鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的無機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑是鈉水玻璃。此類型芯砂與粘土砂比較，有下列優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)型(芯)砂流動性好，易于緊實(shí)，故造型(芯)勞動強(qiáng)度低。

　　(2)硬化快，強(qiáng)度較高，可簡化造型(芯)工藝，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動生產(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間，降低能耗，改善工作環(huán)境和工作條件。

　　1.鈉水玻璃粘結(jié)劑

　　水玻璃是各種聚硅酸鹽水溶液的通稱。鑄造上最常用的是鈉水玻璃(Sodiumsilicate water glass)，因其便宜，來源充足;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(qiáng)堿鹽，干態(tài)時為白色或灰白色團(tuán)塊或粉末，溶于水時，純的鈉水玻璃外觀為無色粘稠液體，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。

　　鈉水玻璃有幾個重要參數(shù)，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(shù)、密度、含固量和粘度等。

　　(1)模數(shù)

　　鈉水玻璃中Si02和Na20的摩爾數(shù)之比稱為模數(shù)，用M來表示。模數(shù)的大小僅表示鈉水玻璃中SiO2、Na2O的摩爾數(shù)之比，并不表示鈉水玻璃中硅酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。但是模數(shù)改變，鈉水玻璃結(jié)構(gòu)及其物理—化學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生變化，因為模數(shù)的大小直接影響硅酸陰離子的聚合度，聚合度越高，模數(shù)也越大。模數(shù)越高，作為芯(型)砂粘結(jié)劑時的硬化速度也越快，達(dá)到最高強(qiáng)度的時間也越短。但過高的模數(shù)，將使芯(型)砂的保存性差，不適于造型和造芯。

　　鈉水玻璃模數(shù)可以通過化學(xué)的方法降低或提高。降低鈉水玻璃模數(shù)可加入適量的NaOH，以提高水玻璃中Na20的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，從而相對地減少Si02的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。鑄造生產(chǎn)中，吹C02硬化時常用模數(shù)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?jǐn)?shù)，而不是它的模數(shù)，因為Na2O (62)和Si02(60)(括號中數(shù)值為相對分子質(zhì)量)的相對分子質(zhì)量數(shù)值很近似。密度低，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，含固量少，不宜用作型(芯)砂粘結(jié)劑;反之，密度過大，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(jī)理

　　硅酸鈉是弱酸強(qiáng)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(fù)離子和鈉離子在水中的分散體系。不同硅酸鹽負(fù)離子的平衡是錯綜復(fù)雜的，它取決于pH值、模數(shù)和溫度，在若干特有的反應(yīng)過程中達(dá)到平衡。其中最有意義的反應(yīng)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(yīng)(向左進(jìn)行).，硅氧烷鏈(Si-0-Si(siloxane linkage)沿線性方向生長，就形成高聚物(polymcr);當(dāng)它在三維空間任意生長時，就形成凝膠(gel)，這就導(dǎo)致了鈉水玻璃的硬化。

　　如果沒有任何膠凝作用的影響，鈉水玻璃則可保存很長時間，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(wěn)定特性，通常被用來加速鈉水玻璃的縮聚，以形成堅硬的三維的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使型砂粘結(jié)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(yīng)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(fù)合作用來達(dá)到硬化。

　　(1)加熱硬化----失水發(fā)生由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)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(yīng)的化合物等都可使鈉水玻璃硬化。圖是Na20、Si02和H20三元系統(tǒng)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(qū)域9，M=2.0—3.3，p=1.2—1.7g/cm3)，當(dāng)這種水玻璃與砂混合制成砂芯(型)時，如果用加熱(或用熱空氣)方式硬化，會按圖中帶箭頭虛線指示的方向，液體鈉水玻璃先變成粘稠液體，接著成為半固體，再變成脫水液體。

　　(2)化學(xué)反應(yīng)形成新的產(chǎn)物

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

　　圖為pH值對鈉水玻璃膠凝時間的影響曲線，曲線呈大寫“N”字形,即著名的“N曲線”。膠凝速度最快的pH值，亦即曲線的最低點(diǎn)在6.8到7.1之間;鈉水玻璃穩(wěn)定性最好、膠凝速度非常慢的pH值，也就是曲線的最高點(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(dá)到迅速硬化。

　　鈉水玻璃同C02反應(yīng)，消耗Na20，把凝膠化的水玻璃推到圖的不穩(wěn)定液體和凝膠區(qū)域(圖區(qū)域11)。這種Si02凝膠含$i02高，并使砂芯和砂型建立強(qiáng)度。

　　C02是一種脫水能力相當(dāng)強(qiáng)的氣體，從砂粒周圍流過，C02與粘結(jié)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(yīng)，兩種機(jī)理難以截然分開，通常其粘結(jié)是兩種作用的結(jié)果。(哪一種作用占主導(dǎo)地位?)

　　采用C02法硬化，有人認(rèn)為僅發(fā)揮了鈉水玻璃粘結(jié)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?jǐn)?shù))。圖所示為C02硬化后包裹在砂粒表面的鈉水玻璃膜的結(jié)構(gòu)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(jié)晶(粉化即白霜)，里層Ⅱ的主要成分是尚未反應(yīng)的硅酸鈉膠體。

　　B)有機(jī)酯液態(tài)硬化劑

　　酯促使鈉水玻璃砂硬化建立強(qiáng)度分兩階段，酯使鈉水玻璃膠凝化，產(chǎn)生強(qiáng)度;最終強(qiáng)度來自硅酸鈉脫水。用酯硬化時，酯在鈉水玻璃中進(jìn)行水解生成有機(jī)酸和醇，有機(jī)酸提供氫離子，其反應(yīng)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(yīng)，生成脂肪酸鈉;H+與鈉水玻璃的OH-結(jié)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，并促使朝著生成大的凝聚的硅酸分子方向移動，當(dāng)它在三維空間任意生長時，就形成凝膠，這就導(dǎo)致鈉水玻璃硬化。

　　(3)不同硬化方法所得鈉水玻璃砂的強(qiáng)度是不同的。

　　其原因為：

　?、偎玫降恼辰Y(jié)劑膜組織的密度和有序性排列不同，因而影響強(qiáng)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(yīng)的粘結(jié)膜的內(nèi)聚強(qiáng)度為41MPa、29.8MPa、20.5MPa、14.9MPa;

　?、谒免c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—0.48?m，酯硬化的為0.07-0.18?m，真空硬化的為0.06-0.16?m，加熱硬化的只有0.035-0.04?m，因而強(qiáng)度會明顯不同。

　　(四)其它類型的砂型

　　還可使用硅溶膠、植物油、樹脂等作為粘結(jié)劑形成不同類型的砂型。

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