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      粘土湿型砂及其控制要点(一)
      发布者:admin  点击:673

      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,也是应用范围广的工艺方法,说其历史悠久,可追溯到几千年以前;论其应用范围,则可说世界各地无一处不用。

      值得注意的是,在各种化学粘结砂蓬勃发展,粘土湿型砂仍是重要的造型材料,其使用范围之广,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,美国生产的钢铁铸件中,用粘土湿型砂制造的占80%以上;日本的钢铁铸件中,用粘土湿型砂制造的占73%以上。

      适应各种造型条件的能力极强,也是粘土湿型砂的一大特点。从人类进入青铜时代起,长期用于手工造型,生产了无数精美绝伦的产品。1890年震压式造型机问世以后,用于机械造型也极为成功,并为此后造型作业的机械化、自动化奠定了基础。近代的高压造型、射压造型、气冲造型、静压造型及无震击真空加压造型等新工艺,也都是以粘土湿型砂为基础的。

      各种新工艺的实施,使粘土湿型砂在铸造生产中的地位更加重要,也使粘土湿型砂不断面临许多新的问题,促使我们对粘土湿型砂的研究不断加强、认识不断深化。

      现今,随着科学技术的迅速发展,各产业部门对铸件的需求不断增长,同时,对铸件质量的要求也越来越高。现代的铸造厂,造型设备的生产率已提高到前所未有的水平,如果不能使型砂的性能充分适应具体生产条件,或不能有效地控制其稳定、一致,则不用多久就可将铸造厂埋葬于废品之中。

      目前,采用粘土湿型砂的铸造厂一般都备有适合其具体条件的砂处理系统,其中包括:回收砂的处理、新砂及辅助材料的加入、型砂的混制和型砂性能的监控。

      粘土湿砂系统中,有许多不断改变的因素。如某一种或几种关键性能不能保持在控制范围之内,生产中就可能出现问题。

      由于各铸造厂砂处理系统的安排不同,选用的设备也不一样,要想拟定一套通用的控制办法是做不到的。这里,将扼要谈到粘土湿型砂的特性及一些目前已被广泛认同的控制要点。在理解这些要点基础上,可根据企业自己的具体条件确定可行的控制办法。而且,还要随着技术的进步和工厂实际能力(包括人员和资金)的增强,不断改进型砂系统。

      一、粘土湿型砂的特性

      通常都说粘土湿型砂的粘结剂是粘土,实际上这种提法是不太确切的,单用粘土,不能粘结砂粒、使型砂具有强度,粘土湿型砂中的粘结剂是粘土和水按一定比例配合组成的,水是粘结剂中的重要组成部分,只不过水太平常了,所以往往未得到足够的重视。

      1、土-水比

      如果按活性粘土和水各自在型砂中所占的份额,将活性粘土和水按比例单独混合,得到的是粘稠的膏状体,类似于为制作饺子所和的面团。按土质学方面对粘土-水系统的稠度划分原则,粘土湿型砂中的土-水混合物属于“半固态”范围,实际上型砂中将砂粒粘结起来是这种膏状体,我们将其称之为“粘土膏”。

      目前,粘土湿型砂中所用的粘土都是膨润土,水和膨润土混成的粘土膏,大体上是在土-水比为3:1左右时强度高。采用高压造型工艺时,为得到高强度的铸型,型砂中所含的活性膨润土和水分的质量分数之比,大体都在3:1左右。在这种条件下,型砂的可紧实性也适合高压造型的要求(约在35~45之间)。

      粘土膏的水分增多,其粘度随之降低,强度也相应下降。采用震压式造型机造型时,使型砂流动并将其紧实所需的能量比高压造型小得多,型砂的强度就应该低一些。因为型砂的强度越高,其抵抗变形的能力越强,造型设备提供的能量不足,就难以使铸型具有必要的紧实程度。为适合这种条件,型砂中的土-水比就应该高一些,一般以控制在3:2左右为合适。

      2、粘土湿型砂的砂粒结构

      砂粒之间的粘结,是靠粘土膏实现的。理想的情况是:水和粘土混合得很好,成为均匀的粘土膏,粘土膏又均匀地涂布在每一砂粒的表面上,砂粒之间由其表面的粘土膏彼此相连而形成的粘结桥粘结起来,如图1所示,其间的空隙可使型砂具有必要的透气性。


      要将粘土和水混成均匀的膏体是很不容易的。泥塑艺术家和制陶器的技师混制膏体时,要先将其混匀,再放置一段时间使之熟化,然后还要揉搓、摔打。粘土湿型砂中的粘土膏,质量要求当然没有这样严格,但要使膨润土充分吸水、调混均匀并均匀涂布在每个砂粒表面上也是非常困难的。

      在生产条件下,混砂的时间是非常有限的,不仅不可能使粘土和水调配均匀,其在砂粒表面的涂布状态也与图1所示的也相距甚远。完全用新砂配制粘土湿型砂,混成砂的实际砂粒结构示意图见图2。反复使用的系统砂,涂土膏在砂粒表面分布的情况要好一些。


      图2      用新砂配制的粘土湿型砂砂粒结构示意图

      3、粘土湿型砂的混砂效率

      有鉴于在生产条件下粘土湿型砂中的粘土和水不可能充分混合,美国的C. E. Wenniger提出了“混砂效率”的概念。粘土湿型砂的混砂效率是指:型砂中实际上起粘结作用的膨润土量与其中的活性膨润土含量之比,即


      这里有两个术语需要特别说明一下:

      “活性膨润土”是型砂中所含的具备活性、能吸水膨胀而起粘结作用的膨润土,也就是可以用吸蓝法测定其含量的膨润土?;钚耘蛉笸粒╝ctive clay),曾有人将其译为“有效膨润土”,而且在全国广为采用,这是很不妥当的。因为活性膨润土是能起粘结作用的,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。

      “有效膨润土”(effective clay)则是在型砂中发生了有效粘结作用而使型砂具有强度的膨润土。

      由于粘土膏属半固态性质,粘度很高,难以混匀,用于混制粘土湿型砂的混砂机,所需的功率比供砂能力相同的树脂砂混砂机大得多,混砂所需的时间也更长。即使如此,型砂中的粘土和水仍不能充分混匀,用当前高水平的混砂设备,混砂效率也不过是60~70%。

      另一方面,从要求型砂适于造型的可紧实性看来,也不应该让所有的活性粘土都充分吸水并混合均匀。例如,高压造型一般要求型砂的可紧实性数值为35~45,在这种条件下,混砂效率大约仅略高于60%。如果充分加水,并加以长时间的混制,使混砂效率提高到80%以上,型砂的可紧实性就会远高于60,根本就不能使用,更不用说让型砂中的活性粘土全部都起作用了。

      还要特别指出的是:如果型砂中的活性粘土全部都起作用,都充分吸水了,造好的砂型浇注时,金属/砂型界面处的水向内部迁移,形成水分凝聚层时,由于此处粘土已经充分吸水,不能再吸收水分,水分凝聚层的强度将会非常之低,铸件上就极易于产生膨胀缺陷。所以,从这方面看来,追求过高的混砂效率也是不可取的,一切事物都是有两面性的。

      在正常的混砂条件下,粘土湿型砂的强度决定于其中粘土膏的多少和粘土膏的粘度,所以,强度、活性膨润土含量和水分之间是有相依关系的。此外,在型砂强度一定的条件下,其可紧实性越高,则其中有效膨润土的含量也越高,三者之间也有相依关系。在这种认识的基础上,由众多的实验数据,得到了图3所示的线图。利用图3,可由型砂的湿抗压强度和水分的测定值,得知其中的活性膨润土含量。但是,活性膨润土含量必须以吸蓝法的测定值为依据,由图3查得的值应经常与之对比,作为日常测定性能时的参考。同样也可以根据湿抗压强度和可紧实性的测定值,查出型砂中有效膨润土含量,并由此计算出型砂的混砂效率。


      例如,某铸造厂粘土湿型砂的湿抗压强度为178 kPa,可紧实性为42%,水分为3.5%。从纵坐标上湿抗压强度为178 kPa一点画水平直线,由此直线上水分为3.5的一点,可知型砂中的活性膨润土含量约为7.5%。

      再由此水平直线与代表可紧实性的一组斜线的交点,即可求得型砂的有效膨润土含量为4.4%。


       随着高压造型技术和各种造型设备的发展,粘土湿型砂砂处理工艺和设备也在不断改善。由于回收砂的性状对型砂质量的影响很大,很多技术开发的着眼点都在于改善回收砂的处理,主要几点是:

      ·落砂以后,尽可能早地给回收砂加水,使已干燥的膨润土有时间充分吸水;

      ·加强回收砂的冷却,使其中的水分稳定;

      ·增加预混工序,使水和粘土混配更为均匀。

      4、造型性能

      前面已经提到,粘土湿型砂的一大特点就是能适应各种造型条件,但是,也应同时看到,由于起粘结作用的粘土膏的粘度很高,造型时未经紧实的型砂就具有相当高的强度,流动性很差,因而,造型性能不好,紧实铸型所需的能量很大,造型机的功率一般都相当高,如欲制得高紧实度铸型,造型设备不得不庞大而笨重。

      在改善粘土湿型砂造型方面的一项重要发展,就是在向砂箱中填砂之前,先用气流将型砂流态化,使其流动性大幅度改善。日本新东公司采用此项技术后,使造型机的尺寸缩小,设备重量大幅度减轻,造型的能耗较用传统机型平均减少60%。

      不难设想,在改善型砂造型性能方面仍有宽广的发展空间。


      下一页:粘土湿型砂及其控制要点(二)

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