水玻璃砂鑄造工藝全面解析

水玻璃砂鑄造工藝全面解析一、影響水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃“老化”？新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進(jìn)行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，最后成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實(shí)際上是一種由不同聚合度的聚硅酸組成的非均相混合物，易受其模數(shù)、濃度、溫度、電解質(zhì)含量和存放時間的影響。水玻璃在存放過程中分子產(chǎn)生縮聚，形成凝膠，其粘結(jié)強(qiáng)度隨著貯存時間的延長而逐漸降低，這一現(xiàn)象稱為水玻璃“老化”?！袄匣爆F(xiàn)象可由下述兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明：高模數(shù)水玻璃（M=2.89，ρ=1.44g/cm3）貯放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強(qiáng)度相應(yīng)下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%；低模數(shù)水玻璃（M=2.44，ρ=1.41g/cm3）貯放7、30、60和90天后，干拉強(qiáng)度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。水玻璃存放時間對酯硬化水玻璃自硬砂初期強(qiáng)度影響不大，但對后期強(qiáng)度影響明顯，據(jù)測定，對于高模數(shù)水玻璃下降60%左右，對于低模數(shù)水玻璃下降15~20%。殘留強(qiáng)度也隨存放時間的延長而降低。水玻璃在存放過程中聚硅酸的縮聚反應(yīng)和解聚反應(yīng)同時進(jìn)行著，分子量發(fā)生了歧化，最終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過程中，聚硅酸的聚合度發(fā)生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時間的延長而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應(yīng)的結(jié)果，使粘結(jié)強(qiáng)度下降了，即產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象。影響水玻璃“老化”的因素主要有：存放時間、水玻璃的模數(shù)和濃度。存放時間越長，模數(shù)越高，濃度越大，則“老化”越嚴(yán)重。對久存的水玻璃可以采用多種方法的改性處理，以消除“老化”，使水玻璃恢復(fù)到新鮮水玻璃的性能：1、物理改性水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發(fā)過程，用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場、超聲波、高頻或加熱等辦法，向水玻璃體系提供能量，促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均勻化，從而消除了老化現(xiàn)象，這就是物理改性的機(jī)理。例如，用磁場處理后，水玻璃砂的強(qiáng)度提高了20~30%，減少水玻璃加入量30~40%，節(jié)約CO2，改善潰散性，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。物理改性的缺點(diǎn)是不持久，處理后再貯放，粘結(jié)強(qiáng)度又會下降，故適用于鑄造廠處理后盡快使用。尤其是M>2.6的水玻璃，硅酸分子濃度大，經(jīng)過物理改性解聚后又會較快地縮聚，最好是處理后立即使用。2、化學(xué)改性化學(xué)改性是往水玻璃中加入少量化合物，這些化合物均含有羧基、酰胺基、羰基、羥基、醚基、氨基等極性基團(tuán)，通過氫鍵或靜電將其吸附在硅酸分子或膠粒表面，改變其表面位能和溶劑化能力，提高聚硅酸穩(wěn)定性，從而阻止“老化”進(jìn)行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，可取得較好的效果。往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機(jī)物可以起到多種作用，如：改變水玻璃的粘流性質(zhì)；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘結(jié)強(qiáng)度，使水玻璃的絕對加入量減少；提高硅酸凝膠的可塑性；降低殘留強(qiáng)度，使水玻璃砂更適用于鑄鐵和有色合金。3、物理—化學(xué)改性物理改性適宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用?；瘜W(xué)改性適宜于處理新鮮水玻璃，改性后的水玻璃可較長時間的存放。物理改性與化學(xué)改性結(jié)合起來，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高壓釜中加聚丙烯酰胺來改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高壓釜的壓力和攪拌是屬于物理改性，加聚丙烯酰胺是化學(xué)改性。二、如何防止CO2吹氣硬化水玻璃砂型（芯）表面粉化？鈉水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段時間后，有時在下型（芯）表面會出現(xiàn)象白霜一樣的物質(zhì)，嚴(yán)重降低該處表面強(qiáng)度，澆注時易產(chǎn)生沖砂缺陷。根據(jù)分析，這種白色物質(zhì)的主要成分是NaHCO3，可能是由于鈉水玻璃砂中含水分或CO2過多而引起的，其生成的反應(yīng)如下：Na2CO3+H2O→NaHCO3+NaOHNa2O+2CO2+H2O→2NaHCO3NaHCO3易隨水分向外遷移，使型、芯表面出現(xiàn)類似霜的粉狀物。解決的方法如下：1、控制鈉水玻璃砂的水分不要偏高（特別是雨季和冬季）。2、吹CO2時間不宜過長。3、硬化的型、芯不要久放，應(yīng)及時合型澆注。4、在鈉水玻璃砂中加入占砂1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右、密度為1.3g/cm3的糖漿，可以有效地防止表面粉化。三、如何提高水玻璃砂型（芯）抗吸濕性？用CO2或加熱等方法硬化的鈉水玻璃砂芯，裝配在粘土濕型中，如果不及時澆注，砂芯強(qiáng)度將急劇降低，不僅可能出現(xiàn)蠕變，甚至斷塌；在潮濕的環(huán)境中儲放的砂芯，強(qiáng)度也明顯降低。表1為CO2硬化鈉水玻璃砂芯在相對濕度為97%環(huán)境中放置24h時的強(qiáng)度值。在潮濕環(huán)境中存放失去強(qiáng)度的原因，是由于鈉水玻璃重新發(fā)生水合作用。鈉水玻璃粘結(jié)劑基體中的Na+與OH—吸收水分并浸蝕基體，最后使硅氧鍵Si—O—Si斷裂，致使鈉水玻璃砂粘結(jié)強(qiáng)度顯著降低。解決此問題的措施有：1、在鈉水玻璃中加入鋰水玻璃，或在鈉水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等無機(jī)附加物，由于能形成相對不溶的碳酸鹽和硅酸鹽，以及可減少游離的鈉離子，因而可改善鈉水玻璃粘結(jié)劑的抗吸濕性。2、在鈉水玻璃中加入少量有機(jī)材料或加入具有表面活性劑作用的有機(jī)物，粘結(jié)劑硬化時，鈉水玻璃凝膠內(nèi)親水的Na+和OH—離子或?yàn)橛袡C(jī)憎水基取代，或相互結(jié)合，外露的為有機(jī)憎水基，從而改善吸濕性。3、提高水玻璃模數(shù)，因?yàn)楦吣?shù)水玻璃的抗吸濕性比低模數(shù)水玻璃強(qiáng)。4、在鈉水玻璃砂中加入淀粉水解液。更好的方法是采用淀粉水解液對鈉水玻璃改性。四、CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復(fù)合工藝有何特點(diǎn)？近幾年來，有些中小企業(yè)為提高鑄鋼件質(zhì)量；急需采用樹脂砂工藝，但是由于經(jīng)濟(jì)能力有限，無力購置樹脂砂再生設(shè)備，舊砂不能再生回用，生產(chǎn)成本高。為了尋找一條既提高鑄件質(zhì)量又不過多增加成本的有效途徑，可結(jié)合CO2吹氣硬化水玻璃砂和CO2吹氣硬化堿性酚醛樹脂砂的工藝特點(diǎn)，采用CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復(fù)合工藝，用堿性酚醛樹脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同時吹CO2硬化。CO2—堿性酚醛樹脂砂所用的酚醛樹脂是由苯酚和甲醛在強(qiáng)堿性催化劑作用下縮聚，并添加耦合劑而制成。其PH值≥13，粘度≤500mPa?s。酚醛樹脂在砂中的加入量為3%~4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。當(dāng)CO2流量為0.8~1.0m3/h時，最佳吹氣時間為30~60s；吹氣時間過短則砂芯硬化強(qiáng)度低；吹氣時間過長，砂芯強(qiáng)度并不隨之增長，而且浪費(fèi)氣體。CO2—堿性酚醛樹脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等；澆注時不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護(hù)；潰散性好，極易清理；尺寸精度高；生產(chǎn)效率高。CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹脂砂復(fù)合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。該復(fù)合工藝是一種簡便的工藝方法，其過程為：先將樹脂砂和水玻璃砂分別混制好后，裝入兩個砂斗；再將混制好的樹脂砂作為面砂加入砂箱并舂實(shí)，面砂層厚度一般為30~50mm；然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實(shí)；最后向鑄型內(nèi)吹CO2氣體進(jìn)行硬化。吹氣管的直徑一般為25mm，可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。吹氣時間取決于砂型（芯）的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時間控制在15~40s。吹硬砂型（芯）后即可取模。砂型（芯）的強(qiáng)度上升速度快。取模后半小時內(nèi)刷上涂料，4小時后即可合箱澆注。該復(fù)合工藝特別適合于沒有樹脂砂再生設(shè)備而又要生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的鑄鋼廠，工藝操作簡便，易于進(jìn)行工藝控制，生產(chǎn)的鑄件與其它樹脂砂生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量相當(dāng)。CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹脂砂復(fù)合，用于生產(chǎn)高品質(zhì)的各種鑄件。五、CO2-有機(jī)酯復(fù)合硬化水玻璃砂工藝有何利弊？近年來，CO2-有機(jī)酯復(fù)合硬化水玻璃砂工藝有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢。其工藝過程是：在混砂時加入一定數(shù)量的有機(jī)酯（一般為正常需要量之半或水玻璃重量的4~6%）；造型完成后，吹CO2硬化到脫模強(qiáng)度（一般要求抗壓強(qiáng)度0.5MPa左右）；脫模后，有機(jī)酯繼續(xù)硬化，型砂強(qiáng)度以較快速度升高；吹完CO2再放置3~6h后，砂型即可進(jìn)行合箱和澆注。其硬化機(jī)理是：水玻璃砂吹CO2時，在氣體壓力差及濃度差的作用下，CO2氣體將力圖向型砂各方向流動，CO2氣體與水玻璃接觸后，立即與之反應(yīng)生成凝膠。由于擴(kuò)散作用，反應(yīng)總是從外向里，外層先形成一層凝膠薄膜，阻礙CO2氣體和水玻璃繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。因此在短時間內(nèi)，無論采用何種方法控制CO2氣體，使其和全部水玻璃反應(yīng)是不可能的。據(jù)分析，當(dāng)型砂達(dá)到最佳吹氣強(qiáng)度時，和CO2氣體反應(yīng)的水玻璃約為65%，這就是說水玻璃沒有充分發(fā)揮粘結(jié)作用，至少有35%以上的水玻璃沒有反應(yīng)。而有機(jī)酯硬化劑能與粘結(jié)劑形成均勻的混合物，能充分發(fā)揮粘結(jié)劑的粘結(jié)作用，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立強(qiáng)度。提高水玻璃加人量，砂型終強(qiáng)度將增加，但是其殘留強(qiáng)度也會增加，導(dǎo)致清砂困難。而水玻璃加入量過少時，其終強(qiáng)度過小，達(dá)不到使用要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般把水玻璃加入量控制在4%左右。單獨(dú)用有機(jī)酯硬化時，一般有機(jī)酯的加人量為水玻璃量的8~15%。而采用復(fù)合硬化時，吹CO2時估計(jì)已有一半左右的水玻璃硬化，還有一半左右的水玻璃還沒有硬化。所以有機(jī)酯的加人量占水玻璃加人量的4~6%是比較合適的。采用復(fù)合硬化法，可以充分發(fā)揮CO2硬化和有機(jī)酯硬化的雙重優(yōu)點(diǎn)，并能使水玻璃的粘結(jié)作用充分發(fā)揮出來，達(dá)到硬化速度快，起模早，強(qiáng)度高，潰散性好，成本低的綜合效果。但是CO2-有機(jī)酯復(fù)合硬化工藝需要比單純的有機(jī)酯硬化法多加0.5~1%水玻璃，這將給水玻璃舊砂的再生增大難度。六、為什么采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)鑄鐵件時容易產(chǎn)生粘砂？如何防止？用鈉水玻璃砂制造的砂型（芯）澆注鑄鐵件時，常產(chǎn)生嚴(yán)重粘砂，這限制了它在鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用。鈉水玻璃砂中的Na2O、SiO2等與液態(tài)金屬在澆注時產(chǎn)生的鐵的氧化物，形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽。前已述及，如果這種化合物中含有較多易熔性非晶態(tài)的玻璃體，那么這層玻璃體與鑄件表面結(jié)合力很小，而且收縮系數(shù)與金屬也不相同，它們之間就會有較大應(yīng)力，易于從鑄件表面清除，不產(chǎn)生粘砂。如果在鑄件表面形成的化合物中SiO2含量高，F(xiàn)eO、MnO等含量少，它的凝固組織基本上具有晶體結(jié)構(gòu)，會與鑄件牢固地結(jié)合在一起，就產(chǎn)生粘砂。鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時，由于鑄鐵件澆注溫度低，碳含量高，鐵、錳等不易氧化，形成的粘砂層呈晶體結(jié)構(gòu)，而且鑄鐵件與粘砂層之間難以建立起適宜的氧化鐵層厚度，鑄件與粘砂層間不像樹脂砂生產(chǎn)鑄鐵件時能夠通過樹脂熱解產(chǎn)生光亮碳膜，所以粘砂層不易清除。為了防止鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時產(chǎn)生粘砂，可采用合適的涂料。如用水基涂料，涂刷后需進(jìn)行表面烘干，故最好采用醇基快干涂料。一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉（如3%~6%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使鑄件與粘砂層間能夠通過煤粉的熱解產(chǎn)生光亮碳膜，由于它不被金屬及其氧化物所潤濕，使得粘砂層容易從鑄件上剝離下來。七、水玻璃砂有望成為無廢砂排放的環(huán)保型型砂嗎？水玻璃無色、無臭、無毒，沾于皮膚和衣服后用水沖洗即無大礙，但必須避免濺入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和澆注過程中都沒有刺激性或有害氣體釋出，沒有黑色和酸性污染。但若工藝失當(dāng)，水玻璃加入過多，水玻璃砂的潰散性便不好，清砂時粉塵飛揚(yáng)，也會造成污染。同時，舊砂再生困難，廢砂的排放造成對環(huán)境的堿性污染。如果能克服這兩個難題，水玻璃砂便可成為基本沒有廢砂排放的環(huán)保型型砂。解決這兩個問題的根本措施是：將水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震動落砂。當(dāng)水玻璃加入