（1）先起模，后吹CO₂硬化的砂型、砂芯的制造禁忌

1）用CO₂水玻璃砂造型、制芯时，为选定型（芯）砂配方，不可不事先了解是先起模后硬化，还是先硬化后起模。吹CO₂硬化后起模的砂型，对湿强度要求不高，而用硅砂和水玻璃配成的型砂，其湿强度就极低，主要取决于水玻璃的粘度、密度，一般只在5kPa左右，这种型（芯）砂的流动性好，靠手工或微震甚至射砂均易于紧实，而且吹CO₂硬化后还可得到较好的即时强度和终强度，因此大都不会关注湿强度及其高低。而起模后硬化的砂型（芯）则要求型（芯）砂必须具备一定的湿强度，才有可能起模后仍可保持其结构形状及尺寸。为此，应在配方中加2%～3%的高岭土或1%～2%的膨润土（质量分数），采用密度较大的水玻璃，适当延长混砂时间。但这些措施虽然都可提高湿强度，但紧实的劳动强度加大，而且都会使吹CO₂硬化后的强度降低，往往为得到较好的硬化后强度，不得不增加水玻璃的加入量。

2）对于先起模后硬化的砂型，不可忽视扎通气孔。对于先起模后硬化的砂型（芯），由于为提高湿强度加有粘土或膨润土等，使型砂的透气性明显降低，因此，硬化前，要用ϕ6～ϕ10mm的细钢钎多扎通气孔，以利于吹CO₂时CO₂的渗透，加速硬化，提高其硬化强度，也有利于浇注时排除气体，减少铸件气孔缺陷。

3）对于在CO₂硬化前需要吊动的砂芯，不可忽视芯骨结构。对于在CO₂硬化前需要吊运的砂芯，除了芯砂需具有一定的湿强度以外，必须用结构适当的芯骨来支撑砂芯，也就是芯骨形状应基本与砂芯形状相适应；而对CO₂硬化后吊运的砂芯，芯骨可以简化，例如用圆钢杆或钻有ϕ3～ϕ5mm小孔（孔距80～100mm）的钢管作芯骨，简单的小砂芯可不用。

（2）吹CO₂的禁忌

1）吹CO₂硬化砂型、砂芯时，吹气压力不宜过高，流量不宜过大，吹气时间不可长。CO₂的压力、流量和吹CO₂的时间对工艺试样硬化强度的影响如图2-413所示（图中所示曲线采用的型砂配方以及吹CO₂的工艺见表2-95）。为使CO₂能吹入砂型或砂芯的深沟槽和凹角处，CO₂须有一定的压力。而吹气时间则从图2-413所示可以看到，当试样初强度达0.4～0.5MPa时，就应停止吹CO₂，这时起模的试样强度虽只0.4～0.5MPa，不算太高，却可满足砂型、砂芯起模、搬运所需的强度；而试样贮存后的终强度则明显升高，一般都高于0.8MPa，这是生产实际所需要的；而吹CO₂15～20s的试样，起模的强度虽都高达0.7～0.9MPa，但贮存后的终强度大都低于0.8MPa。吹CO₂25s以上，一直达45s左右，其初强度更高，但粘结剂膜因脱水收缩受到阻碍而产生内应力或裂纹，以及生成NaHCO₃这样的白霜，不仅终强度进一步下降，初强度也降低，已明显过吹，因此吹气时间不可长。从图2-413所示强度的变化也可看出：模数较低的水玻璃受吹气时间的影响比模数高的要小些，因此，采用模数低的水玻璃，其吹气硬化时间宜比采用模数高的水玻璃砂的吹气时间稍长一些，并且较不易过吹。为较合理控制好吹气时间，避免出现欠吹或过吹，可测定水玻璃吹CO₂时的电位变化。而从吹气压力、流量看，虽然需要一定的压力和流量，但吹气压力过高、流量过大，不仅硬化后的砂型或砂芯强度低，还浪费CO₂；吹气压力过低，则将延长吹气时间和易使局部砂型（芯）过吹而降低强度。吹气压力一般宜控制在0.1～0.2MPa，并尽量用较小的流量，例如采用0.5m³/h，而不建议大于1.0m³/h。

图2-413 吹CO₂工艺参数对水玻璃砂强度的影响

注：1.图中曲线编号所对应的型砂配方及吹气工艺参数见表2-95。

2.图中实线为初强度，虚线为终强度。

表2-95 试验用型砂配方及吹CO₂工艺

2）插管吹CO₂硬化砂型（芯）时，管子上端不可无挡板，管子的气体出口端，最好不敞开，在管壁上开小孔。插管吹气是应用广泛的吹气方法之一。当设计及安置吹CO₂器具时，为使CO₂能均匀分布砂型（芯）内部，应考虑到：CO₂比空气重，通常都有向下运动的倾向，气流会自动朝阻力最小的途径运行。当向待吹气硬化的砂型（芯）插吹气管时，管外壁与砂型（芯）之间会有间隙，这对CO₂来说，是阻力最小的通道，很容易由此处外逸，因此宜在吹气管上端装挡板，插管时，让其与砂型（芯）外表面紧密接触，将通道封闭，如图2-414所示。而用直通管吹气时，如果CO₂流速高，则其流向如图2-414a中所示的①，流速低则如②。另外，直通管还有一个缺点，即管内容易堵砂。如果改为管头封闭、管表面开小孔的多孔吹气方式，则气流的分布会比较均匀（见图2-414b）；如装设得当，还可比直通管节省约30%的CO₂。钻吹气小孔时，宜使小孔的总面积小于管子的截面积。

图2-414 插管吹气硬化示意图

1—砂型（芯） 2—直通管 3—挡板 4—多孔管 5—芯盒

3）用盖罩吹气硬化时，盖罩不可紧贴砂型（芯）。采用CO₂硬化时，当起模、修型完毕，扣上盖罩，即可通CO₂（见图2-415a）。盖罩可用木板或薄铁皮、金属板制成，要防止漏气，尤其要注意解决好盖罩与砂型（芯）接合处的密封问题。盖罩应高出砂箱50～100mm左右，决不可紧贴砂型，才有利吹入的CO₂在迅速充满型腔及分型面的同时，向砂型深层渗入，使砂型达到较均匀硬化。盖罩也可吹硬未起模的砂芯（见图2-415b），但芯盒内应装有由通气塞等组成的合适的排气通道；用盖罩吹气硬化也常用于从芯盒中取出后的小砂芯硬化，如图2-415c所示。此法的特点是简单、方便、易行，因此我国有不少工厂采用，但是缺点也不少，例如CO₂气体损失多；如果砂型或芯盒的底板无良好的排气孔，CO₂气流就很难均匀分布在砂型（芯）各部分，从而易导致硬化不均匀等。

4）为节约CO₂以及使砂型（芯）有更好的硬化效果，采用改进型吹CO₂的方法的禁忌：

①通过模样上的吹气孔吹CO₂时，为使模样（芯盒）仍适于造型、制芯和避免影响模样及芯盒强度，所开吹气孔不宜过大。通过模样或芯盒上的吹气孔吹CO₂硬化砂型、砂芯，其示意图如图2-416所示，它是在模样及模底板工作表面的各部位（或芯盒底部的工作表面），按铸件的结构特征和吹气要求钻若干ϕ1mm以下的小孔，所有的小孔均与模板或芯盒下方的空腔相通。如果模样较高，内部可掏空成为空腔。当在模板上安装模样时，在模样四周应设置密封胶垫，不使CO2泄漏。将模板或芯盒工作表面下方的空腔或通气道引到模板侧面，并装一接管，与CO₂气源软管相连。装模样时木模和金属模都可使用此法，通气孔通常为钻孔而不用通气塞。这样的通气法可使CO₂先在模样-砂型界面上或砂芯工作表面发生反应，确保型腔硬化良好，既可节约CO₂，也可以克服插管法等传统硬化方法容易引起硬化不均的缺点，但模样上需要钻多个孔洞，孔不宜大，不宜过密，以利造型、制芯，以免过多影响模样及芯盒的强度。

(www.daowen.com)

图2-415 盖罩法吹气硬化示意图

1—砂箱 2—型腔 3—盖罩 4—芯盒

图2-416 通过模样吹CO₂硬化示意图

1—砂箱 2—模样 3—芯盒

②CO₂预热后再吹入砂型（芯），其预热温度不宜过高。在通常吹CO₂条件下，采用瓶装CO₂气体硬化水玻璃砂时，从钢瓶中流出的CO₂气体温度一般均低于5℃，这样易使水玻璃砂的化学硬化反应和物理的脱水速度都很缓慢，从而严重影响型砂的强度。当将CO₂气体预热后再吹入砂型（芯）时，可显著加速反应速度，改善硬化效果，提高硬化强度，而CO₂的消耗量不仅不会增加，反而可以降低。其原因有二：一是因为CO₂汽化时会大量吸热，致使型砂硬化反应时的温度降低，从而影响硬化效率。经过对CO₂预热就可以避免这种不良效应；二是预热后的CO₂气体会加快型砂中水分的挥发，使得粘结剂膜硬化速度加快。但是，预热温度不宜过高，否则会使水玻璃由于脱水速度和硬化反应速度过快，粘结剂膜产生裂纹，而使型砂的强度降低。试验结果表明，CO₂气体的预热温度控制在30～60℃之间比较合适。

③吹CO₂硬化时，不可将传统的吹纯CO₂视为最好的吹气方法。在CO₂水玻璃砂的吹气硬化过程中，气体的利用率很低，有认为不到5%，大量的CO₂气体都排出到砂型（芯）外浪费掉了，因此，人们通过空气或氮气稀释CO₂来节约气体用量。早在20世纪60年代，广州第一重型机器厂就用空气与CO₂按6∶2或6∶3的体积比混合，用0.1～0.15MPa的吹气压力硬化砂型（芯）。硬化后的强度比吹纯CO₂还好，生产的铸钢件最大达3.6t，节约了大量的CO₂气体，减少了过吹现象的发生。国外如俄罗斯的西伯利亚重型机械厂在制造中小型水玻璃砂型（水玻璃模数M=2.15～2.30，砂温43℃）时，将除尘、除湿和预热的空气与CO₂气体混合后（含CO₂约为45%）吹硬砂型，可节约CO₂达30%，硬化强度良好，砂芯存放期可延长。图2-417展示了CO₂浓度对硬化（抗剪）强度的影响。

④不可忽视间断或脉冲吹CO₂工艺。间断或脉冲吹CO₂就是指CO₂气体按一定的时间间隔时断时续地（例如吹5s，停5s，再吹5s，…）吹气，但总时间不变。这一方法有助CO₂在砂型（芯）中的弥散，可以使吹入的CO₂与型（芯）砂中的水玻璃充分反应，既提高了硬化效能，减少了CO₂消耗量（减少约40%），还提高了吹气后砂型（芯）的存放强度。

图2-417 CO₂浓度对硬化（抗剪）强度的影响

1—低浓度 2—中浓度 3—高浓度 4—纯CO2

⑤采用真空置换硬化（VRH）法时，真空度不宜过高。图2-418所示是真空置换硬化（VRH）法示意图，它是把造好的水玻璃砂砂型（芯）连同砂箱或芯盒6一道放入真空室5中，开启真空泵9及通真空室的三通阀7，抽至预定的真空度后，关闭通真空室的三通阀7及真空泵，接着打开通CO₂气的阀4，使充入一定量的CO₂。再关闭阀4，使构成砂型（芯）的所有包覆砂粒表面的水玻璃粘结剂与CO₂反应一段时间。然后开启三通阀7使真空室与大气相通，完成砂型（芯）硬化过程。采用此种硬化工艺的两个技术关键是：

a.真空室的真空度需达到或接近水的饱和蒸汽压，即最好在2.6kPa以下，一般为1.33～2.00kPa，不宜低于1.0kPa，以使砂型（芯）水玻璃中的水分能迅速蒸发，使脱水率达20%～30%（质量分数），甚至50%，即有利水玻璃粘结剂的物理硬化；但真空度也不宜过高，否则脱水过多，水玻璃膜收缩大，应力高，出现裂纹，反会使强度下降。

图2-418 真空置换硬化法示意图

1—液体CO₂瓶 2—汽化器 3—CO₂气体贮气罐 4—阀 5—真空室 6—芯盒 7—三通阀 8—水、粉尘分离器 9—真空泵

b.在抽真空过程中，不仅使水玻璃中部分水分被排除，也使存在于砂粒间孔隙中的空气被排除，使CO₂气体易于填补这些孔隙并与水玻璃膜进行均匀、有效的化学反应，因而得到的水玻璃凝胶胶粒细小，强度高。通常可将水玻璃的加入量从普通CO₂法的5%～8%（质量分数）降到3%左右，仍可保持要求的硬化强度。宝鸡桥梁厂采用VRH-CO₂法铸造长5927mm、宽480mm、高172mm、重1300kg的高锰钢辙叉，采用50/100橄榄石砂，其面砂全为新砂，水玻璃（模数M=2.1～2.3、波美度48～50或密度1.50～1.53g/cm³）加入量为3.5%～3.7%；背砂全为再生砂，水玻璃加入量为1.6%～1.8%。采用此工艺，砂型（芯）硬化均匀，不仅减少水玻璃加入量；还可降低CO₂耗量90%以上；制好的砂型（芯）可以立即合型浇注；由于含水量低，铸件的气孔、针孔等缺陷相应减少；而且由于水玻璃加入量较少，砂型（芯）在高温下变形减少，这对铸件尺寸精度的提高有利。但设备投资较大，固定尺寸的真空室不能适应过大或过小的砂箱或芯盒。当前此法既适用于多品种、小批量的铸件生产，也适用于成批量的流水生产线。值得指明的是：本工艺还可进一步发展，例如将VRH法与CO₂的预热、稀释、脉冲吹气工艺结合起来，可使粘结强度得到进一步提高。现以下述试验配方（质量比）为例，加以说明。配方为（质量比）：50/100大林标准砂100、模数M为2.3～2.5的水玻璃；混砂工艺为：

表2-96是脉冲VRH法与普通VRH法的型砂抗压强度比较。