液态金属铸造成形（第3章）第8讲 水玻璃砂铸造

1、材料科学与工程学院华中科技大学HUAZHONG UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY1授课教师：董选普教授 吕书林博士第3章 砂型铸造3.1 3.1 砂型（芯）制造方法砂型（芯）制造方法3.2 3.2 粘土湿型粘土湿型3.3 砂型性能控制砂型性能控制3.4 3.4 水玻璃砂型（芯）3.5 3.5 树脂砂型（芯）树脂砂型（芯）3.6 3.6 砂型烘干、合箱、浇注清理砂型烘干、合箱、浇注清理3.4.1 3.4.1 水玻璃粘结剂水玻璃粘结剂3.4.2 3.4.2 水玻璃砂类型水玻璃砂类型3.4.33.4.3 CO2CO2吹气硬化水玻璃砂吹气硬化水玻璃砂3.4.

2、4 3.4.4 有机酯水玻璃砂有机酯水玻璃砂3.4.5 3.4.5 水玻璃砂旧砂回用水玻璃砂旧砂回用3.3 水玻璃砂型（芯）水玻璃砂型（芯）第3章 砂型铸造3.4 3.4 水玻璃砂型（芯）水玻璃砂型（芯）l CO2硬化水玻璃砂工艺由捷克人L. Petela于1947年研究成功，并于1948年获得英国专利；l 1952年水玻璃砂工艺经原苏联、捷克专家介绍到我国，先是作为快干砂在铸钢件的生产中使用，1956年前后吹CO2气体硬化工艺也得到推广应用。直至今日，我国铸钢件和大型铸铁件70%以上仍然采用水玻璃砂工艺生产；l 七十年代开发粉末硬化剂自硬水玻璃砂；l 八十年代末我国开始应用液态有机酯自硬水玻

3、璃砂。3.3.1 水玻璃粘结剂3.4.1 水玻璃粘结剂 水玻璃的种类及基本特征 lLithium silicate (硅酸锂)nLi2O. nSiO2lSodium silicate (硅酸钠)nNa2O.n SiO2n n from 2.0 to 4.0 for lPotassium slicate (硅酸钾)nK2O.n SiO2n水玻璃通常的化学表达式为M2OmSiO2nH2O。其中，M为Na+、K+、Li+等，m、n为M2O、SiO2、H2O为三个组物质的量的相互比例。碱金属元素碱金属元素3.3.1 水玻璃粘结剂3.4.1 水玻璃粘结剂l钠水玻璃又称“泡化碱” l钠水玻璃的化学表达式为

4、Na2OmSiO2nH2O，l 表达式中的m 俗称为“模数”，它为SiO2与Na2O的摩尔数比。l 铸造水玻璃砂用水玻璃的模数m一般为1.53.0，l 水玻璃的浓度一般为1.31.6(g/ cm3) v 硅酸钠是弱酸强碱盐，其干态时为白色或灰白色的团块或粉末，溶于水时，纯的钠水玻璃外观为无色粘稠液体，pH值为1113。铸造用水玻璃中通常含少量的杂质（如Fe2O3、Al2O3、CaO等），故其外观呈灰色或绿色。3.3.1 水玻璃粘结剂3.4.1 水玻璃粘结剂钠水玻璃的性能参数- - 模 数 钠水玻璃的主要性能参数为模数、密度及杂质含量等。 对钠水玻璃作化学分析，可得出钠水玻璃中SiO2和Na2O

5、的质量分数 模数(m)为SiO2和Na2O的摩尔比值，可由下式计算： m SiO2摩尔数 / Na2O摩尔数 由于Na2O的分子量为62，SiO2的分子量为60，则： mSiO2%（质量）/ Na2O%（质量）1.033 即： mWSiO2 / WNa2O 1.033= R1.033 3.3.1 水玻璃粘结剂3.4.1 水玻璃粘结剂VRH-COVRH-CO2 2法法水玻璃砂水玻璃砂COCO2 2硬化法硬化法自硬法自硬法加热硬化加热硬化普通普通COCO2 2法法硅酸二钙硅酸二钙液态硬化剂液态硬化剂粉末硬化剂粉末硬化剂无机酯无机酯有机酯有机酯硅铁粉硅铁粉普通加热普通加热微波加热微波加热3.3.2

6、水玻璃砂硬化方式及其分类3.4.2 水玻璃砂类型3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂在在COCO2 2气体作用下，钠水玻璃的硬化过程分为三个阶段：气体作用下，钠水玻璃的硬化过程分为三个阶段： 硅酸钠的分解硅酸钠的分解在在COCO2 2气体作用下，硅酸钠发生快速的分解反应，并放气体作用下，硅酸钠发生快速的分解反应，并放出热量：出热量： NaNa2 2SiSi2 2O O5 5 + CO + CO2 2 Na Na2 2COCO3 3 + 2SiO + 2SiO2 2 + Q + Q 硅酸凝胶的形成硅酸凝胶的形成SiOSiO2 2的水合作用：的水合作用： mSiOmSiO2 2 + nH +

7、 nH2 2O mSiOO mSiO2 2nHnH2 2O O 硅酸凝胶部分失去结合水（这是一个吸热过程）：硅酸凝胶部分失去结合水（这是一个吸热过程）： mSiOmSiO2 2nHnH2 2O mSiOO mSiO2 2pHpH2 2O + (n-p) HO + (n-p) H2 2O O 硅酸凝胶含水越少，型砂就越坚固，型砂的强度也越高。硅酸凝胶含水越少，型砂就越坚固，型砂的强度也越高。（2 2）钠水玻璃粘结剂膜的结构模型）钠水玻璃粘结剂膜的结构模型（水玻璃）（水玻璃）NaNa2 2SiSi2 2O O5 5SiO2砂粒砂粒SiO2mSiO2pH2ONa2CO3NaHCO3CO2气流气流3.

8、4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂附着断裂附着断裂内聚断裂内聚断裂复合断裂复合断裂哪种断裂哪种断裂形式强度形式强度高？高？粘结桥粘结桥3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂（3 3）老化问题）老化问题 水玻璃的另一个问题是水玻璃的另一个问题是老化老化。水玻璃在存放过程中硅酸的自发聚合而生成硅胶粒子，。水玻璃在存放过程中硅酸的自发聚合而生成硅胶粒子，硅胶粒子缓慢的释放能量并长大，这种现象就叫做硅胶粒子缓慢的释放能量并长大，这种现象就叫做水玻璃的老化水玻璃的老化。老化现象使得水玻璃。老化现象使得水玻璃的粘度不断下降，强度降低。的粘度不断下降，强度降低。一般来说，强度损失约一般来说，强度损失

9、约30%30%左右左右。因此，使用时应该尽可能。因此，使用时应该尽可能使用新鲜水玻璃，避免采用老化水玻璃。使用新鲜水玻璃，避免采用老化水玻璃。 除了上面所述情况之外，使用水玻璃还应该注意以下几个方面的问题除了上面所述情况之外，使用水玻璃还应该注意以下几个方面的问题：a)a) 尽可能使用抗老化能力强的水玻璃，例如钠钾复合水玻璃，方便生产管理。尽可能使用抗老化能力强的水玻璃，例如钠钾复合水玻璃，方便生产管理。b)b) 尽可能使用已经在其它工厂应用成功的改性水玻璃。尽可能使用已经在其它工厂应用成功的改性水玻璃。c)c) 在使用强度许可的条件下用较高模数的水玻璃。在使用强度许可的条件下用较高模数的水玻

10、璃。d)d) 在混砂工序之前增加水玻璃物理改性的措施，如在输送管道上增添磁化处理装置等。在混砂工序之前增加水玻璃物理改性的措施，如在输送管道上增添磁化处理装置等。3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂胶粒老化过程3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂 （4 4）混合料配比及其混制工艺）混合料配比及其混制工艺 钠水玻璃砂可使用各种混砂机混制。混好的砂最好放在有盖的容器中，或者用湿的麻袋盖严实，以免砂中的水分蒸发和与空气中的COCO2 2接触而造成硬化。 混制工艺按下列顺序进行： 先加干料，混均匀后在加湿料。一般加料顺序为： 混制时间 玻璃砂不宜混制时间过长，否则对其湿强度和硬化后的强度影

11、响很大，一般湿混时间为2 24min4min；如果用快速混砂机混制，则只需5 530S30S3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂（5 5）CO2CO2吹气硬化工艺及其装置吹气硬化工艺及其装置 1 1）、 传统吹气方式 插管法吹CO2示意图a）硬化砂型 b)硬化砂芯1胶皮管 2砂箱 3、6砂芯 4芯盒 5吹气管 7芯盒 合理的插管法图示合理的插管法图示a) a) 直通管直通管 b) b) 多孔管多孔管3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂图图 插管法吹插管法吹COCO2 2示意图示意图a a）硬化砂型）硬化砂型 b)b)硬化砂芯硬化砂芯1胶皮管 2砂箱 3、6砂芯 4芯盒 5吹气管 7

12、芯盒 （5 5）COCO2 2吹气硬化工艺及其装置 3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂 盖罩法吹气的运用要注意以下几点：a a、作好吹气罩板的结合处的密封，尽可能的减少气体的泄漏；b b、在铸型的底板或模底板上开设导气孔；c c、尽可能的在吹气罩上多开设入气管道，使得硬化比较均匀；d d、对于大型芯多采用大流量、长时间的吹气硬化工艺； 该法适用于湿态取模的水玻璃型芯，或者型芯表面不能破坏的型芯。 （5 5）CO2CO2吹气硬化工艺及其装置吹气硬化工艺及其装置 3.4.3 COCO2 2吹气硬化水玻璃砂3.4.4 有机酯硬化水玻璃砂 有机酯水玻璃自硬砂的粘结效率较高，使得水玻璃砂中的水玻

13、璃加入有机酯水玻璃自硬砂的粘结效率较高，使得水玻璃砂中的水玻璃加入量降至量降至2.52.53.5%3.5%，较大地改善了水玻璃砂的溃散性和旧砂的回用性。，较大地改善了水玻璃砂的溃散性和旧砂的回用性。 有机酯硬化水玻璃工艺所需设备比较简单，投资少、上马快。有机酯硬化水玻璃工艺所需设备比较简单，投资少、上马快。其主要优点有：其主要优点有： (1) (1) 水玻璃硬化用有机酯是低毒性、低粘度、成分均匀的有机液体，对水玻璃硬化用有机酯是低毒性、低粘度、成分均匀的有机液体，对环境污染少；环境污染少； (2) (2) 硬化剂定量容易、使用方便、易与水玻璃形成均一的混合物；硬化剂定量容易、使用方便、易与水玻

14、璃形成均一的混合物； (3) (3) 水玻璃有机酯型砂强度高，而且粘结剂加入量的明显减少，提高了水玻璃有机酯型砂强度高，而且粘结剂加入量的明显减少，提高了型型( (芯芯) )砂的流动性和耐火度，可明显改善铸件的表面质量。砂的流动性和耐火度，可明显改善铸件的表面质量。 （1） 工艺原理有机酯水玻璃自硬砂的硬化过程可分为如下三个阶段：有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。化学反应通式如下： OH - R-COOR + xH2O RCOOH + ROH第二阶段：有机酯和水玻璃粘结剂反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，型砂便失去流动性而固化。化学反

15、应通式如下： Na2OmSiO2nH2O + x RCOOH (1 - x/2) Na2OmSiO2(n+x/2)H2O + xRCOONa 以上两步总的反应式为： x Na2OmSiO2nH2O+xH2O (1-x/2) Na2OmSiO2(n+x/2)H2O+x+x第三阶段：水玻璃进一步失水硬化。3.4.4 有机酯硬化水玻璃砂（2 2）、有机酯）、有机酯 用于水玻璃砂硬化酯一般是三醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯和单醋酸甘油酯的混合物，而工业上用的快、慢、中酯实际上就是这三种酯的比例不同而已，可以通过不同的三酯、二酯和单酯的比例， 调整硬化速度。酯的种类酯的种类可使用时间（可使用时间（min）24

16、小时终强小时终强度（度（MPa）产产 地地15202530丁内酯（快）丁内酯（快）5102.5三甘醇二乙酸酯（慢）三甘醇二乙酸酯（慢）609030452.53.4.4 有机酯硬化水玻璃砂（3）、硬化剂速度的调节 * * 不同的室温和湿度不同的室温和湿度，硬化剂的硬化速度不一样，硬化剂的硬化速度不一样 冬天，气温低，应该用快酯；冬天，气温低，应该用快酯； 夏天气温高，应该用慢酯；夏天气温高，应该用慢酯； 春秋季节，可根据气温的高低，用快、慢酯以不同的比率进行互配，达到一个合适春秋季节，可根据气温的高低，用快、慢酯以不同的比率进行互配，达到一个合适的可使用时间。的可使用时间。 * * 硬化剂酯的加

17、入量硬化剂酯的加入量也会影响型砂的可使用期，也会影响型砂的可使用期， 热天气温高可少加硬化剂热天气温高可少加硬化剂 冬天气温低可多加硬化剂冬天气温低可多加硬化剂 不同的原砂，其表面的酸碱、杂质不同也会影响型砂的可使用期。不同的原砂，其表面的酸碱、杂质不同也会影响型砂的可使用期。最大的工艺问题3.4.4 有机酯硬化水玻璃砂（4） 混合料配比及其混制工艺 典型的有机酯硬化水玻璃砂的配方(质量比)： 原砂 (40/70筛号)： 100， 水玻璃：2.54.5 有机酯(快、中、慢硬化速度) 1015（占水玻璃量）。 原砂的选择：石英含量、表面杂质、圆整度 水玻璃：模数、黏度和气候的关系！ 硬化剂：种类

18、、配比和气候的关系！3.4.4 有机酯硬化水玻璃砂3.4.5 水玻璃砂旧砂再生残留粘结膜浇注后不能燃烧分解，牢固地粘附在砂粒表面 ，干法再生旧砂的脱膜率低。旧砂具有很强的吸湿性，干法再生的效果差；再生前对旧砂进行加热，可提高除膜效果。水玻璃旧砂粒表面上的残留物溶于水，湿法再生水玻璃旧砂的效果好。再生砂粒表面上残留的高模数水玻璃、酯、盐等对再生砂的性能（强度、可使用时间等）具有巨大影响。去除上述残留物是旧砂再生的主要任务。 再生（1） 水玻璃旧砂再生方法分类 再生方法再生方法粘结方法粘结方法干干 法法湿湿 法法热法热法化学法化学法机械式机械式气动式气动式无机无机粘土粘结粘土粘结AAAB水玻璃粘结水玻璃粘结CO2硬化硬化BBACA酯硬化酯硬化BBABC有机有机树脂粘结树脂粘结冷固化冷固化AACA热固化热固化CCCA 旧砂再生的方法很多，根据其再生原理可分为：旧砂再生的方法很多，根据其再生原理可分为： 干法再生、湿法再生、热法再生、化学再生四大类。干法再生、湿法再生、热法再生、化学再生四大类。 各种粘结剂旧砂用不同再生方法的效果各种粘结剂旧砂用不同再生方法的效果3.4.5 水玻璃砂旧砂再生（2 2） 干法再生简述干法再生简述