水玻璃砂铸造应注意的几个问题

水玻璃砂铸造应注意的几个问题

国外几十年来对树脂砂铸造工艺的应用实践表明：树脂砂虽然具有铸件尺寸精度高，表面光洁，造型效率高，可以制造形状复杂和部质量要求严格的铸件，旧砂回收再生容易等优点；但是，树脂砂的生产成本高，环境污染严重，在人们对于自身生存条件和环境的要求日趋严格的条件下，由于车间劳动保护和生产环境卫生方面的投资很大，树脂砂的应用受到一定限制。而水玻璃无色、无臭、无毒，在混砂造型、硬化和浇铸过程中都没有刺激性或有毒气体溢出。故近年来许多国家对水玻璃砂重新重视起来。

水玻璃砂的硬化方法可分为热硬法、气硬法和自硬法三大类，包括很多种方法。但目前常用的硬化方法主要有以下两种：

1、普通CO2气硬法

此法是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种快速成型工艺，由于设备简单，操作方便，使用灵活，成本低廉，在国外大多数的铸钢件生产中得到了广泛的应用。

CO2气体硬化水玻璃砂的主要优点是：硬化速度快，强度高；硬化后起模，铸件精度高。

普通CO2气体硬化水玻璃砂的缺点是：型（芯）砂强度低，水玻璃加入量（质量分数）往往高达7~8%或者更多；含水量大，易吸潮；冬季硬透性差；溃散性差，旧砂再生困难，大量旧砂被废弃，造成环境的碱性污染。

2、有机酯自硬法

此法是采用液体的有机酯代替CO2气体作水玻璃的硬化剂。

这种硬化工艺的优点是：型（芯）砂具有较高的强度，水玻璃加入量可降至3.5%以下；冬季硬透性好，硬化速度可依生产及环境条件通过改变粘结剂和固化剂种类而调整（5～150min）；型（芯）砂溃散性好，铸件出砂清理容易，旧砂易干法再生，回用率≥80%，减少水玻璃碱性废弃砂对生态环境的污染，节约废弃砂的运输、占地等费用，节约优质硅砂资源；型砂热塑性好，发气量低，可以克服呋喃树脂砂生产铸钢件时易出现的裂纹、气孔等缺陷；可以克服CO2水玻璃砂存在的砂型表面稳定性差、容易过吹等工艺问题，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美；在所有自硬砂工艺中生产成本最低，劳动条件好。

该硬化工艺的主要缺点是：型芯砂硬化速度较慢，流动性较差。

目前铸造生产中，有时采用复合硬化工艺，例如短时吹CO2达到起模强度后先起模，再吹热空气，或烘干，或利用有机酯自硬，或自然脱水干燥，以获得较大的终强度，提高生产效率。

水玻璃砂铸造时，应重点注意以下几个主要问题：

1 影响水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃“老化”？

新制备的水玻璃是一种真溶液。但是在存放过程中，水玻璃中硅酸要进行缩聚，将从真溶液逐步缩聚成大分子的硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是一种由不同聚合度的聚硅酸组成的非均相混合物，易受其模数、浓度、温度、电解质含量和存放时间的影响。

水玻璃在存放过程中分子产生缩聚，形成凝胶，其粘结强度随着贮存时间的延长而逐渐降低，这一现象称为水玻璃“老化”。

“老化”现象可由下述两组试验数据来说明：高模数水玻璃（M＝2.89，ρ＝1.44g/cm3）贮放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉强度相应下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%；低模数水玻璃（M＝2.44，ρ＝1.41g/cm3）贮放7、30、60和90天后，干拉强度分别下降4.5%、5%、7.3%和11%。

水玻璃存放时间对酯硬化水玻璃自硬砂初期强度影响不大，但对后期强度影响明显，据测定，对于高模数水玻璃下降60%左右，对于低模数水玻璃下降15～20%。残留强度也随存放时间的延长而降低。

水玻璃在存放过程中聚硅酸的缩聚反应和解聚反应同时进行着，分子量发生了歧化，最终生成单正硅酸和胶粒并存的多重分散体系，也就是在水玻璃的老化过程中，聚硅酸的聚合度发生了歧化，单正硅酸和高聚硅酸的含量均随存放时间的延长而增多。水玻璃在存放中缩聚、解聚反应的结果，使粘结强度下降了，即产生“老化”现象。

影响水玻璃“老化”的因素主要有：存放时间、水玻璃的模数和浓度。存放时间越长，模数越高，浓度越大，则“老化”越严重。

对久存的水玻璃可以采用多种方法的改性处理，以消除“老化”，使水玻璃恢复到新鲜水玻璃的性能：

1、物理改性

水玻璃老化是缓慢释放能量的自发过程，用物理改性处理“老化”的水玻璃就是用磁场、超声波、高频或加热等办法，向水玻璃体系提供能量，促使高聚合的聚硅酸胶粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均匀化，从而消除了老化现象，这就是物理改性的机理。例如，用磁场处理后，水玻璃砂的强度提高了20～30%，减少水玻璃加入量30～40%，节约CO2，改善溃散性，有较好的经济效益。

物理改性的缺点是不持久，处理后再贮放，粘结强度又会下降，故适用于铸造厂处理后尽快使用。尤其是M＞2.6的水玻璃，硅酸分子浓度大，经过物理改性解聚后又会较快地缩聚，最好是处理后立即使用。

2、化学改性

化学改性是往水玻璃中加入少量化合物，这些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羟基、醚基、氨基等极性基团，通过氢键或静电将其吸附在硅酸分子或胶粒表面，改变其表面位能和溶剂化能力，提高聚硅酸稳定性，从而阻止“老化”进行。

例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等，可取得较好的效果。

往普通水玻璃甚至改性水玻璃中掺入有机物可以起到多种作用，如：改变水玻璃的粘流性质；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘结强度，使水玻璃的绝对加入量减少；提高硅酸凝胶的可塑性；降低残留强度，使水玻璃砂更适用于铸铁和有色合金。

3、物理—化学改性

物理改性适宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用。化学改性适宜于处理新鲜水玻璃，改性后的水玻璃可较长时间的存放。物理改性与化学改性结合起来，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高压釜中加聚丙烯酰胺来改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高压釜的压力和搅拌是属于物理改性，加聚丙烯酰胺是化学改性。

2 如何防止CO2吹气硬化水玻璃砂型（芯）表面粉化？

钠水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段时间后，有时在下型（芯）表面会出现象白霜一样的物质，严重降低该处表面强度，浇注时易产生冲砂缺陷。根据分析，这种白色物质的主要成分是NaHCO3，可能是由于钠水玻璃砂中含水分或CO2过多而引起的，其生成的反应如下：

Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH

Na2O+2CO2+H2O→2NaHCO3

NaHCO3易随水分向外迁移，使型、芯表面出现类似霜的粉状物。

解决的方法如下：

1、控制钠水玻璃砂的水分不要偏高（特别是雨季和冬季）。