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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砂型送入窯中烘干;表面烘干砂型只在澆注前對型腔表層用適當方法烘干一定深度(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的鑄件。表面烘干型與干型比，可節省烘爐，節約燃料和電力，縮短生產周期，所以曾在中型和較大型鑄鐵件的生產中推廣過。通常采用較粗砂粒(使有高的透氣性)，加入較多粘土和水分，有時還在型砂中加1～2%的木屑(提高抗夾砂結疤能力)，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，為了防止烘干時鑄型開裂，一般在加入膨潤土的同時還加入普通粘土。干型主要靠涂料保證鑄件表面質量。其型砂和砂型的質量比較容易控制，但是砂型生產周期長，需要專門的烘干設備，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粘結的自硬砂型所取代。

　　濕型鑄造特點

　　濕型鑄造法的基本特點是砂型(芯)無需烘干，不存在硬化過程。其主要優點是生產靈活性大，生產率高，生產周期短，便于組織流水生產，易于實現生產過程的機械化和自動化;材料成本低;節省了烘干設備、燃料、電力及車間生產面積;延長了砂箱使用壽命等。但是，采用濕型鑄造，也容易使鑄件產生一些鑄造缺陷，如：夾砂、結疤、鼠尾、粘沙、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鑄造科學技術的發展，對金屬與鑄型相互作用原理的理解更加深刻;對型砂質量的控制更為有效;加上現代化砂處理設備使型砂質量得到了一定保證;先進的造型機械使型砂緊實均勻，起模平穩，鑄型的質量較高，促進了濕型鑄造方法應用范圍的擴大。例如汽車、拖拉機、柴油機等工業中，質量在300～500kg以下的薄壁鑄鐵件，現都已成功地采用濕型鑄造。現代化造型方法有：普通機器造型、微震壓實造型、多觸頭高壓造型、射壓造型、沖擊造型及靜壓造型等。

　　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。型砂的配方應根據澆注合金種類、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具有的性能范圍，然后再根據各種造型原材料的品種和規格、砂處理方法和設備性能、砂鐵比等因素擬定。

　　石英質原砂(具體參數請查詢鑄造技術數據-鑄造技術-鑄造工藝參數-鑄造造型材料-鑄造用砂)

　　鑄造生產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，易于開采，價格低廉，能滿足鑄造上多數情況的要求。生產中通常根據鑄件的合金種類、質量、壁厚的不同來選定原砂的化學成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強還原性氣氛，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進行化學反應而造成化學粘砂。所以要求原砂中SiO2含量應較高，有害雜質亦應嚴格控制。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，則對原砂中SiO2含量的要求就越高。
非石英質原砂

　　非石英質原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離SiO2的原砂。雖然硅砂來源廣，價格低，能滿足一般鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產的要求而得到廣泛應用，但是硅砂還有一些缺點：熱膨脹系數比較大，熱擴散率比較低，蓄熱系數比較低，容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會對鑄型與金屬的界面反應起不良影響。在生產高合金銅鑄件或大型鑄鋼件時，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發生粘砂缺陷，使鑄件的清理十分困難。清砂過程中，工人長期吸入硅石粉塵易患矽肺。

　　為了提高鑄件表面質量，改善勞動條件，在鑄鋼生產中已逐漸采用一些非石英質原砂來配制無機和有機化學粘結劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數都具有較高的耐火度、熱導率、熱擴散率和蓄熱系數，熱膨脹系數低而且膨脹均勻，與金屬氧化物的反應能力低等優點，能得到表面質量高的鑄件并改善清砂勞動條件。但這些材料中有的價格較高，比較稀缺，故應當合理選用。目前可用的非石英質原砂有橄欖石破、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。

　　粘土

　　粘土是濕型砂的主要粘結劑。粘土被水濕潤后具有粘結性和可塑性，烘干后硬結，具有干強度。而硬結的粘土加水后又能恢復粘結性和可塑性，因而具有較好的復用性。粘土資源豐富，價格低廉，所以應用廣泛。

　　粘土主要是由細小結晶質的粘土礦物所組成的土狀材料。按晶體結構可分為高嶺石(kaolinite)組，包括高嶺石、珍珠陶土、地開石、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所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土(fireclay)和鑄造用膨潤土兩類。膨潤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劑。鑄造用粘土主要含有高嶺石或依利石類礦物。

　　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%(質量分數)范圍內，根據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，膨潤土與瀝青或其他石油衍生物的混合粉末或漿液，固態或水中分散的合成聚合物和淀粉等。鑄鐵面砂中淀粉含量(按質量分數計)一般為0.5%左右，鑄鋼面砂在0.5～1.0%左右。

　　濕型砂性能要求及檢測方法

　　高質量型砂應當具有為鑄造出高質量鑄件所必備的各種性能。根據鑄件合金的種類，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、金屬液壓頭、砂型緊實方法、緊實比壓、起模方法、澆注系統的形狀、位置和出氣孔情況，以及砂型表面風干情況等的不同，對濕型砂性能提出不同的要求。最主要的，即直接影響鑄件質量和造型工藝的濕型性能有水分、透氣性、強度、緊實率、變形量、破碎指數、流動性、含泥量、有效粘土含量、顆粒組成、緬化物、砂溫、發氣性、有效煤粉含量、灼燒減量、抗夾砂性、抗粘砂性等。

　　水分、最適宜濕程度和緊實率

　　為了得到所需要的濕態強度和韌性，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適宜的范圍內。

　　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量百分數，這是一般工廠中確定型砂干濕程度最常用的傳統方法。測定的原理是稱取定量的型砂，放入105～110℃烘干裝置中使之干燥，由烘干前后的質量差異計算出型砂的水分。

　　(2)手捏感覺

　　有實際操作的混砂或造型工人常根據用手捏型砂時砂是否容易成團和是否沾手來判斷型砂的干濕程度，還根據捏緊動作中砂是否柔軟和變形情況來判斷型砂的可塑性;根據手指掐碎砂團時用力大小來判斷型砂的強度是否合適。

　　(3)緊實率

　　是指濕型砂用1MPa的壓力壓實或者在鼓擊式制作機上打擊三次，其試樣體積在緊實前后的變化百分率，用試樣緊實前后高度變化的百分數來表示，即緊實率=[(筒高一緊實距離)筒高]×100%。

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

　　緊實的型砂能讓氣體通過而逸出的能力稱為透氣性。透氣性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘結劑種類、加入量和混砂時粘結劑在砂粒上的分布狀況以及型砂緊實度的影響。對于濕型的單一砂和面砂而言，透氣性不但要有下限，而且必須嚴格規定其上限。

　　型砂必須具備一定的強度以承受各種外力的作用。型砂的強度用型砂標準試樣在外力作用下遭到破壞時的應力值來表示。常用計量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa)。濕型鑄造時，往往主要檢查型砂石的濕態抗壓強度，有的也測濕態抗剪強度和濕態抗拉強度。對普通機器造型用濕型砂，通常控制濕壓強度為0.06~0.12MPa之間，高密度造型用濕型砂，濕壓強度常控制在0.09~0.20MPa。

　　在生產中常采用表面硬度計測定硬度，以此反映型砂緊實的質量，反映鑄型表面強度。

　　流動性

　　型砂在外力或自重作用下，沿模樣和砂粒之間相對移動的能力稱為流動性。流動性好的型砂可形成緊實度均勻、無局部疏松、輪廓清晰、表面光潔的型腔，這有助于防止機械粘砂，獲得光潔的鑄件。此外，還能減輕造型緊實砂的勞動強度，提高生產率和便于實現造型、造芯過程的機械化。

　　目前測流動性的方法還未統一，較多采用以下幾種方方法來判定型砂流動性：①用濕型硬度計測定標準試樣兩個端面硬度值的差別，硬度差別越小，指明型砂的流動性越好;②在標準圓柱形試樣簡中放置一塊高25mm的半圓形金屬塊，測定階梯試樣兩平面的硬度差值;③測定在底側有環形空腔型砂試樣筒中沖擊成的試樣的高度;④側孔法：測定在沖擊型砂試樣時圓柱形試樣簡側面12mm 小孔中擠出的型砂的質量。⑤試樣質量法：即對比測定緊實率后的試樣質量，容積密度愈大，則流動性好。
起模性、變形量、韌性和破碎指數

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

　　型砂的變形量通常是在用強度試驗機測定型砂抗壓強度的同時，用一個百分表測出試樣破碎前的變形量(高度減小量)。由此也可計算出型砂韌性，即將型砂濕壓強度(MPa)承變形量(cm)再乘1000的乘機來表示韌性(MPa.cm).

　　對濕型砂而言，有人認為韌性也可用破碎指數來代表，即測定在沖擊條件下型砂的韌性。濕型砂標準抗壓試樣放在鐵砧上受到一個自lm高度自由落下的φ50mm、510g鋼球的沖擊，破碎的型砂，碎的通過網眼為12.7mm(0.5in)的篩網，留在篩網上的大塊型砂的質量占試樣原質量的比值即為破碎指數。通常震壓造型的破碎指數控制在68～75%，高壓造型型砂的破碎指數要求在68%左右。

　　發氣量和有效煤粉含量

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

　　濕型砂制備

　　在擬定型砂的配方之前，必須首先根據澆注合金種類、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具有的性能范圍。然后再根據各種造型原材料的品種和規格、砂處理方法和設備性能、砂鐵比和各項材料燒棉比例等因素擬定型砂的配方一個車間的型砂性能指標和配方要經長期生產考驗才能確定。

　　舊砂的特性及其處理

　　生產1t濕型鑄件約需要5～10t型砂，在實際生產中，配制型砂時都盡量回用舊砂(即重復使用過的型砂)、這不僅是經濟上的需要，而且也是保護環境、防止公害的需要。混砂時還需向舊砂中補充加入新砂、膨潤土、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，因而舊砂要經過多次磁選、破碎團塊及過篩去除雜物。還應該經過除塵處理，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。

　　濕型砂的混制工藝

　　生產中常用的混砂機有碾輪式、擺輪式、葉片式等。有些大量生產的鑄造工廠使用的雙碾盤碾輪式混砂機，是一種高生產率的連續式混砂機。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。對濕型砂而言，混砂時嚴格控制加水量是必要的。