水玻璃固化砂工艺

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本帖被 hmzxz 从 铸造基础知识 移动到本区(2008-01-29)
树脂固化砂的应用实践表明，呋喃的价格较高，环境污染较大，在未来21世纪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，从而使树脂砂的应用受到一定限制，许多国家又对水玻璃固化砂极为重视。最近十多年来，人们对于水玻璃的基本组成和“老化”现象实质的认识深化和新型硬化工艺的开发等两方面均取得了突破性进展，在型芯砂保持足够的工艺强度的条件下，水玻璃加入量（质量分数）可降至2.5%.～3.5%.，从而使水玻璃砂长期存在的溃散性差、 旧砂不能回用的问题得到了较好的解决。水玻璃砂的硬化方法可分为：CO2气硬法和自硬法两种，热硬法已很少采用。
  1.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，由于操作方便、使用灵活、无毒无味、在国内外大多数的铸钢件生产中，得到了广泛的应用。
  （1）硬化原理和特点 水玻璃的出现已有三百多年历史，由于它的成分十分复杂、多变，它的基本组成一直没有搞清楚，对水玻璃的研究主要停留在宏观的层次上。近年来，多种先进测试手段的开发，可深入到分子范畴进行分析和研究，并发现，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，最后成为硅酸胶粒。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长短的影响。
  水玻璃砂吹人CO2气体硬化时，水玻璃的表层因吸收COz而其模数升高和脱水，在酸化和脱水两重作用下，迅速硬化而形成初强度。已固化的表层水玻璃阻碍了CO2往深层渗透，内层水玻璃只能靠脱水而继续增加强度。此法缺点是：型芯砂强度低，含水量大，易吸潮，溃散性差，目前大多用于中、小型铸钢件生产。
  （2）水玻璃的改性 水玻璃在存放过程中分子产生缩聚，形成胶粒，可使其粘结强度下降20%～30%.，这一现象称为水玻璃老化。为了消除老化，必须对水玻璃进行改性，目前改性的方法有物理改性和化学改性两种。物理改性是用磁场、超声波、高频或加热等办法，往水玻璃中供给能量，使已聚合的胶粒解聚，聚硅酸分子重新均匀化。这种改性对高模数水玻璃有效，但是存在重新老化的问题。化学改性是往水玻璃中加人少量化合物，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。例如往水玻璃中加人聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等，均取得了较好的效果。
  （3）发展前景 采用水玻璃改性来提高其粘结能力，往往增加了生产成本和工艺复杂化。近年来，日本又开发了VRH法，此法是先把砂粒间空隙中的空气抽去，再吹入CO2气体，使铸型迅速硬化成型。此工艺可使水玻璃加入量（质量分数，下同）降至 3.0%.以下，而CO2用量仅为原来的1/10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一种无机物，经高温作用后，在常温时粘结桥上会形成大量孔洞，使型芯砂在不受外力作用下，自行溃散的新工艺。
  2．酯硬化法
  （1）硬化原理和特点 此法是采用液体的有机酯作水玻璃的硬化剂。有机酯在强碱性水玻璃溶液的作用下，水解为醇与酸。醇有很强的亲水性，它可夺去水玻璃的水分，构成它的溶剂化水。酸与水玻璃反应，析出醋酸钠，它也有一定的亲水性，能夺取水玻璃的水分，构成它的结晶水。在酸化和脱水双重作用下，使水玻璃砂硬化。这种硬化工艺可使型芯砂具有
很高的强度，不仅水玻璃加入量可降至3.0%以下，而且硬透性和抗湿性均好，适用于各种大型铸钢件的生产。缺点是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流动性较差。
  （2）主要原材料及型砂的工艺控制 酯硬化的水玻璃砂用原材料有硅砂、水玻璃和液体有机酯，这些材料的质量和合理选用将直接影响工艺成败、铸件质量和生产成本。对酯硬化水玻璃砂来说，尽管对硅砂的要求不像树脂砂那样严格，为了降低水玻璃加入量，硅砂应满足如下要求：泥的质量分数≤1.0%，水的质量分数≤0.5%.，细粉的质量分数＜1.0%.和角形系数≤1.3。水玻璃应达到国家专业标准ZBJ31003—88的要求。严格控制水玻璃的模数是成功应用此工艺的关键，应根据季节和室温加以调整：夏季，M=2.2～2.4，其余季节，M=2.4～2.6，有条件时，最好对水玻璃进行改性，消除老化现象。目前用于铸造生产的有机酯有：丙三醇醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二甘醇醋酸酯和丙二醇碳酸酯等，加入量（质量分数）占水玻璃的8%～12%。有机酯是决定酯硬化水玻璃砂的工艺性能和生产成本的关键材料，必须严加选择，即应根据型、芯的大小和水玻璃的模数，合理选用不同型号（快酯、慢酯或混合酯）的有机酯。
  对于酯硬化水玻璃砂的工艺性能来说，主要控制如下性能：起模强度、终强度、可使用时间和残留强度等。
大型铸件的混砂可采用连续式混砂机，造型、制芯均为手工操作。
  （3）发展前景 加入某些附加物，形成复合水玻璃，起着助粘结剂作用，能进一步提高水玻璃的粘结性能，如加入磷酸盐、硼酸盐或铝酸盐等附加物。另外，应用较广泛的有机酯硬化剂，因其价格高而影响了该工艺的推广应用，有人又提出了一种无机酸和有机物配制成的硬化剂，其主要成分为磷酸、磷酸盐和尿素，这种新型硬化剂不仅生产成本低，而且，型芯砂具有较好的溃散性。

水玻璃的化学成分
    水玻璃是由碱金属氧化物和二氧化硅结合而成的可溶性碱金属硅酸盐材料，又称泡花碱。水玻璃可根据碱金属的种类分为钠水玻璃和钾水玻璃，其分子式分别为Na2O.nSiO2和K2O.nSiOz.式中的系数n称为水玻璃模数，是水玻璃中的氧化硅和碱金属氧化物的分子比（或摩尔比）。水玻璃模数是水玻璃的重要参数，一般在1.5-3.5之间。水玻璃模数越大，固体水玻璃越难溶于水，n为1时常温水即能溶解，n加大时需热水才能溶解， n大于3时需4个大气压以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模数越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘结力增大。

    水玻璃的生产有干法和湿法两种方法。干法用石英岩和纯碱为原料，磨细拌匀后，在熔炉内于1300-1400℃温度下熔化，按下式反应生成固体水玻璃，溶解于水而制得液体水玻璃

    湿法生产以石英岩粉和烧碱为原料，在高压蒸锅内，2—3大气压下进行压蒸反应，直接生成液体水玻璃

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谢谢楼主无私奉献,