（一）概述

1．砂型鑄造的特征及工藝流程

配制型砂—造型—合型—澆注—冷卻—落砂—清理—檢查—熱處理—檢驗—獲得鑄件。

特征：使用型砂構成鑄型并進(jìn)行澆注的方法，通常指在重力作用下的砂型鑄造過(guò)程。

造型方法按機械化程度可分為手工造型和機器造型兩大類(lèi)。

選擇合適的造型方法和正確的造型工藝操作，對提高鑄件質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)率有極重要的意義。

（1）手工造型手工造型是最基本的方法，這種方法適應范圍廣，不需要復雜設備，而且造型質(zhì)量一般能夠滿(mǎn)足工藝要求，所以，到目前為止，在單件、小批生產(chǎn)的鑄造車(chē)間中，手工造型仍占很大比重。在航空、航天、航海領(lǐng)域應用廣泛。手工造型勞動(dòng)強度大，生產(chǎn)率低，鑄件質(zhì)量不易穩定，在很大程度上取決于工人的技術(shù)水平和熟練程度。手工造型方法很多，如模樣造型、刮板造型、地坑造型，各種造型方法有不同的特點(diǎn)和應用范圍。

（２）全自動(dòng)造型用全自動(dòng)造型機完成全部造型工序，稱(chēng)為全自動(dòng)造型，與手工造型相比，機器造型生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩定，勞動(dòng)強度低，對工人的技術(shù)要求不像手工造型那樣高，生產(chǎn)準備時(shí)間長(cháng)，一般適用于一個(gè)分型面的兩箱造型，主要以水平造型較多，方便復雜鑄件下砂芯，技術(shù)也較為成熟，目前具有一定規?；蔫T造企業(yè)已經(jīng)裝配全自動(dòng)造型生產(chǎn)線(xiàn)，包括全自動(dòng)砂處理，全自動(dòng)澆鑄。機器造型主要適用于黑色金屬鑄件的大批量生產(chǎn)。

（二）粘土濕型

1.濕型及其特點(diǎn)

（1）生產(chǎn)靈活性大，適用面廣，既可手工，也可配合半自動(dòng)造型機器（碰碰機）以及全自動(dòng)造型機、結合流水線(xiàn)生產(chǎn)，既可生產(chǎn)大件，也可生產(chǎn)小件，可鑄鋼（中小件），鑄鋁，也可鑄鐵，有色合金等。

（2）生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，便于流水線(xiàn)生產(chǎn)，可實(shí)現機械化及自動(dòng)化，汽車(chē)，柴油機，搶拖拉機行業(yè)應用最廣（300～500kg鑄鐵薄裂件）。

（3）原材料成本低，來(lái)源廣。

（4）節省能源、烘干設備和車(chē)間生產(chǎn)場(chǎng)地面積。

（5）因不需烘干，砂箱壽命長(cháng)。

（6）缺點(diǎn)：操作不當，易產(chǎn)生一些鑄造缺陷：夾砂結疤，鼠尾，砂眼，脹砂，粘砂等。

2．粘土濕型所用的主要原材料

粘土濕型的配方為：原砂（或舊砂）100，粘土（膨潤土）1～5％，煤粉～8％，水～6％，以及其它附加物。

（1）原砂－石英砂

其砂子是火成巖中穩定的部分，主要成分為二氧化硅（SiO2）和少量的雜質(zhì)（Na,k,Ca,Fe等氧化物）。含SiO2極高的砂子稱(chēng)石英砂，有高的熔點(diǎn)，1700℃，摩氏硬度7級（一般將材料分為10級，其中滑石為1級，金剛石為10級），隨夾雜物含量的增加，其耐火度下降，SiO2含量高，砂子的顏色接近無(wú)色透明，一般用石英砂色白并略帶灰色。

鑄造生產(chǎn)所用的石英砂與建筑用砂不同，它有其特殊的要求，主要有：含泥量；顆粒組成；原砂顆粒形狀及表面狀況；原砂的礦物組成和化學(xué)成分等。

生產(chǎn)中通常根據鑄件的合金種類(lèi)、質(zhì)量、壁厚的不同來(lái)選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其它金屬氧化物，因而較易與型砂中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應而造成化學(xué)粘砂。所以要求原砂中Si02含量應較高，有害雜質(zhì)亦應嚴格控制。鑄鋼件的澆注溫度愈高，壁厚愈厚，則對原砂中Si02含量的要求就愈高。

鑄鐵的澆注溫度一般在1400℃以下，鐵液中含有較多碳分，濕型澆注時(shí)型砂中加入有煤等附加物，能產(chǎn)生大量還原性氣氛，在與鑄型相接觸的界面上金屬基本不氧化，實(shí)際上濕型鑄鐵件無(wú)化學(xué)粘砂現象。

燒結點(diǎn)指的是原砂顆粒表面或砂粒間混合物開(kāi)始熔化的溫度。它是原砂各種組合成分耐火性能的綜合反應。所以，有時(shí)采用測定原砂燒結點(diǎn)的辦法能更直觀(guān)地說(shuō)明原砂做為耐火材料的性能，而且可用來(lái)推測原砂中SiO2含量高低和雜質(zhì)多少。長(cháng)石、云母及其雜質(zhì)中所含有的堿金屬氧化物(Na20、K20)、堿土金屬氧化物(CaO、MgO)等能與Si02和氧化鐵生成易熔物質(zhì)。例如Si02與NaO的質(zhì)量比為73：27的混合物，其熔點(diǎn)僅793℃．K2O與SiO2可形成熔點(diǎn)僅525℃低熔物, 燒結點(diǎn)低。

（2）原砂－非石英質(zhì)原砂

硅砂缺點(diǎn)：熱膨脹系數比較大，而且在573℃時(shí)會(huì )因相變而產(chǎn)生突然膨脹-----鑄件若裂；熱擴散率比較低；容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì )對鑄型與金屬的界面反應起不良影響。在生產(chǎn)高合金鋼鑄件或大型鑄鋼件時(shí)，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清砂十分困難。

非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離Si02的原砂。在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來(lái)配制無(wú)機和有機化學(xué)粘結劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數都具有較高的耐火度、熱導率、熱擴散率和蓄熱系數，熱膨脹系數低而且膨脹均勻，無(wú)體積突變，與金屬氧化物的反應能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高，比較稀缺，故應當合理選用。

目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等。真正廣泛使用的仍為石英砂。

（3）粘土----膨潤土

粘土的礦物成分粘土是濕型砂的主要粘結劑。粘土被水濕潤后具有粘結性和可塑性；烘干后硬結，具有干強度，而硬結的粘土加水后又能恢復粘結性和可塑性。粘土主要是由細小結晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。

粘土礦物的種類(lèi)很多，按晶體結構可分為高嶺石和蒙脫石等。通常根據所含粘土礦物種類(lèi)不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土(fireclay)和鑄造用膨潤土(bentonite)兩類(lèi)。膨潤土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結劑。

（4）粘土的粘結機理

粘土在水中形成的粘土-水體系是膠體，帶負電的粘土顆粒將極性水分子吸引在自己的周?chē)?，形成膠團的水化膜，依靠粘土顆粒間的公共水化膜，通過(guò)其中的水化陽(yáng)離子所起的“橋”或鍵的作用，使粘土顆粒相互結合起來(lái)，在水化膜中處在吸附層的水分子被粘土質(zhì)點(diǎn)表面吸附得很緊，而處于擴散層中的水分子較松，公共水化膜就是粘土膠粒間的公共擴散層。粘土和水量比例適宜時(shí)，才能獲得最佳的濕態(tài)粘結力。一般說(shuō)來(lái)，粘土顆粒所帶電荷愈多或粘土顆粒愈細小，比表面積愈大，則濕粘結力愈大。

關(guān)于粘土顆粒與砂粒之間的粘結則被解釋為：砂粒因自然破碎及其在混碾過(guò)程中產(chǎn)生新的破碎面而帶微弱負電，也能使極性水分子在其周?chē)巹t地定向排列。這樣，粘土顆粒與砂粒之間的公共水化膜，通過(guò)其中水化陽(yáng)離子的“橋’’或鍵的作用，使粘土砂獲得濕態(tài)強度。

（5）附加物

3．濕型砂的混制工藝及舊砂的處理

生產(chǎn)中常用的混砂機有碾輪式(vertical wheel sand muller)、擺輪式(horizontalwheel sand muller，speed muller)、葉片式(blade mixer)等。各有優(yōu)缺點(diǎn)。

生產(chǎn)1t鑄件約需要5-10t濕型型砂，配制型砂時(shí)都盡量回用舊砂(即重復使用過(guò)的型砂)，即經(jīng)濟也是保護環(huán)境的需要。但簡(jiǎn)單地重復使用舊砂，會(huì )使型砂性能變壞，鑄件質(zhì)量下降。必須了解舊砂的特性，掌握其性能變化的規律，采取必要措施，才能保證和穩定型砂的性能?；焐皶r(shí)還需向舊砂中補充加入新砂、膨潤土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。

4．粘土濕型的緊實(shí)工藝

（1）對型(芯)砂緊實(shí)度的要求

１）緊實(shí)度對鑄型性能的影響　型砂需要緊實(shí)才能成為整體的砂型。型砂的緊實(shí)度常用緊實(shí)度（密度）和孔隙度表示，緊實(shí)度影響著(zhù)鑄型的強度和透氣性。緊實(shí)度越大，鑄型強度越大，透氣性越差。緊實(shí)度高，蓄熱系數也高，加快了金屬的凝固冷卻速度，改善了鑄件的內在質(zhì)量，組織更為致密，鑄件尺寸精確，力學(xué)性能有所提高，對高壓造型的研究表明，鑄型緊實(shí)度高，澆注時(shí)型壁移動(dòng)量小，鑄件尺寸精確，表面光潔。因此，鑄件可以做的更薄，進(jìn)而減輕鑄件重量。

2）型砂緊實(shí)度的要求 要求鑄型緊實(shí)度高且均勻。高壓造型法由于鑄型緊實(shí)度高，其鑄型性能和鑄件質(zhì)量普遍好于中低壓造型。高壓造型法的目的就在于制出均勻的高緊實(shí)度鑄型。理論和實(shí)驗研究證明其壓實(shí)方法和壓頭形式對緊實(shí)度有很大的影響。對濕型而言，通常有震擊緊實(shí)、震壓緊實(shí)、壓實(shí)、微震壓實(shí)和高壓緊實(shí)等，下面簡(jiǎn)單介紹其緊實(shí)方法。

（2）震擊緊實(shí)和震壓緊實(shí) 

震擊緊實(shí)用震擊造型機來(lái)完成。多以壓縮空氣為動(dòng)力，利用震擊動(dòng)能和慣性使型砂緊實(shí)。將砂箱1放在模板2上，型板固定于震擊工作臺，與震擊活塞3相連，4為震擊氣缸。砂箱內裝滿(mǎn)型砂后，打開(kāi)進(jìn)氣閥，使壓縮空氣進(jìn)入震擊氣缸，推動(dòng)活塞上升?；钊叱^(guò)排氣孔時(shí)，壓縮空氣由排氣孔逸出，氣缸中的壓力突然下降，此時(shí)震擊活塞連同砂箱模板下落，與震擊氣缸發(fā)生撞擊，砂箱中的型砂由于慣性力的作用而互相緊實(shí)。而后因出氣孔堵住，進(jìn)氣孔進(jìn)入的壓縮空氣壓力超過(guò)砂箱型板活塞等的重量，使工作臺上升，如此連續震擊，使型砂得以緊實(shí)。震擊高度一般為30~60mm，震擊次數30~50/min次為宜，一般不超過(guò)80次。震擊緊實(shí)適用于大砂箱，砂箱高度不低于150mm，否則緊實(shí)效果不好。其型砂緊實(shí)度沿砂箱高度是上松下緊，頂部型砂緊實(shí)度幾乎與震前一樣。

為了克服震擊緊實(shí)砂箱上部型砂緊實(shí)度太松的缺點(diǎn)，可以先震擊使底部型砂緊實(shí)，再對頂部型砂補充壓實(shí)。這種經(jīng)震擊后再加壓的造型機叫做震壓造型機。震壓緊實(shí)型砂的緊實(shí)度分布好，特別是在砂箱不太高的情況下，壓實(shí)的影響可以達到分型面，這樣可以大大減少震擊次數，從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，節約能耗。但由于補加壓實(shí)以壓縮空氣為動(dòng)力，比壓較低，故多用于中小砂箱的型砂緊實(shí)。震擊造型機和震壓造型機的結構都比較簡(jiǎn)單，操作維修方便，適用性強，一般中小型鑄件都適用。但是震擊式造型機工作時(shí)噪音太大，強烈的震動(dòng)也對廠(chǎng)房建筑提出了較高的標準。

（3）壓實(shí)、微震壓實(shí)和高壓緊實(shí) 

壓實(shí)緊實(shí)是通過(guò)壓實(shí)造型機來(lái)完成的，多以壓縮空氣為動(dòng)力對型砂壓實(shí)緊實(shí)。打開(kāi)進(jìn)氣閥，壓縮空氣由進(jìn)氣孔進(jìn)入壓實(shí)氣缸4，將活塞3舉起，當砂箱2內的型砂碰到壓頭1時(shí)，就發(fā)生壓實(shí)作用。型砂壓實(shí)后，打開(kāi)排氣閥，氣缸中的壓縮空氣排出，活塞立即下降，壓實(shí)工作完成。這種緊實(shí)較震擊緊實(shí)的效率高，噪音很小，機器結構也很簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是型砂緊實(shí)度不均勻，上緊下松。適用于砂箱高度不超過(guò)150mm而底面積一般不超過(guò)800×600mm的鑄型。

微震壓實(shí)造型是在型砂受壓的同時(shí)，模板、砂箱和型砂作高頻小振幅(10-13Hz，3-8mm，普通震擊造型的震擊頻率和振幅分別為1.1-3.3Hz，30-80mm)的一種造型方法。當壓縮空氣經(jīng)過(guò)工作臺的進(jìn)氣孔進(jìn)入微震氣缸后，在壓縮空氣的壓力作用下，微震活塞與固定在工作臺上的模板、砂箱上升；同時(shí)壓縮空氣的壓力還使微震氣缸向下運動(dòng)，壓縮微壓氣缸下的彈簧；當微震活塞上升至打開(kāi)排氣孔時(shí)(排氣孔面積是進(jìn)氣孔的6~7倍)，缸內氣壓迅速降低，工作臺等靠自重下落，而微震氣缸受彈簧作用上升，二者發(fā)生撞擊，使砂箱內的型砂獲得一次緊實(shí)。這樣多次重復，型砂就能較為迅速地達到預定的緊實(shí)度要求。

微震壓實(shí)造型比單純壓實(shí)效果好，在相同壓力下，能獲得更高的緊實(shí)度，相當于提高比壓30~50%，而且砂型的緊實(shí)度分布比較均勻；生產(chǎn)率高，每小時(shí)可達120箱以上，鑄件質(zhì)量較好；震擊噪音小，勞動(dòng)條件好，并可降低對廠(chǎng)房基礎的要求；機器使用可靠，維修方便，價(jià)格也比較低廉。其主要缺點(diǎn)是仍有一定的噪音。微震壓實(shí)造型在中小鑄件的生產(chǎn)中已得到較為廣泛的應用。

上述壓實(shí)造型是中低壓壓實(shí)，其壓實(shí)比壓為0.4MPa左右。近年來(lái)，國內外大量發(fā)展和采用高壓壓實(shí)造型機。用高壓造型機造型時(shí)，由于壓實(shí)比壓提高到0.7Mpa以上，砂型硬度、緊實(shí)度和強度都大為提高，沿砂箱高度方向的緊實(shí)度分布得到有所改善，砂型輪廓清晰，可以得到尺寸比較準確的鑄件（可達CT7~8級），表面光潔（Ramax=3.2~2.5μm）；由于鑄型緊實(shí)度高，蓄熱系數也高，加快了金屬凝固、冷卻速度，改善了鑄件內部質(zhì)量，提高了力學(xué)性能；節約金屬，減少加工余量及費用；壓實(shí)緊砂工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高（200~300箱砂型/h），易于機械化，噪音小，勞動(dòng)強度低；適應性強，能制造復雜、較大的鑄件。其缺點(diǎn)是機器結構復雜，生產(chǎn)線(xiàn)投資大；要求工藝裝備精度高，剛性大；要求有較高的設備維修保養能力。高壓造型適用于成批大量生產(chǎn)、砂箱尺寸較大、鑄件較復雜及要求較小的尺寸公差和表面粗糙度低的鑄件的生產(chǎn)。

（4）氣流沖砂緊實(shí) 

氣流沖擊緊實(shí)造型是將壓力為0.4~0.6MPa的壓縮空氣以均勻的氣流沖擊型砂表面，使型砂緊實(shí)的造型新方法。鑄型的緊實(shí)機構采用脈沖發(fā)生器（沖擊頭），其結構似儲氣罐，內有一小室3，室內壓縮空氣壓力通常為0.4~0.6MPa，稱(chēng)為過(guò)剩壓力。小室外部壓縮空氣壓力通常比室內空氣壓力低0.1MPa，稱(chēng)為儲氣罐壓力。砂箱7和輔助框6充滿(mǎn)型砂，移到?jīng)_擊頭下邊并被壓緊后，打開(kāi)單向快開(kāi)閥2，室內壓縮空氣的過(guò)剩壓力驟然下降，強制打開(kāi)隔膜閥5，使壓縮空氣迅速加速而產(chǎn)生氣流沖擊，繼而由于空氣急劇膨脹而形成壓力波，其速度可達800m/s以上；壓力波在若干毫秒內穿透整個(gè)砂型，使砂型緊實(shí)。

氣流沖擊造型的主要優(yōu)點(diǎn)是：砂型緊實(shí)度均勻，砂型硬度高，鑄件尺寸精度和光潔程度都得到提高；造型機結構簡(jiǎn)單，噪音??；生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件好；砂型充填性好，吃砂量少，可節約型砂及混砂能耗；適應性強，既可利用高壓造型型砂，也可利用普通機器造型型砂。缺點(diǎn)是仍然有一定的噪音；砂箱或芯盒必須有足夠的強度和剛度。

（三）鈉水玻璃砂型

鑄造生產(chǎn)中應用最廣泛的無(wú)機化學(xué)粘結劑是鈉水玻璃。此類(lèi)型芯砂與粘土砂比較，有下列優(yōu)點(diǎn)：

(1)型(芯)砂流動(dòng)性好，易于緊實(shí)，故造型（芯）勞動(dòng)強度低。

(2)硬化快，強度較高，可簡(jiǎn)化造型（芯）工藝，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。

(3)可在型(芯)硬化后起模，型、芯尺寸精度高。

(4)可取消或縮短烘烤時(shí)間，降低能耗，改善工作環(huán)境和工作條件。

1．鈉水玻璃粘結劑

水玻璃是各種聚硅酸鹽水溶液的通稱(chēng)。鑄造上最常用的是鈉水玻璃(Sodiumsilicate water glass)，因其便宜，來(lái)源充足；其次為鉀水玻璃，此外還有鋰水玻璃、鉀鈉水玻璃、季銨鹽水玻璃等，分別是硅酸鈉(Na20·mSi02)、硅酸鉀(K20，nSi02)、硅酸鋰(Li20·mSi02)、硅酸鉀鈉(mK20·Na20·nSi02)、季銨鹽的水溶液。

硅酸鈉是弱酸強堿鹽，干態(tài)時(shí)為白色或灰白色團塊或粉末，溶于水時(shí)，純的鈉水玻璃外觀(guān)為無(wú)色粘稠液體，由于含鐵鹽而呈灰色或綠色,pH值一般在11-13。鈉水玻璃的化學(xué)式為Na20·mSi02·nH20。

鈉水玻璃有幾個(gè)重要參數，直接影響它的化學(xué)和物理性質(zhì)，也直接影響鈉水玻璃砂的工藝性能，這就是鈉水玻璃的模數、密度、含固量和粘度等。

(1)模數

鈉水玻璃中Si02和Na20的摩爾數之比稱(chēng)為模數，用M來(lái)表示。模數的大小僅表示鈉水玻璃中SiO2、Na2O的摩爾數之比，并不表示鈉水玻璃中硅酸鈉的質(zhì)量分數。但是模數改變，鈉水玻璃結構及其物理—化學(xué)性質(zhì)也會(huì )發(fā)生變化，因為模數的大小直接影響硅酸陰離子的聚合度，聚合度越高，模數也越大。模數越高，作為芯(型)砂粘結劑時(shí)的硬化速度也越快，達到最高強度的時(shí)間也越短。但過(guò)高的模數，將使芯(型)砂的保存性差，不適于造型和造芯。

鈉水玻璃模數可以通過(guò)化學(xué)的方法降低或提高。降低鈉水玻璃模數可加入適量的NaOH，以提高水玻璃中Na20的質(zhì)量分數，從而相對地減少Si02的質(zhì)量分數。鑄造生產(chǎn)中，吹C02硬化時(shí)常用模數為2的鈉水玻璃。

（2）密度、含固量和粘度

鈉水玻璃的密度P取決于鈉水玻璃中水的質(zhì)量分數，而不是它的模數，因為Na2O （62）和Si02(60)(括號中數值為相對分子質(zhì)量)的相對分子質(zhì)量數值很近似。密度低，水的質(zhì)量分數高，含固量少，不宜用作型(芯)砂粘結劑；反之，密度過(guò)大，粘稠，也不便定量和不利與砂子混合。鑄造上通常采用密度為1．32-1．68g／cm3或波美度35-54的鈉水玻璃。

2。鈉水玻璃砂的硬化機理

硅酸鈉是弱酸強堿鹽，在水溶液中幾乎完全電離，所以鈉水玻璃實(shí)際是部分電離的聚硅酸負離子和鈉離子在水中的分散體系。不同硅酸鹽負離子的平衡是錯綜復雜的，它取決于pH值、模數和溫度，在若干特有的反應過(guò)程中達到平衡。其中最有意義的反應是硅酸鈉(以=Si-0-Na表示)的鈉-氧鍵水解(hydrolysis)(向右進(jìn)行)和酸-堿反應(向左進(jìn)行).，硅氧烷鏈(Si-0-Si(siloxanelinkage)沿線(xiàn)性方向生長(cháng)，就形成高聚物(polymcr)；當它在三維空間任意生長(cháng)時(shí)，就形成凝膠(gel)，這就導致了鈉水玻璃的硬化。

如果沒(méi)有任何膠凝作用的影響，鈉水玻璃則可保存很長(cháng)時(shí)間，但它對引起平衡變化的任何因素卻非常敏感，這一潛在不穩定特性，通常被用來(lái)加速鈉水玻璃的縮聚，以形成堅硬的三維的網(wǎng)狀結構，使型砂粘結在一起。

鑄造生產(chǎn)中常用的一些硬化方法，都是加入能直接或間接影響上述反應平衡點(diǎn)的氣態(tài)、液態(tài)或粉狀固化劑，與OH-作用，從而降低pH值，或靠失水，或靠上述二者的復合作用來(lái)達到硬化。

(1)加熱硬化----失水發(fā)生由液態(tài)到固態(tài)的轉變

凡是能去除鈉水玻璃中水分的方法，如加熱烘干、吹熱空氣或干燥的壓縮空氣、真空脫水、微波照射以及加入產(chǎn)生放熱反應的化合物等都可使鈉水玻璃硬化。圖是Na20、Si02和H20三元系統的常溫狀態(tài)圖。其中鑄造行業(yè)所用的商品液體鈉水玻璃，是圖中陰影部分(區域9，M=2.0—3.3，p=1．2—1．7g／cm3)，當這種水玻璃與砂混合制成砂芯(型)時(shí)，如果用加熱(或用熱空氣)方式硬化，會(huì )按圖中帶箭頭虛線(xiàn)指示的方向，液體鈉水玻璃先變成粘稠液體，接著(zhù)成為半固體，再變成脫水液體。

(2)化學(xué)反應形成新的產(chǎn)物

鈉水玻璃在pH值大于10以上很穩定，加入適量酸性或具有潛在酸性的物質(zhì)時(shí)，其pH值降低，穩定性下降，使水解和縮聚過(guò)程加速進(jìn)行。

圖為pH值對鈉水玻璃膠凝時(shí)間的影響曲線(xiàn)，曲線(xiàn)呈大寫(xiě)“N”字形,即著(zhù)名的“N曲線(xiàn)”。膠凝速度最快的pH值，亦即曲線(xiàn)的最低點(diǎn)在6.8到7.1之間；鈉水玻璃穩定性最好、膠凝速度非常慢的pH值，也就是曲線(xiàn)的最高點(diǎn)，在3.2-3.9和10以上。

A)吹C02硬化

C02與鈉水玻璃中的水作用形成碳酸 ：

CO2 + H20---- 2H+ + C032-

產(chǎn)生的H+使表面鈉水玻璃的pH值不斷降低，并達到迅速硬化。

鈉水玻璃同C02反應，消耗Na20，把凝膠化的水玻璃推到圖的不穩定液體和凝膠區域。這種Si02凝膠含$i02高，并使砂芯和砂型建立強度。

C02是一種脫水能力相當強的氣體，從砂粒周?chē)鬟^(guò)，C02與粘結劑接觸面積大，使鈉水玻璃部分失水，因此，C02硬化既有鈉水玻璃的物理脫水作用，也有化學(xué)反應，兩種機理難以截然分開(kāi)，通常其粘結是兩種作用的結果。(哪一種作用占主導地位?)

采用C02法硬化，有人認為僅發(fā)揮了鈉水玻璃粘結性能的10％，：因此不得不把砂中鈉水玻璃加入量提高到6％-7％(質(zhì)量分數)。圖所示為C02硬化后包裹在砂粒表面的鈉水玻璃膜的結構模型，膜由兩層組成，表層Ι的主要成分是硅酸膠體以及Na2C03和NaHC03結晶(粉化即白霜)，里層Ⅱ的主要成分是尚未反應的硅酸鈉膠體。

B)有機酯液態(tài)硬化劑

酯促使鈉水玻璃砂硬化建立強度分兩階段，酯使鈉水玻璃膠凝化，產(chǎn)生強度；最終強度來(lái)自硅酸鈉脫水。用酯硬化時(shí)，酯在鈉水玻璃中進(jìn)行水解生成有機酸和醇，有機酸提供氫離子，其反應通式是

RCOOR’+H2O-------RCOOH+R’OH

RCOO-與鈉水玻璃電離的鈉離子Na+發(fā)生皂化反應，生成脂肪酸鈉；H+與鈉水玻璃的OH-結合，均有利于酯的進(jìn)一步水解和使鈉水玻璃析出硅酸溶膠，并促使朝著(zhù)生成大的凝聚的硅酸分子方向移動(dòng)，當它在三維空間任意生長(cháng)時(shí)，就形成凝膠，這就導致鈉水玻璃硬化。

(3)不同硬化方法所得鈉水玻璃砂的強度是不同的。

其原因為：

①所得到的粘結劑膜組織的密度和有序性排列不同，因而影響強度的大小，其順序為加熱硬化、酯硬化、鉻鐵渣硬化、CO2硬化，相應的粘結膜的內聚強度為41MPa、29.8MPa、20.5MPa、14.9MPa；

②所得鈉水玻璃的凝膠膠粒大小明顯不同，C02硬化的膠粒直徑為0.2—0.48μm，酯硬化的為0.07-0.18μm，真空硬化的為0.06-0.16μm，加熱硬化的只有0.035-0.04μm，因而強度會(huì )明顯不同。

（四）其它類(lèi)型的砂型

還可使用硅溶膠、植物油、樹(shù)脂等作為粘結劑形成不同類(lèi)型的砂型。