在涂料的各种工作性能中，在高温下呈现的酸碱性以及涂料和金属液体、造型材料之间的酸碱反应是影响铸件表面质量的重要因素之一。

铸造合金由于化学成分的不同而表现出不同的酸碱性。铸造涂料及型砂的各种组份也具有不同的酸碱性。在涂料配方设计时，需要根据铸造合金的酸碱性设计出与此酸碱性相匹配的耐火骨料体系，否则会因为耐火材料与金属液体之间发生酸碱反应而造成铸件表面缺陷。因此，判断各种耐火材料或造型材料以及铸造合金的酸碱性是非常重要的。

宋会宗博士在《酸碱度理论及其在涂料设计中的应用》一文中对涂料、耐火骨料和铸造合金的酸碱性进行了理论上的论述。本文的主要内容均来自于宋博士的这篇论文。

一， 酸碱度的判定和标度：

宋博士的论文针对冶金、铸造及耐火材料的高温工作条件，根据桑德逊电负性均衡原理及氧的电荷分数法建立了以氧化铝为中性参比物的氧化物酸碱度定量标度新方法，用碱度指数Bs 定量描述各种氧化物的酸碱性，此标度方法适用范围更加广泛，可以用来预测各种氧化物以及硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐等复杂氧化物的酸碱性，并首次对常见矿物或耐火材料的酸碱度进行了标度。所引用的碱度计算公式为：

式中Bs为碱度值，δ₀是氧化物中氧的电荷分数。

规定中性氧化物Al₂O₃的碱度Bs为0，其它物质的碱度Bs值正值越大，则其碱性越强，而其负值的绝对值越大，则其酸性越强。

按照这样的方法，可以判定和标度常见氧化物、铸造合金、耐火材料和涂料的酸碱性。

二， 常见氧化物的酸碱性：

氧化物酸碱性的一般规律如下：

•  所有非金属元素的氧化物都是酸性的

•  所有金属的初级氧化物（低价氧化物）都是碱性的

•  所有两性氧化物都是金属氧化物

•  金属元素的价态越高，氧化物的酸性越强

图1、图2 分别为不同价态的氧化锰及氧化铁的碱度图。MnO 为碱性，而其他价态的氧化锰均为酸性，且随着价态的升高，氧化物的酸性逐渐增强。FeO 为碱性氧化物，而Fe₃O₄ 及Fe₂O₃则为酸性。

三， 常见矿物及耐火材料的酸碱性：

四， 铸造合金的酸碱性

铸造合金的酸碱性取决于金属液表面选择性氧化生成的氧化渣的成分及数量。而合金元素的选择性氧化取决于合金中各元素的含量及其与氧的亲合力以及浇注气氛中氧化性气体的分压。

1. 合金元素对酸碱性的影响：
• Ni Co Mo Cu Sn Pb 等元素的氧化物呈碱性，但这些元素不易氧化，对铁碳合金的酸碱度影响较小，可忽略不计。
• Mn Ca Mg Ba Cr RE 等极易氧化并形成碱性氧化物，因此会增加金属的碱度。
• Al 和Ti 是强脱氧元素，极易优先氧化形成中性或两性氧化物Al₂O₃ 和TiO₂。同时减小Si、Mn 等其他元素的氧化。因此Al 和Ti 含量较高的合金，倾向于形成中性或两性的氧化渣。
• Si 和B 易氧化，形成酸性氧化物SiO₂ 和B₂O₃，因此会降低金属的碱度。大部分的铸造合金中Si 的活性很高。当Si 的含量较高时可形成酸性氧化渣。
• P 的氧化物虽具有较强的酸性，但磷不易氧化，所以对金属酸碱度的影响不大。
• C 在高温时对Mn、Cr、Fe 等金属元素有保护作用，可防止或减轻金属的氧化，因此会降低金属的碱度。一般来说，合金中碳含量越高，金属的氧化倾向越低，因此合金的碱度越低。
2. 浇注气氛对金属酸碱性的影响

浇注气氛不仅会影响到金属表面氧化的速度，还会影响氧化物的价态。浇注气氛中氧化性气体如O₂、CO₂、H₂O等含量越高，金属越容易氧化，这一般会增加金属的碱度。树脂砂浇注时由于有机物的分解会形成还原性气氛，而水玻璃砂则会形成氧化性气氛。因此同样的铸造合金用水玻璃砂造型时金属的碱度较树脂砂时高，更易产生化学粘砂。另外，从氧势图中可知，水在高温下对多种合金元素是氧化剂，因此，砂型中或涂料中的水分较高时会增大金属的碱度，更容易引起粘砂。而在消失模铸造中由于大量的聚苯乙烯分解，造成强还原性气氛，因此金属氧化的程度很低，碱性也会比砂铸时要低。

3. 一些常用铸造合金的碱度指数（参考值）

包括高铬铸铁在内的大部分铸铁合金由于其碳硅含量都比较高，金属的氧化倾向较低，合金呈中性。高锰钢、合金钢通常碱度较高。碳钢也有一定的碱性，碳的含量越低，其碱度越高。

涂料在高温下的酸碱性应该与金属的酸碱性相匹配，比如，高锰钢是碱性金属，那么高锰钢铸件所用的涂料就应该选用碱性材料如镁砂粉涂料，或者中性材料如白刚玉涂料。石英粉呈酸性，锆英粉呈弱酸性，两者皆不能用于高锰钢涂料。

五， 金属与铸型界面几个重要的酸碱反应

1） 2FeO + SiO₂ = Fe₂SiO₄（铁橄榄石，1205℃）

2） 2MnO + SiO₂ = Mn₂SiO₄（锰橄榄石，1320℃）

1） 2FeO + SiO₂ = Fe₂SiO₄（铁橄榄石，1205℃）

2） 2MnO + SiO₂ = Mn₂SiO₄（锰橄榄石，1320℃）

3） MnO + SiO₂ = MnSiO₃（偏硅酸锰，1270℃）

4） mFeO + nMnO + pSiO₂ = mFeO.nMnO.pSiO₂（<1300℃）

5） CrO + SiO₂ = CrSiO₃（1402℃）

6） 2FeCr₂O₄ + SiO₂ = Fe₂SiO₄ +Cr₂O₃

7） 3Al₂O₃ + 2SiO₂ = 3Al₂O₃.SiO₂（莫来石1890℃）

8） Al₂O₃ + FeO = FeO.Al₂O₃（铁铝尖晶石 1780℃）

9） Al₂O₃ + MnO = MnO.Al₂O₃（锰铝尖晶石 1850℃）

1）~ 5）是铸钢件化学粘砂的几个主要反应方程。钢水在浇注过程中表面迅速氧化形成碱性的FeO 和MnO，它们会和涂料中或砂型中的SiO₂ 或酸性硅酸盐发生酸碱反应，形成熔点极低的铁橄榄石或锰橄榄石，从而造成化学粘砂。还有一种可能，钢水中的硅活性很高，极易氧化形成酸性的SiO₂。生成的SiO₂ 会和钢水表面的碱性氧化物FeO 和MnO 迅速反应生成铁橄榄石、锰橄榄石或铁锰复合橄榄石。

6）是铬铁矿砂产生化学釉化粘砂的反应方程。当铬铁矿砂中SiO₂ 杂质含量较高时会形成严重的釉化粘砂。当回收铬铁矿砂中硅砂含量较高时也会发生上述反应，造成严重的化学粘砂。

7）~ 9）是中性或两性氧化物Al₂O₃ 与酸性氧化物SiO₂ 及碱性氧化物FeO 和MnO 的反应方程。由于反应产物的熔点很高，因此，即使发生了酸碱反应也不会造成粘砂。这充分体现了铝质耐火材料的优势。