湿型砂性能文档格式.docx
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有效膨润土测定方法
3.4.2
有效膨润土实例
10
3.4.3
膨润土利用率
3.5
有效煤粉量
3.5.1
国外如何估计有效煤粉量
3.5.2
发气量法测定有效煤粉量
11
3.5.3
发气量实例
12
3.6
型砂中团块含量
13
4
型砂特性
4.1
标准工艺试样制备
4.2
型砂干湿程度
4.2.1
紧实率的测定
14
4.2.2
紧实率实例
4.3
型砂透气性
15
4.3.1
透气性的测定
4.3.2
透气性实例
16
4.3.3
砂型排气能力
17
4.4
型砂强度
4.4.1
型砂强度试样和测定仪器
4.4.2
抗压强渡
18
4.4.3
抗剪强度
19
4.4.4
常温抗拉强度
20
4.4.5
型砂劈裂强度
4.5
型砂韧性
21
4.5.1
强度和变形量
4.5.2
震击韧性
4.5.3
破碎指数
22
4.6
型砂可紧实姓和流动性
4.6.1
试样两面硬度差法
23
4.6.2
试样冲击阻力法
4.6.3
阶梯试样硬度差法
4.6.4
环形空腔法
4.6.5
漏孔法
4.6.6
试样重量法
24
4.7
型砂起模性
4.7.1
型砂变形量
4.7.2
起模阻力
4.8
型砂表面耐磨性
25
4.9
型砂热湿拉强度
4.9.1
型砂热湿拉强度检测方法
26
4.9.2
型砂热湿拉强度实例
4.10
型砂抗夹砂性能
27
4.11
型砂抗机械粘砂性能
28
4.12
砂型硬度和强度
29
4.12.1
砂型硬度计
4.12.2
便携式砂型强度计
型砂检测频率和结果整理
30
5.1
型砂性能检测频率
5.2
检测结果整理
1引言
为了保证湿型铸件具有良好的表面品质，必须使用良好品质型砂。
凡是生产重要和表面品质优良铸件的铸造工厂，其型砂实验室的仪器设备大多比较完善齐全，型砂检验项目较多，每日多次检验。
一个正规的铸造工厂型砂实验室中对型砂品质检测管理应当包括：
型砂组成物如砂粒、有效膨润土、有效煤粉、水、灰分、团块等；
型砂特性如紧实率、透气率、强度、韧性、流动性、温度、起模性、表面耐磨性、抗粘砂能力、抗夹砂能力等。
上述的组成物含量和型砂特性统称为型砂性能，这两部分性能是密切联系在一起的。
本文将介绍高品质湿型砂对性能的要求、测试方法、工厂实际应用实例，并分析它们的内在联系以及与铸件品质之间的关系。
旧砂的组成物与型砂基本相同，只是含量多少有一些区别。
在本文中将与型砂一并讨论。
一般认为使用造型紧实压力150～400kPa的普通震压式造型机，砂型平面硬度才只有70～80度，垂直面下端硬度可能只有50～60度，铸件局部极易产生缩孔、缩松、胀砂和粘砂缺陷。
由于砂型平均密度仅1.2～1.3g/cm3，称为低密度造型或低压造型。
为了克服上述缺点，出现了气动微振造型机。
在压实的同时增添了振动作用，改善了砂型紧实时型砂的流动性能，使压实比压几乎相当于提高了一倍，达到400～700kPa左右，砂型平面硬度大约为80～90度，平均密度可能在1.4～1.5g/cm3范围内。
密度比较均匀，减少了局部缩松、胀砂和粘砂缺陷。
近代化造型机的压实比压有可能提高到700kPa或稍高，所得到砂型表面硬度大约为90～95度，平均密度可达1.5～1.6g/cm3，称为高密度造型方法。
高密度造型的生产效率高、铸件尺寸精度高，机械加工余量少。
应用多触头高压、气冲、挤压、射压、静压、真空吸压等造型机制成砂型都可能达到上述的紧实密度，因而国内外应用日益普遍。
但是紧实压力能够满足铸件品质要求即可，并不过多提高，以免起模性下降和落砂时砂块不易破碎。
高密度造型的紧实比压也大多不超过1000kPa，比压过高还可能出现砂型回弹现象。
1999年的德国统计表明，高密度造型约占德国湿型造型生产能力的77％。
高密度造型对型砂品质的要求比手工造型或震压造型严格，本文将以此做为讨论重点，也适当兼顾其它造型方法。
2湿型砂取样方法
根据GB/T2684-1981标准规定，选取型砂试样应避免从砂堆表层收集已失去部分水分的混合料。
试验用试样必须取经过与铸造车间相同方法处理过的型砂，直接从铸造车间混制设备取样。
或由带式输送器取3份样并混匀。
混合料取样数量根据试样验项目而定，但一次不少于2kg。
补充说明：
应当由实验员亲自取样，不可由混砂工或其他人代取代送，以保证试验结果严谨可靠。
型砂的取样地点应为混砂机和造型机两处。
前者可以及时发现性能有无异常，以便立即采取纠正措施。
由于湿型砂从混砂机运送到造型机时含水量和紧实率都有一些降低，使型砂的湿压强度和透气性提高。
为了满足造型和浇注的要求，以及铸件表面品质的需要，应当以造型机处型砂性能为控制基准。
从取样处将型砂拿回实验室的容器应当是有盖的塑料桶、盒，或者有盖的搪瓷盘。
不可用旧报纸托回实验室。
以免纸张吸水和在空气中水分蒸发而性能改变。
将从现场取得的生产用型砂（旧砂），迅速用永久磁铁搅拌吸出混入的铁粒，然后立即装在密闭的容器中，或放入不透气的塑料袋中并札紧以保持水分不丢失。
在没有混砂自动控制加水装置的机器造型工厂中，型砂性能的检测可分为以下几类：
型砂的紧实率、含水量、透气率、湿态强度（抗压及抗剪）、韧性（变形量或破碎指数）等性能每1～2h从混砂机卸料口取样一次，每班从造型机砂斗下取样1～2次。
有效膨润土量、有效煤粉量、热湿拉强度、流动性等性能每日由造型机砂斗下取样一次。
型砂的含泥量每周取样2～3次。
型砂的砂温、颗粒组成、团块量等性能为不定期性检测。
如果一条生产线的铸件特征基本相似，具有效果良好的旧砂冷却装置，混砂机装有型砂湿度控制装置，每班只从造型机取样两次，检验紧实率、含水量、湿压强度、透气性、韧性和流动性。
另外，每班一次检验有效膨润土量、有效煤粉量、热湿拉强度。
旧砂从混砂机上面的旧砂斗取样，每周2～3次。
检测项目为含泥量、有效膨润土量、有效煤粉量、粒度、团块量等。
3湿型砂的基本组成物
3.1水分
浇注时湿型砂所含有的水分在金属液的热作用下体积骤然膨胀。
水由液态转变成1360℃的过热蒸汽时体积急剧膨胀。
过多的水分是铸件产生针孔、气孔和呛火、水爆炸粘砂等缺陷倾向的根本原因之一。
从减少铸件缺陷的角度出发，最基本的要求是当型砂处于最适宜的干湿状态下，型砂的含水量尽可能低。
此时型砂的含水量主要取决于所含吸水物质的多少。
型砂中附加物种类和数量、含泥量多少、混砂设备和混砂工艺不同，达到最适宜干湿状态的含水量也不同。
高强度型砂的膨润土和煤粉的加入量多就需要较多的润湿水分。
型砂中含有多量灰分（指被烧损的煤粉、失效的膨润土、所加入新砂的含泥量、新膨润土和煤粉中的无效成分等而言）也额外吸附水分才能使它润湿。
假如所购入煤粉和膨润土的品质低劣，需要增大加入量，更会使型砂的含水量居高不下。
如果由于所用混砂机的加料顺序不良、揉捻作用不强、刮砂板磨损、混砂时间太短，以致型砂中存在多量不起粘结作用的小粘土团块，也会提高型砂的含水量。
因此，有必要经常检查和随时控制型砂的含水量。
按照国标GB/T2624—81《铸造用原砂及混合料试验方法》中规定用以下两种烘干法进行试验，以砂样烘干前后重量的减少量代表含水量。
3.1.1快速法
称取试样20±
0.05g，均匀铺在盛砂盘中。
将盛砂盘置于SGH型红外线烘干器內烘6~10min，然后取出冷却和称量（见图1）。
按下式计算含水量：
图1双盘红外线烘干器结构简图
1—灯座2—定时器旋钮3—电源开关4—指示灯5—红外线灯泡6—隔板7—导向槽8—盛砂盘
式中：
w（水）—试样含水量[%]；
m1—烘干前试样质量[g]；
m2—烘干后试样质量[g]。
3.1.2仲裁法
称取试样50±
0.01g，置于玻璃皿内，在温度为105~110℃的电烘箱內烘干至恒重（一般烘30min后，称其质量，然后每烘15min称量一次，直至相邻两次称量之间的差数不超过0.02g时，就算恒重）。
置于干燥器中冷却到室温，再进行称量和按上式计算含水量。
湿型砂中经常掺杂有铁粒，为了保证测试准确，烘干前称量型砂试料时应先用磁铁将其中可能混杂的铁粒吸掉。
国内很多铸造工厂的型砂实验室称量试料所用天平是最大称量值50g或100g的药物托盘天平。
天平的感量大约只有±
0.1g，难以达到国标GB/T2684-1981规定的称量精度20±
0.05g。
在烘干前后使用这种托盘天平两次称重的结果可能形成最大绝对误差可能高达±
0.2%。
对于型砂含水量只有3~5%的计算误差是过高的。
因此建议称量天平的感量最低限度应当为±
0.01g。
最好使用感量0.01g的天平。
可以保证由于称量和试料不均匀所造成的含水量误差绝对值不超过0.02%。
由于这种1/100g天平应用最为频繁，建议购买称量200g的国产电子天平。
我国有几家有经济实力铸造工厂购买进口微机控制加热天平，设定烘温间隔为1℃（例如可设定为110±
1℃）。
随意取8～10g型砂放入加热盘中，开始加热。
直到20s之中重量不变，天平即自动认定已达恒重，即停止加热，并自动计算和屏幕显示出型砂含水量。
测定时间大约只需5～7min。
工厂日常检验型砂的含水量都只采用快速法。
红外线烘干器的烘烤温度可能高达160～170℃，适合烘烤原砂，但用于测定含有煤粉的型砂时，温度嫌高。
型砂内如果含有煤粉、重油等易挥发物质，可能会随水分烘掉一部分，使测得数值要比实际含水量偏高些。
如果出现冒烟现象，应改用105～110℃电烘箱进行烘干。
仲裁法要求将试料烘干至恒重，操作相当繁琐。
使用电热烘箱加热只要30min，不必反复烘干和称量到恒重，对于型砂的精度要求已然足够。
为了避免其它受热挥发物质也被误认为是水分，国外有些铸造厂使用化学反应法。
所用的装置是一个带有压力计的可密封小型铝罐。
测试时先将6g型砂装入罐内，再将足够量的电石（CaC2）碎粒倾入罐盖的空腔中。
二者扣合并密封紧后，用手摇动铝罐，电石与型砂中水分发生化学反应而产生乙炔气，引起罐中气压升高，从压力计的刻度可以直接读出含水量。
测试出的含水量误差绝对值约为0.2~0.3%，测试过程约需两、三分钟，型砂中其它挥发物不会与电石起反应。
此法的化学反应为：
CaC2H2OC2H2Ca（OH）2
3.1.3型砂含水量实例
由资料上可以看到国外用高压造型、气冲造型方法生产汽车、拖拉机等铸件的灰铁和球铁铸造工厂高密度砂型的型砂含水量大多数在2.6~3.8％之间（集中在3.2％左右）。
例如美国通用汽车公司Pontiac铸造厂生产缸体、缸盖的型砂––3.0~3.3％，Chevolet铸造厂––2.8~3.4％。
福特汽车厂Cleveland铸造厂汽缸体高压造型线––3.20.2％，生产进排气管––2.8~3.4％。
美国JohnDeere公司缸体型砂含水3.0~3.4％，缸盖––3.5~3.8％，泵阀––2.7~3.1％。
德国大众汽车公司生产缸体––3.4~3.6％。
奔驰汽车厂生产刹车鼓––3.2％。
意大利FA公司推荐气冲造型机用型砂––3.0~3.4％。
欧美各国的铸钢型砂的含水量和挤压造型的铸铁型砂含水量也在上述范围内。
但是也有个别铸造工厂型砂含水量稍高，例如瑞士GF公司调查五家欧洲气冲造型铸造厂的型砂含水量分别为2.9％、3.64％、4.1％、4.3％和4.4％。
德国Berndt调查四家气冲和高压铸造厂平均为3.48％、3.82％、3.87％和4.2％。
日本土芳公司调查八家静压和气冲造型铸造工厂的型砂含水量在2.5~4.0％范围内，平均为3.1％。
湿型砂的含水量也不可过低，假如含水量不足2.5％，则只要有0.2%的波动就会对型砂的各种性能造成巨大影响。
有些含水量过低的型砂是由于混入了大量溃碎的树脂芯砂而降低了型砂的吸水性能造成的。
型砂含水量的控制应当以从造型处取样为准。
由于型砂从混砂机运送到造型机时含水量有不同程度的下降，其幅度因砂温、气候和运输条件而异。
混砂时要增多少许以补偿水分蒸发损失。
例如山西国际6月中旬混砂机处为2.6~2.83%，造型机处2.5~2.6%。
昆山丰田8月份混砂后2.4~2.78%，造型前2.4~2.69%。
昆山信嘉射压造型要求混砂机处取样夏季2.9~3.5%，冬季2.7~3.3%。
还可查阅到我国一部分知名铸造工厂的气冲、静压、高压和挤压造型型砂含水量，以下数据可能都是从混砂机取样测得的。
例如天津内燃机厂––2.5~3.0％，天津勤美达––2.75％，宝利福挤压线––2.8~3.2，佳利福––3.0左右，哈尔滨东安发动机厂––2.7~3.2％，常州小松常林––3.2~3.5％，常州柴油机厂––3~4％，昆山富士和––2.85~3.45％，南京汽车厂––3.4~3.5％，上海柴油机厂––3.5％左右。
分析以上数据可以看出，高密度造型的型砂如果保持型砂含泥量较低，其含水量都大致不超过3.5％。
使用结构比较简单的无箱震压造型机、顶箱震压或微震压实造型机的起模机构精度可能稍差，型砂含水量一般都比以上列举高密度造型用型砂稍高一些，手工造型通常需要型砂含水量更高以便提高型砂起模性能。
如果所购入的原材料品质不高，砂处理设备检修制度不完善，缺少有效的旧砂除尘冷却设备，混砂时间不足，型砂的含泥量过高，型砂的含水量必然更高。
例如国内有多家乡镇铸造工厂和个别国营工厂型砂含水量在5.5~6.8％。
3.2泥分、灰分、含泥量
GB/T94421998《铸造用硅砂》和其他国家的标准都规定型砂中大于等于20m的颗粒为砂粒，直径小于20m的微细颗粒为“泥分”。
型砂和旧砂的泥分是由有效的膨润土和煤粉，以及灰分组成的。
所谓“灰分”包括失效的膨润土和煤粉，由新砂、煤粉、膨润土等原材料带进来的粉尘，以及硅砂颗粒破碎而成的细粉。
型砂的灰分过多会使含水量增高、透气性下降，铸件容易产生气孔类缺陷。
而且在湿压强度维持不变的情况下，型砂韧性、热湿拉强度明显降低，铸件容易产生砂孔类和夹砂类缺陷。
如果大量芯砂掺入旧砂，而使型砂泥分过少。
泥分过少会导致型砂含水量和吃水能力过低。
只要加水量有少许偏差，就会引起型砂各种性能剧烈波动；
而且会使型砂变散和脆，起模性差。
3.2.1含泥量测定方法
型砂或旧砂中泥分的含量称为含泥量。
测定方法是采用冲洗法，根据悬浮在水中的砂和泥分的直径大小不同，其下降速度也不同的原理将泥分与砂粒分开，称量剩余砂粒的重量即可得泥分的含量。
按照Stokes公式计算颗粒在水中沉降速度：
v—质点沉降速度[cm/s]；
图2洗砂杯
—砂样密度，一般取平均值2.62g/cm3；
1—水的密度,20℃为0.9982g/cm3；
g—重力加速度，981cm/s2;
—水的粘度，20℃时为0.01005Pas；
r—砂粒半径[cm]。
按照上式计算，如水温为20℃，静置5min后，直径大于20m的砂粒应沉降到距离水面100mm以下。
没有沉到100mm以下的细粉部分则属于泥分的一部分，可用虹吸管将这部分水和悬浮的泥分吸出。
经过多次反复沉降和虹吸，直到水清为止，表明砂样中泥分已洗净。
GB/T2684-1981规定：
称取105~110℃烘干的型砂或旧砂50±
0.01g，放入容量为600mL的专用洗砂杯（图2）中，再加入390mL蒸馏水或去离子水和10mL5%浓度焦磷酸钠溶液。
煮沸3~5min后，将洗砂杯置于SXW型涡旋式洗砂机（见图3）上搅拌15min。
取下洗砂杯，向杯中加入清水至标准高度125mm处，用玻璃棒搅拌30s，静置10min，用虹吸管排除水面下100mm以上的浑水。
第二次起改为加入清水至高度125mm处，重复上述操作。
第三次及以后的操作与上述相同，但每次静置时间为5min。
反复进行岁次，直至洗砂杯中的水透明为止。
最后一次将洗砂杯中的清水排除后，把试样和余水倒入装有定性滤纸的玻璃漏斗中过滤，待余水滤净后，将试样连同滤低置于玻璃皿中，在电烘箱中烘干至恒重。
置入干燥器中，冷却后称量砂粒部分重量，按下列公式计算含泥量：
图3涡旋式洗砂机
1—电源开关2—机体3—定位扳手4—托盘5—阻流棒6—搅拌轴7—洗砂杯8—电动机
w（泥）—试样含泥量[%]；
m1—水洗前试样质量[g]；
m2—水洗后试样质量[g]。
应当使用专用的600mL洗砂杯（耐热玻璃高烧杯），不要用500mL普通玻璃烧杯。
否则沉降距离不够100mm，或者水面100mm之下与沉淀砂粒距离太近，容易将砂粒虹吸掉。
经验表明高度为180mm的800mL洗砂杯更好用，试料液体不易沸出，也便于用手搬动。
开始时烧杯中加有390mL蒸馏水或去离子水，不用自来水的原因是硬度较大的自来水中含有钙和镁离子，型砂和旧砂在碱性溶液中能够生成絮状的钙盐和镁盐等固体析出物。
飘浮的絮状物容易夹杂砂粒，虹吸时会被吸掉而造成测定误差。
加入10mL浓度为5％的焦磷酸钠（Na4P2O710H2O）溶液的作用为的是分散开砂粒上包覆的膨润土。
为了使砂粒上的粘土膜完全分散，杯中液体需进行煮沸处理。
按照GB/T2684-1981的规定应当煮沸3～5min，冷却后再在涡洗式洗砂机搅拌15min。
研究工作表明，搅拌作用有利于打散絮状物，但也有可能将砂粒打碎。
如将煮沸时间保持为5min，就可使泥分完全分散，不再需要用洗砂机搅拌。
洗砂烧杯的加热应当在垫有石棉网垫和装有调压器的盘式电热炉上，沸腾时应当及时降低电压和用手照料烧杯，以免澎溅和烧杯蹦跳。
烧杯中液体冷却后，加入清洁自来水至标准高度125mm处。
用竹木筷子或细塑料棍搅拌均匀，不必使用玻璃棒搅拌，以免操作不慎而捅漏玻璃烧杯。
搅拌以后开始静置，应注意搅拌时液面不可形成漩涡，并尽量使沉淀下的砂层平坦无凸起处。
静置10min后用虹吸管吸出距水面下100mm以上的混水。
吸水时最好使虹吸管的入口端紧贴烧杯内壁逐渐下降，以便监察下降深度。
不可将虹吸管一下插到底，以免水流过猛而吸出砂粒。
如此重复操作一次后，从第三次起改为静置5min，直到洗砂杯中水质清澈不含泥分为止。
所引用的Stokes公式中的很多参数都非定值。
例如水的密度1在4℃时为1.000g/cm3，20℃为0.9982g/cm3，30℃为0.9957g/cm3。
在计算时为了简便，可以近似取为1g/cm3。
但是水的粘度随温度的变化较大，4℃时为0.01567Pas，15℃为0.0113Pas，20℃时为0.01005Pas，30℃为0.008007Pas，对砂粒的沉降速度影响甚大。
因此，很多国外文件中都规定砂粒沉降100mm的静置时间随水温而异，下表为几种常用水温的推荐静置时间。
但是砂样的密度取平均值2.62g/cm3也非完全合理。
硅砂中石英的密度为2.65g/cm3，正长石为2.57g/cm3，钠长石为2.61~2.62g/cm3；
煤粉的真密度则只有1.2~1.45g/cm3。
因此在虹吸时，直径＞20m的煤粉颗粒也有不少被吸掉。
不论静置时间的控制如何严格，测出的含泥量只是近似值。
铸造工厂检验含泥量时，沉淀时间只按5min即可。
水温℃
静置时间
5min40s
5min30s
5min15s
5min00s
4min50s
4min40s
4min30s
4min15s
3.2.2含泥量实例
型砂泥分的多少与型砂透气率、含水量、强度和韧性有密切关系。
一些国外生产铸铁件工厂型砂含泥量的情况举例如下：
美国的汽车制造厂型砂含泥量大多较低，例如InternationalHarvester生产拖拉机缸体的型砂含泥量为9~10％。
GMC生产雪佛兰缸体型砂为9~11％。
Hofmann调查欧洲四家铸造厂气冲造型用型砂分别为12.7，13.5，14.5和15.5％。
德国Meinheim的JohnDeere工厂的三种型砂含泥量的控制指标分别为10.0~12.5、11.0~13.0和11.0~13.5％；
Luitpold铸造厂生产大众汽缸体型砂为12~13.5％。
日本三菱自动车的SPO线型砂管理标准规定含泥量为12~14％，五十铃汽车厂型砂含泥量为9.6％。
DISA公司推荐一般挤压造型机用型砂含泥量为11~13％，而较大的2070型造型机用型砂的含泥量为12~14％，原因是后者砂型较大，要求型砂的强度较高，加入了更多的膨润土。
BMD公司要求上海机床铸造三厂气冲线10~13％。
天津内燃机总厂的汽车铸铁件静压造型按照大发汽车厂的要求，型砂含泥量要求为10~11％。
B&
P公司对大连机床厂的射压造型线要求型砂含泥量10.5~13.5%。
GF公司对常州柴油机厂气冲线提出的型砂含泥量要求是＜12％。
镇江银峰要求––11~12％；
天津勤美达挤压线实测––9.6％。
在大多数控制比较严格的铸造厂中，单一型砂比旧砂的泥分含量多0.5~1.5％左右，个别工厂中可能相差1.5~3.0％。
例如：
山西国际型砂––10.1％、旧砂––9.5％；
常州小松常林型砂––13.5~13.9％、旧砂––11.5％；
苏州铸件厂型砂––21.8％、旧砂––18.56％。
一些铸造工厂的旧砂含泥量如下：
无锡柴油机厂––11~12；
天津丰田发动机––12~14；
廊坊美联实测––9.8~11.3；
上海液压件铸造厂挤压线––9~10。
南京汽车厂原来含泥量13~14％，换用优质膨润土后降为11％左右。
我国很多工厂只测定旧砂的含泥量，因为旧砂含泥量比型砂少，测试时间短些。
实际上型砂或旧砂的测定都需要一天时间。
国外经验认为良好的湿型铸铁单一型砂中有效成分应占主要部分，应当符合：
（含泥量）/（有效膨润土量）≤1.5。
以下再列举几家国内铸造工厂的（含泥量）/（有效膨润土量）的比值：
镇江银峰––13.4/8.2=1.63；
常州小松常林––13.7/9.7=1.41；
山西国际––10/6.5=1.54。
很多发动机铸造工厂由于溃散树脂砂芯大量混入旧砂，以致含泥量过低，型砂对含水极为敏感，水分稍有波动就使型砂其他性能大幅度变化。
就应该将除尘系统的排出物部分地返回旧砂系统中来有控制地适度提高含泥量。
如有必要，也可向型砂中加入少量淀粉类材料来降低对水敏感性。
归纳以上数据可以得出：
高密度造型理想的型砂含泥量为12％左右，不应≥14％；
理想的旧砂含泥量为10％左右，不应≥12％。
气动微振和震压造型也最好接近此
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