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粘土砂型概述

粘土砂型可分為濕型、干砂型和表面烘干砂型。三者之間的主要差別在于：濕型是造好的砂型不經(jīng)烘干，直接澆入高溫金屬液體；干砂型是在合箱和澆注前將整個(gè)砂型送入窯中烘干；表面烘干砂型只在澆注前對(duì)型腔表層用適當(dāng)方法烘干一定深度（一般5～10mm，大件20mm以上）。

目前，濕型砂是使用最廣泛的、最方便的造型方法，大約占所有砂型使用量的60～70％，但是這種方法還不適合很大或很厚實(shí)的鑄件。表面烘干型與干型比，可節(jié)省烘爐，節(jié)約燃料和電力，縮短生產(chǎn)周期，所以曾在中型和較大型鑄鐵件的生產(chǎn)中推廣過(guò)。通常采用較粗砂粒（使有高的透氣性），加入較多粘土和水分，有時(shí)還在型砂中加1～2％的木屑（提高抗夾砂結(jié)疤能力），其型腔表面必須涂敷涂料。

干型主要用于重型鑄鐵件和某些鑄鋼件，為了防止烘干時(shí)鑄型開(kāi)裂，一般在加入膨潤(rùn)土的同時(shí)還加入普通粘土。干型主要靠涂料保證鑄件表面質(zhì)量。其型砂和砂型的質(zhì)量比較容易控制，但是砂型生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要專(zhuān)門(mén)的烘干設(shè)備，鑄件尺寸精度較差，因此，近些年的干型，包括表面烘干的粘土政型已大部分被化學(xué)粘結(jié)的自硬砂型所取代。

1濕型鑄造

1.1濕型鑄造特點(diǎn)

濕型鑄造法的基本特點(diǎn)是砂型（芯）無(wú)需烘干，不存在硬化過(guò)程。其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化；材料成本低；節(jié)省了烘干設(shè)備、燃料、電力及車(chē)間生產(chǎn)面積；延長(zhǎng)了砂箱使用壽命等。但是，采用濕型鑄造，也容易使鑄件產(chǎn)生一些鑄造缺陷，如：夾砂、結(jié)疤、鼠尾、粘沙、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鑄造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)金屬與鑄型相互作用原理的理解更加深刻；對(duì)型砂質(zhì)量的控制更為有效；加上現(xiàn)代化砂處理設(shè)備使型砂質(zhì)量得到了一定保證；先進(jìn)的造型機(jī)械使型砂緊實(shí)均勻，起模平穩(wěn)，鑄型的質(zhì)量較高，促進(jìn)了濕型鑄造方法應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。例如汽車(chē)、拖拉機(jī)、柴油機(jī)等工業(yè)中，質(zhì)量在300～500kg以下的薄壁鑄鐵件，現(xiàn)都已成功地采用濕型鑄造?，F(xiàn)代化造型方法有：普通機(jī)器造型、微震壓實(shí)造型、多觸頭高壓造型、射壓造型、沖擊造型及靜壓造型等。各種造型方法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度值見(jiàn)表1。

1.2濕型砂用原材料

濕型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比組成的。常用的加料順序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分。型砂的配方應(yīng)根據(jù)澆注合金種類(lèi)、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍，然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比等因素?cái)M定。

一、石英質(zhì)原砂(具體參數(shù)請(qǐng)查詢(xún)鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)-鑄造技術(shù)-鑄造工藝參數(shù)-鑄造造型材料-鑄造用砂)

鑄造生產(chǎn)中使用量最大的原砂是以石英為主要礦物成分的天然硅砂。天然硅砂資源豐富，分布極廣，易于開(kāi)采，價(jià)格低廉，能滿(mǎn)足鑄造上多數(shù)情況的要求。生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類(lèi)、質(zhì)量、壁厚的不同來(lái)選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強(qiáng)還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其他金屬氧化物，因而較易與型砂中雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成化學(xué)粘砂。所以要求原砂中SiO2含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，則對(duì)原砂中SiO2含量的要求就越高。

①指砂型上下平面的表面度度值，用B型砂到硬度計(jì)利出。

②括號(hào)內(nèi)為常見(jiàn)的粗糙度值，但我國(guó)的勞件q比此但法度值大1～2個(gè)等級(jí)。

③我國(guó)高壓造型實(shí)際達(dá)到的精度比表中約差1～3個(gè)等級(jí)。

二、非石英質(zhì)原砂

非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只會(huì)少量游離SiO2的原砂。雖然硅砂來(lái)源廣，價(jià)格低，能滿(mǎn)足一般鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的要求而得到廣泛應(yīng)用，但是硅砂還有一些缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，熱擴(kuò)散率比較低，蓄熱系數(shù)比較低，容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì)對(duì)鑄型與金屬的界面反應(yīng)起不良影響。在生產(chǎn)高合金銅鑄件或大型鑄鋼件時(shí)，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清理十分困難。清砂過(guò)程中，工人長(zhǎng)期吸入硅石粉塵易患矽肺。

為了提高鑄件表面質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來(lái)配制無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用。目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石破、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等等。

三、粘土

粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤(rùn)后具有粘結(jié)性和可塑性，烘干后硬結(jié)，具有干強(qiáng)度。而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性，因而具有較好的復(fù)用性。粘土資源豐富，價(jià)格低廉，所以應(yīng)用廣泛。

粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石（kaolinite）組，包括高嶺石、珍珠陶土、地開(kāi)石、埃洛石等；蒙脫石（montrillonite）組，包括蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等；伊利石（illite）組，包括依利石、海綠石等。

鑄造工作者通常根據(jù)所含粘土礦物種類(lèi)不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土（fireclay）和鑄造用膨潤(rùn)土兩類(lèi)。膨潤(rùn)土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑。鑄造用粘土主要含有高嶺石或依利石類(lèi)礦物。

四、附加物

型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外，通常還加入一些附加物如煤粉、渣油、淀粉等，目的是使型砂具有特定的性能，并改善鑄件的表面質(zhì)量。

在鑄鐵及有色合金用濕型砂中加入煤粉，可以防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷，并能改善鑄件的表面光潔程度。濕型鑄鐵件所用型砂中煤粉的含量常在3～8％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)，根據(jù)鑄件大小和厚薄而異。

煤粉的代用材料，包括固體瀝青或其乳化液，渣油或煤焦油或其乳合液，膨潤(rùn)土與瀝青或其他石油衍生物的混合粉末或漿液，固態(tài)或水中分散的合成聚合物和淀粉等。鑄鐵面砂中淀粉含量（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）一般為0.5％左右，鑄鋼面砂在0.5～1.0％左右。

1.3濕型砂性能要求及檢測(cè)方法

高質(zhì)量型砂應(yīng)當(dāng)具有為鑄造出高質(zhì)量鑄件所必備的各種性能。根據(jù)鑄件合金的種類(lèi)，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、金屬液壓頭、砂型緊實(shí)方法、緊實(shí)比壓、起模方法、澆注系統(tǒng)的形狀、位置和出氣孔情況，以及砂型表面風(fēng)干情況等的不同，對(duì)濕型砂性能提出不同的要求。最主要的，即直接影響鑄件質(zhì)量和造型工藝的濕型性能有水分、透氣性、強(qiáng)度、緊實(shí)率、變形量、破碎指數(shù)、流動(dòng)性、含泥量、有效粘土含量、顆粒組成、緬化物、砂溫、發(fā)氣性、有效煤粉含量、灼燒減量、抗夾砂性、抗粘砂性等。

一、水分、最適宜濕程度和緊實(shí)率

為了得到所需要的濕態(tài)強(qiáng)度和韌性，粘土砂必須含有適量水分，太干或太濕均不適于造型，也難鑄造出合格鑄件。因此，型砂的干濕程度必須保持在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。

判斷型砂干濕程度有以下幾種方法：

（1）水分也叫含水量或濕度

它是表示型砂中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，這是一般工廠中確定型砂干濕程度最常用的傳統(tǒng)方法。測(cè)定的原理是稱(chēng)取定量的型砂，放入105～110℃烘干裝置中使之干燥，由烘干前后的質(zhì)量差異計(jì)算出型砂的水分。

（2）手捏感覺(jué)

有實(shí)際操作的混砂或造型工人常根據(jù)用手捏型砂時(shí)砂是否容易成團(tuán)和是否沾手來(lái)判斷型砂的干濕程度，還根據(jù)捏緊動(dòng)作中砂是否柔軟和變形情況來(lái)判斷型砂的可塑性；根據(jù)手指掐碎砂團(tuán)時(shí)用力大小來(lái)判斷型砂的強(qiáng)度是否合適。

（3）緊實(shí)率

指濕型砂用1MPa的壓力壓實(shí)或者在鼓擊式制作機(jī)上打擊三次，其試樣體積在緊實(shí)前后的變化百分率，用試樣緊實(shí)前后高度變化的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，見(jiàn)圖1，即緊實(shí)率=［（筒高一緊實(shí)距離）筒高］×100%。

手工和機(jī)器造型用型砂最適干濕狀態(tài)下的緊實(shí)率接近50％；高壓造型和氣沖造型時(shí)為35～45％；擠壓造型時(shí)為35～40％；不管型砂中有效膨潤(rùn)上、煤粉和灰分的含量有多少，只要將緊實(shí)率控制在上述范圍內(nèi)，手捏感覺(jué)的干濕程度就處于最適宜狀態(tài)。這時(shí)型砂的水分可稱(chēng)為最適宜水分。

二、透氣性

緊實(shí)的型砂能讓氣體通過(guò)而逸出的能力稱(chēng)為透氣性。

透氣性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘結(jié)劑種類(lèi)、加入量和混砂時(shí)粘結(jié)劑在砂粒上的分布狀況以及型砂緊實(shí)度的影響。對(duì)于濕型的單一砂和面砂而言，透氣性不但要有下限，而且必須嚴(yán)格規(guī)定其上限。

圖2為透氣性測(cè)定儀原理圖，它是測(cè)出氣鐘內(nèi)的空氣在壓力下通過(guò)試樣的時(shí)間來(lái)計(jì)算透氣性k。

圖2透氣性測(cè)定儀示意圖

1一氣鐘2一木簡(jiǎn)3一三通閥4一試樣座5一試樣筒

6一標(biāo)準(zhǔn)試樣7一微壓表8一阻流孔

三、濕態(tài)強(qiáng)度

型砂必須具備一定的強(qiáng)度以承受各種外力的作用。型砂的強(qiáng)度用型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣在外力作用下遭到破壞時(shí)的應(yīng)力值來(lái)表示。常用計(jì)量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa)。濕型鑄造時(shí)，往往主要檢查型砂石的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度，有的也測(cè)濕態(tài)抗剪強(qiáng)度和濕態(tài)抗拉強(qiáng)度。對(duì)普通機(jī)器造型用濕型砂，通?？刂茲駢簭?qiáng)度為0.06~0.12MPa之間，高密度造型用濕型砂，濕壓強(qiáng)度?？刂圃?.09~0.20MPa。

在生產(chǎn)中常采用表面硬度計(jì)測(cè)定硬度，以此反映型砂緊實(shí)的質(zhì)量，反映鑄型表面強(qiáng)度。

四、流動(dòng)性

型砂在外力或自重作用下，沿模樣和砂粒之間相對(duì)移動(dòng)的能力稱(chēng)為流動(dòng)性。流動(dòng)性好的型砂可形成緊實(shí)度均勻、無(wú)局部疏松、輪廓清晰、表面光潔的型腔，這有助于防止機(jī)械粘砂，獲得光潔的鑄件。此外，還能減輕造型緊實(shí)砂的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和便于實(shí)現(xiàn)造型、造芯過(guò)程的機(jī)械化。

目前測(cè)流動(dòng)性的方法還未統(tǒng)一，較多采用以下幾種方方法來(lái)判定型砂流動(dòng)性：

①用濕型硬度計(jì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試樣兩個(gè)端面硬度值的差別，硬度差別越小，指明型砂的流動(dòng)性越好；

②在標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣簡(jiǎn)中放置一塊高25mm的半圓形金屬塊，測(cè)定階梯試樣兩平面的硬度差值；

③測(cè)定在底側(cè)有環(huán)形空腔型砂試樣筒中沖擊成的試樣的高度；

④側(cè)孔法：測(cè)定在沖擊型砂試樣時(shí)圓柱形試樣簡(jiǎn)側(cè)面12mm小孔中擠出的型砂的質(zhì)量；

⑤試樣質(zhì)量法：即對(duì)比測(cè)定緊實(shí)率后的試樣質(zhì)量，容積密度愈大，則流動(dòng)性好。

五、起模性、變形量、韌性和破碎指數(shù)

型砂的起模性是表示起模時(shí)模樣或模板與砂型分離是否容易損壞，是否產(chǎn)生掉落的性能。

型砂的變形量通常是在用強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定型砂抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，用一個(gè)百分表測(cè)出試樣破碎前的變形量（高度減小量）。由此也可計(jì)算出型砂韌性，即將型砂濕壓強(qiáng)度(MPa)承變形量(cm)再乘1000的乘機(jī)來(lái)表示韌性(MPa.cm)。

對(duì)濕型砂而言，有人認(rèn)為韌性也可用破碎指數(shù)來(lái)代表，即測(cè)定在沖擊條件下型砂的韌性。圖3為用落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖。濕型砂標(biāo)準(zhǔn)抗壓試樣放在鐵砧上受到一個(gè)自lm高度自由落下的φ50mm、510g鋼球的沖擊，破碎的型砂，碎的通過(guò)網(wǎng)眼為12.7mm（0.5in）的篩網(wǎng)，留在篩網(wǎng)上的大塊型砂的質(zhì)量占試樣原質(zhì)量的比值即為破碎指數(shù)。通常震壓造型的破碎指數(shù)控制在68～75％，高壓造型型砂的破碎指數(shù)要求在68％左右。

圖3落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖

六、發(fā)氣量和有效煤粉含量

為了檢查鑄鐵件用濕型砂的抗機(jī)械粘砂能力和推算出型砂中有效煤粉含量，我國(guó)普遍采用的是測(cè)定型砂發(fā)氣性的辦法。發(fā)氣性（發(fā)氣量）測(cè)定大都是讓待測(cè)定量樣品在密閉體系中加熱氣化，或測(cè)定所產(chǎn)生氣體的容積（用單位質(zhì)量析出的氣體體積表示，cm／g）；或測(cè)定氣體的壓力（容積恒定，發(fā)氣量大，壓力大）；或稱(chēng)量殘留物的質(zhì)量（灼燒堿量），以確定發(fā)氣量。

4濕型砂制備

在擬定型砂的配方之前，必須首先根據(jù)澆注合金種類(lèi)、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍。然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比和各項(xiàng)材料燒棉比例等因素?cái)M定型砂的配方一個(gè)車(chē)間的型砂性能指標(biāo)和配方要經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)考驗(yàn)才能確定。

一、濕型砂的性能和配方特點(diǎn)

表2是一些工廠用型砂性能的實(shí)例。

表2鑄鐵件濕型砂典型性能

造型方法水分

(%)濕壓強(qiáng)度(kPa)熱濕強(qiáng)度(kPa)緊實(shí)率

(%)透氣性有效粘土(%)揮發(fā)分

(%)灼減

(%)泥分

(%)AFS細(xì)度

震壓造型3～470～100－45～5280～1005．0～5.52.57.0～7.5__約55

高壓造型2.5～3.2150～200__38～4080～1006.0～10.02.06.09.0～15.0約55

氣沖造型4.3266.02.630.5898.61.76.815.554

4.42313.0321109.11.35.215.162

4.12313.0321109.11.35.215.162

2.9243.02.836.0788.4o.91.38.963

3.6196.51.3527.61646.41.54.712.761

二、舊砂的特性及其處理

生產(chǎn)1t濕型鑄件約需要5～10t型砂，在實(shí)際生產(chǎn)中，配制型砂時(shí)都盡量回用舊砂（即重復(fù)使用過(guò)的型砂）、這不僅是經(jīng)濟(jì)上的需要，而且也是保護(hù)環(huán)境、防止公害的需要。圖4為鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程的示意圖?？梢钥闯觯焐皶r(shí)還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤(rùn)土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。

鑄件打箱后，砂中常有鐵塊、鐵豆和砂塊等雜物，因而舊砂要經(jīng)過(guò)多次磁選、破碎團(tuán)塊及過(guò)篩去除雜物。還應(yīng)該經(jīng)過(guò)除塵處理，降低舊砂中的粉塵含量，然后回用。另外，還要采取一系列措施以降低舊砂溫度。

圖4鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程示意圖

三、濕型砂的混制工藝

生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式、擺輪式、葉片式等。有些大量生產(chǎn)的鑄造工廠使用的雙碾盤(pán)碾輪式混砂機(jī)，是一種高生產(chǎn)率的連續(xù)式混砂機(jī)。常用的加料順序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分。對(duì)濕型砂而言，混砂時(shí)嚴(yán)格控制加水量是必要的。