铸造粘结剂分析

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3、粘度(ν)
水玻璃的粘度与其模数、密度、杂质含量 及温度等因素密切相关。
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水玻璃的处理 水玻璃处理的原理
如果从化工厂购得的水玻璃模数和密度不符合铸造工 艺要求，可在使用前进行改变模数和密度的处理。通常 采用加水稀释或加热浓缩的方法来改变水玻璃的密度。 而模数的改变则通过改变其中的Na2O的含量来实现。 为降低模数，可在水玻璃中加入 NaoH 水溶液以增加其 Na2O含量；如要提高模数，一般是在水玻璃中加入定量 的、浓度适当的氯化铵水溶液或盐酸，与其中Na2O 发生 中和反应，降低Na2O含量，从而相对提高SiO2含量。反 应原理如下；
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粘土的种类
粘土根据它含有的粘土矿物种类及其性能的不同，主 要分为普通粘土和膨润土两大类。用N和P分别表示。
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（一）普通黏土
普通黏土俗称白泥，呈白色或灰白色。
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（二）膨润土
膨润土主要由蒙脱石和黏土矿物质所组成，具有较大的吸水 膨胀性、胶体分散性、吸附性、离子交换性和湿态黏结性能。 按其主要交换性阳离子的不同，铸造用膨润土可分为钠基膨润 土和钙基膨润土，分别以PNa 和PCa表示
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2、水玻璃粘结剂
水玻璃的制备方法与化学式
水玻璃别名泡花碱，是硅酸钠、硅酸钾或硅酸锂的水 溶液。除特别注明外用的水玻璃均指钠水玻璃，其化学 式为：Na2O· mSiO2.nH20。 制造水玻璃的方法有干法和湿法两种。 干法制造水玻璃是将硅砂与苏打(Na2C03)或硅砂与无水 芒硝(Na2S06)及碳(焦炭、木炭或无烟煤 )各按一定比例混 合后，在反射炉内加热到 1400℃左右，即可得到熔融的 硅酸钠。
水玻璃砂 由硅砂、水玻璃和辅加物混合配制而成。制成的砂 型可吹以CO2实现化学硬化，也可采用加热硬化或在硬化剂 作用下自行硬化等方法。这种型砂可用于制造铸钢件和铸铁 件的砂型。水玻璃砂有落砂困难和旧砂不易再生等缺点，应 用受到一定的限制。
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(3) 粘土的粘结机理
从以上所述，可以认为粘土的湿粘结性是这样形成的，即 带负电的粘土胶粒，把极性水分子吸引在自己周围形成呈 胶粘性的水化膜，依靠土粒间的公共水化膜，通过其中的 水化阳离子，起着“桥”或“键”的作用，使土粒相互连 结起来，产生湿态粘结性(如图示)。公共水化膜就是粘土胶 粒间的公共扩散层。相邻的粘土胶粒表面虽然带同号的负 电荷应该互相排斥，但由于公共扩散层中阳离子的吸引， 反而会使它们结合起来。显然粘土胶粒的扩散层愈薄，这 种吸引力也愈强。由此可见， 。如水分过低，不能形成完 整的水化膜 ;如水分太高，出现自由水，这样湿态粘结力都 不高。一般说粘土粒子所带电荷愈多或土粒愈细小，比表 面愈大，湿粘结力愈强。 6
粘土的组成
粘土主要是由细小结晶质的粘上矿物组成，如高岭石和蒙 脱石等。它的组成都是含水铝硅酸盐，化学式为
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粘土的粘结机理
粘土矿物的胶体特性 所谓粘土胶体不是指干燥粘土，而是加水后的粘土— 水两相系统。
(1)粘土和水的结合； 粘土中的水可分为吸附水和结构水两种。 粘土吸附水可分为三种，即牢固结合水、松结合水和自由水。 牢固结合水是接近于粘土表面的有规则排列的水层，有人测得 其厚度约3-10个水分子厚度，而且性质也不同于普通水，其密 度为1.28—1.48，不流动，沸点高于100℃，冰点低于0℃，比 热于小1，不导电，没有溶解盐的能力，也称非液态吸附水。松 结合水系指从规则排列到不规则排列水层，它与普通水也不同。 其冰点也低于0℃，比重大于1，它虽然可在粘土表面上移动， 4 但不受重力的影响。自由水即最外面的普通水层，也称流动水 层。被粘土颗粒所吸附的水，具有较高的粘滞性。
铸造粘结剂
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铸造粘结剂的分类
铸造粘结剂的主要作用是将颗粒状或粉状造 型材料形成有一定强度的连续粘结簿膜而形 成铸型。
从粘结剂的粘结机理来分： 物理成膜粘结剂与化学成膜粘结剂 按组成分类： 可分为有机粘结剂与无机粘结剂
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一、无机粘结剂
1、铸造用粘土
粘土是铸造用的一种主要粘结剂，粘土被水湿润后具 有粘性和塑性，烘干后有一定的强度。它的耐火度较 高，复用性好，资源丰富，价格低廉，应用很广泛。
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二、有机粘结剂
（一）植物油类
植物油是油脂的一种，其组成是脂肪酸三甘油酯。
铸造工业中所用的植物油粘结剂主要有桐油、亚 麻油和改性米糠油等，均属于干性油。
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植物油的硬化机理主要是氧化、聚合过程，反应大致可
分以下三个阶段： •挥发 在加热过程中，首先是水分蒸发，其次是油类中较易挥发的碳 氢化合物挥发。 •氧化聚合 植物油中带有双键的不饱和碳氢化合物，由于双键不稳定，在 加热时容易与空气中的氧化合，形成过氧化物，所生成的过氧 化物与含有双键的其它分子聚合。聚合生成的物质还含有双键 ，在氧的作用下，又转变为过氧化物，再与其它具有双键的物 质发生聚合反应，形成更为复杂的化合物。随着氧化、聚合反 应的不断进行，使植物油分子逐渐增大，液态油膜变成溶胶。 •胶凝硬化 随着分散介质的继续挥发，溶胶变成凝胶，最后变成坚固有弹 25 性的固体薄膜，使芯砂获得很高的干强度。
③硬化后强度高，能用来制造外形复杂、截面 细薄的型芯，并可减少粘结剂加入量，以便降 低铸件生产成本和减少浇注过程中气体发生量， 减少铸件产生气孔缺陷的可能性。 ④发气量少，要求粘结剂受热发气缓慢、量少。 对于和等类铸件还要求粘结剂的含氮量低，以 防止产生皮下气孔、针孔等缺陷。 ⑤溃散性好，粘结剂受到高温作用能自行分解 溃散，以防止铸件凝固后产生内应力、裂纹， 并使铸件轻易清砂。 此外，还要求粘结剂不易吸潮或变质，混砂后 可使用时间长，不粘附模样和芯盒，对人体无 害，对环境无污染，来源丰富，价格低廉等。
水玻璃发生胶凝的结果是体系失去流动性而形成 网络状硅凝胶，其中包罗着大量溶剂。由于胶体 粒子的相互靠拢，不稳定的硅醇键 (—si—oH) 会 脱出部分溶剂而形成稳定性高的硅氧键 (—Si— O—Si) ，故凝胶的同时会伴随着体积收缩。体积 收缩时将包罗于凝胶网络中的液相挤出，使凝胶 的致密度和强度均有所增加，这个过程称为脱液 收缩。此外，溶剂蒸发时还会产生干燥收缩，二 者统称之为胶凝收缩。
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壳芯法所用粘结剂为线型热塑性酚醛树脂
热塑性酚醛树脂硬化机理 常用的固化剂是六次甲基四胺(即乌洛托品)，其分 子式为(CH2)6N4，加热时分解为氨气和次甲基(一 cH2一)，所以能使线型分子固化，由热塑性树脂 转化为热固性树脂。
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热芯盒树脂砂
热芯盒树脂砂是在原砂中加入适量的呋喃树脂粘结剂和 固化剂，将混好的树脂砂射入（或吹入）到加热后的金 属芯盒中，通过芯盒 180-2500C 的热作用，使树脂与固 化剂经过几秒-1min左右的反应而硬化制出砂芯。
水玻璃粘结剂的硬化原理
1、水玻璃溶液中的平衡移动
水玻璃中存在着单硅酸与胶体粒子的溶解平衡：
硅酸根离子和单硅酸的电离平衡：
水玻璃的模数愈高，OH-浓度和pH就愈小，胶体SiO2粒子就愈 多，稳定性就低。模数为 3.0 一 3.5 的水玻璃，其 pH为 11.5~13。 16 若模数更高或者加 H+ 以提高模数，当 pH 值降到 11.0 以下时， 则体系中的SiO2，数量就会增大到使稳定性破坏的程度。
(2)粘土胶团结构；
粘土胶团结构如图所示，在 粘土胶团内粘土质点本身是 带负电的胶核。紧靠胶核周 围吸附着一些定向的偶极水 分子和一些水化的阳离子， 构成了围绕胶核的吸附层， 随胶核一起在水中移动。胶 核与吸附层构成胶粒，胶粒 以在水中独立运动。由于 吸附层内阳离子不足以补偿 胶核的净电荷，因此随着离 胶核距离愈远，阳离子数目 愈少，形成了一个阳离子浓 度和粘土负电荷逐渐递减的 扩散层。胶粒加上扩散层总 称为胶团。
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水玻璃的组成 固体水玻璃: Na2O· mSiO2, m——模数；m不一定是整数。 铸造用水玻璃m在2.0~3. 5之间，在状态图相当于SiO2在 66—77％范围内，其最低共熔点为793℃，组成为Na2O． 2SiO2+Si02。 液体水玻璃: Na2O· mSiO2.nH20；模数2~3、密度1.2-1.7 水玻璃的分散状态 水玻璃具有某些离子溶液的性质，并不是典型的胶体 溶液。水玻璃溶液是一种复杂的动平衡体系。模数在 2以上的水玻璃是一种以硅酸盐离子为主，以亚胶体 离子为辅的溶液。随着模数的提高，胶体性能有所增 15 强。
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水玻璃的性能指标 1、模数(m)
水玻璃的模数是指其中SiO2和Na2O的克分子比值。它表明 水玻璃中siO2和Na2O的相对含量关系，可用下式计算
型砂用水玻璃模数一般为 2.0一2.6，用作熔模铸造型 壳粘结剂的水玻璃，其模数通常为3.o一3.5。
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2、密度(d)
水玻璃的浓度是指其水溶液中Na2O· mSiO2的含 量。由于浓度愈高时，溶液密度愈大，故可以近似 地用密度表示浓度的大小。但是水玻璃的密度不光 取决于团体含量，而且还同其化学成分有关。这是 由于Na2O提高密度的作用赂大于siO2，所以不就能 像普通电解质溶液那样，按密度来确定溶质含量。 固体总含量相同时，模数愈低的水玻璃，其溶液的 密度愈高。
影响油砂性能的主要因素
1、油的加入量及粘度的影响
油的最适宜加入量，应使全部砂粒表面都覆盖一层完 整的均匀的并具有一定厚度的油膜。
2、原砂性能的影响 3、水和其他加入物的影响
4．配制与烘干工艺的影响
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（二）合成树脂有机粘结剂
壳芯法用树脂及其硬化机理
先把原砂、酚醛树脂和固化剂 等混制成覆膜砂，然后把覆膜 砂吹入事先加热至200一280℃ 的金属芯盒中，保持20一60 s （称为结壳时间)，使贴近芯盒 壁的覆膜砂中的树脂受热熔化， 将砂粒粘结在一起，形成一层 薄壳，再把中间未熔化的、松 散的覆膜砂倒出来，将已形成 的薄壳继续加热30一90 s，使 它进一步硬化。然后打开芯盒， 取出壳芯，即可获得厚度3— 12mm左右的空心壳芯。