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粘土濕型砂及其控制要點（一）

用粘土粘結(jié)砂作造型材料生產(chǎn)鑄件，是歷史悠久的工藝方法，也是應(yīng)用范圍廣的工藝方法，說其歷史悠久，可追溯到幾千年以前；論其應(yīng)用范圍，則可說世界各地無一處不用。

值得注意的是，在各種化學粘結(jié)砂蓬勃發(fā)展，粘土濕型砂仍是重要的造型材料，其使用范圍之廣，耗用量之大，是任何其他造型材料都不能與之比擬的。據(jù)報道，美國生產(chǎn)的鋼鐵鑄件中，用粘土濕型砂制造的占80%以上；日本的鋼鐵鑄件中，用粘土濕型砂制造的占73%以上。

適應(yīng)各種造型條件的能力極強，也是粘土濕型砂的一大特點。從人類進入青銅時代起，長期用于手工造型，生產(chǎn)了無數(shù)精美絕倫的產(chǎn)品。1890年震壓式造型機問世以后，用于機械造型也極為成功，并為此后造型作業(yè)的機械化、自動化奠定了基礎(chǔ)。近代的高壓造型、射壓造型、氣沖造型、靜壓造型及無震擊真空加壓造型等新工藝，也都是以粘土濕型砂為基礎(chǔ)的。

各種新工藝的實施，使粘土濕型砂在鑄造生產(chǎn)中的地位更加重要，也使粘土濕型砂不斷面臨許多新的問題，促使我們對粘土濕型砂的研究不斷加強、認識不斷深化。

現(xiàn)今，隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，各產(chǎn)業(yè)部門對鑄件的需求不斷增長，同時，對鑄件質(zhì)量的要求也越來越高。現(xiàn)代的鑄造廠，造型設(shè)備的生產(chǎn)率已提高到前所未有的水平，如果不能使型砂的性能充分適應(yīng)具體生產(chǎn)條件，或不能有效地控制其穩(wěn)定、一致，則不用多久就可將鑄造廠埋葬于廢品之中。

目前，采用粘土濕型砂的鑄造廠一般都備有適合其具體條件的砂處理系統(tǒng)，其中包括：回收砂的處理、新砂及輔助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的監(jiān)控。

粘土濕砂系統(tǒng)中，有許多不斷改變的因素。如某一種或幾種關(guān)鍵性能不能保持在控制范圍之內(nèi)，生產(chǎn)中就可能出現(xiàn)問題。

由于各鑄造廠砂處理系統(tǒng)的安排不同，選用的設(shè)備也不一樣，要想擬定一套通用的控制辦法是做不到的。這里，將扼要談到粘土濕型砂的特性及一些目前已被廣泛認同的控制要點。在理解這些要點基礎(chǔ)上，可根據(jù)企業(yè)自己的具體條件確定可行的控制辦法。而且，還要隨著技術(shù)的進步和工廠實際能力（包括人員和資金）的增強，不斷改進型砂系統(tǒng)。

一、粘土濕型砂的特性

通常都說粘土濕型砂的粘結(jié)劑是粘土，實際上這種提法是不太確切的，單用粘土，不能粘結(jié)砂粒、使型砂具有強度，粘土濕型砂中的粘結(jié)劑是粘土和水按一定比例配合組成的，水是粘結(jié)劑中的重要組成部分，只不過水太平常了，所以往往未得到足夠的重視。

1、土-水比

如果按活性粘土和水各自在型砂中所占的份額，將活性粘土和水按比例單獨混合，得到的是粘稠的膏狀體，類似于為制作餃子所和的面團。按土質(zhì)學方面對粘土-水系統(tǒng)的稠度劃分原則，粘土濕型砂中的土-水混合物屬于“半固態(tài)”范圍，實際上型砂中將砂粒粘結(jié)起來是這種膏狀體，我們將其稱之為“粘土膏”。

目前，粘土濕型砂中所用的粘土都是膨潤土，水和膨潤土混成的粘土膏，大體上是在土-水比為3：1左右時強度高。采用高壓造型工藝時，為得到高強度的鑄型，型砂中所含的活性膨潤土和水分的質(zhì)量分數(shù)之比，大體都在3：1左右。在這種條件下，型砂的可緊實性也適合高壓造型的要求（約在35~45之間）。

粘土膏的水分增多，其粘度隨之降低，強度也相應(yīng)下降。采用震壓式造型機造型時，使型砂流動并將其緊實所需的能量比高壓造型小得多，型砂的強度就應(yīng)該低一些。因為型砂的強度越高，其抵抗變形的能力越強，造型設(shè)備提供的能量不足，就難以使鑄型具有必要的緊實程度。為適合這種條件，型砂中的土-水比就應(yīng)該高一些，一般以控制在3：2左右為合適。

2、粘土濕型砂的砂粒結(jié)構(gòu)

砂粒之間的粘結(jié)，是靠粘土膏實現(xiàn)的。理想的情況是：水和粘土混合得很好，成為均勻的粘土膏，粘土膏又均勻地涂布在每一砂粒的表面上，砂粒之間由其表面的粘土膏彼此相連而形成的粘結(jié)橋粘結(jié)起來，如圖1所示，其間的空隙可使型砂具有必要的透氣性。

要將粘土和水混成均勻的膏體是很不容易的。泥塑藝術(shù)家和制陶器的技師混制膏體時，要先將其混勻，再放置一段時間使之熟化，然后還要揉搓、摔打。粘土濕型砂中的粘土膏，質(zhì)量要求當然沒有這樣嚴格，但要使膨潤土充分吸水、調(diào)混均勻并均勻涂布在每個砂粒表面上也是非常困難的。

在生產(chǎn)條件下，混砂的時間是非常有限的，不僅不可能使粘土和水調(diào)配均勻，其在砂粒表面的涂布狀態(tài)也與圖1所示的也相距甚遠。完全用新砂配制粘土濕型砂，混成砂的實際砂粒結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。反復(fù)使用的系統(tǒng)砂，涂土膏在砂粒表面分布的情況要好一些。

圖2 用新砂配制的粘土濕型砂砂粒結(jié)構(gòu)示意圖

3、粘土濕型砂的混砂效率

有鑒于在生產(chǎn)條件下粘土濕型砂中的粘土和水不可能充分混合，美國的C. E. Wenniger提出了“混砂效率”的概念。粘土濕型砂的混砂效率是指：型砂中實際上起粘結(jié)作用的膨潤土量與其中的活性膨潤土含量之比，即

這里有兩個術(shù)語需要特別說明一下：

“活性膨潤土”是型砂中所含的具備活性、能吸水膨脹而起粘結(jié)作用的膨潤土，也就是可以用吸藍法測定其含量的膨潤土。活性膨潤土（active clay），曾有人將其譯為“有效膨潤土”，而且在全國廣為采用，這是很不妥當?shù)摹Ｒ驗榛钚耘驖櫷潦悄芷鹫辰Y(jié)作用的，是具有活性的，但在型砂中不可能全部都起作用，并不是都是“有效的”，而且也不希望其全部都起作用。

“有效膨潤土”（effective clay）則是在型砂中發(fā)生了有效粘結(jié)作用而使型砂具有強度的膨潤土。

由于粘土膏屬半固態(tài)性質(zhì)，粘度很高，難以混勻，用于混制粘土濕型砂的混砂機，所需的功率比供砂能力相同的樹脂砂混砂機大得多，混砂所需的時間也更長。即使如此，型砂中的粘土和水仍不能充分混勻，用當前高水平的混砂設(shè)備，混砂效率也不過是60~70%。

另一方面，從要求型砂適于造型的可緊實性看來，也不應(yīng)該讓所有的活性粘土都充分吸水并混合均勻。例如，高壓造型一般要求型砂的可緊實性數(shù)值為35～45，在這種條件下，混砂效率大約僅略高于60%。如果充分加水，并加以長時間的混制，使混砂效率提高到80%以上，型砂的可緊實性就會遠高于60，根本就不能使用，更不用說讓型砂中的活性粘土全部都起作用了。

還要特別指出的是：如果型砂中的活性粘土全部都起作用，都充分吸水了，造好的砂型澆注時，金屬/砂型界面處的水向內(nèi)部遷移，形成水分凝聚層時，由于此處粘土已經(jīng)充分吸水，不能再吸收水分，水分凝聚層的強度將會非常之低，鑄件上就極易于產(chǎn)生膨脹缺陷。所以，從這方面看來，追求過高的混砂效率也是不可取的，一切事物都是有兩面性的。

在正常的混砂條件下，粘土濕型砂的強度決定于其中粘土膏的多少和粘土膏的粘度，所以，強度、活性膨潤土含量和水分之間是有相依關(guān)系的。此外，在型砂強度一定的條件下，其可緊實性越高，則其中有效膨潤土的含量也越高，三者之間也有相依關(guān)系。在這種認識的基礎(chǔ)上，由眾多的實驗數(shù)據(jù)，得到了圖3所示的線圖。利用圖3，可由型砂的濕抗壓強度和水分的測定值，得知其中的活性膨潤土含量。但是，活性膨潤土含量必須以吸藍法的測定值為依據(jù)，由圖3查得的值應(yīng)經(jīng)常與之對比，作為日常測定性能時的參考。同樣也可以根據(jù)濕抗壓強度和可緊實性的測定值，查出型砂中有效膨潤土含量，并由此計算出型砂的混砂效率。

例如，某鑄造廠粘土濕型砂的濕抗壓強度為178 kPa，可緊實性為42%，水分為3.5%。從縱坐標上濕抗壓強度為178 kPa一點畫水平直線，由此直線上水分為3.5的一點，可知型砂中的活性膨潤土含量約為7.5%。

再由此水平直線與代表可緊實性的一組斜線的交點，即可求得型砂的有效膨潤土含量為4.4%。

隨著高壓造型技術(shù)和各種造型設(shè)備的發(fā)展，粘土濕型砂砂處理工藝和設(shè)備也在不斷改善。由于回收砂的性狀對型砂質(zhì)量的影響很大，很多技術(shù)開發(fā)的著眼點都在于改善回收砂的處理，主要幾點是：

·落砂以后，盡可能早地給回收砂加水，使已干燥的膨潤土有時間充分吸水；

·加強回收砂的冷卻，使其中的水分穩(wěn)定；

·增加預(yù)混工序，使水和粘土混配更為均勻。

4、造型性能

前面已經(jīng)提到，粘土濕型砂的一大特點就是能適應(yīng)各種造型條件，但是，也應(yīng)同時看到，由于起粘結(jié)作用的粘土膏的粘度很高，造型時未經(jīng)緊實的型砂就具有相當高的強度，流動性很差，因而，造型性能不好，緊實鑄型所需的能量很大，造型機的功率一般都相當高，如欲制得高緊實度鑄型，造型設(shè)備不得不龐大而笨重。

在改善粘土濕型砂造型方面的一項重要發(fā)展，就是在向砂箱中填砂之前，先用氣流將型砂流態(tài)化，使其流動性大幅度改善。日本新東公司采用此項技術(shù)后，使造型機的尺寸縮小，設(shè)備重量大幅度減輕，造型的能耗較用傳統(tǒng)機型平均減少60%。

不難設(shè)想，在改善型砂造型性能方面仍有寬廣的發(fā)展空間。