水玻璃砂工艺二3.2.2 水玻璃自硬砂水玻璃砂在混砂时加入硬化剂，在室温下能够自硬；砂型（芯）在硬化后起模，称之为自硬砂。

早期的水玻璃自硬砂的硬化剂多以粉状材料为主，如β硅酸二钙（赤泥、炉渣或合成β硅酸二钙）、硅铁粉、氟硅酸钠等。

使用这些粉状材料，使水玻璃加入量居高不下，导致型砂溃散性变差。

有机酯水玻璃自硬砂以液体材料为硬化剂，相对于粉状硬化剂，水玻璃加入量降低了1/2～1/3，比强度提高一倍以上，1000℃残留强度降低了90％左右。

表3－25是有机酯水玻璃自硬砂与固体硬化剂自硬砂配比及性能对比。

图3－26是混合料的配比（质量比）为原砂（福建水洗海砂）100，有机酯0.28，水玻璃 2.8时的有机酯硬化水玻璃砂在不同温度下的残留强度值图3－26 有机酯水玻璃砂不同温度下的残留强度表3－25有机酯水玻璃自硬砂与固体硬化剂水玻璃自硬砂配比及性能对比序号配比（质量比）性能原砂水玻璃硬化剂其他终强度/MPa 1000 ℃残留强度（抗压强度）/MPa1 100 7 赤泥4～5 －＞0.9 －2 100 6 ～7 电炉渣5～7 水1～2 0.4 ～0.7 －3 100 5 ～6 硅铁粉1～2 ω（NaOH）＝－－10％溶液0.5～1.04 100 2.5 ～2.8 有机酯0.22～－≈ 2 ≈ 0.20.343.2.2.1 有机酯水玻璃自硬砂的硬化机理有机酯水玻璃自硬砂的硬化可分为如下三个阶段;第一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。

这个阶段时间的长短取决于有机酯与水玻璃的互溶性和水解速度，它决定了型砂的可使用时间的长短。

化学反应通式如下：RCOOR ˊ +xH 2O OH- RCOOH+Rˊ OH第二阶段，有机酯和水玻璃反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，型砂便失去流动性而固化。

化学反应通式如下：Na 2O ·mSiO 2·nH 2O+xRCOOH （1－x/2）Na 2O·mSiO 2·(n+x/2)H2O+xRCOONa以上两步总的反应式为:xRCOOH ˊ + Na 2O· mSiO 2· nH 2O+xH 2O （1－x/2）Na 2O· mSiO 2· (n+x/2)H2O+xRˊ OH+xRCOONa第三阶段，水玻璃进一步失水强化。

由于反应产物的有机酸盐一般为结晶水化物，而生成的醇也要吸收溶剂水，再加上挥发失水，与机酯能使水玻璃模数－浓度升高到临界值以上，即可促进固化。

有机酯加入量一般为水玻璃重量的 10％～ 12％、由上可知，有机酯水玻璃自硬砂的硬化剂再型砂中是反应物，必须具备一定的数量使反应达到一定的程度，砂型才能硬化。

这个数量不但与水玻璃加入量有关，还与水玻璃的模数、浓度及有机酯的种类有关。

硬化剂加入量过多，会使反应过度，型砂强度下降；硬化剂加入量不足，硬化反应不充分，砂型强度也低。

通常认为的“有机酯的加入量是水玻璃加入量的 1/ 10 ” 这仅仅是常用比值，实际上还应根据水玻璃模数、浓度及有机酯品种和纯 度等因素做必要的调整。

对厚大型（芯）应适当增加酯的加入量并推迟起模时间。

3.2.2 .2 有机酯的选择有机酯的性能影响有机酯水玻璃自硬砂工艺性能，尤其对型砂可使用时间和砂型起模时间有重要影响，使用时应正确选择。

选择有机酯首先根据铸件的结构特点及所需要的操作时间来确定型砂的使用时间，然后在这个基础上，经过严格的工艺试验（包括与之配合的水玻璃），确定选用快酯、中酯或慢酯，或根据工厂的具体情况，再用调节酯进行调节。

3.2.2 .3 混砂和造型工艺特点1 、混砂工艺 典型工艺配比（质量比）：原砂（福建水洗海砂， 40/70筛号） 100，水玻璃 2.8，有机酯 0.28。

混砂工艺：原砂 +有机酯 混匀 ＋水玻璃 混匀 卸砂。

混砂要求速度快，混合均匀。

有机酯硬化水玻璃特种砂的配比性能见表 3－ 26。

表 3－ 26有机酯硬化水玻璃特种砂的配比及强度性能配比（质量比） 初期强度 /MPa终强度 环境条件锆砂烙铁矿砂 有机酯 ①水玻璃 M ＝ 2.3 32min 45min 1h1.5h3h温度 /℃ 相对温度（％）100 － 0.2 1.5 0.11 0.16 0.20 0.58 0.86 4.27 7.5 64 －1000.21.70.020.070.180.330.774.107.564① MDT － 902 3份， MDT － Q 调节酯 1份。

2 、造型工艺特点 主要有以下几点：型砂流动性好，容易紧实，便于实现机械化操作。

型砂透气性好，浇注时排气通畅。

型砂不粘模（木模表面不可涂刷能在有机酯中溶解的油漆），造型时模具表面不必涂脱模剂。

砂型硬化后起模，尺寸稳定，可提高铸件精度。

但对模具质量、结构要求较高，需要有一定的起模斜度。

型砂硬化后强度高，有利于吊砂造型，减少砂芯，也有利于简化芯骨。

新配制的型砂具有粘附性，能较好的粘附在已硬化的砂型（芯）上，这一性能有助于修型。

当砂型（芯）局部损坏时，只要去除浮砂，挖一沟槽或钉几只圆钉，覆上新配制的型砂，待其硬化后即可使用。

为改善铸件表面质量，砂型（芯）表面应刷涂料。

涂料以快干涂料为好。

如刷水基涂料，必须待到砂型（芯）硬化后再涂刷，并及时烘干。

砂型（芯）在防止吸湿的条件下方可贮存，不然会发生如CO 2硬化砂型（芯）那样的反碱现象。

砂型水分含量低，但砂型有一定的吸湿性，气候干燥时，硬化后可直接合型浇注；如气候潮湿，应经热风干燥后浇注，避免铸件产生气孔缺陷。

3.2.2 .4 使用中可能出现的缺陷及防止措施有机酯水玻璃自硬砂使用中可能出现的缺陷及防止措施见表3－27。

表3－27 有机酯水玻璃自硬砂使用中可能产生的缺陷及防止措施序号产生缺陷产生原因防止措施1 可使用时间（常在夏季，气温高时发生），砂型强度低，表面发酥水玻璃的模数太高所用有机酯不合适混砂时间过长原砂温度高采用较低模数的水玻璃采用硬化速度慢的有机酯缩短混砂时间调整生产组织，在可使用时间内完成造型（芯）不使用热砂（即不使用高于当时气温的原砂）2 硬化太慢（常在冬季，气温太低时发生）型砂配比不合适，硬化反应不完全原砂水分过高原材料定量不准，定量失控水玻璃、硬化剂质量失控，如水玻璃模数偏低，有机酯加入量不足采用较高模数水玻璃采用硬化速度快的有机酯预热原砂及水玻璃创造气温较高的小环境3 砂型（芯）产生蠕变、塌落模具表面油漆不适合起模时砂芯强度太低调整配比，增加有机酯量，或适当调高水玻璃模数加强对原材料的检测、监控，不用不合格的原材料加强对混砂机定量监控系统，保证原材料定量准确注意小试样强度性能的假相（受空气中CO 2和风干影响）4 粘模浇注系统设置不当砂型（芯）强度太低浇道及砂型中有浮砂模具表面涂刷不被有机酯重溶的油漆，如树脂漆待砂型（芯）硬化强度高一些再起模5 铸件冲砂、夹砂涂料质量差砂型紧实度低砂型强度低，表面发酥造型材料耐火度不高设置浇注系统时不使金属液直冲砂型（芯），在直浇道底部垫耐火砖片大、中铸件浇注系统采用耐火砖调整型砂配比，加强造型操作管理合型时吹净浇道和型腔中的浮砂6 铸件表面粘砂原砂水分含量高型砂混合不均匀，局部水分高砂型吸湿选用质量好的涂料，涂刷到规定厚度提高砂型紧实度，舂砂操作在型砂可使用时间内完成加强配砂和造型工序的质量控制在铸件热节大，散热条件差的部位使用特种砂（如烙铁矿砂）7 铸件气孔水玻璃加入量过高原砂质量不合格加强原材料质量检测，严禁使用湿原砂加强设备维修管理，确保运转正常选用混砂功能好的设备采取防砂型（芯）吸湿措施，采用热风烘干工艺8 残留强度偏高采用高质量的原砂，尽量降低水玻璃的加入量采用该性水玻璃加溃散剂3 ．2．3 烘干硬化水玻璃砂烘干硬化水玻璃砂的硬化原理是通过加热去除水玻璃中的水分，使水玻璃中硅酸钠聚合成由胶粒构成的立体网状骨架的含Na ＋硅酸胶。

当加热到180～200℃以上脱水得到水玻璃凝胶比由硅溶胶生成的硅酸凝胶更致密，具有较高的强度。

其强度比CO 2硬化砂高10倍左右。

烘干硬化砂水玻璃加入质量分数可降到2％～3％，因而溃散性有显著改善。

烘干硬化水玻璃除传统的远红外炉烘干外，现已发展了在芯盒内吹热风硬化、热芯盒内电加热硬化、微波烘干硬化等新的制芯工艺，这些新的制芯工艺主要适用于制中、小砂芯。

烘干硬化的水玻璃砂最大的缺点是吸湿性太强，可能因吸湿而完全失去强度。

但这一缺点也具有两重性，如果对于某些特定的产品，砂型（芯）烘干后在可控条件下浇注，浇注后在潮湿环境里能自溃，旧砂再次加水后可以利用，可实现良性循环。

1 、过热蒸气硬化法过热蒸气硬化法是将粉末状水玻璃混合在砂中，吹入芯盒，然后导入过热蒸气，短时间内即可硬化。

2 、微波烘干法微波烘干法是一项正在开发中的新工艺，它的特点是利用微波加热快而均匀的特点，充分发挥水玻璃脱水硬化粘结强度高的优势，使型砂中水玻璃加入量降到最低限度。

微波烘干硬化的水玻璃砂在不同湿度条件下抗拉强度随时间变化的强度情况见图3－27。

如果为了适应通常的生产环境，要求提高烘干水玻璃砂的抗吸湿性，通常可以采用以下几种措施：①采用该性水玻璃，如钠－锂复合水玻璃。

②烘干硬化加化学硬化，如在烘干硬化后期通一定量的CO 2或在型砂中加入少量慢酯。

③加入少量Li 2CO 3。

图3－28是碳酸锂该性水玻璃和未该性的钠水玻璃采用不同硬化方法24h后强度变化情况。

现将一些铸造工作者试验的有关结论介绍如下：在一定范围内，微波烘干水玻璃砂的强度与水玻璃加入量成正比。

图3－29是模数M＝2的粉末状硅酸钠配成质量分数为33.4％的水溶液，按不同加入量配制成型砂，试样经微波烘30min，测定的抗拉强度。

图3－27 微波烘干硬化试样抗拉强度、存放时间和湿度的关系水玻璃模数M＝2.88，水固比＝1.34图3－28 Li 2CO 3该性水玻璃和未该性水玻璃试样强度随湿度变化情况注：图中实线为未该性水玻璃虚线为Li 2CO 3该性水玻璃1 －水玻璃质量分数3.4％，Li 2CO 30.25％，热空气硬化2 －水玻璃质量分数3.4％，Li 2CO 30.25％微波硬化3 －水玻璃质量分数3.4％，无添加物，热空气硬化4 －水玻璃质量分数3.4％，无添加物，微波硬化（2）在临界功率以上时微波烘硬时间与微波炉功率成正比。

所谓临界功率是在此功率以下微波烘硬速度非常缓慢，高过临界功率时才能达到实用烘硬速度。

微波烘干的水玻璃砂的抗拉强度与水玻璃液水固比以及水玻璃模数的关系，如图3－30所示。

图3－29 型砂抗拉强度与模数M＝2粉状水玻璃加入量关系图图3－30抗拉强度与水玻璃水固比和模数的关系从图3－30可以看到模数M＝ 2.0的强度最低，这与它胶凝化能力较低有关，M＝ 3.22的强度较M＝ 2.4低的原因是它的Na ＋含量较低。