1.1.1 CO₂吹氣硬化水玻璃砂

CO₂吹氣硬化水玻璃砂（簡稱“CO₂水玻璃砂”）自20世紀50年代引入鑄造工業以來一直是最被廣泛采用的工藝，此法既可用于大量生產和單件小批量生產的鑄型制造，也適用于大、小泥芯的生產。普通CO₂水玻璃砂工藝，大都由純凈的人造（或天然）硅砂加入6.0%～8.0%[1]的鈉水玻璃配制而成。對于幾十噸的大型鑄件或質量要求高的鑄鋼件砂型（芯），全部面砂或局部采用鎂砂、鉻鐵礦砂、橄欖石砂、鋯砂等特種砂代替硅砂較為有利。為了使水玻璃砂具有一定的濕強度和可塑性，以便脫模后再吹CO₂硬化，可加入1%～3%的膨潤土或3%～6%的普通黏土；為了改善水玻璃砂的潰散性或出砂性，可加入一定量（通常為1%～5%）的潰散劑或潰散性物質（如木屑、石棉粉等）。

水玻璃砂可采用各類混砂機混制，如輾輪式混砂機、葉片式混砂機等?；旌玫纳巴ǔ７旁谟猩w的容器內或覆蓋有濕麻袋的場地待用，以免砂中的水分揮發和與空氣中的CO₂接觸而硬化。

水玻璃砂具有良好的流動性，造型、制芯時可采用手工緊實，也可采用振動緊實。通常是吹CO₂氣體硬化后起模；再硬化一定時間后，組芯、合箱等再澆注。

CO₂吹氣硬化的方式也多種多樣。有插管吹氣法、蓋罩吹氣法等（工藝裝置詳見第3章）。要求CO₂能迅速均勻地進入型（芯）的各個部位，以最少的CO₂消耗量達到均勻硬化型（芯）各部位之目的，避免出現不能硬化（或硬化不良）的死角。

普通CO₂水玻璃砂工藝的缺點：水玻璃加入量較多（7.0%～9.0%），潰散性較差，舊砂再生困難；硬化過程不太穩定，會使鑄型（芯）產生“過吹”現象，導致鑄型（芯）強度的下降；對于大型鑄件的型（芯）表面易粉化，而內部又難以硬透，使鑄件形成夾砂、鼠尾、砂眼等缺陷；型（芯）砂的吸濕性較強，在濕度較大的天氣下，貯放的穩定性較差。

普通CO₂水玻璃砂工藝中，CO₂不能被充分吸收、消耗量大，同時常出現硬化不均勻的現象。真空CO₂吹氣硬化水玻璃砂克服了普通CO₂吹氣硬化水玻璃砂的某些缺點，它是CO₂吹氣硬化水玻璃砂工藝的技術進步。

真空CO₂吹氣硬化水玻璃砂工藝（Vacuum Replace Hardening），簡稱為VRH法，是于1982年由日本人小林一典研究發明的。VRH法是把真空V法與CO₂水玻璃砂工藝結合起來形成的一種“物理-化學”硬化法。它是將造型緊實后的水玻璃砂型（芯），連同模板一起送入一真空箱內抽氣，當達到一定的真空度后，向箱內通入CO₂氣體，幾分鐘后鑄型（芯）即可硬化達到一定的強度。鑄型（芯）從真空箱內取出、進行起模，2～4h后即可澆注。

CO₂吹氣硬化之前對型（芯）抽真空，有兩個優點：一是抽真空時，水玻璃中的水分蒸發，促使水玻璃脫水硬化；二是砂粒間隙中的空氣幾乎被抽凈，當通入CO₂時，氣體迅速進入間隙中與砂粒表面的水玻璃均勻反應，進一步使之硬化。由于VRH法是一定真空度的條件下，CO₂氣體以極高的濃度與水玻璃接觸，反應充分、迅速、均勻，用較少的水玻璃和CO₂氣體即可達到足夠的鑄型（芯）強度。VRH法的水玻璃加入量可降至3%～4%，CO₂氣體的消耗比普通CO₂水玻璃砂工藝減少1/2～2/3。因此，VRH法既是來源于普通CO₂水玻璃砂的工藝，又是優于普通CO₂水玻璃砂的工藝。

VRH法的缺點是設備投資大，操作和維修要求嚴格，固定的真空室尺寸對于不同大小和不同形狀型（芯）的適應能力差，因而制約了該工藝的廣泛應用。

除VRH法外，用空氣稀釋的CO₂吹氣硬化（用“約10%CO₂+約90%空氣”的混合氣體吹氣硬化），加熱的CO₂吹氣硬化（吹入鑄型內前，將CO₂加熱至30～60℃），脈沖CO₂吹氣硬化（采用間隔脈沖方式吹入CO₂氣體）等，這些都是CO₂水玻璃砂工藝的改進。有人將普通的和改進的CO₂水玻璃砂工藝統稱為“第一代水玻璃砂工藝”。

CO₂水玻璃砂工藝的應用經過了發明初期的快速增長后，由于其缺點逐步被認識，加之自硬樹脂砂的發明及應用（20世紀60年代）和黏土砂技術的改進及發展，取代了部分水玻璃砂工藝。一些國家CO₂水玻璃砂工藝的應用迅速減少。但在我國，CO₂水玻璃砂一直是生產鑄鋼件的主力型砂種類。