铸造湿型砂完整过程控制讲解

湿型砂概述1998/12/15初稿，2002/02，2006/06改写
一、湿型砂品质控制1 引言 1
2 型砂性能及检验 1
2.1 干湿程度、紧实率和含水量 1
2.2 透气率 2
2.3 湿态强度 2
2.4 韧性和起模性 4
2.5 有效煤粉量、发气量、浇注试验 4
2.6 有效膨润土含量、膨润土利用率 5
2.7 热压应力、热湿强度、激热开裂试验7
2.8 含泥量、粒度、微粒含量、团块含量8
2.9 型砂温度10
2.10 流动性、可紧实性11
2.11 表面耐磨性11
2.12 其它型砂性能11
3 型砂性能检测频率和结果整理分析12
3.1 型砂性能检测频率12
3.2 检测结果的整理12
二、湿型砂的原材料1 引言12
2 膨润土12
2.1 前言12
2.2 膨润土的品质和检测13
2.3 膨润土的应用16
3 煤粉及代用品15
3.1 前言15
3.2 煤粉品质的检测16
3.3 煤粉代用品和新型煤粉商品20
3.4 煤粉材料的应用21
4 淀粉类材料20
4.1 前言20
4.2 淀粉对湿型砂性能的影响20
4.3 淀粉材料的鉴别和检验21
4.4 α–淀粉的应用22
5 新砂22
5.1 前言22
5.2 SiO2含量22
5.3 含泥量23
5.4 粒度23
5.5 颗粒形状24
6 旧砂24
6.1 前言24
6.2 芯砂的混入24
6.3 旧砂的冷却24
6.4 旧砂中粉尘的降低25
6.5 湿型旧砂的再生25
7 水27
一，湿型砂性能检测与品质控制
1. 引言
影响湿型铸件表面品质的各生产工序中以型砂品质最为关键。

我国不少铸造工厂对型砂品质的检验不够重视。

很多铸造厂的型砂实验室只偶尔检测型砂性能，或者仅只测定型砂的三、四种性能，因而不足以判断型砂的品质如何，也无法确定铸件缺陷是由哪个型砂性能数据引起的。

为了保证湿型铸件表面良好，必须对所使用型砂的性能有全面了解。

铸造工厂对湿型砂性能的具体要求随造型方法和砂处理设备不同而有区别。

高密度造型方法（包括多触头高压、气冲、挤压、射压、静压等造型方法）的生产效率高、铸件品质较好，对型砂性能的要求甚为严格。

但是，机器造型和手工造型也不可忽视型砂性能检测，否则必然会出现大量铸件缺陷。

下面将简要介绍常用的湿型砂性能与铸件品质的关系，以及检验方法的原理。

具体的试验步骤可参考其它资料，不在此赘述。

在本文中将举例提到一些国内外铸造工厂的型砂性能和品质数据，这些数据仅代表当时搜集到的资料，并不说明目前的实际情况。

2.型砂性能检验项目分论
2.1 型砂的干湿程度、紧实率和含水量
(1)型砂干湿程度–––型砂如果太干，就不能充分发挥膨润土的粘结力，型砂的韧性不足，砂型容易破碎，起模困难，砂型表面强度低，铸件容易产生冲砂和砂孔等缺陷。

型砂不可太湿，否则型砂流动性差，砂型紧实程度不均匀，还易使铸件产生针孔、气孔、水爆炸粘砂、呛火、跑火、胀砂和夹砂缺陷。

因此，型砂的干湿程度应保持在最适宜范围内。

型砂的含水量只是说明所含自由水的绝对数量，并不反映型砂的干湿程度。

如果型砂含有大量的细粉类吸水性材料，虽然含水量已高达5%，型砂仍然会显得过分干脆。

如果型砂只是由纯净的新砂和优质膨润土混制而成，含水量5.0%的型砂会显得又湿又粘。

(2)紧实率–––有实际操作经验的人可以根据手捏型砂来判断其干湿程度，但手捏的感觉因人而异，而且不能用数值表示。

型砂的干湿程度应当用紧实率表示。

试验时将型砂通过带有筛网的漏斗（作者认为应仿照国外产品用4目筛网，不用6目以免过筛费时而使测得紧实率低于型砂实际紧实率），自由落下装满试样筒，刮去多余的砂后在锤击式制样机上打击三次，试样高度缩小程度即为紧实率。

测定原理是较干的松散型砂自由流入试样筒时，砂粒堆积得比较密实，在相同的捶击紧实力作用下，型砂体积减小较少；而较湿的型砂，在未被紧实前砂粒的堆积比较疏松，紧实后体积减小较多。

根据型砂被紧实前后的体积变化多少，就可以检测出型砂的干湿程度。

通常认为手工造型和震压式机器造型用型砂要求起模性好，造型处最适宜干湿状态下的紧实率大约在50%左右；高压造型、静压造型和冲击造型时为40%左右；射压、挤压造型要求流动性好，紧实率为35～40%。

不管型砂中膨润土、煤粉和灰分的含量有多少，只要将紧实率控制在上述范围内，手感的干湿程度就处于最适宜状态。

GF、BMD和FA公司推荐气冲造型用型砂紧实率分别为35～40%、38～42%和36～39%。

近年来高密度造型工厂由于机器起模精度提高，为了提高型砂流动性，在保证起模的前提下尽可能降低紧实率。

对流动性要求较高的挤压、射压造型的型砂更是如此。

以上均为造型处取样数据，如为混砂机处取样，还应再少许提高，以补偿运输和储存过程中型砂变干。

很多铸造工厂只从混砂机处取样，认为较为方便和容易及时控制型砂品质。

这就需要根据各季节气候不同调整混砂机处的紧实率控制值。

(3)含水量–––从减少铸件针孔、气孔、水爆炸粘砂等缺陷的角度出发，要求最适宜干湿状态下型砂的含水量不可过高。

含水量的快速测定法是在红外线烘干器上进行。

以试料重量减少量占试样原重量的比例计算含水量。

试料在盛砂盘中所承受的温度高达170℃左右，型砂内如果含有煤粉、重油等易挥发物质，可能会有少量随水分一同烘掉，从而使测得数值要比实际含水量偏高些。

有些实验室用药物托盘天平的感量为±0.1g，测定出型砂含水量的称量误差绝对值可能高达±0.5%。

因此应当使用感量±0.01g的天平，最好是电子
天平。

如果经济条件允许，可以使用进口的带有卤素灯加热装置的电子天平。

由于各铸造工厂型砂中吸水物质含量不同，造型设备和操作习惯各异，湿型砂含水量控制数值是很不一致的。

国外高压造型、气冲造型生产汽车、拖拉机等铸件的灰铁和球铁铸造工厂的型砂在造型机处取样的含水量大多数在2.8～3.8%之间(集中在3.4%左右)。

型砂的含水量也应以造型处为准，经过运送过程型砂含水量有所下降，其幅度因砂温、气候和车间运输条件而异。

我国很多工厂只从混砂机处取样，这样就需要根据季节不同适量提高型砂含水量来补偿蒸发损失。

例如昆山信嘉射压造型夏季要求含水量为2.9～3.5%，冬季为2.7～3.3%。

手工造型和震压式机器造型的型砂紧实率稍高，含水量也稍多些，大多在3.5～4.5%。

但还有很多类似造型条件的铸造工厂的型砂含水量可能高达5.5～6.5%以上，其原因是型砂含泥量过高和混砂工艺不够合理造成的。

但是型砂含水也不应过少，否则如果有±0.2%的偏差都会引起型砂性能显著波动。

一些生产具有大量树脂砂芯的铸件的铸造厂，由于溃碎砂芯混入型砂过多，型砂含泥量太少，就会遇此困难。

经验表明，如果型砂中不含糊精、α淀粉等有机物，紧实率:含水量的比率最好在(10～12):1。

2.2 透气率
型砂必须具有良好的透气能力，以免浇注过程中发生呛火和铸件产生气孔缺陷。

但是湿型砂的透气能力又不应太高，以免金属液渗透入砂粒孔隙中而造成铸件表面粗糙和机械粘砂。

测定湿型砂透气性能时，将内有型砂试样的试样筒固定在仪器的试样座上，试样座的管口处装有阻流孔。

气钟产生100mm水柱气体压力。

用微压计测出通过试样前的试样筒中空气压力，可由微压计的表盘上直接读出透气率。

有的仪器厂生产出电动透气率测定仪，改用电动机带动的离心鼓风机产生测试气源，替代操作不便的气钟。

实验室应定期检验阻流孔的通气能力、气钟产生压力是否改变，否则会出现误差。

型砂透气率高低的选定主要根据砂型排气条件和对铸件表面粗糙度的要求。

砂型上扎有较多排气孔等通气设施，可以降低对透气率的要求。

高密度砂型比较密实，则要求型砂有较高透气率。

纺织机械要求表面光洁，其型砂透气率就较低。

国内外工厂高密度造型型砂透气率大多集中在100～140。

有些工厂的透气率高达160以上，是粗芯砂混入造成的，可能需要在砂型表面喷涂料，以免铸件表面粗糙。

手工或震压造型单一砂的透气率大体为60～90。

如果使用面砂，其透气率可更低些，背砂透气率需高于面砂。

影响型砂透气率的因素有砂粒粗细、含泥量多少、紧实程度高低、型砂流动性好坏等。

2.3 湿态强度
湿型砂必须具备一定强度以承受各种外力的作用。

如果湿态强度不足，在起模、搬运砂型、下芯、合型等过程中，砂型有可能破损和塌落；浇注时可能承受不住金属液的冲刷和冲击而使铸件造成砂孔缺陷甚至跑火(漏铁水)；由于砂型缺乏足够强度以保证其硬度，浇注铁水后石墨析出会造成型壁移动而导致铸件疏松和胀砂缺陷。

另一方面，生产较大铸件的高密度砂型所用砂箱都无箱带，高强度型砂可以避免塌箱、胀箱和漏箱。

无箱造型的砂型在浇注时需要承受金属液压力，挤压造型时顶出的砂型还要推动其它砂型向前移动，也对型砂的强度提出较高要求。

但强度也不宜过高，因为高强度的型砂需要加入更多的粘土，不但影响型砂的水分、透气性和铸件的生产成本，也给混砂、紧实和落砂带来困难。

型砂的强度用标准试样在受外力作用下遭到破坏时的应力值来表示。

湿型铸造时，可以检查型砂的湿态抗压强度、抗剪强度、抗拉强度或劈裂强度。

测试以上几种型砂强度都需要用圆柱形标准型砂试样。

冲制抗压、竖剪和劈裂强度试样的整体试样筒使用最为频繁。

我国有的仪器厂以往制造的铸铁试样筒耐磨性差，较易磨损。

研究工作表明：使用内表面已磨损的老试样筒比用光滑的新试样筒抗压强度低20～28%，透气率高12～14%，将试样顶出所需的力为新试样筒的2.69倍。

美国铸造师学会要求试样筒为钢制，内表面硬度Rc65～70，珩磨加工后粗糙度Ra≤0.20μm，并定期喷涂少量液态脱模剂。

美国铸造师学会还要求冲样器应安装在专门的反冲底座上，或在坚实台上垫6.4mm厚皮革。

研究结果还
表明：冲样器放置在木桌中央比安装在反冲底座上或在水泥台上垫约6.2mm 厚橡胶板，测得型砂抗压强度低25～26%。

(1)湿压强度–––目前在我国铸造工厂的型砂实验室中所用测试仪器有液压强度试验机或杠杆式强度试验机。

GF 公司液压强度试验机的低压表测定范围为0～320kPa ，适合测定高密度造型型砂的湿压强度。

但有些旧式国产液压强度试验机的低压表测定抗压强度量程为0～130kPa ，高压表的测定范围0～1300kPa 。

常用湿型砂的湿压强度范围大致处于低压表的顶端和高压表的低端，高压表的示值精度为±2.5%，绝对误差高达±30kPa 。

不适合测定高密度造型的型砂湿压强度。

液压试验机还经常漏油。

近年来有的单位将电测传感器安装在压力表快换接头座上，由数码管显示并保持强度峰值，避免高、低压表的频繁更换，压力示值的精度提高到±1.5%。

不少工厂仍愿使用原有的老式杠杆强度试验机，认为其结构简单、不易损坏。

但需靠手动旋转丝杠来移动杠杆的支点和指示出试样的强度值，如果型砂的韧性较高，试样碎裂前的变形量较大，就很难判断支点的停留位置。

现已无杠杆强度试验机生产供应。

清华大学研制的气动多功能强度仪用传感器测定强度，和用液晶显示测定结果，使用较为方便。

我国工厂高密度造型的型砂湿压强度接近美洲和日本工厂，大多在140~180kPa 。

震压造型的湿压强度大约在70～100kPa 上下。

欧洲铸造行业对铸铁用高密度造型型砂的的湿压强度值要求较高。

例如瑞士GF 公司要求气冲型砂––180～220，丹麦DISA 公司挤压型砂––200±20。

有人认为欧洲铸造工厂的铸铁型砂湿压强度较高的原因是所用原砂含SiO 2高，型砂中必须加入大量膨润土才能避免铸件产生夹砂结疤缺陷，以致型砂强度偏高。

我国很多工厂的型砂强度要求较低的原因之一是工厂的震动落砂机破碎效果较低，湿压强度高的大块型砂难于碎开，而会大量随铸件跑掉。

同时，有些铸造工厂所用膨润土的品质差，要使型砂达到高强度就必须加入大量膨润土。

不但提高生产成本，而且会使型砂含水量过高。

(2)湿剪强度–––从材料力学角度来看，抗压强度除了代表型砂中膨润土浆的粘结力以外，也反映受压力时砂粒之间的摩擦阻力，因而不能用湿压强度值说明型砂的起模性能好坏。

可以形象化地认为起模时砂型边缘的破损主要是由于与模样摩擦产生的剪切应力超过型砂的抗剪强度；砂型中吊砂的断裂主要是由于型砂所承受的拉应力超过型砂的抗拉强度。

湿态抗剪强度的传统测试方法是利用前
面所述的测试湿压强度的试验机，将标准圆
柱试样安放在两只半面凸台的剪切力测试头
中间，剪切断裂平面与试样轴线相合，进行
试样轴向剪切。

GF 公司建议我国第二汽车
厂的高压造型线采用湿剪强度值为
45±5kPa 。

BMD 公司推荐上海机床铸造三厂
的气冲型砂为32～36kPa 。

另一种较新的湿
态抗剪强度测试方法是径向剪切方法，使用特制的试样筒和专门试验机进行测试，剪切断裂平面与试样轴线垂直(见右图)。

这种仪器可以同时测定抗剪强度和剪切断裂时的变形量。

所得出的径向湿剪强度数值与竖向剪切强度是一致的。

(3)湿拉强度和劈裂强度–––如前段所述，湿态抗拉强度是防止起模破坏的主要型砂性能之一。

测定型砂的湿态抗拉强度必须使用特制的试样筒制作试样，需用专门的试验机或型砂热湿拉强度试验仪来测定常温湿拉强度。

BMD 公司建议上海机床铸造三厂气冲型砂为26～36kPa 。

DISA 公司要求挤压型砂为20～25kPa 。

一般的型砂实验室中缺少测试湿拉强度试验机。

有人建议将圆柱形标准试样横放，使它在直径方向受压应力，就可以得出近似抗拉强度的劈裂强度值。

但是，劈裂强度读数误差稍大，测试塑性较高的型砂时读数不
剪切强度及变形仪器的工作原理示意图 1—固定支架 2—试样筒 3—测试环 4—锁紧螺钉 5—连接件 6—压力传感器 7—位移传感器 8—轴 9—轴承 10—螺旋测微器 11—摇柄 12—微机系统
够准确。

因此应用不普遍。

DISA 公司推荐的湿劈强度是30～34kPa 。

DISA 公司还给出了用劈裂强度估算抗拉强度的近似公式：湿拉强度 ＝ 湿劈强度×0.65。

2.4 型砂韧性和起模性
型砂不可太脆，应当具有一定的韧性。

否则在起模、下芯、合型和运搬时砂型的棱角和吊砂受到冲击和震动容易碰碎或掉落。

但型砂韧性也不应太高，以免其流动性下降而影响砂型的紧实程度。

型砂的韧性与湿强度是两种不同的特性。

强度代表将物体破坏所需施加的力如何；而韧性反映的是将物体破坏所需做的功如何，包含了强度和变形量两种参数。

早年曾经试图用型砂强度试验机和千分表，同时测得湿压强度值和达到最高湿压强度值时的变形量，近似计算出试样破碎所需做的功当做韧性。

但用眼观看千分表的指针难以判断试样压碎时的变形量，60年代起改用试样受碰撞破碎时碎块的大小代表韧性，称为破碎指数。

至80年代初才研究出较准确地测定试样受径向剪切断裂时剪切变形量的方法。

型砂应当具有良好的起模性，起模性但起模性是一个极为复杂的性能。

假定模样的材质、起模斜度、表面粗糙度、清洁度、温度、脱模剂种类和有无、是否形成真空等因素都不变，则除了型砂的湿拉、湿剪强度、变形量和韧性的影响以外，砂型的起模难易程度还取决于型砂与模样间的摩擦阻力和粘附力。

摩擦阻力和粘附力可以用试样顶出阻力来测定。

以下分别介绍破碎指数、剪切变形量和试样顶出阻力的试验方法。

(1)破碎指数–––我国通用的测定方法是先将圆柱形标
准试样放在铁砧上，把φ50mm 钢球从1m 高处落下砸在试样上使它碎开，并向围绕铁砧的筛圈碰撞。

筛圈直径为φ200mm ，筛网的网孔直径10mm 。

（右图）停留在筛网上面大砂块重量占试样原重的比例称为型砂的破碎指数。

当型砂的膨润土量、紧实率、糊精加入量等有利于起模性的参数提高时，试
样的破碎指数随之提高。

但是试样紧实程度越高，
破碎指数也随之提高，而砂型越难起模。

我国工厂
型砂破碎指数举例如下：常州柴油机厂65～75%，上
海汽车厂60～70%，第二汽车厂铸造一厂80～90%，
东安发动机厂70～85%。

作者认为我国生产的破碎指数测定仪应改用2目筛网，以提高测试结果的敏感度；铁砧凸出筛网高度应降低为<3mm ，以避免钢球滚落筛网上造成震动。

(2)剪切变形量–––手工造型起模前在围绕模样的砂型棱角上刷水，虽然砂型局部因含水剧增使强度猛烈下降，但砂型的棱角和吊砂受模样水平方向碰撞能够退让变形，就可避免砂型破损。

由此可知，变形量是同时影响型砂韧性和起模性的关键性参数。

清华大学研究改进的仪器可同时测出型砂剪切强度和变形量(见前页图)。

所用试样筒的一端为15mm 高的测定环，标准圆柱试样处于试样筒和测定环之内。

测量时将试样筒倒挂，摇动摇柄使轴带动压力传感器和位移传感器同时向左运动顶向测定环，对试样施加横向剪切力。

压力传感器的测头与测试环接触时，微型计算机从零开始记录位移传感器的信号。

测试环中的型砂在外力的作用下产生应力和变形，直至试样断裂。

微型计算机即可输出试样的剪切强度和试样断裂时的变形量。

测得型砂的变形量通常多在0.50mm ～0.70mm 范围内。

(3)试样顶出阻力–––在液压式强度仪上安装一个附加装置就可对试验筒中的圆柱形标准试样施加压力，测定试样在开始移动所需的顶出力。

它是摩擦阻力和粘附力的综合表现。

测定结果表明型砂的湿压强度高，顶出阻力也高；型砂中加有煤粉、试样筒表面涂有硅油都可降低顶出阻力；型砂中加入α－淀粉或糊精可使顶出阻力减少到原来的1/3～1/4；提高紧实率不仅增大型砂变形能力，而且能降低顶出阻力，二者都有利于起模。

2.5 有效煤粉量、发气量、浇注试验
(1)有效煤粉量–––研究工作表明，湿型铸铁和铸钢件的表面粘砂大多是机械粘砂。

为 破碎指数测定仪结构图 1、3—钢球擒纵机构 2—钢球
4—支架 5—管
6—铁砧 7—筛圈 8—筛网 9—底盘 10—机座。

了消除机械粘砂和使铸件表面光洁，应当控制型砂的透气率和保证砂型各部位的紧实程度。

生产铸铁件的湿型砂中还加入煤粉，除了可以防粘砂和改善表面光洁程度以外，所产生的还原性气体可以防止铁水氧化，使已有的氧化物杂质还原，冲淡型腔表面的水蒸气，防止球墨铸铁件生成反应性皮下气孔。

所以型砂中应当含有足够量的有效煤粉。

但是有效煤粉量也不可过多，以免铸件产生呛火、冷隔等缺陷。

浇注后靠近型腔表面型砂中的煤粉被烧掉，砂型其它部分的煤粉仍然保留在回用的旧砂中。

每次混砂时只需补充少量煤粉即可。

为了测定型砂和旧砂中有效煤粉量，在国外至今仍是靠测定型砂或旧砂的灼烧减量、挥发分、型砂含碳量等推论有效煤粉量。

美国通常认为649℃挥发分在1.5～2.5%，982℃灼烧减量在3.0～4.5%，其有效煤粉就是在适宜范围内。

但是用含碳量或灼烧减量检验法无法区别砂中的已被烧损的焦炭。

用灼烧减量和挥发分检验法又难以区分粘土的结构水，而且这几种测试方法的操作都比较麻烦合费时，不适合快速检验应用。

(2)发气量–––60年代初期清华大学考虑到煤粉受热产生挥
发分是防铸铁件粘砂的主要原因之一。

将预先经烘干和磁选除
掉铁粒的型砂试料1g 置于磁舟中，送入850℃管式炉陶瓷管内
加热7min （见上图）。

粘土受热分解发出的水蒸气经过冷凝管
成为液态，测定出的气体容积基本上是水以外的挥发分气体。

粘土中可能含有少量碳酸盐等受热发气的杂质，其影响可忽略
不计。

因此，用型砂的发气量除以0.01g 煤粉发气量即可推算
得出有效煤粉含量。

八十年代初期清华大学研制出新型发气量测定仪改用压力传感器测定发气压力折算成发气容积。

由记录仪自动绘出发气量与时间的关系曲线；用石英管代替陶
瓷管，提高了炉管的密闭性和使用寿命；用不锈钢舟代替瓷舟，避免了试样升温速度波动；改进了管塞与试样钩的结构，保证试料在炉管中位置正确，并使操作时间大为缩短。

目前机械行业标准JB/T9221–1999将加热温度定为900℃。

铸铁件型砂中应含有的有效煤粉量因铸件大小和厚薄、浇注温度、面砂或单一砂、造型方法、砂型紧实程度等因素不同而异。

更重要的是因煤粉品质不同而异。

例如，高密度砂型用单一砂应用较好煤粉时，有效煤粉含量大多为4～5%，使用更高品质的增效煤粉时只为3～3.5%。

震压造型使用较好煤粉的型砂含有效煤粉量可能略微高些，在5～6%范围内。

目前我国各地销售供应的煤粉品质差异较大，最好只控制型砂的发气量，不必推算有效煤粉含量。

如果型砂中加入有重油、淀粉等抗机械粘砂附加物，或掺有废芯砂，更不宜估算其有效煤粉含量。

一般震压造型生产铸铁件用型砂每1g 的发气量大约在20～28mL ，高紧实度造型用型砂大体在14～22mL 。

(3)浇注试验–––型砂真实抗机械粘砂性能的判断应当靠浇注试验，观察铸件表面的状况。

如果要比较不同抗粘砂附加物的效果，最好在同一箱中放置几块相同形状的阶梯试块模样，铺有不同配方的面砂，进行浇注试验进行比较。

但必须使所配制的各种型砂透气率一致，必要时需要向某一种型砂中掺加惰性粉状材料来降低透气率。

因为有的附加物抗粘砂能力极强，所需加入量很少，以致型砂透气率显著提高，反而可能使铸件表面粗糙。

但是在实际铸铁件生产中，不可向型砂中故意加入惰性粉，也不要选用掺有惰性粉的抗粘砂附加物商品，以免型砂的含泥量和含水量增高。

如果型砂的透气率过高而影响铸件表面粗糙度，应该采取的措施是将除尘系统中的微粒返回旧砂中，或者换用粒度较细的原砂。

2.6 有效膨润土含量、膨润土利用率
(1)有效膨润土含量–––金属液进入砂型后，紧靠铸件表面的型砂被迅速加热。

型砂中膨润土的大多数层间水在100～200℃即失去，随着温度提高后，又失去阳离子周围的水分子。

大约在 300℃以上蒙脱石晶体结构中的OH 晶格水可能开始少量失去，大约加热到500℃以上膨润土迅速失去OH 水而使蒙脱石晶体结构不断破坏，最终变成失去粘结力的死粘
1－管式电炉 2－瓷舟 3－冷凝管 4－平衡瓶 5－滴定管。