水玻璃砂型铸造应注意的几个问题

发布时间： 07 / 17 2021 作者：网站编辑访问：14312

1 影响水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃的“老化”？

新鲜配制的水玻璃是真正的解决方案。但在储存过程中，水玻璃中的硅酸会发生缩聚反应，逐渐从真溶液缩聚成大分子硅酸溶液，最后成为硅酸凝胶。因此，水玻璃实际上是由不同聚合度的聚硅酸组成的异质混合物，容易受到其模量、浓度、温度、电解液含量和储存时间的影响。

在储存过程中，水玻璃分子发生缩聚形成凝胶，其结合强度随着储存时间的延长而逐渐降低。这种现象称为水玻璃的“老化”。

“老化”现象可以用以下两组测试数据来解释：高模量水玻璃（M=2.89，ρ=1.44g/cm3）在储存20、60、120、180、240天后，CO2硬化水玻璃吹制后，沙子的干拉伸强度分别下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%；低模量硅酸钠（M=2.44，ρ=1.41g/cm3）在干燥后储存7、30、60和90天。拉伸强度分别下降了4.5%、5%、7.3%和11%。

水玻璃的存放时间对酯硬水玻璃自硬砂的初始强度影响不大，但对后期强度有显着影响。据测量，高模量水玻璃降低约60%，低模量水玻璃降低15-20%。 . 残余强度也随着储存时间的延长而降低。

水玻璃在储存过程中，聚硅酸的缩聚和解聚同时进行，分子量发生歧化，最终形成单原硅酸和胶体颗粒共存的多分散体系。即水玻璃在老化过程中，硅酸的聚合度发生歧化，单原硅酸和高聚硅酸的含量随着储存时间的延长而增加。由于水玻璃在储存过程中发生缩聚和解聚反应，结合强度降低，即出现“老化”现象。

影响水玻璃“老化”的主要因素有：水玻璃的储存时间、模量和浓度。储存时间越长，模量越高，浓度越大，“老化”越严重。

可以通过多种方式对存在已久的水玻璃进行改性，以消除“老化”，使水玻璃恢复到淡水玻璃的性能：

1.物理改造

水玻璃的老化是一个缓慢释放能量的自发过程。 “老化”水玻璃的物理改性是利用磁场、超声波、高频或加热为水玻璃体系提供能量，促进聚硅酸盐胶的高度聚合。颗粒重新解聚，促进聚硅酸分子量均一化，从而消除老化现象，这是物理改性的机理。例如，经磁场处理后，水玻璃砂强度提高20-30%，水玻璃添加量减少30-40%，节省CO2，改善湿陷性，具有良好的经济效益。

物理改性的缺点是不耐用，处理后保存结合强度会下降，所以适合在铸造厂处理后尽快使用。特别是M>2.6的水玻璃，硅酸分子浓度大，经过物理改性和解聚后，缩聚速度较快。最好在治疗后立即使用。

2.化学改性

化学改性是在水玻璃中加入少量化合物，这些化合物都含有羧基、酰胺、羰基、羟基、醚、氨基等极性基团，通过氢键或静电吸附在硅酸分子或胶体颗粒上电。表面，改变其表面势能和溶剂化能力，提高聚硅酸的稳定性，从而防止“老化”的进行。

例如在水玻璃中加入聚丙烯酰胺、变性淀粉、聚磷酸盐等，可以达到更好的效果。

在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，例如：改变水玻璃的粘流特性；改进水玻璃混合物的建模性能；增加结合强度，使水玻璃绝对添加量减少；提高了硅酸凝胶的可塑性；残余强度降低，使水玻璃砂更适用于铸铁和有色合金。

3. 理化改性

物理改性适用于“老化”的水玻璃，改性后可立即使用。化学改性适用于加工淡水玻璃，改性后的水玻璃可以长期保存。物理改性与化学改性相结合，可使水玻璃具有持久的改性效果。例如，在高压釜中加入聚丙烯酰胺，对“老化”的水玻璃进行改性，就有很好的效果。其中，使用压力和高压釜的压力。搅拌是物理改性，加入聚丙烯酰胺是化学改性。

2 如何防止CO2吹硬水玻璃砂型（芯）表面粉化？

苏打钠水玻璃砂经吹CO2硬化并放置一段时间后，有时会在下模（型芯）表面出现白霜之类的物质，严重降低该处的表面强度，容易出砂浇注过程中的洗涤缺陷。据分析，这种白色物质的主要成分是NaHCO3，可能是水玻璃砂中水分过多或CO2过多所致。反应如下：

　　Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOH

　　Na2O+2CO2+H2O→2NaHCO3

　　NaHCO3 容易随水分向外迁移，导致模具和型芯表面出现粉状霜。

解决方法如下：

　　 1、控制硅酸钠砂的含水量不能太高（尤其是雨季和冬季）。

　　2、吹CO2的时间不宜过长。

　　 3、硬化后的模具和型芯不宜长时间放置，应及时成型浇注。

　　4、在硅酸钠砂中加入1%（质量分数）左右的密度为1.3g/cm3的糖浆，可有效防止表面粉化。

3 如何提高水玻璃砂模（芯）的吸湿性？

通过CO2或加热方法硬化的苏打水玻璃砂芯在湿粘土模具中组装。如果不及时浇注，砂芯的强度会急剧下降，不仅可能蠕变，甚至坍塌；存放在潮湿环境中，砂芯的强度也明显降低。表1为CO2硬化钠水玻璃砂芯在相对湿度为97%的环境中放置24小时后的强度值。存放在潮湿环境中强度下降的原因是钠水玻璃的再水化作用。硅酸钠粘结剂基体中的Na+和OH-吸收水分侵蚀基体，最终破坏硅氧键Si-O-Si，导致硅酸钠砂的粘结强度显着下降。

1、在钠水玻璃中加入锂水玻璃，或在钠水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等无机添加剂，因为可以形成相对难溶的碳酸盐和硅酸盐，可以减少游离钠离子，因此，水分可以提高钠水玻璃粘合剂的抗吸收性。

2、在钠水玻璃中加入少量有机物或具有表面活性剂作用的有机物。当粘合剂硬化时，钠水玻璃凝胶中的亲水性Na+和OH-离子可能被有机疏水基团取代，或相互结合，暴露出的有机疏水基提高吸湿性。

3、提高水玻璃的模量，因为高模量水玻璃的防潮性能比低模量水玻璃强。

4.将淀粉水解物加入到硅酸钠砂中。更好的方法是用淀粉水解物对钠水玻璃进行改性。

4 CO2吹硬水玻璃-碱性酚醛树脂砂复合工艺有哪些特点？

近年来，为了提高铸钢件质量，一些中小企业急需采用树脂砂工艺。但由于经济能力有限，无法采购树脂砂再生设备，旧砂无法回收，生产成本高。为了找到一种在不增加成本的情况下提高铸件质量的有效途径，可以结合CO2吹硬水玻璃砂和CO2吹硬碱性酚醛树脂砂的工艺特点，结合CO2吹硬水玻璃-碱性砂的工艺特点。可以使用酚醛树脂。树脂砂复合工艺以碱性酚醛树脂砂为面砂，水玻璃砂为背砂，吹入CO2硬化。

CO2-碱性酚醛树脂砂所用酚醛树脂是由苯酚和甲醛在强碱性催化剂作用下，加入偶联剂缩聚而成。 PH值≥13，粘度≤500mPa•s。砂中酚醛树脂的添加量为3%～4%（质量分数）。当CO2流量为0.8~1.0m3/h时，最佳吹气时间为30~60s；吹气时间过短，砂芯硬化强度低；吹气时间过长，砂芯强度不会增加，浪费气体。

CO2——碱性酚醛树脂砂不含N、P、S等有害元素，消除了由这些元素引起的气孔、表面微裂纹等铸造缺陷；浇注时不释放H2S、SO2等有害气体，有利于环保；良好的可折叠性，易于清洁；尺寸精度高；生产效率高。

CO2吹硬水玻璃-碱性酚醛树脂砂复合工艺可广泛用于铸钢件、铸铁件、铜合金和轻合金铸件。

复合工艺是一种简单方便的工艺。其过程如下：先将树脂砂和水玻璃砂分别混合，然后放入两个砂桶中；然后将混合树脂砂作为面砂加入砂箱中并捣碎，面砂层厚度一般为30-50mm；然后加入水玻璃砂，使背砂填满压实；最后，CO2 气体被吹入模具硬化。

吹管直径一般为25mm，可硬化范围约为吹管直径的6倍。

吹气时间取决于砂型（型芯）排气塞的大小、形状、气体流量和面积。一般吹气时间控制在15~40s。

吹完硬砂模（芯）后，就可以取模了。砂型（芯）的强度迅速上升。取模后半小时内刷漆，4小时后关箱浇注。

该复合工艺特别适用于没有树脂砂再生设备而需要生产优质铸件的铸钢厂。工艺简单，易于控制，生产的铸件质量与其他树脂砂铸件相当。

CO2吹硬水玻璃砂还可以与CO2吹硬聚丙烯酸钠树脂砂复合生产各种优质铸件。

5 CO2-有机酯复合硬化水玻璃砂工艺的优缺点是什么？

近年来，CO2-有机酯复合硬化水玻璃砂工艺有扩大应用的趋势。其工艺流程为：混砂时加入一定量的有机酯（一般为正常需要量的一半或水玻璃重量的4~6%）；造型完成后吹CO2硬化至脱模强度（一般要求抗压强度0.5MPa左右）；脱模后有机酯继续硬化，型砂强度上升较快；吹完CO2，放置3~6h后，即可合并砂模浇注。

硬化机理为：

当水玻璃砂吹入CO2时，在气体压差和浓度差的作用下，CO2气体会尽量向型砂的各个方向流动。 CO2 气体接触水玻璃后，立即与其反应形成凝胶。由于扩散作用，反应总是由外向内，外层先形成凝胶膜，阻止CO2气体与水玻璃继续反应。因此，在短时间内，无论用什么方法来控制CO2气体，都不可能使其与所有的水玻璃发生反应。据分析，型砂达到最佳吹塑强度时，与CO2气体反应的水玻璃约为65%。这意味着水玻璃没有充分发挥其粘结作用，至少有35%的水玻璃没有反应。有机酯固化剂能与粘结剂形成均匀的混合物，能充分发挥粘结剂的粘结作用。芯砂的所有部分都以相同的速度增强强度。

增加水玻璃的加入量会增加砂模的最终强度，但其残余强度也会增加，使砂难以清理干净。水玻璃添加量过少时，最终强度过小，不能满足使用要求。在实际生产中，水玻璃的加入量一般控制在4%左右。

单独使用有机酯硬化时，一般有机酯的加入量为水玻璃量的8-15%。使用复合硬化时，估计在吹入CO2时，大约一半的水玻璃已经硬化，大约一半的水玻璃还没有硬化。因此，有机酯的用量以占水玻璃用量的4～6%为宜。

复合硬化法可以充分发挥CO2硬化和有机酯硬化的双重优势，可以充分发挥水玻璃的粘结作用，达到硬化速度快、脱模早、强度高、塌陷性好、成本低。综合效果。

但是，CO2-有机酯复合硬化工艺需要比单纯的有机酯硬化法多添加0.5～1%的水玻璃，这会增加用过的水玻璃砂再生的难度。

6 为什么用硅酸钠砂工艺生产铸铁件时容易产生粘砂？如何预防？

用硅酸钠砂制成的砂型（芯）浇注铸铁件时，往往会产生严重的粘砂，限制了其在铸铁生产中的应用。

水玻璃砂中的Na2O、SiO2和浇注时液态金属产生的氧化铁形成低熔点硅酸盐。如前所述，如果这种化合物中含有较多的易熔非晶玻璃，则这层玻璃与铸件表面的结合力很小，收缩系数与金属不同。铸件表面容易去除大应力，不粘砂。如果铸件表面形成的化合物SiO2含量高，FeO、MnO等含量低，其凝固组织基本呈晶体结构，与铸件结合牢固，产生粘砂.

用硅酸钠砂生产铸铁件时，由于铸铁件浇注温度低，含碳量高，铁和锰不易被氧化，产生的粘砂层具有结晶结构，难以在铸铁件和粘砂层之间建立一个合适的层。氧化铁层的厚度与铸件和粘砂层之间的树脂砂不同，在生产铸铁件时通过树脂热解可产生光亮的碳膜，因此粘砂层不易去除。

为防止铸铁件生产中产生苏打水玻璃砂，可采用合适的涂料。如水性漆，涂漆后表面需要干燥，所以以醇性快干漆为最佳。

一般来说，铸铁件还可以在水玻璃砂中加入适量的煤粉（如3%～6%）（质量分数），使铸件与砂层之间的煤粉热解产生明亮的碳膜。它不会被金属及其氧化物润湿，因此粘砂层很容易从铸件上剥落。

7 水玻璃砂有望成为无废砂排放的环保型砂吗？

水玻璃无色、无味、无毒。如果接触到皮肤和衣服并用水冲洗不会造成严重问题，但必须避免溅入眼睛。水玻璃在混砂、造型、硬化、浇注过程中无刺激性或有害气体释放，无黑色和酸性污染。但是，如果工艺不当，添加过多的水玻璃，水玻璃砂的溃散性不好，清砂时会飞扬灰尘，也会造成污染。同时，旧砂再生困难，废砂的排放对环境造成碱性污染。

如果能克服这两个问题，水玻璃砂就可以成为环保型砂，基本不排放废砂。

解决这两个问题的根本措施是将水玻璃的添加量减少到2%以下，基本可以甩掉沙子。当加入的水玻璃量减少时，旧砂中残留的Na2O也减少。采用比较简单的干法再生方法，可以将循环砂中残留的Na2O保持在0.25%以下。这种再生砂可以满足中小型铸钢件单一型砂的使用要求。此时，即使旧水玻璃砂不采用昂贵复杂的湿法再生，而是采用相对简单廉价的干法再生，也可以充分回收利用，基本不排放废砂，比砂铁之比可降至1:1以下。

8 如何有效再生水玻璃砂？

如果旧水玻璃砂中残留的Na2O过高，在砂中加入水玻璃后，型砂将没有足够的使用时间，过多的Na2O堆积会使石英砂的耐火度变差。因此，在对用过的水玻璃砂进行再生时，应尽可能去除残留的Na2O。

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