一．前言
目前国内外冷凝自硬砂工艺主要分为二大类：无机类粘结剂以水玻璃砂工艺为主，有机类粘结剂以呋喃和碱性酚醛树脂砂工艺为主。以上二大类自硬砂工艺在二十世纪下半期至今在全世界铸造业应用并不断成熟完善。但此二种工艺在性能上各有特点，也存在问题。特别在铸钢、合金钢件的铸造时有明显工艺上的不足。co2硬化水玻璃加入量高（一般为7%~8％），砂的残留强度高，溃散性差，旧砂再生回用困难。有机粘结剂树脂砂工艺的出现，在一定程度上解决了co2水玻璃砂的固有缺陷，但碱性酚醛树脂成本高，呋喃树脂砂易出现铸件裂纹、气孔等缺陷。水玻璃“新三法”（vrh、微波烘硬、有机脂）的问世，使水玻璃的加入量降低了一半，溃散性大有改善，但新“三法”在工艺上存在着一定的缺陷，vrh法因设备投资大及铸件尺寸受真空室限制；微波烘硬法因铸型吸湿性强及电微波转化率低；回用砂率综合性能差等缺点，严重制约了水玻璃砂的发展。
随着水玻璃基础理论研究的不断进展，水玻璃砂溃散性差和旧砂再生困难等缺点并非水玻璃的固有特性。它来源于对水玻璃化学和胶体化学认识不足和使用不当（1）。目前国内以沈阳汇亚通铸造材料有限责任公司等单位在这方面的研究取得了领先。他对普通水玻璃进行一系列化学和物理改性及电离子架接，研制开发了新型水玻璃和专用酯类固化剂自硬砂工艺，为水玻璃砂的第三次中兴产生了质的飞跃。
二．新型水玻璃酯硬砂工艺的应用
我公司年产阀门承压铸钢件2000余吨，产品以单价小批量为主，壳体主要壁厚10~60mm，且薄件居多。材质牌号有普通碳素钢，耐热耐高温铬钼钢、铬钼钡钢及各种耐酸不锈钢。其中有30％是电站阀门铸件，有20％左右是出口阀门配套铸件。因此，对造型工艺及材料要求相当苛刻。我们于2000年下半年开始对原粘土砂工艺进行技术改造，要求采用新工艺、新材料，以低成本高质量满足当前生产及市场竞争的需要，在选择工艺方案阶段，我们对普通水玻璃自硬砂，呋喃树脂自硬砂及新型水玻璃自硬砂三种砂型工艺，分别在不同材质、不同品种的阀门铸钢件上进行了工艺试验，试验用原砂为福建平潭优质擦洗硅砂，粒度为40／70目，sio2含量≥96％，含泥量和含水量分别≤0.5％，角形系数≤1.25％，试验及技术经济分析结果如表1所示。
表1 三种自硬砂工艺技术经济对比
工艺
项目 | 普通水玻璃自硬砂 | 呋喃树脂自硬砂 | 新型水玻璃自硬砂 |
| 铸件质量 | 较好 | 好 | 好 |
| 溃散性 | 差 | 最易 | 易 |
| 硬化性能 | 冬季，硬透性较差
硬化时间可调性差 | 硬透性好，硬化时间可调 | 硬透性好，硬化时间可调 |
| 热裂倾向 | 中 | 易裂 | 小 |
| 操作环境 | 无毒、无气味 | 气味大 | 无毒、无气味 |
| 旧砂再生回用率 | ≥60％ | ≥90％ | ≥85％ |
| 工艺配比 | 粘结剂 | 4％ | 1.0%~1.2％ | 1.8%~2.5％ |
| 固化剂 | 占粘结剂量12%~15％ | 占粘结剂量50%~60％ | 占粘结剂量15%~20％ |
| 材料成本（元／吨型砂） | 288 | 245.04 | 214.3 |
| 材料单价（元／吨） | 水玻璃：800
固化剂：1700 | 树脂：12600
固化剂：3400 | 水玻璃：2100
固化剂：1700 |
注：新砂成本210元／吨，再生砂成本为新砂成本的三分之一即70元／吨
从表1可见，新型水玻璃自硬砂工艺具有成本低，操作方便，铸件表面质量好，无毒无污染，发气量低，热裂倾向小，旧砂回用率高，特别对单件小批量、薄壁易裂的合金钢件，更具有突出的经济和社会效益。
综上所述，从适用性、经济性考虑，我们选择了新型水玻璃自硬砂工艺，于2000年下半年建成了水玻璃自硬砂生产线，工艺流程；
三．辅材料物理性能对新型水玻璃自硬砂硬化特性的影响
1．原砂
虽然新型水玻璃自硬砂工艺对原砂的要求相对树脂砂的敏感性要小，但必须象对待树脂砂一样，选用优质原砂。选择粒形好、粉尘少的原砂是降低水玻璃加入量是关键，因旧砂能再生回用，原砂成本可在再生中扣除。
因自硬砂是水解反应，型砂中含有少量水，可加速型砂硬化速度，后期强度还稍有提高，但原砂水份不能过高，否则强度会下降，这是由于硅胶的凝变得迟缓。一般原砂水份控制在0.3－0.5左右。
原砂温度对超过42℃时，混砂时就开始硬化，可使用时间极短，表面稳定性很差。因此，对经烘干或回用的原砂必须冷却后才能使用。
2．新型水玻璃
新型水玻璃是在普通水玻璃的基础上通过一系列的化学和物理改性和电离子架接而成。它具有高强度、低粘度的特性，它比普通水玻璃的强度提高30％左右。水玻璃的粘度决定着粘结剂在砂粒表面流动的难易程度，在模数、密度、温度相同的情况下，水玻璃的粘度越低，它的湿润角最大，表面张力最小，使水玻璃粘结膜在短时间内较好地包覆砂粒表面，提高型砂的强度，从而使水玻璃的加入量大大减少。另外水玻璃的粘度低，配比时定量准确，容易组织流水线生产。
新型水玻璃采用不同的物化改性，具有不同的硬化速度，zcs101－106系列水玻璃的理化性能如表2所示，我们可根据铸件大小、气温、湿度、砂子种类，与固化剂匹配，可如意地调节型（芯）砂的硬化速度和可使用时间。因此，型砂的硬化性能优于普通水玻璃自硬砂，尤其是气温较低的冬季，型砂硬透性、硬化速度远优于普通水玻璃。
2 新型水玻璃硬化特性
| 牌号 | 粘度
（mpa.s） | 密度
（g/cm3） | 硬化速度
（℃） | 适用温度
（℃） | 型砂抗拉强度
（mpa）24h |
| zcs101 | 150~350 | 1.3~1.6 | 中速 | 35~25 | 0.5~1.2 |
| zcs102 | 150~350 | 1.3~1.6 | 特速 | -5~-15 | 0.4~1.2 |
| zcs103 | 150~350 | 1.3~1.6 | 快速 | 5~10 | 0.4~1.2 |
| zcs104 | 150~350 | 1.3~1.6 | 特慢 | 40~30 | 0.4~1.0 |
| zcs105 | 150~350 | 1.3~1.6 | 慢速 | 35~25 | 0.4~1.0 |
| zcs106 | 150~350 | 1.3~1.6 | 中速偏慢 | 25~10 | 0.4~1.0 |
新型水玻璃的加入量高，硬化速度快，终强度提高。但型砂中na离子含量增加，溃散性变差，严重地恶化旧砂的再生回用，因此在使用中不要片面地追求型（芯）砂的强度，只要强度满足生产工艺的前提下，尽可能降低新型水玻璃的加入量。
3．酯类固化剂
新工艺配有6种牌号的不同硬化速度的有机脂专用固化剂zcg130－135系列，它与新型水玻璃发生作用，具有反应均一，强失水、低失碱的特性，硬透性比普通有机酯要好，特别在低温、高湿，硬化性能远优于普通酯。酯类固化剂的性能和适用温度见表3。
表3 酯类固化剂的性能和适用温度
| 牌号 | 密度（g/cm3） | 粘度（mpa.s） | 残酸量（％） | 适用浓度（℃） |
| zcg130 | 1.1－1.2 | ＜100 | ≤2 | 特慢≥40 |
| zcg131 | 1.1－1.2 | ＜100 | ≤2 | 慢速≥25 |
| zcg132 | 1.1－1.2 | ＜100 | ≤2 | 中速15－25 |
| zcg133 | 1.1－1.2 | ＜100 | ≤2 | 中速偏快5－10 |
| zcg134 | 1.1－1.2 | ＜100 | ≤2 | 快速5－10 |
| zcg135 | 1.1－1.2 | ＜100 | ≤2 | 特快≤5 |
四．型水玻璃自硬砂的造型工艺
1．可使用时间
应掌握好型（芯）砂的可使用时间，一般是观察型（芯）砂开始发粘，呈粘连状时即认为超过了可使用，时间超过可使用时间的型（芯）砂，流动性恶化，充型能力变差，造型（芯）后的强度大大降低，表面稳定性差，很容易造成塌箱及冲砂、砂眼等缺陷。所以刚混制好的型（芯）砂要尽快成型，务必在可使用时间之内完成造型制芯操作。
2．型砂紧实度
型砂要紧实，新型水玻璃自硬砂流动性很好，容易紧实，但不能因此而忽视紧实作业。砂型紧实程度对铸件表面质量有重要影响。紧实得好，可显著减少铸件表面粘砂,尤其对难以舂到部位及拐角要注意紧实。
3．起模时间
应掌握好起模时间，要等砂型硬化到适当强度后才能起模，砂型强度随时间延长而增大。过早起模砂型强度低，不能支撑自重而变形，甚至塌箱。过迟起模砂型强度高，起模阻力大而造成砂型损坏，模具损伤，一般将型（芯）砂抗拉强度0.14mpa（或抗压强度0.4mpa）时即为起模时间，按经验用手指按压型（芯）硬了按不动了即可起模。
4．修型方法
修型方法一般有两种：一种是砂型整块断裂，采用型（芯）粘合剂粘接；另一种是砂型粉碎性，损坏一般在损伤部位划出沟槽（必要时插几枚钉子），清除浮砂后覆上新配制的型砂，根据情况可直接修整成形或待其硬化到一定强度后修整成形。
5．涂料
涂料选择，因新型水玻璃自硬砂一般不需烘烤，所以最好选用醇基涂料。
五． 水玻璃自硬砂的旧砂再生与回用
1．旧砂循环再生回用的条件
随着21世纪环保和资源意识的日益提高，水玻璃旧砂的再生回用问题显得越来越重要，要使水玻璃旧砂循环再生回用，根据国内外的成功经验，必须满足以下三个必备条件，第一,每次循环水玻璃的加入量应≤4％，此为工艺必备；第二，再生设备的再生效率，即每次循环使旧砂中na2o含量减少值≥30％；此为设备必备；第三，每次循环新砂加入量不少于15－20％，此为材料必备。由于新型水玻璃自硬砂工艺水玻璃的加入量只有（1.8－2.5％），型（芯）砂浇注受热后，溃散性显著改善，易于破碎，旧砂表面的残留粘结膜脆性较大，易通过干法再生除去，这为旧砂再生创造了有利条件，克服和减少了残留na2o对再生砂回用性能的影响。
在旧砂再生过程中，旧砂再生前的水份应严格控制，高水份的旧砂表面粘结膜呈链状分布，韧性较大，干法再生残留na2o难以除去，特别当旧砂含水量≥1％时，再生效率几乎为零。因此旧砂存放时间不能过长，浇注落砂后应立即进行再生，否则，旧砂中的残留na2o会大量吸收空气中的水份，尤其在雨季湿度较高时特别明显。
2．再生砂的性能控制
影响再生砂的使用性能（可使用时间，再粘结强度）有砂中水份，残留na2o含量及粉尘含量，因此，我们对再生砂的质量控制指标为残留na2o≤0.8%；粉尘含量（150目以下）≤0.5%；水份≤0.6%；砂温≤35℃。
3．再生砂的回用
目前，国内外对再生砂的造型制芯有两种工艺，即单一砂制和面背砂制，单一砂制即新砂按一定配比混合使用，此工艺在造型工艺对所有砂箱造型及制芯时一律采用，此工艺易于管理，便造型效果稍差，对再生砂的质量要求较高；面背砂制，即新旧砂单独使用，此工艺对造型工艺型腔表面则全用新砂，型腔背面则全用再生砂，制芯工艺则全用新砂，此工艺使用比较可靠，性能优良，对再生砂质量要求不高，但新砂用量大，型砂成本稍高，管理较复杂。由于新工艺再生砂回用性能较好，回用率高，加上我厂采用一级干法再生，我们在型（芯）砂配制时采用面背砂制并兼二者的优点，面砂配比为60－70％新砂：40－30％再生砂，背砂为100％再生砂，旧砂再生回用率达85％以上，减少了水玻璃碱性废弃砂排放对生态环境的污染，节约废弃砂的运输、占地费用，节约优质硅砂资源，具有深远的社会经济效益。
与面砂相比，背砂（再生砂）的可使用时间短，硬化性能差，粘结强度低，为了控制再生砂的硬化性能，我们采用不同硬化速度的水玻璃种类配比来调节，面砂用快速水玻璃，背砂用慢速水玻璃来缩短面背砂二者可使用时间的差距，提高背砂的粘结强度，避免面砂与背砂间两层脱节的现象，而且，还减少了水玻璃的加入量，具体同工艺如表4所示。
表4 面砂与背砂用水玻璃种类
| 砂种 | 适用水玻璃 | 加入量 |
| 面砂 | zcs101、zcs102、zcs103 | 1.8%~2.2% |
| 背砂 | zcs104、zcs105、zcs106 | 2.2%~2.5% |
六．结论
1．新型水玻璃自硬砂工艺是我国自行研制生产的高强度、低粘度的水溶性粘结剂和专用酯类固化剂，提高了型砂的工艺性能，改善了型（芯）砂的溃散性，实现了旧砂的干法再生回用。铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美。
2．水玻璃加入量低、型砂强度高，冬季硬透性好，硬化速度可调，脱模时间短，可使用时间长。
3．型（芯）砂热塑性较好，发气量低，可防止铸件产生裂纹和气孔缺陷。
4．对原砂适用范围广，可以用硅砂、铬铁矿砂、镁橄榄石砂等。
5．生产成本低（在各种自硬砂中生产成本最低。）
6．无毒无气味，大大改善劳动环境和减少工业污染，是目前铸造业中可持续发展的最具有生命力的绿色铸造工艺。
