粘土湿型砂及其控制要点

粘土湿型砂及其控制要点

中国铸造协会李传栻

用粘土粘结砂作造型材料生产铸件，是历史悠久的工艺方法，也是应用范围最广的工艺方法，说其历史悠久，可追溯到几千年以前；论其应用范围，则可说世界各地无一处不用。

值得注意的是，在各种化学粘结砂蓬勃发展的今天，粘土湿型砂仍是最重要的造型材料，其使用范围之广，耗用量之大，是任何其他造型材料都不能与之比拟的。据报道，美国生产的钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占80%以上；日本的钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占73%以上。

适应各种造型条件的能力极强，也是粘土湿型砂的一大特点。从人类进入青铜时代起，长期用于手工造型，生产了无数精美绝伦的产品。1890年震压式造型机问世以后，用于机械造型也极为成功，并为此后造型作业的机械化、自动化奠定了基础。近代的高压造型、射压造型、气冲造型、静压造型及无震击真空加压造型等新工艺，也都是以粘土湿型砂为基础的。

各种新工艺的实施，使粘土湿型砂在铸造生产中的地位更加重要，也使粘土湿型砂不断面临许多新的问题，促使我们对粘土湿型砂的研究不断加强、认识不断深化。

现今，随着科学技术的迅速发展，各产业部门对铸件的需求不断增长，同时，对铸件质量的要求也越来越高。现代的铸造厂，造型设备的生产率已提高到前所未有的水平，如果不能使型砂的性能充分适应具体生产条件，或不能有效地控制其稳定、一致，则不用多久就可将铸造厂埋葬于废品之中。

目前，采用粘土湿型砂的铸造厂一般都备有适合其具体条件的砂处理系统，其中包括：回收砂的处理、新砂及辅助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的监控。

粘土湿砂系统中，有许多不断改变的因素。如某一种或几种关键性能不能保持在控制范围之内，生产中就可能出现问题。

由于各铸造厂砂处理系统的安排不同，选用的设备也不一样，要想拟定一套通用的控制办法是做不到的。这里，将扼要谈到粘土湿型砂的特性及一些目前已被广泛认同的控制要点。在理解这些要点基础上，可根据企业自己的具体条件确定可行的控制办法。而且，还要随着技术的进步和工厂实际能力（包括人员和资金）的增强，不断改进型砂系统。

一、粘土湿型砂的特性

通常都说粘土湿型砂的粘结剂是粘土，实际上这种提法是不太确切的，单用粘土，不能粘结砂粒、使型砂具有强度，粘土湿型砂中的粘结剂是粘土和水按一定比例配合组成的，水是粘结剂中的重要组成部分，只不过水太平常了，所以往往未得到足够的重视。

1、土-水比

如果按活性粘土和水各自在型砂中所占的份额，将活性粘土和水按比例单独混合，得到的是粘稠的膏状体，类似于为制作饺子所和的面团。按土质学方面对粘土-水系统的稠度划分原则，粘土湿型砂中的土-水混合物属于“半固态”范围，实际上型砂中将砂粒粘结起来是这种膏状体，我们将其称之为“粘土膏”。

目前，粘土湿型砂中所用的粘土都是膨润土，水和膨润土混成的粘土膏，大体上是在土-水比为3：1左右时强度最高。采用高压造型工艺时，为得到高强度的铸型，型砂中所含的活性膨润土和水分的质量分数之比，大体都在3：1左右。在这种条件下，型砂的可紧实性也最适合高压造型的要求（约在35~45之间）。

粘土膏的水分增多，其粘度随之降低，强度也相应下降。采用震压式造型机造型时，使型砂流动并将其紧实所需的能量比高压造型小得多，型砂的强度就应该低一些。因为型砂的强度越高，其抵抗变形的能力越强，造型设备提供的能量不足，就难以使铸型具有必要的紧实程度。为适合这种条件，型砂中的土-水比就应该高一些，一般以控制在3：2左右为合适。

2、粘土湿型砂的砂粒结构

砂粒之间的粘结，是靠粘土膏实现的。理想的情况是：水和粘土混合得很好，成为均匀的粘土膏，粘土膏又均匀地涂布在每一砂粒的表面上，砂粒之间由其表面的粘土膏彼此相连而形成的粘结桥粘结起来，如图1所示，其间的空隙可使型砂具有必要的透气性。

图1 粘土湿型砂理想的砂粒结构

要将粘土和水混成均匀的膏体是很不容易的。泥塑艺术家和制陶器的技师混制膏体时，要先将其混匀，再放置一段时间使之熟化，然后还要揉搓、摔打。粘土湿型砂中的粘土膏，质量要求当然没有这样严格，但要使膨润土充分吸水、调混均匀并均匀涂布在每个砂粒表面上也是非常困难的。

在生产条件下，混砂的时间是非常有限的，不仅不可能使粘土和水调配均匀，其在砂粒表面的涂布状态也与图1所示的也相距甚远。完全用新砂配制粘土湿型砂，混成砂的实际砂粒结构示意图见图2。反复使用的系统砂，涂土膏在砂粒表面分布的情况要好一些。

图2 用新砂配制的粘土湿型砂砂粒结构示意图

3、粘土湿型砂的混砂效率

有鉴于在生产条件下粘土湿型砂中的粘土和水不可能充分混合，美国的C. E. Wenniger 提出了“混砂效率”的概念。粘土湿型砂的混砂效率是指：型砂中实际上起粘结作用的膨润土量与其中的活性膨润土含量之比，即

这里有两个术语需要特别说明一下：

“活性膨润土”是型砂中所含的具备活性、能吸水膨胀而起粘结作用的膨润土，也就是可以用吸蓝法测定其含量的膨润土。活性膨润土（active clay ），曾有人将其译为“有效膨润土”，而且在全国广为采用，这是很不

混砂效率= ×100（%）

有效膨润土量

活性膨润土含量

妥当的。因为活性膨润土是能起粘结作用的，是具有活性的，但在型砂中不可能全部都起作用，并不是都是“有效的”，而且也不希望其全部都起作用。

“有效膨润土”（effective clay）则是在型砂中发生了有效粘结作用而使型砂具有强度的膨润土。

由于粘土膏属半固态性质，粘度很高，难以混匀，用于混制粘土湿型砂的混砂机，所需的功率比供砂能力相同的树脂砂混砂机大得多，混砂所需的时间也更长。即使如此，型砂中的粘土和水仍不能充分混匀，用当前高水平的混砂设备，混砂效率也不过是60~70%。

另一方面，从要求型砂适于造型的可紧实性看来，也不应该让所有的活性粘土都充分吸水并混合均匀。例如，高压造型一般要求型砂的可紧实性数值为35～45，在这种条件下，混砂效率大约仅略高于60%。如果充分加水，并加以长时间的混制，使混砂效率提高到80%以上，型砂的可紧实性就会远高于60，根本就不能使用，更不用说让型砂中的活性粘土全部都起作用了。

还要特别指出的是：如果型砂中的活性粘土全部都起作用，都充分吸水了，造好的砂型浇注时，金属/砂型界面处的水向内部迁移，形成水分凝聚层时，由于此处粘土已经充分吸水，不能再吸收水分，水分凝聚层的强度将会非常之低，铸件上就极易于产生膨胀缺陷。所以，从这方面看来，追求过高的混砂效率也是不可取的，一切事物都是有两面性的。

在正常的混砂条件下，粘土湿型砂的强度决定于其中粘土膏的多少和粘土膏的粘度，所以，强度、活性膨润土含量和水分之间是有相依关系的。此外，在型砂强度一定的条件下，其可紧实性越高，则其中有效膨润土的含量也越高，三者之间也有相依关系。在这种认识的基础上，由众多的实验数据，得到了图3所示的线图。利用图3，可由型砂的湿抗压强度和水分的测定值，得知其中的活性膨润土含量。但是，活性膨润土含量必须以吸蓝法的测定值为依据，由图3查得的值应经常与之对比，作为日常测定性