水玻璃砂铸造应注意的几个问题.doc

水玻璃砂锻造应注意的几种问题国内外几十年来对树脂砂锻造工艺的应用实践表白：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规定严格的铸件,旧砂回收再生容易等长处；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规定日趋严格的条件下，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注重起来水玻璃砂的硬化措施可分为热硬法、气硬法和自硬法三大类，涉及诸多种措施但目前常用的硬化措施重要有如下两种：１、一般CＯ2气硬法此法是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种迅速成型工艺,由于设备简朴，操作以便，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重要长处是:硬化速度快，强度高；硬化后起模,铸件精度高一般CO２气体硬化水玻璃砂的缺陷是: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，导致环境的碱性污染。

2、有机酯自硬法此法是采用液体的有机酯替代ＣO2气体作水玻璃的硬化剂这种硬化工艺的长处是：型(芯)砂具有较高的强度，水玻璃加入量可降至3.5％如下；冬季硬透性好,硬化速度可依生产及环境条件通过变化粘结剂和固化剂种类而调节（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，节省废弃砂的运送、占地等费用，节省优质硅砂资源;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浮现的裂纹、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重要缺陷是:型芯砂硬化速度较慢,流动性较差目前锻造生产中,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,或运用有机酯自硬,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锻造时,应重点注意如下几种重要问题: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寄存过程中,水玻璃中硅酸要进行缩聚,将从真溶液逐渐缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。

因此，水玻璃事实上是一种由不同聚合度的聚硅酸构成的非均相混合物,易受其模数、浓度、温度、电解质含量和寄存时间的影响水玻璃在寄存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减少，这一现象称为水玻璃“老化”老化”现象可由下述两组实验数据来阐明：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%水玻璃寄存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％残留强度也随寄存时间的延长而减少水玻璃在寄存过程中聚硅酸的缩聚反映和解聚反映同步进行着，分子量发生了歧化,最后身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寄存时间的延长而增多水玻璃在寄存中缩聚、解聚反映的成果，使粘结强度下降了，即产生“老化”现象。

影响水玻璃“老化”的因素重要有：寄存时间、水玻璃的模数和浓度寄存时间越长,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措施的改性解决，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，用物理改性解决“老化”的水玻璃就是用磁场、超声波、高频或加热等措施,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，用磁场解决后,水玻璃砂的强度提高了20~30%，减少水玻璃加入量30~4０%，节省CO２，改善溃散性,有较好的经济效益物理改性的缺陷是不持久,解决后再贮放，粘结强度又会下降，故合用于锻造厂解决后尽快使用特别是M＞２．6的水玻璃，硅酸分子浓度大,通过物理改性解聚后又会较快地缩聚,最佳是解决后立虽然用2、化学改性化学改性是往水玻璃中加入少量化合物，这些化合物均具有羧基、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,变化其表面位能和溶剂化能力,提高聚硅酸稳定性,从而制止“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，可获得较好的效果。

往一般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:变化水玻璃的粘流性质;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；减少残留强度，使水玻璃砂更合用于铸铁和有色合金3、物理—化学改性物理改性合适于已“老化”的水玻璃,改性后立虽然用化学改性合适于解决新鲜水玻璃,改性后的水玻璃可较长时间的寄存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”的水玻璃效果较好,其中运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　如何避免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）表面会浮现象白霜同样的物质，严重减少该处表面强度,浇注时易产生冲砂缺陷根据分析，这种白色物质的重要成分是NaHCO３，也许是由于钠水玻璃砂中含水分或CO2过多而引起的，其生成的反映如下:Na２ＣＯ３+H2Ｏ→NaHＣO3+NａＯHNa2O+2CＯ2＋H2O→２NａHCO3NaHCＯ３易随水分向外迁移，使型、芯表面浮现类似霜的粉状物解决的措施如下: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时间不适宜过长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,可以有效地避免表面粉化3 如何提高水玻璃砂型（芯）抗吸湿性?用CO2或加热等措施硬化的钠水玻璃砂芯，装配在粘土湿型中,如果不及时浇注,砂芯强度将急剧减少,不仅也许浮现蠕变，甚至断塌;在潮湿的环境中储放的砂芯，强度也明显减少表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寄存失去强度的因素，是由于钠水玻璃重新发生水合伙用钠水玻璃粘结剂基体中的Na+与OH—吸取水分并浸蚀基体,最后使硅氧键Si—O—Si断裂，致使钠水玻璃砂粘结强度明显减少 　表1　 钠水玻璃砂芯在高湿度环境寄存对其强度的影响 　 　 　 　水玻璃模数M 　 　 　　 性能硬化措施2.002.40２.58抗拉强度/ MPaCO２硬化１h后０．41０.340.34CＯ2硬化1ｈ后,再在相对湿度为9７%的环境中寄存２4ｈ00．210.２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，钠水玻璃凝胶内亲水的Na+和OH—离子或为有机憎水基取代，或互相结合，外露的为有机憎水基，从而改善吸湿性3、提高水玻璃模数，由于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措施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，有些中小公司为提高铸钢件质量;急需采用树脂砂工艺,但是由于经济能力有限，无力购买树脂砂再生设备，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但是多增长成本的有效途径，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,同步吹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，并且挥霍气体。

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锻造缺陷如气孔、表面微裂纹等;浇注时不释放H2S、SO2等有害气体,有助于环保;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措施,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;最后向铸型内吹ＣO2气体进行硬化吹气管的直径一般为25mｍ,可硬化的范畴为吹管直径的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内刷上涂料，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,生产的铸件与其他树脂砂生产的铸件质量相称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，用于生产高品质的多种铸件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%）;造型完毕后，吹CO2硬化到脱模强度(一般规定抗压强度０.5MPa左右);脱模后,有机酯继续硬化，型砂强度以较迅速度升高;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，立即与之反映生成凝胶由于扩散作用，反映总是从外向里，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映因此在短时间内,无论采用何种措施控制CO2气体,使其和所有水玻璃反映是不也许的据分析,当型砂达到最佳吹气强度时，和ＣO2气体反映的水玻璃约为６5％,这就是说水玻璃没有充足发挥粘结作用，至少有３５%以上的水玻璃没有反映而有机酯硬化剂能与粘结剂形成均匀的混合物,能充足发挥粘结剂的粘结作用,型芯砂的所有部分都以相似的速度建立强度提高水玻璃加人量,砂型终强度将增长,但是其残留强度也会增长,导致清砂困难而水玻璃加入量过少时，其终强度过小,达不到使用规定在实际生产中，一般把水玻璃加入量控制在4%左右单独用有机酯硬化时，。