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(shuō)其歷史悠久，可追溯到幾千年以前；論其應(yīng)用范圍，則可說(shuō)世界各地?zé)o一處不用。

值得注意的是，在各種化學(xué)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(bào)道，美國(guó)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(qiáng)，也是粘土濕型砂的一大特點(diǎn)。從人類進(jìn)入青銅時(shí)代起，長(zhǎng)期用于手工造型，生產(chǎn)了無(wú)數(shù)精美絕倫的產(chǎn)品。1890年震壓式造型機(jī)問(wèn)世以后，用于機(jī)械造型也極為成功，并為此后造型作業(yè)的機(jī)械化、自動(dòng)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(wú)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(shí)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(wèn)題，促使我們對(duì)粘土濕型砂的研究不斷加強(qiáng)、認(rèn)識(shí)不斷深化。

現(xiàn)今，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，各產(chǎn)業(yè)部門對(duì)鑄件的需求不斷增長(zhǎng)，同時(shí)，對(duì)鑄件質(zhì)量的要求也越來(lái)越高?，F(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(wèn)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(rèn)同的控制要點(diǎn)。在理解這些要點(diǎn)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(jìn)步和工廠實(shí)際能力（包括人員和資金）的增強(qiáng)，不斷改進(jìn)型砂系統(tǒng)。

一、粘土濕型砂的特性

通常都說(shuō)粘土濕型砂的粘結(jié)劑是粘土，實(shí)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(qiáng)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(guò)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(dú)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(tuán)。按土質(zhì)學(xué)方面對(duì)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(shí)際上型砂中將砂粒粘結(jié)起來(lái)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(rùn)土，水和膨潤(rùn)土混成的粘土膏，大體上是在土-水比為3：1左右時(shí)強(qiáng)度高。采用高壓造型工藝時(shí)，為得到高強(qiáng)度的鑄型，型砂中所含的活性膨潤(rùn)土和水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，大體都在3：1左右。在這種條件下，型砂的可緊實(shí)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(qiáng)度也相應(yīng)下降。采用震壓式造型機(jī)造型時(shí)，使型砂流動(dòng)并將其緊實(shí)所需的能量比高壓造型小得多，型砂的強(qiáng)度就應(yīng)該低一些。因?yàn)樾蜕暗膹?qiáng)度越高，其抵抗變形的能力越強(qiáng)，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(shí)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(shí)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(lái)，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(shí)，要先將其混勻，再放置一段時(shí)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(dāng)然沒(méi)有這樣嚴(yán)格，但要使膨潤(rùn)土充分吸水、調(diào)混均勻并均勻涂布在每個(gè)砂粒表面上也是非常困難的。

在生產(chǎn)條件下，混砂的時(shí)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(yuǎn)。完全用新砂配制粘土濕型砂，混成砂的實(shí)際砂粒結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)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(guó)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(shí)際上起粘結(jié)作用的膨潤(rùn)土量與其中的活性膨潤(rùn)土含量之比，即

這里有兩個(gè)術(shù)語(yǔ)需要特別說(shuō)明一下：

“活性膨潤(rùn)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(rùn)土，也就是可以用吸藍(lán)法測(cè)定其含量的膨潤(rùn)土?；钚耘驖?rùn)土（active clay），曾有人將其譯為“有效膨潤(rùn)土”，而且在全國(guó)廣為采用，這是很不妥當(dāng)?shù)?。因?yàn)榛钚耘驖?rùn)土是能起粘結(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(rùn)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(qiáng)度的膨潤(rùn)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(jī)，所需的功率比供砂能力相同的樹(shù)脂砂混砂機(jī)大得多，混砂所需的時(shí)間也更長(zhǎng)。即使如此，型砂中的粘土和水仍不能充分混勻，用當(dāng)前高水平的混砂設(shè)備，混砂效率也不過(guò)是60~70%。

另一方面，從要求型砂適于造型的可緊實(shí)性看來(lái)，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(shí)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(zhǎng)時(shí)間的混制，使混砂效率提高到80%以上，型砂的可緊實(shí)性就會(huì)遠(yuǎn)高于60，根本就不能使用，更不用說(shuō)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(shí)，金屬/砂型界面處的水向內(nèi)部遷移，形成水分凝聚層時(shí)，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(qiáng)度將會(huì)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(lái)，追求過(guò)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(qiáng)度決定于其中粘土膏的多少和粘土膏的粘度，所以，強(qiáng)度、活性膨潤(rùn)土含量和水分之間是有相依關(guān)系的。此外，在型砂強(qiáng)度一定的條件下，其可緊實(shí)性越高，則其中有效膨潤(rùn)土的含量也越高，三者之間也有相依關(guān)系。在這種認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，由眾多的實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度和水分的測(cè)定值，得知其中的活性膨潤(rùn)土含量。但是，活性膨潤(rùn)土含量必須以吸藍(lán)法的測(cè)定值為依據(jù)，由圖3查得的值應(yīng)經(jīng)常與之對(duì)比，作為日常測(cè)定性能時(shí)的參考。同樣也可以根據(jù)濕抗壓強(qiáng)度和可緊實(shí)性的測(cè)定值，查出型砂中有效膨潤(rùn)土含量，并由此計(jì)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(qiáng)度為178 kPa，可緊實(shí)性為42%，水分為3.5%。從縱坐標(biāo)上濕抗壓強(qiáng)度為178 kPa一點(diǎn)畫水平直線，由此直線上水分為3.5的一點(diǎn)，可知型砂中的活性膨潤(rùn)土含量約為7.5%。

再由此水平直線與代表可緊實(shí)性的一組斜線的交點(diǎn)，即可求得型砂的有效膨潤(rùn)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(duì)型砂質(zhì)量的影響很大，很多技術(shù)開(kāi)發(fā)的著眼點(diǎn)都在于改善回收砂的處理，主要幾點(diǎn)是：

·落砂以后，盡可能早地給回收砂加水，使已干燥的膨潤(rùn)土有時(shí)間充分吸水；

·加強(qiáng)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(diǎn)就是能適應(yīng)各種造型條件，但是，也應(yīng)同時(shí)看到，由于起粘結(jié)作用的粘土膏的粘度很高，造型時(shí)未經(jīng)緊實(shí)的型砂就具有相當(dāng)高的強(qiáng)度，流動(dòng)性很差，因而，造型性能不好，緊實(shí)鑄型所需的能量很大，造型機(jī)的功率一般都相當(dāng)高，如欲制得高緊實(shí)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(xiàng)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(dòng)性大幅度改善。日本新東公司采用此項(xiàng)技術(shù)后，使造型機(jī)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(jī)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。