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 樹脂固化砂的應用實踐表明，呋喃的價格較高，環(huán)境污染較大，在未來21世紀人們對于自身生存條件和環(huán)境的要求日趨嚴格的條件下，由于車間勞動保護和生產環(huán)境衛(wèi)生方面的投資很大，從而使樹脂砂的應用受到一定限制，許多國家又對水玻璃固化砂極為重視。最近十多年來，人們對于水玻璃的基本組成和“老化”現象實質的認識深化和新型硬化工藝的開發(fā)等兩方面均取得了突破性進展，在型芯砂保持足夠的工藝強度的條件下，水玻璃加入量（質量分數）可降至2.5%.～3.5%.，從而使水玻璃砂長期存在的潰散性差、 舊砂不能回用的問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
    此法是水玻璃粘結劑領域里應用最早的一種快速成型工藝，由于操作方便、使用靈活、無毒無味、在國內外大多數的鑄鋼件生產中，得到了廣泛的應用。
    （1）硬化原理和特點 水玻璃的出現已有三百多年歷史，由于它的成分十分復雜、多變，它的基本組成一直沒有搞清楚，對水玻璃的研究主要停留在宏觀的層次上。近年來，多種先進測試手段的開發(fā)，可深入到分子范疇進行分析和研究，并發(fā)現，新制備的水玻璃是一種真溶液；但是在存放過程中，水玻璃中硅酸要進行縮聚，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、濃度、溫度、電解質含量和存放時間長短的影響。
    水玻璃砂吹人CO2氣體硬化時，水玻璃的表層因吸收COz而其模數升高和脫水，在酸化和脫水兩重作用下，迅速硬化而形成初強度。已固化的表層水玻璃阻礙了CO2往深層滲透，內層水玻璃只能靠脫水而繼續(xù)增加強度。此法缺點是：型芯砂強度低，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。
    （2）水玻璃的改性 水玻璃在存放過程中分子產生縮聚，形成膠粒，可使其粘結強度下降20%～30%.，這一現象稱為水玻璃老化。為了消除老化，必須對水玻璃進行改性，目前改性的方法有物理改性和化學改性兩種。物理改性是用磁場、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。這種改性對高模數水玻璃有效，但是存在重新老化的問題?；瘜W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，通過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 采用水玻璃改性來提高其粘結能力，往往增加了生產成本和工藝復雜化。近年來，日本又開發(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（質量分數，下同）降至 3.0%.以下，而CO2用量僅為原來的1/10。最近又有作者提出往水玻璃砂中加入一種無機物，經高溫作用后，在常溫時粘結橋上會形成大量孔洞，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 此法是采用液體的有機酯作水玻璃的硬化劑。有機酯在強堿性水玻璃溶液的作用下，水解為醇與酸。醇有很強的親水性，它可奪去水玻璃的水分，構成它的溶劑化水。酸與水玻璃反應，析出醋酸鈉，它也有一定的親水性，能奪取水玻璃的水分，構成它的結晶水。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。缺點是型芯砂硬化速度慢、脆性大和流動性較差。
    （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、水玻璃和液體有機酯，這些材料的質量和合理選用將直接影響工藝成敗、鑄件質量和生產成本。對酯硬化水玻璃砂來說，盡管對硅砂的要求不像樹脂砂那樣嚴格，為了降低水玻璃加入量，硅砂應滿足如下要求：泥的質量分數≤1.0%，水的質量分數≤0.5%.，細粉的質量分數＜1.0%.和角形系數≤1.3。水玻璃應達到國家專業(yè)標準ZBJ31003—88的要求。嚴格控制水玻璃的模數是成功應用此工藝的關鍵，應根據季節(jié)和室溫加以調整：夏季，M=2.2～2.4，其余季節(jié)，M=2.4～2.6，有條件時，最好對水玻璃進行改性，消除老化現象。目前用于鑄造生產的有機酯有：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（質量分數）占水玻璃的8%～12%。有機酯是決定酯硬化水玻璃砂的工藝性能和生產成本的關鍵材料，必須嚴加選擇，即應根據型、芯的大小和水玻璃的模數，合理選用不同型號（快酯、慢酯或混合酯）的有機酯。
    對于酯硬化水玻璃砂的工藝性能來說，主要控制如下性能：起模強度、終強度、可使用時間和殘留強度等，詳見表7。

表7   型、芯砂推薦的技術指標

大型鑄件的混砂可采用連續(xù)式混砂機，造型、制芯均為手工操作。
    （3）發(fā)展前景  加入某些附加物，形成復合水玻璃，起著助粘結劑作用，能進一步提高水玻璃的粘結性能，如加入磷酸鹽、硼酸鹽或鋁酸鹽等附加物。另外，應用較廣泛的有機酯硬化劑，因其價格高而影響了該工藝的推廣應用，有人又提出了一種無機酸和有機物配制成的硬化劑，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成本低，而且，型芯砂具有較好的潰散性。

水玻璃的化學成分

         水玻璃是由堿金屬氧化物和二氧化硅結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n稱為水玻璃模數，是水玻璃中的氧化硅和堿金屬氧化物的分子比（或摩爾比）。水玻璃模數是水玻璃的重要參數，一般在1.5-3.5之間。水玻璃模數越大，固體水玻璃越難溶于水，n為1時常溫水即能溶解，n加大時需熱水才能溶解， n大于3時需4個大氣壓以上的蒸汽才能溶解。水玻璃模數越大，氧化硅含量越多，水玻璃粘度增大，易于分解硬化，粘結力增大。 
        水玻璃的生產有干法和濕法兩種方法。干法用石英巖和純堿為原料，磨細拌勻后，在熔爐內于1300-1400℃溫度下熔化，按下式反應生成固體水玻璃，溶解于水而制得液體水玻璃 
        濕法生產以石英巖粉和燒堿為原料，在高壓蒸鍋內，2—3大氣壓下進行壓蒸反應，直接生成液體水玻璃。