鑄造工藝學(xué)第2章課件

1、第2章 無機化學(xué)粘結(jié)劑型（芯）砂 造型材料常用的無機化學(xué)粘結(jié)劑有水玻璃.水泥.磷酸鹽聚合物等。用上述無機化學(xué)物質(zhì)作為粘結(jié)劑配制的型（芯）砂，其分類及其硬化方法見圖2-1。它們主要是通過發(fā)生物理-化學(xué)反應(yīng)而硬化。1.鈉水玻璃（1）水玻璃及其性質(zhì) 水玻璃別名泡花堿，是各種硅酸鹽水溶液的通稱。（2）鈉水玻璃參數(shù) 鈉水玻璃有幾個重要參數(shù)，直接影響他的物理和化學(xué)性質(zhì)，也直接影響鈉水玻璃砂的工藝性能。即鈉水玻璃的模數(shù)、密度、含固量和粘度等。1）模數(shù) 鈉水玻璃中SiO2和Na2O的物質(zhì)的量之比稱為模數(shù)，用M來表示。式中， 分別為硅酸鈉中SiO2和Na2O的質(zhì)量分數(shù)。第一節(jié) 水玻璃型（芯）砂 降低鈉水玻璃模數(shù)

2、可加入適量的NaOH，以提高水玻璃中Na2O的質(zhì)量分數(shù)，從而相對地減少SiO2的質(zhì)量分數(shù)。其反應(yīng)式為 提高鈉水玻璃模數(shù)可加入HCl.NH4Cl等，以中和部分Na2O，從而相對提高SiO2的質(zhì)量分數(shù)。其反應(yīng)式為2）密度、含固量和粘度 鈉水玻璃的密度取決于鈉水玻璃中水的質(zhì)量分數(shù)，而不是他的模數(shù)。 測定鈉水玻璃含固量的原理為測出其中水分含量。具體測定是將已知質(zhì)量的鈉水玻璃同煅燒硫酸鈣或干凈硅砂混合，再將混合物在104左右烘至恒重。按下式計算鈉水玻璃的水分 。式中，W為混合物中的鈉水玻璃質(zhì)量（kg）；G為混合物中的顆粒材料的質(zhì)量（kg）； G為單獨將同樣的顆粒材料烘干后損失的質(zhì)量（kg）； W為混合物

3、烘至恒重后的質(zhì)量（kg）。 因而，鈉水玻璃含固量 。 鈉水玻璃的粘度隨其水分、密度和模數(shù)而定，如果將水分大致相同而模數(shù)不同的兩種水玻璃進行比較，就可看出模數(shù)對粘度的影響十分顯著（見表2-1）。當(dāng)模數(shù)一定時，水分對粘度的影響如表2-2所示。（3）鈉水玻璃硬化機理 水解平衡強烈的偏向左方，因此，硅酸鈉的水解度一般只有1.58%9.29%。水解產(chǎn)生的硅酸不穩(wěn)定，可以縮聚為多硅酸（向右進行），而多硅酸又會進行水解（向左進行），硅氧烷鏈（Si-O-Si）沿線性方向生長，就形成高聚物。當(dāng)他在三維空間任意生長時，就形成凝膠，這就導(dǎo)致了鈉水玻璃的硬化。（4）水玻璃技術(shù)條件 根據(jù)國家專業(yè)標準鑄造用水玻璃（ZBJ

4、3100388）的規(guī)定，用作砂型和砂芯粘結(jié)劑的水玻璃分為兩種牌號，其性能應(yīng)符合表2-4的要求。2.水玻璃CO2硬化型（芯）砂 水玻璃CO2硬化砂是最早得到工業(yè)應(yīng)用的氣體硬化造型（芯）方法。（1）水玻璃CO2硬化砂的硬化原理 一般認為是水玻璃在CO2作用下，生成的硅酸凝聚成硅酸凝膠和CO2的脫水作用。吹CO2時，CO2溶入水中生成碳酸，它與硅酸鈉的水解產(chǎn)物NaOH作用，生成Na2CO3或NaHCO3和硅酸，其反應(yīng)式大致如下： 上述反應(yīng)不斷進行，是溶液中硅酸的濃度不斷增加而成硅酸溶膠。硅酸溶膠因pH值降低而不穩(wěn)定，聚成硅酸凝膠。（2）硅酸凝膠結(jié)構(gòu)形成的三個階段1）開始時由每個硅原子通過氧原子和其它

5、三個硅原子聯(lián)結(jié)，每個硅原子具有一個能離子化的SiOH基團，形成硅氧八聚物離子（Si8O20）8-（四方柱狀的雙環(huán)四硅酸鈉）；2）以硅氧八聚物離子為膠粒的核心，逐漸長大成球狀膠粒；3）球狀膠粒由表面的硅氧鍵或氫鍵聯(lián)結(jié)，最后形成多孔態(tài)的，具有發(fā)達枝鍵的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。Na2CO3或NaHCO3的水溶液則分布在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的孔隙中，隨著水分脫失而結(jié)晶析出。（3）水玻璃CO2硬化砂對原材料的要求1）水玻璃 應(yīng)正確選用水玻璃的模數(shù)和密度,大多采用模數(shù)M=2.12.6.密度=1.441.50g/cm3的水玻璃。2）原砂 正確選用原砂對CO2硬化砂極為重要。水玻璃砂對原砂的要求如表2-5。3）潰散劑 改善水玻璃潰

6、散性的最基本措施（4）水玻璃CO2硬化砂的配比及性能、混砂工藝1）傳統(tǒng)的水玻璃CO2硬化砂的配比及性能 水玻璃CO2硬化砂最基本的配比（重量比）是：原砂100%，水玻璃4%6%，潰散劑根據(jù)其特性加入量為1%3%，必要時加水0.6%1.0%，硬化后抗壓強度1.5MPa。2）新近開發(fā)的水玻璃CO2硬化砂的配比及性能 主要采用氫化麥芽糖、山梨醇等有機物，配合其他無機物（如硼酸鈉等）對普通鈉水玻璃粘結(jié)劑進行改性，提高了粘結(jié)劑的粘結(jié)性能，降低了殘留強度。3）混砂工藝 水玻璃CO2硬化砂可使用任何混砂機混制。加料順序一般先加原砂和粉狀材料，再加水和水玻璃，如配方中有重油則應(yīng)在最后加入。（5）CO2吹氣硬化

7、工藝1）水玻璃CO2硬化砂對模樣（芯盒）的要求 造型時，由于從硬化了的型中起模困難，因此模樣起模斜度應(yīng)比普通模樣大，砂型(芯)的圓角要在模樣上做出。大木模最好采用活塊結(jié)構(gòu)，以便把木模分塊取出，個別處甚至可采用氣化模，造型(芯)后，不必取出。 外形復(fù)雜的鑄件為減少造型時的活塊和減少鑄件披縫，常用組芯造型。比較復(fù)雜砂芯的芯盒，常作成脫落式或可拆式，芯盒由幾部分拼合組成，有時還裝加便于取出的活動肋條.孔眼.搭子之類的附件。在吹CO2時，為了能使C02氣體散布整個砂芯(型)與鈉水玻璃充分反應(yīng)，應(yīng)在CO2不易進入的芯盒底部或砂芯拐角處開設(shè)排氣小孔，孔的位置一般距芯盒底部以上約20mm的截面上，孔徑為3m

8、m5mm，靠芯盒外壁出口處可擴大為10mm。排氣孔數(shù)目按砂芯的大小和形狀來決定。2）CO2吹氣方法 吹C02的方法可根據(jù)型(芯)的大小和形狀加以選擇，要求CO2能迅速均勻進入型(芯)的各個部分，以最少CO2消耗量，達到使型.芯各部分硬化均勻，避免出現(xiàn)死角。 目前，應(yīng)用較多的是插管法(見圖2-2)和蓋罩法(見圖2-3)。 也有通過模樣吹C02硬化的方法(見圖2-4)。 此外，還有CO2預(yù)熱法.稀釋CO2法.脈沖吹氣硬化等復(fù)合吹氣法，VRH-CO2硬化(見圖2-5)等。3）CO2吹氣工藝對水玻璃砂強度的影響 CO2吹氣工藝參數(shù)包括CO2的壓力、流量和CO2吹氣時間。CO2吹氣工藝參數(shù)對硬化強度的影

9、響見圖2-6。試驗用砂配比及CO2吹氣工藝見表2-6。（6）水玻璃CO2硬化砂缺陷及其預(yù)防措施（表2-7）3.烘干硬化水玻璃砂 烘干硬化水玻璃砂的強度比CO2硬化砂的強度高10倍左右，為得到與CO2硬化砂同樣的常溫強度，烘干硬化砂中水玻璃加入量可降低到2%3%，因而使?jié)⑸⑿杂酗@著改善。 烘干硬化水玻璃砂的配比，根據(jù)烘干方法決定。 烘干硬化水玻璃砂最基本的配比（重量比）是：原砂100%，水玻璃3%4.5%，潰散劑根據(jù)情況酌情加入，干態(tài)抗拉強度1.0MPa以上。 改善烘干硬化水玻璃砂抗?jié)裥缘拇胧合鄬穸刃∮?0%，可采用高模數(shù)的水玻璃；相對濕度90%時，采用高模數(shù)的水玻璃并在混砂時加鈦酸鋰（Li

10、2CO3）的質(zhì)量分數(shù)為0.15%0.20%，或鈦酸鋅（ZnCO3）的質(zhì)量分數(shù)為0.25%左右，或采用專用的抗?jié)窀男运ＡА?.鈉水玻璃自硬砂 鈉水玻璃自硬砂的硬化劑可大致分為粉狀和液體硬化劑兩類。（1）粉狀硬化劑的水玻璃自硬砂常用的粉狀硬化劑有：硅酸二鈣、硅鐵粉、氟硅酸鈉等。1）硅酸二鈣水玻璃自硬砂硬化機理 一般認為，水玻璃因硅酸二鈣的吸水、水分蒸發(fā)和空氣中CO2作用而硬化硅酸二鈣水玻璃自硬砂最基本的配比（重量比） 原砂100%，水玻璃6%7%，硬化劑3%6%，必要時加水1%2%，硬化24小時抗拉強度0.4 MPa以上。存在問題及措施 冬季氣溫低.硬化慢，可提高水玻璃的模數(shù)，增加硬化劑的加入量

11、，降低型砂的出碾含水量，以加快硬化；夏季使用時，可使用時間太短，可提高型砂的出碾含水量，原砂含水質(zhì)量分數(shù)在2%4%以下時可不烘干，采用低模數(shù)水玻璃和降低硬化劑加入量。2）硅鐵粉水玻璃自硬砂 硅鐵粉水玻璃自硬砂硬化機理 硅鐵粉水玻璃自硬砂的硬化，是硅鐵粉與水玻璃水解生成的NaOH發(fā)生放熱反應(yīng)，使水分蒸發(fā)，提高硅酸鈉的含量，硅酸溶液凝膠化和脫水的綜合結(jié)果，其反應(yīng)式如下：硅鐵粉水玻璃自硬砂基本的配比（重量比） 原砂100%，水玻璃5%6%，硅鐵粉1%2%，必要時加(NaOH)10%水溶液0.5%1.0%。硅鐵粉水玻璃自硬砂特性 硅鐵粉水玻璃自硬砂的硬化時間由型砂的溫度、水分、硅鐵粉加入量、水玻璃的模

12、數(shù)等因素決定，可在幾十分鐘到幾個小時范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。3）其他粉狀硬化劑熟石灰 Ca(OH)2或其他與水作用能生成Ca(OH)2的材料，如生石灰(CaO).電石(Ca2C)等都可作為水玻璃硬化劑。氟硅酸鈉（Na2SiF6）能與水玻璃發(fā)生以下反應(yīng)：高嶺土或膨潤土能吸收水玻璃砂中的含水量，加快自燃干燥硬化。（2）有機酯水玻璃自硬砂1）有機酯水玻璃自硬砂硬化機理 有機酯在堿性水溶液中發(fā)生水解，生成有機酸和醇；有機酸與水玻璃反應(yīng)，生成皂化物和有硅酸形成的硅酸凝膠，其反應(yīng)通式如下：2）水玻璃自硬砂的有機酯選擇 用作水玻璃砂硬化劑的有機酯通常有以下幾種：丙三醇乙酸酯類 此類硬化劑的化學(xué)分子式及物理性能見表2-8

13、。乙二醇和二乙二醇乙酯類 乙二醇和二乙二醇乙酯類硬化劑的化學(xué)分子式及物理性能見表2-9。有機酯水玻璃自硬砂的配比及其性能特點 有機酯水玻璃自硬砂的配比及其性能見表2-10。使用中出現(xiàn)的問題及預(yù)防措施 有機酯水玻璃自硬砂使用中出現(xiàn)的問題及預(yù)防措施見表2-11。（5）水玻璃流態(tài)自硬砂 在硅酸二鈣水玻璃自硬砂中加入適量發(fā)泡劑，可配成水玻璃流態(tài)自硬砂。常用的發(fā)泡劑為烷基磺酸鈉或仲烷基磺酸鈉。 水玻璃流態(tài)自硬砂基本的配比（重量比） 原砂100%，水玻璃7%9%，硬化劑（赤泥）4%6%，發(fā)泡劑0.1%0.2%，水2%3%。 但流態(tài)自硬砂的出碾含水量比較高，砂型(芯)中的氣泡如不能在砂型(芯)硬化前消失，將

14、使砂型(芯)的透氣性幾乎為零，需要將砂型(芯)在250300短時間烘干，以降低水分和提高透氣性。流態(tài)自硬砂的緊實度偏低，鑄件易發(fā)生脹大.縮孔等缺陷，故現(xiàn)在已很少采用。（6）石灰石砂1）石灰石砂使用過程中存在一些問題石灰石的莫氏硬度為3，混碾時容易粉化，因此混砂時應(yīng)提高碾輪與底板的距離，并適當(dāng)縮短混碾時間；型砂保存性差，原砂加水后產(chǎn)生微量鈣離子，當(dāng)室溫高于20時，使鈉水玻璃砂容易自然硬化；發(fā)氣量大，鋼液澆入石灰石砂型后，碳酸鈣受熱分解，產(chǎn)生大量CO2氣體，易使鑄件產(chǎn)生氣孔。另外，所生成的CO2氣體能與鋼反應(yīng)，產(chǎn)生CO氣體，如果不能及時引火以燒掉CO或通風(fēng)排除，造成CO中毒。；耐高溫和沖刷性差；“

15、縮沉”問題舊砂再生比較困難，大多采取過篩后用作背砂。2）使用石灰石砂在設(shè)計鑄造工藝時注意做到澆道盡量采用耐火磚材料；內(nèi)澆道盡量采用分散，并盡量采用底注法；控制面砂厚度，一般偏薄，多為50100；注意排氣，例如多設(shè)置排氣通道，以減少阻力；盡量采用明冒口；使用暗冒口，在暗冒口上另設(shè)排氣孔；確保背砂有良好的透氣性；在砂芯中填充爐渣塊等干、散塊料，并注意型芯排氣道與外型排氣道相互連通；在鋼液流盡頭或鋼液交匯處，設(shè)置集砂槽或冒口；對鑄鋼件，模型縮尺比使用石英砂時大0.5%1.0%，通常為1.8%2.5%；鑄孔為3.5%4.0%。這是由于石灰石砂高溫分解，體積收縮，燒結(jié)層容讓性好，致使鑄件收縮阻力小造成的

16、；厚壁鑄鋼件或鑄件的厚壁部位采取“反縮沉”設(shè)計；鋼液加鋁脫氧和采取低溫澆注。3）生產(chǎn)中采用的型（芯）砂配方，常分為使用粘土和不使用粘土的兩類。（7）水玻璃砂舊砂再生 水玻璃舊砂再生方法主要有：1）濕法再生 將經(jīng)破碎的舊砂加水后機械攪拌或用水力旋流器清洗。這種方法使用于水玻璃砂燒結(jié)程度輕的中小件鑄造車間。2）干法再生 有逆流式、氣流撞擊式、機械離心式等再生裝置。其中以逆流再生機的再生效果較好，Na2O去除率達40%50%。3）干-濕法再生 現(xiàn)用干法去除部分惰性膜，再用濕法再生，主要用于有機酯水玻璃自硬砂。1.水泥硬化機理 水泥用水調(diào)勻后進行水化反應(yīng)，生成溶于水的水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣和氫氧化鈣。

17、當(dāng)溶液達到飽和后，水化產(chǎn)物極細的分散固體顆粒析出，成膠凝體。隨著反應(yīng)不斷進行，膠凝體逐漸變稠，水泥漿失去塑性，表現(xiàn)為水泥的凝結(jié)。凝結(jié)的水泥膠體中水泥顆粒未水化部分將繼續(xù)吸收水分進行水化反應(yīng)，膠凝體逐漸脫水而變緊密，同時氫氧化鈣與水化鋁酸鈣也由膠體狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的結(jié)晶狀態(tài)，析出晶體，并互相交織在一起充填在膠凝體內(nèi)，使水泥產(chǎn)生強度。第二節(jié) 水泥及水泥自硬型（芯）砂2.水泥型（芯）砂特點 水泥型（芯）砂與其它型（芯）砂相比，優(yōu)缺點如下：水泥砂硬化后強度高，可澆注大型鑄件；流動性好，型砂易緊實，工人勞動強度?。粚?dǎo)熱性好（熱導(dǎo)率為1.48W/(mK)，而粘土砂為0.84 W/(mK)），鑄件冷卻快，金相

18、組織致密；水泥價格便宜，來源廣。但是，水泥砂濕壓強度低（僅0.010.02MPa）；硬化速度慢，普通水泥砂的硬化時間一般需要2440h，乃至更長時間，在氣溫低于5時，不易硬化；混碾后應(yīng)及時造型（芯），否則超過4h后其強度下降很多；出砂性差，回用也較粘土砂困難；普通水泥砂易返潮，需要長時間的烘烤或熱模澆注，否則鑄件產(chǎn)生夾渣和氣孔缺陷；配制型砂的粒度要粗，否則采用細砂型(芯)表面會產(chǎn)生掉砂缺陷。3.水泥型（芯）砂（1）硅酸鹽水泥型（芯）砂 目前國內(nèi)用得較多是水泥糖漿自硬砂。糖漿的作用是使水泥早凝早硬，加入量一般為3%4%（以砂質(zhì)量為100%）。（2）礬土水泥型（芯）砂 礬土水泥是用氧化鋁為主要原料

19、，配以適量石灰石，經(jīng)鍛燒磨細而成。（3）雙快水泥自硬型（芯）砂 雙快水泥是快凝快硬水泥的簡稱，與普通水泥比較，這種水泥能在230min內(nèi)凝結(jié)，雙快水泥可分為硅酸鹽類、氟鋁酸鈣類和硫鋁酸鈣類三種，用于配制自硬砂時其工藝、性能基本相同。國內(nèi)用得較多的是硅酸鹽雙快水泥。4.水泥型（芯）砂配比 幾種水泥自硬砂的配方及性能見表2-12。國內(nèi)外水泥砂配方、性能及混制工藝見表2-13。5.水泥型（芯）砂造型工藝特點（1）水泥砂導(dǎo)熱性好（2）水泥砂的發(fā)氣量大，故要求多設(shè)通氣道和通氣冒口，以便及時把產(chǎn)生的水汽排出。（3）水泥砂耐熱性差，鑄型表面應(yīng)施涂涂料，這樣可以使表面強度提高。（4）水泥砂起模后，硬化過程還在

20、繼續(xù)進行，除了必要的修正外，盡可能不要觸動砂型，尤其不要觸動澆注系統(tǒng)，以免使砂型強度降低。（5）水泥砂的回用性是決定其能否穩(wěn)定生產(chǎn)，能否降低成本的關(guān)鍵問題之一。1.磷酸鹽粘結(jié)劑型（芯）砂（1）磷酸鹽粘結(jié)劑 磷酸鹽粘結(jié)劑包含磷酸粘結(jié)劑.磷酸鹽粘結(jié)劑.改性磷酸鹽粘結(jié)劑3種。由于金屬的種類不同，磷酸鹽表現(xiàn)出的強度、抗水性和粘附性等性質(zhì)也各異，不同金屬離子的磷酸鹽性能強弱見表2-14。第三節(jié) 磷酸鹽及無機鹽粘結(jié)劑型（芯）砂（2）固化劑及固化機理 國內(nèi)已采用的固化劑有鐵的氧化物、鎂的氧化物、鉻鎂礦砂和鉻鎂鐵礦砂、礬土水泥、堿性爐渣、煉鋼廢料等。 固化劑的作用，一是使磷酸鹽粘結(jié)系統(tǒng)能在常溫下固化，二是調(diào)節(jié)硬化速度，以滿足工藝要求，其硬化機理大致如下：1）在磷酸鹽-固化劑系統(tǒng)中，磷酸根與固化劑中金屬離子反應(yīng)，促使溶液更快過飽和并不斷以較快的速度析出磷酸凝膠，使粘結(jié)體系發(fā)生硬結(jié)和硬化。金屬陽離子的堿性越強，促凝效果也越強。2）固化劑的加入使Me2O-H3PO4的體系改變