鑄造生產(chǎn)中手工混砂和機(jī)器混砂技巧有哪些？

（一）概述

1．砂型鑄造的特征及工藝流程

配制型砂—造型—合型—澆注—冷卻—落砂—清理—檢查—熱處理—檢驗(yàn)—獲得鑄件

特征：使用型砂構(gòu)成鑄型并進(jìn)行澆注的方法，通常指在重力作用下的砂型鑄造過(guò)程。

造型(芯)方法按機(jī)械化程度可分為手工造型(芯)和機(jī)器造型(芯)兩大類。

選擇合適的造型(芯)方法和正確的造型(芯)工藝操作，對(duì)提高鑄件質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)率有極重要的意義。

（1）手工造型(芯) 手工造型(芯)是很基本的方法，這種方法適應(yīng)范圍廣，不需要復(fù)雜設(shè)備，而且造型質(zhì)量一般能夠滿足工藝要求，所以，到目前為止，在單件、小批生產(chǎn)的鑄造車間中，手工造型(芯)仍占很大比重。在航空、航天、航海領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。手工造型(芯)勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低，鑄件質(zhì)量不易穩(wěn)定，在很大程度上取決于工人的技術(shù)水平和熟練程度。手工造型方法很多，如模樣造型、刮板造型、地坑造型，各種造型方法有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

（２）機(jī)器造型（芯）　用機(jī)器完成全部或部分造型工序，稱為機(jī)器造型，與手工造型相比，機(jī)器造型生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，勞動(dòng)強(qiáng)度低，對(duì)工人的技術(shù)要求不像手工造型那樣高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，一般適用于一個(gè)分型面的兩箱造型。機(jī)器造型（芯）主要適用于黑色金屬鑄件的大批量生產(chǎn)。

2． 砂型/芯制造方法分類

在制造各砂型、芯的過(guò)程中，根據(jù)其本身建立強(qiáng)度時(shí)其粘結(jié)機(jī)理的不同，通?？煞譃槿箢悾?/span>

（1）機(jī)械粘結(jié)劑型芯----以粘土為粘結(jié)劑的粘土型芯砂所產(chǎn)生的粘結(jié)；

（2）化學(xué)粘結(jié)劑型芯----型芯砂在造型、芯過(guò)程中，依靠其粘結(jié)劑本身發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)達(dá)到硬化，從而建立強(qiáng)度，使砂粒牢固地粘結(jié)為一個(gè)整體。有機(jī)、無(wú)機(jī)粘結(jié)劑，其中無(wú)機(jī)粘結(jié)劑包括鈉水玻璃及硅溶膠，而有機(jī)粘結(jié)劑則包括熱硬、自硬和氣硬樹(shù)脂砂型（芯）；

（3）物理固結(jié)----指用物理學(xué)原理產(chǎn)生的力將不含粘結(jié)劑的原砂固結(jié)在一起，磁型鑄造法、負(fù)壓造型法或真實(shí)密封造型法或薄膜負(fù)壓造型法，以及消失模造型法。

（二）粘土濕型

1.濕型及其特點(diǎn)

（1）生產(chǎn)靈活性大，適用面廣，既可手工，又可機(jī)器、以及流水線生產(chǎn)，既可生產(chǎn)大件，也可生產(chǎn)小件，可鑄鋼（中小件），也可鑄鐵，有色合金等。

（2）生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，便于流水線生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化，汽車，柴油機(jī)，搶拖拉機(jī)行業(yè)應(yīng)用很廣（300～500kg鑄鐵薄裂件）。

（3）原材料成本低，來(lái)源廣。

（4）節(jié)省能源、烘干設(shè)備和車間生產(chǎn)場(chǎng)地面積。

（5）因不需烘干，砂箱壽命長(zhǎng)。

（6）缺點(diǎn)：操作不當(dāng)，易產(chǎn)生一些鑄造缺陷：夾砂結(jié)疤，鼠尾，砂眼，脹砂，粘砂等。

2．粘土濕型所用的主要原材料

粘土濕型的配方為：原砂（或舊砂）100，粘土（膨潤(rùn)土）1～5％，煤粉～8％，水～6％，以及其它附加物。

（1）原砂－石英砂

其砂子是火成巖中穩(wěn)定的部分，主要成分為二氧化硅（SiO2）和少量的雜質(zhì)（Na,k,Ca,Fe等氧化物）。含SiO2極高的砂子稱石英砂，有高的熔點(diǎn)，1700℃，摩氏硬度7級(jí)（一般將材料分為10級(jí)，其中滑石為1級(jí)，金剛石為10級(jí)），隨夾雜物含量的增加，其耐火度下降，SiO2含量高，砂子的顏色接近無(wú)色透明，一般用石英砂色白并略帶灰色。

鑄造生產(chǎn)所用的石英砂與建筑用砂不同，它有其特殊的要求，主要有：含泥量；顆粒組成；原砂顆粒形狀及表面狀況；原砂的礦物組成和化學(xué)成分等。

生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類、質(zhì)量、壁厚的不同來(lái)選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強(qiáng)還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其它金屬氧化物，因而較易與型砂中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成化學(xué)粘砂。所以要求原砂中Si02含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制。鑄鋼件的澆注溫度愈高，壁厚愈厚，則對(duì)原砂中Si02含量的要求就愈高。

鑄鐵的澆注溫度一般在1400℃以下，鐵液中含有較多碳分，濕型澆注時(shí)型砂中加入有煤等附加物，能產(chǎn)生大量還原性氣氛，在與鑄型相接觸的界面上金屬基本不氧化，實(shí)際上濕型鑄鐵件無(wú)化學(xué)粘砂現(xiàn)象。

燒結(jié)點(diǎn)指的是原砂顆粒表面或砂粒間混合物開(kāi)始熔化的溫度。它是原砂各種組合成分耐火性能的綜合反應(yīng)。所以，有時(shí)采用測(cè)定原砂燒結(jié)點(diǎn)的辦法能更直觀地說(shuō)明原砂做為耐火材料的性能，而且可用來(lái)推測(cè)原砂中SiO2含量高低和雜質(zhì)多少。長(zhǎng)石、云母及其雜質(zhì)中所含有的堿金屬氧化物(Na20、K20)、堿土金屬氧化物(CaO、MgO)等能與Si02和氧化鐵生成易熔物質(zhì)。例如Si02與NaO的質(zhì)量比為73：27的混合物，其熔點(diǎn)僅793℃．K2O與SiO2可形成熔點(diǎn)僅525℃低熔物, 燒結(jié)點(diǎn)低。

（2）原砂－非石英質(zhì)原砂

硅砂缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，而且在573℃時(shí)會(huì)因相變而產(chǎn)生突然膨脹-----鑄件若裂；熱擴(kuò)散率比較低；容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì)對(duì)鑄型與金屬的界面反應(yīng)起不良影響。在生產(chǎn)高合金鋼鑄件或大型鑄鋼件時(shí)，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清砂十分困難。

非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離Si02的原砂。在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來(lái)配制無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻，無(wú)體積突變，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用。

目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等。真正廣泛使用的仍為石英砂。

（3）粘土----膨潤(rùn)土

粘土的礦物成分粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤(rùn)后具有粘結(jié)性和可塑性；烘干后硬結(jié)，具有干強(qiáng)度，而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性。粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。

粘土礦物的種類很多，按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石和蒙脫石等。通常根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土(fireclay)和鑄造用膨潤(rùn)土(bentonite)兩類。膨潤(rùn)土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑。

根據(jù)國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鑄造用膨潤(rùn)土和粘土》(JBlT 9227—1999)的規(guī)定，膨潤(rùn)土中如果某一交換性陽(yáng)離子量占陽(yáng)離子交換容量的≥50％時(shí)，稱其為主要交換性陽(yáng)離子，如果為鈉離子則稱為鈉膨潤(rùn)土，以PNa表示(P是膨潤(rùn)土代號(hào))；如果為鈣離子，則稱為鈣膨潤(rùn)土，以PCa表示。我國(guó)鈣基膨潤(rùn)土資源較多，開(kāi)采和供應(yīng)比較方便。有時(shí)要根據(jù)粘土的陽(yáng)離子交換特性，對(duì)鈣土進(jìn)行處理，使之轉(zhuǎn)變?yōu)殁c基膨潤(rùn)土。這種離子交換過(guò)程，通常稱為膨潤(rùn)土的活化處理，常用的活化劑為碳酸鈉。這一過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單示意如下：

Ca2+一蒙脫石+Na2C03一-Na+一蒙脫石+CaC03+。

（4）粘土的粘結(jié)機(jī)理

粘土在水中形成的粘土-水體系是膠體，帶負(fù)電的粘土顆粒將極性水分子吸引在自己的周圍，形成膠團(tuán)的水化膜，依靠粘土顆粒間的公共水化膜，通過(guò)其中的水化陽(yáng)離子所起的“橋”或鍵的作用，使粘土顆粒相互結(jié)合起來(lái)，在水化膜中處在吸附層的水分子被粘土質(zhì)點(diǎn)表面吸附得很緊，而處于擴(kuò)散層中的水分子較松，公共水化膜就是粘土膠粒間的公共擴(kuò)散層。粘土和水量比例適宜時(shí)，才能獲得好的濕態(tài)粘結(jié)力。一般說(shuō)來(lái)，粘土顆粒所帶電荷愈多或粘土顆粒愈細(xì)小，比表面積愈大，則濕粘結(jié)力愈大。

關(guān)于粘土顆粒與砂粒之間的粘結(jié)則被解釋為：砂粒因自然破碎及其在混碾過(guò)程中產(chǎn)生新的破碎面而帶微弱負(fù)電，也能使極性水分子在其周圍規(guī)則地定向排列。這樣，粘土顆粒與砂粒之間的公共水化膜，通過(guò)其中水化陽(yáng)離子的“橋’’或鍵的作用，使粘土砂獲得濕態(tài)強(qiáng)度。

（5）附加物

3．濕型砂的混制工藝及舊砂的處理

生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式(vertical wheel sand muller)、擺輪式(horizontalwheel sand muller，speed muller)、葉片式(blade mixer)等。各有優(yōu)缺點(diǎn)。

生產(chǎn)1t鑄件約需要5-10t濕型型砂，配制型砂時(shí)都盡量回用舊砂(即重復(fù)使用過(guò)的型砂)，即經(jīng)濟(jì)也是保護(hù)環(huán)境的需要。但簡(jiǎn)單地重復(fù)使用舊砂，會(huì)使型砂性能變壞，鑄件質(zhì)量下降。必須了解舊砂的特性，掌握其性能變化的規(guī)律，采取必要措施，才能保證和穩(wěn)定型砂的性能?；焐皶r(shí)還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤(rùn)土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。

4．粘土濕型的緊實(shí)工藝

（1）對(duì)型(芯)砂緊實(shí)度的要求

１）緊實(shí)度對(duì)鑄型性能的影響　型砂需要緊實(shí)才能成為整體的砂型。型砂的緊實(shí)度常用緊實(shí)度（密度）和孔隙度表示，緊實(shí)度影響著鑄型的強(qiáng)度和透氣性。緊實(shí)度越大，鑄型強(qiáng)度越大，透氣性越差。緊實(shí)度高，蓄熱系數(shù)也高，加快了金屬的凝固冷卻速度，改善了鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，組織更為致密，鑄件尺寸精準(zhǔn)，力學(xué)性能有所提高，對(duì)高壓造型的研究表明，鑄型緊實(shí)度高，澆注時(shí)型壁移動(dòng)量小，鑄件尺寸精準(zhǔn)，表面光潔。因此，鑄件可以做的更薄，進(jìn)而減輕鑄件重量。

2）型砂緊實(shí)度的要求 要求鑄型緊實(shí)度高且均勻。高壓造型法由于鑄型緊實(shí)度高，其鑄型性能和鑄件質(zhì)量普遍好于中低壓造型。高壓造型法的目的就在于制出均勻的高緊實(shí)度鑄型。理論和實(shí)驗(yàn)研究證明其壓實(shí)方法和壓頭形式對(duì)緊實(shí)度有很大的影響。對(duì)濕型而言，通常有震擊緊實(shí)、震壓緊實(shí)、壓實(shí)、微震壓實(shí)和高壓緊實(shí)等，下面簡(jiǎn)單介紹其緊實(shí)方法。

（2）震擊緊實(shí)和震壓緊實(shí) 

震擊緊實(shí)用震擊造型機(jī)來(lái)完成。多以壓縮空氣為動(dòng)力，利用震擊動(dòng)能和慣性使型砂緊實(shí)。將砂箱1放在模板2上，型板固定于震擊工作臺(tái)，與震擊活塞3相連，4為震擊氣缸。砂箱內(nèi)裝滿型砂后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，使壓縮空氣進(jìn)入震擊氣缸，推動(dòng)活塞上升?；钊叱^(guò)排氣孔時(shí)，壓縮空氣由排氣孔逸出，氣缸中的壓力突然下降，此時(shí)震擊活塞連同砂箱模板下落，與震擊氣缸發(fā)生撞擊，砂箱中的型砂由于慣性力的作用而互相緊實(shí)。而后因出氣孔堵住，進(jìn)氣孔進(jìn)入的壓縮空氣壓力超過(guò)砂箱型板活塞等的重量，使工作臺(tái)上升，如此連續(xù)震擊，使型砂得以緊實(shí)。震擊高度一般為30~60mm，震擊次數(shù)30~50/min次為宜，一般不超過(guò)80次。震擊緊實(shí)適用于大砂箱，砂箱高度不低于150mm，否則緊實(shí)效果不好。其型砂緊實(shí)度沿砂箱高度是上松下緊，頂部型砂緊實(shí)度幾乎與震前一樣。

為了克服震擊緊實(shí)砂箱上部型砂緊實(shí)度太松的缺點(diǎn)，可以先震擊使底部型砂緊實(shí)，再對(duì)頂部型砂補(bǔ)充壓實(shí)。這種經(jīng)震擊后再加壓的造型機(jī)叫做震壓造型機(jī)。震壓緊實(shí)型砂的緊實(shí)度分布好，特別是在砂箱不太高的情況下，壓實(shí)的影響可以達(dá)到分型面，這樣可以大大減少震擊次數(shù)，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節(jié)約能耗。但由于補(bǔ)加壓實(shí)以壓縮空氣為動(dòng)力，比壓較低，故多用于中小砂箱的型砂緊實(shí)。震擊造型機(jī)和震壓造型機(jī)的結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，操作維修方便，適用性強(qiáng)，一般中小型鑄件都適用。但是震擊式造型機(jī)工作時(shí)噪音太大，強(qiáng)烈的震動(dòng)也對(duì)廠房建筑提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)。

（3）壓實(shí)、微震壓實(shí)和高壓緊實(shí) 

壓實(shí)緊實(shí)是通過(guò)壓實(shí)造型機(jī)來(lái)完成的，多以壓縮空氣為動(dòng)力對(duì)型砂壓實(shí)緊實(shí)。打開(kāi)進(jìn)氣閥，壓縮空氣由進(jìn)氣孔進(jìn)入壓實(shí)氣缸4，將活塞3舉起，當(dāng)砂箱2內(nèi)的型砂碰到壓頭1時(shí)，就發(fā)生壓實(shí)作用。型砂壓實(shí)后，打開(kāi)排氣閥，氣缸中的壓縮空氣排出，活塞立即下降，壓實(shí)工作完成。這種緊實(shí)較震擊緊實(shí)的效率高，噪音很小，機(jī)器結(jié)構(gòu)也很簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是型砂緊實(shí)度不均勻，上緊下松。適用于砂箱高度不超過(guò)150mm而底面積一般不超過(guò)800×600mm的鑄型。

微震壓實(shí)造型是在型砂受壓的同時(shí)，模板、砂箱和型砂作高頻小振幅(10-13Hz，3-8mm，普通震擊造型的震擊頻率和振幅分別為1.1-3.3Hz，30-80mm)的一種造型方法。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過(guò)工作臺(tái)的進(jìn)氣孔進(jìn)入微震氣缸后，在壓縮空氣的壓力作用下，微震活塞與固定在工作臺(tái)上的模板、砂箱上升；同時(shí)壓縮空氣的壓力還使微震氣缸向下運(yùn)動(dòng)，壓縮微壓氣缸下的彈簧；當(dāng)微震活塞上升至打開(kāi)排氣孔時(shí)(排氣孔面積是進(jìn)氣孔的6~7倍)，缸內(nèi)氣壓迅速降低，工作臺(tái)等靠自重下落，而微震氣缸受彈簧作用上升，二者發(fā)生撞擊，使砂箱內(nèi)的型砂獲得一次緊實(shí)。這樣多次重復(fù)，型砂就能較為迅速地達(dá)到預(yù)定的緊實(shí)度要求。

微震壓實(shí)造型比單純壓實(shí)效果好，在相同壓力下，能獲得更高的緊實(shí)度，相當(dāng)于提高比壓30~50%，而且砂型的緊實(shí)度分布比較均勻；生產(chǎn)率高，每小時(shí)可達(dá)120箱以上，鑄件質(zhì)量較好；震擊噪音小，勞動(dòng)條件好，并可降低對(duì)廠房基礎(chǔ)的要求；機(jī)器使用可靠，維修方便，價(jià)格也比較低廉。其主要缺點(diǎn)是仍有一定的噪音。微震壓實(shí)造型在中小鑄件的生產(chǎn)中已得到較為廣泛的應(yīng)用。

上述壓實(shí)造型是中低壓壓實(shí)，其壓實(shí)比壓為0.4MPa左右。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外大量發(fā)展和采用高壓壓實(shí)造型機(jī)。用高壓造型機(jī)造型時(shí)，由于壓實(shí)比壓提高到0.7Mpa以上，砂型硬度、緊實(shí)度和強(qiáng)度都大為提高，沿砂箱高度方向的緊實(shí)度分布得到有所改善，砂型輪廓清晰，可以得到尺寸比較準(zhǔn)確的鑄件（可達(dá)CT7~8級(jí)），表面光潔（Ramax=3.2~2.5μm）；由于鑄型緊實(shí)度高，蓄熱系數(shù)也高，加快了金屬凝固、冷卻速度，改善了鑄件內(nèi)部質(zhì)量，提高了力學(xué)性能；節(jié)約金屬，減少加工余量及費(fèi)用；壓實(shí)緊砂工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高（200~300箱砂型/h），易于機(jī)械化，噪音小，勞動(dòng)強(qiáng)度低；適應(yīng)性強(qiáng)，能制造復(fù)雜、較大的鑄件。其缺點(diǎn)是機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)線投資大；要求工藝裝備精度高，剛性大；要求有較高的設(shè)備維修保養(yǎng)能力。高壓造型適用于成批大量生產(chǎn)、砂箱尺寸較大、鑄件較復(fù)雜及要求較小的尺寸公差和表面粗糙度低的鑄件的生產(chǎn)。

（4）氣流沖砂緊實(shí) 

氣流沖擊緊實(shí)造型是將壓力為0.4~0.6MPa的壓縮空氣以均勻的氣流沖擊型砂表面，使型砂緊實(shí)的造型新方法。鑄型的緊實(shí)機(jī)構(gòu)采用脈沖發(fā)生器（沖擊頭），其結(jié)構(gòu)似儲(chǔ)氣罐，內(nèi)有一小室3，室內(nèi)壓縮空氣壓力通常為0.4~0.6MPa，稱為過(guò)剩壓力。小室外部壓縮空氣壓力通常比室內(nèi)空氣壓力低0.1MPa，稱為儲(chǔ)氣罐壓力。砂箱7和輔助框6充滿型砂，移到?jīng)_擊頭下邊并被壓緊后，打開(kāi)單向快開(kāi)閥2，室內(nèi)壓縮空氣的過(guò)剩壓力驟然下降，強(qiáng)制打開(kāi)隔膜閥5，使壓縮空氣迅速加速而產(chǎn)生氣流沖擊，繼而由于空氣急劇膨脹而形成壓力波，其速度可達(dá)800m/s以上；壓力波在若干毫秒內(nèi)穿透整個(gè)砂型，使砂型緊實(shí)。

氣流沖擊造型的主要優(yōu)點(diǎn)是：砂型緊實(shí)度均勻，砂型硬度高，鑄件尺寸精度和光潔程度都得到提高；造型機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪音小；生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件好；砂型充填性好，吃砂量少，可節(jié)約型砂及混砂能耗；適應(yīng)性強(qiáng)，既可利用高壓造型型砂，也可利用普通機(jī)器造型型砂。缺點(diǎn)是仍然有一定的噪音；砂箱或芯盒必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。

（三）鈉水玻璃砂型

鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑是鈉水玻璃。此類型芯砂與粘土砂比較，有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)型(芯)砂流動(dòng)性好，易于緊實(shí)，故造型（芯）勞動(dòng)強(qiáng)度低。

(2)硬化快，強(qiáng)度較高，可簡(jiǎn)化造型（芯）工藝，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

(3)可在型(芯)硬化后起模，型、芯尺寸精度高。

(4)可取消或縮短烘烤時(shí)間，降低能耗，改善工作環(huán)境和工作條件。

1．鈉水玻璃粘結(jié)劑

水玻璃是各種聚硅酸鹽水溶液的通稱。鑄造上常用的是鈉水玻璃(Sodiumsilicate water glass)，因其便宜，來(lái)源充足；其次為鉀水玻璃，此外還有鋰水玻璃、鉀鈉水玻璃、季銨鹽水玻璃等，分別是硅酸鈉(Na20·mSi02)、硅酸鉀(K20，nSi02)、硅酸鋰(Li20·mSi02)、硅酸鉀鈉(mK20·Na20·nSi02)、季銨鹽的水溶液。

硅酸鈉是弱酸強(qiáng)堿鹽，干態(tài)時(shí)為白色或灰白色團(tuán)塊或粉末，溶于水時(shí)，純的鈉水玻璃外觀為無(wú)色粘稠液體，由于含鐵鹽而呈灰色或綠色,pH值一般在11-13。鈉水玻璃的化學(xué)式為Na20·mSi02·nH20。

鈉水玻璃有幾個(gè)重要參數(shù)，直接影響它的化學(xué)和物理性質(zhì)，也直接影響鈉水玻璃砂的工藝性能，這就是鈉水玻璃的模數(shù)、密度、含固量和粘度等。

(1)模數(shù)

鈉水玻璃中Si02和Na20的摩爾數(shù)之比稱為模數(shù)，用M來(lái)表示。模數(shù)的大小僅表示鈉水玻璃中SiO2、Na2O的摩爾數(shù)之比，并不表示鈉水玻璃中硅酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但是模數(shù)改變，鈉水玻璃結(jié)構(gòu)及其物理—化學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化，因?yàn)槟?shù)的大小直接影響硅酸陰離子的聚合度，聚合度越高，模數(shù)也越大。模數(shù)越高，作為芯(型)砂粘結(jié)劑時(shí)的硬化速度也越快，達(dá)到高強(qiáng)度的時(shí)間也越短。但過(guò)高的模數(shù)，將使芯(型)砂的保存性差，不適于造型和造芯。

鈉水玻璃模數(shù)可以通過(guò)化學(xué)的方法降低或提高。降低鈉水玻璃模數(shù)可加入適量的NaOH，以提高水玻璃中Na20的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而相對(duì)地減少Si02的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鑄造生產(chǎn)中，吹C02硬化時(shí)常用模數(shù)為2的鈉水玻璃。

（2）密度、含固量和粘度

鈉水玻璃的密度P取決于鈉水玻璃中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而不是它的模數(shù)，因?yàn)镹a2O （62）和Si02(60)(括號(hào)中數(shù)值為相對(duì)分子質(zhì)量)的相對(duì)分子質(zhì)量數(shù)值很近似。密度低，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，含固量少，不宜用作型(芯)砂粘結(jié)劑；反之，密度過(guò)大，粘稠，也不便定量和不利與砂子混合。鑄造上通常采用密度為1．32-1．68g／cm3或波美度35-54的鈉水玻璃。

2。鈉水玻璃砂的硬化機(jī)理

硅酸鈉是弱酸強(qiáng)堿鹽，在水溶液中幾乎完全電離，所以鈉水玻璃實(shí)際是部分電離的聚硅酸負(fù)離子和鈉離子在水中的分散體系。不同硅酸鹽負(fù)離子的平衡是錯(cuò)綜復(fù)雜的，它取決于pH值、模數(shù)和溫度，在若干特有的反應(yīng)過(guò)程中達(dá)到平衡。其中有意義的反應(yīng)是硅酸鈉(以=Si-0-Na表示)的鈉-氧鍵水解(hydrolysis)(向右進(jìn)行)和酸-堿反應(yīng)(向左進(jìn)行).，硅氧烷鏈(Si-0-Si(siloxanelinkage)沿線性方向生長(zhǎng)，就形成高聚物(polymcr)；當(dāng)它在三維空間任意生長(zhǎng)時(shí)，就形成凝膠(gel)，這就導(dǎo)致了鈉水玻璃的硬化。

如果沒(méi)有任何膠凝作用的影響，鈉水玻璃則可保存很長(zhǎng)時(shí)間，但它對(duì)引起平衡變化的任何因素卻非常敏感，這一潛在不穩(wěn)定特性，通常被用來(lái)加速鈉水玻璃的縮聚，以形成堅(jiān)硬的三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使型砂粘結(jié)在一起。

鑄造生產(chǎn)中常用的一些硬化方法，都是加入能直接或間接影響上述反應(yīng)平衡點(diǎn)的氣態(tài)、液態(tài)或粉狀固化劑，與OH-作用，從而降低pH值，或靠失水，或靠上述二者的復(fù)合作用來(lái)達(dá)到硬化。

(1)加熱硬化----失水發(fā)生由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變

凡是能去除鈉水玻璃中水分的方法，如加熱烘干、吹熱空氣或干燥的壓縮空氣、真空脫水、微波照射以及加入產(chǎn)生放熱反應(yīng)的化合物等都可使鈉水玻璃硬化。圖是Na20、Si02和H20三元系統(tǒng)的常溫狀態(tài)圖。其中鑄造行業(yè)所用的商品液體鈉水玻璃，是圖中陰影部分(區(qū)域9，M=2.0—3.3，p=1．2—1．7g／cm3)，當(dāng)這種水玻璃與砂混合制成砂芯(型)時(shí)，如果用加熱(或用熱空氣)方式硬化，會(huì)按圖中帶箭頭虛線指示的方向，液體鈉水玻璃先變成粘稠液體，接著成為半固體，再變成脫水液體。

(2)化學(xué)反應(yīng)形成新的產(chǎn)物

鈉水玻璃在pH值大于10以上很穩(wěn)定，加入適量酸性或具有潛在酸性的物質(zhì)時(shí)，其pH值降低，穩(wěn)定性下降，使水解和縮聚過(guò)程加速進(jìn)行。

圖為pH值對(duì)鈉水玻璃膠凝時(shí)間的影響曲線，曲線呈大寫“N”字形,即著名的“N曲線”。膠凝速度快的pH值，亦即曲線的低點(diǎn)在6.8到7.1之間；鈉水玻璃穩(wěn)定性好、膠凝速度非常慢的pH值，也就是曲線的高點(diǎn)，在3.2-3.9和10以上。

A)吹C02硬化

C02與鈉水玻璃中的水作用形成碳酸 ：

CO2 + H20---- 2H+ + C032-

產(chǎn)生的H+使表面鈉水玻璃的pH值不斷降低，并達(dá)到迅速硬化。

鈉水玻璃同C02反應(yīng)，消耗Na20，把凝膠化的水玻璃推到圖的不穩(wěn)定液體和凝膠區(qū)域。這種Si02凝膠含$i02高，并使砂芯和砂型建立強(qiáng)度。

C02是一種脫水能力相當(dāng)強(qiáng)的氣體，從砂粒周圍流過(guò)，C02與粘結(jié)劑接觸面積大，使鈉水玻璃部分失水，因此，C02硬化既有鈉水玻璃的物理脫水作用，也有化學(xué)反應(yīng)，兩種機(jī)理難以截然分開(kāi)，通常其粘結(jié)是兩種作用的結(jié)果。(哪一種作用占主導(dǎo)地位?)

采用C02法硬化，有人認(rèn)為僅發(fā)揮了鈉水玻璃粘結(jié)性能的10％，：因此不得不把砂中鈉水玻璃加入量提高到6％-7％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。圖所示為C02硬化后包裹在砂粒表面的鈉水玻璃膜的結(jié)構(gòu)模型，膜由兩層組成，表層Ι的主要成分是硅酸膠體以及Na2C03和NaHC03結(jié)晶(粉化即白霜)，里層Ⅱ的主要成分是尚未反應(yīng)的硅酸鈉膠體。

B)有機(jī)酯液態(tài)硬化劑

酯促使鈉水玻璃砂硬化建立強(qiáng)度分兩階段，酯使鈉水玻璃膠凝化，產(chǎn)生強(qiáng)度；強(qiáng)度來(lái)自硅酸鈉脫水。用酯硬化時(shí)，酯在鈉水玻璃中進(jìn)行水解生成有機(jī)酸和醇，有機(jī)酸提供氫離子，其反應(yīng)通式是

RCOOR’+H2O-------RCOOH+R’OH

RCOO-與鈉水玻璃電離的鈉離子Na+發(fā)生皂化反應(yīng)，生成脂肪酸鈉；H+與鈉水玻璃的OH-結(jié)合，均有利于酯的進(jìn)一步水解和使鈉水玻璃析出硅酸溶膠，并促使朝著生成大的凝聚的硅酸分子方向移動(dòng)，當(dāng)它在三維空間任意生長(zhǎng)時(shí)，就形成凝膠，這就導(dǎo)致鈉水玻璃硬化。

(3)不同硬化方法所得鈉水玻璃砂的強(qiáng)度是不同的。

其原因?yàn)椋?/span>

①所得到的粘結(jié)劑膜組織的密度和有序性排列不同，因而影響強(qiáng)度的大小，其順序?yàn)榧訜嵊不Ⅴビ不?、鉻鐵渣硬化、CO2硬化，相應(yīng)的粘結(jié)膜的內(nèi)聚強(qiáng)度為41MPa、29.8MPa、20.5MPa、14.9MPa；

②所得鈉水玻璃的凝膠膠粒大小明顯不同，C02硬化的膠粒直徑為0.2—0.48μm，酯硬化的為0.07-0.18μm，真空硬化的為0.06-0.16μm，加熱硬化的只有0.035-0.04μm，因而強(qiáng)度會(huì)明顯不同。

（四）其它類型的砂型

還可使用硅溶膠、植物油、樹(shù)脂等作為粘結(jié)劑形成不同類型的砂型。

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