湿型砂材料选用

湿型砂材料选用的几个问题

1 原砂

在混砂批料中加入原砂的目的是弥补铸造生产过程中砂粒损失，稳定型砂的含泥量不变，冲淡新形成的灰分，稳定型砂的粒度和透气性。对原砂的品质要求主要存在的问题有以下三个：

1.1 铸铁用原砂的SiO2含量底线是多少？

上世纪80年代初美国通用公司来华谈合作时，对我国第一汽车厂铸铁件使用SiO2含量只有90％左右的内蒙原砂表示惊讶。认为应当像美国中西部汽车工业集中地区用密歇根湖的湖砂，SiO2含量为95～96％。德国的铸铁工厂也曾表示生产铸铁件用原砂最好像Luitpold工厂那样使用含SiO299.6％以上的H33硅砂。不久前有一位日本工程师认为辽宁某厂的铸铁件表面不够光洁的原因是用了内蒙砂，需要更换SiO2含量更高的原砂。因为他们用从澳大利亚进口的Flattery砂，SiO2含量在99％以上。英国人认为铸铁件用SiO2含量至少应当用类似Chelford砂和Bedford砂SiO2含量96～97％的硅砂。他们都以自己本国的使用硅砂的SiO2含量来评论中国铸造工厂的铸铁用原砂。然而我国铸造工厂大多认为比较理想的铸铁用原砂是内蒙等地蕴藏极其丰富的风积砂，SiO2含量约为88～92％。内蒙砂颗粒形状圆滑，而且SiO2含量适中，不易产生夹砂缺陷。

由于新砂的消耗量大，为了避免长途运输，铸铁工厂都尽量选用就近的砂源。例如华中一带多用江西砂，SiO2含量大约在87～93％。华东用江西砂或用SiO2含量大约在95～98％福建砂，河南及邻近地区广泛使用黄河沉积砂（SiO2含量大约只有80～82％）生产汽车、拖拉机、柴油机等铸件并未出现明显缺陷。为了了解低SiO2含量的原砂对型砂性能和铸铁件品质的影响，清华大学曾进行了试验研究工作[1]。将黄河沉积砂用药物浮选方法分为石英精砂(SiO2含量96.1％)和长石砂(SiO2含量71.5％)，然后按不同比例配制成五种粒度分布和颗粒形状相同，而SiO2含量不同的原砂来进行研究。结果表明：①低SiO2含量砂在通常的高压造型比压下不致引起明显的颗粒破碎。高SiO2含量的石英砂则在激热和激冷作用下较易破碎。②低SiO2含量砂受热膨胀少，变形速度较缓和，高温蠕变能力强，热强度高，因而型砂具有较好的抗夹砂能力。而含SiO2较高的砂在550～600℃范围内由于石英相变使型砂急剧膨胀，配制成的型砂在此温度下的热强度又处于最低点，较易产生夹砂缺陷。③原砂的SiO2含量较低时，靠近铸件表面的型砂易烧结熔融，有利于防止铸铁件的化学粘砂。④原砂中SiO2含量每降低5％，其烧结点约下降50℃，对于浇注温度不过高，壁厚不太大的铸铁件，使用SiO2含量80％左右的原砂的型砂结壳现象可能不明显。但是，有一机床厂用黄河砂造型，在机床导轨等较厚部位出现烧结层，并未产生粘砂和夹砂缺陷，但型砂烧结形成的砂壳混入回用砂中逐渐积累，有可能引起型砂性能恶化。

笔者曾见到烟台一家新开办的手工造型生产出口平底煎锅的小工厂，铸件表面遍布网状毛刺。所使用原砂为附近金矿排出的废砂。估计废砂的矿物成分主要是长石，SiO2含量可能不足70％。长石的熔点大约只有1100～1250℃，低于铁液的浇注温度。浇注铁液使砂型表面砂粒严重烧结、收缩和形成网状裂纹。浇入的铁液钻入裂纹缝隙中，冷却后成为毛刺。

1.2 湿型砂用原砂最适宜的粒度是什么？

原砂粒度决定型砂中砂粒的粒度，型砂粒度是将湿型砂洗去泥分和烘干后筛分测定的。型砂粒度粗细是否适宜由型砂透气性判断。一般机器造型使用原砂粒度和型砂的砂粒粒度都为70/140（大致相当平均细度70左右），可以保证湿型砂的透气性在70～100之间。高密度造型方法的砂型紧实度较高，透气条件比一般的振压造型或手工造型差，所用原砂稍粗，型砂透气性也相应稍高一些。比较理想的高密度造型的型砂平均细度（即AFS细度）为60左右，大致相当于50/140，即集中于70和100目的四筛砂，或者100目偏多的100/50三筛砂。例如日本日产自动车公司汽缸体铸造用型砂的砂粒平均细度59.2。美国John Deere公司型砂平均细度58～64。瑞士GF公司推荐我国第二汽车厂气冲用型砂AFS 细度60左右。日本黑川丰调查8家静压造型线的型砂细度52.1～61.4，平均56.4。如此型砂的砂粒细度能过保证型砂具有合适的透气性在80～120之间。例如德国生产大众汽车缸体的Luitpold铸造厂型砂透气性为90~110。德国Rexroth工厂要求高压造型为110~135。德国另一用气冲造型生产灰铁件工厂透气性为95～110。美国使用SPO高压造型线生产缸体和缸盖的John Deere铸造厂为75~90，通用汽车厂Pontiac铸造厂为100~130。。日本土芳公司调查26条挤压线的透气性平均为108。

但是有些铸造厂透气性数值>160，甚至高达200以上。其原因是这些工厂所生产铸件具有大量粗粒的树脂砂芯，砂粒的平均细度通常在50左右（大体相当50/100）。浇注后大量溃散芯砂混入砂系统中而使型砂粒度变粗，而不是故意要求高透气性。江苏某外资工厂的树脂砂芯用原砂为30/50目，混入型

砂中型砂透气性高达230，用射压造型机生产出铸件表面相当粗糙。为了生产要求表面光洁的出口铸件，只好用全新平潭砂（70/140）专门混制型砂。

1.3 原砂的泥分上限是多少？

树脂砂芯用原砂的含泥量越低越好。研究表明将含泥0.8％的漂洗内蒙砂充分擦洗到含泥0.04％，热芯盒树脂砂的抗拉强度几乎提高一倍。但是湿型用原砂含有泥分多少似乎并不明显影响湿压强度。由于批料中原砂的泥分就是不起良好作用的灰分，高泥分原砂使其稳定型砂含泥量和冲淡灰分的作用打了折扣。例如个别小厂使用未经水洗去泥的毛砂（含泥3.5％左右）混砂，如果混砂加入量10％，则带入型砂的灰分达0.35％。日积月累使型砂的泥分和灰分不断增高，含水量增大、透气性和韧性下降。因此原砂的泥分也不可过多。国外湿砂型用原砂含泥量举例如下：德国Frechen和Haltern 0.1～0.2％，澳洲Flattery 0.2~0.3%，Fremantle 0.1~0.3％，英国Erith 0.2~0.3％，Chelford 0.3~0.5％。笔者认为我国湿型用原砂应当经过认真水洗加工，含泥量不宜超过0.5％。

2膨润土

加入膨润土的目的是使湿型砂具有足够的湿态黏结力和热湿态黏结力。批料中的膨润土加入量应当尽可能少，以免型砂含泥量过高。同时也要求膨润土的复用性好和不易烧损成为灰分，不需要向批料中补加较多膨润土。对膨润土品质最关心的问题有以下几个：

2.1怎样用简单方法鉴别膨润土的黏结力？

如今湿砂型的混砂需要加膨润土已经人所共知，但是南方有些铸造工厂将膨润土误称成“陶土”。膨润土与制造陶瓷产品陶土是两种结晶构造完全不同的黏土矿物。曾见到一家刚开工的小铸造厂让采购人员买回真正的陶土。使用后发现砂型强度很低而且开裂。笔者当时采取的鉴别方法是取10g左右黏土与30ml水放置入茶杯中调和成黏土浆，然后加入0.5g 碱面并搅拌均匀。陶土加Na2CO3前是稀汤状，加后也不变稠。钙基膨润土加水后是稀糊状，加Na2CO3后变黏稠膏状。活化膨润土加水后已经成膏状。

测定膨润土黏结力的准确方法是用实验室小混砂机混合膨润土和新原砂，加水量按照紧实率45±2％控制，冲制标准试样后测定其抗压强度。更简单的检验方法是测定其亚甲基蓝试剂吸附量，因为膨润土含有的蒙脱石能过吸附亚甲基蓝染料。将膨润土试料在水中充分分散后，逐渐滴加亚甲基蓝溶液，当吸附量达到饱和后膨润土液中出现游离的亚甲基蓝。从点滴到滤纸上的液滴痕迹判断吸附的终点。机械行业标准JB/T 9227-1999《铸造用膨润土和黏土》规定要求配制滴定溶液前必须将亚甲基蓝试剂在93 3℃烘干至恒重是错误的。用亚甲基蓝滴定法检验膨润土含量的方法始自美国石油钻井泥浆行业。美国石油学会标准考虑到所用亚甲基蓝含结晶水数量不完全是分子式中的3H2O，还可能搀杂有少量含2、3、4和5个结晶水的亚甲基蓝。烘干的目的是测出实际含结晶水量，为了在配制滴定溶液时对亚甲基蓝称取量进行修正。并不将配制滴定液用亚甲基蓝试剂烘干以免变质。

2.2 天然钠基膨润土与活化膨润土有什么特点？怎样检测膨润土的热湿黏结力？

钠基膨润土的优点是型砂热湿拉强度高，铸件不易产生夹砂缺陷；而且热稳定性高，不易烧损。我国天然钠基膨润土资源较少，品质不够优质。用碳酸钠加工钙基膨润土而成的“活化膨润土”可以大幅度提高型砂的热湿拉强度，热稳定性也有显著提高。但是活化膨润土含有较多的碳酸盐，受热发出气体。有些外资铸造工厂为了减少气孔缺陷，部分使用进口天然钠基膨润土。天津某厂曾采购到一种价格不高的“天然钠基膨润土”，但怀疑仅为活化膨润土。笔者建议的最简单的检验办法是取1～2g 膨润土浸没入试管内的浓盐酸中，看到陆续出现气泡是碳酸盐与盐酸反应生成CO2气体，表明为活化膨润土。美国怀俄明天然钠基膨润土的碳酸盐含量要求不超过0.7％，加浓盐酸后发气不明显。

用热湿拉强度仪器能够准确地测定出膨润土的热湿拉强度，从而得出防止夹砂缺陷的能力。但是在没有可用仪器的条件下，测定膨润土在水中的膨润状况也能大体估计出膨润土的抗夹砂缺陷能力[2]。将2.0g膨润土在100mL量筒的水中均匀分散，使膨胀成悬浮液，检查静置24h后形成膨润物体积有多少即可表明活化程度。膨润度、胶质价、膨胀容和自由膨胀量等四种试验方法的主要区别只是所用电介质不同，而测定结果都很接近。一般钙基膨润土的膨润量不超过20mL，活化膨润土和天然钠基膨润土的膨润量至少40mL。怀俄明膨润土可达100mL。随着活化膨润土的碳酸钠加入量增多，膨润物的体积也增大。但是碳酸钠量达到极限量以后热湿拉强度会下降。大部分钙基膨润土的极限活化量大约在5％左右，铸铁用活化膨润土的碳酸钠加入量可能在3.5～4％。并不加入5％以免型砂的混制困难、造型流动性差和浇注后落砂性不良。膨润量只与型砂的热湿拉强度有关，与型砂的湿压强度无关。那种认为膨润物量越大，型砂湿态黏结力就越高的观点是错误的。

2.3 膨润土的热稳定有什么实际意义？怎样甪简单试验方法进行评定？

膨润土的热稳定性又可称为膨润土的复用性或耐热性，是指经高温金属液加热的膨润土加入水分