【文章內(nèi)容簡介】 不均。模數(shù)小于 的硅酸鈉溶液，即使在冰凍狀態(tài)下，仍是稠厚的冰狀物，硬度不高，具有膠體的性質(zhì)。 加熱并均勻地攪拌凍結的硅酸鈉溶液，能恢復凍結前的性質(zhì)，但會減弱其作為膠凝 (防腐用的膠凝 )的耐水性。 當硅酸鈉溶液的含水量，減少到一定程度時，它的外形就像固體物質(zhì)。當溫 度降到 0℃ 以下，透明的固體狀的高濃度硅酸鈉溶液，外表無明顯變化，但變得 和玻璃一樣，較脆而容易 破碎。但溫度上升到 O℃ 以上時，脆性消失，恢復原狀。 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 8 本課題的研究意義和內(nèi)容 水玻璃砂的潰散性差是困擾鑄造界的一個老、大、難問題，長期未得到很好解決，因而阻礙了它的推廣和應用。本課題主要通過向水玻璃型砂中添加潰散劑的方法來研究其對型砂潰散性的改善作用，并找出具有良好性能的型砂配方。具體工作包括以下幾個方面： （ 1） 了解水玻璃砂工藝的優(yōu)越性和問題； （ 2） 評價水玻璃砂潰散性的方法和指標； （ 3） 研究 添加劑改善水玻璃砂潰散性的 因素 ； （ 4） 研究 添加劑對水玻璃砂熱性能的影響； 本論文的 結構安排 （ 1） 緒論。 （ 2） CO2 水玻璃砂的硬化研究及其存在的問題 ：介紹了 CO2 水玻璃砂的硬化機理，以及 CO2 水玻璃砂 各存在的諸多問題和解決措施。 （ 3） 水玻璃砂潰散性研究試驗：主要通過向水玻璃型砂中添加潰散劑的方法來研究其對型砂潰散性的改善作用，并找出具有良好性能的型砂配方。最后通過應力試驗，檢驗水玻璃型砂的潰散效果。確定潰散劑的選用，設計試驗驗證 水玻璃砂受熱溫度與潰散性之間的關系； 進行熱分析 試驗， 對比 找出具有良好性能的型砂配方。 （ 4）添加劑水玻璃砂熱性能的研究實驗： 通過對三種配方的水玻璃砂進行DSC 熱分析實驗和熱膨脹實驗分析各配方優(yōu)劣之處，找出添加劑對水玻璃砂熱性能的影響因素及效果。 （ 5）結論及展望。 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 9 2 CO2 水玻璃砂的硬化機理研究及其存在的問題 近年來人們對精確控制 CO2 吹氣工藝參數(shù)，提高 CO2 硬化效率、節(jié)約氣體等方面做了不少工作 [6]。但是到目前為止 ,對于精確控制 CO2 吹氣工藝參數(shù) (流量、壓力等 )并沒有得到廣泛的應用。因此，本課題重點研究 CO2 氣體的通氣時間、流量等因素對水玻璃砂硬化的影響，以盡可能研究出更為合理的吹氣工藝，為 之后潰散性的。 研究水玻璃砂硬化需要測定的性能指標有很多，如強度 (即時強度、終強度和殘留強度等 )，含水量，透氣性，表面穩(wěn)定性，可使用時間以及吸濕性等。目前使用的吹 CO2 硬化法，水玻璃的凝膠并不以化學方式為主，吹 CO2 只是為了使型砂具有脫模和搬運所需的強度，凝膠主要還是靠吹 CO2 之后進行的脫水處理。這樣就可以充分發(fā)揮水玻璃的粘接作用，從而降低水玻璃的降入量。因此選取即時強度、終強度以及殘留強度為主要測試性能指標。 本章節(jié)主要研究 CO2 水玻璃砂的硬化機理，了解 CO2 的基本性質(zhì)對研究 CO2水玻璃砂硬化有著很大的意 義。 CO2 的基本性質(zhì) CO2 在不同條件下可以氣、液、固三種狀態(tài)存在，密度、比熱容、擴散力和粘度都隨溫度而變。當其以氣態(tài)形式存在時，其還和壓力有關。何時是單相，何時又是共存狀態(tài)，何時發(fā)生相變，這取決于所處環(huán)境的溫度和壓力。在臨界狀況時氣相和液相性質(zhì)非常接近，氣液兩相處于一個相對穩(wěn)定的共存狀態(tài)，這種狀態(tài)稱為飽和狀態(tài)或臨界狀態(tài)。臨界狀態(tài)的參數(shù)叫臨界常數(shù)，飽和狀態(tài)的壓力為飽和蒸汽壓。 在使用 CO2 硬化水玻璃砂時除了解 CO2 的基本性質(zhì)之外，有必要了解 CO2氣瓶的幾個基本常識，以便能更好地利用 C02 氣體。 氣瓶公稱工作壓力為 15Mpa，而氣體出口壓力為 5MPa。在由液相變?yōu)闅庀鄷r，臨界蒸汽壓和氣化溫度與氣體壓力有關，在氣體壓力為 時，氣體液化臨界溫度為 ℃ [6]；氣體壓力為 5MPa 時，氣體液化臨界溫度約為 15℃。 由于 CO2 能以氣、液、固三種形態(tài)存在，且由液相到氣相是一吸熱過程，使得 CO2 吹入型砂時溫度比較低甚至其吹入型砂后還要繼續(xù)吸收一定的熱量，尤其是在冬季時其必然導致型砂反應系統(tǒng)的溫度降低。 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 10 CO2 硬化的概念 CO2硬化水玻璃砂的全部硬化過程，包含著化學反應、物理作用兩種過程 。 CO2 硬化是化學硬化 水玻璃砂的硬化過程分為三步： （ 1） 硅酸鹽的分解在 CO2 作用下，硅酸鈉發(fā)生快速的分解反應，并釋放出熱量： 2 2 5 2 2 3 22(Na S i O CO Na CO S iO Q???? ? ?? ?? 熱 量 ） （ 21） （ 2） 硅凝膠的生成 析出的 SiO2 與水結合，生成硅酸 ,硅酸又凝聚成硅凝膠： 2 2 2 2m i + n m i nS O H O S O H O??? ?? ?? （ 22） （ 3） 硅凝膠部分失去結合水 這是一個吸熱過程： 22 2 2 2m i n m i n p 39。(HOS O H O S O H O Q????? ? ?? ??? （ ） 熱 量 ） （ 23） CO2硬化是物理硬化 硅酸的析出和硅凝膠的生成是 CO2硬化水玻璃砂強度的唯一來源，所以稱作“化學硬化”；水玻璃砂吹 CO2 硬化 ,必須處于一種非常特殊的條件下，即水玻璃涂敷在砂粒表面上 ,形成厚僅若干 ? m 的薄膜。只有造成良好的脫水條件，才能促使水玻璃迅速固化；所以說“水玻璃的硬化本質(zhì)上是 物理硬化”。 為了得到強度高而終強度低的水玻璃砂，所以決定對水玻璃硬化采用物理硬化為主的方法，即減少水玻璃與 CO2 的化學反應，轉而以物理脫水為主對水玻璃砂進行吹氣硬化。 脫水硬化法 水玻璃砂采用烘干爐、熱芯盒、微波輻射或高頻烘干等加熱去水硬化方法，其粘結強度比吹 CO2 和酯硬化的高。烘干強度由聚硅酸鈉建立起來的其中微波和高頻加熱的強度最高。美國用此法水玻璃加入量可減少到 %，每公斤砂所需微波功率約 ～ ? hr， 效率非常高。但鑄造車間擁有這種設備的不多。一般鑄造車間愿意利用現(xiàn)有的熱芯盒設備硬化水玻璃。福特汽車公司已將熱芯盒脫水硬化水玻璃砂用于鋁鑄件生產(chǎn)。無有機揮發(fā)物和氣體。砂芯用沖擊錘敲打～ 分鐘即可去除。 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 11 吹 CO2 時氣流與水玻璃膜的作用 CO2氣體的露點很低，大約是零下 30℃。所以， CO2氣體是非常干燥的，其中含有的水分很少。因此，吹 CO2時，除了化學作用以外，必然還有使粘接膜脫水干燥的作用。 吹 CO2的初期， CO2通過砂粒之間的空隙，與砂粒表面的粘接膜的外表面接觸。 CO2與整個 粘接膜的表面作用，粘接膜容易吸收 CO2，而其中的水分則較不易逸出 (見圖 )。很快，粘接膜的外表面因 CO2的作用而形成一層硅酸凝膠的網(wǎng)狀結構， CO2分子進入粘接膜和粘接膜中的水分子逸出的通道都大為減少 (見圖 )。此時，何者占主導地位就得看氣流流經(jīng)砂粒表面的流速了。 圖 吹 CO2作用示意圖 [7] a) 開始作用 b)網(wǎng)狀結構形成后 當 CO2氣流流速較低時 (即單位時間吹過的 CO2量少時 )，根據(jù)伯努利定律，CO2作用在硅凝膠網(wǎng)狀結構上的壓力較高。 當 CO2氣流的流速較高時， CO2作用在網(wǎng)狀結構 上的壓力較低。在這種情況下，盡管吹了大量的 CO2，粘接膜的凝膠反而是以物理方式 (脫水 )為主，化學作用成了第二位的。 CO2 水玻璃砂低溫硬化 由 CO2 特有的相變吸熱性質(zhì)以及 CO2 水玻璃砂硬化機理可知 ， CO2 硬化水玻璃砂和環(huán)境溫度有很大的關系。采用瓶裝 CO2 作硬化氣體時，從鋼瓶中流出的 CO2 溫度一般均低于 5℃，而 CO2 溫度低于 10℃時，會嚴重影響 CO2 水玻璃砂的強度 [9]。圖 和圖 分別表示出了 CO2 溫度對 CO2 氣體消耗量和水玻璃砂終強度的影響。資料表明：通常吹氣 CO2 條件下，當溫度低于 10℃時，化學硬化反應和物理的脫水速度都很慢，嚴重影響型砂的強度。而當 C02 溫度由 15℃ 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 12 升到 60℃時， CO2 的消耗由約 90%下降到 30%， CO2 氣體的消耗可以節(jié)約 50%以上；終強度升高 40%[6]。 圖 CO2氣體溫度與氣體消耗量的關系 圖 CO2氣體溫度對水玻璃砂（水玻璃加入量 4%）抗拉強度的影響 160℃（吹氣 ） 250℃（吹氣 ） 340℃（吹氣 ） 515℃（吹氣 ） 將 CO2 氣體預熱后再吹入砂型 (芯 )，增加 CO2 擴散能力，可提高硬化效果。原因有二：一 是因為 CO2 氣化時會大量吸熱，降低型砂硬化反應時的溫度，從而降低硬化效率，經(jīng)過預熱就可以有效減少這種不良效應；二是預熱后的 CO2氣體會加快型砂中水分的揮發(fā)，使得粘結劑膜固化速度加快 ； 但是預熱溫度不宜過高，否則會引起強度下降，這是因為氣體的溫度過高會使得脫水速度和反應速度加快，粘結膜產(chǎn)生裂紋，因而使型砂的強度降低 ； 試驗結果表明， CO2 氣體的預熱溫度控制在 30～ 60℃之間比較合適 [6]。 CO2 水玻璃砂的影響因素 水玻璃的模數(shù)和密度 水玻璃模數(shù)越高硬化速度越快，但存放強度越差。高模數(shù)水玻 璃市場上不常見，通過調(diào)高模數(shù)的水玻璃質(zhì)量也存在一定的問題。水玻璃密度大，硬化后強度高。但密度過大時，粘性過大，難以混砂均勻；密度過小、含水量高，型砂的強 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 13 度低。我國鑄造用 CO2 硬化水玻璃的模數(shù)通常為 ～ ，密度為 ～[7]。在課題研究中不考慮選用水玻璃的模數(shù)和密度。 水玻璃加入量 水玻璃含量越高，硬化強度也越高；但需要較長的吹氣時間和消耗較多的CO2 氣體，水玻璃加入量過多還會造成鑄件的落砂清理困難。 吹氣時間、方式和流量 CO2 吹氣時間越長，即時強度 越高，但也越容易產(chǎn)生“過吹”現(xiàn)象，且終強度隨即時強度增加而降低。 CO2 脈沖吹氣方式，稀釋 CO2 吹氣方式和預熱 CO2均可在不同程度上提高水玻璃砂即時強度或改善水玻璃砂存放強度。因此，吹氣方式對 CO2 水玻璃砂硬化的影響有很大的關系。流量越大，水玻璃硬化越快，反之亦然。 溫度 從 CO2 硬化的概念及 CO2 水玻璃砂低溫硬化的內(nèi)容中知道溫度對水玻璃砂硬化速度起著關鍵作用。冬季 CO2 水玻璃砂硬化速度比夏季的明顯要慢，這表明溫度升高有利于提高 CO2 水玻璃砂硬化速度。溫度對 CO2 水玻璃砂硬化的影響從兩個方面考慮 ：一是環(huán)境溫度；二是 CO2 氣體溫度。環(huán)境溫度既影響 CO2氣體的充分利用，也影響 CO2 氣體和水玻璃砂反應溫度，而 CO2 氣體的溫度主要是影響水玻璃砂硬化速度。 CO2 水玻璃砂存在的主要問題 水玻璃砂是一種有發(fā)展前途的粘結劑，但還存在一系列問題，因而其應用受到一定的限制，甚至一度出于將被自硬樹脂砂取代的境地。水玻璃砂存在的主要問題有潰散性差、抗吸濕性差、舊砂再生和回用困難、表面粉化、強度偏低等，現(xiàn)就其部分問題闡述如下。 潰散性差 水玻璃砂潰散性差主要體現(xiàn)在水玻璃砂的殘留強度高，使得鑄件 的落砂、清理困難。殘留強度（ retainted strength）是指將水玻璃砂加熱到一定溫度后，再空冷到室溫所測出的強度。砂中水玻璃加入量越多，殘留強度也會越高。殘留強度 添加劑對水玻璃砂熱性能的研究 14 高，意味著潰散性差，出砂后結塊的砂子也給舊砂再生帶來困難，從而使水玻璃砂的應用受到嚴重制約。 砂型（芯）表面粉化 水玻璃砂型（芯）吹 CO2 氣體硬化后放置一段時間，有時在表面會出現(xiàn)像白霜一樣的物質(zhì)，這種現(xiàn)象稱為沙型（芯）表面粉化，也稱“白霜”。表面粉化的砂型（芯）表面強度極低，用手輕輕一抹就會有砂粒落下，澆注時經(jīng)受不了 金屬液的 沖刷，鑄件易產(chǎn)生沖砂缺陷。 粘結強度偏低，水玻璃加入量大 水玻璃砂強度偏低，尤其采用 CO2 氣體硬化時，為保證硬化后的砂型（芯）具有必要的強度，不得不靠增加水玻璃的量來解決。其加入量常高達 %～%。采用赤泥、鉻鐵渣等作硬化劑的水玻璃自硬砂，更易導致其潰散性差，舊砂再生、回用困難。 總結 通過對 CO2 水玻璃砂 硬化機理的研究，可以總結