3.3.1 概述
到目前为止，铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是钠水玻璃。 水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称，别名泡花碱。铸造上使用的主要是钠水玻璃（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。钠水玻璃的化学式为Na2O·nSiO2·nH2O。直接影响钠水玻璃的化学和物理性质以及水玻璃砂的工艺性能的几个重要参数是：
1）模数模数的大小仅表示钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量比。
M=nSiO2/mNa2O=1.033W SiO2/W Na2O
放线架式中W Sio2、W Na20——分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的质量百分数（%）。
模数越高，作为芯（型）砂粘结剂时的硬化速度越快，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： X NaOH=13.3W SiO2/M-12.9W Na2O(克)
X NH4Cl=1.73(W Na2O-W SiO2/M) (克)
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p为1.32～1.68／ cm3或波美度30~54的钠水玻璃。实际上，水分和含固量较之采用密度更直接反映钠水玻璃的粘结力和价值。
3.3.2 水玻璃砂造型工艺
一、CO2钠水玻璃砂
目前广泛采用的CO2钠水玻璃砂，大都由石英砂加入4.5～8.0％的钠水玻璃配制而成。对于几十吨的质量要求高的大型铸钢件砂型（芯），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。
钠水玻璃砂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。
钠水玻璃砂流动性好，制芯时可用手工或靠微震紧实，也可采用吹射制芯（型）。大的砂芯为增加容
让性和便于排气，砂芯内部放块度为30－40mm的焦碳块、炉渣或干砂，并在中心挖出气孔，上部通至箱口。型和芯一般要扎通气孔，使CO2气体可以通过，加速硬化。
目前应用较多的是插管发法和盖罩法（见图1），也有通过模样吹CO2硬化的方法，还开发了真空—CO2硬化和脉冲吹气硬化等方法。
图1 盖罩法硬化示意图
应用CO2硬化法常采用的吹气压力为0.15~0.2MPA，吹气时间视型、芯大小和形状而定，一般从10s到几min。每吨铸件CO2的耗用量为10~12kg。
二、自硬钠水玻璃砂
自硬钠水玻璃傻由原砂、钠水玻璃、粉状固化剂或液体有机酯硬化剂及为改善砂芯（型）的保存性、
出砂性、减少铸件缺陷、提高铸件表面质量的附加物所组成。
液体有机酯自硬砂采用的液体硬化剂如表1所示。
表1 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?/FONT>CH2CH3)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
通常市售的铸造用有机酯大都是由上述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。
对于用于铸造生产的有机酯至今尚未制定产品质量标准。现根据某工厂的进货验收条件，摘编于下，供参考。该验收条件强调了产品主成分质量分数和有害杂质的质量分数，即规定产品酯质量分数大于98％；有力酸质量分数小于0.5％。根据该厂反映这两项指标工厂有检测条件，控制好这两项指标，工艺也相对稳定。
工厂选择有机酯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。在这个基础上，经过严格的工艺试验（包括与之搭配的水玻璃），确定选用快酯、中酯或慢酯或根据自己的特殊情况，再用调节酯自行调节。
温度是大多数化学反应的重要影响因素，对于有机酯水玻璃自硬砂也一样，大多数工厂在没有条件控制环境和原材料温度的情况下，在季节变化时所选用的硬化剂也应有所变化。高温季节多用慢酯；低温季节多用快酯。
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。它的典型配方按质量分数是石英砂95.6～97％，钠水玻璃3～44％。有机酯为钠水玻璃质量的8～12.5％。
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2～3％，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。
烘干硬化水玻璃砂的配比根据烘干硬化方法决定。进窑烘干的水玻璃砂，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2.5~3.5％。
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。
四、真空置换硬化(VRH)法
透风窗真空置换硬化(VRH)法是近年来开发成功并已应用于生产的先进水玻璃砂工艺之一。该工艺以水玻璃为粘结剂，砂型（芯）在真空室内经真空脱水后，再经CO2硬化。
1.VRH法工艺的主要特点
(1) 水玻璃加入量少
当水玻璃加入量在3％～4％，真空吹CO2后2h，砂型强度可达1～2MPa，终强度可达2MPa 以上，完全满足生产工艺要求。
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(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15％～20％。
2．VRH法的主要工序及相关要求
(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。
五、微波硬化法
微波烘干法是一项正在开发中的新工艺，它的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。现将试验的有关结论介绍如下：
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。微波烘干水玻璃砂的强度与水玻璃加入了成正比。
2．微波烘硬时间与微波炉功率成正比。
3.3.3 水玻璃旧砂的再生
水玻璃旧砂的再生比较困难，再生的难度与水玻璃加入量、砂铁比、浇注温度、铸件壁厚，型砂的硬化方法等有关。水玻璃再生砂的质量指标，主要为Na2O含量，要求大件Na2O含量＜0.2～0.3％，小件含量＜0.5%；亦有的要求灼减量＜0．8％。
水玻璃旧砂的再生方法主要有：
1）砂块的破碎用振动破碎机可将破块破碎成砂粒
2）湿法再生，将经破碎的旧砂加水后机械搅拌，或用水力旋流器清洗。这种方法适用于水玻璃砂烧结程度轻的中小件的生产车间。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80％～90％，砂粒的破碎损失小，再生砂的回用率可达50％～70％。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。
3）干法再生，有逆流式、气流撞击式、机械离心式等再生装置。其中以逆流再生机的再生效果较好，Na2O去除率达40％-50％。”
4）干一湿法再生，先用干法去除部分惰性膜，再用湿法再生，主要用于有机酯水玻璃自硬砂。
3.4 有机粘接剂砂芯和砂型
3.4.1概述
砂芯主要用来形成铸件的内腔、孔洞和凹坑等部分，在浇注时，它的大部分或部分表面被液态金属包围，经受铁液的热作用、机械作用都较强烈，排气条件也差，出砂、清理困难，因此对芯砂的性能要求一般比型砂高。
3.4.2植物油砂
采用干性油和靠近干性油的半干性油作油砂粘结剂。干性油含不饱和脂肪酸，其加热硬化机理一般认为是氧化聚合的结果。常用的植物油有，桐油、亚麻油等。
烘干温度一般以200～220℃为宜。如需缩短烘干时间，可将温度提高到250℃，但不能超过300℃，否则粘结性能将被破坏。
3.4.3合脂粘结剂及合脂砂
（一）合脂粘结剂
合脂是合成脂肪酸蒸馏残渣的简称，是从炼油厂原料脱蜡过程中得到的石蜡，制皂工业再将石蜡制取合成脂肪酸时所得的副产品。
合脂砂的烘干湿度范围比油砂宽些，但是最适宜范围仍是200～220℃之间。合脂粘结剂的加入量一般为砂质量的2.5～4.5％，过多，强度增加不显著，而发气量明显增大，粘膜加重，蠕变加大，出砂性变差。
电梯试验塔存在的问题：
1．湿强度低
合脂砂的湿压强度只有2.0～2.5kPa。比植物油砂还要低。加入膨润土或者含泥量高的天然粘土砂可以提高湿强度。
2．砂芯蠕变
合脂砂湿强度低，合脂本身在常温下粘度大，芯砂流动性差，造芯时不易紧实；因此合脂砂芯在湿态和烘干过程中易发生蠕变，即逐渐往下沉。在冬天，合脂变得更加粘稠，蠕变现象就更为严重。可采用加入膨润土和高温入炉烘干硬化的方法来减少蠕变的缺陷。
3.4.4壳芯（型）
一、壳芯（型）的制造
1940年，Johannes Croning发明用热法制造壳型，称为“C”法或“壳法”，此法不仅可用于造型，更主要的是用于制造壳芯。该法用酚醛树脂作粘结剂，配制的型（芯）砂叫做覆膜砂像干砂一样松散。其制壳的方法有两种：翻斗法和吹砂法（见图1）。
图1 顶吹法和底吹法制造壳芯示意图
壳法造型、造芯的优点是混制好的覆膜砂可以较长期贮存（三个月以上）；无需捣砂，能获得尺寸精确的型、芯；型、芯强度高，质量轻，易搬运；透气性好，可用细的原砂得到光洁的铸件表面；无需砂箱；覆膜砂消耗量小；型、芯可以长期贮放。尽管酚醛树脂覆膜砂价格较贵，造型、造芯耗能较高，但在要求铸件表面光洁和尺寸精度甚高的行业仍得到一定应用。通常壳型多用于生产液压件、凸
轮轴、曲轴以及耐蚀泵件、履带板等钢铁铸件上：充芯多用于汽车、拖拉机、液压阀体等部分铸件上。
二、壳型砂用原材料及混制工艺
（1）酚醛树脂
壳法采用热线塑性酚醛树脂。它是在苯酚过量（通常苯酚与甲醛的物质的量之比为1：0.75～0.85）及温度在105℃以下缩合制成的。常用的硬化剂为乌洛托品，学名六亚甲基四胺，即（CH2）6N4，其加入量一般占树脂质量的10～15％。
（2）原砂
壳法一般采用硅砂，对于表面质量要求很高的铸件，特别是壁很厚实、易产生粘砂的铸钢件，也常使用鋯砂、铬铁矿砂。
（3）附加物
opbi
为了改善覆膜砂的性能，有时在覆膜过程中加入某些附加物。例如加人硬脂酸钙（为砂量的0.25～0.35％），可防止覆膜砂存放期间结块；增加覆膜妙的流动性，制壳时易于顶出等。加入石英粉（加入量为砂质量的2％左右），可提高覆膜砂的高温强度。
（4）覆膜砂混制工艺
酚醛树脂覆膜砂一般以原砂为 100（质量比），酚醛树脂加入量为：对于壳型是3.5～6.0，壳芯是1.5～4.0，另加入乌洛托品和硬酯酸钙。覆膜砂的混制工艺可分为冷法、温法和热法三种。
曝气盘其中热法是一种适于大量制备覆膜砂的方法，需要专门设备。混制时一般为先将加热到
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