添加剂对水玻璃砂热性能的研究

添加剂对水玻璃砂热性能的研究添加剂对水玻璃砂热性能的研究摘要减少铸造工业对环境的污染，实现绿色清洁的铸造生产，已成为国内外铸造工作者的迫切任务。相比于粘土砂产生的粉尘污染与黑色污染，树脂砂产生的化学污染，水玻璃砂工艺是最有可能实现绿色清洁铸造生产的型砂工艺。水玻璃砂由于具有强度高、成本低、工艺要求简单、环境友好等优点，使它在铸造业成为了被广泛使用的造型材料之一。水玻璃价格便宜，供应充沛，混砂、造型和浇注过程中不释放出刺激和有害的气体，易于实现清洁生产。但水玻璃砂浇注后溃散性差，旧砂回用困难，大多直接废弃，造成环境的碱性污染。要想解决水玻璃砂的溃散性差问题，应从水玻璃砂溃散性的机理研究着手，分析水玻璃砂溃散性差的原因，才能找出解决溃散性差的合理的方法。本课题研究添加剂对水玻璃砂热性能的影响，利用热分析实验研究了添加剂对溃散性的影响，并对实验结果进行分析，确定了添加剂对水玻璃砂不同温度段吸放热的影响趋势，并且对最佳型砂配方进行了验证。结果表明，采用加入添加剂的水玻璃型砂，溃散性良好。添加剂对水玻璃砂热性能的研究关键词：铸造，水玻璃砂，溃散性，热性能Influence of additive on thermal properties of sodium silicate sandABSTRACTNowadays, it is becoming an urgent task for foundry works both at home and abroad to reducing pollution, realizing cleaner production. Compared to clay sand,sodium silicate sand has no dust pollution and black pollution. Whats more, it does not exsits chemical pollution, compared to resin sand. So,sodium silicate sand is a molding process,which is most likely to achieve green production.Sodium silicate sand has become one of the widely used modeling materials, for its high strength,low cost,simple technological requirements. Sodium silicate is cheap, abundant,and does not release noxious gas when molding and casting. However,sodium silicate sand has a poor collasibility after casting. It is difficult to recycle,which results in many sands abandoned. The abandoned sands may bring alkaline plollution. In order to solve the problem of collapsibility of sodium silicate bonded sand, we have to research the mechanism,and analyse the reason why the collapsibility of sodium silicate sand is not what we want.The research additive effect of sodium silicate sand thermal properties, using thermal analysis experiments to study the effects of additives on collapsing and to analyze the results to determine the different temperature ranges of additives for heat absorbing the impact of sodium silicate sand trend, and to the best sand formula verified. The results showed that the use of additives in the water glass sand, collapsing good.Key words: casting, the sodium silicate, collapsibility,thermal properties添加剂对水玻璃砂热性能的研究目录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 水玻璃砂溃散性的国内外研究现状与发展 .11.2.1 添加附加物 .11.2.2 水玻璃改性 .11.2.3 改进硬化工艺 .21.3 水玻璃硬化 .21.3.1 水玻璃砂的硬化机理 .21.3.2 各种硬化方法机理 .21.3.3 水玻璃砂的粘接强度与破裂形式 .31.3.4 水玻璃砂硬化速度与强度的关系 .41.4 水玻璃及特性 .51.4.1 水玻璃的定义 .51.4.2 水玻璃的重要参数 .51.4.3 水玻璃的物理性质 .61.5 本课题的研究意义和内容 .81.6 本论文的结构安排 .82 CO2水玻璃砂的硬化机理研究及其存在的问题 .92.1 CO2的基本性质 .92.2.1 CO2硬化是化学硬化 .102.2.2 CO2硬化是物理硬化 .102.2.3 脱水硬化法 .102.3 吹 CO2时气流与水玻璃膜的作用 .112.4 CO2水玻璃砂低温硬化 .112.5 CO2水玻璃砂的影响因素 .122.5.1 水玻璃的模数和密度 .122.5.2 水玻璃加入量 .132.5.3 吹气时间、方式和流量 .132.5.4 温度 .132.6 CO2水玻璃砂存在的主要问题 .132.6.1 溃散性差 .132.6.2 砂型（芯）表面粉化 .142.6.3 粘结强度偏低，水玻璃加入量大 .142.7 总结 .143 各配方水玻璃砂溃散性研究 .153.1 试验目的 .153.2 添加剂的确定 .153.2.1 添加剂的拟定 .153.3 水玻璃砂加添加剂试验设计及结果分析 .16添加剂对水玻璃砂热性能的研究3.3.1 主要试验原材料、设备及试验方法 .163.3.2 混砂流程 .163.3.3 制样流程 .163.3.4 各配方水玻璃砂性能对比 .173.4 本章小结 .174 添加剂对水玻璃砂热性能的研究 .194.1 实验目的 .194.2 各配方水玻璃砂热性能实验及分析 .194.2.1 主要试验原材料、设备及试验方法 .194.2.2 混砂流程 .194.2.3 制样流程 .204.2.4 DSC 热分析实验 .204.2.5 热膨胀实验 .224.2.6 热台显微镜 .234.3 本章小结 .255 结论及展望 .265.1 结论 .265.2 展望 .26参考文献 .28添加剂对水玻璃砂热性能的研究添加剂对水玻璃砂热性能的研究11 绪论1.1 引言机械制造业是我国国民经济的基础，而铸造业是机械制造业中不可缺少的重要组成部分。而铸钢件的生产主要是水玻璃砂工艺，但是绝大部分铸钢厂还是采用传统的工艺即水玻璃砂强度的提高，长期以来依靠水玻璃加入量来弥补。现在的新工艺、新方法(如有机脂硬化、VHR 硬化、微波硬化等等)，应用的还较少。水玻璃砂溃散性差的问题一直困扰着我国铸钢厂的生产，并且溃散性差的水玻璃砂也很难再生回用。这样，就不可能实现绿色清洁铸造生产。所以本课题对添加剂对水玻璃砂热性能的影响进行了研究，分析添加剂如何改善水玻璃溃散性。1.2 水玻璃砂溃散性的国内外研究现状与发展为了改善水玻璃砂的溃散性，实现的主要办法有三条：（1） 添加附加物；（2） 水玻璃改性；（3） 改进硬化工艺。1.2.1 添加附加物SKH-石灰石、SKH -蛭石及 TN2、TN5 与英国的 Solo Silhi 改性水玻璃砂的溃散性相当, 而从成本看 , SKH-石灰石和 SKH-蛭石与加 7%纯水玻璃的普通水玻璃砂相当, TN2 和 TN5 则低于国内研制的其它改性水玻璃砂和英国 Solo Silhi 改性水玻璃砂, 因此从成本看 TN2、TN5 则更好一些。VRH-CO 2 法是改善中小型铸件用水玻璃砂的溃散性的一种有效的适用的方法 1 。1.2.2 水玻璃改性CO2 水玻璃砂具有冷芯盒工艺的一系列优点，在铸造生产中占有重要地位。但它的残留强度高,溃散性差,给铸件的落砂清理带来一定困难,这些缺点阻碍着它的进一步发展和应用。采用有机改性剂氢化液(SH)和无机溃散剂(AMG及AMGF)的技术措施 ,根据不同生产情况,研制了I型改性水玻璃砂(Wg-SH-AMG)及添加剂对水玻璃砂热性能的研究2II型改良水玻璃(Wg-AMGF) 4 。溃散性差和旧砂再生困难是水玻璃砂工艺的两大难题。采用水玻璃砂新工艺及新材料以降低型砂中水玻璃粘结剂的加入量是解决水玻璃砂溃散性差的有效方法。协调水玻璃砂的常温强度及高温残留强度( 即溃散性)的大小，是改性水玻璃砂工艺的新问题。新型酯硬化改性水玻璃砂工艺具有如下技术优势：（1）铸件的精度高、质量好，还可克服用树脂砂生产铸钢件时易产生热裂的缺点。（2）生产环境友好、对环境污染最轻。（3）生产成本较低、工艺操作性好。与各类树脂砂工艺相比，水玻璃砂工艺的生产成本低。（4）生产装备简单、投资少。1.2.3 改进硬化工艺采用VRH-CO 2 法，水玻璃加入量减少到原来的1/21/3 ，仅为2%3%，CO 2量仅是普通CO 2法的1/101/50。普通CO 2水玻璃加入量一般为6%8%，800 和1000 时的残留强度分别为7.8MPa 和4.2Mpa；而VRH-CO 2法水玻璃加入量一般为2.5%3%，800以上残留强度仅为普通CO 2法的1/10 。1.3 水玻璃硬化1.3.1水玻璃砂的硬化机理水玻璃砂在一定条件下逐渐变硬的过程，称为水玻璃的硬化。水玻璃砂可以通过如下几种方式硬化：（1）加入气体、液体、固体硬化剂，与水玻璃起化学反应，生成具有粘结性能的新产物，常称之为化学硬化。（2）采用能除去水玻璃中水分的方法，常称之为物理硬化。（3）加入可溶性硅酸盐使水玻璃饱和。铸造生产中通常采用一种或几种方法综合使用。1.3.2各种硬化方法机理根据硬化原理的不同，水玻璃砂硬化可分为：吹CO 2气体硬化、加热硬化和添加剂对水玻璃砂热性能的研究3硬化剂自硬化三大类，三种硬化方式的最新发展形成了新一代的水玻璃砂硬化工艺。（1）CO 2 气体硬化水玻璃砂的机理：向水玻璃砂中吹入CO 2气体后，水玻璃能快速硬化，水玻璃由液态变为固态的硬化机理，归纳起来有如下几种观点。1化学硬化在 CO2气体作用下，水玻璃的硬化过程分为三个阶段(1)硅酸钠的分解在CO 2气体作用下，硅酸钠发生快速的分解反应，并发出热量。(2)硅酸凝胶的形成 SiO2的水合作用(3)硅酸凝胶部分失去结合水硅酸凝胶含水量越少，型砂就越坚固，型砂的强度也越高。2物理硬化水玻璃 CO2硬化的本质是物理硬化，水玻璃能够硬化，并非在于化学反应，而是依赖于CO 2的脱水作用；而且，水玻璃硬化后的机械强度，主要来源于水玻璃的脱水。3复合硬化CO2硬化过程中，既有化学硬化反应，同时也有物理硬化作用，是二者的复合。水玻璃与CO 2反应生成硅酸凝胶，这属于化学硬化；而 CO2是一种干燥性很强的气体，其露点为-30，它可以加速水玻璃的干燥过程，产生物理的或玻璃质的粘结，属于物理硬化。1.3.3水玻璃砂的粘接强度与破裂形式水玻璃砂的粘结强度是指水玻璃砂硬化后具有的强度，对水玻璃砂的粘结强度与破裂形式的认识，有利于研究水玻璃砂的硬化机理和提高水玻璃砂的硬化速度。水玻璃和原砂经混砂机混拌以后，砂粒表面上就包覆一层薄薄的水玻璃膜，添加剂对水玻璃砂热性能的研究4即粘结膜。相邻的砂粒通过粘结膜连接起来，形成粘结桥 17。光有粘结膜和粘结桥，并不能把分散的砂粒联结在一起，还需要有胶凝的过程才能建立起粘结强度，见图1.1。图 1.1 砂粒上的粘接膜及砂粒间的粘接桥建立起强度的水玻璃砂的破裂主要有两种：一种是内聚破裂,另一种是附着破裂。一般说来型砂试样的断口上既有内聚破裂又有附着破裂。如果以内聚破裂为主，想要提高强度就得增加粘结剂的用量或是改进粘结剂的聚合；如果以附着破裂为主，则说明粘结剂的作用未充分发挥，想要提高型砂强度，就得设法改善粘结剂与砂粒之间的附着状况。图 1.2 型砂的破裂方式因此，水玻璃砂粘结强度主要取决于三个因素：砂粒本身的形貌和强度，水玻璃的粘结强度和砂粒与水玻璃之间的粘结强度，其中任何一种粘结强度的降低都会降低水玻璃砂的粘结强度。不过，观察水玻璃砂的断裂面基本上是以内聚破裂为主，很少见到附着破裂 17，因此就不过多的考虑砂粒种类的选择。添加剂对水玻璃砂热性能的研究51.3.4水玻璃砂硬化速度与强度的关系水玻璃砂硬化强度包括常温强度、烘干强度和残留强度等。常温强度指在室温下测