水玻璃砂型铸造技术研究及应用新进展

水玻璃砂型铸造技术研究及应用新进展术
华 中科技大 学材料 成形与模 具技术 国家重点 实验室 （湖北 武汉 ４３００７４） 樊 自田 汪华方
【摘 要 】 概 述 了国 内外 水玻 璃砂 型铸 造 技 术 研 究 及应 用 的最 新 进展 。主 要 内容 包括 ：水玻 璃砂 微 波加 热硬 化 技 术 、 水玻 璃 粘 结 剂抗 吸 湿 改 性技 术 、 水玻 璃 砂 型 质 量控 制 技 术 、水玻 璃 粘结 剂 成 分 自动 测 定技 术 、 水玻 璃 旧砂 再 生 回 用技 术 等 。 笔 者 认 为 ，随 着 水玻 璃砂 的抗 湿性 、 ｌＥＴ砂 再 生砂 循环 等 难 题 的逐 步 解 决 ，新 型 水玻 璃 粘 结 剂 材料 、水玻 璃砂 微 波加 热硬 化 工 艺方 法 及装 备 等 的研 发成 功 ，实现 基 于 水玻 璃砂 的 绿 色清 洁 生 产是 完 全可 能 的 。
２．水 玻璃砂微 波加热硬 化技 术 水 玻 璃 硬 化 方式 经 历 了普 通 加 热 硬 化 、二 氧 化 碳硬化 、粉末硬化 、液态有机脂硬化及微波硬化等 阶 段 。微 波 硬 化 水 玻璃 砂 具 有加 热 速 度 快 ，加 热均 匀 ，节能高效 ，以及易于控制等优 点 ，能充分 发挥 水 玻璃 的 粘 结 潜 力 ，较 大 地 降 低水 玻璃 的 加 入 量 ， 旧砂 的溃 散 性 和 回用能 力也 很 好 ，具 有 较 好 的 发 展 前景。但微波硬化水 玻璃砂实际应 用的难题是 ：模 具 材料 要 求 高 ，硬化 后 水 玻璃 砂 型 芯 的 吸湿 性 大 。 国内的重庆大学 、内蒙古工业大学和华中科技 大 学 等先 后 进 行 了微 波 硬化 水 玻 璃 砂 工艺 的研 究 。 重 庆 大学 的李 华 基 等 对水 玻 璃 砂 微 波加 热 工 艺 及 工 程应用方案进行 了初步研究 ；内蒙古工业大学的车 广 东 等对 水 玻 璃 砂 微 波 硬化 特 性 及 溃 散性 进 行 了 初 步试验 ，研究了水玻璃的加入量 、微波加热时 间和 加 热 功率 等 工 艺 因素 对 砂 型试 样 抗 拉 强 度 的影 响 。 华 中 科技 大学 在 国家 自然 科 学 基金 资 助 下 构 建 了实用化的水玻璃砂微波硬化 系统 ，对微波硬化水 玻璃砂的性能进行 了较系统的研究 。除系统研究影 响水玻璃砂微波加热硬化强度的工艺因素及性能特 征外 ，还重点研 究了微波硬化后水玻璃砂型芯的吸 湿性 问题及其影 响因素 、环境湿度 与微波硬化水玻 璃 砂 存 放 强 度之 关 系 ，以 及 克服 微 波 硬 化 水玻 璃 砂 模 具 材 料 要 求 高 的方 法 等 ，提 出 了二 次 微 波 硬化 水 玻璃砂新方法 ，系统研究 了二次微波硬化水玻璃砂 的性能特征 。二次微波加热水玻璃砂新方法的模具 受热 时 间短 ，可 采用 普 通 木 模 和 塑料 模 ，大 大减 低 了微波加热对模具材料 的要求 ，可以解决微波硬化 水 玻 璃 砂 模具 材 料 要 求 高 的 问题 。 波 兰 Ｗ ｒｏｃｌａｗ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ的
李 振 阳 认 为 凡 是 能 够 提 供 一 定 浓 度 Ｈ 的 物 质 ，均 能 实现 对 钠 水 玻璃 耐 水 改性 。 王桂 芹 通 过研 究 ＬｉＯＨ改 性 水 玻 璃 ，发 现 该 改 性 水 玻 璃 能 明 显 改 善 砂 样 的可 使 用 时 间 、存 放 强 度和 表 面安 定 性 。 李 艺 明采 用 四硼 酸 钠 对水 玻 璃 进 行 改性 ，表 明四 硼酸 钠 可 以提 高 水 玻 璃硬 化 后 的 强 度和 抗 吸 湿 性 。 屈银 虎 利 用磷 酸 氢 二 钠 、 三聚 磷 酸 钠等 对 水 玻 璃 进 行 改 性 ，表 明磷 酸 氢 二 钠和 三 聚 磷 酸钠 均能 提 高 水 玻 璃 的 粘结 强 度 ，明 显改 善 水 玻 璃 砂 的高 温 溃 散性 。朱 筠 采 用聚 氧 化 乙 烯树 脂对 水 玻 璃进 行 改 性 ，表 明 聚 氧化乙烯改性水玻璃砂常温强度高 、抗吸湿性强 ， 具 有 良好 的综 合 性 能 。 谈剑 将 少 量 Ｋ 、Ｌｉ 复 合 到 钠 水 玻 璃 中 去 制 成 了钾 钠 锂 复 合 水 玻 璃 ，通 过 Ｋ 与 Ｌｉ＿取 长 补 短 ，达 到 了改 善 吸 湿 性 和 溃 散 性 的 目 的 。夏 露 研 究 了 改性 剂 对 铸 造 用铝 磷 酸 盐 自硬 砂性 能 的影 响 ，表 明加 入 含 镁 改 性 剂会 使 铝 磷 酸盐 自硬 砂 的室 温 抗 压 强 度 下 降 ，但 适量 的 含 镁 改 性 剂 能有 效地 提 高 铝磷 酸 盐 自硬砂 的 抗 吸 湿性 。
吸湿是指砂 型 （芯 ）硬化后 ，在存放过程 中因 环 境 湿 度 大而 逐 渐失 去 粘 结 强 度 的现 象 。吸 湿性 给 各 种 型 砂 带 来 的危 害 使 其 在 高湿 度 地 区的 应 用受 到 了极 大 限 制 ，型砂 的 存 放 时 间 受环 境 湿 度 大 的影 响 而 大 大 减 少 ，微 波 硬化 水 玻 璃 砂 吸 湿 性 大是 阻碍 该 型砂 应 用 的 主 要 障碍 。为 解 决 这 一 生产 实 际 问题 ，
１．概 述 水玻璃 （硅酸钠 ）是 目前应用最成功的无机化 学 粘 结 剂 ，长 期 使 用 也 对人 体 无 害 。 用水 玻 璃 砂 造 型 ，价 格 便 宜 ，流 动性 好 ，硬 化 快 ，型芯 的 尺 寸 精 度高 ，在混砂 、造型、浇注和落砂过程 中均无刺激 性气味或 有毒气体产生 ，也无黑色污染。在环保标 准 日益 严 格 的今 天 ，水 玻璃 砂 被 认 为是 最 可 能 实 现 绿 色 铸造 的 型砂 种 类 。 水玻璃砂铸造工艺 自２０世纪６０年代经苏联传人 我 国 后 ，得 到 了广 泛 的 应 用 ，据 初 步 统 计 ， ２００９ 年 中国的铸件产量 约３２４０万ｔ，约有７０％的铸 钢件 采 用 了水 玻 璃砂 铸 造 工 艺 ，这 些 工 厂 主 要 分布 在 铁 路 、造 船 、 钢铁 等 行 业 。国外 方 面 ， 目前 主要 是 波 兰 、 印度 、 巴西 和 伊 朗 等 国家在 使 用 水 玻 璃 砂制 备 铸 件 ，而 位 于 美 国 费 城 的 世 界 最 大 水 玻 璃 制 造 商 ＰＱ公 司 则一 直 在 开 发 多种 级 别 的水 玻 璃 产 品 。 水玻璃砂铸造技术 的研究及应用内容 ，包括 ： 硬 化 方 式 改 进 、 粘结 剂 改 性 、 工 艺 质量 控 制 、原 料 成 分 测 试 、 旧砂 再生 与 回用 等 方面 ，本 文 就 水玻 璃 砂技术研究及应用的最新进展作一概述 ，供读者 参考。
物理改性是往老化的水玻璃 中输入能量 （如磁 场 作 用 、加 热搅 拌 等 ） ，促 使 硅酸 的聚 合 度 重新 均 匀化 ，经物理改性后的水玻璃 ，可将损失掉的粘结 强度恢复过来 ，降低型芯砂 中水玻璃的加入量 。
化学 改性 是往 水玻 璃 中添加一 种或 数种 改性 剂 ，以 阻 缓水 玻 璃 的 老 化 ，减 少 粘 结 强 度 的 损失 。 这 些 改 性 剂 的 加 入 ，能 使 硬 化 后 的 水 玻 璃 胶 粒 细 化 ，起 增 强 作 用 ，也 有 利 于 改善 溃 散 性 。改性 剂 在 水 玻 璃 粘 结剂 中的 作 用 包 括 ：阻缓 老 化 ，限制 硅 酸 凝 胶 胶 粒 长大 ；增 加 分 子 结 构 中极 性 官 能 团 的密 度 和极性官能团的活性 ，获得更高的粘结强度 ；改善 水玻璃旧砂的溃散性 ；提高水玻璃砂的抗湿性等 。
除 了对 水 玻 璃改 性 外 ，在 微 波 加 热 硬化 后 的水 玻璃 砂 型 表 面 涂刷 一 层醇 基 涂料 ，构 建 陶 瓷 质 防护 层 ，屏蔽 和 防 止 水分 子 的 渗 入 与扩 散 ，也 可 以 提 高 水 玻璃 砂 的 抗 吸 湿性 ，这 也 是 今后 研 究 及 应 用 的 重 点 方 向之 一 。
４．水玻 璃砂 型质量控 制技术 水 玻 璃 砂 型 的 性 能 质 量 与 水 玻 璃 粘 结 剂 的 种
对 于 微波 硬化 水 玻 璃 砂 工 艺 而 言 ， 目前 最核 心 的 问题 是 其 抗 吸湿 性 差 ，今 后研 究 与应 用 的 重 点将 集 中于如何改善该砂型的抗吸湿性 能。
３．水 玻璃粘结 剂抗吸湿 改性技术
研 究 及 应 用表 明 ，改 性 水 玻 璃 可 以提 高 水玻 璃 砂 的性 能 。改 性 水 玻 璃 的 实 质是 提 高 纯 净 度 （降 低 杂 质含量）、减少老化现象（加入抗老化物 质）、提高 水 玻璃砂的某些特 殊性能（强度 、溃 散性 、抗湿性 等 ），通 常 有 物理 改 性 和化 学 改 性 两种 方法 。
国内外 数十年 来致 力于 各种砂 型抗 湿性 的研 究 。 日本 专利 中有 资 料 表 明 ：加 入 环 醚 、甘 油 醚 、
乙 二 醇 类烷 基 醚 等 醚 类化 合 物 可 以 提供 砂 型 （芯 ） 的 强 度 和 表面 稳 定 性 。Ｊａｉｎｓ Ｒｏｂｉｎｓ等 人 认 为 将 硅 烷 偶 联 剂加 入 树 脂 中 ，不仅 可 以 改 进该 树 脂 砂 型 的 强 度 ，并 且 有 利于 改 进 树 脂 的抗 潮性 能 。
பைடு நூலகம்
国家 自然科学基金资助项 目 （编号５１０７５１６３）。
参磊 …
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Ｋ．Ｇｒａｎａｔ等 一直 从 事 水 玻 璃微 波 硬 化 工 艺研 究 ，开 发 了微 波 硬 化 水 玻璃 砂 系统 技 术 ，具 体 内容 包 括 ： 开 发 了一 套 微 处 理 器 控 制 的 微 波 制 芯 工 艺 装 置 ； 比较 了在不同硬化条件下 （传统烘干脱水硬化 、吹 二氧 化 碳 硬 化 和 微波 硬 化 等 ）的 水 玻璃 模 数 对 抗 压 强度 、抗 弯 强 度 、抗 拉 强 度 及 透 气性 的影 响 ；测 定 了微 波 硬 化 时 间 和水 玻 璃 种 类 对砂 型 强度 的 影 响 ； 研 究 了不 同的 硬 化方 式 （传 统 加 热 硬化 、二 氧 化 碳 吹 气硬 化 、脂硬 化 和 微 波 硬 化 ）水 玻 璃 砂 的 强 度性 特 征 。研 究 结 果 表 明 ，在 水 玻 璃 加 入 量 为 １．５％和 ２．５％时 ，微 波 硬 化 的砂 型强 度 比传 统 硬化 要 高 ２６％ ￣ｎ３ｏ％；ＳＥＭ照 片 显示 ，传 统 加 热 硬 化 和 ＣＯ 硬 化 的 水 玻 璃 砂 粒之 间的 粘 结 桥 有 裂纹 ，而 微 波 硬化 的 没 有 裂 纹 且粘 结 桥 与 砂粒 之 间的转 变平 缓 。