水玻璃自硬砂的特点和应用

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.用粉状硬化剂硬化的水玻璃自硬砂

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 赤泥、炉渣（炼钢或炼铬铁还原期的碱性炉渣，冷却后能自动散成粉末）、硅酸盐水泥等的主要矿物成分均为硅酸二钙（2CaO·SiO₂，简写为C₂S），硬化机理也基本相同，故通称硅酸二钙水玻璃自硬砂。

硅酸二钙有α、α′、β、γ四种同质异构成分。作为硬化剂使用时，要求其β-C₂S的质量分数在50%以上。

1）硅酸二钙水玻璃自硬砂的硬化机理。一般认为，水玻璃因硅酸二钙的吸水、水分蒸发和与空气中CO₂作用而硬化。β-C₂S水化放出水化热并析出钙离子，促使水玻璃水解和硅酸溶胶脱水而胶凝，硅酸二钙水解生成的Ca（OH）2与水玻璃作用生成硅酸和硅酸钙溶胶，溶胶脱水成凝胶而硬化。

2）硅酸二钙水玻璃自硬砂的配比及性能见表7-33。

表7-33 硅酸二钙水玻璃自硬砂配比及性能

3）应用中可能出现的问题和解决措施。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，降低型砂的出碾含水量，以加快硬化。

夏季使用时，由于可使用时间太短，可提高出碾含水量，原砂含水质量分数在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、硅钙粉都可作为水玻璃自硬砂的硬化剂。作为硬化剂的硅铁粉，含硅的质量分数应在75%以上，粒度通过0.075mm（200目）筛。新加工的硅铁粉硬化效果较好。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的配比举例见表7-34。

表7-34 硅铁粉水玻璃自硬砂配比举例

硅铁粉水玻璃自硬砂的硬化时间由型砂的温度、出碾水分、硅铁粉加入量、水玻璃的模数等因素决定，可在几十分钟到几小时范围内调节。

硅铁粉水玻璃自硬砂，因硬化反应析出的氢气能自燃巨可能发生爆炸，故已很少应用。

（3）其他粉状硬化剂

1）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（CaC₂）等，都可作为水玻璃砂的硬化剂。Ca（OH）₂与水玻璃作用，生成水合硅酸钙和析出硅溶胶，吸收一部分水后水分蒸发而使水玻璃硬化。熟石灰水玻璃自硬砂的配比和性能见表7-35。

表7-35 熟石灰水玻璃自硬砂配比和性能

2）氟硅酸钠（Na₂SiF₆）能与水玻璃发生以下反应：

Na₂SiF₆+2（Na₂O·2SiO₂）·nH₂O→6NaF+5SiO₂·nH₂O

用M＞2的水玻璃时，反应比上式复杂。

3）高岭土或膨润土能吸收水玻璃砂的含水量，加快自然干燥硬化。

几种实用的粉末硬化剂自硬砂的配方见表7-36。

表7-36 几种实用的粉末硬化剂自硬砂的配方（质量比）

①水玻璃模数为2.4～2.5，密度为1.5～1.6g/cm³。

2.有机酯水玻璃自硬砂

液体硬化剂中最主要的是各种有机酯（多元醇和弱酸形成的酯）。生产中可单用一种，或将几种有机酯混合使用，以得到合理的可使用时间和硬化速度。工业用的有机酯都不纯，都可看作是混合酯。

有机酯水玻璃自硬砂的硬化机理是：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，生成皂化物和由硅酸形成的硅酸凝胶，其反应通式如下：

2RCOOR′+Na₂O·mSiO₂+yH₂O→2R′OH+2RCOONa+mSiO₂·（y-1）H₂O

硅酸凝胶在形成初期，因含有大量水分而强度很低，随着水分的蒸发，凝胶的强度很快升高，达到最大值后又逐渐降低，故有机酯水玻璃自硬砂的硬化是水玻璃形成凝胶和凝胶脱水的综合结果。

有机酯水玻璃自硬砂的强度，不仅与水玻璃加入量、有机酯的种类及其加入量、原砂质量等有关，还与脱水条件，如环境的温度和湿度、砂芯的体积等因素有关。

（1）有机酯水玻璃自硬砂的原材料的选择 有机酯的种类很多，用于水玻璃砂硬化剂的有机酯常有如下几种：

1）丙三醇乙酸酯类。丙三醇乙酸酯俗名甘油醋酸酯。丙三醇乙酸酯类硬化剂的化学分子式及物理性能见表7-37。有机酯的硬化速度通常取决于有机酯在水中的溶解度和酯的水解速度。由丙三醇乙酸酯组成的快、中、慢酯硬化剂见表7-38。

表7-37 丙三醇乙酸酯类硬化剂的化学分子式及物理性能

（续）(www.xing528.com)

①1mmHg=133.322Pa。

表7-38 由丙三醇乙酸酯组成的快、中、慢酯硬化剂

2）乙二醇和二乙二醇乙酸酯类。此类硬化剂的化学分子式及物理性能见表7-39。

表7-39 乙二醇和二乙二醇乙酸酯类硬化剂的化学分子式及物理性能

就实际硬化速度而言，乙二醇单乙酸酯的硬化速度大于乙二醇二乙酸酯。若以乙二醇二乙酸酯为基础，加入质量分数约为10%的乙二醇单乙酸酯则为慢酯，加入质量分数约为20%的乙二醇单乙酸酯则为中酯，加入质量分数为30%～40%的乙二醇单乙酸酯则为快酯。

3）丙烯碳酸酯。它是一种无色、无臭味的液体。丙烯碳酸酯实际上是一种无机酸酯，它能溶于水，是一种硬化速度快的快酯，可使用时间较短。

（2）有机酯水玻璃自硬砂的配比及其性能特点 有机酯水玻璃砂的主要性能包括：硬化强度、硬化速度、可使用时间、溃散性、表面稳定性等。影响这些性能的因素有：水玻璃的模数及密度、水玻璃的加入量、有机酯的种类、原砂的品质、环境温度、环境湿度等。

1）水玻璃模数的影响。水玻璃模数对有机酯硬化水玻璃砂的硬化强度及硬化速度的影响如图7-14所示。

从图中可以看出，水玻璃模数对有机酯硬化水玻璃砂的硬化过程有很大影响。水玻璃模数高，则型砂的硬化速度快、可使用时间短，但24h后型砂达到的终硬化强度较低。另外，水玻璃模数高，型砂的高温残留强度较低，即溃散性较好。

2）水玻璃的加入量。水玻璃加入量对有机酯硬化水玻璃砂硬化强度的影响见表7-40。从表中可以看出：水玻璃的加入量越大，型砂的硬化强度越高，同时其残留强度越高（即溃散性更差）；反之，水玻璃的加入量较少，型砂的硬化强度较小，其残留强度较低（即溃散性较好）。另外，从表中的数据可以看出，在温度20℃、相对湿度66%的环境条件下，水玻璃加入量为2.5%（质量分数）时，酯硬化水玻璃砂已有足够的强度。

图7-14 水玻璃模数对有机酯硬化水玻璃砂硬化强度及硬化速度的影响

表7-40 水玻璃加入量对有机酯硬化水玻璃砂强度的影响

注：水玻璃模数M=2.6，环境温度为20℃，环境湿度为66%，测残留强度时的试样在一定温度下保温0.5h后取出空冷。

酯硬化水玻璃砂的残留强度大小，除与水玻璃加入量有直接关系外，还与型砂的受热温度和保温时间、原砂的种类等密切相关，见表7-41。对于大林砂和海城砂来讲，受热400～600℃型砂的残留强度较低；而对于都昌砂来讲，受热800～1000℃型砂的残留强度很低。另外，酯硬化水玻璃砂的残留强度，还与型砂的受热保温时间的长短有很大关系。

表7-41 型砂的受热温度对残留强度的影响（单位：MPa）

注：环境温度为27℃，环境湿度为84%，测残留强度时的试样在一定温度下保温1h后取出空冷。

3）有机酯种类的影响。不同种类的有机酯与水玻璃的反应速度是不相同的，所获得型砂的硬化强度也不一样。以丙三醇乙酸酯硬化剂为例，丙三醇二乙酸酯的硬化速度较快，丙三醇三乙酸酯的硬化速度较慢，这两种酯按不同的配比可组成快、中、慢酯三种有机酯硬化剂（见表7-38）。不同硬化速度的有机酯硬化剂与不同模数的水玻璃一起，共同完成对生产中各种环境条件下型砂的硬化速度及可使用时间的调控。图7-15所示为不同硬化剂种类对水玻璃砂性能的影响。

图7-15 不同硬化剂种类对水玻璃砂性能的影响

4）环境温度与环境湿度的影响。不同的环境温度、湿度对水玻璃砂硬化强度的影响见表7-42。一般环境温度越高，硬化速度越快；而在相同的环境温度下，湿度大时，通常24h的硬化强度（终强度）下降。

表7-42 不同的环境温度、湿度对水玻璃砂硬化强度的影响

注：水玻璃M=2.2～2.3。

实践表明，环境湿度对酯硬化水玻璃砂铸型的表面稳定性有很大影响。在高环境湿度的条件下，酯硬化水玻璃砂铸型的表面稳定性下降，表面发酥，用手擦抹铸型表面较容易掉砂。我国南方的梅雨季节，环境湿度有时达95%以上，此时，铸型不能停留太长的时间，应在12h以内完成合箱浇注。

有机酯水玻璃自硬砂配比及性能见表7-43。

表7-43 有机酯水玻璃自硬砂配比及性能

①CSC-4酯主要成分为乙二醇二醋酸酯。

（3）使用中出现的问题及防止措施有机酯硬化的水玻璃砂使用中出现的问题及防止措施见表7-44。

表7-44 有机酯硬化的水玻璃砂使用中出现的问题及防止措施

（续）