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                    粘土濕型砂及其控制要點(二)

                    二、粘土濕型砂的組成

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

                    對于完全用新砂配制的型砂,情況是這樣的。但是,在生產條件下,完全用新砂配制粘土濕型砂的情況是極為罕見的,粘土濕型砂的重要特點之一就是可反復使用。型砂經造型、澆注、冷卻、落砂、磁選、篩分、冷卻等復雜的工藝過程之后,再由混砂機混制。每一鑄造廠,型砂都在其特定的系統中循環使用?;焐皶r補加新砂、膨潤土、附加物和水,是為了彌補工藝過程中的損耗,以保持系統中的砂量不變。

                    在反復使用的條件下,由于型砂經受多次機械作用和熱作用,不僅有部分膨潤土變成死粘土、部分煤粉焦化,砂粒的結構也會發生重大的變化。

                    因此,鑄造廠現場使用的粘土濕型砂一般都不是簡單的混合物,其組成是相當復雜的。

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

                    1、型砂在使用過程中的變化

                    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膜會完全脫水而成為死粘土,而且還會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等多種物質燒結在一起,其性質完全不同于澆注前的狀態,所以稱之為“變質燒結層”。在以后的砂處理過程中,這些砂粒上的變質燒結層受到各種機械作用,一部分會磨掉,一部分會脫落,但總有相當的一部分與砂粒表面燒結得比較牢固而殘留下來。當然,這樣的砂粒量不很多,而且會分散到其他未受熱影響的砂粒之中。

                    離鑄件較遠的砂粒受影響不大。煤粉不會焦化,其他附加物不會被燒蝕,只是粘土膏中的水會部分蒸發,這部分型砂經冷卻、加水后可以恢復原先的狀態,但脫水的粘土膏吸水恢復狀態需相當長的時間,不是一加水馬上就能實現的。

                    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,還會有部分膨潤土因脫除了結晶水而成為死粘土,也會有少量煤粉因脫除揮發分而焦化。其中的死粘土當然不能再具有粘結能力,仍具備活性的粘土因脫水程度高,吸水恢復粘結能力也更為困難。

                    以循環使用的系統砂為基礎,補加煤粉和其他附加物,按常規的砂處理系統的作業程序混砂,砂粒表面會有變質燒結層,變質燒結層外面是粘土膏,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。補加的煤粉和其他附加物大部分都進入粘土膏中,但由于混砂時間太短,也仍然有少量游離存在,有代表性的砂粒結構如圖4所示。


                    變質燒結層是型砂中的易熔組分,大約在1100℃左右即可開始燒結,是由含鐵、鋁的復合硅酸鹽和灰分、硅砂碎屑等構成的。厚度適當的變質燒結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于全用新砂配制的型砂。但是,如變質燒結層太厚,就會導致鑄件表面粗糙或粘砂。

                    2、粘土濕型砂的組成

                    為了在生產條件下控制型砂的組成,F. Hofmann  1970年提出了“型砂組成控制綱要”(silica program)。1975年前后,歐洲和美國就有500家以上的鑄造廠據以檢查型砂的組成?,F在,該技術已逐步完善,在美國、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作用的膨潤土,可用吸藍法測定其含量。

                    (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燒結層和粒度小于0.053mm的細粉(270目以下)。型砂中,上述細粉的來源如下:

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

                        ·金屬鑄型界面上形成的FeO、MnO和硅砂反應生成的硅酸鹽細粉:

                        ·硅砂在563℃相變膨脹時碎裂形成的細粉;

                        ·硅砂因機械作用破碎形成的細粉;

                        ·硅砂中所含的長石及其他雜質形成的細粉。

                    (4)金屬細粒

                    (5)砂粒

                    在上述5組分的基礎上,規定了一項評估型砂質量的指標,即型砂的潔凈因素,其定義如下:


                    3、生產中所用型砂的實際組成及其與鑄件質量的關系

                    美國一些鑄造廠所用的粘土濕型砂的組成及簡要說明見表1。


                    表1    美國一些鑄造廠所用的粘土濕型砂及相關的鑄件質量情況

                    日本一些鑄造廠所用的粘土濕型砂的組成見表2,其鑄件產品質量的情況未見報道。


                    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則尤為嚴重。鑄造廠7所用型砂,砂粒含量68%,易熔組分14.2%,雖無粘砂缺陷,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%,由于該廠生產小型鑄件,故鑄件表面品質仍屬較好。

                    目前,生產灰鑄鐵件、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,可在多次測定的基礎上按具體情況確定。

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

                    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在90%以上。

                    4、粘土濕型砂各組分的測定方法

                    上述型砂中的5種組成,可用以下方法測定。

                    (1)活性膨潤土含量

                    先取工廠所用的原砂和膨潤土樣品,于110℃烘干一小時后,以不同的配比配成試樣,測定各試樣的吸藍量數值,然后繪制反映膨潤土含量與吸藍量之間的關系的標準曲線。一般用6組試樣,見表3。


                    用蒸餾水制備兩種試劑:  

                        a.含1%焦磷酸鈉的水溶液;(焦磷酸鈉的規格為化學純)

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

                    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的電爐上加熱,煮沸5min后取下,冷卻到室溫。

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

                    所有的試樣均按此測定吸藍量,畫出標準曲線。

                    測定型砂中活性膨潤土含量時,取砂樣置110℃下烘干1小時。稱砂樣5.00g,按前述方法測定吸藍量。

                    根據測定的吸藍量,對照標準曲線,即可求出活性膨潤土含量。

                     (2)含碳材料

                    先測定型砂的灼燒減量(LOI),再減去其中活性膨潤土中的結晶水量,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,就應該在上述試驗結果中再核減原砂的灼減量。一般情況下,這一項可不考慮。

                    測定型砂的灼燒減量時,取砂樣在110℃下烘干1小時。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,冷卻后稱重,算出灼燒減量。

                    活性膨潤土中的結晶水,大致可按每1%的活性膨潤土為0.09%計。例如,型砂中活性膨潤土為8%時,應減去的晶格水量為0.09×8%,即0.72%

                    從測定的灼燒減量(%)中,減去0.72%,即是含碳材料的含量。

                    (3)金屬細粒

                    測定金屬細粒含量時,取經烘干的型砂樣50g,按常規方法測定含泥量。

                    保留測含泥量剩下的砂樣,烘干。冷卻后用270目篩分離細粉,篩分時間l0min。

                    分離細粉后的砂樣,再在980℃燒1~1.5小時,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定金屬細粒。

                    其一,將砂樣分散平鋪在光滑的紙上,用強磁鐵自下方吸引,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,在通風罩下加熱,使燒杯內液體接近沸騰但不可沸騰,保持1.5~2小時。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,即可求出金屬細粒含量。

                     (4)砂粒

                    分離金屬細粒后的砂樣中,只剩下砂粒和變質燒結層。用磷酸洗去變質燒結層,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,直到溶液顏色不再加深,有時需幾小時。

                    變質燒結層完全溶蝕后,冷卻15min,倒出大部分酸液,冷卻到60℃后用熱水稀釋,加熱水時應緩慢地順燒杯壁加入,操作者應戴防護眼鏡。

                    多次稀釋并按測含泥量法吸出液體后,烘干砂樣,稱重。

                    按分離金屬細粒后砂樣重量,即可算出型砂中砂粒含量。

                    (5)易熔組分

                    從100%中減去以上四項的百分數,即是易熔組分含量的百分數。


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