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 樹(shù)脂固化砂的應(yīng)用實(shí)踐表明，呋喃的價(jià)格較高，環(huán)境污染較大，在未來(lái)21世紀(jì)人們對(duì)于自身生存條件和環(huán)境的要求日趨嚴(yán)格的條件下，由于車(chē)間勞動(dòng)保護(hù)和生產(chǎn)環(huán)境衛(wèi)生方面的投資很大，從而使樹(shù)脂砂的應(yīng)用受到一定限制，許多國(guó)家又對(duì)水玻璃固化砂極為重視。最近十多年來(lái)，人們對(duì)于水玻璃的基本組成和“老化”現(xiàn)象實(shí)質(zhì)的認(rèn)識(shí)深化和新型硬化工藝的開(kāi)發(fā)等兩方面均取得了突破性進(jìn)展，在型芯砂保持足夠的工藝強(qiáng)度的條件下，水玻璃加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）可降至2.5%.～3.5%.，從而使水玻璃砂長(zhǎng)期存在的潰散性差、 舊砂不能回用的問(wèn)題得到了較好的解決。水玻璃砂的硬化方法可分為：CO2氣硬法和自硬法兩種，熱硬法已很少采用。
    1.CO2氣硬法
    此法是水玻璃粘結(jié)劑領(lǐng)域里應(yīng)用最早的一種快速成型工藝，由于操作方便、使用靈活、無(wú)毒無(wú)味、在國(guó)內(nèi)外大多數(shù)的鑄鋼件生產(chǎn)中，得到了廣泛的應(yīng)用。
    （1）硬化原理和特點(diǎn) 水玻璃的出現(xiàn)已有三百多年歷史，由于它的成分十分復(fù)雜、多變，它的基本組成一直沒(méi)有搞清楚，對(duì)水玻璃的研究主要停留在宏觀的層次上。近年來(lái)，多種先進(jìn)測(cè)試手段的開(kāi)發(fā)，可深入到分子范疇進(jìn)行分析和研究，并發(fā)現(xiàn)，新制備的水玻璃是一種真溶液；但是在存放過(guò)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，最后成為硅酸膠粒。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(shí)間長(zhǎng)短的影響。
    水玻璃砂吹人CO2氣體硬化時(shí)，水玻璃的表層因吸收COz而其模數(shù)升高和脫水，在酸化和脫水兩重作用下，迅速硬化而形成初強(qiáng)度。已固化的表層水玻璃阻礙了CO2往深層滲透，內(nèi)層水玻璃只能靠脫水而繼續(xù)增加強(qiáng)度。此法缺點(diǎn)是：型芯砂強(qiáng)度低，含水量大，易吸潮，潰散性差，目前大多用于中、小型鑄鋼件生產(chǎn)。
    （2）水玻璃的改性 水玻璃在存放過(guò)程中分子產(chǎn)生縮聚，形成膠粒，可使其粘結(jié)強(qiáng)度下降20%～30%.，這一現(xiàn)象稱為水玻璃老化。為了消除老化，必須對(duì)水玻璃進(jìn)行改性，目前改性的方法有物理改性和化學(xué)改性兩種。物理改性是用磁場(chǎng)、超聲波、高頻或加熱等辦法，往水玻璃中供給能量，使已聚合的膠粒解聚，聚硅酸分子重新均勻化。這種改性對(duì)高模數(shù)水玻璃有效，但是存在重新老化的問(wèn)題?；瘜W(xué)改性是往水玻璃中加人少量化合物，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(guò)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。例如往水玻璃中加人聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，均取得了較好的效果。
    （3）發(fā)展前景 采用水玻璃改性來(lái)提高其粘結(jié)能力，往往增加了生產(chǎn)成本和工藝復(fù)雜化。近年來(lái)，日本又開(kāi)發(fā)了VRH法，此法是先把砂粒間空隙中的空氣抽去，再吹入CO2氣體，使鑄型迅速硬化成型。此工藝可使水玻璃加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）降至 3.0%.以下，而CO2用量?jī)H為原來(lái)的1/10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一種無(wú)機(jī)物，經(jīng)高溫作用后，在常溫時(shí)粘結(jié)橋上會(huì)形成大量孔洞，使型芯砂在不受外力作用下，自行潰散的新工藝。
    2．酯硬化法
    （1）硬化原理和特點(diǎn) 此法是采用液體的有機(jī)酯作水玻璃的硬化劑。有機(jī)酯在強(qiáng)堿性水玻璃溶液的作用下，水解為醇與酸。醇有很強(qiáng)的親水性，它可奪去水玻璃的水分，構(gòu)成它的溶劑化水。酸與水玻璃反應(yīng)，析出醋酸鈉，它也有一定的親水性，能奪取水玻璃的水分，構(gòu)成它的結(jié)晶水。在酸化和脫水雙重作用下，使水玻璃砂硬化。這種硬化工藝可使型芯砂具有
很高的強(qiáng)度，不僅水玻璃加入量可降至3.0%以下，而且硬透性和抗?jié)裥跃茫m用于各種大型鑄鋼件的生產(chǎn)。缺點(diǎn)是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流動(dòng)性較差。
    （2）主要原材料及型砂的工藝控制 酯硬化的水玻璃砂用原材料有硅砂、水玻璃和液體有機(jī)酯，這些材料的質(zhì)量和合理選用將直接影響工藝成敗、鑄件質(zhì)量和生產(chǎn)成本。對(duì)酯硬化水玻璃砂來(lái)說(shuō)，盡管對(duì)硅砂的要求不像樹(shù)脂砂那樣嚴(yán)格，為了降低水玻璃加入量，硅砂應(yīng)滿足如下要求：泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤1.0%，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.5%.，細(xì)粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1.0%.和角形系數(shù)≤1.3。水玻璃應(yīng)達(dá)到國(guó)家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZBJ31003—88的要求。嚴(yán)格控制水玻璃的模數(shù)是成功應(yīng)用此工藝的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)季節(jié)和室溫加以調(diào)整：夏季，M=2.2～2.4，其余季節(jié)，M=2.4～2.6，有條件時(shí)，最好對(duì)水玻璃進(jìn)行改性，消除老化現(xiàn)象。目前用于鑄造生產(chǎn)的有機(jī)酯有：丙三醇醋酸酯、乙二醇醋酸酯、二甘醇醋酸酯和丙二醇碳酸酯等，加入量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）占水玻璃的8%～12%。有機(jī)酯是決定酯硬化水玻璃砂的工藝性能和生產(chǎn)成本的關(guān)鍵材料，必須嚴(yán)加選擇，即應(yīng)根據(jù)型、芯的大小和水玻璃的模數(shù)，合理選用不同型號(hào)（快酯、慢酯或混合酯）的有機(jī)酯。
    對(duì)于酯硬化水玻璃砂的工藝性能來(lái)說(shuō)，主要控制如下性能：起模強(qiáng)度、終強(qiáng)度、可使用時(shí)間和殘留強(qiáng)度等，詳見(jiàn)表7。

表7   型、芯砂推薦的技術(shù)指標(biāo)

大型鑄件的混砂可采用連續(xù)式混砂機(jī)，造型、制芯均為手工操作。
    （3）發(fā)展前景  加入某些附加物，形成復(fù)合水玻璃，起著助粘結(jié)劑作用，能進(jìn)一步提高水玻璃的粘結(jié)性能，如加入磷酸鹽、硼酸鹽或鋁酸鹽等附加物。另外，應(yīng)用較廣泛的有機(jī)酯硬化劑，因其價(jià)格高而影響了該工藝的推廣應(yīng)用，有人又提出了一種無(wú)機(jī)酸和有機(jī)物配制成的硬化劑，其主要成分為磷酸、磷酸鹽和尿素，這種新型硬化劑不僅生產(chǎn)成本低，而且，型芯砂具有較好的潰散性。

水玻璃的化學(xué)成分

         水玻璃是由堿金屬氧化物和二氧化硅結(jié)合而成的可溶性堿金屬硅酸鹽材料，又稱泡花堿。水玻璃可根據(jù)堿金屬的種類分為鈉水玻璃和鉀水玻璃，其分子式分別為Na2O.nSiO2和K2O.nSiOz.式中的系數(shù)n稱為水玻璃模數(shù)，是水玻璃中的氧化硅和堿金屬氧化物的分子比（或摩爾比）。水玻璃模數(shù)是水玻璃的重要參數(shù)，一般在1.5-3.5之間。水玻璃模數(shù)越大，固體水玻璃越難溶于水，n為1時(shí)常溫水即能溶解，n加大時(shí)需熱水才能溶解， n大于3時(shí)需4個(gè)大氣壓以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模數(shù)越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘結(jié)力增大。 
        水玻璃的生產(chǎn)有干法和濕法兩種方法。干法用石英巖和純堿為原料，磨細(xì)拌勻后，在熔爐內(nèi)于1300-1400℃溫度下熔化，按下式反應(yīng)生成固體水玻璃，溶解于水而制得液體水玻璃 
        濕法生產(chǎn)以石英巖粉和燒堿為原料，在高壓蒸鍋內(nèi)，2—3大氣壓下進(jìn)行壓蒸反應(yīng)，直接生成液體水玻璃。