水玻璃砂的硬化机理及方法优化

水玻璃砂广泛用于铸钢件生产中，它以水玻璃作为粘结剂。水玻璃砂可以有多种硬化方法，它们的硬化过程主要是化学反应的结果。用CO₂气体使水玻璃硬化的叫CO₂硬化砂；在水玻璃砂中加入硬化剂使其硬化的叫自硬砂；在水玻璃砂中加入硬化剂和少量发泡剂使其流动和自硬的叫流态砂。水玻璃砂在使用时还存在一些缺点，如玻璃砂出砂性差，旧砂回用较困难，流态自硬砂铸件易产生缩沉等。

1.水玻璃的技术条件

水玻璃是一种粘稠液体，呈碱性。成分为硅酸钠和水。硅酸钠是SiO₂和Na₂O以不同比例组成的多种化合物的混合体，常用通式Na₂O·mSiO₂来表示它们的一般组成。

（1）水玻璃模数及其调整 水玻璃中的SiO₂克分子数和Na₂O克分子数比值称为水玻璃的模数，用M表示。

模数增加表示SiO₂相对含量提高，水玻璃的模数不一定是整数。例如由化学分析法测得某水玻璃含31%的SiO₂，含14%的Na₂O，则其模数为：

M=31%/14%×1.033=2.28

在生产中，常遇到现有水玻璃不符合生产条件的要求，有必要对模数进行调整，调整模数的方法如下：

1）降低模数。模数较高的水玻璃中可加入适量苛性钠（NaOH），使其碱度增加，中和水玻璃中一部分游离的SiO₂，则可使SiO₂与Na₂O比值降低。其反应式为：

mSiO₂+2NaOH==Na₂O·mSiO₂+H₂O

2）提高模数。如果M偏低，可加入适量氯化氨（NH₄Cl）、盐酸（HCl），与水玻璃中的Na₂O作用，使Na₂O含量降低，模数提高。其反应为；

Na₂O·mSiO₂+2NH₄Cl=mSiO₂+NaCl+2NH₃+H₂O

Na₂O·mSiO₂+2HCl=mSiO₂+2NaCl+H₂O

（2）水玻璃的密度 水玻璃的密度由比重计测定。密度能表示SiO₂与Na₂O含量的多少。当M一定时，水玻璃的密度取决于溶解在其中的硅酸钠含量。硅酸钠含量越高，水玻璃相对密度越大，硬化速度越快，达到最高强度的时间越短。工厂常用的水玻璃溶液，其相对密度应为1.45～1.5。

2.水玻璃的硬化机理

水玻璃在一定条件下变硬的过程，叫水玻璃的硬化。

水玻璃是一种弱酸强碱所生成的盐，它是多种硅酸钠的混合物，如SiO₂·H₂O（偏硅酸）、SiO₂·2H₂O（正硅酸）、2SiO₂·3H₂O（二硅酸）等。以Na₂SiO₃为例，它在水中将完全以Na^+和离子形式存在，水微弱地电离为H⁺和OH^-，由于NaOH是强电解质，Na⁺和OH^-并不结合，但是H⁺离子和离子能生成弱电解质H₂SiO₃，所以水玻璃水解后呈碱性。

水玻璃是一种弱酸强碱所生成的盐，它是多种硅酸钠的混合物，如SiO₂·H₂O（偏硅酸）、SiO₂·2H₂O（正硅酸）、2SiO₂·3H₂O（二硅酸）等。以Na₂SiO₃为例，它在水中将完全以Na^+和离子形式存在，水微弱地电离为H⁺和OH^-，由于NaOH是强电解质，Na⁺和OH^-并不结合，但是H⁺离子和离子能生成弱电解质H₂SiO₃，所以水玻璃水解后呈碱性。

当水玻璃水解程度很小时，生成的硅酸分子是可溶的，可以看做是低分子溶液。当水玻璃模数增高、浓度较大时，其水解程度将增大，生成的硅酸分子越来越多，这些硅酸分子在溶液中能脱水聚合，形成双分子、三分子或多分子聚合的大分子。这些聚合大分子（直径为1～μ100m），其表面吸附了一层离子，带有负电，叫胶核。由于静电作用，胶核表面可吸附一层H⁺构成了吸附层。(www.xing528.com)

胶核+吸附层组成胶粒，由于H⁺没有全部中和胶核的负电，故胶粒也带负电。在胶粒外还可吸附一些H⁺，形成扩散层。胶粒+扩散层组成胶团。各胶团带同种电荷，阻止了粒子相互接近，因而不能聚集下沉，胶粒和带相反电荷的离子都将发生水化而形成水化膜，也能阻止胶粒和反离子的结合，避免发生聚集。因此形成的硅酸溶胶是稳定的。

要使胶粒聚沉，可在溶液中加入少量电介质，例如加入某种酸溶液，使H⁺浓度增大，胶粒吸附的H^+中和了胶粒所带的负电，则离子互相碰撞发生聚沉。加热也能使胶粒聚沉。

水玻璃粘结剂的硬化过程实质就是由硅酸溶胶聚沉凝胶的过程。

3.水玻璃的硬化方法

（1）吹CO₂硬化（CO₂硬化水玻璃砂） 在水玻璃砂中吹入CO₂气体，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，体系因OH^-离子浓度的降低而促进硅酸钠的水解，使溶液中硅酸分子不断增加，促使硅酸凝胶形成。

吹CO₂方法有：在砂型或砂芯上扎一些ϕ6～ϕ10mm的吹气孔；在砂型上盖一吹气罩吹气；通过模样背面的吹气孔吹入气体。吹入的CO₂气体一般为0.1～0.15MPa，1m²的砂型面积吹气时间1.2min。

CO₂硬化砂中，水玻璃加入量一般为5%～8%（质量分数，下同）。为了提高水玻璃砂的干强度及型砂保存性，可加入0.5%～1.0%的苛性钠；为了提高湿强度，可加入少量粘土（2%～3%）；为了防止粘模，提高型砂流动性，改善溃散性，可加入0.5%～1.0%的重油、柴油。

（2）发热自硬（水玻璃自硬砂）水玻璃自硬砂由原砂、水玻璃、硬化剂等配制而成。紧实后的型砂能自硬、溃散性较好，主要用于生产周期较长的中大型铸件。

当水玻璃水解程度很小时，生成的硅酸分子是可溶的，可以看做是低分子溶液。当水玻璃模数增高、浓度较大时，其水解程度将增大，生成的硅酸分子越来越多，这些硅酸分子在溶液中能脱水聚合，形成双分子、三分子或多分子聚合的大分子。这些聚合大分子（直径为1～μ100m），其表面吸附了一层离子，带有负电，叫胶核。由于静电作用，胶核表面可吸附一层H⁺构成了吸附层。

胶核+吸附层组成胶粒，由于H⁺没有全部中和胶核的负电，故胶粒也带负电。在胶粒外还可吸附一些H⁺，形成扩散层。胶粒+扩散层组成胶团。各胶团带同种电荷，阻止了粒子相互接近，因而不能聚集下沉，胶粒和带相反电荷的离子都将发生水化而形成水化膜，也能阻止胶粒和反离子的结合，避免发生聚集。因此形成的硅酸溶胶是稳定的。

要使胶粒聚沉，可在溶液中加入少量电介质，例如加入某种酸溶液，使H⁺浓度增大，胶粒吸附的H^+中和了胶粒所带的负电，则离子互相碰撞发生聚沉。加热也能使胶粒聚沉。

水玻璃粘结剂的硬化过程实质就是由硅酸溶胶聚沉凝胶的过程。

3.水玻璃的硬化方法

（1）吹CO₂硬化（CO₂硬化水玻璃砂） 在水玻璃砂中吹入CO₂气体，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，体系因OH^-离子浓度的降低而促进硅酸钠的水解，使溶液中硅酸分子不断增加，促使硅酸凝胶形成。

吹CO₂方法有：在砂型或砂芯上扎一些ϕ6～ϕ10mm的吹气孔；在砂型上盖一吹气罩吹气；通过模样背面的吹气孔吹入气体。吹入的CO₂气体一般为0.1～0.15MPa，1m²的砂型面积吹气时间1.2min。

CO₂硬化砂中，水玻璃加入量一般为5%～8%（质量分数，下同）。为了提高水玻璃砂的干强度及型砂保存性，可加入0.5%～1.0%的苛性钠；为了提高湿强度，可加入少量粘土（2%～3%）；为了防止粘模，提高型砂流动性，改善溃散性，可加入0.5%～1.0%的重油、柴油。

（2）发热自硬（水玻璃自硬砂）水玻璃自硬砂由原砂、水玻璃、硬化剂等配制而成。紧实后的型砂能自硬、溃散性较好，主要用于生产周期较长的中大型铸件。