造型材料课件：水泥自硬砂-

2023/12/3造型材料2023/12/3水泥自硬砂

【本章知识框架】2023/12/3【导入案例】水泥自硬砂的应用水泥自硬砂是一种以各类水泥为粘结剂能自行硬化的型砂或芯砂。这种型（芯）砂的物理化学性能基本上是水泥、水、砂三者之间相互作用的特性的具体表现。水泥砂是与水玻璃砂、树脂砂等相类似的一种自硬砂，它的特点是流动性好，与粘土砂相比浇出的铸件表面光滑，铸件不易产生夹砂、气孔、冲砂等缺陷，是铸造生产中一种较良好的型砂。水泥砂是与水玻璃砂、树脂砂等相类似的一种自硬砂，它的特点是流动性好，与粘土砂相比浇出的铸件表面光滑，铸件不易产生夹砂、气孔、冲砂等缺陷，是铸造生产中一种较良好的型砂。水泥砂是与水玻璃砂、树脂砂等相类似的一种自硬砂，它的特点是流动性好，与粘土砂相比浇出的铸件表面光滑，铸件不易产生夹砂、气孔、冲砂等缺陷，是铸造生产中一种较良好的型砂。

2023/12/3【导入案例】水泥自硬砂的应用苏州机床厂生在对水泥砂进行各种性能试验的基础上，确定超早强水泥的最佳配料表为：新砂100%，水泥8%，硼酸0.2%~0.4%，水分8%~10%。该种水泥具有良好的流动性，使用该早强水泥砂成功生产了CY5112型立式车床的立柱和横臂，比较用水泥砂和粘土砂两者的效果可以看出，不论是造型劳动力、清砂时间，还是原材料节约等方面，水泥砂均优于粘土砂。2023/12/36.1水泥自硬砂的配比

型（芯）砂配比要保证型砂具有一定的成型性能，然后经过一定时间之后能达到一定强度和其它性能，使制成的铸型、型芯能适于浇注，并获得质量良好的铸件。本节主要内容：

1.水泥加入量

2.水灰比2023/12/31.水泥加入量水泥自硬砂成型后，当其抗压强度达到0.2~0.4MPa即可起模或折除芯盒，对于大中型铸件，达到1~2MPa即可进行浇注。根据水泥标号选定水泥加入量，一般情况下以6%~12%为宜。如遇到水泥的早期强度低，影响起模，则可加入速凝剂；如硬化太快影响正常操作则可加入缓凝剂

2023/12/32.水灰比在硬化的水泥自硬砂中，水以下列三种形式存在：硬化水化物的化合水，即结晶水；水化物凝胶体的吸附水；所有毛细孔和孔隙中所包含的水。

这三种形式的水的配比，由水泥水化的时间、水化的深度、水灰比、大气温度和湿度等条件来才决定。水泥砂中含水量高时必然导致强度降低，凝结缓慢且发气量大，使铸件质量不能保证。因此，确定合适的水灰比是很重要的，应综合各方面因素加以考虑。2023/12/32.水灰比一般生产条件下，水灰比可选择在0.75~1.0的范围内，不宜有较大的波动。铸型浇注时的残留水分应在2%~3%以下，残余水分过多，浇注时铸件易产生气孔等缺陷。经实际测定，确定浇注时允许的残余水分可参照表6-1。

铸型及型芯经过烘干后，可以防止铸件产生气孔，但烘干温度不能过高，一般采用200~300℃，否则会显著影响型砂强度。

铸件型芯使用范围残留水分（%）壁厚≤15mm铸件的型芯≤2.5壁厚>15mm铸件的型芯3~4局部与铁水接触的型芯≤5一般铸型5~62023/12/36.2水泥自硬砂的高温性能

水泥砂受热以后，水化物会发生脱水现象，分解成氧化钙。水泥砂加热到不同温度的强度变化和试样失重的百分率见图6.1。

各种配比的水泥砂，它们的高温强度曲线形式相同。在250℃时都出现强度最高峰，这是由于水泥凝胶脱水与部分氢氧化钙产生加速结晶，起了增进密度的作用。升高温度则强度开始下降，在400~500℃时，强度恢复到室温强度，这是水化硅酸钙和水化铝酸钙脱水引起的。在400~800℃之间，除水化物分解外，还有石英砂受热膨胀的影响，会引起颗粒间的相对移动，使水泥粘结强度受到破坏当温度达到1000℃时，水化物全部分解，水泥的粘结作用受到完全破坏，强度达到最低点。在1100℃时，曲线稍有提高趋势，可能是水泥中氧化铁和氧化钙熔融生成的类似玻璃体物质而引起一定的强化。到1300℃时形成的玻璃体又被熔化，其强度又下降。此外，水泥砂的常温强度与高温强度之间有一定关系，常温强度高则高温强度也高。2023/12/36.2水泥自硬砂的高温性能改变水灰比或在水泥中加入添加剂对高温强度都有影响。如使用1.5%的氧化钙为速凝剂，因其能促进水化反应，使水化物结晶完善而使常见的250℃高峰不再出现，但使用0.5%的氯化钙时，则还会出现250℃高峰。从水泥自硬砂的高温曲线特点可以看出，水泥砂的激热强度比粘土砂差。在金属液长时间的高温作用下，水泥砂铸型可能被冲刷破坏，使铸件产生砂眼、冲砂、夹砂等缺陷。实验也证明：在1300℃进行激热试验时，随时间增长，型砂的抗压强度逐渐降低，激热250s后，各种成分的水泥自硬砂的抗压强度均低于0.2MPa，激热600s以后则均低于0.lMPa。因此，当用水泥自硬砂浇铸大型铸件时，应采取相应的工艺措施，以免产生铸造缺陷。

2023/12/36.3常用水泥自硬砂

6.3.1硅酸盐水泥自硬砂6.3.2矾土水泥自硬砂6.3.4双快水泥自硬砂2023/12/36.3.1硅酸盐水泥自硬砂硅酸盐水泥自硬砂可用于铸铁及有色合金铸件的铸型和型芯。几种常用硅酸盐水泥自硬砂的配比见表6-2，此表仅作参考.应根据具体情况适当调整。序号原砂水泥膨润土水糖浆氧化铁粉焦炭粉185717———2809.5280.5——386.5733.5——47492.590.5—55829—7—2—2023/12/36.3.1硅酸盐水泥自硬砂一般使用的水泥标号为400或500号。用低标号水泥时用量较多，在10%左右，使用高标号时，可用7%~8%。水泥的矿物组成，要求含快凝组分越高越好，且水泥表面积应尽量大。糖浆的作用是促使水泥早凝早硬，并能改善型砂的出砂性能和造型性能。糖浆加入量一般为3%~4%。水的加入量也极为重要，由于糖浆改善了水泥颗粒的分散状况，水灰比控制在0.5左右，水的加入量在3%~4%已经足以满足水泥水化反应和发展强度的需要。如果加水过多，水分蒸发缓慢，可能影响起模时间和24h以后的强度。2023/12/36.3.1硅酸盐水泥自硬砂图6.2为水泥砂强度与石灰水加入量的关系。夏季和冬季气温相差很大，可加入缓凝剂或促硬剂加以调整。图6.3为同一配方的情况下，水泥砂强度与温度的关系。

图6.2糖浆水泥砂的强度与消石灰加入量的关系

图6.3糖浆水泥砂的强度与温度的关系

2023/12/36.3.1硅酸盐水泥自硬砂下面列举几种添加剂加入量对水泥砂强度影响，见图6.4。

图6.4添加剂对水泥糖浆自硬砂强度的影响

水泥砂的配比为：40/70目天然石英砂100%，标号500的水泥8%，糖浆4%，水3%；添加剂溶液配比及加入量为：①0.5%的硼酸加入量1.5%；②0.5%的磷酸钠溶液加入量2.0%；③0.5%的氟硅酸钠溶液加入量1.0%。在加入适当添加剂之后水泥砂可获得足够的硬化性能，可以作为良好的粘结材料用于自硬砂。

2023/12/36.3.1硅酸盐水泥自硬砂国内外，在硅酸盐水泥自硬砂中，加入聚乙烯醇等有机粘结剂进行试验，结果表明，水泥砂中加1%聚乙烯醇后，在一定程度上，综合了这两类粘结剂的优点。型砂配制后，水泥即逐渐吸收聚乙烯醇溶液中的水，使其变稠，从而使型砂具有强度。水泥水化后，也逐渐硬化而进一步提高了强度。配制型砂时，先将聚乙烯醇在不断搅拌的情况下溶于70℃左右的热水中，聚乙烯醇在溶液中占15%，冷却后待用。聚乙烯醇水泥自硬砂的配比如下：原砂100%，硅酸盐水泥3%~5%，聚乙烯醇水溶液5.5%~6.5%。先将原砂和聚乙烯醇溶液混匀，然后加入水泥再混至充分分三为止。这种自硬砂不仅有良好的自硬性能，而且出砂性良好。2023/12/36.3.2矾土水泥自硬砂硅酸盐水泥由于耐火度不够，故主要用于铸铁和有色合金铸件。铸钢件用的铸型和型芯以及铸铁件用的半永久型往往采用矾土水泥作为型砂的粘结硬化剂。矾土水泥是用氧化铝为主要原料，加入适量的石灰石，经煅烧磨细而成。它的化学成分中以A12O3和CaO为主（A12O3占33~35%），矿物组成中含有多种铝酸钙，如铝酸一钙CaO∙A12O3（简写为CA）、二铝酸一钙CaO∙2A12O3（简写为CA2）、三铝酸五钙5CaO∙3A12O3（简写为C5A3）等。2023/12/36.3.2矾土水泥自硬砂矾土水泥自硬砂中，一般加入矾土水泥9%~12%，加水7%~10%。有时还加入1%~3%左右的糖浆和其它附加物。表6-3为几种矾土水泥自硬砂的组成，仅供参考。

在矾土水泥的水化物中，高温作用下的体积收缩和强度降低较小。故矾土水泥砂可用来作铸钢件的铸型和型芯。用20%矾土水泥作粘结剂，80%含氧化铝较高的矿砂作填充料，制成半永久性铸型和型芯，可简化造型工作。序号原砂矾土水泥水糖浆亚甲基双萘磺酸钠1848.57.5——2848.562.50.138677——2023/12/36.3.2矾土水泥自硬砂矾土水泥的硬化过程与硅酸盐水泥相似，但矾土水泥还具有高强快硬的特点。这是因为矾土水泥的主要成分铝酸盐水化反应快，其中CA、C5A3都能很快水化生成铝酸钙结晶和氢氧化铝凝胶A12O3∙H2O。CA2虽然水化作用较慢，但水化产物具有较高的机械强度。在各种铝酸盐中CA的水化过程最重要，它的反应式如下：

2023/12/36.3.2矾土水泥自硬砂为了加快矾土水泥的凝结速度，可加入促凝剂，如Ca(OH)2、KOH、NaOH、Na2CO3及锂盐等。反之，则可以加入缓凝剂如NaCl、KCl、稀盐酸和甘油筹来减缓其凝结速度。在实际应用中矾土水泥自硬砂存在两个问题:其一，矾土水泥水化时需水量很大，因此，其残留水分还是相当高，影响铸件质量。其二，水泥的凝结时间长，需要几小时以后才达到起模强度。解决办法：阴离子型减水剂来降低矾土水泥的水灰比，同时也降低了水泥的使用量

过去需用9%~12%的矾土加入量，而现在只用8%的加入量就可以满足强度需要。水灰比也可以减到0.5~0.75即能保证有良好的表面性能。采用5%当量浓度的氧化锂作为促凝剂，在不同加入量的情况下，使型砂的使用时间可在3min~6h之间调节。2023/12/36.3.2矾土水泥自硬砂根据上述方法，采用以下两种矾土水泥自硬砂。矾土水泥8%，表面活性材料1%，氯化锂0.003%，水灰比分别为0.75和0.5。24h以后0.75水灰比的自硬砂强度为1.5~2.0MPa，0.5水灰比的强度为1.0~1.5MPa。这两种自硬砂，在成型后30~40min，抗压强度都有0.2MPa，已能起模；24h后的残留水分都在2%以下，可浇注。矾土水泥的水化产物CA∙10H2O和2CA∙8H2O都是不稳定的产物，都将转变为3CA∙6H2O。因此，提高温度时水泥硬化的更快，经过120℃烘干其强度可以急剧上升。但是3CA·6H2O的失水温度较低，在225~270℃时便全部失水，强度降低，这对型砂出砂性有利。但是从激热强度考虑，矾土水泥又不如其他水泥自硬砂，因此在工艺上应采用措施防止冲砂。目前，我国生产矾土水泥量不多，因而这种自硬砂的应用较少。2023/12/36.3.3双快水泥自硬砂双快水泥（又名调凝水泥）是快凝快硬水泥的简称。与普通水泥作比较，这种水泥能在2~30min内凝结，而普通水泥则需2~8h才能凝结。普通水泥需要28天才能达到的强度，这种水泥在9~24h内就可达到。能快凝和快硬的水泥材料按其熟料矿物组成来分，可分为硅酸盐类、氟铝酸钙类和硫铝酸钙类三种。尽管这三种的快凝组分各不相同，但由于用它们配制的自硬砂性能，基本相同。为了简便起见，只介绍目前应用最多的硅酸盐类双快水泥自硬砂。2023/12/31.双快水泥的组成在生料中加入矾土和增加石膏用量，另外还搀加一些矿化剂萤石。煅烧成熟料以后，磨粉也比较细，在熟料中为了控制快凝程度可以用半水石膏或酒石酸筹等调节。双快水泥熟料和普通水泥熟料的矿物组成和化学成分对比见表6-4和表6-5

表6-42023/12/31.双快水泥的组成比较可见双快水泥中，氧化铝含量较高，在矿化剂萤石的影响下，原来普通水泥中的快凝组分C3A转变成双快水泥中的氟铝酸钙。表6-52023/12/31.双快水泥的组成两种水泥的物理性能见表6-6，双快水泥比表面积大，约为普通水泥的两倍以上，这也是能快凝快硬的原因之一。

2023/12/32.双快水泥自硬砂的硬化原理双快水泥加水以后，其快凝组分氟铝酸钙在一小时内与水反应完毕，迅速生成数量较多水化硫铝酸钙针状晶体和铝胶；其它组分在大量的硫铝酸钙作用下，也很快起水化反应，水化物迅速成长，获得快硬的效果。双快水泥快凝组成物的水化反应，据资料介绍如下：首先氟铝酸钙与水溶液中的硫酸钙起作用，生成水化低硫铝酸钙，并析出氟铝胶：

2023/12/3含有12个结晶水的水化低硫铝酸钙，在多余的硫酸钙作用下，生成含有32个结晶水的水化高硫铝酸钙：当形成水化硫铝酸钙时，大量吸水使水泥变稠，并建立一定的早期强度。而有资料指出，普通水泥中的铝酸钙水化反应为：几乎不产生强度，但对快速硬化水泥来说，由于生成C3A·3CaO4·32H2O却能产生早期强度，是因为所生成的C3A·3CaO4·32H2O不但数量有差别，而且其形态也有差别

2.双快水泥自硬砂的硬化原理2023/12/32.双快水泥自硬砂的硬化原理另一方面，在水化过程中还能析出Al(OH)3胶体，即：也有人认为：前述所析出的氟铝胶在有Ca(OH)2的情况下也能生成铝胶，即：

生成的胶体填充在水化硫铝酸钙的晶体骨架中构成比较致密的结构，更促使强度提高。此外，在生成的水化硫铝酸钙的过程中，还产生大量的水化热，促进了硅酸三钙的水化并生成Ca(OH)2，硅酸三钙水化是水泥后期强度增长的原因。2023/12/32.双快水泥自硬砂的硬化原理为了便于理解双快水泥的硬化原理，将各种反应归纳如下：

调凝时加入的缓凝剂，抑止了氟铝酸钙和硫酸钙的反应。

2023/12/33.双快水泥自硬砂的混砂工艺常用的双快水泥混砂工艺如下：先将原砂和双快水泥干混1~2min，然后加水或加入缓凝剂及表面活性剂的水溶液，湿混1~2min后即可出砂。也可以采用如下工艺：原砂和双快水泥及硼酸先干混1~2min，后加水或纸浆废液湿混1~2min即可出砂。干混时要使砂和水泥混合均匀，否则对强度影响很大。用碾轮式混砂机的效果比连续式的效果好。

2023/12/34.双快水泥自硬砂的性能及控制1)双快水泥自硬砂的性能双快水泥自硬砂的性能包括强度、出砂性、发气性、流动性、硬化速度和可使用时间等。(1)强度：由于双快水泥的比表面积很大和具有快凝组分，能迅速生成针状水化硫铝酸钙晶体与铝胶，因而双快水泥自硬砂的早期强度较高。随着时间的增长，水泥水化反应的继续进行，以及硅酸三钙的水化作用，强度逐渐增加，后期强度也较高，双快水泥如入量在6%~8%时，24h后的双快水泥自硬砂的抗压强度可达0.9MPa以上。完全可以满足造型或制芯的要求。(2)出砂性：双快水泥水化后生成的水化硫铝酸钙中含有很多的结晶水，当铸型在浇注过程中，受热水化硫铝酸钙失去结晶水，破坏了它的内部结构，故双快水泥自硬砂的残留强度急剧下降，800~1000℃时的残留强度仅为0.14~0.17MPa，因此，出砂性较好。几种自硬砂的残留强度比较见表6-7。

2023/12/34.双快水泥自硬砂的性能及控制表6-7几种自硬砂的残留强度比较（MPa）

(3)发气量：一般说来，双快水泥自硬砂硬化后的残余水分较高，而且水泥水化后的生成物中含有较多的结晶水，在浇注过程中会产生较多的气体，所以发气性要比粘土砂的高，比硅酸二钙水玻璃自硬砂低些，见图6.5。2023/12/34.双快水泥自硬砂的性能及控制图6.5双快水泥自硬砂、硅酸二钙水玻璃自硬砂和粘土砂的发气性比较

2023/12/34.双快水泥自硬砂的性能及控制(4)流动性在早期强度形成之前，亦即在可使用时间范围内此时由于水泥水化反应生成物较少和存在着较多的游离水，水泥的粘结力很小，故湿态强度很低因而在外力作用下砂粒之间互相滑动的阻力甚小。流动性良好。

(5)硬化速度和可使用时间在不加缓凝剂的情况下，双快水泥自硬砂的早期硬化速度很快，可使用时间却很短一般在15min以下，给造型或制芯操作造成一定的困难，故常需加入缓凝剂调凝2023/12/3性能控制为了获得良好性能的双快水泥自硬砂，主要从水灰比、添加剂和温度方面进行控制。

(1)水灰比使用约10%普通水泥时，水分控制在6%左右比较合适，提高水的加入量，水泥砂的强度将受到影响。而用10%双快水泥时，水分虽变化在4%~10%之间，但对其早期强度发展影响不显著。根据铸造需要而定，宁可采用低的水灰比，可以获得低的残余水分，从而保证铸件质量。采用低水灰比时，由于双快水泥水化时放热量大，使表面失水情况严重，影响表面稳定性，建议加入适量的的保水剂。因此对双快水泥来说控制水灰比，主要是为了控制残余水分。2023/12/3性能控制(2)添加剂双快水泥的凝结时间比较短促，很多反应都在短时间内完成，而且又对很多添加剂非常敏感。使用添加剂时应慎重，通过实验后再进行。还应