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1、水玻璃砂的硬化方法水玻璃砂的硬化方法国内外几十年来对树脂砂铸造工艺的应用实践表明：树脂砂虽然具有铸件尺寸精度高，表面光洁，造型效率高，可以制造形状复杂和内部质量要求严格的铸件，旧砂回收再生容易等优点;但是，树脂砂的生产成本高，环境污染严重，在人们对于自身生存条件和环境的要求日趋严格的条件下，由于车间劳动保护和生产环境卫生方面的投资很大，树脂砂的应用受到一定限制。而水玻璃无色、无臭、无毒，在混砂造型、硬化和浇铸过程中都没有刺激性或有毒气体溢出。故近年来许多国家对水玻璃砂重新重视起来。水玻璃砂的硬化方法可分为热硬法、气硬法和自硬法三大类，包括很多种方法。但目前常用的硬化方法主要有以下两种：1、普通
2、 CO2 气硬法此法是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种快速成型工艺，由于设备简单，操作方便，使用灵活，成本低廉，在国内外大多数的铸钢件生产中得到了广泛的应用。CO2 气体硬化水玻璃砂的主要优点是：硬化速度快，强度高;硬化后起模，铸件精度高。普通 CO2 气体硬化水玻璃砂的缺点是：型(芯)砂强度低，水玻璃加入量(质量分数)往往高达 78%或者更多;含水量大，易吸潮;冬季硬透性差;溃散性差，旧砂再生困难，大量旧砂被废弃，造成环境的碱性污染。2、有机酯自硬法此法是采用液体的有机酯代替 CO2 气体作水玻璃的硬化剂。这种硬化工艺的优点是：型(芯)砂具有较高的强度，水玻璃加入量可降至 3.5%以下;冬季
3、硬透性好，硬化速度可依生产及环境条件通过改变粘结剂和固化剂种类而调整(5150min);型(芯)砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生，回用率80%，减少水玻璃碱性废弃砂对生态环境的污染，节约废弃砂的运输、占地等费用，节约优质硅砂资源;型砂热塑性好，发气量低，可以克服呋喃树脂砂生产铸钢件时易出现的裂纹、气孔等缺陷;可以克服 CO2 水玻璃砂存在的砂型表面稳定性差、容易过吹等工艺问题，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美;在所有自硬砂工艺中生产成本最低，劳动条件好。该硬化工艺的主要缺点是：型芯砂硬化速度较慢，流动性较差。目前铸造生产中，有时采用复合硬化工艺，例如短时吹 CO2 达到起模强度后
4、先起模，再吹热空气，或烘干，或利用有机酯自硬，或自然脱水干燥，以获得较大的终强度，提高生产效率。水玻璃砂铸造时，应重点注意以下几个主要问题：1 影响水玻璃“老化”的因素有哪些?如何消除水玻璃“老化”?新制备的水玻璃是一种真溶液。但是在存放过程中，水玻璃中硅酸要进行缩聚，将从真溶液逐步缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是一种由不同聚合度的聚硅酸组成的非均相混合物，易受其模数、浓度、温度、电解质含量和存放时间的影响。水玻璃在存放过程中分子产生缩聚，形成凝胶，其粘结强度随着贮存时间的延长而逐渐降低，这一现象称为水玻璃“老化” 。“老化”现象可由下述两组试验数据来说明：高模数
5、水玻璃(M=2.89，=1.44g/cm3)贮放 20、60、120、180、240 天后，吹CO2 硬化的水玻璃砂干拉强度相应下降 9.9%、14%、23.5%、36.8%和 40%;低模数水玻璃(M=2.44，=1.41g/cm3)贮放 7、30、60 和 90天后，干拉强度分别下降 4.5%、5%、7.3%和 11%。水玻璃存放时间对酯硬化水玻璃自硬砂初期强度影响不大，但对后期强度影响明显，据测定，对于高模数水玻璃下降 60%左右，对于低模数水玻璃下降 1520%。残留强度也随存放时间的延长而降低。水玻璃在存放过程中聚硅酸的缩聚反应和解聚反应同时进行着，分子量发生了歧化，最终生成单正硅酸
6、和胶粒并存的多重分散体系，也就是在水玻璃的老化过程中，聚硅酸的聚合度发生了歧化，单正硅酸和高聚硅酸的含量均随存放时间的延长而增多。水玻璃在存放中缩聚、解聚反应的结果，使粘结强度下降了，即产生“老化”现象。影响水玻璃“老化”的因素主要有：存放时间、水玻璃的模数和浓度。存放时间越长，模数越高，浓度越大，则“老化”越严重。对久存的水玻璃可以采用多种方法的改性处理，以消除“老化” ，使水玻璃恢复到新鲜水玻璃的性能：1、物理改性水玻璃老化是缓慢释放能量的自发过程，用物理改性处理“老化”的水玻璃就是用磁场、超声波、高频或加热等办法，向水玻璃体系提供能量，促使高聚合的聚硅酸胶粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重
7、新均匀化，从而消除了老化现象，这就是物理改性的机理。例如，用磁场处理后，水玻璃砂的强度提高了 2030%，减少水玻璃加入量 3040%，节约 CO2，改善溃散性，有较好的经济效益。物理改性的缺点是不持久，处理后再贮放，粘结强度又会下降，故适用于铸造厂处理后尽快使用。尤其是 M2.6 的水玻璃，硅酸分子浓度大，经过物理改性解聚后又会较快地缩聚，最好是处理后立即使用。2、化学改性化学改性是往水玻璃中加入少量化合物，这些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羟基、醚基、氨基等极性基团，通过氢键或静电将其吸附在硅酸分子或胶粒表面，改变其表面位能和溶剂化能力，提高聚硅酸稳定性，从而阻止“老化”进行。例如往水玻
8、璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等，可取得较好的效果。往普通水玻璃甚至改性水玻璃中掺入有机物可以起到多种作用，如：改变水玻璃的粘流性质;改善水玻璃混和料的造型性能;提高粘结强度，使水玻璃的绝对加入量减少;提高硅酸凝胶的可塑性;降低残留强度，使水玻璃砂更适用于铸铁和有色合金。3、物理化学改性物理改性适宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用。化学改性适宜于处理新鲜水玻璃，改性后的水玻璃可较长时间的存放。物理改性与化学改性结合起来，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高压釜中加聚丙烯酰胺来改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高压釜的压力和搅拌是属于物理改性，加聚丙烯酰胺是化学改性。2 如何防
9、止 CO2 吹气硬化水玻璃砂型(芯)表面粉化?钠水玻璃砂吹 CO2 硬化并放置一段时间后，有时在下型(芯)表面会出现象白霜一样的物质，严重降低该处表面强度，浇注时易产生冲砂缺陷。根据分析，这种白色物质的主要成分是 NaHCO3，可能是由于钠水玻璃砂中含水分或 CO2 过多而引起的，其生成的反应如下：Na2CO3+H2ONaHCO3+NaOHNa2O+2CO2+H2O2NaHCO3NaHCO3 易随水分向外迁移，使型、芯表面出现类似霜的粉状物。解决的方法如下：1、控制钠水玻璃砂的水分不要偏高(特别是雨季和冬季)。2、吹 CO2 时间不宜过长。3、硬化的型、芯不要久放，应及时合型浇注。4、在钠水玻
10、璃砂中加入占砂 1%(质量分数)左右、密度为1.3g/cm3 的糖浆，可以有效地防止表面粉化。3 如何提高水玻璃砂型(芯)抗吸湿性?用 CO2 或加热等方法硬化的钠水玻璃砂芯，装配在粘土湿型中，如果不及时浇注，砂芯强度将急剧降低，不仅可能出现蠕变，甚至断塌;在潮湿的环境中储放的砂芯，强度也明显降低。表 1 为 CO2 硬化钠水玻璃砂芯在相对湿度为 97%环境中放置 24h 时的强度值。在潮湿环境中存放失去强度的原因，是由于钠水玻璃重新发生水合作用。钠水玻璃粘结剂基体中的 Na+与 OH吸收水分并浸蚀基体，最后使硅氧键 SiOSi 断裂，致使钠水玻璃砂粘结强度显著降低。表 1 钠水玻璃砂芯在高湿
11、度环境存放对其强度的影响水玻璃砂铸造应注意的几个问题2008-04-07水玻璃砂铸造应注意的几个问题兼论砂型铸造生产技术 500 问的特点冯胜山(湖北工业大学机电研究设计院 武汉 430070)国内外几十年来对树脂砂铸造工艺的应用实践表明：树脂砂虽然具有铸件尺寸精度高，表面光洁，造型效率高，可以制造形状复杂和内部质量要求严格的铸件，旧砂回收再生容易等优点;但是，树脂砂的生产成本高，环境污染严重，在人们对于自身生存条件和环境的要求日趋严格的条件下，由于车间劳动保护和生产环境卫生方面的投资很大，树脂砂的应用受到一定限制。而水玻璃无色、无臭、无毒，在混砂造型、硬化和浇铸过程中都没有刺激性或有毒气体溢
12、出。故近年来许多国家对水玻璃砂重新重视起来。水玻璃砂的硬化方法可分为热硬法、气硬法和自硬法三大类，包括很多种方法。但目前常用的硬化方法主要有以下两种：1、普通 CO2 气硬法此法是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种快速成型工艺，由于设备简单，操作方便，使用灵活，成本低廉，在国内外大多数的铸钢件生产中得到了广泛的应用。CO2 气体硬化水玻璃砂的主要优点是：硬化速度快，强度高;硬化后起模，铸件精度高。普通 CO2 气体硬化水玻璃砂的缺点是：型(芯)砂强度低，水玻璃加入量(质量分数)往往高达 78%或者更多;含水量大，易吸潮;冬季硬透性差;溃散性差，旧砂再生困难，大量旧砂被废弃，造成环境的碱性污染。2
13、、有机酯自硬法此法是采用液体的有机酯代替 CO2 气体作水玻璃的硬化剂。这种硬化工艺的优点是：型(芯)砂具有较高的强度，水玻璃加入量可降至 3.5%以下;冬季硬透性好，硬化速度可依生产及环境条件通过改变粘结剂和固化剂种类而调整(5150min);型(芯)砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生，回用率80%，减少水玻璃碱性废弃砂对生态环境的污染，节约废弃砂的运输、占地等费用，节约优质硅砂资源;型砂热塑性好，发气量低，可以克服呋喃树脂砂生产铸钢件时易出现的裂纹、气孔等缺陷;可以克服 CO2 水玻璃砂存在的砂型表面稳定性差、容易过吹等工艺问题，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美;在所有自硬砂工
14、艺中生产成本最低，劳动条件好。该硬化工艺的主要缺点是：型芯砂硬化速度较慢，流动性较差。目前铸造生产中，有时采用复合硬化工艺，例如短时吹 CO2 达到起模强度后先起模，再吹热空气，或烘干，或利用有机酯自硬，或自然脱水干燥，以获得较大的终强度，提高生产效率。水玻璃砂铸造时，应重点注意以下几个主要问题：1 影响水玻璃“老化”的因素有哪些?如何消除水玻璃“老化”?新制备的水玻璃是一种真溶液。但是在存放过程中，水玻璃中硅酸要进行缩聚，将从真溶液逐步缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是一种由不同聚合度的聚硅酸组成的非均相混合物，易受其模数、浓度、温度、电解质含量和存放时间的影响。
15、水玻璃在存放过程中分子产生缩聚，形成凝胶，其粘结强度随着贮存时间的延长而逐渐降低，这一现象称为水玻璃“老化” 。“老化”现象可由下述两组试验数据来说明：高模数水玻璃(M=2.89，=1.44g/cm3)贮放 20、60、120、180、240 天后，吹CO2 硬化的水玻璃砂干拉强度相应下降 9.9%、14%、23.5%、36.8%和 40%;低模数水玻璃(M=2.44，=1.41g/cm3)贮放 7、30、60 和 90天后，干拉强度分别下降 4.5%、5%、7.3%和 11%。水玻璃存放时间对酯硬化水玻璃自硬砂初期强度影响不大，但对后期强度影响明显，据测定，对于高模数水玻璃下降 60%左右，
16、对于低模数水玻璃下降 1520%。残留强度也随存放时间的延长而降低。水玻璃在存放过程中聚硅酸的缩聚反应和解聚反应同时进行着，分子量发生了歧化，最终生成单正硅酸和胶粒并存的多重分散体系，也就是在水玻璃的老化过程中，聚硅酸的聚合度发生了歧化，单正硅酸和高聚硅酸的含量均随存放时间的延长而增多。水玻璃在存放中缩聚、解聚反应的结果，使粘结强度下降了，即产生“老化”现象。影响水玻璃“老化”的因素主要有：存放时间、水玻璃的模数和浓度。存放时间越长，模数越高，浓度越大，则“老化”越严重。对久存的水玻璃可以采用多种方法的改性处理，以消除“老化” ，使水玻璃恢复到新鲜水玻璃的性能：1、物理改性水玻璃老化是缓慢释放能量的自发过程，用物理改性处理“老化”的水玻璃就是用磁场、超声波、高频或加热等办法，向水玻璃体系提供能量，促使高聚合的聚硅酸胶粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均匀化，从而消除了老化现象，这就是物理改性的机理。例如，用磁场处理后，水玻璃砂的强度提高了 2030%，减少水玻璃加入量 3040%，节约 CO2，改善溃散性，有较好的经济效益。物理改性
