砂型鑄造-濕型鑄造1 概述 粘土砂型可分為濕型、干砂型和表面烘干砂型。三者之間的主要差別在于：濕型是造好的砂型不經(jīng)烘干，直接澆入高溫金屬液體；干砂型是在合箱和澆注前將整個砂型送入窯中烘干；表面烘干砂型只在澆注前對型腔表層用適當(dāng)方法烘干一定深度（一般510mm，大件20mm以上）。 目前，濕型砂是使用最廣泛的、最方便的造型方法，大約占所有砂型使用量的6070，但是這種方法還不適合很大或很厚實的鑄件。表面烘干型與干型比，可節(jié)省烘爐，節(jié)約燃料和電力，縮短生產(chǎn)周期，所以曾在中型和較大型鑄鐵件的生產(chǎn)中推廣過。通常采用較粗砂粒（使有高的透氣性），加入較多粘土和水分，有時還在型砂中加12的木屑（提高抗夾砂結(jié)疤能力），其型腔表面必須涂敷涂料。 干型主要用于重型鑄鐵件和某些鑄鋼件，為了防止烘干時鑄型開裂，一般在加入膨潤土的同時還加入普通粘土。干型主要靠涂料保證鑄件表面質(zhì)量。其型砂和砂型的質(zhì)量比較容易控制，但是砂型生產(chǎn)周期長，需要專門的烘干設(shè)備，鑄件尺寸精度較差，因此，近些年的干型，包括表面烘干的粘土政型已大部分被化學(xué)粘結(jié)的自硬砂型所取代。2 濕型鑄造 2.1濕型鑄造特點 濕型鑄造法的基本特點是砂型（芯）無需烘干，不存在硬化過程。其主要優(yōu)點是生產(chǎn)靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動化；材料成本低；節(jié)省了烘干設(shè)備、燃料、電力及車間生產(chǎn)面積；延長了砂箱使用壽命等。但是，采用濕型鑄造，也容易使鑄件產(chǎn)生一些鑄造缺陷，如：夾砂、結(jié)疤、鼠尾、粘沙、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鑄造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對金屬與鑄型相互作用原理的理解更加深刻；對型砂質(zhì)量的控制更為有效；加上現(xiàn)代化砂處理設(shè)備使型砂質(zhì)量得到了一定保證；先進(jìn)的造型機(jī)械使型砂緊實均勻，起模平穩(wěn)，鑄型的質(zhì)量較高，促進(jìn)了濕型鑄造方法應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。例如汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)等工業(yè)中，質(zhì)量在300500kg以下的薄壁鑄鐵件，現(xiàn)都已成功地采用濕型鑄造?，F(xiàn)代化造型方法有：普通機(jī)器造型、微震壓實造型、多觸頭高壓造型、射壓造型、沖擊造型及靜壓造型等。各種造型方法的特點及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度值見表1。 2.2 濕型砂用原材料(鑄造用砂數(shù)據(jù)查詢) 濕型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比組成的。常用的加料順序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分。型砂的配方應(yīng)根據(jù)澆注合金種類、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍，然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比等因素擬定。(1) 石英質(zhì)原砂(具體參數(shù)請查詢鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)-鑄造技術(shù)-鑄造工藝參數(shù)-鑄造造型材料-鑄造用砂) 鑄造生產(chǎn)中使用量最大的原砂是以石英為主要礦物成分的天然硅砂。天然硅砂資源豐富，分布極廣，易于開采，價格低廉，能滿足鑄造上多數(shù)情況的要求。生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類、質(zhì)量、壁厚的不同來選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強(qiáng)還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其他金屬氧化物，因而較易與型砂中雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成化學(xué)粘砂。所以要求原砂中SiO2含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，則對原砂中SiO2含量的要求就越高表1 各種造型方法的特點及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度造型方法 比壓/MPa硬度 砂型平均密度（g.cm-3）鑄件基本尺寸mm和尺寸公差等級CT鑄件表面粗糙度Ra/um>763 >63100 >100160 >160250 低壓造型；例如普通機(jī)器造型 0.130.4 6080 1.21.3 89 89 89 910 50400 中壓造型：例如微震壓實 0.40.7 7090 1.41.5 79 79 79 810 50400 高壓造型 射壓造型 >0.7 90左右 1.51.6 67 67 67 78 6.350(12.525) 多觸頭高壓造型 >0.7 90左右 1.51.6 56 67 67 78 6.350(12.525) 沖擊造型 氣流沖擊造型 90左右 1.51.6 提高了砂型的尺寸精度、鑄件的尺寸精度低于高壓造型 6.350 動力（機(jī)械）沖擊造型 90左右 1.51.6 提高了砂型的尺寸精度、鑄件的尺寸精度相當(dāng)或略優(yōu)于高壓造型 6.350 (2) 非石英質(zhì)原砂 非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只會少量游離SiO2的原砂。雖然硅砂來源廣，價格低，能滿足一般鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的要求而得到廣泛應(yīng)用，但是硅砂還有一些缺點：熱膨脹系數(shù)比較大，熱擴(kuò)散率比較低，蓄熱系數(shù)比較低，容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會對鑄型與金屬的界面反應(yīng)起不良影響。在生產(chǎn)高合金銅鑄件或大型鑄鋼件時，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清理十分困難。清砂過程中，工人長期吸入硅石粉塵易患矽肺。為了提高鑄件表面質(zhì)量，改善勞動條件，在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來配制無機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動條件。但這些材料中有的價格較高，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用。目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石破、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等等。(3) 粘土(粘結(jié)劑數(shù)據(jù)查詢) 粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤后具有粘結(jié)性和可塑性，烘干后硬結(jié)，具有干強(qiáng)度。而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性，因而具有較好的復(fù)用性。粘土資源豐富，價格低廉，所以應(yīng)用廣泛。粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石（kaolinite）組，包括高嶺石、珍珠陶土、地開石、埃洛石等；蒙脫石（montrillonite）組，包括蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等；伊利石（illite）組，包括依利石、海綠石等。 鑄造工作者通常根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土（fireclay）和鑄造用膨潤土兩類。膨潤土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑。鑄造用粘土主要含有高嶺石或依利石類礦物。(4) 附加物(輔助材料數(shù)據(jù)查詢) 型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外，通常還加入一些附加物如煤粉、渣油、淀粉等，目的是使型砂具有特定的性能，并改善鑄件的表面質(zhì)量。 在鑄鐵及有色合金用濕型砂中加入煤粉，可以防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷，并能改善鑄件的表面光潔程度。濕型鑄鐵件所用型砂中煤粉的含量常在38（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)，根據(jù)鑄件大小和厚薄而異。 煤粉的代用材料，包括固體瀝青或其乳化液，渣油或煤焦油或其乳合液，膨潤土與瀝青或其他石油衍生物的混合粉末或漿液，固態(tài)或水中分散的合成聚合物和淀粉等。鑄鐵面砂中淀粉含量（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計）一般為0.5左右，鑄鋼面砂在0.51.0左右。3 濕型砂性能要求及檢測方法 高質(zhì)量型砂應(yīng)當(dāng)具有為鑄造出高質(zhì)量鑄件所必備的各種性能。根據(jù)鑄件合金的種類，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、金屬液壓頭、砂型緊實方法、緊實比壓、起模方法、澆注系統(tǒng)的形狀、位置和出氣孔情況，以及砂型表面風(fēng)干情況等的不同，對濕型砂性能提出不同的要求。最主要的，即直接影響鑄件質(zhì)量和造型工藝的濕型性能有水分、透氣性、強(qiáng)度、緊實率、變形量、破碎指數(shù)、流動性、含泥量、有效粘土含量、顆粒組成、緬化物、砂溫、發(fā)氣性、有效煤粉含量、灼燒減量、抗夾砂性、抗粘砂性等。3.1 水分、最適宜濕程度和緊實率 為了得到所需要的濕態(tài)強(qiáng)度和韌性，粘土砂必須含有適量水分，太干或太濕均不適于造型，也難鑄造出合格鑄件。因此，型砂的干濕程度必須保持在一個適宜的范圍內(nèi)。判斷型砂干濕程度有以下幾種方法： （l）水分也叫含水量或濕度 它是表示型砂中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，這是一般工廠中確定型砂干濕程度最常用的傳統(tǒng)方法。測定的原理是稱取定量的型砂，放入105110烘干裝置中使之干燥，由烘干前后的質(zhì)量差異計算出型砂的水分。 （2）手捏感覺 有實際操作的混砂或造型工人常根據(jù)用手捏型砂時砂是否容易成團(tuán)和是否沾手來判斷型砂的干濕程度，還根據(jù)捏緊動作中砂是否柔軟和變形情況來判斷型砂的可塑性；根據(jù)手指掐碎砂團(tuán)時用力大小來判斷型砂的強(qiáng)度是否合適。 （3）緊實率 是指濕型砂用 1MPa的壓力壓實或者在鼓擊式制作機(jī)上打擊三次，其試樣體積在緊實前后的變化百分率，用試樣緊實前后高度變化的百分?jǐn)?shù)來表示，見圖1，即緊實率=（筒高一緊實距離）筒高100%。手工和機(jī)器造型用型砂最適干濕狀態(tài)下的緊實率接近50；高壓造型和氣沖造型時為3545；擠壓造型時為3540；不管型砂中有效膨潤上、煤粉和灰分的含量有多少，只要將緊實率控制在上述范圍內(nèi)，手捏感覺的干濕程度就處于最適宜狀態(tài)。這時型砂的水分可稱為最適宜水分。圖1 緊實率測定法示意圖a)填滿型砂b)刮去多余型砂c)緊實3.2 透氣性 緊實的型砂能讓氣體通過而逸出的能力稱為透氣性。 透氣性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘結(jié)劑種類、加入量和混砂時粘結(jié)劑在砂粒上的分布狀況以及型砂緊實度的影響。對于濕型的單一砂和面砂而言，透氣性不但要有下限，而且必須嚴(yán)格規(guī)定其上限。圖2為透氣性測定儀原理圖，它是測出氣鐘內(nèi)的空氣在壓力下通過試樣的時間來計算透氣性k。圖2透氣性測定儀示意圖1 一氣鐘 2一木簡 3一三通閥 4一試樣座 5一試樣筒 6一標(biāo)準(zhǔn)試樣 7一微壓表 8一阻流孔3.3 濕態(tài)強(qiáng)度 型砂必須具備一定的強(qiáng)度以承受各種外力的作用。型砂的強(qiáng)度用型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣在外力作用下遭到破壞時的應(yīng)力值來表示。常用計量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa)。濕型鑄造時，往往主要檢查型砂石的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度，有的也測濕態(tài)抗剪強(qiáng)度和濕態(tài)抗拉強(qiáng)度。對普通機(jī)器造型用濕型砂，通?？刂茲駢簭?qiáng)度為0.060.12MPa之間，高密度造型用濕型砂，濕壓強(qiáng)度?？刂圃?.090.20MPa。 在生產(chǎn)中常采用表面硬度計測定硬度，以此反映型砂緊實的質(zhì)量，反映鑄型表面強(qiáng)度。3.4 流動性 型砂在外力或自重作用下，沿模樣和砂粒之間相對移動的能力稱為流動性。流動性好的型砂可形成緊實度均勻、無局部疏松、輪廓清晰、表面光潔的型腔，這有助于防止機(jī)械粘砂，獲得光潔的鑄件。此外，還能減輕造型緊實砂的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和便于實現(xiàn)造型、造芯過程的機(jī)械化。目前測流動性的方法還未統(tǒng)一，較多采用以下幾種方方法來判定型砂流動性：用濕型硬度計測定標(biāo)準(zhǔn)試樣兩個端面硬度值的差別，硬度差別越小，指明型砂的流動性越好；在標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣簡中放置一塊高25mm的半圓形金屬塊，測定階梯試樣兩平面的硬度差值；測定在底側(cè)有環(huán)形空腔型砂試樣筒中沖擊成的試樣的高度；側(cè)孔法：測定在沖擊型砂試樣時圓柱形試樣簡側(cè)面 12mm 小孔中擠出的型砂的質(zhì)量。試樣質(zhì)量法：即對比測定緊實率后的試樣質(zhì)量，容積密度愈大，則流動性好。3.5 起模性、變形量、韌性和破碎指數(shù) 型砂的起模性是表示起模時模樣或模板與砂型分離是否容易損壞，是否產(chǎn)生掉落的性能。 型砂的變形量通常是在用強(qiáng)度試驗機(jī)測定型砂抗壓強(qiáng)度的同時，用一個百分表測出試樣破碎前的變形量（高度減小量）。由此也可計算出型砂韌性，即將型砂濕壓強(qiáng)度(MPa)承變形量(cm)再乘1000的乘機(jī)來表示韌性(MPa.cm). 對濕型砂而言，有人認(rèn)為韌性也可用破碎指數(shù)來代表，即測定在沖擊條件下型砂的韌性。圖3為用落球法測定破碎指數(shù)示意圖。濕型砂標(biāo)準(zhǔn)抗壓試樣放在鐵砧上受到一個自 lm高度自由落下的50mm、510g鋼球的沖擊，破碎的型砂，碎的通過網(wǎng)眼為12.7mm（0.5in）的篩網(wǎng)，留在篩網(wǎng)上的大塊型砂的質(zhì)量占試樣原質(zhì)量的比值即為破碎指數(shù)。通常震壓造型的破碎指數(shù)控制在6875，高壓造型型砂的破碎指數(shù)要求在68左右。圖3 落球法測定破碎指數(shù)示意圖3.6 發(fā)氣量和有效煤粉含量 為了檢查鑄鐵件用濕型砂的抗機(jī)械粘砂能力和推算出型砂中有效煤粉含量，我國普遍采用的是測定型砂發(fā)氣性的辦法。發(fā)氣性（發(fā)氣量）測定大都是讓待測定量樣品在密閉體系中加熱氣化，或測定所產(chǎn)生氣體的容積（用單位質(zhì)量析出的氣體體積表示，cmg）；或測定氣體的壓力（容積恒定，發(fā)氣量大，壓力大）；或稱量殘留物的質(zhì)量（灼燒堿量），以確定發(fā)氣量。4 濕型砂制備 在擬定型砂的配方之前，必須首先根據(jù)澆注合金種類、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍。然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比和各項材料燒棉比例等因素擬定型砂的配方一個車間的型砂性能指標(biāo)和配方要經(jīng)長期生產(chǎn)考驗才能確定。4.1 濕型砂的性能和配方特點 表2是一些工廠用型砂性能的實例。表2 鑄鐵件濕型砂典型性能造型方法 水分(%) 濕壓強(qiáng)度(kPa)熱濕強(qiáng)度(kPa)緊實率(%)透氣性 有效粘土(%)揮發(fā)分(%) 灼減(%) 泥分(%) AFS細(xì)度 震壓造型 34 70100 4552 80100 505.5 2.5 7.07.5 _ 約55高壓造型 2.53.2 150200 _ 3840 80100 6.010.0 2.0 6.0 9.015.0 約55氣沖造型4.3 266.0 2.6 30.5 89 8.6 1.7 6.8 15.5 54 4.4 231 3.0 32 110 9.1 1.3 5.2 15.1 62 4.1 231 3.0 32 110 9.1 1.3 5.2 15.1 62 2.9 243.0 2.8 36.0 78 8.4 o.9 1.3 8.9 63 3.6 196.5 1.35 27.6 164 6.4 1.5 4.7 12.7 61 4.2 舊砂的特性及其處理 生產(chǎn)1t濕型鑄件約需要510t型砂，在實際生產(chǎn)中，配制型砂時都盡量回用舊砂（即重復(fù)使用過的型砂）、這不僅是經(jīng)濟(jì)上的需要，而且也是保護(hù)環(huán)境、防止公害的需要。圖4為鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過程的示意圖?？梢钥闯?，混砂時還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。 鑄件打箱后，砂中常有鐵塊、鐵豆和砂塊等雜物，因而舊砂要經(jīng)過多次磁選、破碎團(tuán)塊及過篩去除雜物。還應(yīng)該經(jīng)過除塵處理，降低舊砂中的粉塵含量，然后回用。另外，還要采取一系列措施以降低舊砂溫度。圖4鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過程示意圖4.3 濕型砂的混制工藝 生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式、擺輪式、葉片式等。有些大量生產(chǎn)的鑄造工廠使用的雙碾盤碾輪式混砂機(jī)，是一種高生產(chǎn)率的連續(xù)式混砂機(jī)。常用的加料順序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分。對濕型砂而言，混砂時嚴(yán)格控制加水量是必要的。