水玻璃砂型铸造技术研究及应用新进展

魏文锋

中车大连机车车辆有限公司铸锻分公司 

摘要：本文分析了水玻璃砂铸造技术在国内外应用与研究的最新进程。研究的内容有水玻璃粘结剂抗吸湿改性技术、水玻璃砂微波加热固化技术，以及水玻璃砂的发展前景等。通过逐步解决水玻璃砂的旧砂的回收利用和抗潮性等问题，成功研制出硅酸钠砂微波加热固化工艺方法、新型水玻璃粘结剂材料，使水玻璃砂的绿色清洁生产成为可能。

关键词：水玻璃砂；铸造技术；应用新进展

自1947年捷克引入水玻璃砂以来，砂的脱模、硬化、压缩和混合都比粘土砂简单，大大提高了生产效率、尺寸精度和砂的强度。我国从50年代开始采用，铸钢的主要砂型很快成为重要。固化后脱模、固化速度快、注射时不产生有害气体、货源方便、价格低廉、强度高、不污染环境、铸造精度高是水玻璃砂的主要优点。旧砂回用困难、铸件清理困难、分散性差、残余强度高是水玻璃砂主要缺点。人们曾对崩解剂进行过广泛研究，以改善水玻璃砂的崩解，但收效甚微。树脂砂具有优异的崩解性能，但在高温下会产生有害气体污染环境，而且其成本是水玻璃砂的10～20倍。所以，水玻璃砂的研究又被广大铸造工作者重新关注，包括水玻璃砂的真空置换硬化方法、改性处理、“老化”现象，及其有机酯水玻璃不燃砂的研究。

一、水玻璃砂微波加热硬化技术

微波固化水玻璃砂也具备需要优点，例如易于控制、节能高效、加热均匀、升温速度快等。水玻璃固化方法经过了很多阶段，例如微波固化、液态有机油脂固化、二氧化碳固化、普通热固化、粉末固化等，有很好的开展前景。然而，水玻璃砂的微波固化很难投入实际使用，由于水玻璃砂芯固化后吸湿性高，模具材料要求高。以此，华中科技大学、内蒙古工业大学、重庆大学等，研究了微波固化水玻璃砂技术。初步研究了水玻璃砂的工程应用方案及微波加热技术，以及初步试验了水玻璃砂的崩解性能和微波固化性能。在国家自然科学基金的支持下，华中科技大学微波固化水玻璃砂的特性进行了系统分析，对水玻璃砂微波固化的实用系统进行了构建。影响硅酸钠砂微波固化强度的性能特点和工艺因素、微波固化硅酸钠砂储存强度关系的系统体系、微波固化后水玻璃砂芯吸湿性及环境湿度、影响因素分析也在研究中进行学习。对二次微波固化硅酸钠砂的性能特点进行了系统地研究，二次微波加热水玻璃砂新方法，可以大大降低了对模具材料微波加热的要求，模具加热时间更短。微波固化硅酸钠砂的系统技术在从事硅酸钠微波固化工艺中，进行了开发、研究，具体内容如下。工艺装置微波芯制造的微处理器控制的开发，比较了水玻璃弹性模量对透气性、微波硬化、砂型、二氧化碳吹塑硬化、水玻璃弹性模量、抗拉强度、压缩强度等，以及微波的影响固化时间、影响测量的弯曲强度、各种固化方法（油脂固化、二氧化碳喷雾固化、常规热固化、微波固化）和水玻璃类型对强度。针对水玻璃砂的强度特性，研究表明，当添加2.5%和1.5%的水玻璃时，常规硬化比微波硬化砂型强度低30%和26%，微波硬化砂粒过渡平滑、无裂纹，目前微波硬化水玻璃砂工艺存在的主要问题是其吸湿性低，如何提高砂的吸湿性是未来应用和研究的重点。

二、水玻璃粘结剂抗吸湿改性技术

水玻璃砂的性能的改善可以在水玻璃改良中进行加强，应用和研究表明，降低老化现加入抗老化材料、加强纯度可减少杂质含量，以及水玻璃砂的崩解性、强度、防潮性等特殊性能，都是改性水玻璃的本质。一般有化学改性和物理改性两种方法。在水玻璃中加入多种或一种改性剂是化学改性，减少粘合强度的损失，以减缓水玻璃的老化，添加这些改性剂有助于改善崩解性，也有助于增强硬化和净化的水玻璃胶体颗粒。物理改性促进硅酸聚合度的再均化，对施加搅拌、加热、磁场等能量在老化的水玻璃中。经过物理改性后，减少添加到芯砂中的水玻璃量，水玻璃可以恢复失去的粘合。限制硅酸盐凝胶颗粒的生长，延缓老化，是水玻璃粘合剂改性剂的作用，极性官能团的活性和极性官能团的密度在增加分子结构中，提高粘结强度，提高水玻璃砂的抗湿性等。砂型（型芯）硬化后是指吸湿，由于高湿度的砂型（型芯）周围，在储存过程中粘合力逐渐丧失的现象。在高湿度地区的使用因为各种铸砂的吸湿性危害极大，而限制了使用。由于环境湿度的影响，大大缩短铸造砂的存放时间。微波固化水玻璃砂的高吸湿性阻碍了铸砂，国内外为解决这一实际生产难题，对各种砂型的防潮性能进行了数十年的研究。LiOH改性水玻璃，砂样的表面稳定性、储存强度和保质期，通过改性水玻璃可以显着加强，水玻璃用四硼酸钠进行改性，水玻璃固化后的吸湿性和强度，表明四硼酸钠可以加强。三聚磷酸钠和磷酸氢二钠均提高了水玻璃的结合强度，水玻璃改性可以用三聚磷酸钠、磷酸氢二钠等对进行，能显着提高水玻璃砂的高温崩解性。水玻璃砂改性用聚环氧乙烷树脂进行，这说明抗吸湿性强，水玻璃砂聚环氧乙烷改性常温强度高，综合性能优良。华中科技大学改性水玻璃砂，分别采用了聚乙二醇、碳酸锂、磷酸氢二钠、硅烷偶联剂、木糖醇、硅酸乙酯、聚乙烯醇、聚氨酯、二甘醇乙醚。结果表明，水玻璃砂通过这些物质可以改善。不同程度的吸湿性在微波固化水玻璃砂中具备。水玻璃砂型在微波加热后，除了对水玻璃进行改性外，表面涂上一层醇基涂料，水分子的渗透和扩散可以阻止和屏蔽，构建陶瓷保护层，水玻璃砂的抗性还可以提高。近年来，抗吸湿性可以提高纳米材料对水玻璃粘合剂改性，纳米材料的应用与研究已成为商界和世界科学界的热点。水玻璃粘合剂可以提高水玻璃的吸湿性能，可以采用纳米氧化铝、纳米氧化锌和微云母进行改性，吸湿性也是未来研究和应用的重要方向之一。

三、水玻璃砂的发展前景

首先，清洁生产。在现阶段选用的树脂砂、水玻璃砂、粘土砂等各类砂中，除自然损失外，如果水玻璃砂能完全再生旧砂，废砂不会外排，实现清洁生产。其次，快速制造。现阶段，正在快速开展各种快速成型技术，允许快速生产各种材料的原型，包括(FDM)融合、(LOM)积层、(SLS) 激光烧结和(SLA)光凝，金属铸件可以通过铸造方法制成，或直接制作砂模、陶瓷模、蜡模等。通过涂层转移法等快速成型也可用于多种精密铸造，可显着降低开发成本，缩短模具开发周期，进一步扩大砂型铸造工艺范围。第三，柔性制造。21世纪产品的生产需要各种小批量，生产方式需要灵活的适应性，水玻璃砂工艺流程多样，作为一种柔性生产方式，可以灵活应对生产需求。①水玻璃类型。非钠水玻璃如有机季铵盐、钾锂，阴离子复合水玻璃，例如磷硅酸盐、硼硅酸盐、铝硅酸盐，阳离子复合水玻璃包括钠锂钠季铵盐、钠钾。②水玻璃化学改性的多样化，包括多元复合水玻璃，有机聚合物+阴阳离子。③水玻璃的物理变化是多样化的，包括高频放电、交流电场、微波、超声波激光、使用磁场。⑤硬化剂的多样化新开发，包括异氰酸盐、亚氨基磺酸盐、各种内酯、甲酸二醛。

参考文献：

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