1、影響水玻璃“老化”的因素有哪些？如何消除水玻璃“老化”？
新制備的水玻璃是一種真溶液。但是在存放過(guò)程中，水玻璃中硅酸要進(jìn)行縮聚，將從真溶液逐步縮聚成大分子的硅酸溶液，朂后成為硅酸凝膠。因此，水玻璃實(shí)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(shù)、濃度、溫度、電解質(zhì)含量和存放時(shí)間的影響。
水玻璃在存放過(guò)程中分子產(chǎn)生縮聚，形成凝膠，其粘結(jié)強(qiáng)度隨著貯存時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸降低，這一現(xiàn)象稱為水玻璃“老化”。
“老化”現(xiàn)象可由下述兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明：高模數(shù)
水玻璃（M=2.89，ρ=1.44g/cm3）貯放20、60、120、180、240天后，吹CO2硬化的水玻璃砂干拉強(qiáng)度相應(yīng)下降9.9%、14%、23.5%、36.8%和40%；低模數(shù)水玻璃（M=2.44，ρ=1.41g/cm3）貯放7、30、60和90天后，干拉強(qiáng)度分別下降4.5%、5%、7.3%和11%。
水玻璃存放時(shí)間對(duì)酯硬化水玻璃自硬砂初期強(qiáng)度影響不大，但對(duì)后期強(qiáng)度影響明顯，據(jù)測(cè)定，對(duì)于高模數(shù)水玻璃下降60%左右，對(duì)于低模數(shù)水玻璃下降15~20%。殘留強(qiáng)度也隨存放時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。
水玻璃在存放過(guò)程中聚硅酸的縮聚反應(yīng)和解聚反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行著，分子量發(fā)生了歧化，朂終生成單正硅酸和膠粒并存的多重分散體系，也就是在水玻璃的老化過(guò)程中，聚硅酸的聚合度發(fā)生了歧化，單正硅酸和高聚硅酸的含量均隨存放時(shí)間的延長(zhǎng)而增多。水玻璃在存放中縮聚、解聚反應(yīng)的結(jié)果，使粘結(jié)強(qiáng)度下降了，即產(chǎn)生“老化”現(xiàn)象。
影響水玻璃“老化”的因素主要有：存放時(shí)間、水玻璃的模數(shù)和濃度。存放時(shí)間越長(zhǎng)，模數(shù)越高，濃度越大，則“老化”越嚴(yán)重。
對(duì)久存的水玻璃可以采用多種方法的改性處理，以消除“老化”，使水玻璃恢復(fù)到新鮮水玻璃的性能：
1、物理改性
水玻璃老化是緩慢釋放能量的自發(fā)過(guò)程，用物理改性處理“老化”的水玻璃就是用磁場(chǎng)、超聲波、高頻或加熱等辦法，向水玻璃體系提供能量，促使高聚合的聚硅酸膠粒重新解聚，促使聚硅酸的分子量重新均勻化，從而消除了老化現(xiàn)象，這就是物理改性的機(jī)理。例如，用磁場(chǎng)處理后，水玻璃砂的強(qiáng)度提高了20~30%，減少水玻璃加入量30~40%，節(jié)約CO2，改善潰散性，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。
物理改性的缺點(diǎn)是不持久，處理后再貯放，粘結(jié)強(qiáng)度又會(huì)下降，故適用于鑄造廠處理后盡快使用。尤其是M>2.6的水玻璃，硅酸分子濃度大，經(jīng)過(guò)物理改性解聚后又會(huì)較快地縮聚，更好是處理后立即使用。
2、化學(xué)改性
化學(xué)改性是往水玻璃中加入少量化合物，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(tuán)，通過(guò)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(jìn)行。例如往水玻璃中加入聚丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸鹽等，可取得較好的效果。
往普通水玻璃甚至改性水玻璃中摻入有機(jī)物可以起到多種作用，如：改變水玻璃的粘流性質(zhì)；改善水玻璃混和料的造型性能；提高粘結(jié)強(qiáng)度，使水玻璃的******加入量減少；提高硅酸凝膠的可塑性；降低殘留強(qiáng)度，使水玻璃砂更適用于鑄鐵和有色合金。
3、物理—化學(xué)改性
物理改性適宜于已“老化”的水玻璃，改性后立即使用?；瘜W(xué)改性適宜于處理新鮮水玻璃，改性后的水玻璃可較長(zhǎng)時(shí)間的存放。物理改性與化學(xué)改性結(jié)合起來(lái)，能使水玻璃具有持久的改性效果，例如在高壓釜中加聚丙烯酰胺來(lái)改性“老化”的水玻璃效果很好，其中利用高壓釜的壓力和攪拌是屬于物理改性，加聚丙烯酰胺是化學(xué)改性。
2、如何防止CO2吹氣硬化水玻璃砂型（芯）表面粉化？
鈉水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段時(shí)間后，有時(shí)在下型（芯）表面會(huì)出現(xiàn)象白霜一樣的物質(zhì)，嚴(yán)重降低該處表面強(qiáng)度，澆注時(shí)易產(chǎn)生沖砂缺陷。根據(jù)分析，這種白色物質(zhì)的主要成分是NaHCO3，可能是由于鈉
水玻璃砂中含水分或CO2過(guò)多而引起的易隨水分向外遷移，使型、芯表面出現(xiàn)類似霜的粉狀物。
解決的方法如下：
1、控制鈉水玻璃砂的水分不要偏高（特別是雨季和冬季）。
2、吹CO2時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)。
3、硬化的型、芯不要久放，應(yīng)及時(shí)合型澆注。
4、在鈉水玻璃砂中加入占砂1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）左右、密度為1.3g/cm3的糖漿，可以有效地防止表面粉化。
3 如何提高水玻璃砂型（芯）抗吸濕性？
用CO2或加熱等方法硬化的鈉水玻璃砂芯，裝配在粘土濕型中，如果不及時(shí)澆注，砂芯強(qiáng)度將急劇降低，不僅可能出現(xiàn)蠕變，甚至斷塌；在潮濕的環(huán)境中儲(chǔ)放的砂芯，強(qiáng)度也明顯降低。表1為CO2硬化鈉水玻璃砂芯在相對(duì)濕度為97%環(huán)境中放置24h時(shí)的強(qiáng)度值。在潮濕環(huán)境中存放失去強(qiáng)度的原因，是由于鈉水玻璃重新發(fā)生水合作用。鈉水玻璃粘結(jié)劑基體中的Na+與OH—吸收水分并浸蝕基體，朂后使硅氧鍵Si—O—Si斷裂，致使鈉水玻璃砂粘結(jié)強(qiáng)度顯著降低。
解決此問(wèn)題的措施有：
1、在鈉水玻璃中加入鋰水玻璃，或在鈉水玻璃中加入Li2CO3、CaCO3、ZnCO3等無(wú)機(jī)附加物，由于能形成相對(duì)不溶的碳酸鹽和硅酸鹽，以及可減少游離的鈉離子，因而可改善鈉水玻璃粘結(jié)劑的抗吸濕性。
2、在鈉水玻璃中加入少量有機(jī)材料或加入具有表面活性劑作用的有機(jī)物，粘結(jié)劑硬化時(shí)，鈉水玻璃凝膠內(nèi)親水的Na+和OH—離子或?yàn)橛袡C(jī)憎水基取代，或相互結(jié)合，外露的為有機(jī)憎水基，從而改善吸濕性。
3、提高水玻璃模數(shù)，因?yàn)楦吣?shù)水玻璃的抗吸濕性比低模數(shù)水玻璃強(qiáng)。
4、在鈉水玻璃砂中加入淀粉水解液。更好的方法是采用淀粉水解液對(duì)鈉水玻璃改性。
4、CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹(shù)脂砂復(fù)合工藝有何特點(diǎn)？
近幾年來(lái)，有些中小企業(yè)為提高鑄鋼件質(zhì)量；急需采用樹(shù)脂砂工藝，但是由于經(jīng)濟(jì)能力有限，無(wú)力購(gòu)置樹(shù)脂砂再生設(shè)備，舊砂不能再生回用，生產(chǎn)成本高。為了尋找一條既提高鑄件質(zhì)量又不過(guò)多增加成本的有效途徑，可結(jié)合CO2吹氣硬化水玻璃砂和CO2吹氣硬化堿性酚醛樹(shù)脂砂的工藝特點(diǎn)，采用CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹(shù)脂砂復(fù)合工藝，用堿性酚醛樹(shù)脂砂作面砂，用水玻璃砂作背砂，同時(shí)吹CO2硬化。
CO2—堿性酚醛樹(shù)脂砂所用的酚醛樹(shù)脂是由苯酚和甲醛在強(qiáng)堿性催化劑作用下縮聚，并添加耦合劑而制成。其PH值≥13，粘度≤500mPa?s。酚醛樹(shù)脂在砂中的加入量為3%~4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。當(dāng)CO2流量為0.8~1.0m3/h時(shí)，更佳吹氣時(shí)間為30~60s；吹氣時(shí)間過(guò)短則砂芯硬化強(qiáng)度低；吹氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，砂芯強(qiáng)度并不隨之增長(zhǎng)，而且浪費(fèi)氣體。
CO2—堿性酚醛樹(shù)脂砂不含N、P、S等有害元素，因此杜絕了這些元素引起的鑄造缺陷如氣孔、表面微裂紋等；澆注時(shí)不釋放H2S、SO2等有害氣體，有利于環(huán)境保護(hù)；潰散性好，極易清理；尺寸精度高；生產(chǎn)效率高。
CO2吹氣硬化水玻璃—堿性酚醛樹(shù)脂砂復(fù)合工藝可廣泛用于鑄鋼件、鑄鐵件、銅合金和輕合金鑄件。
該復(fù)合工藝是一種簡(jiǎn)便的工藝方法，其過(guò)程為：先將樹(shù)脂砂和水玻璃砂分別混制好后，裝入兩個(gè)砂斗；再將混制好的樹(shù)脂砂作為面砂加入砂箱并舂實(shí)，面砂層厚度一般為30~50mm；然后加入水玻璃砂作背砂填充緊實(shí)；朂后向鑄型內(nèi)吹CO2氣體進(jìn)行硬化。
吹氣管的直徑一般為25mm，可硬化的范圍為吹管直徑的6倍左右。
吹氣時(shí)間取決于砂型（芯）的尺寸大小、形狀、氣體流量、排氣塞面積的大小。一般吹氣時(shí)間控制在15~40s。
吹硬砂型（芯）后即可取模。砂型（芯）的強(qiáng)度上升速度快。取模后半小時(shí)內(nèi)刷上涂料，4小時(shí)后即可合箱澆注。
該復(fù)合工藝特別適合于沒(méi)有樹(shù)脂砂再生設(shè)備而又要生產(chǎn)高品質(zhì)鑄件的鑄鋼廠，工藝操作簡(jiǎn)便，易于進(jìn)行工藝控制，生產(chǎn)的鑄件與其它樹(shù)脂砂生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量相當(dāng)。
CO2吹氣硬化水玻璃砂也可與CO2吹氣硬化聚丙烯酸鈉樹(shù)脂砂復(fù)合，用于生產(chǎn)高品質(zhì)的各種鑄件。
5 CO2-有機(jī)酯復(fù)合硬化水玻璃砂工藝有何利弊？
近年來(lái)，CO2-有機(jī)酯復(fù)合硬化水玻璃砂工藝有擴(kuò)大應(yīng)用的趨勢(shì)。其工藝過(guò)程是：在混砂時(shí)加入一定數(shù)量的有機(jī)酯（一般為正常需要量之半或
水玻璃重量的4~6%）；造型完成后，吹CO2硬化到脫模強(qiáng)度（一般要求抗壓強(qiáng)度0.5MPa左右）；脫模后，有機(jī)酯繼續(xù)硬化，型砂強(qiáng)度以較快速度升高；吹完CO2再放置3~6h后，砂型即可進(jìn)行合箱和澆注。
其硬化機(jī)理是：
水玻璃砂吹CO2時(shí)，在氣體壓力差及濃度差的作用下，CO2氣體將力圖向型砂各方向流動(dòng)，CO2氣體與水玻璃接觸后，立即與之反應(yīng)生成凝膠。由于擴(kuò)散作用，反應(yīng)總是從外向里，外層先形成一層凝膠薄膜，阻礙CO2氣體和水玻璃繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。因此在短時(shí)間內(nèi)，無(wú)論采用何種方法控制CO2氣體，使其和全部水玻璃反應(yīng)是不可能的。據(jù)分析，當(dāng)型砂達(dá)到更佳吹氣強(qiáng)度時(shí)，和CO2氣體反應(yīng)的水玻璃約為65%，這就是說(shuō)水玻璃沒(méi)有充分發(fā)揮粘結(jié)作用，至少有35%以上的水玻璃沒(méi)有反應(yīng)。而有機(jī)酯硬化劑能與粘結(jié)劑形成均勻的混合物，能充分發(fā)揮粘結(jié)劑的粘結(jié)作用，型芯砂的所有部分都以相同的速度建立強(qiáng)度。
提高水玻璃加人量，砂型終強(qiáng)度將增加，但是其殘留強(qiáng)度也會(huì)增加，導(dǎo)致清砂困難。而水玻璃加入量過(guò)少時(shí)，其終強(qiáng)度過(guò)小，達(dá)不到使用要求。在實(shí)際生產(chǎn)中，一般把水玻璃加入量控制在4%左右。
單獨(dú)用有機(jī)酯硬化時(shí)，一般有機(jī)酯的加人量為水玻璃量的8~15%。而采用復(fù)合硬化時(shí)，吹CO2時(shí)估計(jì)已有一半左右的水玻璃硬化，還有一半左右的水玻璃還沒(méi)有硬化。所以有機(jī)酯的加人量占水玻璃加人量的4~6%是比較合適的。
采用復(fù)合硬化法，可以充分發(fā)揮CO2硬化和有機(jī)酯硬化的雙重優(yōu)點(diǎn)，并能使水玻璃的粘結(jié)作用充分發(fā)揮出來(lái)，達(dá)到硬化速度快，起模早，強(qiáng)度高，潰散性好，成本低的綜合效果。
但是CO2-有機(jī)酯復(fù)合硬化工藝需要比單純的有機(jī)酯硬化法多加0.5~1%水玻璃，這將給水玻璃舊砂的再生增大難度。
6、為什么采用水玻璃砂工藝生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)容易產(chǎn)生粘砂？如何防止？
用鈉水玻璃砂制造的砂型（芯）澆注鑄鐵件時(shí)，常產(chǎn)生嚴(yán)重粘砂，這限制了它在鑄鐵生產(chǎn)中的應(yīng)用。
鈉水玻璃砂中的Na2O、SiO2等與液態(tài)金屬在澆注時(shí)產(chǎn)生的鐵的氧化物，形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽。前已述及，如果這種化合物中含有較多易熔性非晶態(tài)的玻璃體，那么這層玻璃體與鑄件表面結(jié)合力很小，而且收縮系數(shù)與金屬也不相同，它們之間就會(huì)有較大應(yīng)力，易于從鑄件表面清除，不產(chǎn)生粘砂。如果在鑄件表面形成的化合物中SiO2含量高，F(xiàn)eO、MnO等含量少，它的凝固組織基本上具有晶體結(jié)構(gòu)，會(huì)與鑄件牢固地結(jié)合在一起，就產(chǎn)生粘砂。
鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)，由于鑄鐵件澆注溫度低，碳含量高，鐵、錳等不易氧化，形成的粘砂層呈晶體結(jié)構(gòu)，而且鑄鐵件與粘砂層之間難以建立起適宜的氧化鐵層厚度，鑄件與粘砂層間不像樹(shù)脂砂生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)能夠通過(guò)樹(shù)脂熱解產(chǎn)生光亮碳膜，所以粘砂層不易清除。
為了防止鈉水玻璃砂生產(chǎn)鑄鐵件時(shí)產(chǎn)生粘砂，可采用合適的涂料。如用水基涂料，涂刷后需進(jìn)行表面烘干，故更好采用醇基快干涂料。
一般鑄鐵件也可在鈉水玻璃砂中加入適量的煤粉（如3%~6%）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），使鑄件與粘砂層間能夠通過(guò)煤粉的熱解產(chǎn)生光亮碳膜，由于它不被金屬及其氧化物所潤(rùn)濕，使得粘砂層容易從鑄件上剝離下來(lái)。
7、水玻璃砂有望成為無(wú)廢砂排放的環(huán)保型型砂嗎？
水玻璃無(wú)色、無(wú)臭、無(wú)毒，沾于皮膚和衣服后用水沖洗即無(wú)大礙，但必須避免濺入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和澆注過(guò)程中都沒(méi)有刺激性或有害氣體釋出，沒(méi)有黑色和酸性污染。但若工藝失當(dāng)，水玻璃加入過(guò)多，水玻璃砂的潰散性便不好，清砂時(shí)粉塵飛揚(yáng)，也會(huì)造成污染。同時(shí)，舊砂再生困難，廢砂的排放造成對(duì)環(huán)境的堿性污染。
如果能克服這兩個(gè)難題，水玻璃砂便可成為基本沒(méi)有廢砂排放的環(huán)保型型砂。
解決這兩個(gè)問(wèn)題的根本措施是：將水玻璃的加入量降低到2%以下，基本上可以震動(dòng)落砂。當(dāng)水玻璃加入量減少，舊砂中殘留Na2O也減少，使用比較簡(jiǎn)易的干法再生，有可能將循環(huán)砂中殘留Na2O量維持在0.25%以下。此再生砂可滿足中小型鑄鋼件單一型砂的應(yīng)用要求。此時(shí)，水玻璃舊砂即使不采用費(fèi)用高昂、步驟繁復(fù)的濕法再生，而用比較簡(jiǎn)易便宜的干法再生，也可以做到全額再生利用，基本不再有廢砂排放，砂鐵比可降到1∶1以下。
8 水玻璃砂如何有效再生？
若水玻璃舊砂中殘留Na2O過(guò)高，加入水玻璃混砂后，型砂沒(méi)有足夠的可使用時(shí)間，而且過(guò)多的Na2O積累，會(huì)惡化石英砂的耐火度。因此水玻璃舊砂再生時(shí)要盡可能地去除殘留Na2O。
