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1、水玻璃黏结砂概要中国铸造协会 李传栻工业生产中用水玻璃作黏结剂，大约已有150多年的历史。铸造生产中用水玻璃作黏结剂，最早的应该是Hargreaves和Paulson的工作，他们曾用吹C02的方法使水玻璃黏结砂硬化，并于1898年获得英国的专利。所以，在铸造行业中，开启“化学硬化工艺”之先河的，应该是水玻璃黏结砂。但是，他们两位很快就转而注意水玻璃在其他方面的应用，这项工艺当时未能在铸造生产中推广、应用。上世纪40年代后期，东欧各国和原苏联率先采用水玻璃黏结砂（以下简称水玻璃砂）。1948年捷克的L.Petrzela博士研发的水玻璃砂吹C02硬化工艺获得了英国的专利。此项专利的发布，在英国受到
2、了极大的关注，很快就得到推广。到上世纪50年代初，水玻璃砂曾一度风靡世界。铸造生产中采用水玻璃砂，可不是一件小事，应将其看作铸造工艺方面的一项突破性的进展。在此以前，不能用黏土湿型砂造型的中、大型铸件，只能用黏土砂干型生产。这种传统的老工艺，不仅生产效率很低、能耗高，砂型的质量也不好。水玻璃砂的应用，导入了“化学硬化”的新观念，为造型材料的发展开拓了新的途径。其直接效果是：使用了几千年之久的黏土砂干型工艺很快就退出了铸造界，铸造生产进入了黏土湿型砂和化学黏结砂并用的新时期。水玻璃砂的应用，在改变铸造生产的面貌及提高技术水平方面起了至关重要的作用。与此同时，在实际应用的过程中，我们也逐步认识到，
3、水玻璃砂确实也存在不少问题。面对这些问题，认真地分析、研究，探求解决的方案，就是创新和技术进步的体现。一、水玻璃砂的优点和当前存在的问题任何事物，都要以一分为二的态度去观察、应对。扬长避短只不过是做好工作的第一步。对事物的短有了全面的认识，还可以做到化短为长，这就是创新和发展。水玻璃砂的优点很多，但存在的问题也不少。要用好水玻璃砂，对这两方面都应该有比较深入的了解。1、水玻璃砂的优点水玻璃砂的优点很多，以下是主要的几点。（1）水玻璃是价廉物美的环境友好型材料水玻璃的组成是复合的硅酸钠水溶液，由硅砂和工业碳酸钠配制而成，价格低廉。虽然硅酸钠的生成是化学反应，但制造过程和所用设备都非常简单，而且，
4、制造过程中除释放CO2外不排放任何有害物料，储存、运输过程中也都安全而无害。（2）水玻璃砂可以多种方式硬化水玻璃砂既可以用物理方式硬化，也可以用化学反应的方式硬化，还可以同时兼用两种方式硬化。早期应用的工艺有：加热硬化、真空脱水硬化、吹CO2、真空置换硬化、加入硅铁粉硬化、加入硅酸二钙之类材料硬化、酯硬化等。近年来，微波硬化颇受关注，德国多家企业还联合开发了“吹热空气硬化工艺”。 因而，水玻璃砂可以适应不同的生产条件：可用于大型企业，也可用于小型企业；可用于生产小型铸件，也可用于生产中、大型铸件；可用于造型，也可用于制芯。（3）不影响劳动环境 铸造厂采用水玻璃砂作为造型材料，在生产过程的各个环
5、节（包括造型、制芯，浇注和落砂等），都不散发有害气体。一般情况下，对工人的皮肤也没有刺激作用，这是各种树脂黏接剂无法与之相比的。尽管随着树脂的不断地改进，用树脂砂时气味也可以很小，但铸型浇注后，因树脂热解而排放的气体依然是环保方面的大问题。（4）可以和湿型砂配合使用 用水玻璃砂时，可以只用它作面砂而用黏土湿型砂作背砂。背砂中的水分不会影响水玻璃面砂的硬化，两者可以结合得很好。用树脂砂时，就不能用黏土湿型砂作背砂，因为湿型砂中的水会严重影响树脂砂的硬化。（5）不含氮 用水玻璃砂生产铸钢件，不会因铸型释放氮而使铸件产生气孔的问题。（6）常温强度高、高温强度低 水玻璃砂型的常温强度比黏土砂干型高得多
6、，生产大型铸件时，能保持铸型的刚度和铸件尺寸的稳定性。铸件冷却过程中，铸件-铸型界面处温度上升到800以上，硬化了的水玻璃膜就会熔融而使该处铸型的强度降低。因此，用于生产铸钢件时，产生热裂的可能性很小。 2、水玻璃砂的问题水玻璃砂虽然有上述许多优点，但确也存在不少问题。（1）落砂困难 水玻璃砂的落砂性能不好，是个老、大、难的问题。对水玻璃砂落砂性能影响最大的是水玻璃用量，水玻璃加入量越多，落砂就越困难。目前，我国采用吹CO2硬化工艺的铸造厂，水玻璃砂中水玻璃加入量大都是6左右，甚至更高一些，落砂当然很困难；采用有机酯硬化工艺的，水玻璃砂的用量则在3左右，落砂问题小一些，但仍然不太理想。加入改性
7、剂、溃散剂以改善水玻璃砂的落砂性能，已引起了广泛的兴趣。国内、外不少单位进行了研究，可以说已经成为这一领域中的“热点”。笔者认为，改善水玻璃砂的落砂性能，要以切实了解水玻璃的黏结作用和采取正确的措施降低水玻璃用量为基础，只有在此前提下，才能有效地发挥有机加入剂的作用。指望依赖“溃散剂”立奏奇效，是不切实际的。（2）旧砂的再生困难 水玻璃是硅酸盐的一种，是由硅砂和碱合成的，能很牢固地附着在砂粒表面，而且水玻璃黏结膜的韧性很好，要将砂粒表面上已经硬化的水玻璃黏结膜剥离，是很不容易的。特别是铸件-铸型的界面附近的型砂，浇注后经高温的作用，水玻璃黏结膜还可能与砂粒熔合成一体，要将其剥离就更困难了。既然
8、水玻璃是硅酸钠的水溶液，是亲水性的，采用湿法再生工艺，是不是易于将砂粒表面残留的黏结膜溶解呢？回答也是否定的。液态的水玻璃是可以与水互溶的，但是，使硬化以后的固态水玻璃膜溶于水就不太容易。经高温作用脱除了结构水的水玻璃膜，使其溶于水的难度更大，只有在高压釜中、在较高的温度下，才有可能。40多年国外就有铸造厂采用湿法再生工艺，虽然再生效果优于干法机械再生，但是设备复杂，运转费用高昂。至于热湿法再生的可行性，则仍有待进一步的探讨。水玻璃砂在3400附近有一强度低值点。有人考虑到这一特性，进行了热再生方面的研究。实际上，水玻璃砂在400附近虽然有一强度低值点，但强度也并不太低，抗压强度仍在4 MPa
9、左右。再则，在大量生产的条件下，要控制温度稳定、一致是很不容易的。因此，采用热法再生工艺也难以确保再生砂质量的稳定、一致。我国制造砂再生设备的厂家，在这方面吃过的苦头也确实不少。水玻璃砂用过以后的旧砂再生、回用问题，是制约水玻璃砂推广应用的关键中的关键。到目前为止，德国的同行们经过近10年的努力，在用于有色合金铸件方面，已经有了妥善的解决方案。在钢、铁铸件的生产方面，目前还未见端倪。（3）排放废弃的水玻璃砂对环境的危害很大前面已经提到：水玻璃是环境友好型材料。采用水玻璃砂制造铸件，在生产过程的各环节，都不散发有害气体，也可以说这是一种环境友好型的造型材料。但是，排放废弃的水玻璃砂却是环境的祸害
10、。水玻璃是复合的硅酸钠，碱性很强，而且是水溶性的，如果随意排放的话，钠离子经由雨水传送，会破坏周边的生态环境、污染地下水。就是排放到荒凉的山沟里，其影响附近的植被、污染地下水的问题也不能忽视。作为黏结剂的水玻璃和用水玻璃配制的型砂，目前仍然受到铸造行业普遍重视，主要原因之一是其符合环保要求。如果不能切实解决旧砂再生的问题，今后也可能因为排放废弃砂影响环保，而导致水玻璃砂不受欢迎。这可真是：成也萧何，败也萧何。我国铸钢行业中，采用水玻璃砂的企业仍然很多。在当前砂再生问题还未能妥善解决的条件下，每年排放的废弃砂估计不下400万吨。对此，绝对不可掉以轻心。（4）铸型和芯子储存过程中强度降低 水玻璃砂
11、对环境的相对湿度非常敏感，脱水硬化的水玻璃砂，脱水后的即时强度很高，但制成的铸型或芯子易吸湿而致强度大幅度下降，这也是一个难以解决的问题。一般说来，铸型或芯子贮存环境的相对温度在30%以上，即对其强度有明显的影响。环境相对湿度愈高，则强度的下降愈明显。例如，在200烘干后，即时抗拉强度为1.6MPa的水玻璃砂试样，在相对湿度为65的条件下放置24 h后，抗拉强度下降到0.80.9MPa；在相对湿度为85的条件下放置4 h后，抗拉强度下降到0.5MPa左右，放置24h后，下降到0.2MPa左右。经验表明：采用水玻璃砂时，如环境的相对湿度为75%左右，则铸型和芯子的存放期不宜超过8 h。如环境相对
12、湿度在80以上，则不宜超过4 h。有些铸造厂，铸型或芯子的存放时间往往过长。其原因或者是客观条件所限，不得不如此安排；或者是对吸湿问题缺乏足够的认识。在此情况下，为保持合型时有必要的强度，就不得不在混砂时增加水玻璃用量，使即时强度值很高，以补偿存放过程中的强度损失。这不仅是多耗用了水玻璃，而且会使落砂和旧砂再生的难度增大。自上世纪70年代以来，在寻求改善落砂性能的途径的同时，有不少人进行了改善水玻璃砂吸湿倾向的研究，Foseco公司报告说，加入淀粉水化物对水玻璃进行改性，可显著改善水玻璃砂的溃散性，同时也可使芯子存放过程中的强度损失大为减少。对各种无机附加物的作用，也有人进行过不少研究。据报道
13、，在水玻璃砂中加入CaCO3、ZnCO3、Li2CO3等碳酸盐，都可在一定的程度上改善其吸湿性能，其作用可能是形成较不易溶的碳酸钠，束缚硅酸凝胶中的钠离子。笔者所进行的试验工作表明：简单地在混砂时加入上述有机或无机附加物，实际上不能使水玻璃砂的吸湿倾向有明显的改善。看来，这方面的研究工作还有待深入。不脱水、而以化学方式硬化的水玻璃砂，在硬化后的放置过程中，虽然没有吸湿的问题，但是，随着存放时间的延长，也会因水分蒸发，发生体积收缩，损坏凝胶的结构致使强度下降。在问题尚未能妥善解决之前，加强管理、尽量缩短铸型或芯子的存放时间，是非常重要的。二、水玻璃砂的发展过程铸造行业中水玻璃砂的应用，经历了波浪
14、式的发展过程。这也就充分说明了：水玻璃砂固然存在不少问题，但其生命力是强劲的。几十年来，通过大量的研究工作，我们对它的认识在不断深化，可是，要想全面地认识它、掌握它，还有一段漫长而艰辛的路程。1、快速发展期上世纪40年代后期，捷克和原苏联率先采用水玻璃砂。与传统的黏土砂干型相比，水玻璃砂型不需要长时间烘干，而且强度也高得多，很快就受到各国铸造行业的青睐，我国也从50年代初开始用于生产铸钢件。上世纪40年代后期到50年代后期，水玻璃砂的应用发展很快，十来年就进入了鼎盛时期。2、衰退期各种树脂黏结砂问世后，水玻璃砂很快就在竞争中处于弱势地位。上世纪50年代后期，呋喃树脂自硬砂开始应用，此后，多种树
15、脂黏结剂相继问世，不仅品种不断增加，质量也不断改善。树脂黏结砂的优点很多，如：强度很高，型砂中树脂的用量很少，硬化快、落砂方便，旧砂易于再生回用等。与之相比，水玻璃砂相形见绌，其应用范围随之日见缩小。到70年代，除我国依然广泛应用水玻璃砂外，在其他工业国家的应用日见萎缩，很长一段时间，国外铸造专业的期刊上，几乎见不到有关的经验介绍和研究报告。但是，在改进水玻璃砂方面的研究工作却从未停止，这种工艺仍然不断有所发展。19631964年，日木的西山太喜夫开发了用硅铁粉作硬化剂的自硬水玻璃砂，使水玻璃砂在加热硬化和吹气硬化两种方式之外，又增添了“自硬”的硬化方式，增强了水玻璃砂适应不同生产条件的能力。
16、此后，又陆续发展了用硅酸二钙、氟硅酸钠、脱水石膏和各种水泥作硬化剂的水玻璃自硬砂。在此基础上，还出现了流态自硬砂。用粉状材料作硬化剂的自硬方式，在技术上也是一项进展，但是，混砂时粉状硬化剂不易弥散于型砂中，型砂质量的一致性和稳定性难以保持，其效果不太理想。3、复苏期70年代后期，美国开发了酯硬化水玻璃自硬砂工艺，型砂中水玻璃用量可降到3%，甚至更低一点，落砂性能也因之有所改善。与此同时，虽然各种树脂自硬砂的应用日益广泛，但是，由于树脂的价格昂贵，并在一定程度上存在着环境方面的问题，水玻璃砂又一次受到重视。1980年美国铸造师学会的年会上，就有人提出：“水玻璃砂再次回到铸造行业”这样的观点。1982年，日本铸造技术协会完成了开发真空置换硬化工艺（VRH工艺）的试验室工作，不久就在
