超聲改性水玻璃及水玻璃型（芯）砂性能的改善

劉凡

（陜西重型機(jī)械制造有限公司 陜西 西安 710032）

0 前言

由于水玻璃砂具有造型精度高，價(jià)格較低，來(lái)源廣，使用方便，無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，在鑄鋼件及鑄鐵件的生產(chǎn)中，水玻璃具有廣泛的應(yīng)用。但是，水玻璃砂的潰散性差，即時(shí)強(qiáng)度低及再生效果差、嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。70年代末，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就對(duì)水玻璃的化學(xué)改性進(jìn)行了大量研究，取得了一定進(jìn)展，但依靠化學(xué)改性并不能完全解決水玻璃砂所存在的問(wèn)題。近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究表明，對(duì)于水玻璃進(jìn)行超聲改性，能提高σ干拉，但對(duì)于水玻璃砂的其他性能究竟影響怎樣？合適的超聲處理時(shí)間怎樣？在改性基礎(chǔ)上加入附加物對(duì)其性能有何影響，均未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)，對(duì)此進(jìn)行研究，有一定現(xiàn)實(shí)意義。

1 試驗(yàn)條件及測(cè)量指標(biāo)

圖1 水玻璃超生改性裝置簡(jiǎn)圖

1.1 水玻璃的超聲處理

將超聲波發(fā)生器的磁玫伸縮桿直接插入盛有水玻璃的容器中（見(jiàn)圖1），超聲波頻率范圍為16~20kHz，功率為30W，盛有水玻璃的容器、每次處理水玻璃的量固定；用改性水玻璃配制水玻璃砂，制樣、測(cè)量其性能。

1.2 測(cè)量指標(biāo)及測(cè)試方法

1.2.1 濕強(qiáng)度：測(cè)定σ濕壓、σ濕拉，反映常溫自然硬化場(chǎng)合下的造型性能，統(tǒng)一測(cè)量常溫下放置5小時(shí)的性能。

1.2.2 干強(qiáng)度：測(cè)定σ干壓、σ干拉、σ干剪，測(cè)量試樣在預(yù)熱250℃的烘爐中，保溫1小時(shí)冷卻后的性能。

1.2.3 潰散性能：以試樣在1000℃的烘爐中，保溫半小時(shí)冷卻至室溫的高溫殘留抗壓強(qiáng)度σ殘壓表示，并實(shí)澆鑄件，以清砂結(jié)果為根據(jù)實(shí)驗(yàn)。

σ干壓采用萬(wàn)能液壓試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，其它性能采用SQY液壓強(qiáng)度試驗(yàn)儀測(cè)定。

1.3 制樣

采用三錘緊實(shí)法制作標(biāo)準(zhǔn)試樣。測(cè)量三個(gè)試樣值，取算數(shù)平均值代表測(cè)量性能值。

1.4 原材料

原砂用大林4S55/100（O—口）擦洗砂，水玻璃：模數(shù)2.4，比重1.41g/cm3。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 水玻璃超聲處理時(shí)間的確定

圖2 水玻璃砂的性能與超聲處理時(shí)間的關(guān)系

圖2是不同超聲處理時(shí)間下，原砂100%+水玻璃8%+水5%配制的水玻璃砂的各種性能測(cè)量結(jié)果，由圖可見(jiàn)：

2.1.1 水玻璃的合適超聲處理時(shí)間為60分鐘，在該時(shí)間下，與未改性水玻璃砂相比，超聲處理使水玻璃砂濕強(qiáng)度提高顯著，同時(shí)也能使水玻璃砂的干強(qiáng)度提高。對(duì)于σ干拉提高30%，σ干壓提高41%，σ干剪提高50%。

2.1.2 超聲處理可使水玻璃砂的高溫殘留強(qiáng)度降低 30%~ 40%，從而改善其潰散性。

分析：超聲處理使水玻璃砂濕強(qiáng)度及干強(qiáng)度提高是由于：

（1）超聲處理可使水玻璃縮聚的聚硅酸膠粒重新解聚，使水玻璃的粘度降低，型砂混合均勻性增強(qiáng)，消除了水玻璃的老化現(xiàn)象。

（2）超聲處理，可活化水玻璃與砂粒的接觸表面，降低水玻璃的表面張力。超聲處理對(duì)水玻璃砂潰散性能的改善的原因，尚待進(jìn)一步研究。

2.2 超聲處理情況下，水玻璃用量與型砂性能的關(guān)系。

圖3 超聲處理60分水玻璃加入量對(duì)型砂性能的影響

2.2.1 水玻璃經(jīng)超聲處理，可使型砂中水玻璃的加入量減少，在水玻璃加入量為6%的情況下，干拉強(qiáng)度與未改性的水玻璃砂8%的用量接近，但濕強(qiáng)度及潰散性能均有效大幅度改善。

2.2.2 在滿足σ干壓≥8kg/cm2的條件下，以σ干拉、σ濕壓、σ殘為比較指標(biāo)，經(jīng)超聲改性，可使水玻璃用量進(jìn)一步降至4%左右，與未改性水玻璃加入量為8%的水玻璃砂相比，濕強(qiáng)度提高4倍，高溫殘留強(qiáng)度可降低8%左右。

2.2.3 減少水玻璃加入量，可大幅度降低其高溫殘留強(qiáng)度，是提高水玻璃砂潰散性能的主要途徑。

2.3 附加物對(duì)改性水玻璃砂的性能的影響

表1 附加物對(duì)水玻璃砂性能的影響

表1是在型砂配方為100%原砂+6%水玻璃+5%水、水玻璃超聲處理時(shí)間為1小時(shí)條件下，加入粘土附加物的性能對(duì)比情況。由表1可見(jiàn)，在其他條件相同情況下：

2.3.1 加入膨潤(rùn)土等附加物對(duì)性能的影響與水玻璃不經(jīng)超聲處理的情況基本相同，可使?jié)駨?qiáng)度增加，殘留強(qiáng)度降低，但干強(qiáng)度下降。其原因是粉料的加入在濕態(tài)起一定粘結(jié)作用，但在干態(tài)由于破壞了砂粒表面層硅酸膜的連續(xù)性，減少水玻璃“粘結(jié)橋”的面積，從而σ干下降，σ殘下降。

2.3.2 加入磁化水，其他性能變化不大，但使型砂殘留強(qiáng)度降低，其原因尚待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

3.1 型砂強(qiáng)度

在其他條件相同的情況下，經(jīng)超聲改性后的水玻璃砂濕強(qiáng)度提高顯著，干強(qiáng)度提高30%~50%，高溫殘留強(qiáng)度降低40%。

3.2 超聲處理時(shí)間

在本實(shí)驗(yàn)條件下，超聲處理時(shí)間的合適時(shí)間為1小時(shí)左右。

3.3 水玻璃用量

經(jīng)超聲處理，在滿足生產(chǎn)條件下，可使水玻璃用量由8%降至4%，此時(shí)水玻璃砂的濕強(qiáng)度適宜，潰散性能顯著改善。降低水玻璃用量是提高水玻璃砂潰散性能的主要途徑。

3.4 其它添加劑的作用

超聲改性水玻璃砂，加入膨潤(rùn)土可提高濕強(qiáng)度，潰散性，但干強(qiáng)度降低。加入磁化水可提高潰散性。這）些可根據(jù)不同使用場(chǎng)合合理選用。

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