1、 造型材料常用的无机化学粘结剂有水玻璃.水泥.磷酸盐聚合物等。用上述无机化学物质作为粘结剂配制的型（芯）砂，其分类及其硬化方法见图2-1。它们主要是通过发生物理-化学反应而硬化。1.1.钠水玻璃钠水玻璃（1）水玻璃及其性质 水玻璃别名泡花碱，是各种硅酸盐水溶液的通称。（2）钠水玻璃参数 钠水玻璃有几个重要参数，直接影响他的物理和化学性质，也直接影响钠水玻璃砂的工艺性能。即钠水玻璃的模数、密度、含固量和粘度等。1）模数 钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量之比称为模数，用M来表示。式中，分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的质量分数。降低钠水玻璃模数可加入适量的NaOH，以提高水玻璃中Na2O的质
2、量分数，从而相对地减少SiO2的质量分数。其反应式为 提高钠水玻璃模数可加入HCl.NH4Cl等，以中和部分Na2O，从而相对提高SiO2的质量分数。其反应式为2）密度、含固量和粘度 钠水玻璃的密度取决于钠水玻璃中水的质量分数，而不是他的模数。测定钠水玻璃含固量的原理为测出其中水分含量。具体测定是将已知质量的钠水玻璃同煅烧硫酸钙或干净硅砂混合，再将混合物在104左右烘至恒重。按下式计算钠水玻璃的水分。式中，W为混合物中的钠水玻璃质量（kg）；G为混合物中的颗粒材料的质量（kg）；G为单独将同样的颗粒材料烘干后损失的质量（kg）；W为混合物烘至恒重后的质量（kg）。因而，钠水玻璃含固量 。钠水玻
3、璃的粘度随其水分、密度和模数而定，如果将水分大致相同而模数不同的两种水玻璃进行比较，就可看出模数对粘度的影响十分显著（见表2-1）。当模数一定时，水分对粘度的影响如表2-2所示。（3）钠水玻璃硬化机理 水解平衡强烈的偏向左方，因此，硅酸钠的水解度一般只有1.58%9.29%。水解产生的硅酸不稳定，可以缩聚为多硅酸（向右进行），而多硅酸又会进行水解（向左进行），硅氧烷链（Si-O-Si）沿线性方向生长，就形成高聚物。当他在三维空间任意生长时，就形成凝胶，这就导致了钠水玻璃的硬化。（4）水玻璃技术条件 根据国家专业标准铸造用水玻璃（ZBJ3100388）的规定，用作砂型和砂芯粘结剂的水玻璃分为两种
4、牌号，其性能应符合表2-4的要求。2.2.水玻璃水玻璃CO2硬化型（芯）砂硬化型（芯）砂 水玻璃CO2硬化砂是最早得到工业应用的气体硬化造型（芯）方法。（1）水玻璃CO2硬化砂的硬化原理 一般认为是水玻璃在CO2作用下，生成的硅酸凝聚成硅酸凝胶和CO2的脱水作用。吹CO2时，CO2溶入水中生成碳酸，它与硅酸钠的水解产物NaOH作用，生成Na2CO3或NaHCO3和硅酸，其反应式大致如下：上述反应不断进行，是溶液中硅酸的浓度不断增加而成硅酸溶胶。硅酸溶胶因pH值降低而不稳定，聚成硅酸凝胶。（2）硅酸凝胶结构形成的三个阶段1）开始时由每个硅原子通过氧原子和其它三个硅原子联结，每个硅原子具有一个能离
5、子化的SiOH基团，形成硅氧八聚物离子（Si8O20）8-（四方柱状的双环四硅酸钠）；2）以硅氧八聚物离子为胶粒的核心，逐渐长大成球状胶粒；3）球状胶粒由表面的硅氧键或氢键联结，最后形成多孔态的，具有发达枝键的立体网状结构。Na2CO3或NaHCO3的水溶液则分布在网状结构的孔隙中，随着水分脱失而结晶析出。（3）水玻璃CO2硬化砂对原材料的要求1）水玻璃 应正确选用水玻璃的模数和密度,大多采用模数M=2.12.6.密度=1.441.50g/cm3的水玻璃。2）原砂 正确选用原砂对CO2硬化砂极为重要。水玻璃砂对原砂的要求如表2-5。3）溃散剂 改善水玻璃溃散性的最基本措施（4）水玻璃CO2硬化
6、砂的配比及性能、混砂工艺1）传统的水玻璃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%，溃散剂根据其特性加入量为1%3%，必要时加水0.6%1.0%，硬化后抗压强度1.5MPa。2）新近开发的水玻璃CO2硬化砂的配比及性能 主要采用氢化麦芽糖、山梨醇等有机物，配合其他无机物（如硼酸钠等）对普通钠水玻璃粘结剂进行改性，提高了粘结剂的粘结性能，降低了残留强度。3）混砂工艺 水玻璃CO2硬化砂可使用任何混砂机混制。加料顺序一般先加原砂和粉状材料，再加水和水玻璃，如配方中有重油则应在最后加入。（5）CO2吹气硬化工艺1）水玻璃CO2硬化砂对模样（芯盒
7、）的要求 造型时，由于从硬化了的型中起模困难，因此模样起模斜度应比普通模样大，砂型(芯)的圆角要在模样上做出。大木模最好采用活块结构，以便把木模分块取出，个别处甚至可采用气化模，造型(芯)后，不必取出。外形复杂的铸件为减少造型时的活块和减少铸件披缝，常用组芯造型。比较复杂砂芯的芯盒，常作成脱落式或可拆式，芯盒由几部分拼合组成，有时还装加便于取出的活动肋条.孔眼.搭子之类的附件。在吹CO2时，为了能使C02气体散布整个砂芯(型)与钠水玻璃充分反应，应在CO2不易进入的芯盒底部或砂芯拐角处开设排气小孔，孔的位置一般距芯盒底部以上约20mm的截面上，孔径为3mm5mm，靠芯盒外壁出口处可扩大为10m
8、m。排气孔数目按砂芯的大小和形状来决定。2）CO2吹气方法 吹C02的方法可根据型(芯)的大小和形状加以选择，要求CO2能迅速均匀进入型(芯)的各个部分，以最少CO2消耗量，达到使型.芯各部分硬化均匀，避免出现死角。目前，应用较多的是插管法(见图2-2)和盖罩法(见图2-3)。也有通过模样吹C02硬化的方法(见图2-4)。此外，还有CO2预热法.稀释CO2法.脉冲吹气硬化等复合吹气法，VRH-CO2硬化(见图2-5)等。3）CO2吹气工艺对水玻璃砂强度的影响 CO2吹气工艺参数包括CO2的压力、流量和CO2吹气时间。CO2吹气工艺参数对硬化强度的影响见图2-6。试验用砂配比及CO2吹气工艺见表
9、2-6。（6）水玻璃CO2硬化砂缺陷及其预防措施（表2-7）3.烘干硬化水玻璃砂烘干硬化水玻璃砂 烘干硬化水玻璃砂的强度比CO2硬化砂的强度高10倍左右，为得到与CO2硬化砂同样的常温强度，烘干硬化砂中水玻璃加入量可降低到2%3%，因而使溃散性有显著改善。烘干硬化水玻璃砂的配比，根据烘干方法决定。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%，溃散剂根据情况酌情加入，干态抗拉强度1.0MPa以上。改善烘干硬化水玻璃砂抗湿性的措施：相对湿度小于80%，可采用高模数的水玻璃；相对湿度90%时，采用高模数的水玻璃并在混砂时加钛酸锂（Li2CO3）的质量分数为0.15%0.
10、20%，或钛酸锌（ZnCO3）的质量分数为0.25%左右，或采用专用的抗湿改性水玻璃。4.4.钠水玻璃自硬砂钠水玻璃自硬砂 钠水玻璃自硬砂的硬化剂可大致分为粉状和液体硬化剂两类。（1）粉状硬化剂的水玻璃自硬砂常用的粉状硬化剂有：硅酸二钙、硅铁粉、氟硅酸钠等。1）硅酸二钙水玻璃自硬砂 硬化机理 一般认为，水玻璃因硅酸二钙的吸水、水分蒸发和空气中CO2作用而硬化 硅酸二钙水玻璃自硬砂最基本的配比（重量比）原砂100%，水玻璃6%7%，硬化剂3%6%，必要时加水1%2%，硬化24小时抗拉强度0.4 MPa以上。存在问题及措施 冬季气温低.硬化慢，可提高水玻璃的模数，增加硬化剂的加入量，降低型砂的出碾
11、含水量，以加快硬化；夏季使用时，可使用时间太短，可提高型砂的出碾含水量，原砂含水质量分数在2%4%以下时可不烘干，采用低模数水玻璃和降低硬化剂加入量。2）硅铁粉水玻璃自硬砂 硅铁粉水玻璃自硬砂硬化机理 硅铁粉水玻璃自硬砂的硬化，是硅铁粉与水玻璃水解生成的NaOH发生放热反应，使水分蒸发，提高硅酸钠的含量，硅酸溶液凝胶化和脱水的综合结果，其反应式如下：硅铁粉水玻璃自硬砂基本的配比（重量比）原砂100%，水玻璃5%6%，硅铁粉1%2%，必要时加(NaOH)10%水溶液0.5%1.0%。硅铁粉水玻璃自硬砂特性 硅铁粉水玻璃自硬砂的硬化时间由型砂的温度、水分、硅铁粉加入量、水玻璃的模数等因素决定，可在
12、几十分钟到几个小时范围内调节。3）其他粉状硬化剂 熟石灰 Ca(OH)2或其他与水作用能生成Ca(OH)2的材料，如生石灰(CaO).电石(Ca2C)等都可作为水玻璃硬化剂。氟硅酸钠（Na2SiF6）能与水玻璃发生以下反应：高岭土或膨润土能吸收水玻璃砂中的含水量，加快自燃干燥硬化。（2）有机酯水玻璃自硬砂1）有机酯水玻璃自硬砂硬化机理 有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸和醇；有机酸与水玻璃反应，生成皂化物和有硅酸形成的硅酸凝胶，其反应通式如下：2）水玻璃自硬砂的有机酯选择 用作水玻璃砂硬化剂的有机酯通常有以下几种：丙三醇乙酸酯类 此类硬化剂的化学分子式及物理性能见表2-8。乙二醇和二乙二
13、醇乙酯类 乙二醇和二乙二醇乙酯类硬化剂的化学分子式及物理性能见表2-9。有机酯水玻璃自硬砂的配比及其性能特点 有机酯水玻璃自硬砂的配比及其性能见表2-10。使用中出现的问题及预防措施 有机酯水玻璃自硬砂使用中出现的问题及预防措施见表2-11。（5）水玻璃流态自硬砂）水玻璃流态自硬砂 在硅酸二钙水玻璃自硬砂中加入适量发泡剂，可配成水玻璃流态自硬砂。常用的发泡剂为烷基磺酸钠或仲烷基磺酸钠。水玻璃流态自硬砂基本的配比（重量比）原砂100%，水玻璃7%9%，硬化剂（赤泥）4%6%，发泡剂0.1%0.2%，水2%3%。但流态自硬砂的出碾含水量比较高，砂型(芯)中的气泡如不能在砂型(芯)硬化前消失，将使砂
14、型(芯)的透气性几乎为零，需要将砂型(芯)在250300短时间烘干，以降低水分和提高透气性。流态自硬砂的紧实度偏低，铸件易发生胀大.缩孔等缺陷，故现在已很少采用。（6）石灰石砂）石灰石砂1）石灰石砂使用过程中存在一些问题 石灰石的莫氏硬度为3，混碾时容易粉化，因此混砂时应提高碾轮与底板的距离，并适当缩短混碾时间；型砂保存性差，原砂加水后产生微量钙离子，当室温高于20时，使钠水玻璃砂容易自然硬化；发气量大，钢液浇入石灰石砂型后，碳酸钙受热分解，产生大量CO2气体，易使铸件产生气孔。另外，所生成的CO2气体能与钢反应，产生CO气体，如果不能及时引火以烧掉CO或通风排除，造成CO中毒。；耐高温和冲刷
15、性差；“缩沉”问题 旧砂再生比较困难，大多采取过筛后用作背砂。2）使用石灰石砂在设计铸造工艺时注意做到 浇道尽量采用耐火砖材料；内浇道尽量采用分散，并尽量采用底注法；控制面砂厚度，一般偏薄，多为50100；注意排气，例如多设置排气通道，以减少阻力；尽量采用明冒口；使用暗冒口，在暗冒口上另设排气孔；确保背砂有良好的透气性；在砂芯中填充炉渣块等干、散块料，并注意型芯排气道与外型排气道相互连通；在钢液流尽头或钢液交汇处，设置集砂槽或冒口；对铸钢件，模型缩尺比使用石英砂时大0.5%1.0%，通常为1.8%2.5%；铸孔为3.5%4.0%。这是由于石灰石砂高温分解，体积收缩，烧结层容让性好，致使铸件收缩
16、阻力小造成的；厚壁铸钢件或铸件的厚壁部位采取“反缩沉”设计；钢液加铝脱氧和采取低温浇注。3）生产中采用的型（芯）砂配方，常分为使用粘土和不使用粘土的两类。（7）水玻璃砂旧砂再生）水玻璃砂旧砂再生 水玻璃旧砂再生方法主要有：1）湿法再生 将经破碎的旧砂加水后机械搅拌或用水力旋流器清洗。这种方法使用于水玻璃砂烧结程度轻的中小件铸造车间。2）干法再生 有逆流式、气流撞击式、机械离心式等再生装置。其中以逆流再生机的再生效果较好，Na2O去除率达40%50%。3）干-湿法再生 现用干法去除部分惰性膜，再用湿法再生，主要用于有机酯水玻璃自硬砂。1.1.水泥硬化机理水泥硬化机理 水泥用水调匀后进行水化反应，
17、生成溶于水的水化硅酸钙、水化铝酸钙和氢氧化钙。当溶液达到饱和后，水化产物极细的分散固体颗粒析出，成胶凝体。随着反应不断进行，胶凝体逐渐变稠，水泥浆失去塑性，表现为水泥的凝结。凝结的水泥胶体中水泥颗粒未水化部分将继续吸收水分进行水化反应，胶凝体逐渐脱水而变紧密，同时氢氧化钙与水化铝酸钙也由胶体状态转变为稳定的结晶状态，析出晶体，并互相交织在一起充填在胶凝体内，使水泥产生强度。2.2.水泥型（芯）砂特点水泥型（芯）砂特点 水泥型（芯）砂与其它型（芯）砂相比，优缺点如下：水泥砂硬化后强度高，可浇注大型铸件；流动性好，型砂易紧实，工人劳动强度小；导热性好（热导率为1.48W/(mK)，而粘土砂为0.8
18、4 W/(mK)），铸件冷却快，金相组织致密；水泥价格便宜，来源广。但是，水泥砂湿压强度低（仅0.010.02MPa）；硬化速度慢，普通水泥砂的硬化时间一般需要2440h，乃至更长时间，在气温低于5时，不易硬化；混碾后应及时造型（芯），否则超过4h后其强度下降很多；出砂性差，回用也较粘土砂困难；普通水泥砂易返潮，需要长时间的烘烤或热模浇注，否则铸件产生夹渣和气孔缺陷；配制型砂的粒度要粗，否则采用细砂型(芯)表面会产生掉砂缺陷。3.水泥型（芯）砂水泥型（芯）砂（1）硅酸盐水泥型（芯）砂 目前国内用得较多是水泥糖浆自硬砂。糖浆的作用是使水泥早凝早硬，加入量一般为3%4%（以砂质量为100%）。（2
19、）矾土水泥型（芯）砂 矾土水泥是用氧化铝为主要原料，配以适量石灰石，经锻烧磨细而成。（3）双快水泥自硬型（芯）砂 双快水泥是快凝快硬水泥的简称，与普通水泥比较，这种水泥能在230min内凝结，双快水泥可分为硅酸盐类、氟铝酸钙类和硫铝酸钙类三种，用于配制自硬砂时其工艺、性能基本相同。国内用得较多的是硅酸盐双快水泥。4.4.水泥型（芯）砂配比水泥型（芯）砂配比 几种水泥自硬砂的配方及性能见表2-12。国内外水泥砂配方、性能及混制工艺见表2-13。5.水泥型（芯）砂造型工艺特点水泥型（芯）砂造型工艺特点（1）水泥砂导热性好（2）水泥砂的发气量大，故要求多设通气道和通气冒口，以便及时把产生的水汽排出。
20、（3）水泥砂耐热性差，铸型表面应施涂涂料，这样可以使表面强度提高。（4）水泥砂起模后，硬化过程还在继续进行，除了必要的修正外，尽可能不要触动砂型，尤其不要触动浇注系统，以免使砂型强度降低。（5）水泥砂的回用性是决定其能否稳定生产，能否降低成本的关键问题之一。1.1.磷酸盐粘结剂型（芯）砂磷酸盐粘结剂型（芯）砂（1）磷酸盐粘结剂 磷酸盐粘结剂包含磷酸粘结剂.磷酸盐粘结剂.改性磷酸盐粘结剂3种。由于金属的种类不同，磷酸盐表现出的强度、抗水性和粘附性等性质也各异，不同金属离子的磷酸盐性能强弱见表2-14。（2）固化剂及固化机理 国内已采用的固化剂有铁的氧化物、镁的氧化物、铬镁矿砂和铬镁铁矿砂、矾土水
21、泥、碱性炉渣、炼钢废料等。固化剂的作用，一是使磷酸盐粘结系统能在常温下固化，二是调节硬化速度，以满足工艺要求，其硬化机理大致如下：1）在磷酸盐-固化剂系统中，磷酸根与固化剂中金属离子反应，促使溶液更快过饱和并不断以较快的速度析出磷酸凝胶，使粘结体系发生硬结和硬化。金属阳离子的碱性越强，促凝效果也越强。2）固化剂的加入使Me2O-H3PO4的体系改变，有非结晶质向结晶质转变，即按照凝胶片状晶体片状晶体连生的形式生成Me2O-HPO4H2O，由此而产生粘结性能。3）金属氧化物能与磷酸盐溶液相互作用，使磷酸与氧化物表面产生氢键。形成粘结体系。4）固化剂的成分中，自由碱金属阳离子含量合适才能得到适宜的
22、反应速度，达到促凝硬化的目的。（3）磷酸盐粘结剂砂型（芯）砂配方 磷酸盐为粘结剂的砂型（芯）砂的配方和性能见表2-15。（4）磷酸盐粘结剂砂型（芯）砂优缺点 磷酸盐粘结剂型（芯）砂高温强度高，高温变形小，残留强度低，出砂性及溃散性好，不含有毒物，硬化方便，可用于灰铸铁件.球墨铸铁件和铸钢件。磷酸盐粘结剂型（芯）砂的最大缺点是，磷酸盐粘结剂在湿度较大的环境中易吸水而发生潮解，使砂型（芯）的强度大大降低。在采用磷酸盐粘结剂时，为防止产生铸件缺陷，建议使用适当的涂料。最好用醇基或有机溶剂型涂料，而不采用水基涂料，因为水会使粘结剂软化。2.水溶性无机盐砂芯水溶性无机盐砂芯（1）用水溶性盐代替砂粒 以食盐（NaCl）作为颗粒.用水玻璃做粘结剂的盐芯，国内曾用于铸造180柴油机活塞的油腔（油腔的截面为8mm24mm，直径130mm0.5mm），如图2-7所示。（2）用盐的水溶液作粘结剂1）铝合金铸件 用K2CO3水溶液作粘结剂可得到良好的效果。芯砂的配方为：电熔刚玉：K2CO3:水=80：20：20（质量比）。2）铸铁件 可用磷酸盐Na3PO4或K3PO4的水溶液作粘结剂。用Na3PO4时砂芯的成型性.耐热性.耐吸湿性.回收等都比用K3PO4好，故常用Na3PO4作粘结剂。3）铸钢件 常用Ba(OH)2水溶液作粘结剂。
