湿型砂的性能要求.doc

湿型砂的性能要求 于震宗 2002年2月初稿（2004年12月修改）前言 湿型砂铸件的表面品质直接受型砂各种性能的影响。凡是生产重要和表面品质优良铸件的铸造工厂，其型砂实验室的仪器设备大多比较完善齐全，型砂检验项目较多，每日多次检验。同时砂处理系统设备设计和选用合理，具有先进的控制设施，并且管理严格。高密度造型（或称高紧实度造型，包括多触头高压、气冲、挤压、射压、静压、真空吸压等造型）方法的生产效率高、铸件品质较好，因而国内应用日益普遍。高密度造型对型砂品质的要求比手工造型或震压造型更为严格，本文将以此做为讨论重点，也附带有个别应用震压或压实造型机的铸造工厂做为对照。为了具体说明湿型砂的性能和控制范围，本文附带表格列举出一些公司推荐的和铸造工厂实测的或规定的性能。其中所罗列工厂的型砂品质优劣不同，性能数值并非全部合理。有的工厂型砂检测项目过少，难以分析型砂性能与铸件品质的关系。作者将在以下段落中加以评论。由于纸张宽度限制，只列举一部分主要的和经常测定的性能。还有几种性能只能在后文中简略叙述。数据搜集来源一小部分引自中外公开发行刊物，在表格最右侧注明刊物名称和出版年月或期号。本文中还有大部分数据是由各公司或工厂的工程师提供的，所列举数据只是当时情况，并不代表目前实际状况。 本文专供湿型铸造工厂中主管型砂的技术员和工程师参考。考虑到这些人员对于湿型砂已然比较熟悉，因而在文章中不再介绍各种仪器的结构和操作步骤。1 紧实率和含水量 湿型砂不可太 干，因为干的型砂虽然流动性极好，但是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，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容易充满型框，希望型砂更干一些。有两种检测参数代表型砂的干湿状态：一是紧实率，代表型砂的手感干湿程度；另一是含水量，代表型砂的实际水分含量。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4550%；高压造型和气冲造型时为4045%；射压和挤压造型要求较高的流动性好，紧实率为3540%，认为在上述紧实率的含水量就是最适宜含水量。虽然在造型机处的型砂紧实率不可过低（例如200。有些日本铸造工厂对型砂湿压强度的要求偏低。东久公司推荐无箱射压型砂的湿压强度只是110140。丰和公司推荐Hunter造型机无箱水平分型的型砂用140160。土芳公司调查八家气冲型砂都在113180范围内，平均为138。三菱重工的高压型砂为105120。五十铃高压线80100。也有个别日本工厂的型砂湿压强度较高。例如三菱自动车川崎工厂2070挤压线20010，丰田上乡工厂静压线180220。北美铸造行业的型砂强度似乎介于欧洲于日本之间。加拿大矿业于能源中心调查76家铸铁工厂中品质较好的湿压强度在124207。福特汽车厂Cleveland铸造厂排气管高压型砂为172，万国收割机公司Loisville铸造厂生产拖拉机缸体高压型砂为134156。有人认为欧洲铸造工厂的型砂湿压强度比美、日两国工厂高的原因之一是由于欧洲铸铁用原砂含SiO2高达99%左右，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。我国工厂的高密度造型的型砂湿压强度大多接近美洲和日本工厂。对于铸铁件而言，除个别铸造厂以外，高密度造型的型砂湿压强度大多在120200范围内，比较集中在140180。我国有些工厂湿压强度控制值较低的原因之一是所使用的国产振动落砂机破碎效果不好，大砂块会随铸件跑掉。而且很多铸造工厂所选用膨润土的品质较差，也宁愿型砂的湿压强度稍低些，就无需加入大量膨润土，型砂含水量也可低些。我国工厂震压造型的型砂湿压强度大多在80120kPa上下。湿型铸钢需要防止铸件生成热裂缺陷，因而所用型砂的湿压强度通常比铸铁用砂低些。德国KnorrBremse公司用气冲造型，每箱铸钢件重250kg，湿压强度为180kPa。美国CICERO车辆厂生产摇枕和侧架型砂为90105。日本小松公司的多触头型砂为100120；福岛制钢高压型砂为100130；秋木制钢为3550。我国齐齐哈尔机车车辆厂气冲型砂的工艺规定为70；韶关铸锻厂静压造型为7080。3.2湿拉强度和湿劈强度从材料力学角度来看，抗压强度只是在一定程度上代表型砂中膨润土膏的粘结力，同时又反映受压应力时砂粒之间的摩擦阻力，因而不能用湿压强度值直接说明型砂的粘结强度的好坏，而抗拉强度就无此缺点。BMD公司建议上海机床铸造三厂气冲型砂湿拉强度为2636；DISA公司要求挤压型砂为2025；AGM公司要求真空吸压造型为20。北京华德实测26.731.8；廊坊美联实测1722。但是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，需用专门的试验机来测定常温湿拉强度。所以很多中小铸造工厂都不测型砂的抗拉强度。有人建议按照混凝土试验中曾使用过的办法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够准确。因此应用不普遍。DISA公司推荐的湿劈强度是3034。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。镇江银峰规定湿劈强度3050；天津勤美达实测为40；佳利福实测3840；无锡柴油机实测3150。3.3湿剪强度湿剪强度比湿压强度较能表明型砂的粘结力而且容易测定，将普通的标准试样放置在强度试验机的两块具有半面凸台的压头之间，沿中心轴方向施加剪切力，即可测定出剪切强度。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455；BMD公司推荐上海机床铸造三厂的气冲型砂为3236，FA公司提出气冲型砂应为3050。美国Grede调查19891996挤压造型型砂平均为3649。天津新伟祥实测为52，山西国际实测为3855。另一种较新的湿态抗剪强度测试方法是沿直径方向剪切方法，使用特制的试样筒，在专门试验机上进行测试，剪切断裂平面与试样轴线垂直。这种仪器可以同时测出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轴向剪切强度是一致的。通常生产用湿型砂所测得的径向剪切强度大约有3060kPa，变形量多在0.40mm0.70mm范围内。例如天津宝利福测得挤压造型型砂径向剪切强度约为60kPa，变形量约在0.50mm。试验工作表明，在型砂中加入糊精、重油等附加物或提高紧实率都可以使剪切变形量大为提高。3.4表面强度（表面耐磨性）湿砂型应当具有足够高的表面强度，能够经受起模、清吹、下芯、浇注金属液等过程的擦磨作用。否则型腔表面砂粒受外力作用下容易脱落，不仅直接影响铸件的表面粗糙度，而且还会造成许多铸造缺陷，例如砂孔、粘砂等。特别是在有些铸造工厂中，从造型起模到合箱浇注之间砂型敞开放置一段时间。在这期间中铸型表面水分不断蒸发，即“风干现象”，可能导致表面耐磨性和表面强度急剧下降。合箱以前的间隔时间长，天气干燥，型砂温度较高时，风干现象尤其严重。因此，应当有型砂试样的表面耐磨性的定量检测方法。美国有人推荐利用测定型砂造型性的圆筒筛，将两只圆柱标准试样并列放置其中，转动1min后称量掉落的砂量，用来代表型砂表面耐磨性。日本较多使用的方法是将标准试样放置在6目筛上，在Rotap震摆式筛砂机上震摆60s，以震摆前、后试样重量的比率称做为“表面安定度(SSI)”。例如东久公司推荐水平分型无箱射压线的型砂试样湿态即时表面安定度为88，所调查6家铸造厂的表面安定度都在88.991.0范围内。土芳公司调查8家静压和气冲线在77.686.6范围内，平均82.5%。三菱重工公司三原铸造厂的高压造型线的表面安定度要求88%。福岛制钢公司的铸钢面砂中加有淀粉0.81.3，要求表面安定度93%；秋木制钢公司生产大型阀门铸钢件，要求9698%。我国昆山丰田实测结果在7089范围内；天津勤美达实测结果是89.990.6%。在型砂中加入淀粉材料（如哈尔滨东安）或在砂型表面喷防粘砂涂料（如镇江银峰）都起提高耐冲蚀性作用。有些工厂在天气干燥季节中发现砂型表面有风干现象时，用喷雾器向砂型的型腔少量喷水能使砂型表面的强度得到恢复。天津丰田原来在湿砂型表面喷涂表面稳定剂商品提高砂型表面的耐冲蚀性，据了解现也改为喷水。实际使用中可能观察到表面安定度（SSI）试验的试样在筛上出现不规则的颠簸翻滚，使掉落砂量波动。因而清华大学研制出一种使用钢丝针布对试样表面刷磨表面的耐磨性测定装置，称量1min的磨下量即可代表湿型砂试样的表面耐磨性。用内蒙精选砂100，天然钠基膨润土或钙基膨润土8，a淀粉量01配制型砂，紧实率按45控制。不加a淀粉的钠基膨润土型砂试样，即时磨损量约为8g，风干2h后磨损量已增加到40g以上。加入a淀粉1的钠基膨润土试样即时磨损量降为0.37g，风干2h后磨损量仅约为2g左右。钙基膨润土试样即时磨损量高达16g，加入a淀粉后即时磨损量降为1.8g。4 型砂含泥量 型砂和旧砂的泥分是由两部分组成。第一部分为活性组分，包括有效的膨润土和有效的煤粉。在上述各种组分中，有效膨润土和有效煤份的数量主要取决于材料的品质、铸件的厚薄和大小、如果使用的膨润土属于优质产品，高密度造型用型砂中有效膨润土量67%已然足够使湿压强度达到160200kPa。如果使用的是高效煤粉，有抛丸机清理铸件，有效煤粉量大约只需34%即可。因此高密度造型的型砂中活性组分总量约为911%。第二部分为惰性组分，即灰分，包括失效的膨润土和煤粉、被混砂加入的膨润土和煤粉带入的杂质、以及所加入新砂的泥分组成的。不同铸造工厂湿型砂灰分的数量相差很多，有的工厂可能不到1%。也有的型砂中灰分达到10%以上。德国Mettman铸造厂要求型砂泥分中灰分不超过3.0%，国外也有人主张应当不超过3.25%。 在使用单一砂的砂系统中，型砂与旧砂的含泥量是不同的。一般单一型砂比旧砂的泥分含量多0.51.5左右，个别工厂中可能相差1.53.0。例如： 常州小松型砂13.513.9、旧砂11.5；山西国际型砂10.1、旧砂9.5；苏州铸件型砂21.8、旧砂18.6。只有根据型砂的含泥量才能较准确地说明对型砂性能的影响，所以应当以型砂含泥量的检测和控制为主。附表中各工厂的含泥量除专门注明外大概都是指旧砂而言。我国很多工厂只控制旧砂含泥量的原因是旧砂含泥量比型砂少，测试比较方便。但是旧砂和型砂含泥量的测定都需要一天时间，最好经常直接测定型砂的含泥量。 个别铸造厂的型砂和旧砂含泥量过高的原因可能是所使用的原砂、膨润土和煤粉品质不良，旧砂缺乏有效地除尘处理造成的。含泥量过高会导致型砂透气率下降，含水量上升，铸件气孔缺陷增多。如果是由于灰分增多而形成的含泥量过高，除了强烈影响透气率低和含水量高以外，还肯定会引起型砂韧性变差，造型时起模困难，砂型棱角易碎，吊砂易断，铸件砂孔废品率提高。还有些发动机铸造工厂的型砂出现含泥量过低现象，这是旧砂中混入大量溃碎树脂砂芯造成的，不仅型砂透气率受影响，而且导致处于最适宜干湿状态的型砂含水量太低，型砂性能对水的影响更加敏感。型砂含水量变化0.2%，强度等性能就会显著波动，使得混砂难以准确控制。因而国外有的工厂需要向型砂中加入适量-淀粉来降低型砂对含水量的敏感性。一些国外生产铸铁件工厂型砂含泥量的情况举例如下：美国的汽车制造厂型砂含泥量大多较低，例如John Deere生产球墨铸铁的高压造型型砂含泥量为7.58.8%。International Harvester生产拖拉机缸体的型砂含泥量为910%。GMC生产雪佛兰缸体型砂为911%；德国Meinheim的John Deere 工厂的三种型砂含泥量的控制指标分别为10.012.5、11.013.0和11.013.5%；Luitpold铸造厂生产大众汽缸体用型砂为1213.5%。日本三菱自动车的SPO线型砂管理标准规定含泥量为1214%，五十铃汽车厂型砂含泥量为9.6%。DISA公司推荐一般挤压造型机用型砂含泥量为1113%，而较大的2070型造型机用型砂的含泥量为1214%。BMD公司要求上海机床铸造三厂气冲线1013%。大发汽车厂要求天津内燃机总厂的汽车铸铁件静压造型的型砂含泥量为1011%。B&P公司对大连机床厂的射压造型线要求型砂含泥量10.513.5%。GF公司对常州柴油机厂气冲线提出的型砂含泥量要求是12%。我国另外几家工厂的含泥量（估计均为旧砂）举例如下：镇江银峰要求1112%；天津新伟祥要求1013%；天津勤美达挤压线实测9.6%；廊坊美联挤压线9.811.3%；大连机床厂B&P线16.7%；怀柔水泵气冲线25.8%；山东九羊铸造厂实测28%。山西经纬纺织机厂Hunter线1619%。 归纳以上数据可以得出：高密度造型最理想的铸铁用型砂（含煤粉）含泥量为1013%，不应14%和9%；理想的旧砂含泥量为811%，不应12%和7%。如果含泥量过高，应当加强各种原材料的选用和检验，改善旧砂除尘装置的工作效果。如果含泥量过低，就应该将除尘系统的排出物部分地返回旧砂系统中。5 型砂粒度 型砂粒度直接影响透气性和铸件表面粗糙程度。原砂的粒度并不能代表型砂粒度，因为在铸造过程中部分砂粒可能破碎成细粉，另一部分可能烧结成粗粒。而且不同粗细的砂芯溃碎后也会混入旧砂。经过多次铸造过程的积累就使型砂的粗细逐渐改变。因此有些工厂将测定过含泥量的型砂用筛分法测定粒度。美国B&P公司要求射压型砂粒度为AFS细度6090（大体相当200/7050/140目）；Buhr调查加拿大铸造厂铸件品质较好的型砂粒度为5065（大体相当50/100140/50目），四筛分布。德国IKO公司调查多家铸铁件工厂的型砂粒度平均值为德国标准的中值粒径0.25mm（大约相当50/100目）；BMD公司推荐气冲型砂为0.220.28mm（大约相当50/100100/50目）；另一德国活塞环厂要求0.13mm（折合AFS细度110，大约相当100/200目）；DISA公司推荐挤压型砂为0.150.28mm（AFS10460大约相当100/200100/50目）。日本土芳公司调查高密度造型型砂粒度为JIS标准104.7115.1（大约相当50/14070/140目）；新东公司要求射压型砂粒度目标值为AFS细度5060（大约箱当50/10050/140目）；川崎三菱自动车作业标准582（大约相当50/140140/50目）；大发工厂要求4853（大约相当50/100目）。几家国内外资和合资工厂如昆山丰田洗后粒度48.551；天津勤美达实测型砂去泥后粒度65.2；山西国际实测5254。如果粒度过粗，就需靠加入特定粒度的原砂、或除尘器砂粒来调整。国外文献都强调型砂粒度分布不可过分集中，最好是4筛分布，主要分布在50、70、100和140等筛上（即50/140或140/50目），停留量10算作一筛。希望单筛上不超过40，相邻两筛的差值7%，2070型需8%；GF公司建议第二汽车厂铸造二厂气冲造型用7.4%；BMD公司要求上海机床铸造三厂气冲用79%；大发汽车厂要求天津内燃机厂静压造型用6%。美国福特汽车厂高压型砂在Windsor为5.46.2%，在Cleveland为6.5%；通用汽车公司的Pontiac铸造厂为6.06.6%，Defiance铸造厂为8.48.8%；Lynchburg铸造厂为6.77.7%。John Deere公司在德国Mannheim铸造厂为6.07.5%；德国Luitpold铸造厂为910%。日本土芳公司调查8家静压和气冲造型线在7.410.4%之间，平均8.6%；五十铃公司川崎铸造厂高压线为7%。从表中看我国各铸造工厂的有效膨润土量在6.011.0%范围内。昆山丰田静压线为68%；昆山富士和FBM线为79%；天津勤美达挤压线为6.06.4%；常州小松高压型砂实测为6.26.7；常州柴油机厂气冲型砂为810%；上海柴油机厂高压线为10.510.8%；大连柴油机厂高压线面砂约11%；烟台一汽大宇动力冲击线为79%；广州冷机公司挤压型砂为7.58%。震压造型要求的型砂强度稍低，有效膨润土量可更低些。由于我国的膨润土矿产资源丰富，有些膨润土的粘结强度很高，使用国产优质膨润土的高密度造型型砂的有效膨润土量降低到67%范围内也足够满足对强度和韧性的要求。这样就使型砂的含泥量和含水量都可降低，铸件的气孔等类缺陷也会减少。 但我国还有些膨润土的品质较差，计算出的有效膨润土量并不反映型砂的粘结强度。不如改用吸蓝量（mL）直接代表型砂可用的粘结能力。例如要求高密度型砂的有效膨润土量为5565 mL。但是应当注意到作者当年将亚甲基蓝溶液浓度定为0.2%时，我国尚无高密度造型方法，通常的型砂湿压强度仅为现在的一半左右，型砂吸蓝量都只有40 mL左右。如今再用这样浓度的亚甲基蓝溶液滴定5.00g高密度造型型砂，滴定量都会超过标准50 mL滴定管的容积。在滴定5g试料过程中需要向滴定管补加一次亚甲基蓝溶液，给实验人员增添麻烦。因此，建议亚甲基蓝溶液不便，解决的办法是将型砂量缩减成2.50g。将滴定结果毫升数乘以2，既可得出滴定5g型砂的毫升数。我国有些外资企业采用美国AFS标准的，型砂量为5g，亚甲基蓝溶液浓度按照美国AFS规定为0.374%。例如昆山丰田静压型砂要求吸蓝量为301 mL。如亚甲基蓝浓度按照0.2%计算，将吸蓝量mL乘以0.374/0.20=1.87，则吸蓝量相当为54.258.0 mL。常州小松的高压型砂实测为3133.5mL，乘以1.87应为58.062.7mL。 型砂的有效膨润土是指全部仍然具有粘结能力的膨润土而言。在生产用型砂中，仍会有一部分膨润土只是自己或与其它粉料积聚成膨润土团（或砂豆），成为“潜在膨润土”。膨润土团的形成主要是型砂制备时混合不均匀造成的。美国有人将前面所述的工作粘土量(WB)除以可利用粘土量(AB)做为混砂机效率，也用来说明型砂的膨润土利用率，认为通常在5565%。镇江银峰计算得出的混砂机效率为52.656.6%。作者推荐的方法是在生产用混砂机上按照工艺规定混制型砂，型砂混砂完了后测定试样的湿态抗压强度。然后碾轮式混砂机再延长混砂时间1分钟（转子混砂机可为20s），但需预先稍微加入少量水分以保持紧实率基本不变，再一次测定型砂试样强度，强度值将有不同程度的上升。如此每次延长混砂并保持型砂紧实率稳定不变和测定强度，直到强度不再上升，即达到“峰值强度”为止。混砂机的实际使用效率可以按下式计算：实际混砂强度型砂峰值强度混砂机的混砂效率（） 100 由于强度接近平台区的升幅极为缓慢，通常认为铸造生产实际中，型砂强度到达峰值的8090左右即为最适合使用的强度。达到最适合使用强度的混砂时间应当是混制该型砂的正确时间，工厂可以据此更正工艺规定的混砂时间要求。工厂混砂实际缺少时间（单位均为min）按下式计算： 混砂实际缺少时间（达到8090峰值强度的时间）（实际混砂时间） 清华大学曾检验某拖拉机厂铸铁的旧砂，结果表明为要达到峰值强度尚需继续混砂6min。又曾检验山东某动力机厂型砂使用S14系列转子混砂机的混砂效果，发现达到峰值强度的混砂周期应当是4.5min，建议工厂达到最适宜使用强度的混砂时间定为4.0min，明显高于设备制造公司推荐的混砂周期2.0min。为了简便，也可利用型砂实验室中小型混砂机做试验。取生产混制出的型砂在小混砂机中，保持紧实率基本不变的条件下不断增多混砂时间。检验方法和计算方法如同上面一样。7 型砂的有效煤粉量 生产铸铁件的湿型砂大多加入煤粉附加物，每次混砂时需补加少量煤粉。但是煤粉的补加量不能靠简单的计算方法得出。国外至今仍靠测定型砂或旧砂的的灼减量(或灼烧减量，通常简写为LOI，美国又称为可燃物总量)和挥发分、含碳量，固定碳量等参数做为推测有效煤粉量的参考。例如：DISA公司推荐型砂的灼减量为3.57.5%，挥发分为1.53.0%。GF公司建议生产后桥球铁件灼减量为4.7%。Levelink认为通常型砂的灼减量为46%。Fahn调查欧洲一百余铸铁工厂的灼减量在1.611.6%范围内，平均值为5.3%。Buhr调查了加拿大76家铸造工厂，其中铸件品质较好的灼减量在25%之间。日本土芳公司调查8家静压和气冲造型的灼减量在1.984.46%范围内，平均3.29%。德国Luitpold生产大众汽车汽缸体型砂为3.64.0%；美国 John Deere生产缸体和缸头高压造型为3.84.5%；通用汽车公司 Pontiac厂型砂则为4.04.5%。我国烟台大宇动力冲击造型要求灼减量35%；山西国际高压造型要求4.05.5%；昆山富士和FBM造型用型砂目标值为2.54.5%；常州小松常林挤压型砂实测为4.44.6%；太原小笠原气冲造型实测为2.8%。天津新伟祥FBM造型和勤美达挤压造型的灼减量分别为3.7%和2.02.2%，挥发分为3.06和1.4%。昆山丰田规定面砂和背砂的灼减量分别为4.100.30%和3.800.30%，总碳量分别为3.000.50%和2.800.50%。但是各国规定的灼减量和挥发分测试规范有很大差别，各厂的数值不能相互比较。 以上几种测试方法的操作都比较麻烦。当年作者等人分析了煤粉防铸铁件粘砂作用机理，认为主要靠的是挥发分而不是固定碳或灼减量。因而改为测定反映型砂或旧砂中挥发分的发气量。这种方法能够计算出有效煤粉具体含量（%），而且测定过程只需几分钟即可，因此在国内得到广泛采用。简易式发气量实验仪器的结构极为简单，但要求使用者操作熟练。仪器制造厂生产的发气量测定仪器结构较复杂，有些铸造工厂的仪器发生故障后长时间得不到修理，只好改用灼减量和挥发分来估计煤份含量。 铸铁件型砂中应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、抛丸清理效果等因素而异。更重要的是因煤粉品质不同而异。例如，应用普通煤粉的高密度造型的型砂中有效煤粉量多为57%，例如第二汽车厂铸造一厂KW线68%，GF线为46%；上海汇众为58%；莱阳华源莱动气冲线5%；天津丰田静压线5.5%。应用较高品质煤粉的有效煤粉量可降低到45%，使用高效煤粉时只要34%即可。山西国际有效煤粉量为45%；上海汽车厂为45%。震压造型用型砂使用优质煤粉时，有效煤粉量大约为56%。目前我国各地销售供应的煤粉品质差异较大，有的煤粉中杂质甚多，抗粘砂能力不足。也有个别煤粉中含有挥发分极高的气煤或长焰煤，配制出型砂的发气量虽高但缺乏抗粘砂能力。因此，用发气量方法控制型砂和旧砂中有效煤粉量的方法最适用于挥发分2837%和灰分大致10%范围内的煤粉。考虑到有些型砂中还含有重油、淀粉等材料或混有溃散芯砂，也都起抗粘砂作用和发生气体。可仅用型砂和旧砂的发气量代表型砂总的抗粘砂能力。震压造型生产铸铁件用型砂每1g的发气量大约在2028mL，高密度造型用型砂大体在1424mL。例如天津丰田静压线型砂实测为16mL，无箱射压线15mL；北京内燃机厂型砂为1617mL，旧砂为1314mL。8 型砂韧性和起模性8.1 型砂韧性 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。材料力学认为强度代表将物体破坏所需施加的力大小如何；而韧性反映的是将物体破坏所需做的功大小如何，它包含了强度和变形量两种参数。早年有人曾用下列公式计算使试样破碎所做的功来近似地表示韧性： 型砂韧性 湿压强度变形量1000 式中的湿压强度单位为磅/平方英寸，变形量单位为英寸。型砂的抗压强度值容易用强度试验机测出。但当年只靠眼睛观看试验机上附带千分表所显示出的试样尺寸变化，是不可能准确读出达到强度最大值时的变形量。因此，这种试验方法没有得到推广。 60年代末期美国Dietert等人又研制出落球式破碎指数测定仪。我国仿制时将尺寸改为公制。但使用后发现此仪器还存在以下几个缺点：其中之一是10 mm筛网似嫌稍密，常用型砂的试样破碎后留在筛上的砂块较多。在合理范围内变动膨润土量、紧实率等参数时，破碎指数的数值展开不够宽，表明其测试灵敏度差。清华大学的研究工作表明，如将网孔中心距增大到12.7mm（即改为2目筛网），则可使破碎指数的变化范围扩大一倍以上。此仪器的另一缺点是钢球落下后并不停置在铁砧上，它将继续滚落到筛网上，使一部分本来停留在网上的砂块受振击和碾压而通过筛网，从而影响测试结果。我国有的仪器工厂为防止钢球滚落，将具有三根直立细钢丝的钢环套在铁砧上，用来防止落在铁砧上的钢球滚动。将砧座厚度减薄到不超过3mm，注意调整测定仪的垂直度，不加钢丝也可以防止钢球滚落到筛网上。试验结果表明，型砂较湿、含膨润土量多、加入淀粉类附加物和提高试样紧实度都能提高破碎指数。 高密度造型的型砂破碎指数以8085%范围内为好。如果模样外形比较简单，破碎指数还可更低些以便提高型砂流动性。我国几家铸造工厂的型砂破碎指数举例如下：常州柴油机厂6575%；上海汽车厂6070%，上海汇众汽车公司6575%；第二汽车厂铸造一厂8090%；第一汽车厂铸造二厂6080%；天津内燃机厂7678%；廊坊美联7080%；莱阳华源6780%；哈尔滨东安发动机厂7085%。 清华大学新研制的直径方向剪切强度与变形仪和气动湿压强度测定仪是由压力传感器、位移传感器、微型计算机和打印机组成的。当型砂试样在外力作用下产生应力、变形直至断裂时，微型计算机即可输出试样的剪切强度或抗压强度(kPa)和变形量(mm)。也还可以推算出型砂的韧性。8.2 起模性 型砂的起模性是一个极其复杂的综合特性，它指的是起模时砂型的棱角、边缘和砂台不破碎的性能。模样的材质、起模斜度、表面粗糙度、清洁度、与型砂的温度差异、脱模剂有无和种类、是否形成真空、砂型紧实松紧程度等因素都直接影响起模难易。有几种型砂性能也是影响起模难易的关键，其中包括型砂抗拉、抗剪强度、韧性、变形量和试样顶出阻力。起模时砂型受到剪应力和拉应力的作用，所以型砂的抗剪和抗拉强度对起模性能有密切关系。但是紧实程度越高，型砂的破碎指数随之提高，而砂型就越难起模。值得注意的是型砂变形量和顶出阻力。 变形量：型砂较干，强度虽然提高，但变形量小，起模时就最易破碎。手工造型的起模前在围绕模样的砂型棱角上刷水，虽然使局部的砂型强度剧烈下降，但能够大大改善起模性能。刷水的作用主要是提高了砂型棱角和吊砂型砂的变形能力，起模时受模样水平方向振击和碰撞能够退让变形，就能避免砂型棱角破损。振动起模机器造型用型砂也是利用适量的变形量以保证起模顺利。除了使型砂干湿程度合适以外，加入a-淀粉、糊精、重油等附加物都会使变形量显著提高。通常生产用湿型砂所测得的变形量多在0.40mm0.70mm范围内。(2) 试样顶出阻力：Hofmann在液压式强度仪上安装一个附加装置，对试验筒中圆柱形标准试样的一端施加压力，测定出使试样在筒中开始移动所需的力，称为顶出阻力。顶出阻力可以认为是起模时砂型与模样之间的摩擦阻力和粘附力的综合表现。试验结果表明，型砂的湿压强度越高，顶出阻力也高。型砂中加有煤粉、淀粉，试样筒表面涂有硅油，都能降低顶出阻力。清华大学对型砂成分与试样顶出阻力关系的研究所用型砂配方为大林标准砂100%和天然钠基膨润土315%，紧实率3060%，试样冲击次数112。结果表明型砂的膨润土含量对试样顶出阻力仅有不大的影响。而提高紧实率和减少试样冲击次数都能降低试样的顶出阻力。值得注意的是提高紧实率不仅如上段所述的增大型砂变形能力，而且还能降低型砂与模样间的摩擦力，二者都有利于起模。研究结果还表明，型砂中加入糊精或a-淀粉1%可使型砂对模样的摩擦阻力约减为1/31/2，对起模尤其有利。因此，在考虑型砂起模性时不可低估摩擦阻力的作用。9 抗夹砂性（热湿拉强度）用湿型砂浇注较厚大的平板类铸件时，最容易产生夹砂类缺陷(包括起皮、沟痕、结疤、鼠尾)。国内外很多铸造工厂都用热湿拉强度来检验型砂的抗夹砂性能。研究工作表明，影响型砂热湿拉强度的最主要因素是膨润土所吸附阳离子的种类，其次是型砂中膨润土含量以及膨润土的纯度(蒙脱石含量)。钠基膨润土或活化膨润土的热湿拉强度比钙基膨润土高几倍。然而用碳酸钠活化钙基膨润土不可过量，超过极限活化量后热湿拉强度反而下降，而且还可能会产生抗热粘砂缺陷。我国通常钙基膨润土的极限活化量是45%。有的国产天然钠基膨润土需要加入碳酸钠12%才达到极限热湿拉强度。在实际生产中，对型砂热湿拉强度值的要求需根据生产条件而定。国外湿型大型铸钢件型砂大多用单纯的天然钠土或充分活化的优质钙土。然而铸铁型砂对膨润土的活化程度比铸钢型砂低，因为型砂中加入煤粉也起防止夹砂缺陷作用。例如美国汽车铸铁件工厂所采用的是将怀俄明天然钠基和美国南部钙基膨润土掺合应用，比例按2:1；生产小铸铁件所用膨润土按1:1比例掺和。相当于将钙基膨润土的碳酸钠加入量分别为极限活化量的67和50左右。认为型砂的抗夹砂能力已够，而且不用纯粹钠基膨润土有利于混砂、造型和落砂。在欧洲，普通铸铁件高密度造型用型砂的热湿拉强度大约要求为1.52.5kPa，对于较敏感的铸件可能要求2.5kPa。例如，德国Luitpold铸造厂生产大众汽缸体型砂的热湿拉强度为2.73.0 kPa；Benz公司的Esslingen铸造厂用BMD无箱射压造型机生产制动鼓的型砂热湿拉强度为2.8 kPa。Fahn调查欧洲107家灰铸铁铸造厂型砂的热湿拉强度最低为0.9，最高为3.2，平均为1.95kPa。Bruemmer调查105个铸铁厂结果是最低1.0，最高3.2，平均1.6kPa。Hofmann实测五家使用气冲造型机铸造厂的型砂分别为2.6，3.0，3.7，2.8和1.35kPa。DISA公司推荐挤压造型用型砂的热湿拉强度应 2.0kPa。美国和日本的铸造工厂似乎对测定型砂的热湿拉强度不太重视。在我国，虽然铸铁生产所用原砂的SiO2不高，型砂中还加入了煤粉、淀粉类材料，生成的热压应力较低，对于形状简单或没有水平放置平面的小件、薄壁件，可放宽对热湿拉强度的要求。例如第二汽车制造厂气冲造型线生产东风载重汽车后桥型砂的热湿拉强度为1.61.8kPa；长春一汽第二铸造厂气冲线为2.03.0kPa；山西国际高压造型生产汽缸体要求2.5kPa；上海汽车厂挤压线要求2.0kPa；上海液压件铸造厂挤压造型为1.82.2kPa；镇江银峰高压线为2.52.9kPa。也有些工厂只从是否生成夹砂缺陷考虑，热湿拉强度要求极低，例如山西经纬纺织机械厂的Hunter造型机用型砂的热湿拉强度只要求0.9 kPa，实测值为1.11.2 kPa。但是还应考虑到钠基膨润土和活化膨润土的热稳定性高和不易烧损，所以除生产轻、薄小件以外，都应当采用适当活化的膨润土和对型砂热湿拉强度适度要求。10 型砂流动性和可紧实性型砂的颗粒在外力作用下可以紧密靠近的性能称为可紧实性。具有良好可紧实性的型砂能够保证砂型表面密实。型砂在外力作用下质点可以自由地竖向和横向移动，越过模样的边角，通过狭窄缝隙和孔洞的性能称为流动性。具有良好可紧实性和流动性的型砂能保证砂型的硬度分布均匀，棱角、凸台清晰无疏松，铸件表面光洁和无局部机械粘砂缺陷。可紧实性和流动性两者之间的关系极为密切，而且难以严格区分。通常流动性好的型砂可紧实性也好。手工造型时依靠工人的操作技术，型砂可紧实性和流动性的好坏似乎并不重要。但是对于机器造型生产的铸件表面品质而言，型砂具有良好的可紧实性和流动性是极其关键的。然而型砂的充填紧实方法种类繁多，射砂压实、吸砂压实、震击压实、微震压实、气流冲击、动力冲击和单纯压实等造型方法所要求的可紧实性和流动性都可能有一些区别。因而至今没有适用于上述造型方法的标准测试方法。本文仅介绍几种使用稍多的测试方法如下：(1) 试样硬度差法:Kyle提出将型砂过筛使它均匀分散，称取170g置入圆柱形标准试样筒中。用锤击式制样机冲击一次后，顶出试样，用湿型硬度计