2.5 粉末硬化剂硬化水玻璃砂的硬化原理

水玻璃砂的粉末硬化剂主要有硅铁粉、硅酸二钙（2CaO·SiO ₂ ）、炉渣（或赤泥）、氟硅酸钠等。粉末硬化剂的共同特点是颗粒细、比表面积大、能吸收水分。基于这些特点使得硅酸钠水化膜的黏结度增加，产生黏结力；此外，还伴随化学反应的作用。下面以硅铁粉、硅酸二钙（2CaO·SiO ₂ ）为例，介绍粉末硬化剂硬化水玻璃砂的硬化原理。

2.5.1 硅铁粉硬化剂

用硅铁粉作水玻璃硬化剂，是由日本人Nishyama于1964年发明的，简称为“N”法。将少量硅铁粉（1%～2%）加入水玻璃砂中（水玻璃加入量5%～6%），填砂10～20min后即可取模。它的硬化原理是利用硅对氧的高度亲和力：

与硅酸钠反应：

Na ₂ O· n SiO ₂ + m Si+2 m H ₂ O→Na ₂ O· m SiO ₂ + n SiO ₂ +2 m H ₂ ↑+ Q

黏结力的产生，主要是OH-的去除，使得硅酸凝胶聚合，以及脱水而导致SiO ₂ 与Na ₂ O比率变化所引起的黏度变化的结果。脱水硅酸钠黏结膜中SiO ₂ 与Na ₂ O的比率取决于Si的加入量。

由于硅铁粉的加入能放出大量的热，残留水分少、对黏结有利。这种型砂的强度和透气性均较高，浇注时发气性则较低，适于浇注大、中型碳钢铸件。但硬化过程中要析出氢气，常会带来有害后果。

2.5.2 硅酸二钙硬化剂

用硅酸二钙粉末（2CaO·SiO ₂ ）作硬化剂的硬化过程可分为两步：

首先，硅酸二钙水解生成Ca（OH） ₂ ，解离出Ca ⁺² 离子：

2CaO·SiO ₂ + n H ₂ O→Ca（OH） ₂ +CaSiO ₃ +（ n -1）H ₂ O

然后，氢氧化钙和水玻璃反应析出SiO ₂ 胶体：

Ca（OH） ₂ +Na ₂ O· m SiO ₂ →2NaOH+CaSiO ₂ +（ m -1）SiO ₂

试验研究表明，2CaO·SiO ₂ 与水玻璃的反应主要是建立起型砂的初期强度，型砂的后期强度（即长时间放置后的强度）的增长则与铸型中的水分蒸发很大有关系。

总体而言，由于粉末硬化剂要在粉末状态下使用，存在着存放期吸湿较强、粒度影响硬化反应速度，以及混砂难以均匀等问题；同时，以粉末形式存在的固化剂增大了比表面，致使水玻璃的用量无法降低，因此粉末硬化剂同样存在着溃散性差、旧砂再生回用难等缺点。这些问题和缺点限制了粉末硬化剂的应用。几种实用的粉末硬化剂自硬砂的配方见表2-8。