水玻璃砂铸造应注意的几个问题

水玻璃砂铸造应注意的几个问题国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7~8%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（5～150min）；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：高模数水玻璃（M＝2.89，ρ＝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，ρ＝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15～20%。

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20～30%，减少水玻璃加入量30～40%，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M＞2.6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+H2O→NaHCO3+NaOHNa2O+2CO2+H2O→2NaHCO3NaHCO3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Si—O—Si断裂，致使钠水玻璃砂粘结强度显著降低。

解决此问题的措施有：1、在钠水玻璃中加入锂水玻璃，或在钠水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等无机附加物，由于能形成相对不溶的碳酸盐和硅酸盐，以及可减少游离的钠离子，因而可改善钠水玻璃粘结剂的抗吸湿性。

2、在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物，粘结剂硬化时，钠水玻璃凝胶亲水的Na+和OH—离子或为有机憎水基取代，或相互结合，外露的为有机憎水基，从而改善吸湿性。

3、提高水玻璃模数，因为高模数水玻璃的抗吸湿性比低模数水玻璃强。

4、在钠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对钠水玻璃改性。

4 CO2吹气硬化水玻璃—碱性酚醛树脂砂复合工艺有何特点？近几年来，有些中小企业为提高铸钢件质量；急需采用树脂砂工艺，但是由于经济能力有限，无力购置树脂砂再生设备，旧砂不能再生回用，生产成本高。

为了寻找一条既提高铸件质量又不过多增加成本的有效途径，可结合CO2吹气硬化水玻璃砂和CO2吹气硬化碱性酚醛树脂砂的工艺特点，采用CO2吹气硬化水玻璃—碱性酚醛树脂砂复合工艺，用碱性酚醛树脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同时吹CO2硬化。

CO2—碱性酚醛树脂砂所用的酚醛树脂是由苯酚和甲醛在强碱性催化剂作用下缩聚，并添加耦合剂而制成。

其PH值≥13，粘度≤500mPa•s。

酚醛树脂在砂中的加入量为3%～4%（质量分数）。

当CO2流量为0.8～1.0m3/h时，最佳吹气时间为30～60s；吹气时间过短则砂芯硬化强度低；吹气时间过长，砂芯强度并不随之增长，而且浪费气体。

CO2—碱性酚醛树脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜绝了这些元素引起的铸造缺陷如气孔、表面微裂纹等；浇注时不释放H2S、SO2等有害气体，有利于环境保护；溃散性好，极易清理；尺寸精度高；生产效率高。

CO2吹气硬化水玻璃—碱性酚醛树脂砂复合工艺可广泛用于铸钢件、铸铁件、铜合金和轻合金铸件。

该复合工艺是一种简便的工艺方法，其过程为：先将树脂砂和水玻璃砂分别混制好后，装入两个砂斗；再将混制好的树脂砂作为面砂加入砂箱并舂实，面砂层厚度一般为30～50mm；然后加入水玻璃砂作背砂填充紧实；最后向铸型吹CO2气体进行硬化。

吹气管的直径一般为25mm，可硬化的围为吹管直径的6倍左右。

吹气时间取决于砂型(芯)的尺寸大小、形状、气体流量、排气塞面积的大小。

一般吹气时间控制在15～40s。

吹硬砂型(芯)后即可取模。

砂型(芯)的强度上升速度快。

取模后半小时刷上涂料，4小时后即可合箱浇注。

该复合工艺特别适合于没有树脂砂再生设备而又要生产高品质铸件的铸钢厂，工艺操作简便，易于进行工艺控制，生产的铸件与其它树脂砂生产的铸件质量相当。

CO2吹气硬化水玻璃砂也可与CO2吹气硬化聚丙烯酸钠树脂砂复合，用于生产高品质的各种铸件。

5 CO2－有机酯复合硬化水玻璃砂工艺有何利弊？近年来，CO2－有机酯复合硬化水玻璃砂工艺有扩大应用的趋势。

其工艺过程是：在混砂时加入一定数量的有机酯（一般为正常需要量之半或水玻璃重量的4～6%）；造型完成后，吹CO2硬化到脱模强度(一般要求抗压强度0.5MPa左右)；脱模后，有机酯继续硬化，型砂强度以较快速度升高；吹完CO2再放置3～6h后，砂型即可进行合箱和浇注。

其硬化机理是：水玻璃砂吹CO2时，在气体压力差及浓度差的作用下，CO2气体将力图向型砂各方向流动，CO2气体与水玻璃接触后，立即与之反应生成凝胶。

由于扩散作用，反应总是从外向里，外层先形成一层凝胶薄膜，阻碍CO2气体和水玻璃继续进行反应。

因此在短时间，无论采用何种方法控制CO2气体，使其和全部水玻璃反应是不可能的。