（一）概述
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· 2O。 nH 通过发生物理-化学反应达到硬化的。
（4）温度是大多数化学反应的重要影响因素，高温季节多用慢酯；低 温季节多用快酯。
（5）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。
材料成型质量控制 第二章 铸型（芯）制备技术
水玻璃砂用液体催化剂
名 称 化 学 组 成 C3H5(OH)2OOCCH3 C3H5(OH)- (OOCC H3)2 C3H5 (OOCC H3)3 上述醋酸酯的混合物 (CH3COOCH2)2 (CH3COO?/FONT>CH2CH3)2O (C2H5COOCH2)2 CH3CHOCOOCH2 H2SiF6
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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。 CO2 + H2O→2H+ + CO32-
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插管法硬化方法
图2-14 插管法硬化示意图 a）硬化砂型 b）硬化砂芯
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盖罩法硬化方法
吹气方式
通过模样吹气法-使 CO2在模样与砂型 界面发生反应
脉冲吹气法-吹CO2 时吹吹停停，总时 间不变，节约气。
图2-15 盖法硬化示意图
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造芯（型）的方法
（1）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）。 （2）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。 （3）型和芯一般要扎通气孔，使CO2气体可以通过，加速 硬化。
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（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。
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。
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液态有机酯固化剂-钠水玻璃砂
（1）通常市售的铸造用有机酯大都是多种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。
（2）铸造用有机酯至今尚无产品质量标准。通常验收条件强调产品主 成分酯质量分数大于98％和有害杂质的质量分数小于0.5％ ，工艺也相 对稳定。 （3） 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。
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2.2 CO2-钠水玻璃砂
芯（型）砂
（1）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。 （2）对几十吨大型铸钢件，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。 （3）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。
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VRH-CO2法的主要工序及相关要求
（1）抽真空 将紧实的砂箱或芯盒置于真空室内抽真空，要求真空度至少在 4000Pa之下，最好2600Pa之下。 (2) 往真空室导入CO2 VRH法水玻璃砂型（芯）吹CO2是在真空室内进行的，因为CO2在 抽真空的砂型（芯）里运动没有障碍，扩散迅速，与水玻璃反应快而均 匀，CO2耗量减少。注意CO2压力随室温变化而变化，冬天应比夏天压 力高。
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（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） 或 Na2O· mSiO2· 2O + H2O → ← 2NaOH+mSiO2· 2O （2-7） nH nH （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 （2-9） ≡Si-O-H-O-Si → ← ≡Si-O-Si≡ + OH（2-10）
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CO2硬化方法
常 用 方 法
插管法-通过砂型中插入的空心金属杆吹入CO2
盖罩法-向扣在修好的砂型上的罩盖中通入CO2
真空硬化(VRH-CO2)法-砂型（芯）在真空
室内经真空脱水后，再经CO2硬化大量 节约气，硬化效果好。
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钠水玻璃模数与粘度的关系
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钠水玻璃水分与粘度的关系
水分增大，密度、粘度减小
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硬化方式与水玻璃模数、密度的关系
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不同产地水玻璃及性能
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 北京 北京 北京 天津 天津 天津 天津 河北 外观 浅灰色 浅灰 浑白色 青灰 青灰色 透明粘稠 乳白色 比重 51 1.52 40 1.54 1.54 1.55 1.38 模数 2.35 3.3 2.65 3.2 2.3 2.5 2.35 3.25 水不溶物 0.6 0.2 0.5 0.8 <0.8 二氧化硅 29.2 32.5 25.0 26 28.2 32.5 32.5 28 氧化钠 12.8 10.5 10.0 8.2 12.7 14.5 13.0 8.7 铁含量 0.027 0.02 0.5 -
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无机化学粘结剂的种类
CO2法 CO2硬化法 VRH- CO 法 2 硅铁粉 粉状固化剂 硅酸二钙 水玻璃系 自硬法 有机酯 液态固化剂 无机酯 加热硬化法 硅酸盐水泥 水泥系(自硬型） 矾土水泥 双快水泥 自硬法 磷酸盐系 加热硬化法 其它粘结剂
无 机 化 学 粘 结 剂
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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： xNaOH=13.3ωSiO2/M-12.9ωNa2O xNH4Cl=1.73(ωNa2O-ωSiO2/M)
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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
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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（26）-（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！ “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。
VRH-CO2法硬化方法
1-液体CO2瓶 2-气化器 3-CO2气体储气罐 4-阀 5-真空室 6-芯盒 7-三通阀 8-水、粉尘分离器 9-真空泵
图2-16 VRH-CO2法硬化示意图
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VRH-CO2法硬化方法工艺的主要特点
（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80％左右。 （3）提高铸件质量。VRH法实行先硬化后起模的工序，而且由于水玻璃 加入量少，砂型（芯）在高温下变形减少，均有利于提高铸件尺寸精度， 同时硬化后的砂型（芯）水质量分数小，铸件的气孔、针孔等缺陷相应 减少。 (4) 降低造型材料费用，提高经济效益。由于水玻璃加入量减少，CO2 消耗量降低，旧砂回用率提高，节省新砂耗量等因素，VRH法与普通水 玻璃CO2硬化工艺相比，每吨铸件型砂费用可节约15％～20％。
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无机硬化砂的优点