粘土湿型砂及其质量控制

粘土湿型砂及其质量控制
一粘土湿型砂的特点
湿型砂主要由原砂、膨润土、附加物（煤粉、淀粉等）和水组成。

造型过程中，型砂捣实并达到一定紧实度后，形成砂型。

粘土湿型砂的结构示意图
通常使用的硅砂，来源广，便宜，耐火度高。

另一方面，原砂砂粒能为砂型（芯）提供众多孔隙，保证型、芯具有一定的透气性，在浇注时，使型内产生的大量气体顺利逸出。

湿型砂按在造型时的情况，可分为面砂、背砂和单一砂。

二粘土湿型砂用的原材料
1 硅砂
1）硅砂种类及其SiO2含量
天然硅砂河砂、湖砂、、海砂（牟平）、风积砂（大林、围场）。

人工硅砂由硅石岩、硅砂岩采矿、清洗、破碎、筛选加工而成。

硅砂的SiO2含量及不同用途
铸铁用砂SiO2≥85%；铸钢用砂SiO2≥95%。

2）石英的结构转变特性
石英为硅氧四面体，相变温度：573℃时产生体积膨胀，易夹砂。

870℃时也产生相变，故烧过此温度后，用于复膜砂。

3）硅砂的杂质长石、云母、氧化铁、碳酸盐及粘土，均降低
（1）
耐火度。

4）硅砂的含泥量原砂含有的直径小于0．０２ｍｍ的颗粒，其质量分数称为原砂的含泥量。

５）硅砂的粒度和表示方法
例如：三筛＞７５％，４０／７０；四筛＞８５％，５０／１４０６）硅砂的颗粒形状和角形因数
颗粒较圆（角形因数小）的砂粒，型砂的流动性好，紧实密度较高，透气性好。

２膨润土粘土的主要成分是水化硅酸铝（mAl2O3．SiO2．xH2O）。

晶体结构有两层型（高岭土，即普通粘土），三层型（蒙脱石，即膨润土）。

和普通粘土相比，膨润土有较大的吸水膨胀性、胶体分散性、、吸附性、离子交换性和湿态粘结性能。

故多用于湿型砂。

膨润土在500-700℃时失去结构水，加热到800℃以上时，晶格破坏，失去粘结作用。

膨润土分钙基膨润土和钠基膨润土，钠基膨润土在水分较高时仍有较好的强度，即具有较高的热湿拉强度和抗夹砂能力。

铸造用膨润土按工艺试样湿压强度值分为4级，，热湿拉强度值也分为4级。

（２）
各种牌号的铸造用膨润土，其吸附亚甲基蓝量每１００克至少应在２０克以上；水分不大于１２％，膨润土的９５％应通过２００号铸造用试验筛。

使用优质膨润土，加入量少，含泥量少，降低型砂中的含水量，型砂的强度好，铸件由此产生废品少。

使用劣质膨润土，加入量大，含泥量多，型砂的粘结力不足，起模性差，易掉砂，产生砂眼、冲砂等缺陷；含泥量多，水分大，易产生气孔缺陷。

所以，在生产过程中，型砂均应进行砂处理，检测并控制型砂的各项指标，以降低铸件由型砂而产生废品率。

３煤粉
湿型用煤粉通常是将烟煤里的肥煤和焦煤根据铸造煤粉性能（主要是灰分和挥发分）要求，按一定比例进行混配，粉碎而成。

高效煤粉性能指标：
煤粉的作用
1）在铁液的高温作用下，煤粉产生大量的还原性气体，防止铁液被氧化，并可使铁液表面的氧化铁还原，以防止铸铁件产生化学粘砂。

2）煤粉在受热后开始软化，可缓和石英砂粒受热后产生的膨胀，减少铸铁件产生的夹砂缺陷。

（3）
3）煤粉在受热后，产生气、液、固三相的胶质体，可部分堵塞砂型表面砂粒间的孔隙，以减少铸铁件产生机械粘砂。

4）煤粉在受热后，在金属液和铸型的界面析出一层带有光泽的微细结晶碳（光亮碳），这层光亮碳使砂型不受铁液润湿，铁液难以向砂粒的孔隙间渗透，从而得到表面光洁的铸件。

4 淀粉
淀粉经处理可获得各种产品：如α淀粉、糊精、糖浆、氢化淀粉水溶液等。

在湿型砂中加入0．5%的α淀粉就可以使型砂韧性得到显著改善。

在高密度造型中，也需要加入少量的α淀粉或糊精。

三湿型砂性能及检测
1紧实率
粘土砂的紧实率是指湿态型芯砂在一定紧实力的作用下，其体积变化的百分比，是专门用来表示型砂干湿程度的一个指标。

紧实率 = 紧实距离/筒高 x100%
手工造型，震击或压实：紧实率 45-50%
气冲及多触头高压造型：紧实率 40-45%
如果型砂紧实率相同，实际含水量偏高，则反映型砂中的细颗粒成分偏多，则透气性不好。

2含水量粘土砂的含水量是指在105-110℃烘干，以试样烘干后失去的质量与原试样质量的比（%）来表示。

（4）
原试样质量-剩余质量/原试样质量x100%
手工造型的含水量一般5-6%；普通机器造型含水量一般4.5-5.5%;高压造型的含水量一般 3.2-4.5%。

如果型砂中的微粉多，灰分多，煤粉和膨润土的质量不好而加入量多，则型砂中的含水量就多，透气性不好，并容易形成气孔缺陷。

3透气性
粘土砂的透气性是指紧实后的砂样允许气体通过的能力。

粘土砂的透气性并非越高越好。

面砂的透气性一般控制在40-100；背砂的透气性一般控制在100-200；单一砂的透气性一般控制在100-150。

4 常温强度
1）湿态抗压强度是型砂的最重要的性能之一。

2）湿态抗拉强度
3）热湿拉强度是湿砂型在高温铁水的作用下，发生水分迁移，在砂型的水分凝聚区的抗拉强度，以Pa表示。

5 砂型硬度
手工造型，震击或压实：比压：0．13-0．4 Mpa 硬度： 50-80 气动微震： 0．4-0．7 80-90 射压、气冲、静压、多触头高压：＞0．7 90-95 砂型硬度高，密度均匀，可减少缩孔缩松胀箱和粘砂缺陷。

6有效煤粉含量是指在旧砂中除去已经失效的，而能起着相当于
（5）
新煤粉作用的煤粉含量。

用测定煤粉发气量的方法对比测定。

目前的煤粉质量差异较大，可用控制型砂的发气量去控制煤粉用量。

7有效膨润土含量在浇注过程中，紧靠铸件表面的型砂被迅速加热，超过500℃以上，膨润土就会失去晶格水，蒙脱石结构被破坏，变成失去粘结力的死粘土。

未被烧损的膨润土，就是有效膨润土。

具有吸附亚甲基蓝的性能。

可用吸蓝量法测定。

8型砂的含泥量包括有效的膨润土、煤粉和灰分。

灰分包括失效的膨润土和煤粉，以及原砂带入的≤320目的细粉。

四湿型砂的制备和性能控制
1 对一般湿型砂砂处理线的要求
1）通过多道磁选去除旧砂中的残铁；
2）通过滚筒筛，去除旧砂中的芯头、砂块，起过筛、破碎、冷却作用。

3）配造型线或连续生产，应有效的降低旧砂温度，≤50℃。

4）混砂机应使砂子、水分、膨润土、煤粉等有效混合，膨润土和煤粉在砂粒表面均匀复盖，使型砂具有较高的强度和韧性。

5）有足够和有效的通风除尘设备，减少粉尘在型砂中的积累及对环境的污染。

6）能方便的改变型砂中各种加入物料的配比，以满足不同型砂的工艺要求。

（6）
7）可通过混砂过程的在线检测，控制型砂的使用性能。

2 湿型砂的配比
铸铁件的型砂配比：旧砂 50-80%；新砂 5-20%；膨润土 6-10%；煤粉2-7%；水 4-6%。

五湿型砂铸件常见缺陷及防止措施
1 气孔
1）析出性气孔在熔炼过程中熔入液态金属中的气体，当液态金属冷却凝固时，其溶解度降低而析出，形成的气孔。

气体多为氢气和氮气。

常见于铝合金和铸钢。

灰铸铁的析出性气孔，大多靠近热节，内表面光洁，内腔常有一层石墨薄膜，常在冲天炉的头几批铁水中出现。

2）侵入性气孔浇注时，砂型、砂芯受热产生气体，排气不及，靠压力作用侵入金属液中，形成的气孔。

常见于湿型砂。

形成原因和防止措施：
湿型砂透气性高低均不好。

高压造型： 100-140 机器造型：80-100 手工造型：60-80
湿型砂紧实度高低均不好多扎排气孔。

湿型砂温度合箱后，热砂散发的水汽凝聚在型腔、芯子、冷铁上，浇注时形成气孔。

湿型砂发气量水分及煤粉过多时，发气量过大，“呛火”。

（7）
湿型砂中的杂质，小粘土团，砂芯块等的发气。

还要特别注意砂芯造成的侵入性气孔：
排气畅通，提高浇注速度和浇注温度，引火。

3）反应性气孔浇注时，型腔内金属液与水气发生化学反应，或金属液中的氧化物发生化学反应时产生的气孔。

灰铸铁的氢气孔
型砂水分与铁液中铝反应: （孕育硅铁的含铝量0.8-1.2%）2Al+3H2O→Al2O3+6[H]
雨天熔化时鼓风带入的水气与铁液反应:
C+ H2O→CO↑+ 2[H]
Fe+ H2O→FeO+ 2[H]
球铁中的氢气孔 (皮下气孔)
型砂水分与铁液中的残余镁反应:
Mg+ H2O→MgO+ 2[H]
型砂水分与铁液中铝反应:
2Al+3H2O→Al2O3+6[H]
型砂水分与铁液反应:
Fe+ H2O→FeO+ 2[H]
防止措施：
除湿送风，炉料除锈，炉包烘干，扒渣复盖，脱硫处理，提高浇温，安放过滤网，集渣冒口，控制型砂水分，增加煤粉量，型腔撒
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冰晶石粉（氟铝酸钠 Na3AlF6）。

2粘砂机械粘砂化学粘砂
机械粘砂金属液钻入砂粒间隙，包围钩连砂粒，无化学反应。

型砂紧实度
型砂粒度和透气性
金属液压力
浇注温度和铸件壁厚
煤粉加入量
3砂眼
1）型砂湿压强度手工造型60-85 kPa 气动微震80-100 kPa 2）型砂韧性用破碎指数来测定湿型砂韧性 70-90%
3）优质膨润土和混砂充分
4 夹砂浇注时，型砂表层的水分向内迁移，形成水分多，热湿拉强度低的凝聚层，同时，石英砂受热相变膨胀，砂层拱出，造成夹砂、结疤、鼠尾、起皮子。

防止措施：
原砂的SiO2含量低些，加入部分钠基膨润土，加入少量α淀粉。

对于大平面铸件，宜使用大浇口杯，多道薄片状内浇口，快速浇注。

5 缩孔缩松
金属液从浇注开始，到落砂冷却，体积一直在收缩。

收缩分为三个阶段：液态收缩，凝固收缩，固态收缩。

（9）
灰铸铁、球墨铸铁除收缩外，还有因凝固时的石墨析出，而出现的石墨化膨胀现象。

每析出1%的石墨，铸铁体积膨胀2%。

另外，由于灰铸铁和球墨铸铁的凝固特性不同，球墨铸铁比灰铸铁形成缩孔缩松的可能性要大。

防止措施：
生产球墨铸铁，要提高铸型刚度，砂型硬度，太硬呛火，调整型砂配比（灰分少，水分少，使用好的煤粉和膨润土，用量少）。

合理使用冷铁，打紧箱卡。

（10）。