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酯硬化水玻璃砂的质量控制

水玻璃加入量高（6%—8%）、型砂的残留强度高、溃散性差、铸件出砂清理及旧砂再生回用困难、型芯存放性差、硬不透、铸件外观质量差和型芯表面易粉化等。CO2硬化水玻璃砂工艺存在着上述不足，限制了铸件质量的进一步提高，急需解决。
1．脂硬化水玻璃砂工艺优点
1) 水玻璃加入量低，一般在2.5%~3.5%，型砂强度高。
2) 型砂工艺性能优良，冬季硬透性好，硬化速度可通过粘结剂和固化剂种类进行调整。
3) 型芯砂溃散性好，铸件出砂清理容易；旧砂易于干法再生，回用率≥80%。
4) 铸件质量和尺寸精度可与树脂砂工艺生产的铸件相媲美。
5) 型芯砂热塑性好，发气量较低，可防止铸件产生裂纹和气孔等缺陷。
6) 原砂的适用范围广，可以用硅砂、铬铁矿砂及镁橄榄石砂等。
7) 在各种自硬砂工艺风吹草动生产成本低，劳动环境最好。
2．脂硬化水玻璃砂的硬化机理
有机酯水解后析出酸和醇，酸促使聚硅酸钠转变成硅溶胶，有利于水玻璃砂迅速固化；醇对水有很强的亲和力，能起到容积化的作用使水玻璃脱水，脱水后的水玻璃具有强而韧的特征，是型砂获得强度的主要原因。由此可以看出有机脂水玻璃砂是典型的物理硬化，而非化学硬化。它是以未反应的水玻璃脱水的物理硬化为主，使型砂获得所需要的强度，而以生成硅溶胶的化学硬化为辅，物理硬化与化学硬化是相辅相成的过程。
3．脂硬化水玻璃砂用原材料及要求
1）原砂 高质量的原砂有利于以较小的水玻璃和脂的加入量获得较高强度和溃散性好的型芯砂。硅砂的含水量、含泥量、SiO2含量及角形系数等如表1。原砂中含水量过高，会延缓硬化速度，降低强度；原砂中的含泥量、微粉过高，会增加水玻璃有机脂的加入量；对于经烘干或回用的原砂必须冷却后方能使用，原砂温度不超过42℃，否则会减少型芯砂的可使用时间。
表1 原砂技术要求
SiO2（%）
水分（%）
含泥量（%）
粒度分组代号
角形系数
微粉含量（%）
≥98
≤0.5
≤0.3
30
≤1.30
≤0.5

2）有机酯 用于铸造生产的有机脂有醋酸甘油酯、二醋酸甘油酯、二醋酸乙二醇脂、二醋酸二甘醇脂及三醋酸甘油酯等。沈阳汇亚通生产的醋酸甘油酯固化剂，其主要性能指标见表2。这些专用有机酯与新型水玻璃发生作用，具有强失水、低碱性、反应均一的特性，硬透性比有机脂要好，特别在低温、高温及高湿情况下的硬化性能优于普通有机脂。
表2 有机酯固化剂性能指标
牌号
密度
/（g/cm3）
粘度
/（MPa s）
游离酸
/（%）
脂含量
/（% ）
使用温度
/℃
ZCG-130
1.1~1.2
﹤100
≤2
70
特慢速≥30
ZCG-131
1.1~1.2
﹤100
≤2
80
慢速≥25
ZCG-132
1.1~1.2
﹤100
≤2
85
中速15~25
ZCG-133
1.1~1.2
﹤100
≤2
90
快速10~15
ZCG-134
1.1~1.2
﹤100
≤2
94
快速5~10
ZCG-135
1.1~1.2
﹤100
≤2
98
特快速≤0
3）新型水玻璃 新型水玻璃是在普通水玻璃的基础上通过一系列化学和物理改性与电离子嫁接而成，具有强度高、粘度低的特性，比普通水玻璃砂的强度提高30%左右。水玻璃的粘度决定着粘结剂在砂粒表面流动的难易程度，在模数、密度及温度相同的条件下，水玻璃的粘度越低，它的润湿角越大，表面张力越小，使得水玻璃的加入量越少。另外，水玻璃的粘度低，配比时定量准确，容易组织流水线生产。
新型水玻璃可根据铸件大小、气温、湿度及砂子种类与固化剂匹配，任意地调节型芯砂的硬化速度和可使用时间，因此型砂的硬化性能优于普通水玻璃自硬沙，尤其是气温较低的冬季，型砂硬透性及硬化速度优于普通水玻璃。新型水玻璃的加入量增加，硬化速度快，终强度提高。但型砂中的Na离子含量增加，溃散性变差，严重恶化了旧砂的再生回用性能。因此在使用中不能片面的追求型芯砂强度，而应在强度满足生产工艺的前提下，尽可能减少新型水玻璃的加入量。
4）涂料 使用涂料是提高铸件表面质量的有效措施之一，但是对于脂硬化水玻璃砂型（砂芯），如采用水基涂料会产生一些困难，因为它对水分十分敏感，涂料中的水分渗入型芯中，会降低它的表面强度。新型水玻璃砂的型芯一般不需要烧烤，因此最好选用醇基快干涂料。
4．脂硬化水玻璃砂的工艺性能及其因素
新型水玻璃自硬砂的工艺性能受原砂质量、固化剂、水玻璃种类和加入量、环境湿（温）度、混砂供以及设备等多种因素的影响。因此，应根据现有原砂的种类、状态、型芯砂的生产工艺要求及外界条件（温度、湿度）选择相应的粘结剂种类及加入量，来调整型芯砂的工艺性能，以满足铸件生产的要求。
1）强度 脂硬化水玻璃砂的湿强度几乎为零，因此不适于立面较高的刮板造型，用实样造型时在砂型具有一定强度时才能起模，通常情况下，脂硬化水玻璃砂的终强度可达0.5~1.1MPa。影响型砂终强度的因素主要有原砂粒形、粒度、含泥量、微粉含量以及含水量、水玻璃加入量、有机脂种类与加入量、空气温度与湿度等。
2）硬化速度 型砂硬化速度过快，可使用时间缩短，终强度也会降低；硬化速度过慢会降低生产率，也会导致终强度降低。影响硬化速度的主要因素有空气温度、水玻璃模数、有机脂种类及加入量、空气湿度和原砂水分等。
3）可使用时间 决定可使用时间的主要因素是硬化速度，硬化速度越快，可使用时间越短，超过可使用时间的型芯砂流动性及充型能力差，造型、制芯后的强度降低，表面稳定性差，容易造成冲砂、砂眼等缺陷。混好的型芯砂应尽快使用，一般发现型芯砂开始发粘并呈粘连状时即认为超过了可使用时间。
4）可脱模时间 一般将型芯砂抗拉强度0.1~0.2MPa（抗压强度0.2~0.5MPa）作为可起模强度，将达到可脱模强度所需要的硬化时间称为可起模时间。在生产中起模时间一般是型芯砂可使用时间的2~4倍，也可用手指按压型芯，硬到按不动时即可起模。
5）发气性 脂硬化水玻璃砂的发气性较酸固化呋喃树脂砂、脂硬性碱性酚醛树脂砂等都低，因此可有效减轻气孔缺陷的产生。
6）溃散性 在其他条件向同时，型芯砂的溃散性随水玻璃加入量的减少而改善。新型水玻璃自硬砂的残留强度在400℃以上只有CO2硬化水玻璃砂的一半左右，尤其是在800℃以上时，残留强度约是CO2硬化水玻璃砂的1/10，溃散性大大提高，但比呋喃树脂砂稍差。
7）型芯存放性 脂硬化水玻璃砂的型芯存放性较CO2硬化水玻璃砂好，基本没有返碱粉化现象。但当空气湿度＞80%时应引起注意，必要时增加烘干措施。
5．型砂配制及混砂工艺
脂硬化水玻璃砂适合用连续式混砂机，也可利用间歇式混砂机按一定程序进行混制。混制程序由单砂双混法和双砂三混法两种，采用单砂双混法，型砂配比（%）：原砂100，新型水玻璃3～3.5，有机脂10～15（占水玻璃）。加料顺序及混制时间如下：
混砂1～1.5min 混制1.5～2.0min
原砂+有机脂 新型水玻璃 出砂
6．型芯质量的控制
1) 依据型芯的大小、复杂程度及造型工实际可以完成操作的时间，随时调整型芯砂的可使用时间，以保证型芯的强度需要。
2) 提前做好操作前的准备工作，宁可人等砂不能砂等人，保证在可使用时间内用完，以减少浪费。
3) 将型芯均匀捣实，特别是难以捣到的部位及拐角处，这是获得高质量铸件的前提条件。
4) 型芯要多扎通气孔，且深度要够，以加强型内水分的逸出，也有利于浇注过程中的排气。
5) 充分考虑型芯的硬透性，尤其是在冬季，防止型芯产生变形。
6) 横、内浇道最好制造模样，以便造型直接成形。模样起模斜度应适当加大，芯盒尽量采用脱框结构，以便于起模，减少修型。
7．结 语
1）采用脂硬化水玻璃砂工艺，可是水玻璃加入量大幅度降低，型芯溃散性大为改善，铸件落砂清理容易，实现了旧砂的干法再生回用，减少了废水、废砂对环境的污染。
2）脂硬化水玻璃砂工艺性能及冬季硬透性好，硬化速度可高调，型芯强度高，起模时间岂知短，可使用时间长，脂硬化水玻璃砂工艺生产的铸件表面行和尺寸精度优于CO2硬化水玻璃砂，可达到树脂砂水平，却没有呋喃树脂砂生产时易产生裂纹、表面渗碳及渗硫等问题。
3）脂硬化水玻璃砂与呋喃树脂砂、CO2硬化水玻璃砂、酚醛树脂砂相比，在型砂性能、铸件质量、生长成本及环境保护等方面更具有竞争力。