水玻璃砂型介绍课件

材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术COCO2 2硬化法硬化法水玻璃系水玻璃系水泥系水泥系(自硬型）自硬型）无机化学粘结剂的种类磷酸盐系磷酸盐系其它粘结剂其它粘结剂自硬法自硬法加热硬化法加热硬化法COCO2 2法法VRH-COVRH-CO2 2法法粉状固化剂粉状固化剂硅铁粉硅铁粉硅酸二钙硅酸二钙液态固化剂液态固化剂有机酯有机酯无机酯无机酯硅酸盐水泥硅酸盐水泥矾土水泥矾土水泥双快水泥双快水泥自硬法自硬法加热硬化法加热硬化法无机化学粘结剂材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术无机硬化砂的优点（1）型（芯）砂流动性好，易于紧实，造型（芯）劳动强度低。（2）硬化快，硬化强度高，简化造型工艺，缩短生产周期，提高劳 动生产率。（3）可在型（芯）硬化后起模，型、芯尺寸精度高。（4）可取消或缩短烘烤时间，降低能耗，改善工作环境和工作条件。（5）提高铸件质量，减少铸件缺陷。材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术第二节 水玻璃粘结剂砂型（芯）水玻璃及水玻璃砂的硬化机理 CO2-水玻璃砂 自硬水玻璃砂 烘干硬化水玻璃砂 微波硬化法硬化水玻璃砂 水玻璃砂溃散性问题及其解决途径 水玻璃砂的再生 材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.1 钠水玻璃及钠水玻璃砂的硬化机理（一）概述钠水玻璃（Sodium silicate,water glass），价格便宜，来源充足；其次为钾水玻璃，此外还有锂水玻璃、钾钠水玻璃、季铵盐水玻璃等。钠水玻璃的化学式:Na2OmSiO2nH2O。通过发生物理-化学反应达到硬化的。水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称，别名泡花碱应用最广泛材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术几个重要参数：（1）模数 水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔百分比 M=nSiO2/mNa2O=1.033SiO2/Na2O 式中：SiO2、Na2O分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的质 量百分数（%）。模数越高，硬化速度越快，但模数过高，将使芯（型）砂的保存性差，不适于造型和制芯。铸造生产中，吹CO2硬化常用模数2的钠水玻璃。水玻璃的模数可以通过加入NaOH水溶液(浓度10-20%)或NH4Cl水溶液(浓度10%)进行调整。调整计算：xNaOH=13.3SiO2/M-12.9Na2O xNH4Cl=1.73(Na2O-SiO2/M)材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（2）密度、含固量和粘度 密度低，水的质量分数高，含固量少，不宜用作型（芯）砂粘结剂；反之，密度过大，粘稠，也不便定量和不利与砂子混合。铸造上通常采用密度=1.321.68/cm3或波美度3054的水玻璃。水分和含固量比密度更能直接反映水玻璃的粘结力和价值。钠水玻璃模数与粘度的关系材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术钠水玻璃水分与粘度的关系水分增大，密度、粘度减小材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术硬化方式与水玻璃模数、密度的关系材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术不同产地水玻璃及性能生产单位生产单位产地产地外观外观比重比重模数模数水不溶物水不溶物二氧化硅二氧化硅氧化钠氧化钠铁含量铁含量北京红星泡花碱厂北京红星泡花碱厂北北 京京浅灰色浅灰色512.350.629.212.80.027北京市红星化工厂北京市红星化工厂北北 京京浅灰浅灰1.523.3-32.510.5-二七机车车辆厂附属工厂二七机车车辆厂附属工厂北北 京京浑白色浑白色-2.65-25.010.0-天津市泡花碱厂天津市泡花碱厂天天 津津青灰青灰403.20.2268.20.02天津碱厂服务公司天津碱厂服务公司天天 津津青灰色青灰色1.542.30.528.212.70.5天津市合成化学厂天津市合成化学厂天天 津津透明粘稠透明粘稠1.542.50.832.514.5-天津市酒精厂天津市酒精厂天天 津津乳白色乳白色1.552.3510以上很稳定，加入适量酸性或具有潜在酸性的物质时，PH值降低，稳定性下降，式（2-6）-（2-10）的水解和缩聚过程加速进行。例如吹CO2，钠水玻璃与之反应，消耗Na2O，转变为不稳定的液态凝胶。模数越高的水玻璃同CO2反应愈快！“N N”字形曲线可知字形曲线可知PH=6.8-7.1PH=6.8-7.1时凝胶速度最快。时凝胶速度最快。PH=3.2-3.9PH=3.2-3.9；PH10PH10时，稳定性最好、凝胶速度最慢。时，稳定性最好、凝胶速度最慢。材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术CO2的作用物理脱水作用CO2从砂粒表面流过时，CO2与粘结剂的接触面积大，使钠水玻璃部分脱水；化学反应形成碳酸，使钠水玻璃的PH值不断降低，迅速硬化。CO2+H2O2H+CO32-材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术不同硬化方法的硬化结果（1）粘结膜组织的密度和有序性排列不同，因而影响强度 的大小，加热硬化酯硬化铬铁渣硬化CO2硬化。（2）凝胶颗粒大小明显不同，强度明显不同。CO2硬化胶 粒直径为0.2-0.48um，酯硬化0.07-0.18um，真空硬 化0.06-0.16um，加热硬化0.035-0.4um。（3）CO2硬化，硅酸凝胶中仍有大量未被蒸发的水，因而 强度低。材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.2 CO2-钠水玻璃砂（1）目前广泛采用的CO2钠水玻璃砂，大都由石英砂加入 4.58.0的钠水玻璃配制而成。（2）对几十吨大型铸钢件，全部面砂或局部采用镁砂、铬 铁矿砂、橄榄石砂、锆砂等特种砂代替石英砂较为有利。（3）可使用各种混砂机混制。混好的砂最好放在有盖的容器 中，或者覆以湿的麻袋，以免砂中水分蒸发和与空气中 CO2接触。芯（型）砂材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（1）流动性好，制芯时可用手工或靠微震紧实，也可采用 吹射制芯（型）。（2）大的砂芯为增加容让性和便于排气，砂芯内部放块度 为3040mm的焦碳块、炉渣或干砂，并在中心挖出气 孔，上部通至箱口。（3）型和芯一般要扎通气孔，使CO2气体可以通过，加速 硬化。造芯（型）的方法材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术插管法插管法-通过砂型中插入的空心金属杆吹入通过砂型中插入的空心金属杆吹入COCO2 2盖罩法盖罩法-向扣在修好的砂型上的罩盖中通入向扣在修好的砂型上的罩盖中通入COCO2 2真空硬化真空硬化(VRH-CO(VRH-CO2 2)法法-砂型（芯）在真空砂型（芯）在真空 室内经真空脱水后，再经室内经真空脱水后，再经CO2CO2硬化大量硬化大量 节约气，硬化效果好。节约气，硬化效果好。常用方法 CO2硬化方法 材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术插管法硬化方法 图图2-14 2-14 插管法硬化示意图插管法硬化示意图a a）硬化砂型）硬化砂型 b b）硬化砂芯）硬化砂芯材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术19可编辑可编辑材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术盖罩法硬化方法 图2-15 盖罩法硬化示意图通过模样吹气法通过模样吹气法-使使COCO2 2在模样与砂型界在模样与砂型界面发生反应面发生反应脉冲吹气法脉冲吹气法-吹吹COCO2 2时吹吹停停，总时时吹吹停停，总时间不变，节约气。间不变，节约气。吹气方式材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术VRH-CO2法硬化方法 图图2-16 VRH-CO2-16 VRH-CO2 2法硬化示意图法硬化示意图1-1-液体液体COCO2 2瓶瓶 2-2-气化器气化器 3-CO23-CO2气体储气罐气体储气罐 4-4-阀阀 5-5-真空真空室室 6-6-芯盒芯盒 7-7-三通阀三通阀 8-8-水、粉尘分离器水、粉尘分离器 9-9-真空泵真空泵材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（1）水玻璃加入量少。当水玻璃加入量在34，真空吹CO2后2h，砂型强度可达12MPa，终强度可达2MPa以上，完全满足生产工艺要求。（2）显著改善砂型的溃散性。尽管比树脂砂的溃散性差些，但落砂及旧砂再生均能明显改善，可用干法再生，其再生回收率达80左右。（3）提高铸件质量。VRH法实行先硬化后起模的工序，而且由于水玻璃加入量少，砂型（芯）在高温下变形减少，均有利于提高铸件尺寸精度，同时硬化后的砂型（芯）水质量分数小，铸件的气孔、针孔等缺陷相应减少。(4)降低造型材料费用，提高经济效益。由于水玻璃加入量减少，CO2消耗量降低，旧砂回用率提高，节省新砂耗量等因素，VRH法与普通水玻璃CO2硬化工艺相比，每吨铸件型砂费用可节约1520。VRH-CO2法硬化方法工艺的主要特点 材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（1）抽真空 将紧实的砂箱或芯盒置于真空室内抽真空，要求真空度至少在4000Pa之下，最好2600Pa之下。(2)往真空室导入CO2 VRH法水玻璃砂型（芯）吹CO2是在真空室内进行的，因为CO2在抽真空的砂型（芯）里运动没有障碍，扩散迅速，与水玻璃反应快而均匀，CO2耗量减少。注意CO2压力随室温变化而变化，冬天应比夏天压力高。VRH-CO2法的主要工序及相关要求 材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.3 自硬钠水玻璃砂附加物改善砂芯（型）的保存性、出砂性、减少 铸件缺陷、提高铸件表面质量的所组成。概 述组成原砂钠水玻璃粉状固化剂或液体有机酯硬化剂材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（1）目前常用的粉状固化剂为不会形成危险气体的含硅酸二钙 （2CaOSiO2，简称C2S）的粉末以及硅酸盐水泥。（2）实际生产中常用含大量C2S的赤泥、铬铁渣、碱性电炉炉渣、熔炼镁铝的还原渣等废料作固化剂。（3）赤泥、铬铁渣等废料固化剂加入量为砂质量的3-6%，水玻璃 为5.5-8%，含水量为4-6%。填沙后40-180min可脱模，24h的 抗压强度可达0.6MPa以上。粉状固化剂-钠水玻璃砂材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（1）通常市售的铸造用有机酯大都是多种酯以不同比例混合而成，以满足生产上所需不同的使用时间和硬化速度的要求。用酯硬化钠水玻璃，酯水解产物之一的丙三醇在浇注时被烧掉，有助改善型芯的出砂性。（2）铸造用有机酯至今尚无产品质量标准。通常验收条件强调产品主成分酯质量分数大于98和有害杂质的质量分数小于0.5，工艺也相对稳定。（3）应根据本厂铸件的结构特点所需要的操作实践来确定型砂工艺的可操作实践。（4）温度是大多数化学反应的重要影响因素，高温季节多用慢酯；低温季节多用快酯。（5）有机酯钠水玻璃砂可用于单件和成批生产钢铁及其他合金铸件，小的型、芯用单一砂，而大、中型砂型则用它作面砂。液态有机酯固化剂-钠水玻璃砂材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术水玻璃砂用液体催化剂名 称化 学 组 成甘油单醋酸酯（一醋精，monacetin）C3H5(OH)2OOCCH3甘油双醋酸酯（二醋精，diacetin）C3H5(OH)-(OOCC H3)2甘油三醋酸酯（三醋精，triacetin）C3H5(OOCC H3)3有机酯（organiceter）上述醋酸酯的混合物乙二醇二醋酸酯（ethylene glycol diacetate）(CH3COOCH2)2二甘醇二醋酸酯（diethylene glycol diacetate）(CH3COO?/FONTCH2CH3)2O乙二醇丙酸酯(C2H5COOCH2)2丙烯碳酸酯（碳酸酯和丙烯乙二醇）CH3CHOCOOCH2氟硅酸（hydrofluosilic acid）H2SiF6材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.4 烘干硬化水玻璃砂 烘干硬化水玻璃的强度比CO2硬化砂的强度高10倍左右。为得到CO2硬化砂同样的常温强度，烘干硬化砂水玻璃的加入量可降到23，因而使溃散性有显著改善。烘干硬化水玻璃砂，除传统的进窑烘干外，现已发展了在芯盒内吹热风硬化、热芯盒内硬比、微波硬化等新的制芯工艺，但这些新的制芯工艺只适于制中小型芯。概 述材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术（1）根据烘干硬化方法决定。进窑烘干，要求有一定湿强度，配比中 常加适量耐火粘土、膨润土或含膨润土的溃散剂，并加适量水或 NaOH溶液。采用这种工艺时，型砂的配比和CO2硬化砂的配比接近。热芯盒内硬化和微波加热硬化，对湿压强度没有要求，不加附加物，水玻璃加入量可降到2.53.5。（2）热气烘干法是使干燥的热气流均匀地透过砂芯，溢出时带走砂芯 中水玻璃的水分，从而使水玻璃胶凝，砂芯固化的一种方法。应用这种方法，在设计芯盒时应设计好进、排气通道，务必使砂芯全部硬透。热气烘干法对工装设计要求较高，热气流烘干需要较长时间，效率也受影响。烘干硬化水玻璃砂的配比 材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.5 微波硬化法硬化水玻璃砂 微波烘干法是一项正在开发中的新工艺，其特点是利用微波加热快而均匀的特点，充分发挥水玻璃脱水硬化粘结强度最高的优势，使型砂中水玻璃加入量降到最低限度。概 述（1）在一定范围内，微波烘干水玻璃砂的强度与水玻璃加入量 成正比。（2）微波烘硬时间与微波炉功率成正比。基本规律材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.6 钠水玻璃砂溃散性问题及其解决途径钠水玻璃砂在生产中存在的主要问题：溃散性差 砂型芯表面易粉化（即白霜），铸铁件易产生粘砂 抗吸湿性差 旧砂再生和回用困难。概 述材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术 评定指标:残余强度。将30mm50mm的环形试样加热到一定温度，并保温30-40min，随炉冷后测定抗压强度。残余强度两个峰决定了钠水玻璃溃散性的好坏，铸件出砂的难易。200是硅酸凝胶和未反应的硅酸钠脱水强化效果。800时硅酸钠开始熔融，粘结膜的内应力、裂纹、气孔等消失，高温强度降低。但降温后熔融硅酸钠形成坚硬玻璃体或晶体，出现第二峰。溃散性评定指标相变硬化峰脱水强化峰相变膨胀材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术钠水玻璃砂溃散性差的解决途径：（1）减少钠水玻璃的用量 钠水玻璃的用量决定出砂难易，加入量由8%降低到4%，出砂工作量可减少4/5。（2）加入附加物 糖类、树脂类、油类、纤维类等 高温下挥发、汽化或燃烧碳化，破坏粘结膜的完整性，改善在600以前的出砂性。800以后钠水玻璃熔化，效果不明显。降低800-1100的残余强度。高温下与熔融硅酸钠形成高熔点相，后移800的残留强度峰；本身或新产物相变膨胀，收缩系数不同产生裂纹，或形成脆化膜降低残留强度。（3）降低易熔融物质的含量 钠水玻璃中的钠减少，是提高钠水玻璃粘结剂的熔融温度、降低其残留强度的关键。（4）采用以石灰石作原砂的钠水玻璃CO2硬化砂材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术2.7 钠水玻璃砂的再生 水玻璃加入量砂铁比浇注温度铸件壁厚硬化方法概 述再生困难质量指标 Na2O含量 大件：0.2%0.3%，小件：0.5%材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术钠水玻璃砂再生解决途径：（1）湿法再生 振动破碎旧砂+水机械搅拌(水力旋流器清洗)适用:烧结程度轻(中小件)（2）干法再生 湿法再生砂的质量比干法好，可去除大部分微粉，Na2O去除率可达8090，砂粒的破碎损失小，再生砂的回用率可达5070。湿法再生的缺点是设备系统庞大，占地面积和基建投资大，用水量大，运转资用高，再生砂要烘干，能耗大，污水、污泥处理困难。砂块的破碎用振动破碎机可将破块破碎成砂粒。（3）干一湿法再生 干法去除部分惰性膜湿法再生，主要用于有机酯水玻璃自硬砂有逆流式 再生效果较好，Na2O去除率达40-50气流撞击式机械离心式材料成型质量控制材料成型质量控制 第二章第二章 铸型（芯）制备技术铸型（芯）制备技术36可编辑可编辑