鑄造粘結劑分析課件

鑄造粘結劑1鑄造粘結劑的分類鑄造粘結劑的主要作用是將顆粒狀或粉狀造型材料形成有一定強度的連續(xù)粘結簿膜而形成鑄型。從粘結劑的粘結機理來分：物理成膜粘結劑與化學成膜粘結劑按組成分類：可分為有機粘結劑與無機粘結劑2一、無機粘結劑1、鑄造用粘土粘土是鑄造用的一種主要粘結劑，粘土被水濕潤后具有粘性和塑性，烘干后有一定的強度。它的耐火度較高，復用性好，資源豐富，價格低廉，應用很廣泛。粘土的組成粘土主要是由細小結晶質的粘上礦物組成，如高嶺石和蒙脫石等。它的組成都是含水鋁硅酸鹽，化學式為3粘土的粘結機理粘土礦物的膠體特性所謂粘土膠體不是指干燥粘土，而是加水后的粘土—水兩相系統(tǒng)。(1)粘土和水的結合；粘土中的水可分為吸附水和結構水兩種。粘土吸附水可分為三種，即牢固結合水、松結合水和自由水。牢固結合水是接近于粘土表面的有規(guī)則排列的水層，有人測得其厚度約3-10個水分子厚度，而且性質也不同于普通水，其密度為1.28—1.48，不流動，沸點高于100℃，冰點低于0℃，比熱于小1，不導電，沒有溶解鹽的能力，也稱非液態(tài)吸附水。松結合水系指從規(guī)則排列到不規(guī)則排列水層，它與普通水也不同。其冰點也低于0℃，比重大于1，它雖然可在粘土表面上移動，但不受重力的影響。自由水即最外面的普通水層，也稱流動水層。被粘土顆粒所吸附的水，具有較高的粘滯性。4(2)粘土膠團結構；粘土膠團結構如圖所示，在粘土膠團內(nèi)粘土質點本身是帶負電的膠核。緊靠膠核周圍吸附著一些定向的偶極水分子和一些水化的陽離子，構成了圍繞膠核的吸附層，隨膠核一起在水中移動。膠核與吸附層構成膠粒，膠?？梢栽谒歇毩⑦\動。由于吸附層內(nèi)陽離子不足以補償膠核的凈電荷，因此隨著離膠核距離愈遠，陽離子數(shù)目愈少，形成了一個陽離子濃度和粘土負電荷逐漸遞減的擴散層。膠粒加上擴散層總稱為膠團。5(3)粘土的粘結機理從以上所述，可以認為粘土的濕粘結性是這樣形成的，即帶負電的粘土膠粒，把極性水分子吸引在自己周圍形成呈膠粘性的水化膜，依靠土粒間的公共水化膜，通過其中的水化陽離子，起著“橋”或“鍵”的作用，使土粒相互連結起來，產(chǎn)生濕態(tài)粘結性(如圖示)。公共水化膜就是粘土膠粒間的公共擴散層。相鄰的粘土膠粒表面雖然帶同號的負電荷應該互相排斥，但由于公共擴散層中陽離子的吸引，反而會使它們結合起來。顯然粘土膠粒的擴散層愈薄，這種吸引力也愈強。由此可見，只有在粘土與水量比例適宜時才能獲得最佳的濕態(tài)粘結力。如水分過低，不能形成完整的水化膜;如水分太高，出現(xiàn)自由水，這樣濕態(tài)粘結力都不高。一般說粘土粒子所帶電荷愈多或土粒愈細小，比表面愈大，濕粘結力愈強。67粘土的種類粘土根據(jù)它含有的粘土礦物種類及其性能的不同，主要分為普通粘土和膨潤土兩大類。用N和P分別表示。8（一）普通黏土普通黏土俗稱白泥，呈白色或灰白色。9（二）膨潤土膨潤土主要由蒙脫石和黏土礦物質所組成，具有較大的吸水膨脹性、膠體分散性、吸附性、離子交換性和濕態(tài)黏結性能。按其主要交換性陽離子的不同，鑄造用膨潤土可分為鈉基膨潤土和鈣基膨潤土，分別以PNa和PCa表示不同的陽離子，其吸附水分子的能力是不同的：1011（三）鈣膨潤土的活化處理粘土表面吸附陽離子的吸附能取決于被吸附離子的作用力場。因此，可以用另一種價數(shù)高或濃度大的陽離子取代原先吸附于粘土上的陽離子，此即粘土的陽離子交換性質。這種粘土的離子交換反應具有同號離子相互交換，離子以等量變換；交換和吸附是可逆過程和離子交換并不影響粘土本身的結構等特點。122、水玻璃粘結劑水玻璃的制備方法與化學式

水玻璃別名泡花堿，是硅酸鈉、硅酸鉀或硅酸鋰的水溶液。除特別注明外用的水玻璃均指鈉水玻璃，其化學式為：Na2O·mSiO2.nH20。制造水玻璃的方法有干法和濕法兩種。干法制造水玻璃是將硅砂與蘇打(Na2C03)或硅砂與無水芒硝(Na2S06)及碳(焦炭、木炭或無煙煤)各按一定比例混合后，在反射爐內(nèi)加熱到1400℃左右，即可得到熔融的硅酸鈉。1314水玻璃的組成固體水玻璃:Na2O·mSiO2,m——模數(shù)；m不一定是整數(shù)。鑄造用水玻璃m在2.0~3.5之間，在狀態(tài)圖相當于SiO2在66—77％范圍內(nèi)，其最低共熔點為793℃，組成為Na2O．2SiO2+Si02。液體水玻璃:Na2O·mSiO2.nH20；模數(shù)2~3、密度1.2-1.7水玻璃的分散狀態(tài)水玻璃具有某些離子溶液的性質，并不是典型的膠體溶液。水玻璃溶液是一種復雜的動平衡體系。模數(shù)在2以上的水玻璃是一種以硅酸鹽離子為主，以亞膠體離子為輔的溶液。隨著模數(shù)的提高，膠體性能有所增強。15水玻璃粘結劑的硬化原理1、水玻璃溶液中的平衡移動水玻璃中存在著單硅酸與膠體粒子的溶解平衡：硅酸根離子和單硅酸的電離平衡：水玻璃的模數(shù)愈高，OH-濃度和pH就愈小，膠體SiO2粒子就愈多，穩(wěn)定性就低。模數(shù)為3.0一3.5的水玻璃，其pH為11.5~13。若模數(shù)更高或者加H+以提高模數(shù)，當pH值降到11.0以下時，則體系中的SiO2，數(shù)量就會增大到使穩(wěn)定性破壞的程度。162、水玻璃穩(wěn)定性與PH的關系水玻璃的穩(wěn)定性同pH的關系呈一條N形曲線，如圖所示。173、水玻璃的膠凝水玻璃中存在著單硅酸與膠體粒子的溶解平衡：硅酸根離子和單硅酸的電離平衡：在實際生產(chǎn)中水玻璃的硬化是在硬化劑的作用下完成的。硬化劑的水溶液呈酸性，當硬化劑同水玻璃溶液相作用時，由硬化劑產(chǎn)生的H+離子與水玻璃電離平衡中的oH-相結合而形成離解度極小的水，促使水玻璃電離平衡向生成Si(OH)4的方向移動。于是水玻璃的pH下降而體系內(nèi)Si(OH)4濃度不斷增加。單硅酸具有強烈的聚合傾向，單硅酸聚合后形成聚硅酸乃至形成膠粒。當pH降至11以下時，會出現(xiàn)大量SiO2膠體粒子，粒子的聚結就發(fā)生膠凝。18水玻璃發(fā)生膠凝的結果是體系失去流動性而形成網(wǎng)絡狀硅凝膠，其中包羅著大量溶劑。由于膠體粒子的相互靠攏，不穩(wěn)定的硅醇鍵(—si—oH)會脫出部分溶劑而形成穩(wěn)定性高的硅氧鍵(—Si—O—Si)，故凝膠的同時會伴隨著體積收縮。體積收縮時將包羅于凝膠網(wǎng)絡中的液相擠出，使凝膠的致密度和強度均有所增加，這個過程稱為脫液收縮。此外，溶劑蒸發(fā)時還會產(chǎn)生干燥收縮，二者統(tǒng)稱之為膠凝收縮。19水玻璃的性能指標1、模數(shù)(m)

水玻璃的模數(shù)是指其中SiO2和Na2O的克分子比值。它表明水玻璃中siO2和Na2O的相對含量關系，可用下式計算型砂用水玻璃模數(shù)一般為2.0一2.6，用作熔模鑄造型殼粘結劑的水玻璃，其模數(shù)通常為3.o一3.5。202、密度(d)

水玻璃的濃度是指其水溶液中Na2O·mSiO2的含量。由于濃度愈高時，溶液密度愈大，故可以近似地用密度表示濃度的大小。但是水玻璃的密度不光取決于團體含量，而且還同其化學成分有關。這是由于Na2O提高密度的作用賂大于siO2，所以不就能像普通電解質溶液那樣，按密度來確定溶質含量。固體總含量相同時，模數(shù)愈低的水玻璃，其溶液的密度愈高。213、粘度(ν)

水玻璃的粘度與其模數(shù)、密度、雜質含量及溫度等因素密切相關。22水玻璃的處理水玻璃處理的原理

如果從化工廠購得的水玻璃模數(shù)和密度不符合鑄造工藝要求，可在使用前進行改變模數(shù)和密度的處理。通常采用加水稀釋或加熱濃縮的方法來改變水玻璃的密度。而模數(shù)的改變則通過改變其中的Na2O的含量來實現(xiàn)。為降低模數(shù)，可在水玻璃中加入NaoH水溶液以增加其Na2O含量；如要提高模數(shù)，一般是在水玻璃中加入定量的、濃度適當?shù)穆然@水溶液或鹽酸，與其中Na2O發(fā)生中和反應，降低Na2O含量，從而相對提高SiO2含量。反應原理如下；23二、有機粘結劑（一）植物油類植物油是油脂的一種，其組成是脂肪酸三甘油酯。鑄造工業(yè)中所用的植物油粘結劑主要有桐油、亞麻油和改性米糠油等，均屬于干性油。24

植物油的硬化機理主要是氧化、聚合過程，反應大致可分以下三個階段：揮發(fā)在加熱過程中，首先是水分蒸發(fā)，其次是油類中較易揮發(fā)的碳氫化合物揮發(fā)。氧化聚合植物油中帶有雙鍵的不飽和碳氫化合物，由于雙鍵不穩(wěn)定，在加熱時容易與空氣中的氧化合，形成過氧化物，所生成的過氧化物與含有雙鍵的其它分子聚合。聚合生成的物質還含有雙鍵，在氧的作用下，又轉變?yōu)檫^氧化物，再與其它具有雙鍵的物質發(fā)生聚合反應，形成更為復雜的化合物。隨著氧化、聚合反應的不斷進行，使植物油分子逐漸增大，液態(tài)油膜變成溶膠。膠凝硬化隨著分散介質的繼續(xù)揮發(fā)，溶膠變成凝膠，最后變成堅固有彈性的固體薄膜，使芯砂獲得很高的干強度。25影響油砂性能的主要因素1、油的加入量及粘度的影響油的最適宜加入量，應使全部砂粒表面都覆蓋一層完整的均勻的并具有一定厚度的油膜。2、原砂性能的影響3、水和其他加入物的影響4．配制與烘干工藝的影響26（二）合成樹脂有機粘結劑殼芯法用樹脂及其硬化機理先把原砂、酚醛樹脂和固化劑等混制成覆膜砂，然后把覆膜砂吹入事先加熱至200一280℃的金屬芯盒中，保持20一60s（稱為結殼時間)，使貼近芯盒壁的覆膜砂中的樹脂受熱熔化，將砂粒粘結在一起，形成一層薄殼，再把中間未熔化的、松散的覆膜砂倒出來，將已形成的薄殼繼續(xù)加熱30一90s，使它進一步硬化。然后打開芯盒，取出殼芯，即可獲得厚度3—12mm左右的空心殼芯。27殼芯法所用粘結劑為線型熱塑性酚醛樹脂熱塑性酚醛樹脂硬化機理常用的固化劑是六次甲基四胺(即烏洛托品)，其分子式為(CH2)6N4，加熱時分解為氨氣和次甲基(一cH2一)，所以能使線型分子固化，由熱塑性樹脂轉化為熱固性樹脂。28熱芯盒樹脂砂熱芯盒樹脂砂是在原砂中加入適量的呋喃樹脂粘結劑和固化劑，將混好的樹脂砂射入（或吹入）到加熱后的金屬芯盒中，通過芯盒180-2500C的熱作用，使樹脂與固化劑經(jīng)過幾秒-1min左右的反應而硬化制出砂芯。冷芯盒樹脂砂冷芯盒樹脂砂造芯時是將混制好的樹脂砂吹（射）入芯盒中，然后用吹氣設備吹入氣體固化劑，砂芯在常溫下迅速固化，沖凈殘余固化劑后即可出芯。出芯后可以立即下芯、合型、澆注，以減少砂芯儲存時間。目前普遍采用的氣硬冷芯盒工藝有三乙胺法和SO2法，這兩種方法工藝類似，僅粘結劑和固化氣體不同。29（一）三乙胺法冷芯盒樹脂砂的配制將樹脂粘結劑加入原砂中混勻后吹（射）入芯盒，然后通以空氣、二氧化碳、氮氣為載體的三乙胺，使砂芯在數(shù)秒中內(nèi)硬化，用干燥空氣沖凈剩余三乙胺后即可取出砂芯待用。三乙胺法芯砂的缺點是粘結劑與催化劑易燃、廢氣有毒。（二）SO2法冷芯盒樹脂砂的配制SO2法是在原砂中加入酚醛或呋喃樹脂和有機過氧化物混制芯砂，芯砂吹（射）入芯盒后，向砂芯通以SO2氣體促使砂芯快速硬化。30

型砂粘結劑性能要求①液體粘結劑的粘度低,混砂時輕易與砂?；旌暇鶆?而且混好的型砂流動性好，可以制成外形復雜的、準確反映模樣表面外形的砂型和型芯。②硬化速度快，最好不經(jīng)加熱就能硬化，以節(jié)約能源和使用價格低廉的非金屬或鋁合金模樣和芯盒。如能采取先硬化、后脫模的方法，就可顯著提高鑄件的外形和尺寸精度。較理想的型砂粘結劑應具有的特性是：③硬化后強度高，能用來制造外形復雜、截面細薄的型芯，并可減少粘結劑加入量，以便降低鑄件生產(chǎn)成本和減少澆注過程中氣體發(fā)生量，減少鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性。④發(fā)氣量少，要求粘結劑受熱發(fā)氣緩慢、量少。對于和等類鑄件還要求粘結劑的含氮量低，以防止產(chǎn)生皮下氣孔、針孔等缺陷。⑤潰散性好，粘結劑受到高溫作用能自行分解潰散，以防止鑄件凝固后產(chǎn)生內(nèi)應力、裂紋，并使鑄件輕易清砂。此外，還要求粘結劑不易吸潮或變質，混砂后可使用時間長，不粘附模樣和芯盒，對人體無害，對環(huán)境無污染，來源豐富，價格低廉等。水玻璃砂由硅砂、水玻璃和輔加物混合配制而成。制成的砂型可吹以CO2實現(xiàn)化學