湿型砂的性能要求

湿型砂的性能

为了保证湿型铸件具有良好的表面质量，必须使用良好性能的型砂。本文将介绍高质量湿型砂的性能要求、工厂实际应用实例，并分析型砂性能与铸件品质之间的关系。

一般认为使用造型紧实压力150～400kPa的普通震压式造型机，砂型平面硬度才只有70～80度，垂直面下端硬度可能只有50～60度，铸件局部极易产生缩孔、缩松、胀砂和粘砂缺陷。由于砂型平均密度仅1.2～1.3 g/cm3，称为低密度造型或低压造型。为了克服上述缺点，出现了气动微震造型机，在压实的同时增添了震动作用，改善了砂型紧实时型砂的流动性能，使压实比压几乎相当于提高了一倍，达到400～700kPa左右，砂型平面硬度大约为80～90度，平均密度可能在1.4～1.5g/cm3范围内。密度比较均匀，减少了局部缩松、胀砂和粘砂缺陷。近代化造型机的压实比压有可能提高到700kPa或稍高，所得到砂型表面硬度大约为90～95度，平均密度可达1.5～1.6g/cm3，称为高密度造型方法。高密度造型的生产效率高、铸件尺寸精度高，机械加工余量少。应用多触头高压、气冲、挤压（即垂直分型无箱射压造型）、射压、静压等造型机制成砂型都可能达到上述的紧实密度，因而国内外应用日益普遍。为了具体说明湿型砂的性能和控制范围，本文数据搜集大部分取自上世纪90年代中外公开发行刊物。还有一部分数据是由国内各工厂的工程师提供的，凡属未正式发表过的都不注明工厂名称，所列举数据只是当时情况，并不代表目前实际状况。本文中各种性能排列顺序基本上按照日常检验的顺序和常用性。有关型砂检测方法另有专门文章中介绍。

1 紧实率和含水量

型砂的手感干湿程度是极为重要的性能，它反映型砂是否处于最适宜的造型状态。直到1969年才找到如何用数值衡量型砂干湿程度的方法，即测定型砂的紧实率。湿型砂不可太干，紧实率不可过低，因为型砂中膨润土未被充分润湿，性能较为干脆，起模困难，砂型易碎，表面的耐磨强度低，铸件容易生成砂孔和冲蚀缺陷。型砂也不可太湿，紧实率不可过高，否则型砂太粘，造型时型砂容易在砂斗中搭桥和降低造型流动性，还易使铸件产生针孔、气孔、呛火、水爆炸、夹砂、粘砂等缺陷。根据造型方法、操作习惯不同，对型砂的干湿程度要求也不相同。手工造型要求起模性好，希望型砂较湿一些。高密度造型要求型砂具有较高流动性，以便砂型各处紧实均匀，希望型砂稍干一些。型砂紧实率控制应以造型处取样测定为准。从混砂机运送到造型机时紧实率下降幅度因气候温度和湿度状况、运输距离、型砂温度等因素而异。工厂实测经验表明，一般情况下造型机处紧实率可能比混砂机中低2％以上。南方潮湿阴冷季节，紧实率下降可能不足1%。

以前的论点是手工造型和震压式机器造型用型砂要求起模性好，最适宜干湿状态下的紧实率大约在50%；高压造型和气冲造型时为45%；射压和挤压造型要求较高的流动性好，紧实率为40%。近年来各国铸造工厂的型砂紧实率都有降低趋势。这是因为高密度造型设备的起模精度提高，而且砂型各部位硬度均匀分布的要求使型砂的流动性成为更重要的考虑因素。工厂的控制原则大多是只要不影响起模，就尽量压低紧实率。DISA公司挤压造型和HWS公司静压造型都建议用402％；AGM公司要求水平无箱吸压造型用405％；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％。加拿大矿业能源技术中心1988年调查76家各种造型方法的铸铁工厂中铸件品质优良的高密度造型型砂紧实率为35~45％。日本土芳公司1979~1985年调查125种湿型（包括中、高密度造型）铸铁生产线的紧实率平均值为38.0%；1998年再一次调查94种型砂紧实率平均值降为35.8%。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%。目前铸件品质较好的高密度造型的工厂中，造型机处取样型砂紧实率通常都在34~38%之间，比起当年有明显的降低趋势。震压造型和气动微震造型的的起模精度稍差，型砂紧实率可能在36～45%。手工造型需要型砂更湿一些，紧实率约在45～55%。

型砂含水量指含有水分的绝对量，它是紧实率的从变数。当型砂的干湿程度（紧实率）要求确定后，如果型砂含泥量高，就需提高含水量；含泥量低，就要降低含水量。不过，在正常生产条件下，

型砂含水量与紧实率仍然具有一个比率关系。从混砂机运送到造型机时含水量也会下降，大约降低0.1～0.2%左右，控制型砂性能应以造型处为准。

由资料上可以看到国外用高压造型、气冲造型方法生产汽车、拖拉机等铸件的灰铁和球铁铸造工厂高密度砂型的型砂含水量大多数在 2.6~3.8％之间(集中在 3.2％左右)。例如美国通用汽车公司Pontiac铸造厂生产缸体、缸盖的型砂––3.0~3.3％，Chevolet铸造厂––2.8~3.4％。福特汽车厂Cleveland铸造厂汽缸体高压造型线––3.20.2％，生产进排气管––2.8~3.4％。美国John Deere 公司缸体型砂含水3.0~3.4％，缸盖––3.5~3.8％，泵阀––2.7~3.1％。德国大众汽车公司生产缸体––3.4~3.6％。奔驰汽车厂生产刹车鼓––3.2％。意大利FA公司推荐气冲造型机用型砂––3.0~3.4％。瑞士GF公司调查五家欧洲气冲造型铸造厂的型砂含水量分别为2.9％、3.64％、4.1％、4.3％和4.4％。德国Berndt调查四家气冲和高压铸造厂平均为3.48％、3.82％、3.87％和4.2％。日本土芳公司调查八家静压和气冲造型铸造工厂的型砂含水量在2.5~4.0％范围内，平均为3.1％。欧美各国的铸钢型砂的含水量和挤压造型的铸铁型砂含水量也在上述范围内。凡是生产大量树脂砂芯铸件（如发动机铸件）的型砂含水量大多偏于下限。生产少砂芯铸件的型砂可能接近上限。这是因为大量树脂砂芯溃散后混入型砂使含泥量下降，型砂吸水量降低。国外工厂经验认为湿型砂的含水量也不可过低，假如含水量不足 2.5％，只要有0.2%的波动就会对型砂的各种性能造成巨大影响。使用震压和气动微震造型的型砂含水量比高密度造型的型砂高一些，可能在3.4～4.0%，手工造型含水量更高，通常在4.0～5.5%。

型砂的（紧实率）/（含水量）比值是个重要的控制参数，可表示每1％型砂含水量能够形成多少紧实率。高密度造型的型砂最好在10~12。由国内几家外商独资或合资企业的检验结果计算比值都大致在此范围内。三家乡镇铸造厂的比值在5.0~8.5之间，说明型砂中吸水物质过多。

2 透气性

砂型的排气能力除了靠冒口和排气孔来提高以外，更要靠型砂的透气性。因此砂型的透气性不可过低，以免浇注过程中发生呛火和铸件产生气孔缺陷。但是绝不可理解为型砂的透气性能越“高”越“好”。因为透气性过高表明砂粒间孔隙较大，金属液易于渗透入砂粒间孔隙中造成铸件表面粗糙，还可能发生机械粘砂。所以湿型用面砂和单一砂的透气性能是否“好”，指的是透气性是否在一个适当的范围内。型砂工艺规程应当同时规定透气性的下限和上限。对湿型砂透气性的要求需根据浇注金属的种类和温度、铸件的大小和厚薄、造型方法、是否分面砂与背砂、型砂的发气量大小、有无排气孔和排气冒口、是否上涂料和是否表面烘干等等各种因素而异。用单一砂生产中小铸件时，型砂透气性能的选择必须兼顾防止气孔与防止表面粗糙或机械粘砂两个方面。高密度造型的砂型排气较为困难，要求型砂的透气性比起低、中密度机器造型(如震压造型、震击造型等)的型砂稍高些。

BMD公司推荐气冲造型用型砂的透气率为为120~140；新东公司要求水平无箱射压造型为>120。国际密烘铸铁公司认为高压造型最好用100~200。B&P公司的水平无箱射压造型要求60~120。AGM水平无箱吸压造型要求80～120。国外一些铸造工厂实际应用的高密度砂型的型砂（单一砂、型腔表面无涂料、铸铁及铸钢件）透气率举例如下：德国生产大众汽车缸体的Luitpold铸造厂型砂为90~110。Hofmann调查欧州五家铸造厂气冲型砂分别为67、78、89、110和164。Berndt调查两条气冲线透气率平均值分别为75和141.8。加拿大矿业能源技术中心调查76家各种造型方法的球铁和灰铁铸造工厂中，铸件品质优良的透气率在120~180范围内。德国Rexroth要求高压造型为110~135。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。福特汽车厂生产排气管用型砂为150。日本土芳公司1998年对5条高压线调查结果平均为148，26条挤压线平均为108。宫本润调查6条水平分型无箱射压线为60~115。三菱自动车的2070挤压线作业标准为14020。以上数据可以看出有些透气率数值>160，其原因可能是由于有大量粗粒溃碎芯砂混入回用的旧砂中使型砂粒度变粗，或者是由于除尘系统风力过强使旧砂中微细颗粒被吸掉。如果已经影响到铸件表面光洁程度，应当及