水玻璃砂型介绍
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水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称，别名泡花碱 应用最广泛
钠水玻璃（Sodium silicate, water glass），价格便宜，来源充足； 其次为钾水玻璃，此外还有锂水玻璃、钾钠水玻璃、季铵盐水玻璃等。
钠水玻璃的化学式: Na2O·mSiO2·nH2O。 通过发生物理-化学反应达到硬化的。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
硬 化0.06-0.16um，加热硬化0.035-0.4um。
CO2 + H2O→2H+ + CO32-
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
不同硬化方法的硬化结果
（1）粘结膜组织的密度和有序性排列不同，因而影响强度 的大小，加热硬化>酯硬化>铬铁渣硬化>CO2硬化。
（2）凝胶颗粒大小明显不同，强度明显不同。CO2硬化胶 粒直径为0.2-0.48um，酯硬化0.07-0.18um，真空
“N”字形曲线可知
PH=6.8-7.1时凝胶速度最快。 PH=3.2-3.9； PH>10时，稳定性最好、凝胶速度最慢。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
CO2的作用
物理脱水作用——CO2从砂粒表 面流过时， CO2与粘结剂的接 触面积大，使钠水玻璃部分脱 水； 化学反应——形成碳酸，使钠 水玻璃的PH值不断降低，迅速 硬化。
-
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
（二）钠水玻璃砂硬化机理
钠水玻璃砂强度形成过程中的物理-化学反应，即钠水玻璃 由液态变为固态的硬化机理，至今尚无定论。
硬化反应：
（1）硅酸钠（≡Si-O-Na）的钠-氧键水解（→）和酸碱反应（←）：
≡Si-O-Na + H2O → ← Si-O-H + Na+ + OH（2-6）
无机硬化砂的优点
（1）型（芯）砂流动性好，易于紧实，造型（芯）劳动强度低。 （2）硬化快，硬化强度高，简化造型工艺，缩短生产周期，提高劳
动生产率。 （3）可在型（芯）硬化后起模，型、芯尺寸精度高。 （4）可取消或缩短烘烤时间，降低能耗，改善工作环境和工作条件。 （5）提高铸件质量，减少铸件缺陷。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
无机化学粘结剂的种类
水玻璃系
CO2硬化法
CO2法 VRH- CO2法
硅铁粉
粉状固化剂 自硬法
硅酸二钙
无 机
液态固化剂 加热硬化法
有机酯 无机酯
化
硅酸盐水泥
学 水泥系(自硬型） 矾土水泥
粘
双快水泥
结 剂
磷酸盐系
自硬法 加热硬化法
其它粘结剂
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
几个重要参数：
（1）模数 水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔百分比 M = nSiO2/mNa2O = 1.033ωSiO2/ωNa2O
式中：ωSiO2、ωNa2O——分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的 质
量百分数（%）。 模数越高，硬化速度越快，但模数过高，将使芯（型） 砂的保存性差，不适于造型和制芯。铸造生产中，吹CO2硬化常 用模数2的钠水玻璃。水玻璃的模数可以通过加入NaOH水溶液 (浓度10-20%)或NH4Cl水溶液(浓度10%)进行调整。调整计算：
生产单位 北京红星泡花碱厂 北京市红星化工厂 二七机车车辆厂附属工厂 天津市泡花碱厂 天津碱厂服务公司 天津市合成化学厂
天津市酒精厂 秦皇岛耐火材料厂
产地
外观
比重 模数 水不溶物 二氧化硅 氧化钠 铁含量
北 京 浅灰色
51 2.35
0.6
29.2
12.8
0.027
北京
浅灰
1.52 3.3
-
32.5
10.5
第二节 水玻璃粘结剂砂型（芯）
水玻璃及水玻璃砂的硬化机理 CO2-水玻璃砂 自硬水玻璃砂 烘干硬化水玻璃砂 微波硬化法硬化水玻璃砂 水玻璃砂溃散性问题及其解决途径 水玻璃砂的再生
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
2.1 钠水玻璃及钠水玻璃砂的硬化机理
（一）概述
-
北 京 浑白色
-
2.65
-
25.0
10.0
-
天津
青灰
40
பைடு நூலகம்
3.2
0.2
26
8.2
0.02
天 津 青灰色 1.54 2.3
0.5
28.2
12.7
0.5
天 津 透明粘稠 1.54 2.5
0.8
32.5
14.5
-
天 津 乳白色 1.55 2.35
<0.8
32.5
13.0
-
河北
-
1.38 3.25
-
28
8.7
水分和含固量比密度更能直接反映水玻璃的粘结力和价值。
钠水玻璃模数与粘度的关系
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
钠水玻璃水分与粘度的关系
水分增大，密度、粘度减小
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
硬化方式与水玻璃模数、密度的关系
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
不同产地水玻璃及性能
（2-9）
≡Si-O-H-O-Si → ← ≡Si-O-Si≡ + OH-
（2-10）
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
1、脱水硬化
加热烘干 吹热空气 干燥的压缩空气 真空脱水 微波照射 加入产生放热反应的化合物
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
2、酸性物质的催化作用
钠水玻璃在PH>10以上很 稳定，加入适量酸性或具有潜在酸性 的物质时，PH值降低，稳定性下降， 式（2-6）-（2-10）的水解和缩聚过 程加速进行。例如吹CO2，钠水玻璃 与之反应，消耗Na2O，转变为不稳定 的液态凝胶。模数越高的水玻璃同 CO2反应愈快！
xNaOH=13.3ωSiO2/M-12.9ωNa2O xNH4Cl=1.73(ωNa2O-ωSiO2/M)
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
（2）密度、含固量和粘度 密度低，水的质量分数高，含固量少，不宜用作型（芯）砂
粘结剂；反之，密度过大，粘稠，也不便定量和不利与砂子混合。铸
造上通常采用密度ρ=1.32～1.68 /cm3或波美度30～54的水玻璃。
或 Na2O·mSiO2·nH2O + H2O → ← 2NaOH+mSiO2·nH2O （2-7） （2）钠-氧键离解：
≡Si-O-Na （≡Si-O-）- + Na+
（2-8）
（3）水解产生的硅酸不稳定，可以缩聚为多硅酸（→），而多硅酸
又会进行水解（←）：
≡Si-O-H + H-O-Si → ← ≡Si-O-Si≡ + H2O
钠水玻璃（Sodium silicate, water glass），价格便宜，来源充足； 其次为钾水玻璃，此外还有锂水玻璃、钾钠水玻璃、季铵盐水玻璃等。
钠水玻璃的化学式: Na2O·mSiO2·nH2O。 通过发生物理-化学反应达到硬化的。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
硬 化0.06-0.16um，加热硬化0.035-0.4um。
CO2 + H2O→2H+ + CO32-
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
不同硬化方法的硬化结果
（1）粘结膜组织的密度和有序性排列不同，因而影响强度 的大小，加热硬化>酯硬化>铬铁渣硬化>CO2硬化。
（2）凝胶颗粒大小明显不同，强度明显不同。CO2硬化胶 粒直径为0.2-0.48um，酯硬化0.07-0.18um，真空
“N”字形曲线可知
PH=6.8-7.1时凝胶速度最快。 PH=3.2-3.9； PH>10时，稳定性最好、凝胶速度最慢。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
CO2的作用
物理脱水作用——CO2从砂粒表 面流过时， CO2与粘结剂的接 触面积大，使钠水玻璃部分脱 水； 化学反应——形成碳酸，使钠 水玻璃的PH值不断降低，迅速 硬化。
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材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
（二）钠水玻璃砂硬化机理
钠水玻璃砂强度形成过程中的物理-化学反应，即钠水玻璃 由液态变为固态的硬化机理，至今尚无定论。
硬化反应：
（1）硅酸钠（≡Si-O-Na）的钠-氧键水解（→）和酸碱反应（←）：
≡Si-O-Na + H2O → ← Si-O-H + Na+ + OH（2-6）
无机硬化砂的优点
（1）型（芯）砂流动性好，易于紧实，造型（芯）劳动强度低。 （2）硬化快，硬化强度高，简化造型工艺，缩短生产周期，提高劳
动生产率。 （3）可在型（芯）硬化后起模，型、芯尺寸精度高。 （4）可取消或缩短烘烤时间，降低能耗，改善工作环境和工作条件。 （5）提高铸件质量，减少铸件缺陷。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
无机化学粘结剂的种类
水玻璃系
CO2硬化法
CO2法 VRH- CO2法
硅铁粉
粉状固化剂 自硬法
硅酸二钙
无 机
液态固化剂 加热硬化法
有机酯 无机酯
化
硅酸盐水泥
学 水泥系(自硬型） 矾土水泥
粘
双快水泥
结 剂
磷酸盐系
自硬法 加热硬化法
其它粘结剂
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
几个重要参数：
（1）模数 水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔百分比 M = nSiO2/mNa2O = 1.033ωSiO2/ωNa2O
式中：ωSiO2、ωNa2O——分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的 质
量百分数（%）。 模数越高，硬化速度越快，但模数过高，将使芯（型） 砂的保存性差，不适于造型和制芯。铸造生产中，吹CO2硬化常 用模数2的钠水玻璃。水玻璃的模数可以通过加入NaOH水溶液 (浓度10-20%)或NH4Cl水溶液(浓度10%)进行调整。调整计算：
生产单位 北京红星泡花碱厂 北京市红星化工厂 二七机车车辆厂附属工厂 天津市泡花碱厂 天津碱厂服务公司 天津市合成化学厂
天津市酒精厂 秦皇岛耐火材料厂
产地
外观
比重 模数 水不溶物 二氧化硅 氧化钠 铁含量
北 京 浅灰色
51 2.35
0.6
29.2
12.8
0.027
北京
浅灰
1.52 3.3
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32.5
10.5
第二节 水玻璃粘结剂砂型（芯）
水玻璃及水玻璃砂的硬化机理 CO2-水玻璃砂 自硬水玻璃砂 烘干硬化水玻璃砂 微波硬化法硬化水玻璃砂 水玻璃砂溃散性问题及其解决途径 水玻璃砂的再生
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
2.1 钠水玻璃及钠水玻璃砂的硬化机理
（一）概述
-
北 京 浑白色
-
2.65
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25.0
10.0
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天津
青灰
40
பைடு நூலகம்
3.2
0.2
26
8.2
0.02
天 津 青灰色 1.54 2.3
0.5
28.2
12.7
0.5
天 津 透明粘稠 1.54 2.5
0.8
32.5
14.5
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天 津 乳白色 1.55 2.35
<0.8
32.5
13.0
-
河北
-
1.38 3.25
-
28
8.7
水分和含固量比密度更能直接反映水玻璃的粘结力和价值。
钠水玻璃模数与粘度的关系
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
钠水玻璃水分与粘度的关系
水分增大，密度、粘度减小
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
硬化方式与水玻璃模数、密度的关系
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
不同产地水玻璃及性能
（2-9）
≡Si-O-H-O-Si → ← ≡Si-O-Si≡ + OH-
（2-10）
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
1、脱水硬化
加热烘干 吹热空气 干燥的压缩空气 真空脱水 微波照射 加入产生放热反应的化合物
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
2、酸性物质的催化作用
钠水玻璃在PH>10以上很 稳定，加入适量酸性或具有潜在酸性 的物质时，PH值降低，稳定性下降， 式（2-6）-（2-10）的水解和缩聚过 程加速进行。例如吹CO2，钠水玻璃 与之反应，消耗Na2O，转变为不稳定 的液态凝胶。模数越高的水玻璃同 CO2反应愈快！
xNaOH=13.3ωSiO2/M-12.9ωNa2O xNH4Cl=1.73(ωNa2O-ωSiO2/M)
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
（2）密度、含固量和粘度 密度低，水的质量分数高，含固量少，不宜用作型（芯）砂
粘结剂；反之，密度过大，粘稠，也不便定量和不利与砂子混合。铸
造上通常采用密度ρ=1.32～1.68 /cm3或波美度30～54的水玻璃。
或 Na2O·mSiO2·nH2O + H2O → ← 2NaOH+mSiO2·nH2O （2-7） （2）钠-氧键离解：
≡Si-O-Na （≡Si-O-）- + Na+
（2-8）
（3）水解产生的硅酸不稳定，可以缩聚为多硅酸（→），而多硅酸
又会进行水解（←）：
≡Si-O-H + H-O-Si → ← ≡Si-O-Si≡ + H2O