1.1.1 CO₂吹气硬化水玻璃砂

CO₂吹气硬化水玻璃砂（简称“CO₂水玻璃砂”）自20世纪50年代引入铸造工业以来一直是最被广泛采用的工艺，此法既可用于大量生产和单件小批量生产的铸型制造，也适用于大、小泥芯的生产。普通CO₂水玻璃砂工艺，大都由纯净的人造（或天然）硅砂加入6.0%～8.0%[1]的钠水玻璃配制而成。对于几十吨的大型铸件或质量要求高的铸钢件砂型（芯），全部面砂或局部采用镁砂、铬铁矿砂、橄榄石砂、锆砂等特种砂代替硅砂较为有利。为了使水玻璃砂具有一定的湿强度和可塑性，以便脱模后再吹CO₂硬化，可加入1%～3%的膨润土或3%～6%的普通黏土；为了改善水玻璃砂的溃散性或出砂性，可加入一定量（通常为1%～5%）的溃散剂或溃散性物质（如木屑、石棉粉等）。

水玻璃砂可采用各类混砂机混制，如辗轮式混砂机、叶片式混砂机等。混好的砂通常放在有盖的容器内或覆盖有湿麻袋的场地待用，以免砂中的水分挥发和与空气中的CO₂接触而硬化。

水玻璃砂具有良好的流动性，造型、制芯时可采用手工紧实，也可采用振动紧实。通常是吹CO₂气体硬化后起模；再硬化一定时间后，组芯、合箱等再浇注。

CO₂吹气硬化的方式也多种多样。有插管吹气法、盖罩吹气法等（工艺装置详见第3章）。要求CO₂能迅速均匀地进入型（芯）的各个部位，以最少的CO₂消耗量达到均匀硬化型（芯）各部位之目的，避免出现不能硬化（或硬化不良）的死角。

普通CO₂水玻璃砂工艺的缺点：水玻璃加入量较多（7.0%～9.0%），溃散性较差，旧砂再生困难；硬化过程不太稳定，会使铸型（芯）产生“过吹”现象，导致铸型（芯）强度的下降；对于大型铸件的型（芯）表面易粉化，而内部又难以硬透，使铸件形成夹砂、鼠尾、砂眼等缺陷；型（芯）砂的吸湿性较强，在湿度较大的天气下，贮放的稳定性较差。

普通CO₂水玻璃砂工艺中，CO₂不能被充分吸收、消耗量大，同时常出现硬化不均匀的现象。真空CO₂吹气硬化水玻璃砂克服了普通CO₂吹气硬化水玻璃砂的某些缺点，它是CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺的技术进步。

真空CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺（Vacuum Replace Hardening），简称为VRH法，是于1982年由日本人小林一典研究发明的。VRH法是把真空V法与CO₂水玻璃砂工艺结合起来形成的一种“物理-化学”硬化法。它是将造型紧实后的水玻璃砂型（芯），连同模板一起送入一真空箱内抽气，当达到一定的真空度后，向箱内通入CO₂气体，几分钟后铸型（芯）即可硬化达到一定的强度。铸型（芯）从真空箱内取出、进行起模，2～4h后即可浇注。

CO₂吹气硬化之前对型（芯）抽真空，有两个优点：一是抽真空时，水玻璃中的水分蒸发，促使水玻璃脱水硬化；二是砂粒间隙中的空气几乎被抽净，当通入CO₂时，气体迅速进入间隙中与砂粒表面的水玻璃均匀反应，进一步使之硬化。由于VRH法是一定真空度的条件下，CO₂气体以极高的浓度与水玻璃接触，反应充分、迅速、均匀，用较少的水玻璃和CO₂气体即可达到足够的铸型（芯）强度。VRH法的水玻璃加入量可降至3%～4%，CO₂气体的消耗比普通CO₂水玻璃砂工艺减少1/2～2/3。因此，VRH法既是来源于普通CO₂水玻璃砂的工艺，又是优于普通CO₂水玻璃砂的工艺。

VRH法的缺点是设备投资大，操作和维修要求严格，固定的真空室尺寸对于不同大小和不同形状型（芯）的适应能力差，因而制约了该工艺的广泛应用。

除VRH法外，用空气稀释的CO₂吹气硬化（用“约10%CO₂+约90%空气”的混合气体吹气硬化），加热的CO₂吹气硬化（吹入铸型内前，将CO₂加热至30～60℃），脉冲CO₂吹气硬化（采用间隔脉冲方式吹入CO₂气体）等，这些都是CO₂水玻璃砂工艺的改进。有人将普通的和改进的CO₂水玻璃砂工艺统称为“第一代水玻璃砂工艺”。

CO₂水玻璃砂工艺的应用经过了发明初期的快速增长后，由于其缺点逐步被认识，加之自硬树脂砂的发明及应用（20世纪60年代）和黏土砂技术的改进及发展，取代了部分水玻璃砂工艺。一些国家CO₂水玻璃砂工艺的应用迅速减少。但在我国，CO₂水玻璃砂一直是生产铸钢件的主力型砂种类。