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，價格較低，來源廣，使用方便，無環境污染等優點，在鑄鋼件及鑄鐵件的生產中，水玻璃具有廣泛的應用。但是，水玻璃砂的潰散性差，即時強度低及再生效果差、嚴重阻礙了其應用范圍的擴大。70年代末，國內外學者就對水玻璃的化學改性進行了大量研究，取得了一定進展，但依靠化學改性并不能完全解決水玻璃砂所存在的問題。近年來國內研究表明，對于水玻璃進行超聲改性，能提高σ干拉，但對于水玻璃砂的其他性能究竟影響怎樣？合適的超聲處理時間怎樣？在改性基礎上加入附加物對其性能有何影響，均未見報導，對此進行研究，有一定現實意義。

1 試驗條件及測量指標

圖1 水玻璃超生改性裝置簡圖

1.1 水玻璃的超聲處理

將超聲波發生器的磁玫伸縮桿直接插入盛有水玻璃的容器中（見圖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、測量其性能。

1.2 測量指標及測試方法

1.2.1 濕強度：測定σ濕壓、σ濕拉，反映常溫自然硬化場合下的造型性能，統一測量常溫下放置5小時的性能。

1.2.2 干強度：測定σ干壓、σ干拉、σ干剪，測量試樣在預熱250℃的烘爐中，保溫1小時冷卻后的性能。

1.2.3 潰散性能：以試樣在1000℃的烘爐中，保溫半小時冷卻至室溫的高溫殘留抗壓強度σ殘壓表示，并實澆鑄件，以清砂結果為根據實驗。

σ干壓采用萬能液壓試驗機測定，其它性能采用SQY液壓強度試驗儀測定。

1.3 制樣

采用三錘緊實法制作標準試樣。測量三個試樣值，取算數平均值代表測量性能值。

1.4 原材料

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

2 實驗結果及分析

2.1 水玻璃超聲處理時間的確定

圖2 水玻璃砂的性能與超聲處理時間的關系

圖2是不同超聲處理時間下，原砂100%+水玻璃8%+水5%配制的水玻璃砂的各種性能測量結果，由圖可見：

2.1.1 水玻璃的合適超聲處理時間為60分鐘，在該時間下，與未改性水玻璃砂相比，超聲處理使水玻璃砂濕強度提高顯著，同時也能使水玻璃砂的干強度提高。對于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度及干強度提高是由于：

（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，消除了水玻璃的老化現象。

（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。超聲處理對水玻璃砂潰散性能的改善的原因，尚待進一步研究。

2.2 超聲處理情況下，水玻璃用量與型砂性能的關系。

圖3 超聲處理60分水玻璃加入量對型砂性能的影響

2.2.1 水玻璃經超聲處理，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，干拉強度與未改性的水玻璃砂8%的用量接近，但濕強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，經超聲改性，可使水玻璃用量進一步降至4%左右，與未改性水玻璃加入量為8%的水玻璃砂相比，濕強度提高4倍，高溫殘留強度可降低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度，是提高水玻璃砂潰散性能的主要途徑。

2.3 附加物對改性水玻璃砂的性能的影響

表1 附加物對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、水玻璃超聲處理時間為1小時條件下，加入粘土附加物的性能對比情況。由表1可見，在其他條件相同情況下：

2.3.1 加入膨潤土等附加物對性能的影響與水玻璃不經超聲處理的情況基本相同，可使濕強度增加，殘留強度降低，但干強度下降。其原因是粉料的加入在濕態起一定粘結作用，但在干態由于破壞了砂粒表面層硅酸膜的連續性，減少水玻璃“粘結橋”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，但使型砂殘留強度降低，其原因尚待進一步研究。

3 結論

3.1 型砂強度

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

3.2 超聲處理時間

在本實驗條件下，超聲處理時間的合適時間為1小時左右。

3.3 水玻璃用量

經超聲處理，在滿足生產條件下，可使水玻璃用量由8%降至4%，此時水玻璃砂的濕強度適宜，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，加入膨潤土可提高濕強度，潰散性，但干強度降低。加入磁化水可提高潰散性。這）些可根據不同使用場合合理選用。

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［2］朱純熙，等.水玻璃的化學改性[J].鑄造，1991（3）：23－26.

［3］謝祖錫.水玻璃的超聲改性及水玻璃砂性能的改善[J].鑄造，1991（7）：31－33.

［4］昆明工學院.造型材料[M].昆明：云南人民出版社，1978.

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