第二章 水玻璃砂

第二章水玻璃及水玻璃砂

——无机化学粘结剂类型（芯）砂

1、水玻璃及其硬化机理2、水玻璃砂的配制

3、水玻璃砂存在的问题及解决途径

4、水玻璃砂性能指标及其检测第二章水玻璃砂

——无机化学粘结剂型（芯）砂铸造常用无机化学粘结剂：水玻璃类，水泥类、磷酸盐类主要用途：水玻璃类、水泥类——铸钢和铸铁件磷酸盐聚合物——铸铁及有色合金件水玻璃——属于无机化学类物质硬化机理：物理—化学反应硬化方法：CO2硬化、自硬化（酯硬化）、加热硬化等水玻璃砂：是以钠水玻璃为粘结剂混制而成的工作混合料无机化学粘结剂种类及硬化方法无机化学粘粘结剂型芯砂水泥类硅酸盐水泥自硬矾土水泥自硬双快水泥自硬自硬法加热硬化法磷酸盐类其他类VRH—CO2法CO2法CO2硬化法加热硬化法硅铁粉粉状硬化剂有机酯无机酯液态硬化剂自硬法水玻璃类硅酸二钙水玻璃砂的特点▲硬化速度快：用CO2硬化，一只砂芯只需几秒到几分钟。用酯硬化，一只砂芯也只需5~15分钟。▲硬化强度高：用CO2硬化，抗压强度可高达1.6～1.8MPa。用酯硬化后，24小时抗拉强度可高达1.3MPa。▲砂型（芯）尺寸精度高。▲制取水玻璃的原材料来源广，价格便宜。▲浇注后溃散性差，旧砂再生困难。水玻璃砂的特点与粘土砂比较具有许多优点：（1）流动性好：容易紧实，劳动强度低；（2）硬化速度快：生产周期短、生产率高；（3）硬化强度高：砂型芯的尺寸精度易保证、铸件产生缺陷少、提高铸件成品率；（4）可取消或缩短烘烤时间：降低成本、改善劳动环境；主要缺点：旧砂溃散性差，硬化后保存性差第一节水玻璃及其硬化机理水玻璃学名：水溶性硅酸钠（钾）溶液

俗名：泡花碱颜色：呈灰白色、黄绿色或淡黄色质量好的水玻璃为无色、透明的粘性液体。水玻璃按主要成分可分为钠水玻璃和钾水玻璃铸造上最常用的是钠水玻璃钠水玻璃基本组成：硅酸钠和水（Na2O·mSiO2

）一、钠水玻璃基本参数及质量要求1、水玻璃模数：水玻璃模数是指水玻璃中SiO2与Na2O的摩尔数之比

模数是铸造用水玻璃的主要技术指标之一。水玻璃模数大—SiO2的相对含量高—粘性大。特别注意：SiO2

相对含量高，不说明水玻璃中Na4SiO4的质量分数高。模数及其调整设：原水玻璃中，SiO2＝a％，Na2O=b％，调整后模数为M，一次调整水玻璃100个重量单位。⑴降低水玻璃模数：在水玻璃中加入NaOH

mSiO2+2NaOH→Na2O·mSiO2+H2O式中：60、62、40——分别为SiO2、Na2O和NaOH的分子量。

G——为所需加入的NaOH的重量模数及其调整⑵提高水玻璃模数：在水玻璃中加入HCl或NH4ClNa2O·mSiO2+2HCl→mSiO2+2NaCl+H2ONa2O·mSiO2+2NH4Cl→mSiO2+2NaCl+H2O+2NH3式中：36.5、53.5——分别为HCl和NH4Cl的分子量。

G——为所需加入的HCl或NH4Cl的重量2、密度、含固量和粘度▲水玻璃密度：密度主要取决于水玻璃中水的质量分数，而不是水玻璃模数。密度与水玻璃中水的质量分数成反比关系密度大——水玻璃粘稠——不宜与砂均匀混合密度小——相对水的质量分数高——粘结力低密度过大或过小，都不适合用作水玻璃砂的粘结剂2、密度、含固量和粘度▲含固量（浓度）：水玻璃含固量是指水玻璃中SiO2和Na2O的总体含量。当模数一定时，随着含固量增大，水玻璃中硅酸钠的绝对含量提高，密度增大，粘结性增大。含固量与水玻璃中水的质量分数成反比关系含固量过大或过低，都不适合用作水玻璃砂的粘结剂2、密度、含固量和粘度▲粘度：水玻璃的粘度随水分、模数和密度的变化而变化●在其他条件不变的情况下，粘度随模数正比变化●当模数一定时，粘度随水分含量反比变化●对于模数高的水玻璃，调节水玻璃密度低一些，则有利于水玻璃的稳定保存3、水玻璃特性表示法模数只能反映水玻璃中SiO2和Na2O的相对含量，而不能表示水玻璃中硅酸钠含量的多少。因此，水玻璃的性质必须同时用两个指标表示：模数和密度模数和密度过大，其硬化速度太快，保存性差，不利于造型铸造用水玻璃常选用：模数：2.0～3.0；密度：1.32～1.68g/cm3;波美度:35-54°Be’

水玻璃的模数和密度均影响着水玻璃的粘度。

●水玻璃的粘度随着密度的增加而增加●水玻璃的粘度随着模数的增加而增加二、硬化机理1、用CO2硬化▲水玻璃溶液的水解平衡：由于水玻璃的固有特性，决定了溶液存在水解平衡Na2O·mSiO2+（n+1)H2OmSiO2·nH2O+2NaOH当吹入CO2气体：●因为CO2

是一种脱水能力极强的气体，它能顺利的从砂粒间的缝隙流过，增加了与水玻璃的接触面积，使水玻璃部分脱水，在脱水过程中，与水玻璃中的水反应形成碳酸，导致水玻璃的PH值骤然降低而达到迅速硬化。二、硬化机理

CO2+2NaOH=Na2CO3+H2O+Q（放热）●硅酸分子间不断脱水缩合形成长链硅酸溶胶，再进一步脱水形成网状结构的硅酸凝胶薄膜，包覆在砂粒表面，从而将砂粒粘结在一起，使砂型具有一定的强度。二、硬化机理▲吹CO2方法：插管法、盖罩法、脉冲法、真空法

●插管法：硬化深度大，用于中大型砂型（芯）●盖罩法：硬化深度浅，用于小型砂型（芯）●脉冲法：在总的吹气时间不变的情况下节省CO2●

真空法：又称VRH—CO2法（真空置换硬化法）▲影响硬化速度与硬化强度的因素：吹气压力和吹气时间

二、硬化机理吹气压力大，硬化速度快，硬化深度越大。但是：压力太大：易使CO2泄漏，并有可能吹坏铸型压力太低：CO2气体的流动能量低，需延长吹气时间。一般情况下，吹气压力约为：0.15～0.3MPa吹气时间过长，强度反而下降，可能导致砂型表面粉化，铸件易出现砂眼、夹砂等缺陷。一般情况下：当吹气压力为0.15～0.3MPa时，1M2的砂箱，吹气时间约为1-2min吹气时，水玻璃砂的温度一般以20～30℃为宜二、硬化机理2、物理硬化（加热硬化）加热硬化机理通过加热使水玻璃快速脱水硬化加热硬化方法▲烘窑加热：温度：200～250℃时间：40～150min▲烘炉加热：温度：≯300℃时间：2～3h加热硬化效果●可使砂型水分降到0.5％，强度可达9～10MPa●铸件质量稳定，不容易产生气孔、砂眼等缺陷●生产周期长也可将CO2硬化与加热硬化联合使用。二、硬化机理3、自硬化：自硬化技术的开发利用，为水玻璃砂的生产开辟了一条新的途径▲自硬化水玻璃砂特点：硬化反应过程是在型（芯）砂中自行完成，所以，借助于自硬化的方法可制作更大的砂型、芯，具有较大的生产灵活性。▲自硬化水玻璃砂的组成：主要由原砂、水玻璃、自硬化剂及为改善型芯砂的某些性能而添加的附加物组成。▲自硬化的要求：硬化剂应具有潜伏性，能够延缓水玻璃的硬化反应速度，便于控制。▲自硬化剂的种类：粉状硬化剂（硅铁粉、赤泥）、有机酯等二、硬化机理（1）粉状硬化剂自硬砂▲硅铁粉：其潜伏催化作用体现在粘结剂的反应由慢速逐渐加快，最后随粘结剂的胶凝和硬化而放热。潜伏催化作用是基于硅铁粉中的硅与氧具有很强的亲和力，水解反应的结果使水玻璃严重脱水而硬化硅铁粉的缺点：因反应过程中析出无色、无味、易爆的氢气而不再继续使用。二、硬化机理▲赤泥（含硅酸二钙粉末）成分：WCaO=50~60%，WSi02=20~30％；熔点：1200～1250℃；密度：0.47～0.58g/cm3型砂配方：赤泥：

3～6％；水玻璃：5～8％；水分：4～5.5％硬化时间：40～180min即可脱模原砂采用42、30组的粗砂，以保证铸型良好的透气性。型砂自硬24h后的抗压强度可达0.6MPa以上。二、硬化机理（2）酯硬化剂自硬砂酯硬化水玻璃砂的历史并不长，属于一种生产新工艺硬化剂采用多种有机酯的混合物硬化机理：酯和水玻璃水解反应生成有机酸和醇。有机酸提供氢离子与水玻璃水解析出的氢氧根离子结合使酯进一步水解析出硅酸溶胶，并促使朝着生成大的凝聚的硅酸分子方向移动，当它在三维空间任意生长时，就形成凝胶，导致水玻璃硬化。酯硬化特点：

硬化速度快酯硬化速度：

与环境温度与湿度有直接关系第二节水玻璃砂的配制一、CO2硬化水玻璃砂的配制1、配方：水玻璃4.5～8％（占砂重）；当有湿强度和可塑性要求时：可适量加入膨润土1～3％，或普通粘土3～6％当为改善型芯砂的溃散性：可适量加入木屑1.5％，或石棉粉5％一、CO2硬化水玻璃砂的配制2、混制：CO2硬化水玻璃砂可采用各种混砂机混制。砂＋干粉状物2~3min

＋NaOH溶液1~2min

＋水玻璃＋水3min

＋渣油混匀

出砂混好的型砂应放在有盖的容器中，或用湿麻袋盖好，以免砂中水分蒸发和与空气中CO2接触。第二节水玻璃砂的配制二、酯硬化水玻璃砂的配制1、配方：水玻璃：3～5％（占砂重）；硬化酯：8～15％（占水玻璃重）水玻璃的模数：以M=2.3～2.8为好当酯的加入量一定时，模数越高，反应速度越快。当酯的加入量低于8％，水玻璃砂硬化不足；当酯的加入量高于15％，不会加快硬化速度，有可能降低抗拉强度，增加成本。环境温度和湿度对水玻璃和酯的加入量影响很大二、酯硬化水玻璃砂的配制2、混制：混制酯硬化水玻璃砂在专用混砂机上进行。混砂工艺：砂+酯15s

+水玻璃40~45s出砂。酯硬化水玻璃砂适用于各种合金铸件。主要用做：小型铸型、芯的单一砂大、中型铸型、芯的面砂第三节水玻璃砂存在的问题及解决途径目前，在水玻璃砂生产中，经常发生的问题主要有：▲出砂性（溃散性）差▲粘砂（机械粘砂）▲型、芯表面粉化▲发气性大一、出砂性差及解决途径影响水玻璃砂出砂性的因素有：水玻璃的模数；水玻璃砂的高温强度和残留强度模数越低——出砂性就越差高温强度和残留强度越高——出砂性就越差

水玻璃砂的残留强度随温度的变化呈双峰特性改善水玻璃砂出砂性差的途径：1、在水玻璃砂中加入附加物有机物、无机物、铸造用粘土、高铝矾土图2-2-9CO2硬化水玻璃砂的加热温度与残留强度的关系一、出砂性差及解决途径●有机附加物：如糖类、树脂类、油类、纤维素类材料。这些材料在高温下挥发、汽化或燃烧碳化，能在一定程度上破坏水玻璃粘结膜的完整性，可显著改善水玻璃砂在600℃的出砂性。

但在800℃以上，水玻璃熔化会弥合有机物造成的粘结膜的不完整性，故效果并不明显。一、出砂性差及解决途径●无机附加物：如铝、钙、镁等金属氧化物——能在高温下与熔融硅酸钠形成高熔点相，使800℃残留强度峰值后移；——高温相变膨胀后，因收缩系数不同而造成裂纹，形成脆化膜，破坏水玻璃膜的完整性。●高岭土、膨润土、高铝矾土等也都有不同程度的改善水玻璃砂的出砂性的功能。2、减少水玻璃用量：●选用高品位的原砂：中等粗细、砂粒集中、形状圆整、表面光洁；●尝试有机酯做硬化剂：可在获得相同工艺性能的前提下，减少其使用量。减少水玻璃用量还有一个优点是：在改善水玻璃砂出砂性的同时，可有效的降低水玻璃砂发气性，减少铸件气孔缺陷一、出砂性差及解决途径一、出砂性差及解决途径3、降低易熔物的含量减少钠的存在量，是提高水玻璃熔融温度，降低残留强度的关键。如选用高模数、低粘度的水玻璃；或改用钾水玻璃、锂水玻璃等就其粘结力而言：Na＞K＞Li就其出砂性而言：Li＞K＞Na就抗吸湿性而言：Li水玻璃最好，但价格高4、采用石灰石砂替代硅砂用水玻璃砂铸造生产铸铁件及厚、大型铸钢件时，常出现铸件粘砂甚至严重粘砂现象防止粘砂的途径：铸铁件：可在水玻璃砂中加入适量的煤粉（3～7％）或在铸型表面刷涂料二、粘砂及解决途径二、粘砂及解决途径铸钢件：●型（芯）表面刷涂料；●在水玻璃砂中加易熔的硅酸盐材料（如冶金炉渣）●加入少量的氧化铁、氧化锰等这些都能促使铸钢件表面形成容易清除的玻璃体物质。这种玻璃体物质与铸件表面结合力较弱，且收缩系数与金属不同，因此，能很容易的从铸件表面剥落水玻璃砂吹CO2硬化后，放置一段时间，有时在型（芯）表面会出现象“白霜”一样的物质，这种现象称为表面粉化，严重降低型（芯）的表面强度，浇注时容易产生冲砂缺陷。●“白霜”的成分：NaHCO3●“白霜”的形成原因：是由于水玻璃砂中含水量过高引起的

Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOHNa2O+CO2+H2O→2NaHCO3NaHCO3随水分向外迁移到型（芯）表面三、型、芯表面粉化及解决途径三、型、芯表面粉化及解决途径防止表面粉化的方法：1、控制水玻璃砂含水量不宜过高；2、吹CO2时间不宜过长；3、制好的型（芯）不要久放；4、在水玻璃砂中加入适量糖浆（占砂重1％）；第四节水玻璃砂性能指标检测水玻璃砂的性能指标：●水玻璃模数及浓度（波美度）●水玻璃砂的强度（硬化强度、高温强度、残留强度）●酯硬化水玻璃砂的可使用时间第四节水玻璃砂性能指标检测一、水玻璃模数的测定水玻璃中二氧化硅和氧化钠的摩尔数之比称为模数1、仪器与试剂：滴定管、250ml锥形瓶、100ml量筒等0.5molHCL标准溶液、0.5molNaOH标准溶液、5%NaF溶液、0.1%酚酞指示剂、混合指示剂（取0.1%甲基红乙醇溶液和0.1%亚甲基蓝乙醇溶液，按6：4重量比混合）等一、水玻璃模数的测定2、试验方法：（1）测定换算系数K：用滴定管加0.5molNaOH标准溶液25ml于锥形瓶中，加热煮沸并刚冷却的水30ml，再加3滴酚酞指示剂，用0.5molHCL标准溶液滴定至红色消失，则换算系数K按下式计算

K=V/25式中：K——换算系数V——滴定消耗的HCL标准溶液mL数一、水玻璃模数的测定（