铸造工艺总汇-异型砂型铸造

3.3.1 概述

到目前为止，铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是钠水玻璃。

水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称，别名泡花碱。铸造上使用的主要是钠水玻璃（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。钠水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2·nH2O。直接影响钠水玻璃的化学和物理性质以及水玻璃砂的工艺性能的几个重要参数是：

1）模数模数的大小仅表示钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量比。

M=nSiO2/mNa2O=1.033W SiO2/W Na2O

式中W Sio2、W Na20——分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的质量百分数（%）。

模数越高，作为芯（型）砂粘结剂时的硬化速度越快，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：

X NaOH=13.3W SiO2/M-12.9W Na2O(克)

X NH4Cl=1.73(W Na2O-W SiO2/M) (克)

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p为1.32～1.68／ cm3或波美度30~54的钠水玻璃。实际上，水分和含固量较之采用密度更直接反映钠水玻璃的粘结力和价值。

3.3.2 水玻璃砂造型工艺

一、CO2钠水玻璃砂

目前广泛采用的CO2钠水玻璃砂，大都由石英砂加入4.5～8.0％的钠水玻璃配制而成。对于几十吨的质量要求高的大型铸钢件砂型（芯），全部面砂或局部采用镁砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、锆砂等特种砂代替石英砂较为有利。

钠水玻璃砂可使用各种混砂机混制。混好的砂最好放在有盖的容器中，或者覆以湿的麻袋，以免砂中水分蒸发和与空气中CO2接触。

钠水玻璃砂流动性好，制芯时可用手工或靠微震紧实，也可采用吹射制芯（型）。大的砂芯为增加容让性和便于排气，砂芯内部放块度为30－40mm的焦碳块、炉渣或干砂，并在中心挖出气孔，上部通至箱口。型和芯一般要扎通气孔，使CO2气体可以通过，加速硬化。

目前应用较多的是插管发法和盖罩法（见图1），也有通过模样吹CO2硬化的方法，还开发了真空—CO2硬化和脉冲吹气硬化等方法。

图1 盖罩法硬化示意图

应用CO2硬化法常采用的吹气压力为0.15~0.2MPA，吹气时间视型、芯大小和形状而定，一般从10s到几min。每吨铸件CO2的耗用量为10~12kg。

二、自硬钠水玻璃砂

自硬钠水玻璃傻由原砂、钠水玻璃、粉状固化剂或液体有机酯硬化剂及为改善砂芯（型）的保存性、

出砂性、减少铸件缺陷、提高铸件表面质量的附加物所组成。

液体有机酯自硬砂采用的液体硬化剂如表1所示。

表1 水玻璃砂用液体催化剂

名 称化 学 组 成甘油单醋酸酯（一醋精，monacetin）C3H5(OH)2OOCCH3

甘油双醋酸酯（二醋精，diacetin）C3H5(OH)- (OOCC H3)2

甘油三醋酸酯（三醋精，triacetin）C3H5 (OOCC H3)3

有机酯（organiceter）上述醋酸酯的混合物

乙二醇二醋酸酯（ethylene glycol diacetate）(CH3COOCH2)2

二甘醇二醋酸酯（diethylene glycol diacetate）(CH3COO?/FONT>CH2CH3)2O

乙二醇丙酸酯(C2H5COOCH2)2

丙烯碳酸酯（碳酸酯和丙烯乙二醇）CH3CHOCOOCH2

氟硅酸（hydrofluosilic acid）H2SiF6

通常市售的铸造用有机酯大都是由上述酯以不同比例混合而成，以满足生产上所需不同的使用时间和硬化速度的要求。用酯硬化钠水玻璃，酯水解产物之一的丙三醇在浇注时被烧掉，有助改善型芯的出砂性。

对于用于铸造生产的有机酯至今尚未制定产品质量标准。现根据某工厂的进货验收条件，摘编于下，供参考。该验收条件强调了产品主成分质量分数和有害杂质的质量分数，即规定产品酯质量分数大于98％；有力酸质量分数小于0.5％。根据该厂反映这两项指标工厂有检测条件，控制好这两项指标，工艺也相对稳定。

工厂选择有机酯应根据本厂铸件的结构特点所需要的操作实践来确定型砂工艺的可操作实践。在这个基础上，经过严格的工艺试验（包括与之搭配的水玻璃），确定选用快酯、中酯或慢酯或根据自己的特殊情况，再用调节酯自行调节。

温度是大多数化学反应的重要影响因素，对于有机酯水玻璃自硬砂也一样，大多数工厂在没有条件控制环境和原材料温度的情况下，在季节变化时所选用的硬化剂也应有所变化。高温季节多用慢酯；低温季节多用快酯。

有机酯钠水玻璃砂可用于单件和成批生产钢铁及其他合金铸件，小的型、芯用单一砂，而大、中型砂型则用它作面砂。它的典型配方按质量分数是石英砂95.6～97％，钠水玻璃3～44％。有机酯为钠水玻璃质量的8～12.5％。

三、烘干硬化水玻璃砂

烘干硬化水玻璃的强度比CO2硬化砂的强度高10倍左右。为得到CO2硬化砂同样的常温强度，烘干硬化砂水玻璃的加入量可降到2～3％，因而使溃散性有显著改善。烘干硬化水玻璃砂，除传统的进窑烘干外，现已发展了在芯盒内吹热风硬化、热芯盒内硬比、微波硬化等新的制芯工艺，但这些新的制芯工艺只适于制中小型芯。

烘干硬化水玻璃砂的配比根据烘干硬化方法决定。进窑烘干的水玻璃砂，要求有一定湿强度，配比中常加适量耐火粘土、膨润土或含膨润土的溃散剂，并加适量水或NaOH溶液。采用这种工艺时，型砂的配比和CO2硬化砂的配比接近。热芯盒内硬化和微波加热硬化，对湿压强度没有要求，不加附加物，水玻璃加入量可降到2.5~3.5％。

热气烘干法是使干燥的热气流均匀地透过砂芯，溢出时带走砂芯中水玻璃的水分，从而使水玻璃胶凝，砂芯固化的一种方法。应用这种方法，在设计芯盒时应设计好进、排气通道，务必使砂芯全部硬透。热气烘干法对工装设计要求较高，热气流烘干需要较长时间，效率也受影响。

四、真空置换硬化(VRH)法

真空置换硬化(VRH)法是近年来开发成功并已应用于生产的先进水玻璃砂工艺之一。该工艺以水玻璃为粘结剂，砂型（芯）在真空室内经真空脱水后，再经CO2硬化。

1.VRH法工艺的主要特点

(1) 水玻璃加入量少

当水玻璃加入量在3％～4％，真空吹CO2后2h，砂型强度可达1～2MPa，终强度可达2MPa 以上，完全满足生产工艺要求。

(2) 显著改善砂型的溃散性

尽管比树脂砂的溃散性差些，但落砂及旧砂再生均能明显改善，可用干法再生，其再生回收率达