到起模強度。解決辦法：陰離子型減水劑來降低礬土水泥的水灰比，同時也降低了水泥的使用量

過去需用9%~12%的礬土加入量，而現(xiàn)在只用8%的加入量就可以滿足強度需要。水灰比也可以減到0.5~0.75即能保證有良好的表面性能。采用5%當量濃度的氧化鋰作為促凝劑，在不同加入量的情況下，使型砂的使用時間可在3min~6h之間調(diào)節(jié)。2023/12/36.3.2礬土水泥自硬砂根據(jù)上述方法，采用以下兩種礬土水泥自硬砂。礬土水泥8%，表面活性材料1%，氯化鋰0.003%，水灰比分別為0.75和0.5。24h以后0.75水灰比的自硬砂強度為1.5~2.0MPa，0.5水灰比的強度為1.0~1.5MPa。這兩種自硬砂，在成型后30~40min，抗壓強度都有0.2MPa，已能起模；24h后的殘留水分都在2%以下，可澆注。礬土水泥的水化產(chǎn)物CA?10H2O和2CA?8H2O都是不穩(wěn)定的產(chǎn)物，都將轉變?yōu)?CA?6H2O。因此，提高溫度時水泥硬化的更快，經(jīng)過120℃烘干其強度可以急劇上升。但是3CA·6H2O的失水溫度較低，在225~270℃時便全部失水，強度降低，這對型砂出砂性有利。但是從激熱強度考慮，礬土水泥又不如其他水泥自硬砂，因此在工藝上應采用措施防止沖砂。目前，我國生產(chǎn)礬土水泥量不多，因而這種自硬砂的應用較少。2023/12/36.3.3雙快水泥自硬砂雙快水泥（又名調(diào)凝水泥）是快凝快硬水泥的簡稱。與普通水泥作比較，這種水泥能在2~30min內(nèi)凝結，而普通水泥則需2~8h才能凝結。普通水泥需要28天才能達到的強度，這種水泥在9~24h內(nèi)就可達到。能快凝和快硬的水泥材料按其熟料礦物組成來分，可分為硅酸鹽類、氟鋁酸鈣類和硫鋁酸鈣類三種。盡管這三種的快凝組分各不相同，但由于用它們配制的自硬砂性能，基本相同。為了簡便起見，只介紹目前應用最多的硅酸鹽類雙快水泥自硬砂。2023/12/31.雙快水泥的組成在生料中加入礬土和增加石膏用量，另外還攙加一些礦化劑螢石。煅燒成熟料以后，磨粉也比較細，在熟料中為了控制快凝程度可以用半水石膏或酒石酸籌等調(diào)節(jié)。雙快水泥熟料和普通水泥熟料的礦物組成和化學成分對比見表6-4和表6-5

表6-42023/12/31.雙快水泥的組成比較可見雙快水泥中，氧化鋁含量較高，在礦化劑螢石的影響下，原來普通水泥中的快凝組分C3A轉變成雙快水泥中的氟鋁酸鈣。表6-52023/12/31.雙快水泥的組成兩種水泥的物理性能見表6-6，雙快水泥比表面積大，約為普通水泥的兩倍以上，這也是能快凝快硬的原因之一。

2023/12/32.雙快水泥自硬砂的硬化原理雙快水泥加水以后，其快凝組分氟鋁酸鈣在一小時內(nèi)與水反應完畢，迅速生成數(shù)量較多水化硫鋁酸鈣針狀晶體和鋁膠；其它組分在大量的硫鋁酸鈣作用下，也很快起水化反應，水化物迅速成長，獲得快硬的效果。雙快水泥快凝組成物的水化反應，據(jù)資料介紹如下：首先氟鋁酸鈣與水溶液中的硫酸鈣起作用，生成水化低硫鋁酸鈣，并析出氟鋁膠：

2023/12/3含有12個結晶水的水化低硫鋁酸鈣，在多余的硫酸鈣作用下，生成含有32個結晶水的水化高硫鋁酸鈣：當形成水化硫鋁酸鈣時，大量吸水使水泥變稠，并建立一定的早期強度。而有資料指出，普通水泥中的鋁酸鈣水化反應為：幾乎不產(chǎn)生強度，但對快速硬化水泥來說，由于生成C3A·3CaO4·32H2O卻能產(chǎn)生早期強度，是因為所生成的C3A·3CaO4·32H2O不但數(shù)量有差別，而且其形態(tài)也有差別

2.雙快水泥自硬砂的硬化原理2023/12/32.雙快水泥自硬砂的硬化原理另一方面，在水化過程中還能析出Al(OH)3膠體，即：也有人認為：前述所析出的氟鋁膠在有Ca(OH)2的情況下也能生成鋁膠，即：

生成的膠體填充在水化硫鋁酸鈣的晶體骨架中構成比較致密的結構，更促使強度提高。此外，在生成的水化硫鋁酸鈣的過程中，還產(chǎn)生大量的水化熱，促進了硅酸三鈣的水化并生成Ca(OH)2，硅酸三鈣水化是水泥后期強度增長的原因。2023/12/32.雙快水泥自硬砂的硬化原理為了便于理解雙快水泥的硬化原理，將各種反應歸納如下：

調(diào)凝時加入的緩凝劑，抑止了氟鋁酸鈣和硫酸鈣的反應。

2023/12/33.雙快水泥自硬砂的混砂工藝常用的雙快水泥混砂工藝如下：先將原砂和雙快水泥干混1~2min，然后加水或加入緩凝劑及表面活性劑的水溶液，濕混1~2min后即可出砂。也可以采用如下工藝：原砂和雙快水泥及硼酸先干混1~2min，后加水或紙漿廢液濕混1~2min即可出砂。干混時要使砂和水泥混合均勻，否則對強度影響很大。用碾輪式混砂機的效果比連續(xù)式的效果好。

2023/12/34.雙快水泥自硬砂的性能及控制1)雙快水泥自硬砂的性能雙快水泥自硬砂的性能包括強度、出砂性、發(fā)氣性、流動性、硬化速度和可使用時間等。(1)強度：由于雙快水泥的比表面積很大和具有快凝組分，能迅速生成針狀水化硫鋁酸鈣晶體與鋁膠，因而雙快水泥自硬砂的早期強度較高。隨著時間的增長，水泥水化反應的繼續(xù)進行，以及硅酸三鈣的水化作用，強度逐漸增加，后期強度也較高，雙快水泥如入量在6%~8%時，24h后的雙快水泥自硬砂的抗壓強度可達0.9MPa以上。完全可以滿足造型或制芯的要求。(2)出砂性：雙快水泥水化后生成的水化硫鋁酸鈣中含有很多的結晶水，當鑄型在澆注過程中，受熱水化硫鋁酸鈣失去結晶水，破壞了它的內(nèi)部結構，故雙快水泥自硬砂的殘留強度急劇下降，800~1000℃時的殘留強度僅為0.14~0.17MPa，因此，出砂性較好。幾種自硬砂的殘留強度比較見表6-7。

2023/12/34.雙快水泥自硬砂的性能及控制表6-7幾種自硬砂的殘留強度比較（MPa）

(3)發(fā)氣量：一般說來，雙快水泥自硬砂硬化后的殘余水分較高，而且水泥水化后的生成物中含有較多的結晶水，在澆注過程中會產(chǎn)生較多的氣體，所以發(fā)氣性要比粘土砂的高，比硅酸二鈣水玻璃自硬砂低些，見圖6.5。2023/12/34.雙快水泥自硬砂的性能及控制圖6.5雙快水泥自硬砂、硅酸二鈣水玻璃自硬砂和粘土砂的發(fā)氣性比較

2023/12/34.雙快水泥自硬砂的性能及控制(4)流動性在早期強度形成之前，亦即在可使用時間范圍內(nèi)此時由于水泥水化反應生成物較少和存在著較多的游離水，水泥的粘結力很小，故濕態(tài)強度很低因而在外力作用下砂粒之間互相滑動的阻力甚小。流動性良好。

(5)硬化速度和可使用時間在不加緩凝劑的情況下，雙快水泥自硬砂的早期硬化速度很快，可使用時間卻很短一般在15min以下，給造型或制芯操作造成一定的困難，故常需加入緩凝劑調(diào)凝2023/12/3性能控制為了獲得良好性能的雙快水泥自硬砂，主要從水灰比、添加劑和溫度方面進行控制。

(1)水灰比使用約10%普通水泥時，水分控制在6%左右比較合適，提高水的加入量，水泥砂的強度將受到影響。而用10%雙快水泥時，水分雖變化在4%~10%之間，但對其早期強度發(fā)展影響不顯著。根據(jù)鑄造需要而定，寧可采用低的水灰比，可以獲得低的殘余水分，從而保證鑄件質量。采用低水灰比時，由于雙快水泥水化時放熱量大，使表面失水情況嚴重，影響表面穩(wěn)定性，建議加入適量的的保水劑。因此對雙快水泥來說控制水灰比，主要是為了控制殘余水分。2023/12/3性能控制(2)添加劑雙快水泥的凝結時間比較短促，很多反應都在短時間內(nèi)完成，而且又對很多添加劑非常敏感。使用添加劑時應慎重，通過實驗后再進行。還應