2.2 钠水玻璃砂的硬化机理概述

钠水玻璃砂在一定条件下逐渐变硬的过程，称为钠水玻璃砂的硬化。水玻璃可以通过如下几种方式硬化：

1）加入气体、液体、固体硬化剂，与钠水玻璃起化学反应，生成具有黏结性能的新产物，常称之为化学硬化。

2）采用能去除钠水玻璃中水分的方法，常称之为物理硬化。

3）加入可溶性硅酸盐使钠水玻璃饱和。

4）提高水玻璃砂的温度。

铸造生产中，主要采用1）、2）两种方法。

2.2.1 化学硬化形成新的产物

钠水玻璃的化学硬化通常经历三个阶段：硅酸钠的水解、硅酸溶胶的形成、硅酸凝胶的形成。钠水玻璃在pH值大于10以上时很稳定，加入适量的酸性物质（硬化剂）时，其pH值降低，稳定性下降，钠水玻璃的水解、缩聚凝胶过程加速进行。

例如吹入CO ₂ 后，钠水玻璃同CO ₂ 反应，消耗Na ₂ O，把凝胶化的水玻璃推到图2-2所示的不稳定液体和凝胶区域（区域11）。这种SiO ₂ 凝胶，含SiO ₂ 高，并使砂芯和砂型建立强度。模数高的钠水玻璃同CO ₂ 反应时比模数低的要快。

图2-6为pH值对钠水玻璃胶凝时间的影响曲线，曲线呈大写“N”字形。胶凝速度最快的pH值是曲线的最低点，pH值为6.8～9.1之间；钠水玻璃稳定性最好、胶凝速度非常慢的pH值，也是曲线的最高点，在3.2～3.9和10以上。因此，酸性硬化剂的种类和性质等，对钠水玻璃的化学硬化过程具有决定性的影响。

化学硬化的本质是硅酸凝胶的形成，在水分保持不变的情况下，提高水玻璃的硅碱比（硅碱比=模数/1.033）到一定的程度，硅酸也会加速了聚合成硅酸凝胶。

图2-7所示为水玻璃的黏度与其硅碱比的关系，图中每条曲线旁边所标明的数字是该曲线所代表的水玻璃的固体含量。由图可见，硅碱比为2.0、水分为56%的水玻璃，如果使它的硅碱比提高到2.9以上，就可胶凝。

2.2.2 失水由液态到固态的物理硬化

凡是能去除钠水玻璃中水分的方法，如加热烘干、吹热空气或干燥的压缩空气、真空脱水、微波照射加热以及加入产生放热反应的化合物等都可使钠水玻璃硬化。

在图2-2所示的Na ₂ O-SiO ₂ -H ₂ O三元相图中，铸造用钠水玻璃通常为图中的阴影部分（区域9，模数 m =2.0～3.3，密度 ρ =1.2～1.7g/cm ³ ）。当钠水玻璃砂采用加热（或用热空气）方式硬化时，水玻璃状态变化区域次序为：10→9→8→7→6→5→4。即：液体钠水玻璃先变成黏稠液体，接着成为半固体，再变成脱水液体。如果进一步加热脱水，原则上可以得到水合玻璃，然后是普通玻璃。模数越高，这些变化进行得越迅速。不过，一般的钠水玻璃砂型（芯），其加热硬化不可能到达最后区域（图2-2中的区域4），因为在脱水液体区域（图2-2中的区域6）就可得到所需要的最高强度。

2.2.3 物理硬化与化学硬化的区别

化学硬化的主要产物为硅酸凝胶，而物理硬化的生成物为脱水的硅酸钠凝胶或玻璃状硅酸钠，这从三元相图（图2-2）中可以看得很清楚。当钠水玻璃与CO ₂ 或其他酸类物质反应时，水玻璃组成主要将沿着Na ₂ O角通过原始组成点作出的直线（图2-8中的 A 线）变化；同时，生成硅酸凝胶时和原有的硅酸钠中均伴随有脱水过程，此时 A 线又向下移动至 A′ 线。

在物理硬化时，随着水分减少，钠水玻璃的组成则将沿着H ₂ O角通过原始组成点作出的直线（图2-8中的 B 线）变化。

实践证明，脱水硬化时钠水玻璃砂的（抗压）强度与残留水分有很大的关系，如图2-9所示。