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湿型砂检测技术于震宗 目录1引言12湿型砂取样方法13湿型砂基本组成物23.1含水量23.2含泥量33.3砂粒细度43.4有效膨润土量63.5有效煤粉量74湿型砂特性94.1标准工艺试样制备94.2紧实率的测定104.3透气性104.4型砂强度124.5破碎指数144.6可紧实姓和流动性154.7起模性164.8表面耐磨性174.9热湿拉强度174.10 激热开裂试验184.11抗机械粘砂性能184.12砂型硬度195型砂检测频率和结果整理195.1型砂检测频率195.2检测结果整理201 引言为了保证湿型铸件具有良好的表面品质，必须使用经过检验证明的良好品质型砂。一个正规的铸造工厂型砂实验室中对型砂品质检测应当包括：型砂组成物如砂粒、有效膨润土、有效煤粉、水、灰分、团块等；型砂特性如紧实率、透气率、强度、韧性、流动性、温度、起模性、表面耐磨性、抗粘砂能力、抗夹砂能力等。上述的组成物含量和型砂特性统称为型砂性能，这两部分性能是密切联系在一起的。本文将介绍高品质湿型砂对性能的测试方法。旧砂的组成物与型砂基本相同，只是含量多少有一些区别，将与型砂一并讨论。本文专供型砂实验室工作人员参考，有关湿型砂性能的具体要求另有专文介绍，不在本文范围之内。2 湿型砂取样方法根据 2684-1981铸造用原砂及混合料试验方法标准规定，选取型砂试样应避免从砂堆表层收集已失去部分水分的混合料。试验用试样必须取经过与铸造车间相同方法处理过的型砂，直接从铸造车间混砂处取样，以及从造型处取样。应当取3份样并混匀，一次不少于2 ，送往型砂实验室进行检验。 补充说明： 应当由实验员亲自取样，不由混砂工或其他人代取代送，以保证试验结果严谨可靠。 型砂的取样地点应为混砂机和造型机两处。前者可以及时发现性能有无异常，以便立即采取纠正措施。由于湿型砂从混砂机运送到造型机时各种性能有变化，为了满足造型和浇注的要求，以及铸件表面品质的需要，应当以造型机处型砂性能为控制基准。 从取样处将型砂拿回实验室的容器应当是有盖的塑料桶、盒，或者有盖的搪瓷盘。不可用旧报纸托回实验室。以免纸张吸水和在空气中水分蒸发而性能改变。 将从现场取得的生产用型砂（旧砂），迅速用永久磁铁搅拌吸出混入的铁粒，然后立即装在密闭的容器中，或放入不透气的塑料袋中并札紧以保持水分不丢失。 在没有混砂自动控制加水装置的机器造型工厂中，型砂性能的检测可分为以下几类：型砂的紧实率、含水量、透气率、湿态强度(抗压及抗剪)、韧性(变形量或破碎指数)等性能每12h从混砂机卸料口取样一次，每班从造型机砂斗下取样12次。有效膨润土量、有效煤粉量、热湿拉强度、流动性等性能每日由造型机砂斗下取样一次。型砂的含泥量每周取样23次。型砂的砂温、颗粒组成、团块量等性能为不定期性检测。 如果一条生产线的铸件特征基本相似，具有效果良好的旧砂冷却装置，混砂机装有型砂湿度控制装置，每班只从造型机取样两次，检验紧实率、含水量、湿压强度、透气性、韧性和流动性。另外，每班一次检验有效膨润土量、有效煤粉量、热湿拉强度。 旧砂从混砂机上面的旧砂斗取样，每周23次。检测项目为含泥量、有效膨润土量、有效煤粉量、粒度、团块量。 3 型砂的基本组成3.1含水量 按照国家标准 262481铸造用原砂及混合料试验方法中规定用以下两种烘干法进行试验，以砂样烘干前后重量的减少量代表含水量。 快速法：称取试样200.05g，均匀铺在盛砂盘中。将盛砂盘置于型红外线烘干器內烘610，然后取出冷却和称量。按下式计算含水量： 式中：w (水) 试样含水量%； m1 烘干前试样质量g； m2 烘干后试样质量g。 仲裁法：称取试样500.01g，置于玻璃皿内，在温度为105110的电烘箱內烘干至恒重（一般烘30后，称其质量，然后每烘15称量一次，直至相邻两次称量之间的差数不超过0.02g时，就算恒重）。置于干燥器中冷却到室温，再进行称量和按上式计算含水量。补充说明：湿型砂中经常掺杂有铁粒，为了保证测试准确，烘干前称量型砂试料时应先用磁铁将其中可能混杂的铁粒吸掉。用塑料勺向烘干用盛砂盘中加入试料时，应上、下层均匀取样和避开团块。并且尽量在盛砂盘中均匀摊开试料，避免局部堆积。以上的操作要快速完成，以免试料丢失水分。国内很多铸造工厂的型砂实验室称量试料所用天平是最大称量值50g或100g的药物托盘天平。天平的感量大约只有0.1g，难以达到2684-1981规定的精度200.05g。在烘干前后使用这种托盘天平两次称重的结果可能形成最大绝对误差可能高达0.2%。对于型砂含水量只有35%的计算误差是过高的。因此建议称量天平的感量最低限度应当为0.01g。最好使用感量0.01g 或0.001g的电子天平。可以保证由于称量和试料不均匀所造成的含水量误差绝对值不超过 0.02%。由于这种1/100g天平应用最为频繁，测定型砂含水量的操作应当迅速，以免在试料达到预期重量之前消耗过多时间和丢失水分。电子天平的重量立即自动显示，还可以自动去除容器重量，使用极为方便。售价分别仅有五百元和两千元左右。如果取样比较均匀，称取重量可以10g左右，不需要凑整数。根据烘干前后显示的重量数值可以很容易地用计算器得出含水量（%）。 工厂日常检验型砂的含水量都只采用快速法。国产的型双盘红外线烘干器的烘干温度是靠调节红外线灯泡高度，但是可调范围不大。曾用水银温度计测定盛砂盘的温度高达160170。型砂内如果含有煤粉、重油等易挥发物质，可能会随水分烘掉一部分，使测得数值要比实际含水量偏高。如果出现冒烟现象应改用105110电烘箱进行烘干。 仲裁法要求将试料烘干至恒重，操作相当繁琐。对于型砂使用电热烘箱加热只要30的精度要求已然足够，不需反复烘干和称量。国内有几家外资和合资铸造厂使用进口的附有加热装置的电子天平来测定型砂含水量。仪器用卤素灯等方法加热，盛砂盘的受热温度可以在50200范围内任意设定（间隔1）。天平读数为0.001g，取样重量无须凑整数，也不用另外记录，仪器会自行记忆烘干前后重量并计算出测定结果。干燥时间的终点控制可以是定时的，也可以是达到恒重的自动终点控制（例如20s之间重量未改变即可认为是已达到恒重）。10g试料的含水量标准偏差只有0.015%。如果设定温度为105，只需610就可以烘干达到恒重。耗用时间并不比用型双盘红外线烘干器长，不会损失煤粉、重油和其它附加物，而且操作极其简单和方便。3.2 含泥量 9442-1998铸造用硅砂规定型砂中大于等于20mm的颗粒为砂粒，直径小于20mm的微细颗粒为“泥分”。测定方法是采用冲洗法，根据悬浮在水中的砂和泥分的直径大小不同，其下降速度也不同的原理将泥分与砂粒分开，称量剩余砂粒的重量即可得泥分的含量。按照公式计算如水温为20，静置5后，直径大于20mm密度平均值2.62 g3的砂粒应沉降到距离水面100以下。没有沉到100 以下的细粉部分则属于泥分的一部分，可用虹吸管将这部分水和悬浮的泥分吸出。经过多次反复沉降和虹吸，直到水清为止，表明砂样中泥分已洗净。 2684-1981规定：称取105110烘干的型砂或旧砂500.01g，放入容量为600的专用洗砂杯（见图1）中，再加入390蒸馏水或去离子水和105%浓度焦磷酸钠溶液。煮沸35后，将洗砂杯置于型涡旋式洗砂机上搅拌15。取下洗砂杯，向杯中加入清水至标准高度125处，用玻璃棒搅拌30s，静置10，用虹吸管排除水面下100以上的浑水。第二次起改为加入清水至高度125处，重复上述操作。第三次及以后的操作与上述相同，但每次静置时间为5。反复进行岁次，直至洗砂杯中的水透明为止。最后一次将洗砂杯中的清水排除后，把试样和余水倒入装有定性滤纸的玻璃漏斗中过滤，待余水滤净后，将试样连同滤低置于玻璃皿中，在电烘箱中烘干至恒重。置入干燥器中，冷却后称量砂粒部分重量，按下列公式计算含泥量：图1 洗砂杯 式中：w(泥) 试样含泥量%； m1 水洗前试样质量g； m2 水洗后试样质量g。补充说明： 2684-1981要求将型砂烘干后称取试样，但是干燥型砂最易偏析，粗粒浮在上面，细粒和粉末沉底。粗粒和细粉的含泥量会有较大区别，应当从从顶面和底面均匀取样。最好称取湿态型砂做试验，另外再取一份湿态型砂测定含水量。最后经过简单计算扣除含水量即可得干态型砂的准确含泥量。 应当使用专用的600洗砂杯(耐热玻璃高烧杯)，不要用500普通玻璃烧杯。否则沉降距离不够100，或者水面100之下与沉淀砂粒距离太近，容易将砂粒吸掉。经验表明高度为180的800洗砂杯更好用，试料液体不易沸出，也便于用手搬动。 开始时烧杯中加有390蒸馏水或去离子水，不用自来水的原因是硬度较大的自来水中含有钙和镁离子，型砂和旧砂在碱性溶液中能够生成絮状的钙盐和镁盐等固体析出物。飘浮的絮状物容易夹杂砂粒，虹吸时会被吸掉而造成测定误差。 加入10浓度为5的焦磷酸钠(4P2O710H2O)溶液的作用为的是分散开砂粒上包覆的泥分。 为了使砂粒上的粘土膜完全分散， 2684-1981规定应当煮沸35，冷却后再在涡洗式洗砂机搅拌15。研究工作表明，搅拌作用有利于打散絮状物，但也有可能将砂粒打碎。笔者通过研究工作表明：只需将盛有型砂和分散液的洗砂杯在电热盘上煮沸5已能使泥分脱离砂粒表面，不需要搅拌和不会打碎砂粒。洗砂烧杯的加热应当在垫有石棉网垫和装有调压器的盘式电热炉上，沸腾时应当及时降低电压和用手照料烧杯，以免澎溅和烧杯蹦跳。图2 自动洗泥仪 烧杯中液体冷却后，加入清洁自来水至标准高度125处。用竹木筷子或细塑料棍搅拌均匀，不必使用玻璃棒搅拌，以免操作不慎而捅漏玻璃烧杯。搅拌时应注意不断改变筷子的旋转方向，注意液面不可形成漩涡，并尽量使沉淀下的砂层平坦无凸起处，否则砂粒在杯底中心积聚成突起的角锥形，虹吸时可能被吸掉部分砂粒。笔者常用猛开自来水龙头的方法，在加水的同时靠水流的冲击力使砂样均匀分散悬浮于水中，不需要搅拌，砂粒沉降时自动平铺在杯底。静置10后用虹吸管吸出距水面下100以上的混水。吸水时最好使虹吸管的入口端紧贴烧杯内壁逐渐下降，以便监察下降深度。不可将虹吸管一下插到底，以免水流过猛而吸出砂粒。如此重复操作一次后，从第三次起改为静置5，直到洗砂杯中水质清澈为止。 所引用的公式中的很多参数都非定值。例如水的密度和粘度随温度而变。砂样的密度取平均值2.62 g3也非完全合理，石英、长石、云母的密度各不相同，煤粉的密度只有1.21.45 g3。因此，测出的含泥量只是近似值。 为了简化洗砂操作的烦琐操作，美国 试验手册中介绍的自动洗泥仪是将分散处理完成的洗砂杯放置在仪器的杯座上，仪器自动地从上方进水管加水，靠水流的冲击力使砂样分散悬浮于水中，杯中水位用传感器自动控制。水充满后自动按照规定时间静置，然后距离杯底25mm的吸水管自动将上部水抽空。如此反复冲洗直至上部水澄清时停止操作（见图2）。3.3 砂粒分析 按照 2684-81的规定，选取测定过含泥量的烘干试样，其量不超过50g。将试样放在全套标准筛最上面的筛子上，固定在振摆式筛砂机（图3）上或电磁微振筛砂机上进分筛分，筛分时间1215。到预定时间后，取下筛子，依次将每个筛子及底盘上所余砂子分别倒在光滑干净的低上，并用软毛刷仔细外筛网的反面刷下夹在网孔中的砂粒。称量每个筛子及底盘上的砂量并计算出占试样总量的百分率。 9442-1998铸造用硅砂规定原砂粒度有两种表示方法:首尾筛号法：以主要粒度组成的三筛或四筛的首尾筛号表示法，如50/100或50/140。平均细度法：首先计算出筛上停留的砂粒质量占砂样总量的百分数，再乘以下表所列的相应的细度因数然后将各乘积相加，用乘积总和除以各筛号停留砂粒质量百分数的总和，并将算得数值取整，其结果即为平均细度。筛号6122030405070100140200270底盘细度因数35102030405070100140200300计算公式如下： 式中： 仼一筛号上停留砂粒质量占总量的百分数；图3 振摆式筛砂机 细度因数； n 筛号。计算示列：砂样质量：50.0g 泥分质量：0.56g 砂粒质量：49.44g筛号各筛上停留量细度因数乘积g%600.0030120.060.1250.6201.793.581035.8304.999.9820199.6407.0914.1830425.45012.8525.70401028.07015.5731.145015571003.977.9470555.81401.853.70100370.02000.791.58140221.22700.090.1820036.0底盘0.390.78300234.0总和49.4498.884663.4 补充说明： 新标准的网孔尺寸与我国以前的 435-63和 2488-78有一些差异，例如 2488-78的12和75号筛的网孔尺寸分别为1.60mm和0.200，而新标准的相应筛号12目和70目的网孔尺寸分别为1.70mm和0.212。但差别不大，只要旧筛没有变形和漏孔，就可以继续使用。 由于筛网的制造需要使用特制的和尺寸精密的装置，目前尚缺乏对铸造用标准筛产品品质的有效检查监督。工厂实验室在进行筛分试验以前，应当注意检查筛网有无破损或网孔变形。筛分试验后需注意测定结果有无异常之处。例如在某一中间筛网上出现经常性缺少停留量的奇特现象，而其上筛和下筛则有不少砂粒。如果筛号排列没有错误，就可能是由于该筛的筛网有不易看到的漏洞或裂纹。可以用焊锡或环氧树脂粘补。 用软毛刷从筛网反面刷下砂粒时，会有一些砂粒夹在网孔中间不被刷下，可以任其停留。切不可用尖锥捅下，或用力敲击筛子，以免筛网变形。 3.4有效膨润土量随着铸件的凝固和冷却，一部分膨润土被加热而使蒙脱石结构破坏，变成失去粘结力的死黏土。在型砂中还具有黏结能力的膨润土称为有效膨润土（又称活性膨润土）。膨润土中所含的蒙脱石具有强烈的吸附金属离子和吸附色素的性能，其中以亚甲基蓝的吸附量最大，而依利石、高岭石等黏土矿物的亚甲基蓝吸附量很小，石英砂的吸附量极少。因而可以用亚甲基蓝吸附量（简称为吸蓝量）来鉴定膨润土的品质，也可用来检验型砂和旧砂中有效膨润土含量。按照 9221-1999铸造用湿型砂有效膨润土及有效煤粉，测定型砂（旧砂）的亚甲基蓝吸附量步骤如下：图4 液滴图 配制浓度0.200的亚甲基蓝（试剂纯）溶液和浓度为1的焦磷酸钠（化学纯）溶液备用。称取105110烘干后的型砂（旧砂）5.00g，置于250三角烧瓶中，加入50蒸馏水使其预先润湿。再加入浓度为1的焦磷酸钠溶液20，摇匀后在置有石棉网的盘式电炉上煮沸5，冷却到室温。用滴定管向试料液中滴入亚甲基蓝溶液。第一次可滴入预定量的2/3左右，用手摇晃烧瓶30s，使亚甲基蓝被膨润土充分吸附。用玻璃棒沾一滴溶液滴在滤纸上（定量中速滤纸）。在滤纸上液滴直径最好为1015左右。观察在深蓝色圆点的周围有无出现淡蓝绿色的晕环（见图4），如未出现，表明膨润土的吸附尚未饱和。以后每次滴入12，摇晃30s左右，再用玻璃棒沾一滴溶液点在滤纸上。反复操作，直至出现晕环后静置2，假如晕环不消失，表明已达饱和点；否则每次继续滴入1 ，直至晕环保持稳定为止。此时滴定总量即为型砂（旧砂）的吸蓝量。图5 有效膨润土标准曲线 另外，取车间所用的原砂和膨润土烘干后，分别在5个250的三角烧瓶中加入膨润土0.10、0.20、0.30、0.40、0.50g，及硅砂4.90、4.80、4.70、4.60、4.50g，使每份原砂和膨润土总量为5.00g，分别测试出各自滴定量。以试料中膨润土加入量（）为横坐标，亚甲基蓝溶液滴定量（）为纵坐标，绘制标准曲线（见图5）。由5.00g型砂（旧砂）的亚甲基蓝滴定量查出有效膨润土含量。补充说明： 所用亚甲基蓝试剂为分析纯（98.5或98%），可视为纯品，不需要将吸蓝量的测定结果折算成100%纯度亚甲基蓝的滴定量。有的铸造工厂所购买到的亚甲基蓝为生物染色用品，纯度可能只有6080，不可能测定出真实的吸兰量。 机械行业标准 9227-1999的规定要求配制亚甲基蓝溶液前将亚甲基蓝试剂在933烘干至恒重是错误的。美国石油学会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，要求另外称取亚甲基蓝在2005 F（933）烘干至恒重，以测出实际含结晶水量，供配制溶液时对亚甲基蓝称取量进行修正。配制滴定液用亚甲基蓝试剂不可烘干，以免受热变质。 美国铸造学会规定滴定用亚甲基蓝溶液浓度为0.374，即每亚甲基蓝溶液相当于0.01m （毫摩尔）。笔者当年考虑到亚甲基蓝溶液色泽较深和不透明。配制溶液时难以看清楚亚甲基蓝晶体是否已完全溶解。因此将溶液浓度降低到0.20，可以确保不需加热即可充分溶解。机械行业标准 9227-1999也定为0.20。 配制好的亚甲基蓝溶液应当倒入暗棕色玻璃瓶中贮放，否则也会逐渐变质。如果配制的亚甲基蓝溶液较长时间尚未用完，最好选取一种膨润土作为标样，烘干后装入有盖容器和放入干燥器中存放，测定膨润土标样0.20g的当时吸蓝量与用刚配制亚甲基蓝溶液滴定量对比，即可察觉是否已开始变质。由此可以得出所用亚甲基蓝滴定溶液的校准系数。 9221-1999规定出现晕环后将试样静置2，而欧美各国铸造方面标准则要求摇晃或搅拌2，可以使膨润土的吸附更加充分。建议采取摇晃2。 上世纪70年代初期清华大学建议称取烘干和磁选除掉铁粒的型砂或旧砂5.00g进行吸蓝量检验。但是如今高密度造型的型砂湿压强度可能是那时的一倍左右，型砂中有效膨润土含量可能高达712%，对于5.00g砂样所需要的0.20%浓度亚甲基蓝溶液滴定量都超过50，需要向50滴定管中补充加入滴定液，给试验操作带来不便。建议将砂样重量减少一半，改为称取2.50g，测得结果乘以2仍然代表滴定量。 绘制有效膨润土量标准曲线方法是比较繁琐的。可简化为只取0.30 g膨润土与4.70 g硅砂混合，将测出滴定量除以6即可得出每1.00%有效膨润土的亚甲基蓝滴定量。由此可以方便地计算出型砂的有效膨润土含量%，已经能够满足铸造生产控制型砂性能的精度需要。 3.5 有效煤粉量测定 生产铸铁件的湿型砂大多加入煤粉用于防止铸件表面机械粘砂、改善表面光洁程度和防止球墨铸铁件产生针孔缺陷，而且对防止夹砂缺陷也有一些作用。浇注后型腔表面型砂的煤粉被烧掉，每次混砂时只需补加少量煤粉即可。但是应当知道旧砂中有效煤粉残留量和型砂中有效煤粉实际含量，才能计算出配制型砂时煤粉的正确补加量。 国外靠测定型砂或旧砂的的灼减量()等参数做为推测有效煤粉量的参考。我国有几家外资企业按照国外母厂工艺规定也用型砂灼减量做为控制的指标。灼烧炉温大多在900或1000灼烧1 h。目前有几家本土铸造工厂由于缺少专门的有效煤粉量测定仪器，而灼减量测定所需马福炉、瓷坩锅等工具在化学分析室中都有，也使用灼减量来估计型砂抗粘砂能力。一般的控制范围是3.05.0。图6 有效煤粉测定仪原理图 9221-1999铸造用湿型砂有效膨润土及有效煤粉规定，测定型砂（旧砂）的有效煤粉量时，将型发气性测定仪（工作原理见图6）升温至900，称取生产所用煤粉0.01g，置于瓷舟内（瓷舟需预先在1000灼烧30），然后将瓷舟送入石英管红热部位。立即塞上橡皮塞，记录仪开始记录下所测试样的发气量，保温7至无气体产生为止。再按上述方法测定除去含铁物质和风干过的1.0g型砂（旧砂）的发气量。有效煤粉量可用下式计算： 式中：X 型砂（旧砂）中有效煤粉含量； Q1 1.00g型砂（旧砂）的发气量； Q 1.00g型砂（旧砂）中除煤粉外的膨润土和 其它附加物的总发气量； Q 0.01g煤粉所产生的发气量。补充说明： 按照 9221-1999规定称取的煤粉量0.01 g，这就要求使用感量为0.001g的精密天平。但是0.01 g煤粉的发气量只有3.04.5 ，位于仪器的微压计（或滴定管）的非敏感范围，容易形成误差。应当称取煤粉0.10 g，相当于1 g型砂中含有煤粉10。发气范围在3045 之间，测定结果除以10，即为每1有效煤粉的发气量。 型发气性测定仪带有不锈钢舟做为附件，烘干后储放在干燥器中，每次使用前不必再烘干即可盛放煤粉试料。不锈钢舟的厚度和重量比较统一，不会显著影响发气速度。如果使用瓷舟，最好挑选重量相近的做为容器。不过，虽然重量不同的瓷舟发气速度快慢不同，但7的发气总量是一致的。 烘干的型砂（旧砂）应先磁选除掉铁粒，均匀称取粗粒和粉末部分试料1.00g装入不锈钢舟（或瓷舟）中。图7 原型发气量测得仪 型发气性测定仪还带有一只送试样钩（见右图）能够将盛有试样的不锈钢舟准确地送到管式加热炉的红热部位。塞紧时少许左右旋转胶塞即可密封，试样钩与试样舟一同留在加热瓷管内，试验完后一同拔出，使操作大为简化。 试验完毕后，应将石英管口打开，防止温度下降时测试系统中产生负压而损坏微压传感器。因此，刚开始测试时应将装有1g左右型砂的不锈钢舟推入石英管中加热，使所产生的还原性气体置换掉管中流入的空气。这种操作反复两、三次，然后才进行正式检验，否则煤粉发出的还原性气体将与管中残留空气中氧气进行燃烧而产生严重试验误差。 上述计算式中的Q考虑到膨润土和其它附加物的发气量，使测试和计算复杂化。有效煤粉的测试并不要求过分精确，两位有效数字即可满足型砂性能控制。膨润土受热析出的气体主要是水分，已经在仪器中冷凝而不占容积。其它附加物如型砂中混入的溃散砂芯受热会发出还原性气体，也同样起防止铸件粘砂作用，可以与煤粉一并考虑。膨润土中可能含有少量碳酸盐，受热发气比起煤粉本身挥发分的发气量相对较少。因此在日常生产中可以简化计算式。 长期使用后由于仪器胶管老化或石英管破裂使测试出现异常现象时，应将仪器附带的注射器安装在石英管口上，注入约50气体，如果5内记录仪指针变化大于1小格，说明检验检测系统有漏气。应当立即请仪表工修理和重新校准。图8 发气量测定仪另一简化方案注射器U形管三通管有的工厂感到型发气量测定仪价格较贵，难以购置。笔者当年使用的简易仪器如图7（图中1管式电炉；2瓷舟；3冷凝管；4平衡瓶；5滴定管）。这种仪器结构简单，建议工厂自己动手，基本上不用花钱就能自行制出一台发气量仪器。借用工厂化验室中测定铸铁含碳量的管式电炉做为基本设备，加热瓷管虽然不如石英管耐用，但细心使用至少可用几百次不坏。尽量挑选使用厚度均匀的瓷舟，保证发气速度基本一致。用细不锈钢焊丝（铁丝也可以但需将表面镀锌层烧掉）按照上页图自制试样钩。化验室中也会有多余的50碱式滴定管可以借来使用。橡胶管（或软塑料管）、橡胶塞、滴定管架等都可以从分析室借用。多年使用中尚未发現橡胶管和冷凝管中有积留水分。因为发气容积只占瓷管出口端很短的一小段（长度不超过70100），这段气体仍然是低温的，并不含有水蒸气。因此可以取消冷凝管，将从管式炉引出的橡胶管直接连接到滴定管的上口。另一简化方案（图8）是改用50注射器代替滴定管。将加热炉瓷管出来的气体用橡胶管通到三通管。三通管的一个出口接通一只注射器，另一出口接通U形管。型砂发出气体和产生压力使U形管两侧液面不在同一水平面上，用手不断拔出注射器的活塞，使U形管两侧的液面恢复同样水平。从活塞拔出的位置刻度可以读出发气量。虽然注射器的精度不高，考虑到型砂和旧砂本身是非均质材料，精度1也基本上能够满足需要。建议试验方法：，将发气性测定仪的炉温升至900，用感量0.01g（或0.001g）电子天平称取生产所用煤粉0.10g，置于试样舟内（瓷舟需预先在1000灼烧30，不锈钢舟需预先烘干，都应在干燥器中储放备用）。然后将试样舟用送样钩送入石英管红热部位。立即塞上橡皮塞，并左右旋转少许使不漏气。保温7并记录下所测试样的发气量，除以10即为0.01g煤粉的发气量。再按上述方法测定除去含铁物质和烘干过的1.00g型砂（旧砂）的发气量。有效煤粉量可用下式计算： 式中：X 型砂（旧砂）中有效煤粉含量； Q1 1.00g型砂（旧砂）的发气量； Q 0.01g煤粉所产生的发气量。4 湿型砂的特性 前面介绍的湿型砂基本组成测定时，自生产中取来松散的型砂或旧砂进行检测。而湿型砂的特性检测需要先紧实制成与砂型特征类似的标准试样，然后进行一系列的检测项目。 4.1标准工艺试样的制备图9 型锤击式制样机 根据 2684-1981规定，进行湿型砂性能检验所用的圆柱形标准工艺试样是用锤击式制样机及试样筒制成的。国内生产的型制样机的试样筒是外圆定位式（图9）。向下按扳手，可将冲头、重锤和中心轴升起，以便使试样筒和底盘放入机架的定位孔中。摇动凸轮使重锤提升50后重锤自由落下冲击三次，将试样筒中松散的型砂紧实，制得试验用的标准工艺试样。重锤质量6670g，下落高度500.5，三次冲击施加试样上的功为9.8 J（1 m）。圆筒形试样筒的高度为120、内径50。圆柱形标准试样的紧实程度大体上与紧实比压0.71.0的高密度砂型水平部位紧实程度接近。补充说明： 德国铸造学会的指导文件规定锤击式制样机必须安放在非弹性底座上。美国铸造师学会要求锤击式制样机应安装在专门的反冲底座上，或在坚实台上垫6.4 mm厚皮革。我国的研究表明：如果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6.2 mm厚橡胶板，测得型砂抗压强度低2526。我国标准虽然对此并未做出规定，但是有些铸造工厂型砂强度不高的原因很可能是由于制样机位置不当造成的。 制样机的凸轮应当用耐磨铸铁制成。经长时期使用后应该检验凸轮抬升高度是否符合50。曾有一工厂的制样机凸轮严重磨损，只能抬高45，由于锤击产生的功不够，制成的试样紧实率和强度偏低，透气性偏高。 我国有的仪器厂以往制造的铸铁试样筒内孔极易磨损。美国铸造学会规定试样筒必须是坚硬钢筒，内表面硬度 6570，珩磨加工后粗糙度 0.20m。还要求每次使用前都应擦净试样筒，并薄薄涂一层液态脱模剂。每制一次试样后，将试样筒翻转一次以使磨损均匀和延长新试样筒使用寿命。研究工作表明，使用内表面已磨损的老试样筒比用新试样筒测得湿压强度低2028，透气性高1214，将试样顶出所需的力为新试样筒的2.69倍。工厂应注意不可使用内表面加工粗糙或已被磨损毛糙的试样筒。德国铸造学会的指导文件也规定试样筒应涂硅油脱模剂以减少摩擦。还规定使用冲样器时先将锤杆轻轻落入试样筒中的型砂上，旋转试样筒半圈使砂样上表面平整，然后提起重锤冲击三次，每次冲击之间应有12s间隔。 按照美国铸造学会编写的型砂手册2251-00规定，制备圆柱形标准试样以前，所用型砂应当通过4目筛。将所取回型砂过一次筛可以除去砂中团快，对于稳定测试结果有益处。 国内有个别工厂的型砂实验室在制备圆柱形标准试样时不用天平称取，而是用手抓一把型砂放入试样筒中。然后放在制样机上轻轻落下重锤，看筒中型砂是否符合预期高度。如高度不足，就再抓入少量型砂并再压重锤，如此操作多次，直到高度满意为止。然后摇动制样机手柄冲击三次。这种操作技术的缺点首先是不应该用手抓，最好使用铝制铲子，以免型砂沾手和影响实验室台面和地面清洁。另外，这种操作方法失掉了重要的标准试样重量数据。而且当需要冲制多个标准试样时，所费时间比称量法长很多。估计这种操作方法的原因是工厂实验室没有适用的称量天平。应当添置称量1000g的托盘天平（或电子天平）专门用于制备标准试样，或者将500g托盘天平的盛料盘更换为直径约140的大盘。4.2 紧实率的测定用手捏型砂是否成团和是否粘手的感觉是判断型砂干湿程度的最主要依据，但是手捏的感觉因人而异和易受主观因素影响；而且不能用数值表示，也无法记录和客观比较。为了能够使用仪器测得型砂的干湿程度数值，60年代末国外研究成功用简单方便的紧实率检测型砂的干湿程度。紧实率是指湿型砂在一定紧实力作用下其体积变化的百分率，用试样紧实前后高度变化的百分数来表示。实际应用经验表明，型砂紧实率的高低与手感湿干程度完全符合。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一定的要求范围内，型砂的手感干湿程度就处于最适宜状态。 按照 2684-1981的规定，测定型砂紧实率时先将型砂通过带有6目筛子的型砂投入器，落入到有效高度120mm的标准试样筒内，筛底至试样筒上端距离为140mm。用刮刀将试样筒上多余型砂刮去，放在锤击式制样机上舂打3次。试样的高度压缩程度即为紧实率（图10表明紧实率测定过程）。从标度尺上读出紧实率，或者用按下式计算： 式中： 紧实率%； h0 试样紧实前的高度;图10 紧实率测定步骤 h1 试样紧实后的高度。补充说明： 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，在未被紧实前松散密度较低，砂粒的堆积比较疏松，紧实后体积减小较多。因此，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。 1969年等人有关紧实率的论文提出所用筛子的筛网的网孔规格是3/16英寸（4.8mm）或1/4英寸（6.35mm）。1975年美国铸造学会80湿型砂试验委员会推荐的暂定标准是将型砂通过6.35mm（即1/4英寸或称为4目筛）。我国型型砂投入器所带的筛子使用6目筛网，过筛需用手指长时间拨动型砂，会使型砂紧实率下降。改用4目筛比较合理。 如果铸造车间实际生产用型砂相当松散，也可以不必通过带筛的投入器，直接将型砂填满试样筒，然后用锤击式制样机进行舂打。 锤击式制样机的上端都有刻度尺，锤击三次后可以由中心轴顶部指向的位置直接读出紧实率，不需用公式计算。 4.3 透气性的测定 型砂透气性是指紧实的砂样允许气体通过的能力。透气性数值的定义是 1 水柱压力下，1 时间之内，通过断面为 1 2，高度为 1 砂柱的空气量(3)。型砂实验室通常使用型气钟式透气性测定仪（见图11，图中1钟罩，2水桶，3三通阀，4试样座，5试样筒，6标准圆柱砂样，7微压表，8阻流孔）。测定方法分快速法和标准法（仲裁法）两种：图11 直读式透气性测定仪原理图 快速法：按照 2684-1981，测定湿型砂透气性时，称取一定量的型砂放入圆形标准试样筒中，在锤击式制样机上冲击三次制成的50501的圆柱形标准型砂试样，和试样筒一同固定在直读式透气性测定仪的试样座上。试验时气钟提起后可在测试系统中产生100 水柱气体压力(折合为0.981)。试样座上装有阻流孔部件，当试样的透气性大于或等于50时，应采用1.5 的大阻流孔；当试样的透气性小于50时，应采用0.5 的小阻流孔。将旋钮转至“工作”位置，即可从微压表上直接读出透气性数值。 标准法（仲裁法）：试验时，首先将直读式透气性测定仪试样座上的阻流孔部件卸下，将仪器的三通阀旋至通大气的位置，提起气钟使钟内空气容积为2000 3的标高处，关闭三通阁，使气钟处于漂浮状态。再将内有冲制好型砂试样的试样筒放在仪器的试样座上，使两者密合。将三通阀旋转至“工作”位置，同时用秒表测定气钟内2000 3空气通过试样的时间，并从微压表上读出试样前面气体的压力。透气性按下式计算： 式中：K 透气性数值(透气率)； V 空气体积，2000 cm3; h 标准试样高度，5 cm; A 试样截面积，19.64 cm2; t 时间，; p 试样前面的气体压力2O。补充说明： 仪器应放在无震动的试验台上，调节调平螺栓使气钟能够垂直下降，不可有明显摩擦阻力。仪器上的水平泡的安装可能并不准确，必须自行调整仪器的放置位置。 提起气钟时，必须缓慢进行，以防止水溅入中心管。如有水流入三通阀，必须立即拆开仪器底座下方的胶皮管，将水清除干净。如果已流入微压表，需找仪表工代为修理。 仪器的气路系统必须密封良好。将密封罩扣紧试样座，并提起气钟使充満2000空气，然后把三通阀旋转到“工作”位置。如果1h后气钟明显下降，可在各联接处或管路上刷肥皂水，找出漏气处，用胶质物加以密封。 快速测定方法是在试样座的气钟连接管口处安装一只阻流孔，微压计所示压力值大小是通过试样前的空气压力。由于阻流孔直径大小是一定值，所以微压计指示的压力值随空气通过试样的阻力而变化。如果试样的透气性能高，试样前的压力就低，微压计上所指出的透气率数值就高。反之，试样透气性能低，试样前的压力就高，微压计上所指出的透气率也就低。 阻流孔的精度需经常检查和校正。当大气压力为760和温度为20时，气钟2000 3空气在10.0 2O压力下通过阻流孔大孔时间应为0.50.5s；小孔应为4.5 1.5s。如时间过长，可用一尖针将孔稍稍扩大。如时间过短，可用冲头在孔周围轻敲使孔径缩小。如果阻流孔大小已不能校正，就应改用仲裁法进行检测型砂透气性，或者向仪器制造厂购买新阻流孔。 用标准法测定透气性时，气流在气路中流动过程中还要受到三通阀等管件的阻力，所以气钟下落时通过试样的实际气压都低于静置时的10 水柱压力。应当将观察到的实际气压做为“p”代入公式进行计算。 上述透气性测定仪靠气钟存储定压气体，操作相当不便。有的仪器厂制出用电动离心鼓风机产生1002O压力的型测定仪（图11），取消了水筒和气钟，操作较为方便。但阻流孔的检查和校正仍需使用带水筒和气钟的透气性测定仪。图12 电动透气性测定仪 如今国内有个别单位使用进口自动化透气性测定仪器。试验时将带有型砂试样的试样筒装在仪器的试样座上后，轻按启动按钮，仪器便从压缩空气管路自动充气和抬起气钟一小段高度，然后开始降落使气体通过型砂试样。仪器的电脑就根据气钟降落距离和时间自动计算和显示出透气性数值，整个测试过程中不需要人手操作，所需时间不足半分钟。4.4 型砂强度检测 湿型砂必须具备一定强度以承受各种外力的作用。型砂的强度用标准试样在受外力作用破坏时的应力值来表示。我国法定计量单位为兆帕()和千帕()。以前常用的 / 2 或 / 2（千克力/平方厘米，或千克/平方厘米）可按以下等式折算成法定单位：1 / 2 = 98.1 100 0.1 。欧洲铸造行业常用力的单位为N（牛），应力计量单位为N / 2。1 N / 2 = 10 = 0.01 。图14 型液压万能强度试验机图13 几种常温型砂强度测定示意图试样和测定仪器：标准圆柱形型砂试样从试样筒中顶出后，即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 (图13)。各种常温型砂强度的测定所用强度试验机大多为型液压万能強度试验机（图14）。试验时，转动手轮带动丝杠，推动油缸内的活塞而产生水平方向压力，通过油缸前部的活塞，将力传递给固定在机体上的试样，其压力值由压力表指示。加载前将压力表上的被动针拨回零位，以便能够显示出试样破碎时指针达到过的强度数值。压力表上的三圈刻度值分别代表抗压、抗剪和抗弯强度，单位为。图15 型气动型砂多功能试验机结构简图1立柱框架 2加载气缸 3试样加载夹具 4测力传感器 5位移传感器 6控制及数据处理系统 为了避免国产液压试验机漏油，有人制成一种利用机械系统加载的数显式强度试验机，用电动机驱动，通过减速箱、加载丝杠使上横梁向上移动，对垂直放置的试样加载，靠在上横梁固定的传感器将力值转换为电信号，再显示成抗压强度值。此仪器的传动机构复杂，目前在工厂中实际应用不多。清华大学研制出一种新式的型气动型砂多功能试验机（见图15）。考虑到工厂的型砂实验室中一般都有压缩空气管路，试验机采用气动垂直方向加载系统，从而减少了手动操作。按动电钮后，试验机自动接通气路，下夹头开始举升加载，开始时为快速，到试样接近上夹头时自动改为慢速。试样破碎时试验机自动停车，下夹头自动返回到原来位置，测定结果由液晶屏幕自动显示。试验机的强度示值精度较高，可达到 1.0%。试验机还具有内置位移传感器，可以测定和显示出试样达到最高强度值的变形量。补充说明： 我国生产的型液压强度试验机是仿照瑞士公司老式产品制成的，有两种压力表。低压表适用于早年湿态型砂不高的湿压强度，测定范围最高为130 。高压表用来测定芯砂强度，测定范围01300。由于如今湿型砂的强度已经大为提高，抗压强度可能处于低压表的顶端或高压表的低端。测定时必须根据所测试样的不同强度值经常更换压力表。压力表的示值精度只有2.5，直接用高压表测定湿压强度的精度为32.5 ，对湿型砂而言测试精度显然过低。因此公司早已将低压表的测定范围更改为0320，使它适合测定高密度湿砂型的型砂强度测定。我国仪器制造工厂也应当将低压表的测定范围扩大到接近公司新仪器。 国产型液压万能強度试验机有的出现漏油现象，而且使用和维修都不方便。个别工厂愿使用以前购得的杠杆式强度试验机，认为这种仪器的结构简单、维修方便、不易损坏。但杠杆式仪器精度相当低，靠手动旋转丝杠来移动杠杆的支点很难精确读出强度的峰值。如果型砂的韧性较高，试样碎裂前的变形量较大，更难判断支点停留位置。仪器厂图8 多功能型砂试验机现已停止生产供应杠杆式仪器。 高密度型砂较干，试样顶出极为费力。使用内壁光滑的试样筒并经常涂油，顶出前套在顶样柱上轻轻磕动都有利于将试样顶出。有些国外仪器公司的试样筒产品外形的直径上下不变，不但重量较为沉重，而且顶出试样时手掌不易把持，容易在试样筒突然下落时挤伤手。如果试样筒的上下两端保持外径不变，中间部分减小直径而在两端形成发兰盘，就可减轻重量和易于保护手掌。强度测定方法：图17 抗剪强度试验示意图 图16 抗压强度试验示意图 湿态抗压强度试验：型砂湿态强度中抗压强度的测定最为频繁，它是型砂性能检测项目中必不可少的项目。使用型万能强度试验机时，将左压托架和右压托架分别安装在试验机的夹具孔和工作活塞中。将制备好的圆柱形标准试样放在左、右托架之间（图16）。转动试验机的手轮，使试样受力，逐渐加载至试样破裂为止。试样的抗压強度从压力表上读出。使用型多功能试验机时，试样垂直放置在下夹头上，无需手扶即可开始试验。湿态抗压强度应由三个测试的试样强度平均值计算得出。其中任何一个试样的强度值与平均值相差超出10时试验应重新进行。图18 型抗剪强度试验机1固定支架，2试样筒，3测试环，4连接件，5压力传感器，6螺旋测微计，7微处理计算机，8摇柄，9轴，10轴承，11位移传感器，12锁紧螺钉 湿剪强度试验方法：与抗压強度试验基本相同。使用型试验机时，试验前将抗剪夹具安装在试验机上，然后将圆柱形标准试样安放在抗剪夹具中，加载使试样沿轴的中心线被剪成两块。从压力表的刻度盘上读出抗剪强度。使用型试验机时，将上、下夹头更换成更换成剪切夹头。其他操作与湿压强度试验相似。另一种较新的湿态抗剪强度测试方法是横向剪切方法，清华大学研制出的型仪器（图18，）可以同时测出型砂的剪切强度和剪切破坏时的变形量。所用试样筒的一端为15高的测定环，制得的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固定在支架上，安装在测试架上的压力传感器测头和位移传感器的伸缩杆由连接件相连同步运动。转动螺旋测微器的螺钉，使顶尖进给顶向测定环，对试样施加缓慢而连续的横向剪切力，直到测定环及其中的一段试样断裂和开始掉落。经微型计算机处理后即可由仪器的数码管显示出和打印出试样的剪切强度()和压应力达到最大值的变形量()。所得出的横向湿剪强度数值与纵向剪切是一致的。图19 热湿拉强度仪外形图外形图 常温