水玻璃砂工艺二 水玻璃精密铸造工艺

水玻璃砂工艺二

3.2.2 水玻璃自硬砂

水玻璃砂在混砂时加入硬化剂，在室温下能够自硬；砂型（芯）在硬化后起模，称之为自硬砂。早期的水玻璃自硬砂的硬化剂多以粉状材料为主，如β硅酸二钙（赤泥、炉渣或合成β硅酸二钙）、硅铁粉、氟硅酸钠等。使用这些粉状材料，使水玻璃加入量居高不下，导致型砂溃散性变差。

有机酯水玻璃自硬砂以液体材料为硬化剂，相对于粉状硬化剂，水玻璃加入量降低了 1/2～ 1/3，比强度提高一倍以上，1000℃残留强度降低了 90％左右。表 3－ 25是有机酯水玻璃自硬砂与固体硬化剂自硬砂配比及性能对比。图 3－26是混合料的配比（质量比）为原砂（福建水洗海砂） 100，有机酯 0.28，水玻璃2.8时的有机酯硬化水玻璃砂在不同温度下的残留强度值

图 3－ 26 有机酯水玻璃砂不同温度下的残留强度

表 3－ 25有机酯水玻璃自硬砂与固体硬化剂水玻璃自硬砂配比及性能对比

3.2.2.1 有机酯水玻璃自硬砂的硬化机理

有机酯水玻璃自硬砂的硬化可分为如下三个阶段 ;

第一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。这个阶段时间的长短取决于有机酯与水玻璃的互溶性和水解速度，它决定了型砂的可使用时间的长短。化学反应通式如下：

RCOOR ˊ +xH 2O OH- RCOOH+Rˊ OH

第二阶段，有机酯和水玻璃反应，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。化学反应通式如下：

Na 2O · mSiO 2· nH 2O+xRCOOH （ 1－ x/2） Na 2O· mSiO 2· (n+x/2)H2O+xRCOONa

以上两步总的反应式为 :

xRCOOH ˊ + Na 2O· mSiO 2· nH 2O+xH 2O （ 1－ x/2） Na 2O· mSiO 2·(n+x/2)H 2O+xRˊ OH+xRCOONa

第三阶段，水玻璃进一步失水强化。

由于反应产物的有机酸盐一般为结晶水化物，而生成的醇也要吸收溶剂水，再加上挥发失水，与机酯能使水玻璃模数－浓度升高到临界值以上，即可促进固化。有机酯加入量一般为水玻璃重量的10％～ 12％、

由上可知，有机酯水玻璃自硬砂的硬化剂再型砂中是反应物，必须具备一定的数量使反应达到一定的程度，砂型才能硬化。这个数量不但与水玻璃加入量有关，还与水玻璃的模数、浓度及有机酯的种类有关。硬化剂加入量过多，会使反应过度，型砂强度下降；硬化剂加入量不足，硬化反应不充分，砂型强度也低。通常认为的“有机酯的加入量是水玻璃加入量的1/ 10 ” 这仅仅是常用比值，实际上还应根据水玻璃模数、浓度及有机酯品种和纯度等因素做必要的调整。对厚大型（芯）应适当增加酯的加入量并推迟起模时间。

3.2.2 .2 有机酯的选择

有机酯的性能影响有机酯水玻璃自硬砂工艺性能，尤其对型砂可使用时间和砂型起模时间有重要影响，使用时应正确选择。

选择有机酯首先根据铸件的结构特点及所需要的操作时间来确定型砂的使用时间，然后在这个基础上，经过严格的工艺试验（包括与之配合的水玻璃），确定选用快酯、中酯或慢酯，或根据工厂的具体情况，再用调节酯进行调节。

3.2.2 .3 混砂和造型工艺特点

1 、混砂工艺 典型工艺配比（质量比）：原砂（福建水洗海砂， 40/70筛号） 100，水玻璃 2.8，有机酯0.28。

混砂工艺：原砂 +有机酯 混匀 ＋水玻璃 混匀 卸砂。

混砂要求速度快，混合均匀。

有机酯硬化水玻璃特种砂的配比性能见表 3－ 26。

表 3－ 26有机酯硬化水玻璃特种砂的配比及强度性能

① MDT－ 902 3份， MDT－ Q调节酯 1份。

2 、造型工艺特点 主要有以下几点：

砂型硬化后起模，尺寸稳定，可提高铸件精度。但对模具质量、结构要求较高，需要有一定的

3.2.2 .4 使用中可能出现的缺陷及防止措施

有机酯水玻璃自硬砂使用中可能出现的缺陷及防止措施见表 3－ 27。

表 3－ 27 有机酯水玻璃自硬砂使用中可能产生的缺陷及防止措施

3 ． 2． 3 烘干硬化水玻璃砂

烘干硬化水玻璃砂的硬化原理是通过加热去除水玻璃中的水分，使水玻璃中硅酸钠聚合成由胶粒构成的立体网状骨架的含 Na＋硅酸胶。当加热到 180～ 200℃以上脱水得到水玻璃凝胶比由硅溶胶生成的硅酸凝胶更致密，具有较高的强度。其强度比 CO 2硬化砂高10倍左右。烘干硬化砂水玻璃加入质量分数可降到 2％～3％，因而溃散性有显著改善。烘干硬化水玻璃除传统的远红外炉烘干外，现已发展了在芯盒内吹热风硬化、热芯盒内电加热硬化、微波烘干硬化等新的制芯工艺，这些新的制芯工艺主要适用于制中、小砂芯。

烘干硬化的水玻璃砂最大的缺点是吸湿性太强，可能因吸湿而完全失去强度。但这一缺点也具有两重性，如果对于某些特定的产品，砂型（芯）烘干后在可控条件下浇注，浇注后在潮湿环境里能自溃，旧砂再次加水后可以利用，可实现良性循环。

1 、过热蒸气硬化法 过热蒸气硬化法是将粉末状水玻璃混合在砂中，吹入芯盒，然后导入过热蒸气，短时间内即可硬化。

2 、微波烘干法微波烘干法是一项正在开发中的新工艺，它的特点是利用微波加热快而均匀的特点，充分发挥水玻璃脱水硬化粘结强度高的优势，使型砂中水玻璃加入量降到最低限度。

微波烘干硬化的水玻璃砂在不同湿度条件下抗拉强度随时间变化的强度情况见图 3－27。如果为了适应通常的生产环境，要求提高烘干水玻璃砂的抗吸湿性，通常可以采用以下几种措施：①采用该性水玻璃，如钠－锂复合水玻璃。②烘干硬化加化学硬化，如在烘干硬化后期通一定量的CO 2或在型砂中加入少量慢酯。③加入少量 Li 2CO 3。图 3－ 28是碳酸锂该性水玻璃和未该性的钠水玻璃采用不同硬化方法24h后强度变化情况。现将一些铸造工作者试验的有关结论介绍如下：

在一定范围内，微波烘干水玻璃砂的强度与水玻璃加入量成正比。图 3－ 29是模数 M＝ 2的粉末状硅酸钠配成质量分数为33.4％的水溶液，按不同加入量配制成型砂，试样经微波烘 30min，测定的抗拉强度。

图 3－ 27 微波烘干硬化试样抗拉强度、存放时间和湿度的关系

水玻璃模数 M＝ 2.88，水固比＝ 1.34

图 3－ 28 Li 2CO 3该性水玻璃和未该性水玻璃试样强度随湿度变化情况

注： 图中实线为未该性水玻璃虚线为 Li 2CO 3该性水玻璃

1 －水玻璃质量分数 3.4％， Li 2CO 30.25％，热空气硬化

2 －水玻璃质量分数 3.4％， Li 2CO 30.25％微波硬化

3 －水玻璃质量分数 3.4％，无添加物，热空气硬化

4 －水玻璃质量分数 3.4％，无添加物，微波硬化

（2）在临界功率以上时微波烘硬时间与微波炉功率成正比。所谓临界功率是在此功率以下微波烘硬速度非常缓慢，高过临界功率时才能达到实用烘硬速度。

图 3－ 29 型砂抗拉强度与模数 M＝ 2粉状水玻璃加入量关系图

图 3－ 30抗拉强度与水玻璃水固比和模数的关系

从图 3－ 30可以看到模数 M＝ 2.0的强度最低，这与它胶凝化能力较低有关， M＝ 3.22的强度较 M＝2.4低的原因是它的 Na ＋含量较低。

（4）微波硬化不能使用金属模，因为金属能反射微波，也不能使用水模，因水模在微波下能脱水变形，目前使用较多的是环氧强化橡胶模或合成高分子模。

3.2.4 水玻璃旧砂的再生

过去，由于水玻璃砂工艺落后，型砂中水玻璃加入量多，导致其溃散性差，旧砂再生困难，出现水玻璃砂使用量减少的现象。近年来，由于广大工作者的努力，情况发生了很大的变化，主要是：①水玻璃砂工艺的改进，使型砂中水玻璃加入量大幅度下降，改善了型砂的溃散性，降低了旧砂再生的难度。②各种旧砂再生新工艺、新设备的研究开发成功，为水玻璃旧砂再生提供了前所未有的有利条件。③对水玻璃基础理论研究的深入，为水玻璃旧砂的再生和再生砂的应用提供了理论指导，使各种物理再生和化学再生方法有机的结合起来，旧砂再生的过程得到简化。干法再生砂已用于大型铸钢件的背砂和中小型铸钢和铸铁件的单一砂。旧砂回用率的提高，使生产成本降低，环境污染减少。

1 、砂块的破碎 传统的水玻璃砂工艺，由于水玻璃加入量多，浇注后砂型残留强度高，有些型砂的残留抗压强度可达10Mpa左右，尤其是生产大型铸钢件浇注后的砂型，在长时间高温作用下，硅砂和水玻璃被烧结成整体，几乎不能破碎，勉强破碎也只能是大块变小块，很难获得接近原砂的粒度。水玻璃溃散性差、再生难的问题长期困扰着铸造工作者。

与传统的水玻璃砂工艺相比，今年开发的水玻璃砂工艺，型砂中水玻璃加入量显著降低，型砂溃散性明显改善。表 3－28是今年开发的几种水玻璃砂的残留强度。

表 3－ 28 近年开发的几种水玻璃砂的残留强度

从表 3－28中型砂残留强度数据可以看出，近年开发的水玻璃砂工艺中，水玻璃砂的残留强度降低很多，溃散性有了很大的提高。但对于受热影响较小的部分，砂型仍保留较高的残留强度，接近浇注前的型砂终强度，用一般振动破碎机、颚式破碎机、对锟式破碎机、捶击式破碎机等均能进行破碎，而且可以直接破碎成砂粒，供后续的再生处理。

2 、湿法再生 由于旧砂中的残留水玻璃能够溶于水，所以水玻璃旧砂可以用湿法再生。

湿法再生的特点：①旧砂中的 Na 2O去除率高，一般可达 80％以上，有的甚至可超过 90％。②再生砂回用率高，可达95％以上。③再生砂可作为造型的面砂和单一砂使用。④对于酯硬化水玻璃旧砂，能有效去除残留酯，延长再生砂混砂后的可使用时间。

不同硬化工艺的水玻璃旧砂，湿法再生的难易程度不同。旧砂表面的失水高模数水玻璃可溶于水，但速度缓慢，特别是 CO2法水玻璃表层的不溶性硅凝胶自动溶解的过程更长，为了加速其溶解，往往必须采取搅拌或超声振荡。烘干硬化为主的水玻璃旧砂吸湿型强，失水的水玻璃膜最容易溶解于水；有机酯硬化的水玻璃旧砂湿法再生比较困难。

以往的湿法再生系统结构复杂、庞大。机械化程度较低，耗水量大，污水处理难以解决。近几年，华中科技大学与险峰机床厂合作开发成功一种新型--水玻璃旧砂湿法再生系统，其工作流程见图3－ 31。该湿法再生系统较好地解决了污水处理问题，并实现了水的循环使用。废水处理的原理是“中和－凝

絮－过滤”。污水处理器是该系统水的循环应用的基本设施（见图 3－ 22）。

图 3－ 31 新型水玻璃旧砂湿法再生系统的工艺流程图

3 、干法再生干法再生的原理是用机械的撞击和摩擦去除残留在旧砂表面的水玻璃膜，由于砂粒表面的水玻璃膜在通常湿度条件下具有强的韧性，靠撞击和摩擦很难去除。为了提高脱模效率，可采用热法再生，即将旧砂加热到180～ 200℃（酯硬化水玻璃旧砂加热到 300～ 350℃，以利去除残留有机酯），使水玻璃膜失水脆化，再进行撞击或摩擦，可使 Na2O去除率显著提高。干法再生后的砂一般可用于混制造型的背砂，不宜作为面砂或芯砂。

可用于水玻璃砂干法再生的设备有立式逆流摩擦式、气流撞击式、机械离心式、卧式离心搅拌摩擦设备等，其中采用间歇式摩擦原理的设备脱膜效果较好。图3－33为逆流摩擦式再生机原理示意图，顺时针旋转的筒体和逆时针旋转的转子（叶轮）驱动反向运动的砂流互相摩擦，达到去除砂粒表面水玻璃膜的目的。图3－ 34是德国GFA公司的卧式搅拌摩擦装置，水平放置的砂槽中有两个带叶片的长轴，旧砂被由槽低孔洞吹入的压缩空气吹起而沸腾，同时被反向运动的叶片带动而互相摩擦，达到擦去水玻璃膜的目的，每批旧砂需要摩擦的时间可以由人工设定。图3－ 35是日本太阳RC型机械离心撞击式再生机原理图，主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃的再生。旧砂通过高速旋转的转子获得很高的离心速度，砂粒打在周围的硬质冲击环圈上，达到去除水玻璃膜的作用。图3－ 36是日本新东公司 PNR型一种气流冲击再生机的结构原理图，这种设备主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃砂的再生。

图 3－ 31 新型水玻璃旧砂湿法再生系统的工艺流程图

3 、干法再生干法再生的原理是用机械的撞击和摩擦去除残留在旧砂表面的水玻璃膜，由于砂粒表面的水玻璃膜在通常湿度条件下具有强的韧性，靠撞击和摩擦很难去除。为了提高脱模效率，可采用热法再生，即将旧砂加热到180～ 200℃（酯硬化水玻璃旧砂加热到 300～ 350℃，以利去除残留有机酯），使水玻璃膜失水脆化，再进行撞击或摩擦，可使 Na2O去除率显著提高。干法再生后的砂一般可用于混制造型的背砂，不宜作为面砂或芯砂。

可用于水玻璃砂干法再生的设备有立式逆流摩擦式、气流撞击式、机械离心式、卧式离心搅拌摩擦设备等，其中采用间歇式摩擦原理的设备脱膜效果较好。图3－33为逆流摩擦式再生机原理示意图，顺时针旋转的筒体和逆时针旋转的转子（叶轮）驱动反向运动的砂流互相摩擦，达到去除砂粒表面水玻璃膜的目的。图3－ 34是德国GFA公司的卧式搅拌摩擦装置，水平放置的砂槽中有两个带叶片的长轴，旧砂被由槽低孔洞吹入的压缩空气吹起而沸腾，同时被反向运动的叶片带动而互相摩擦，达到擦去水玻璃膜的目的，每批旧砂需要摩擦的时间可以由人工设定。图3－ 35是日本太阳RC型机械离心撞击式再生机原理图，主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃的再生。旧砂通过高速旋转的转子获得很高的离心速度，砂粒打在周围的硬质冲击环圈上，达到去除水玻璃膜的作用。图3－ 36是日本新东公司 PNR型一种气流冲击再生机的结构原理图，这种设备主要用于树脂砂的再生，也可用于水玻璃砂的再生。

图 3－ 33逆流摩擦式再生机原理图

1 －筒壁（顺时针转动）

2 －转子（逆时针自转，轴心位置固定）

3 －刮板（固定）

图 3－ 34 德国 GFA公式卧式搅拌摩擦装置

1 －驱动电机

2 －轴

3 －叶片

4 －砂槽

图 3－ 35 日本太洋 RC型机械离心撞击式再生机原理图

1 －转子 2－连轴器 3－冲击环圈 4－壳体 5－导管

图 3－ 36 日本新东公司 PNR型气流冲击再生机原理图

1 －气流入口 2－喷嘴 3－喷砂筒 4－挡板 5－靶盘 6－旧砂人口

水玻璃旧砂干法再生系统的优点是设备的结构和系统布置较简单，投资较少，二次污染较易解决。干法再生的缺点是 Na2O的去除率低，一般不超过 30％，采取增加撞击次数或摩擦时间的办法可提高 Na2O去除率，但砂粒容易破碎和粉化。采用加热旧砂的办法，同样存在增加设备投资和能源消耗，存在热砂冷却等问题。

水玻璃旧砂化学再生法具体做法，是将新加入的水玻璃的模数和浓度进行调整，使新、旧水玻璃反应后的体系处于模数－浓度临界值以下，以确保足够的可使用时间进行混砂和造型。

确定再生砂 Na 2O允许残留量的高低，使化学再生法的关键，也是选择再生设备，影响生产成本的重要因素。

采用化学再生工艺时，必须加强型砂的分析和检测。首先控制好旧砂中残留 Na 2O的总量，测得再生残留 Na2O的含量和含水率，然后根据后两个数据计算出新加水玻璃的模数和浓度，使新旧水玻璃相互反应后的模数－浓度低于临界值。

水玻璃旧砂化学再生法不应单独使用，应与物理（干法）再生法联合使用，这样即可以避免旧砂循环使用过程中 Na2O的无限积累，又可以降低对再生砂 Na 2O去除率的要求，提高再生砂回用率，

降低成本，增加效益，减少废物排放，提高资源利用率的综合效益。

3.3 以水泥为粘结剂的型砂和芯砂

3.3.1 以水泥为粘结剂的型（芯）砂的特性

水泥因具有自行凝结硬化的特性，因此以它为粘结剂的型（芯）砂属于自硬砂的范畴。水泥的种类很多，目前用于铸造生产中的有普通硅酸盐水泥和早强水泥（包括双快水泥和特快硬水泥）。

以水泥为粘结剂的型（芯）砂其硬化原理主要是由于水泥遇水后起水化反应生成各种水化物所致。对早强水泥来说，由于在矿物组成中含有快凝成分，例如氟氯酸钙，该组成遇水后在1h内与水反应完毕、迅速生成数量较多的硫铝酸钙针状晶体和铝胶，产生一定的强度，接着其它组分在大量的硫酸钙的作用下，也很快进行水化反应，生成的水化物迅速成长，获得快硬的效果。

普通硅酸盐水泥由于水化物中存在较多的氢氧化钙，在高温作用下，体积收缩和强度下降较为明显，故主要用于铸铁件和铁合金铸件。早强水泥因具有快凝快硬的特性，其初凝强度高，而且在矿物组成中不像硅酸盐水泥那样存在较多的氢氧化钙，故常用于铸铁和铸钢件。

以水泥为粘结剂的型 (芯)砂，为了控制它的硬化反应速度和改善型（芯）砂的工艺性能，可采用加入附加物的方法来调节或控制其硬化速度。普通硅酸盐水泥自硬砂，由于水泥形成凝胶比较缓慢，硬化过程需很长时间，为加速水泥硬化，可加入一些促硬剂，例如：氯化钙、铝酸钠、铝氧熟料、有机盐三乙醇胺等。其速凝作用是将水泥水化时生成的硫酸钙与促凝剂起化学反应，使水泥组分中硅酸三钙、铝酸三钙等加速进入溶液析出水化物。早强水泥由于早期硬化速度很快，型（芯）砂可使用时间很短，给造型、制芯操作带来一定的困难，故常加入一些缓凝剂。经常使用的一些缓凝剂有硼酸、柠檬酸等，其缓凝作用主要是通过消耗游离Ca(OH) 2或水化生成的 Ca(OH)2而产生。为了降低水泥型（芯）砂的表面稳定性，可加入适量的减水剂，例如，木质素磺酸钙、甲基双萘磺酸钠（NNO）等。其减水作用主要是使水泥颗粒表面形成的双电层电动电位增高，促使水泥粒子相斥而分散，从而改善与水接触和水化反应条件。

水泥自硬砂中采用加入不同的附加物，大大改善了型（芯）砂的性能，这为铸造生产中应用推广以水泥为粘结剂的型（芯）砂创造了条件。

3.3.2 几种水泥自硬砂的配比剂性能（见表 3－ 29）

表 3－ 29几种水泥自硬砂的配比和性能

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