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添加剂对水玻璃砂热性能的研究
1 绪论
1.1 引言
机械制造业是我国国民经济的基础，而铸造业是机械制造业中不可缺少的重要组成部分。而铸钢件的生产主要是水玻璃砂工艺，但是绝大部分铸钢厂还是采用传统的工艺即水玻璃砂强度的提高，长期以来依靠水玻璃加入量来弥补。现在的新工艺、新方法(如有机脂硬化、VHR硬化、微波硬化等等)，应用的还较少。水玻璃砂溃散性差的问题一直困扰着我国铸钢厂的生产，并且溃散性差的水玻璃砂也很难再生回用。这样，就不可能实现绿色清洁铸造生产。所以本课题对添加剂对水玻璃砂热性能的影响进行了研究，分析添加剂如何改善水玻璃溃散性。
1.2 水玻璃砂溃散性的国内外研究现状与发展
为了改善水玻璃砂的溃散性，实现的主要办法有三条：（1） 添加附加物；（2） 水玻璃改性；（3） 改进硬化工艺。
1.2.1 添加附加物
SKH-石灰石、SKH-蛭石及TN2、TN5与英国的Solo Silhi改性水玻璃砂的溃散性相当, 而从成本看, SKH-石灰石和SKH-蛭石与加7%纯水玻璃的普通水玻璃砂相当, TN2和TN5则低于国内研制的其它改性水玻璃砂和英国Solo Silhi 改性水玻璃砂, 因此从成本看TN2、TN5则更好一些。VRH-CO2 法是改善中小型铸件用水玻璃砂的溃散性的一种有效的适用的方法 [1] 。
1.2.2 水玻璃改性
CO2水玻璃砂具有冷芯盒工艺的一系列优点，在铸造生产中占有重要地位。
但它的残留强度高,溃散性差,给铸件的落砂清理带来一定困难,这些缺点阻碍着它的进一步发展和应用。采用有机改性剂氢化液(SH)和无机溃散剂(AMG及AMGF)的技术措施,根据不同生产情况,研制了I型改性水玻璃砂(Wg-SH-AMG)及II型改良水玻璃(Wg-AMGF) [4] 。
溃散性差和旧砂再生困难是水玻璃砂工艺的两大难题。采用水玻璃砂新工艺
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及新材料以降低型砂中水玻璃粘结剂的加入量是解决水玻璃砂溃散性差的有效方法。协调水玻璃砂的常温强度及高温残留强度( 即溃散性)的大小，是改性水玻璃砂工艺的新问题。
新型酯硬化改性水玻璃砂工艺具有如下技术优势：
（1）铸件的精度高、质量好，还可克服用树脂砂生产铸钢件时易产生热裂的缺点。
（2）生产环境友好、对环境污染最轻。
（3）生产成本较低、工艺操作性好。与各类树脂砂工艺相比，水玻璃砂工艺的生产成本低。
（4）生产装备简单、投资少。
1.2.3 改进硬化工艺
采用VRH-CO2 法，水玻璃加入量减少到原来的1/2～1/3，仅为2%～3%，CO2量仅是普通CO2法的1/10～1/50。普通CO2水玻璃加入量一般为6%～8%，800℃和1000℃时的残留强度分别为7.8MPa和4.2Mpa；而VRH-CO2法水玻璃加入量一般为2.5%～3%，800℃以上残留强度仅为普通CO2法的1/10。
1.3 水玻璃硬化
1.3.1水玻璃砂的硬化机理
水玻璃砂在一定条件下逐渐变硬的过程，称为水玻璃的硬化。水玻璃砂可以 通过如下几种方式硬化：
（1）加入气体、液体、固体硬化剂，与水玻璃起化学反应，生成具有粘结性能的新产物，常称之为化学硬化。
（2）采用能除去水玻璃中水分的方法，常称之为物理硬化。 （3）加入可溶性硅酸盐使水玻璃饱和。 铸造生产中通常采用一种或几种方法综合使用。
1.3.2各种硬化方法机理
根据硬化原理的不同，水玻璃砂硬化可分为：吹CO2气体硬化、加热硬化和 硬化剂自硬化三大类，三种硬化方式的最新发展形成了新一代的水玻璃砂硬化工 艺。
（1）CO2 气体硬化水玻璃砂的机理：
向水玻璃砂中吹入CO2气体后，水玻璃能快速硬化，水玻璃由液态变为固态 的硬化机理，归纳起来有如下几种观点。
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1．化学硬化
在 CO2气体作用下，水玻璃的硬化过程分为三个阶段
(1)硅酸钠的分解——在CO2气体作用下，硅酸钠发生快速的分解反应，并 发出热量。
(2)硅酸凝胶的形成——SiO2的水合作用
(3)硅酸凝胶部分失去结合水
硅酸凝胶含水量越少，型砂就越坚固，型砂的强度也越高。
2．物理硬化
水玻璃 CO2硬化的本质是物理硬化，水玻璃能够硬化，并非在于化学反应， 而是依赖于CO2的脱水作用；而且，水玻璃硬化后的机械强度，主要来源于水玻 璃的脱水。
3．复合硬化
CO2硬化过程中，既有化学硬化反应，同时也有物理硬化作用，是二者的复 合。水玻璃与CO2反应生成硅酸凝胶，这属于化学硬化；而 CO2是一种干燥性很 强的气体，其露点为-30℃，它可以加速水玻璃的干燥过程，产生物理的或玻璃 质的粘结，属于物理硬化。
1.3.3水玻璃砂的粘接强度与破裂形式
水玻璃砂的粘结强度是指水玻璃砂硬化后具有的强度，对水玻璃砂的粘结强 度与破裂形式的认识，有利于研究水玻璃砂的硬化机理和提高水玻璃砂的硬化速 度。水玻璃和原砂经混砂机混拌以后，砂粒表面上就包覆一层薄薄的水玻璃膜， 即粘结膜。相邻的砂粒通过粘结膜连接起来，形成粘结桥[17]。光有粘结膜和粘结桥，并不能把分散的砂粒联结在一起，还需要有胶凝的过程才能建立起粘结强度，见图1.1。
图 1.1 砂粒上的粘接膜及砂粒间的粘接桥
建立起强度的水玻璃砂的破裂主要有两种：一种是内聚破裂,另一种是附着破裂。一般说来型砂试样的断口上既有内聚破裂又有附着破裂。如果以内聚破裂为主，想要提高强度就得增加粘结剂的用量或是改进粘结剂的聚合；如果以附着
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破裂为主，则说明粘结剂的作用未充分发挥，想要提高型砂强度，就得设法改善粘结剂与砂粒之间的附着状况。
图 1.2 型砂的破裂方式
因此，水玻璃砂粘结强度主要取决于三个因素：砂粒本身的形貌和强度，水 玻璃的粘结强度和砂粒与水玻璃之间的粘结强度，其中任何一种粘结强度的降低 都会降低水玻璃砂的粘结强度。不过，观察水玻璃砂的断裂面基本上是以内聚破 裂为主，很少见到附着破裂[17]，因此就不过多的考虑砂粒种类的选择。
1.3.4水玻璃砂硬化速度与强度的关系
水玻璃砂硬化强度包括常温强度、烘干强度和残留强度等。常温强度指在室 温下测定的强度以及表面稳定性等，即时强度、1 小时强度，24 小时强度 均属于常温强度，也可称为存放强度，而 24 小时强度还常称为终强度。烘干强 度主要是指对烘干后的型砂试样测定的强度，烘干温度根据实际而定，在本论文 中烘干温度定为 200℃。残留强度是指高温烧结后测定的强度，在本论文中烧结 温度为 800℃。
硬化速度是用来评价在硬化过程中水玻璃砂硬化快慢的一个指标，其有两种 评价方法：一种是在硬化相同时间内水玻璃砂硬化强度高则表明其硬化速度快， 另一种是在达到相同硬化强度时所需的时间越短则表明其硬化速度越快。 化学硬化法主要是加入酸性物质或电解质来促使水玻璃胶粒凝胶并聚集，从 而提高水玻璃砂硬化速度，使其尽可能在短而合适的时间内达到生产所需的硬化 强度。物理硬化法关键是脱水，破坏水化膜促进水玻璃的凝聚，因此对于物理硬 化法则有脱水速度越快水玻璃砂硬化速度越快。大量实践表明：物理硬化法较化 学硬化法硬化速度要快，且得到的硬化强度也要高。
1.4 水玻璃及特性
1.4.1水玻璃的定义
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