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                    粘土濕型砂及其控制要點(一)

                    用粘土粘結砂作造型材料生產鑄件,是歷史悠久的工藝方法,也是應用范圍廣的工藝方法,說其歷史悠久,可追溯到幾千年以前;論其應用范圍,則可說世界各地無一處不用。

                    值得注意的是,在各種化學粘結砂蓬勃發展,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。據報道,美國生產的鋼鐵鑄件中,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。

                    適應各種造型條件的能力極強,也是粘土濕型砂的一大特點。從人類進入青銅時代起,長期用于手工造型,生產了無數精美絕倫的產品。1890年震壓式造型機問世以后,用于機械造型也極為成功,并為此后造型作業的機械化、自動化奠定了基礎。近代的高壓造型、射壓造型、氣沖造型、靜壓造型及無震擊真空加壓造型等新工藝,也都是以粘土濕型砂為基礎的。

                    各種新工藝的實施,使粘土濕型砂在鑄造生產中的地位更加重要,也使粘土濕型砂不斷面臨許多新的問題,促使我們對粘土濕型砂的研究不斷加強、認識不斷深化。

                    現今,隨著科學技術的迅速發展,各產業部門對鑄件的需求不斷增長,同時,對鑄件質量的要求也越來越高?,F代的鑄造廠,造型設備的生產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具體生產條件,或不能有效地控制其穩定、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,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控。

                    粘土濕砂系統中,有許多不斷改變的因素。如某一種或幾種關鍵性能不能保持在控制范圍之內,生產中就可能出現問題。

                    由于各鑄造廠砂處理系統的安排不同,選用的設備也不一樣,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同的控制要點。在理解這些要點基礎上,可根據企業自己的具體條件確定可行的控制辦法。而且,還要隨著技術的進步和工廠實際能力(包括人員和資金)的增強,不斷改進型砂系統。

                    一、粘土濕型砂的特性

                    通常都說粘土濕型砂的粘結劑是粘土,實際上這種提法是不太確切的,單用粘土,不能粘結砂粒、使型砂具有強度,粘土濕型砂中的粘結劑是粘土和水按一定比例配合組成的,水是粘結劑中的重要組成部分,只不過水太平常了,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。按土質學方面對粘土-水系統的稠度劃分原則,粘土濕型砂中的土-水混合物屬于“半固態”范圍,實際上型砂中將砂粒粘結起來是這種膏狀體,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土,水和膨潤土混成的粘土膏,大體上是在土-水比為3:1左右時強度高。采用高壓造型工藝時,為得到高強度的鑄型,型砂中所含的活性膨潤土和水分的質量分數之比,大體都在3:1左右。在這種條件下,型砂的可緊實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,強度也相應下降。采用震壓式造型機造型時,使型砂流動并將其緊實所需的能量比高壓造型小得多,型砂的強度就應該低一些。因為型砂的強度越高,其抵抗變形的能力越強,造型設備提供的能量不足,就難以使鑄型具有必要的緊實程度。為適合這種條件,型砂中的土-水比就應該高一些,一般以控制在3:2左右為合適。

                    2、粘土濕型砂的砂粒結構

                    砂粒之間的粘結,是靠粘土膏實現的。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橋粘結起來,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。泥塑藝術家和制陶器的技師混制膏體時,要先將其混勻,再放置一段時間使之熟化,然后還要揉搓、摔打。粘土濕型砂中的粘土膏,質量要求當然沒有這樣嚴格,但要使膨潤土充分吸水、調混均勻并均勻涂布在每個砂粒表面上也是非常困難的。

                    在生產條件下,混砂的時間是非常有限的,不僅不可能使粘土和水調配均勻,其在砂粒表面的涂布狀態也與圖1所示的也相距甚遠。完全用新砂配制粘土濕型砂,混成砂的實際砂粒結構示意圖見圖2。反復使用的系統砂,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構示意圖

                    3、粘土濕型砂的混砂效率

                    有鑒于在生產條件下粘土濕型砂中的粘土和水不可能充分混合,美國的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:型砂中實際上起粘結作用的膨潤土量與其中的活性膨潤土含量之比,即


                    這里有兩個術語需要特別說明一下:

                    “活性膨潤土”是型砂中所含的具備活性、能吸水膨脹而起粘結作用的膨潤土,也就是可以用吸藍法測定其含量的膨潤土?;钚耘驖櫷粒╝ctive clay),曾有人將其譯為“有效膨潤土”,而且在全國廣為采用,這是很不妥當的。因為活性膨潤土是能起粘結作用的,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。

                    “有效膨潤土”(effective clay)則是在型砂中發生了有效粘結作用而使型砂具有強度的膨潤土。

                    由于粘土膏屬半固態性質,粘度很高,難以混勻,用于混制粘土濕型砂的混砂機,所需的功率比供砂能力相同的樹脂砂混砂機大得多,混砂所需的時間也更長。即使如此,型砂中的粘土和水仍不能充分混勻,用當前高水平的混砂設備,混砂效率也不過是60~70%。

                    另一方面,從要求型砂適于造型的可緊實性看來,也不應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性數值為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,并加以長時間的混制,使混砂效率提高到80%以上,型砂的可緊實性就會遠高于60,根本就不能使用,更不用說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,金屬/砂型界面處的水向內部遷移,形成水分凝聚層時,由于此處粘土已經充分吸水,不能再吸收水分,水分凝聚層的強度將會非常之低,鑄件上就極易于產生膨脹缺陷。所以,從這方面看來,追求過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,粘土濕型砂的強度決定于其中粘土膏的多少和粘土膏的粘度,所以,強度、活性膨潤土含量和水分之間是有相依關系的。此外,在型砂強度一定的條件下,其可緊實性越高,則其中有效膨潤土的含量也越高,三者之間也有相依關系。在這種認識的基礎上,由眾多的實驗數據,得到了圖3所示的線圖。利用圖3,可由型砂的濕抗壓強度和水分的測定值,得知其中的活性膨潤土含量。但是,活性膨潤土含量必須以吸藍法的測定值為依據,由圖3查得的值應經常與之對比,作為日常測定性能時的參考。同樣也可以根據濕抗壓強度和可緊實性的測定值,查出型砂中有效膨潤土含量,并由此計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度為178 kPa,可緊實性為42%,水分為3.5%。從縱坐標上濕抗壓強度為178 kPa一點畫水平直線,由此直線上水分為3.5的一點,可知型砂中的活性膨潤土含量約為7.5%。

                    再由此水平直線與代表可緊實性的一組斜線的交點,即可求得型砂的有效膨潤土含量為4.4%。


                     隨著高壓造型技術和各種造型設備的發展,粘土濕型砂砂處理工藝和設備也在不斷改善。由于回收砂的性狀對型砂質量的影響很大,很多技術開發的著眼點都在于改善回收砂的處理,主要幾點是:

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

                    ·加強回收砂的冷卻,使其中的水分穩定;

                    ·增加預混工序,使水和粘土混配更為均勻。

                    4、造型性能

                    前面已經提到,粘土濕型砂的一大特點就是能適應各種造型條件,但是,也應同時看到,由于起粘結作用的粘土膏的粘度很高,造型時未經緊實的型砂就具有相當高的強度,流動性很差,因而,造型性能不好,緊實鑄型所需的能量很大,造型機的功率一般都相當高,如欲制得高緊實度鑄型,造型設備不得不龐大而笨重。

                    在改善粘土濕型砂造型方面的一項重要發展,就是在向砂箱中填砂之前,先用氣流將型砂流態化,使其流動性大幅度改善。日本新東公司采用此項技術后,使造型機的尺寸縮小,設備重量大幅度減輕,造型的能耗較用傳統機型平均減少60%。

                    不難設想,在改善型砂造型性能方面仍有寬廣的發展空間。

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