二、粘土濕型砂的組成

一般認(rèn)為，粘土濕型砂是由原砂、膨潤(rùn)土、其他附加材料(如煤粉、淀粉之類)和水組成的。

對(duì)于完全用新砂配制的型砂，情況是這樣的。但是，在生產(chǎn)條件下，完全用新砂配制粘土濕型砂的情況是極為罕見(jiàn)的，粘土濕型砂的重要特點(diǎn)之一就是可反復(fù)使用。型砂經(jīng)造型、澆注、冷卻、落砂、磁選、篩分、冷卻等復(fù)雜的工藝過(guò)程之后，再由混砂機(jī)混制。每一鑄造廠，型砂都在其特定的系統(tǒng)中循環(huán)使用?；焐皶r(shí)補(bǔ)加新砂、膨潤(rùn)土、附加物和水，是為了彌補(bǔ)工藝過(guò)程中的損耗，以保持系統(tǒng)中的砂量不變。

在反復(fù)使用的條件下，由于型砂經(jīng)受多次機(jī)械作用和熱作用，不僅有部分膨潤(rùn)土變成死粘土、部分煤粉焦化，砂粒的結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生重大的變化。

因此，鑄造廠現(xiàn)場(chǎng)使用的粘土濕型砂一般都不是簡(jiǎn)單的混合物，其組成是相當(dāng)復(fù)雜的。

不同的鑄造廠，即使用相同的原材料、相同的型砂配比，其型砂的實(shí)際組成卻可能很不相同，鑄件質(zhì)量也因而會(huì)有很大的差別。

1、型砂在使用過(guò)程中的變化

鑄型澆注以后，各處型砂受熱的條件不同，砂粒表面的狀況也會(huì)有很大的差別。

靠近鑄件的砂粒受高溫的作用，表面上由粘土膏形成的粘結(jié)膜會(huì)完全脫水而成為死粘土，而且還會(huì)與其他附加物殘留的灰分、附近因受熱作用而破碎的砂粒、鑄件表面上被氧化而生成的FeO等多種物質(zhì)燒結(jié)在一起，其性質(zhì)完全不同于澆注前的狀態(tài)，所以稱之為“變質(zhì)燒結(jié)層”。在以后的砂處理過(guò)程中，這些砂粒上的變質(zhì)燒結(jié)層受到各種機(jī)械作用，一部分會(huì)磨掉，一部分會(huì)脫落，但總有相當(dāng)?shù)囊徊糠峙c砂粒表面燒結(jié)得比較牢固而殘留下來(lái)。當(dāng)然，這樣的砂粒量不很多，而且會(huì)分散到其他未受熱影響的砂粒之中。

離鑄件較遠(yuǎn)的砂粒受影響不大。煤粉不會(huì)焦化，其他附加物不會(huì)被燒蝕，只是粘土膏中的水會(huì)部分蒸發(fā)，這部分型砂經(jīng)冷卻、加水后可以恢復(fù)原先的狀態(tài)，但脫水的粘土膏吸水恢復(fù)狀態(tài)需相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，不是一加水馬上就能實(shí)現(xiàn)的。

處于上述兩種條件之間的型砂，砂粒表面的粘土膏脫水程度較高，還會(huì)有部分膨潤(rùn)土因脫除了結(jié)晶水而成為死粘土，也會(huì)有少量煤粉因脫除揮發(fā)分而焦化。其中的死粘土當(dāng)然不能再具有粘結(jié)能力，仍具備活性的粘土因脫水程度高，吸水恢復(fù)粘結(jié)能力也更為困難。

以循環(huán)使用的系統(tǒng)砂為基礎(chǔ)，補(bǔ)加煤粉和其他附加物，按常規(guī)的砂處理系統(tǒng)的作業(yè)程序混砂，砂粒表面會(huì)有變質(zhì)燒結(jié)層，變質(zhì)燒結(jié)層外面是粘土膏，粘土膏在砂粒表面上涂布的情況比全部用新砂配制的均勻一些。補(bǔ)加的煤粉和其他附加物大部分都進(jìn)入粘土膏中，但由于混砂時(shí)間太短，也仍然有少量游離存在，有代表性的砂粒結(jié)構(gòu)如圖4所示。

變質(zhì)燒結(jié)層是型砂中的易熔組分，大約在1100℃左右即可開(kāi)始燒結(jié)，是由含鐵、鋁的復(fù)合硅酸鹽和灰分、硅砂碎屑等構(gòu)成的。厚度適當(dāng)?shù)淖冑|(zhì)燒結(jié)層能改善砂粒的形貌，且能減輕因硅砂相變膨脹而造成的鑄件缺陷，是有益的。在正常的情況下，以舊砂為主配制的型砂，性能及使用效果都優(yōu)于全用新砂配制的型砂。但是，如變質(zhì)燒結(jié)層太厚，就會(huì)導(dǎo)致鑄件表面粗糙或粘砂。

2、粘土濕型砂的組成

為了在生產(chǎn)條件下控制型砂的組成，F(xiàn). Hofmann  1970年提出了“型砂組成控制綱要”(silica program)。1975年前后，歐洲和美國(guó)就有500家以上的鑄造廠據(jù)以檢查型砂的組成?，F(xiàn)在，該技術(shù)已逐步完善，在美國(guó)、歐洲和日本都頗受重視。按“型砂組成控制綱要”，粘土濕型砂中，除水分以外，主要有以下5種組分。

(1)活性粘土

型砂中能吸水膨脹而起粘結(jié)作用的膨潤(rùn)土，可用吸藍(lán)法測(cè)定其含量。

(2)含碳材料

含碳材料(如煤粉、重油、瀝青、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等)是鑄鐵型砂中的重要組分。鑄鋼用的型砂，雖不加煤粉，但也需加入谷物粉或淀粉之類，這些也都是含碳材料。

(3)易熔組分

易熔組分包括砂粒表面上的變質(zhì)燒結(jié)層和粒度小于0.053mm的細(xì)粉(270目以下)。型砂中，上述細(xì)粉的來(lái)源如下：

    ·膨潤(rùn)土在高溫下(600"C以上)失去結(jié)晶水而成的死粘土：

    ·金屬鑄型界面上形成的FeO、MnO和硅砂反應(yīng)生成的硅酸鹽細(xì)粉：

    ·硅砂在563℃相變膨脹時(shí)碎裂形成的細(xì)粉；

    ·硅砂因機(jī)械作用破碎形成的細(xì)粉；

    ·硅砂中所含的長(zhǎng)石及其他雜質(zhì)形成的細(xì)粉。

(4)金屬細(xì)粒

(5)砂粒

在上述5組分的基礎(chǔ)上，規(guī)定了一項(xiàng)評(píng)估型砂質(zhì)量的指標(biāo)，即型砂的潔凈因素，其定義如下：

3、生產(chǎn)中所用型砂的實(shí)際組成及其與鑄件質(zhì)量的關(guān)系

美國(guó)一些鑄造廠所用的粘土濕型砂的組成及簡(jiǎn)要說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1    美國(guó)一些鑄造廠所用的粘土濕型砂及相關(guān)的鑄件質(zhì)量情況

日本一些鑄造廠所用的粘土濕型砂的組成見(jiàn)表2，其鑄件產(chǎn)品質(zhì)量的情況未見(jiàn)報(bào)道。

表1中，鑄造廠8和9，型砂中砂粒含量分別為52.9%和47.2%，易熔組分的含量分別為21.0%和31.0%，鑄件表面都有粘砂缺陷，鑄造廠9則尤為嚴(yán)重。鑄造廠7所用型砂，砂粒含量68%，易熔組分14.2%，雖無(wú)粘砂缺陷，但鑄件表面比較粗糙。鑄造廠4，型砂中易熔組分含量13.2%，砂粒含量也只有70%，由于該廠生產(chǎn)小型鑄件，故鑄件表面品質(zhì)仍屬較好。

目前，生產(chǎn)灰鑄鐵件、可鍛鑄鐵件或球墨鑄鐵件的鑄造廠，型砂中砂粒含量多在70%到85%之間；易熔組分含量多在5%到15%之間。各工廠的具體控制目標(biāo)，可在多次測(cè)定的基礎(chǔ)上按具體情況確定。

型砂中含砂粒85%以上者，只適用于制造鑄鋼件。對(duì)于制造鑄鐵件并不合適，尤不適于用機(jī)器造型。

用于制造鑄鐵件的型砂，以保持潔凈因素在83~93%之間為好。鑄鋼件用的型砂則應(yīng)在90%以上。

4、粘土濕型砂各組分的測(cè)定方法

上述型砂中的5種組成，可用以下方法測(cè)定。

（1）活性膨潤(rùn)土含量

先取工廠所用的原砂和膨潤(rùn)土樣品，于110℃烘干一小時(shí)后，以不同的配比配成試樣，測(cè)定各試樣的吸藍(lán)量數(shù)值，然后繪制反映膨潤(rùn)土含量與吸藍(lán)量之間的關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線。一般用6組試樣，見(jiàn)表3。

用蒸餾水制備兩種試劑：  

    a．含1%焦磷酸鈉的水溶液；(焦磷酸鈉的規(guī)格為化學(xué)純)

    b．含0.2%亞甲基藍(lán)的水溶液；(亞甲基藍(lán)的規(guī)格為分析純)

將試樣置三角燒瓶中，加蒸餾水50ml，再加焦磷酸鈉溶液20ml，搖勻后置墊有石棉網(wǎng)的電爐上加熱，煮沸5min后取下，冷卻到室溫。

用亞甲基藍(lán)溶液滴定：向裝有試樣的三角燒瓶中，先加入亞甲基藍(lán)溶液預(yù)期用量的2/3左右，搖勻，用玻璃棒站一滴點(diǎn)在濾紙上，如深色圓點(diǎn)之外未現(xiàn)藍(lán)綠色暈環(huán)，則再加亞甲基藍(lán)溶液1ml搖勻。重復(fù)操作，直到滴在濾紙上的圓點(diǎn)邊緣出現(xiàn)暈環(huán)。記錄耗用的溶液總量(ml)，即吸藍(lán)量。

所有的試樣均按此測(cè)定吸藍(lán)量，畫(huà)出標(biāo)準(zhǔn)曲線。

測(cè)定型砂中活性膨潤(rùn)土含量時(shí)，取砂樣置110℃下烘干1小時(shí)。稱砂樣5.00g，按前述方法測(cè)定吸藍(lán)量。

根據(jù)測(cè)定的吸藍(lán)量，對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)曲線，即可求出活性膨潤(rùn)土含量。

 (2)含碳材料

先測(cè)定型砂的灼燒減量(LOI)，再減去其中活性膨潤(rùn)土中的結(jié)晶水量，即是型砂中含碳材料的總量。

如果原砂的灼燒減量在1.0%以上，就應(yīng)該在上述試驗(yàn)結(jié)果中再核減原砂的灼減量。一般情況下，這一項(xiàng)可不考慮。

測(cè)定型砂的灼燒減量時(shí)，取砂樣在110℃下烘干1小時(shí)。然后，稱砂樣50g，放在由φ100的石英玻璃皿中，在980℃下保持1.5小時(shí)，冷卻后稱重，算出灼燒減量。

活性膨潤(rùn)土中的結(jié)晶水，大致可按每1%的活性膨潤(rùn)土為0.09%計(jì)。例如，型砂中活性膨潤(rùn)土為8%時(shí)，應(yīng)減去的晶格水量為0.09×8%，即0.72%

從測(cè)定的灼燒減量（%）中，減去0.72%，即是含碳材料的含量。

(3)金屬細(xì)粒

測(cè)定金屬細(xì)粒含量時(shí)，取經(jīng)烘干的型砂樣50g，按常規(guī)方法測(cè)定含泥量。

保留測(cè)含泥量剩下的砂樣，烘干。冷卻后用270目篩分離細(xì)粉，篩分時(shí)間l0min。

分離細(xì)粉后的砂樣，再在980℃燒1～1.5小時(shí)，以去除焦化成顆粒的煤粉。

剩下的砂樣稱重，記錄。然后用下述兩方法之一測(cè)定金屬細(xì)粒。

其一，將砂樣分散平鋪在光滑的紙上，用強(qiáng)磁鐵自下方吸引，使其與砂樣分離，分離后稱重，即可求出金屬細(xì)粒含量。

其二，將砂樣置600ml的燒杯中，加蒸餾水100ml，再加濃鹽酸100ml。然后用表面皿蓋上燒杯，在通風(fēng)罩下加熱，使燒杯內(nèi)液體接近沸騰但不可沸騰，保持1.5～2小時(shí)。略微冷卻后，加水沖淡、清洗，但注意別沖走砂粒。洗凈后，烘干，稱重，按酸煮前后的重量差，即可求出金屬細(xì)粒含量。

 (4)砂粒

分離金屬細(xì)粒后的砂樣中，只剩下砂粒和變質(zhì)燒結(jié)層。用磷酸洗去變質(zhì)燒結(jié)層，就是砂粒。

從砂樣中取出10.00g，裝在燒杯中，加入200ml 85%的磷酸，煮沸至少1小時(shí)，直到溶液顏色不再加深，有時(shí)需幾小時(shí)。

變質(zhì)燒結(jié)層完全溶蝕后，冷卻15min，倒出大部分酸液，冷卻到60℃后用熱水稀釋，加熱水時(shí)應(yīng)緩慢地順燒杯壁加入，操作者應(yīng)戴防護(hù)眼鏡。

多次稀釋并按測(cè)含泥量法吸出液體后，烘干砂樣，稱重。

按分離金屬細(xì)粒后砂樣重量，即可算出型砂中砂粒含量。

(5)易熔組分

從100%中減去以上四項(xiàng)的百分?jǐn)?shù)，即是易熔組分含量的百分?jǐn)?shù)。