粘土湿型砂特点及缺陷分析与控制

1、粘土湿型砂特点及缺陷分析与控制摘要：湿型砂作为现阶段主要的铸铁件生产手段，在铸造中占主要的地位，只有控制好型砂性能才能有效的保证铸造生产过程的稳定性，提高铸件质量。本文介绍了有关粘土湿型砂的特点和生产过程中需要注意的问题，对生产过程中经常遇到的铸件缺陷作了分析并提出了防止措施。关键词：粘土湿型砂 膨润土 煤粉 缺陷一、粘土湿型砂概述 用粘土粘结砂作造型材料生产铸件，是历史悠久的工艺方法，也是应用范围最广的工艺方法。在各种化学粘结砂蓬勃发展的今天，粘土湿型砂仍是最重要的造型材料，其适用范围之广，耗用量之大，是任何其他造型材料都不能与之比拟的。据报道，美国钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占80%以上

2、；日本钢铁铸件中，用粘土湿型砂制造的占73%以上。1、粘土湿型砂特点 湿型铸造法的基本特点是砂型（芯）无需烘干，不存在硬化过程。其主要优点是生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产，易于实现生产过程的机械化和自动化；材料成本低；节省了烘干设备、燃料、电力及车间生产面积；延长了砂箱使用寿命等。但是，采用湿型铸造，也容易使铸件产生一些铸造缺陷，如：夹砂、结疤、鼠尾、粘沙、气孔、砂眼、胀砂等。随着铸造科学技术的发展，对金属与铸型相互作用原理的理解更加深刻；对型砂质量的控制更为有效；加上现代化砂处理设备使型砂质量得到了一定保证；先进的造型机械使型砂紧实均匀，起模平稳，铸型的质量较高，促进了

3、湿型铸造方法应用范围的扩大。 2、湿型粘土砂的组成湿型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比组成的 。2.1粘土 粘土是湿型砂的主要粘结剂。粘土被水湿润后具有粘结性和可塑性，烘干后硬结，具有干强度。而硬结的粘土加水后又能恢复粘结性和可塑性，因而具有较好的复用性。粘土主要是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料。铸造工作者通常根据所含粘土矿物种类不同将所采用的粘土分为铸造用粘土和铸造用膨润土两类。膨润土主要是由蒙脱石组矿物组成的，主要用于湿型铸造的型砂粘结剂。铸造用粘土主要含有高岭石或依利石类矿物。2.2附加物型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外，通常还加入一些附加物如煤粉、渣油、淀粉等，目的

4、是使型砂具有特定的性能，并改善铸件的表面质量。    在铸铁用湿型砂中加入煤粉，可以防止铸件表面产生粘砂缺陷，并能改善铸件的表面光洁程度。湿型铸铁件所用型砂中煤粉的含量常在38（质量分数）范围内，根据铸件大小和厚薄而异。    煤粉的代用材料，包括固体沥青或其乳化液，渣油或煤焦油或其乳合液，膨润土与沥青或其他石油衍生物的混合粉末或浆液，固态或水中分散的合成聚合物和淀粉等。铸铁面砂中淀粉含量（按质量分数计）一般为0.5左右。 2.3原砂铸造生产中使用量最大的原砂是以石英为主要矿物成分的天然硅砂。天然硅砂资源丰富，分布极广，易于开采，价格

5、低廉，能满足铸造上多数情况的要求。 一方面，原砂为砂型（芯）提供了必要的耐高温金属液顺利冲型、在铸型中冷却、凝固并得到所要求形状和性能的铸件。另一方面，原砂粒度为型砂提供众多空隙，保证砂型具有一定透气性，在浇注过程中，使型腔内受热极剧膨胀的气体和铸型本身产生的大量气体能顺利逸出二、旧砂的处理1、旧砂概述用粘土湿型砂造型，浇注以后，除贴近铸件的部分型砂中活性膨润土受热失效成为死粘土外，大部分型砂可以回收使用。这是粘土湿型砂的主要优点之一。 配制粘土湿型砂时，旧砂用量一般都在90%以上，如果对旧砂的处理不当，无论怎样加强混砂，无论添加什麽辅助材料，都不可得到好的型砂。所以，对旧砂进行有效的处理，是

6、保证型砂质量的前提。 2、旧砂温度的控制 热砂问题，已被公认为粘土湿型砂铸造必须面对的最大问题。型砂温度太高，铸件容易产生夹砂、表面粗糙、冲砂、气孔等缺陷。热砂对铸件质量的负面影响，主要由于以下几个方面： 1） 由于热砂使水分蒸发，混砂时无论怎样注意，也难以控制型砂的性能； 2） 将热型砂送往造型机的过程中，由于水份损失，型砂性能改变，造型时实际上用的型砂，其性能与混砂时控制的性能差别很大； 3） 造型时，热型砂的水分容易在模样表面上凝结，型砂粘模； 4） 合型后，热砂的水分蒸发，凝结在冷的芯子上，会使芯子的强度降低，铸件也易于产生气孔； 5） 如果旧砂要贮存在砂斗中备用，则热砂容易粘附在砂斗

7、壁上。严重时，砂斗四周堵满了型砂，只剩中间一个孔洞，使系统中的型砂只有一部分周期使用，这部分型砂周转快、温度又会进一步提高，使热砂问题更加严重。 多高温度的砂算是热砂？ 判断热砂的温度界限，是看其是否使混砂、造型及铸件质量方面出现问题。对此，许多研究者从各个方面进行了研究，普遍认为：要保证型砂的性能稳定，温度必须保持在50以下。 使型砂冷却，最有效的办法是加水，但是，简单的加水，效果是很差的。一定要吹入大量空气使水分蒸发，才能有效地冷却。 以下，给出一个简略的计算比较： 型砂的比热大致是：9.22×102j/kg·， 水的比热是：4.19×103j/kg·

8、;， 水的蒸发热是：2.26×106j/kg， 1吨砂中加20的水10kg（加水1%）， 使其温度升到50，所能带走的热量为4.19×103 ×10×30，即12.57×105j。 1吨砂温度降低1，需散热9.22×102×1000 j，即9.22×105 j。 所以，在旧砂中加水1%，只能使温度降低24.5。 使1吨砂中的水分蒸发1%（10kg），能带走的热量为2.26×107j，却可使砂温降低24.5。 以上的分析表明：简单地向皮带机上加水或向砂堆洒水，冷却效果是很差的。即使加水后向砂表面吹风，也不能

9、有多大的改善。加水后，要使水在型砂中分散均匀，然后向松散的砂吹风，使水分迅速蒸发，同时将蒸汽排除。 目前，型砂冷却装置的品种、规格很多，主要有冷却滚筒、双盘冷却器和冷却沸腾床等，都是利用水分蒸发冷却型沙。其中，冷却沸腾床效果较好。 3、旧砂水分的控制 几乎所有的铸造厂都检查和控制混成砂的水分，但是，对于严格控制旧砂水分的重要性，很多铸造厂的领导和技术人员还缺乏足够的认识。 进入混砂的旧砂水分太低，对混砂质量的影响可能并不亚于砂温过高。 试验研究和经验都已证明，加水润湿干膨润土比润滑湿膨润土难得多。型砂中的膨润土和水，并非简单的混在一起就行，要对其加搓揉，使之成为可塑状态。这就像用陶土和水制陶器

10、一样，将水和土和一和，是松散的，没有粘接能力；经过搓揉和摔打，使每粒土都充分吸收了水分，就成为塑性状态，才可以成形，制成陶器毛坯。 铸型浇注以后，由于热金属的影响，很多砂粒表面上的土-水粘结膜都脱水干燥了，加水使其吸水恢复塑性是很不容易的。旧砂的水分较低，在混砂机中加水混碾使之达到要求性能所需要的时间就越长。由于生产中混砂的时间是有限的，旧砂的水分越低，混成砂的综合质量就越差。目前，各国铸造工作者已有了这样一种共识：进入混砂机的旧砂，水分只能比混成砂略低一点。 较好的做法是：在旧砂冷却过程中充分加水冷却后所含的水分略低于混成砂。这样，从砂冷却到进入混砂机还有一段相当长的时间，水可以充分润湿旧砂

11、砂粒表面上的膨润土。 更好的做法是：在系统中设混砂机对旧砂进行预混，冷却后的旧砂在预混混砂机中加水进行预混，以改善旧砂中膨润土和水的混合状态。国外，有的铸造厂预混时，将需补加的新砂、膨润土、煤粉等附加料全部加入。天津的新伟祥铸造公司，用德国制造的eirich混砂机预混。经过预混的旧砂，进入混砂机后加水量很少，只是略微调整。型砂中的膨润土和水在混砂机进一步得到调制，型砂的性能就更为稳定一致。 4、旧砂的粒度对于用粘土湿型砂制造的铸铁件，型砂的粒度以细一些为好。由于混砂时旧砂用量一般都在90%以上，决定型砂粒度的因素主要是旧砂。新砂加入量很少，不可能靠加入新砂来改变型砂的粒度。所以，应该经常检测旧

12、砂的粒度。 检测粒度时，取样后先清洗除去泥分（可用测定含泥量时剩下的砂样），烘干后筛分。 对粒度有以下两点要求： 1） 140目筛上的砂粒应在10-15%之间。保持较多的细砂，可以减轻铸件表面粘砂。而且，会增加砂粒之间粘结桥的数量，从而降低型砂的脆性，避免冲砂缺陷。此外，这对提高型砂的温强度、干强度和水分迁移后增湿层强度都有好处。 2） 200目筛、270目筛和底盘上细砂的总和应尽量地少。这样的细砂对改善铸件表面质量的作用不大，却会使混成砂的水分较高，而且会使型砂的透气性降低。细砂的总和一般应少于4%。 5、 吸水细粉的含量吸水细粉中主要是死粘土，还包括焦化了的煤粉细粒和其他细粉。 吸水细粉的

13、含量并非越低越好，最好将其控制在2-5%之间。 吸水细粉，混砂时会和膨润土争夺水分，使混成砂达到可紧实性目标值所需的水分增高。但是，据目前大家的认识，吸水细粉的吸水能力比膨润土强，而保持水分的能力却低于膨润土。因此，在型砂中加水量略有不当时，吸水细粉对型砂性能有一定的“微调和稳定”作用。水分高时，细粉首先吸水，膨润土所吸收水可较稳定一致；混成砂在输送过程中水分蒸发时，吸水细粉所吸的水先蒸发，粘结砂粒的粘土膏中的水分较为稳定，型砂的性能也就较小波动。吸水细粉含量太高也不好，会使型砂的水分较高，易于导致铸件上产生针孔、表面粗糙和砂孔的缺陷。吸水细粉含量太低，则型砂的性能（尤其是可紧实性）不易稳定。

14、 6、混砂加料顺序混砂时的加料顺序：为了减少混砂所需的能量，采用合理的加料顺序是很重要的。 很多工厂，混砂时习惯于先加干料（砂和粘土），干混一段时间，然后加水混匀。这种操作方法有三个缺点： 1）混干料时粉尘飞扬，污染环境且有害于工人的健康； 2）混砂机内抽尘会损失大量有效粉料； 3）需要较长的混砂时间。在混匀了的干料中加水，即使水加得很分散，也是一滴一滴地落在干料中。因为粘土是亲水的，加上水滴表面张力的作用，水滴附近的粘土很快就聚集到水滴上，形成较大的粘土球。将这些粘土球压碎并使它涂布在砂粒表面上是比较困难的，需要的能量也比较大。 如果先加砂和水混匀，后加粉状粘土，因为水已分散，没有较大的水滴

15、，加入粘土后只能形成大量较小的粘土球。压开这些小粘土球是比较容易的，需要的能量也较小。 也就是说，用同样的混砂设备，得到品质相同的型砂，所需的混碾时间较短。水3%。 混砂设备是实验室用混砂机。 7、型砂中有效膨润土量和混砂效率 粘土湿型砂混砂时，必须加入一定量的膨润土，使型砂中保有必要的膨润土量。膨润土含量通常用亚甲基蓝法予以测定。用亚甲基蓝法测得的膨润土量，以前统称之为有效膨润，现在看来，称之为活性膨润土更为适当。活性膨润土是能与水结合而起作用的，但是，在实际应用的型砂中，并非所有的活性膨润土都起作用，也就是说，并非都是有效的。 有效膨润土是型砂中实际起作用的膨润土，只是活性膨润土的一部分。

16、 c.e.wenniger提出，用混砂效率来衡量粘土湿砂的调制程度。 混砂效率=有效膨润土含量/活性膨润土含量x100% 良好的粘土湿型砂，混砂效率应在60%以上。 在生产条件下，根据型砂的湿抗压强度，水分和可紧实性，可由图5求得型砂中的活性膨润土含量和有效膨润土含量，从而可以算出混砂效率。 例如，某铸造厂粘土湿型砂的抗压强度为178kpa，可紧实性为42%，水分为3.5%。从纵坐标上湿抗压强度为178kpa一点画水平直线，按此直线上水分为3.5%的点，得知砂型的活性膨润土含量为7.5%。 在上述直线上，找出可紧实性为42%的一点，从而得知型砂中有效膨润土量为4.5%。 混砂效率= 4.5/7

17、.5 =60% 三、粘土湿型砂性能指标及影响因素1、型砂应具备的性能及影响因素1.1强度：是指型砂、抵抗外力破坏的能力。 影响型砂强度的主要因素有： 1）砂子粒度和形状：一般砂粒越细，越分散，则砂粒之间的接触面积越大，故细沙配置的型砂强度高。 2）膨润土和含水量：含水量合适，型砂的湿压强度会随着膨润土加入量的增加而增加，但到一定程度后便开始下降。 3）加料顺序和混制时间对型砂质量影响很大，一般先干混后湿混。混制时要合理控制。 4）紧实度：其它条件相同时，紧实度越高，型砂的强度越高，但过高会影响透气性和退让性。1.2透气性：原料或混合料允许气体通过的能力。用透气性率表示。在单位时间内，在单位压力

18、下通过单位面积和单位长度试样的气体量。 影响透气性的因素有： 1） 砂子的颗粒，原砂颗粒越粗越均匀，型砂的透气性越好。 2） 膨润土含量，型砂含水量一定时，膨润土加入量越多透气性越差。 3） 水分，型砂水分过多，造成多余的水滴占据型砂空隙，降低透气性。 4） 紧实度，紧实度越高，砂粒之间的空隙越小降低透气性。1.3其他一些性能 1）紧实率：指型砂被紧实前后的体积变化率。 2）紧实度：单位体积型砂的重量。 3）流动性:型砂颗粒在一定外力作用下发生相对运动的能力。 4）耐火性：型砂抵抗高温作用而不能熔化、软化和烧结的性能。 5）退让性：型砂芯砂不阻碍铸件收缩的高温性能。 6）复用性：型砂中被加热的

19、膨润土可保持其固有的性质的能力。 2、通过紧实率检验能反映型砂质量的几个方面 1）通过紧实率的数值能判断型砂含水量是否合适，因为不论型砂的成分如何，只要含水量与成分相适应达到适宜含水量时，其紧实率总是趋于固定值。因此，紧实率高低能直接反映出型砂含水量过高或过低，从而能估计对铸件质量的影响。如紧实率过高，表明型砂水分过高，铸件易出现气孔、胀砂、夹砂、表面粗糙以及难以落砂。如果紧实率过低，表明型砂水分过低，型砂发脆，砂型容易破碎，出型困难，铸件易出现冲砂、砂眼等缺陷。 2）当型砂保持紧实率一定而含水量发生变化时暗示型砂的粘土或粉尘含量已发生变化，应考虑调整新砂加入量和膨润土加入量，使型砂性能保持稳

20、定。型砂中起粘结作用的膨润土含量低于一定范围，铸件就易发生夹砂缺陷。有效膨润土含量过高，型砂中会出现粘土球，容易引起粘砂、气孔缺陷。3、 热砂（芯）对型砂性能和铸件质量的影响 1） 一般型砂超过20摄氏度称为热砂，超过50摄氏度为高热砂。 2） 砂温高，水分容易蒸发，使型砂水分不好控制，致使型砂的强度和透气性都不稳定，热砂的强度低，容易造成塌箱。 3） 热砂（芯）蒸发出来的水蒸气，会在皮带、砂斗、模具表面上凝聚，使砂型的局部水分过多而造成粘膜，引起型砂输送和造型工作不正常，还会降低铸件表面光洁度。 4） 热砂会使砂型表面容易脱水，降低表面强度，浇注时引起冲砂、砂眼等缺陷。 5） 热砂(芯)发出

21、来的水蒸气会凝聚在型面和芯表上，使铸件产生气孔、和起皮夹砂。故旧砂温度过高，常使造型率降低，铸件易冲砂、砂眼、表面粗糙、夹砂、气孔等缺陷增加。 4、 通过紧实率、水分、湿压强度等几个性能指标综合分析型砂质量1） 紧实率正常，有效粘土量在合格范围内而水分增高或降低，说明型砂中死粘土、煤粉等粉尘增多或降低，应增加或降低新砂加入量。 2） 有效粘土、紧实率、水分都在合格范围内，如湿压强度降低，表示混砂效率降低，应检验混砂机和混砂工艺。 3） 型砂含水量未变，湿压强度升高，或湿压强度未变，含水量升高，铸件表面光洁，起模性亦好，表明型砂中有效粘土含量已升高，可适当减少陶土加入量。 4） 型砂的含水量未变

22、，湿压强度降低或湿压强度未变，含水量降低，砂型在起模时易坏，铸件夹砂、砂眼等缺陷增加，表示型砂中有效粘土含量已降低，可适当提高粘土加入量。 5） 含水量和湿压强度未变，透气性下降，表明砂的粒度已变细或砂中的粉尘已增加，可适当增加新砂加入量。 6） 回用砂的含泥量增高，表示新砂加入量过少，粘土、煤粉加入量过多，型砂除尘器系统有问题。 7） 对回用砂进行颗粒（粒度）分析，如发现回用砂细，粒度比太高，或因混入粗砂而使砂的颗粒组成不合适，则铸件气孔或表面粗糙度等缺陷可能增加，应检查新砂粒度是否符合要求，并应新砂的加入量，以保持型砂粒度的稳定。 8） 调整型砂的配方时，应注意每次调整的幅度不要太大，因为

23、粘土、煤粉、新砂加入量在一定范围内改变时，造成的影响往往需要几个小时或几天后才能显示出来，调整得好的型砂系统，一天中型砂内有效粘土量如有变化，可以相应调整型砂的含水量，使紧实率保持不变，以保持型砂的性能。 5、 膨润土对型砂性能和铸件质量的影响1） 热湿态粘结力：在金属液浇入湿型中，型砂由于受高温烘烤，石英在573发生相变而急剧膨胀；同时砂型表面水分向内迁移产生水分凝结区，使膨润土的粘结力下降。由于经受不住石英膨胀所产生的横向滑移的剪切力和向外凸出的拉力，砂型表面开裂而造成铸件表面夹砂、结疤、鼠尾等缺陷。这时膨润土应当具有的粘结力是一种热态（100 左右）和过湿态（含水量大约为通常型砂含水量的

24、3倍左右）下的热湿态粘结力。 2） 膨润土膨润性能：膨润土在水中的膨润性能与膨润土吸附阳离子种类和数量密切相关，在铸造厂的型砂实验室中通常以膨润值表 示。 3） 膨润土的复用性：又称为膨润土的热稳定性性和耐用性，是指在砂型中经高温金属液加热的膨润土再次加入水分后，仍具有粘结力，能够反复配置型砂的性能。如果所选用的膨润土复用性差，旧砂回用时必须补充加入较多的新膨润土，这样一方面提供了铸造成本，同时又使被烧损的死粘土积累速度加快，型砂含水量增多。 4） 膨润土耐用性：膨润土一般分为三类钠基膨润土、钙基膨润土和活化钠基膨润土。 6、 煤粉对型砂性能和铸件质量的影响1）煤粉在湿型砂中使用，主要作用：利

25、用煤在高温下的分解及分解后包覆在砂粒表面的碳膜以防止铸件产生粘砂和夹砂，同时也起到提高型砂溃散性的作用。 2）煤粉的灰分：煤粉完全燃烧后残留物的质量分数，一般不大于10%。 3）煤粉的挥发分：煤粉中除水以外的挥发物所占的质量分数。挥发分一般在30%-37%。 4）煤粉的发气性：衡量煤粉燃烧时产生的气体量多少和速度快慢的性能指标，大约在28-42ml/0.1g之间。 5）含硫量：含硫量一般不应大于2%，欧美一些国家规定不大于1%，生产球墨铸铁时，含硫量的要求更加严格，否则可能造成铸件表面球化不良。四、铸件缺陷分析及控制 1、粘砂铸件表面上粘附着难以清除的沙粒，称为“粘砂”。粘砂大多数发生在铸件的

26、厚壁部分、浇冒口附近、凹槽和小型芯形成的表面。 机械粘砂-铁水钻入砂型表面孔隙中，凝固后将砂粒机械地勾连在铸件的表面上。 化学粘砂-金属液表面被氧化生成氧化铁等金属氧化物，再与型砂中的sio2进行化学反映生成低熔点的铁硅酸盐渣液，凝固后与砂粒一起较牢固地粘附在铸件表面上。 防止机械粘砂的措施： l 单独使用好的面砂； l 提高铸型紧实度； l 湿型中加入优质煤粉； l 喷刷涂料； l 尽可能降低浇注温度； l 采用非石英质涂料 2、夹砂：夹砂又名包砂、起格子、气夹子、结疤、起皮子、鼠尾，在铸件表面有局部高出和形状不规则的金属瘤状物或片状物，它的下面夹有一薄层砂或涂料层，把金属瘤状物和加砂层清除后，铸件表面出现不规则的凹坑，凹坑中有一条形状不规则的金属凸起物。此种形式一般称为夹砂。 铸件表面没有金属瘤状物，只有形状不规则的凹槽或折痕，称为鼠尾或起格子。 铸件表面有形状不规则的高210毫米的金属疤（砂型表面层裂开后掉下）称为结疤。当铸件出现结疤时，常同时发生砂眼。 防止夹砂措施： l 提高粘土增加热湿拉强度 l 适量加纯碱增加热湿拉 l