（接上期）4、芯的发气量　　由于粘结砂的流动性好，对于制造表面粗糙度有特殊要求的铸件，可以采用粒度较细的原砂。在这种条件下，芯的透气性当然较低，但是，由于芯砂的发气量小，而且发气缓慢，不会使铸件产生气孔缺陷。　　用新型硅酸盐粘结剂制芯、与用冷芯盒工艺制芯相比，两种芯砂在500～1000℃间不同温度下、保持不同时间的发气量见表3（表中符号“∥”左侧的数字是尿烷树脂粘结砂芯的发气量，右侧是新型硅酸盐粘结砂芯的发气量）。
　　　　　　　表3 两种芯在不同温度下保持不同时间的发气量（g/ kg芯砂）

温度/℃	0s	30s	60s	90s	120s	150s
500	0 ∥ 0	0.0 ∥ 0.0	2.5 ∥ 0.5	3.5 ∥ 1.1	5.1 ∥ 2.0	6.4 ∥ 3.0
600	0 ∥ 0	3.2 ∥ 0.8	5.9 ∥ 1.3	7.6 ∥ 1.7	8.8 ∥ 2.0	9.6 ∥ 2.1
700	0 ∥ 0	5.9 ∥ 0.6	7.7 ∥ 1.1	9.7 ∥ 1.5	10.7∥ 1.8	11.1∥ 2.0
800	0 ∥ 0	6.5 ∥ 1.0	9.3 ∥1.7	10.1∥ 2.0	10.9∥2.1	11.2∥ 2.2
900	0 ∥ 0	8.5 ∥ 2.0	10.4∥2.7	11.1∥ 3.0	11.5∥ －	11.6∥ －
1000	0 ∥ 0	10.4∥ 2.8	11.1∥2.3	11.9∥ 3.1	－ ∥ －	－ ∥ －

　　由表3可见，用新型硅酸盐粘结剂配制的型砂、芯砂，与冷芯盒相比，其发气量真是很小、很小，两者的差距不是有一些，而是数倍之多。　　用有机粘结剂制成的铸型、芯，浇注后很快就因粘结剂的热解而析出大量气体，在砂型（芯）与铸件的界面处形成2～4kPa的压强，这就可能导致铸件产生铸造缺陷。采用新型硅酸盐粘结剂，浇注后因析出气体而在界面处形成这样的压强，大约要推迟35～45s，这时，铸件的表面已经凝固，不会因此而产生铸造缺陷。　　德国T.Pabel等人的研究工作表明，采用硅酸盐粘结剂制芯，浇注后释放气体的特点，不仅有环保方面的优点，而且可以提高铸件材质的致密度，从而提高铝合金的力学性能。　　在采用金属型铸造的条件下，如用有机粘结剂制芯，浇注后不仅释放大量气体，而且还会在金属型表面、通风系统内、乃至铸件表面上残留凝聚物。需要经常清理这种凝聚物，不仅影响生产率，而且会增加生产成本。采用无机粘结剂制芯，显著改善了这种情况，带来的效益也是值得关注的。5、对铸件冷却条件的影响　　采用改性硅酸盐粘结剂，其对铸件冷却条件的影响也是值得注意的。　　采用有机粘结剂造型、制芯，浇注金属液后，芯受热，有机粘结剂降解，同时释放热量。这种条件当然会影响铸件凝固、冷却过程中热量的释放，使铸件的冷却速率降低。　　采用硅酸盐粘结剂，不仅没有粘结剂降解、发热的问题，反而是型砂、芯砂中残留水分的蒸发需要吸收热量，成为增强铸件冷却的因素。　　再则，采用金属型铸造生产铝合金缸盖，目前是应用面很广的工艺。在这种情况下，如果用有机粘结剂制芯，为减轻浇注后因粘结剂热解而在金属型表面凝聚残留物，浇注前往往要使金属型保持较高的温度。采用无机粘结剂制芯，就可以适当降低金属型的预热温度。这也是增强铸件冷却的因素。　　因此，采用新型硅酸盐粘结剂制芯，替代冷芯盒工艺制芯，铸件材质的组织和力学性能都有所改善，这对于车辆的轻量化和发动机效能的改善，是非常有益的。　　同时，增强铸件的冷却条件，还可以缩短铸件的生产周期。欧洲某汽车制造厂用金属型铸造工艺生产铝合金缸盖实际情况表明：以前用尿烷树脂冷芯盒工艺制芯，每一缸盖的生产周期为6min；采用新型硅酸盐粘结剂制芯，生产周期缩短到5.5min。6、旧砂的再生　　废、旧砂的再生和循环利用，不仅可以降低生产成本，而且有节约资源、减少废弃物的排放和保护环境等多方面的效益，是可持续发展的体现。传统水玻璃粘结砂的应用受到制约，主要的问题之一就在于旧砂再生困难。　　旧砂的再生回用，是大量生产中的一项非常重要的问题。2012年，德国J.Müller等，就新型两组分硅酸盐粘结剂，开发了一项新的旧砂再生工艺。新工艺是在用机械再生、热再生和湿法再生等3种工艺进行试验，并作成本核算的基础上建立的。试验中对芯砂进行了分析、研究，测定了残留氧化钠含量和芯的质量。选取的再生工艺，是机械再生、风动再生和热法再生配合使用的工艺。　　采用这种砂再生工艺，用经5次再生、循环使用的旧砂配制的芯砂，其抗弯强度仍然略高于全部用新砂配制的芯砂，参见表4。 表4 用新型硅酸盐粘结剂时原料砂的状况对芯砂抗弯强度的影响

配砂用的原料砂	新砂	经一次再生	经二次再生	经三次再生	经四次再生	经五次再生
硬化后即时强度/ MPa	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5	1.5
放置30min后的强度/MPa	3.4	3.4	4.1	3.9	3.8	3.9
放置60min后的强度/MPa	3.6	3.4	3.8	3.9	4.0	4.1

　　由于改性硅酸盐粘结剂具有上述特点，这项工艺经过逐步改进、完善，目前已经成功地在多个国家汽车行业中，用于大量生产铝合金铸件的芯，替代尿烷树脂冷芯盒工艺制芯，特别是金属型铸造工艺中用的芯，不仅生产的铸件质量良好，而且还改善了生产的经济效益。　　在这方面，进一步发展的目标是将其用于大量生产铸铁件。四、地矿质聚合物无机粘结剂　　近几年，捷克的A.Burian等研发了一项新型无机粘结剂，名称为“地矿质聚合物粘结剂（Geopolymeric Inorganic Binder）”,也是一种以改性硅酸盐为基础的粘结剂，目前，已经在欧洲一些国家广泛应用，美国也有一些铸造厂采用。　　这种粘结剂的主要组分是溶于水中的铝硅酸盐，再加入碱性氧化物使之稳定。　　Al2O3在硅酸盐中的作用非常复杂，其中，Al不能独立形成硅酸盐类型的网络，但能与Si置换。Al3＋的配位数可以是4或6，在有碱金属离子存在的条件下，Al2O3可以以［AlO4］配位，与［SiO4］联成复杂的铝硅氧负离子团，即铝氧四面体［AlO4］和硅氧四面体［SiO4］共有一个［O2－］的结构。　　这种含硅、氧的地矿质聚合物，其中的结合链（-Si-O-Al-O-），与只含有硅氧四面体和（-O-Si-O-Si-O-）链的常规硅胶相比，结构更为坚固耐久。试验表明，水玻璃用含铝的添加剂改性后，可以提高粘结剂硬化后的内聚强度，因而可以减少型（芯）砂中粘结剂的用量。　　为了适应不同生产条件的要求，目前还有与这种粘结剂配合使用的多种添加剂可供选用，有进一步提高粘结强度的、有采用吹CO2硬化工艺时加速粘结剂硬化的、也有改善旧砂再生性能的。　　与常规的铸造用水玻璃相比，这种粘结剂有以下特点：　　在采用自硬工艺的条件下，加入2.5％地矿质粘结剂的型（芯）砂，在不同温度、湿度下，强度都明显高于加入3.5％的常规水玻璃粘结砂；　　在采用吹CO2硬化工艺的条件下，加入2.5％含专用添加剂的地矿质复合粘结剂，型（芯）砂在不同温度、湿度下，强度都明显高于加入4.0％的常规水玻璃粘结砂；　　由于粘结剂用量少，改善了型（芯）砂的流动性，铸型、芯的紧实度提高，脱模后的变形量减少；　　铸件的表面粗糙度也比较细。　　用地矿质粘结剂配制的型（芯）砂，落砂优于常规的水玻璃粘结砂，旧砂再生的效果也比较好，这是由于其具有如下的特性：　　由于地矿质粘结剂的聚合强度大，其对砂粒表面的附着力相对较低，铸型、芯在外力作用下破碎时，粘结膜较易于自砂粒表面剥落；　　粘结剂的用量少；　　型（芯）砂受热后的残留强度低，加有专用添加剂地矿质粘结砂，经800℃加热后，残留抗拉强度约为0.2MPa，还不及常规水玻璃粘结砂的1/5。　　目前，这种地矿质聚合物型粘结剂，在替代常规水玻璃的应用方面，已经获得了相当的成功，但仍然有待进一步的研究和发展。五、由改性硅酸盐导出的一项新工艺　　在一定的条件下，脱水硅酸盐易溶于水的特点，还可能为铸造行业中硅酸盐粘结砂的应用开创一项新的前景。　　经硬化的硅酸盐，其在水中的溶解度取决于硬化方法和硅酸盐中的硅/碱比（即硅酸盐中含有的硅量和碱金属量的比值）。脱水硅酸盐在水中的溶解度，高于碱性硅酸盐中由中和反应而形成的硅胶。　　脱水硅酸盐的溶解度，因其硬化程度的增强而下降。经硬化的硅酸盐的溶解度也与粘结剂中所含碱金属的及其含量有关。粘结剂中的 硅/碱 比越低，经硬化的粘结剂越容易溶于水。　　还可以通过加入碱金属磷酸盐之类的改性剂提高硅酸盐的溶解度。　　硅酸盐粘结砂制成的铸型、芯，干燥后的粘结剂能溶于水，可以利用这一特性使铸件和造型材料分离。采用这种水溶落砂工艺（ablation process），就不用传统的机械落砂装置。2007年，J.Grassi，J.Campbell和G.Kuhlman，就这一工艺获得了美国专利（No.7165000）。用前面提到的硅酸盐-磷酸盐复合粘结剂造型，加热硬化。铸型浇注铝合金后，不久就向其喷水。水很快就使已硬化的硅酸盐粘结剂溶解，铸型逐渐剥落，水很快就触及铸件的表面。由于水的作用，增强了金属的凝固速率和凝固后铸件的冷却速率。这样的凝固、冷却条件，改变了铸件的金属组织，从而其力学性能显著提高。　　最近，D.Weiss，J.Grassi，B.Schultz和P.Rohatgi，就不同工艺铸造的A356铝合金（ZAlSi7Mg）的力学性能作了比较，结果见表5。
表5 用不同工艺方法铸造的A356铝合金的力学性能

铸造工艺	砂型铸造	金属型铸造	挤压铸造	水溶落砂工艺
抗拉强度/ MPa	228	262	312	325
屈服强度/ MPa	179	207	243	261
伸长率/％	3.5	4.0	11.0	12.5

　　在采用改性硅酸盐之类的粘结剂造型、制芯的条件下，如采用水溶落砂工艺，还可以控制铸件不　　同部位的组织和性能，而这是用常规铸造工艺做不到的。这项工艺，对于壁厚差别大、或对铸件某些部位有特殊要求的铸件，意义尤为重大。 参考文献1、R. Manning，Leonid Zaretskiy，“New generation of inorganic binders，”AFS Trans. Vol.101，pp 205～209（1997）.2、Leonid Zaretskiy，“Modified Silicate Binders New Developments and Applications”International Journal of Metalcasting ，Vol. 10，Issue 1，2016.3、C. Wallenhorst，J. Körschgen，M. Frohn，A. Kasperowski，“Controlling process stability in inorganic core mamufacture，”Cast. Plant Technol.2，2～6（2010）.