7、砂型铸造的造型材料有哪些?有何作用?

7、砂型铸造的造型材料有哪些?有何作用?
7、砂型铸造的造型材料有哪些?有何作用?

7、砂型铸造的造型材料有哪些?有何作用?
制造砂型的材料称为造型材料,用于制造砂型的材料习贯上称为型砂,用于制造砂芯的造型材料称为芯砂.型砂是由原砂、粘结剂和水按一定比例　混合而成,有时还加入少量如煤粉、植物油、木屑等附加物.
原沙是骨干材料,其主要作用是：一方面为型砂（芯）提供必要的耐高温性能和热物理性能,有助高温金属顺利充型,以及是金属也在铸型中冷却、凝固并得到所要求形状和性能的铸件.另一方面原砂砂粒能为砂型（芯）提供众多孔隙,保证型、芯具有一定透气性.
粘结剂起粘结砂粒的作用,使型砂具有必要的强度和韧性；
附加物是为了改善型（芯）砂所需要的性能,或为了抑制型砂不希望有的性能而加入的物质.
　型砂和芯砂的质量直接影响铸件的质量,型砂质量 不好会使铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷.

C. 砂处理
C-1. 我厂使用碾轮式混砂机，多年来一直采用先干混和后湿混的混砂工艺。近来听说加入膨润土以前先湿混的效果更好，不知如何控制先湿混的加水量？但是德国爱里许混砂机采取先干混而后加水湿混，似乎混砂质量还好，为什么？
按照过去传统的混砂方法：加入旧砂、膨润土和煤粉后先一起干混一段时间，然后再加水湿混。这种混砂工艺的缺点是在干混过程中粉状材料容易偏析而落入混砂碾的围圈...

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C. 砂处理
C-1. 我厂使用碾轮式混砂机，多年来一直采用先干混和后湿混的混砂工艺。近来听说加入膨润土以前先湿混的效果更好，不知如何控制先湿混的加水量？但是德国爱里许混砂机采取先干混而后加水湿混，似乎混砂质量还好，为什么？
按照过去传统的混砂方法：加入旧砂、膨润土和煤粉后先一起干混一段时间，然后再加水湿混。这种混砂工艺的缺点是在干混过程中粉状材料容易偏析而落入混砂碾的围圈和碾盘的夹角部位。加水以后粉料的润湿较慢，需要延长混砂时间才能将粉料逐渐裹带出来。混砂机的加料顺序最好是加入旧砂和新砂后，立即加入全部加水量的70～80％进行湿混。混合均匀后再加入膨润土和煤粉等粉料。然后再逐渐补加其余水分使型砂的紧实率或含水量达到要求。这种先湿混的方案已经得到广泛应用，可能比先干混法的混碾时间缩短1/4左右就能混合均匀。有些采用人工加水方法的工厂开始推广先湿混方案时遇到困难是恐怕第一批加水过多而无法纠正。实际上细心的混砂工经过培训后能够根据混砂机内砂子运动特征大致判断加水量是否合适的。爱里许式混砂机的加水办法不同于其它混砂机，它是在加水前先将旧砂、新砂、膨润土和煤粉一同加入混砂机中混合，用传感器测定出加入的所有材料总体湿度，靠计算机确定需要加入的全部水量，一次加水混匀。由于爱里许机器的转子搅拌功能强，也能在规定的140s时间内将型砂混合均匀。
C-2. 囯内绝大多数铸造工厂，尤其是中小型铸造工厂都是靠手捏和眼看来判断混砂碾中加水量是否合适。结果是型砂干湿程度波动很大，各种性能也都随之变动。请问怎样才能使混砂加水自动化？
湿型砂的湿度必须严格控制，否则会影响会影响型砂的湿态强度、流动性、韧性、透气性、起模性强烈波动，也会导致铸件产生气孔、砂孔、夹砂、粘砂、胀砂等缺陷。靠手捏不能准确控制型砂湿度，所以国内有些大铸造工厂、外资和合资铸造工厂使用进口的型砂加水控制装置。在混砂阶段陆续测定型砂干湿程度，自动确定是否需要继续加水。或者利用传感器测定混砂机称量斗或混砂机中各种材料的干湿程度一次自动加水。由于进口型砂水分控制仪的价格较贵，影响国内中小工厂推广应用。
国内有几家高校和科研单位曾研制成功混砂加水自动控制装置，试用效果尚好。不过可能为了提高技术水平而将仪器功能增多，例如在一次测量中还自动检测和调整型砂的强度。也有的还包括测量型砂的透气性、温度等。这样就使装置的结构变得相当复杂，价格提高，不是一般铸造工厂所能承担的。而且所增多的检测项目并不适用。因为混砂周期时间长度有限，如果湿混阶段测得含水量或紧实率还没达到预期程度，可以继续补加少许水分，依靠水的极强渗透力和润湿性，混砂几秒到十几秒钟后就能分散均匀，即可确定水分是否已经达到目标值。如果混砂机中型砂强度没达到预期值而立即补加膨润土，但是由于膨润土吸水缓慢，在砂粒表面分散和包覆需要较长时间。型砂的强度随着继续混砂还会不断升高，不能预先准确推测出卸料时型砂最终强度。而且，对于铸件品种比较稳定的单一砂而言，膨润土、煤粉的批料量并不需要在混砂过程中立即调整。至于透气性和型砂温度本来不属于混砂机自动控制范围，应当是型砂实验室的检测内容。总而言之，我国众多铸造工厂，尤其是中小铸造工厂，最迫切需要的是结构相对简单、价格比较低廉的型砂紧实率或含水量自动控制仪。
C-3. 我厂的高压造型线生产汽缸体铸件。用国产碾轮式混砂机，混砂周期时间三分钟，型砂手感性能不好，有些脆和不易起模。但又不能延长混砂时间，以免供砂紧张。这种困境是怎样造成的？ 应当怎样才能改进型砂品质？
根据囯产碾轮式混砂机产品目录给出数据，由生产率（t/h）除以每批加料量（kg），可计算出混砂周期时间（min），分别为2.60~2.70 min/批。与实际需要相比，如此短的有效混砂时间严重不足，以致型砂性能逐渐恶化。笔者在日本看到丰田、三菱等汽车厂的碾轮混砂机周期都是6min。我国很多工厂混砂周期时间不足的原因是原设计按照过去低密度造型、低强度型砂制定的。当时砂型的压实比压不足300～400kPa，型砂的湿压强度不高于80～100 kPa。使用品质有限的钙基膨润土，有效膨润土含量也不高。如今高密度造型用型砂的湿压强度一般都超过140 kPa，有的甚至达到200 kPa以上。都是用活化膨润土，而且树脂砂芯混入量增多都需长些时间混砂。原有的产品样本、设备说明书及设计手册上规定的混砂机生产率已不适用。如型砂需要量大，无法延长混砂时间，最彻底的办法是攺造砂处理工部，改换使用高生产率混砂机。国内几家大型汽车厂纷纷引进外国转子混砂机的原因就在于此。但是更多的中小铸造工厂财力不足，没有条件购买昂贵的进口设备，采取以下办法虽不能彻底解决问题，但多少对型砂质量有一些攺进：①加强对混砂工人的培训和管理，充分利用一切非必要的停机时间来延长混砂时间，即使只延长半分钟也能改进型砂韧性和起模性。曾经有个别工厂的造型机上为大容量砂斗，混砂工人就尽快装满砂斗，提前休息和抽烟。应当将造型机砂斗改小，只用来供给10～12只砂箱造型。要求混砂工在混砂机旁专注混砂，随混随用。②利用节假日和周末休息期间，将砂系统中的所有砂子翻混一两遍。混砂时只加少量水控制干湿程度，不加其它附加材料。这样可以将旧砂中积留的膨润土和煤粉团粒尽量混碾均匀。对型砂性能必会有改进。③另外还要注意：每日下班前必须将混砂机中的积砂完全清除干净。经常调整刮砂板与底盘和围圈的距离，及时更换已磨损刮砂板。这样才能提高混砂机的混砂程度。
C-4. 怎样确定混砂机的最适宜混砂时间？
可以在生产用混砂机中按照工艺规定混制型砂，混完后不要打开卸砂门，取样测定其湿态抗压强度。然后再延长碾轮混砂机的混砂时间0.5～1 min（转子式混砂机延长10~20秒钟）。混砂时添加少量水分以保持型砂紧实率基本不变，再一次测定型砂湿压强度，强度值将有不同程度的上升。如此每次延长混砂时间和继续测定强度。强度上升逐渐趋于和缓，直到强度不再上升，即达到“峰值强度”为止。由于接近平台区的强度升高极为缓慢，通常认为型砂强度到达峰值80～90％左右即为生产中最适合使用强度。达到最适合使用强度的混砂时间应当是混制该种型砂的正确时间，工厂可以据此更正工艺规定的混砂时间要求。清华大学曾检验山东某动力机厂型砂使用S14系列转子混砂机的混砂效果，发现达到峰值强度的混砂周期是4.5min，建议该工厂将混砂时间定为4.0min，明显高于设备制造公司推荐的混砂周期2 min。
C-5. 山西某厂添置了一台转子混砂机，标牌注明生产率每小时60吨，混砂机的电动机功率为60 kW。使用后发现混砂效果相当差。该混砂机的电动机功率是否不足？是否应当更换其它类型的混砂机？
型砂的混合均匀和型砂表现出优秀性能，靠的是有足够的电能传输到型砂中。因此，混砂机需要安装较大功率的电动机来混合型砂。分析比较国内外混砂机可以看出：混砂机的电机总功率（kW）至少应当是每小时生产率（t/h）的两倍以上，否则不可能在规定周期时间内混制出良好的型砂。例如Eirich公司的倾斜旋转底盘转子混砂机电动机功率与小时生产率之比大致在2.6～2.8；DISA公司的SAM-3和SAM-6在2.24～2.36之间；KW公司WM混砂机基本在2.58～2.83；B&P公司的摆轮混砂机大致在1.92～3.00之间。而国产碾轮混砂机S1116、1118、1120、1122的比率较低，分别为1.47～1.85。国产S14系列转子混砂机电机功率与生产率之比仅为1.33和1.50，都显然过低。山西某厂的电机功率与生产率之比只是1.0，不可能在规定生产率之下混出好型砂。关键在于不论混砂机的类型如何，在混砂过程中没有足够的能量传输给型砂就不可能提高混砂效果。假定混砂机电机实际使用率为85％，可以估算出每吨型砂耗用电能量（kWh）。Eirich（爱立许）公司平均为1.81，DISA公司平均为1.87，KW公司平均为2.47。而国产碾轮式混砂机为1.48，转子式混砂机只有1.13～1.28，与进口混砂机相比差距明显。在不更换混砂机的条件下，唯一的解决措施是降低生产率和延长混砂周期。以上讨论都是基于混砂机的制造质量、维护保养水平和机械效率等都正常的情况下，否则问题会更加突出。也有铸造工厂恐怕延长混砂时间会使型砂温度提高，这成为不肯延长混砂时间的借口之一。实际上将每吨型砂输入电能提高到接近进口混砂机的型砂耗能量，型砂温度也许仅仅升高三到五度左右。考虑到型砂水分每蒸发1％，型砂温度可降低25℃左右，只需多加少量水分，靠混砂机的排风装置，就可利用水分蒸发使型砂降温。
C-6. 我厂生产农用汽车球铁轮毂，产量较大。但生产条件相当落后，主要用手工造型。采取碾轮混砂机混制面砂，背砂是在地面混砂。铸件表面普遍存在砂孔缺陷。现要扩大产量和改进铸件品质，准备建成完整的砂处理系统。请问应当选择哪种形式的混砂机？
目前国内工厂使用较多的混砂机有：①碾轮混砂机、②旋转底盘转子混砂机、③旋转刮砂板转子混砂机。也有个别工厂使用④摆轮式混砂机。实际上只要混砂时间足够长和有足够电能输送给型砂，混砂机受到良好的维护清理，任何种类混砂机都能混制出品质良好的型砂。在各种混砂机中，碾轮式应用最广。高密度型砂理想的混砂周期时间大约需要6min。另外，工厂还应每天下班前将碾盘和碾轮上积下型砂完全清除干净，及时调整刮砂板与底盘和围圈距离，及时更换磨损的刮砂板。美国汽车行业铸造工厂要求刮砂板与底盘的间距为一个硬币的厚度。如果做到这些要求就肯定能够混制出优良品质的型砂。
我国制造的S14系列转子混砂机的底盘不转，靠以碾盘中心为轴的刮砂板将砂子扬起，遇到高速旋转转子被打散和混合。规定的混砂周期120s时间不足，应当增大电机功率和延长混砂时间。否则不能提高混砂的品质。
C-7. 有些铸造工厂发现型砂中有很多黄豆大小旳“砂豆”。例如天津附近某厂的机械化造型的砂系统中就发现大量砂豆。曾多次利用节假日人工过筛去除型砂系统中的砂豆。但生产一星期后砂豆又出现。请问砂豆是怎样形成的？怎样消除砂豆的产生？
型砂中的砂豆不但损害流动性，而且不利于铸件表面光洁度，还有可能造成气孔缺陷。砂豆的生成原因可能有几方面。一是混砂加料顺序有问题，如按照先干混工艺，膨润土和煤粉加入后由于偏析而在混砂机的角落集中，加水时先将膨润土润湿而成粘土团，如果随后的混碾不充分，就成为砂豆留在型砂中。如按照先湿混工艺，先加入的水尚未分散开就加入膨润土和煤粉，甚至水还没加完就急于加入膨润土和煤粉，必然会形成大量砂豆。加完第一批水后，至少应混合10s（转子式）至半分钟（碾轮式）后再加入膨润土和煤粉。另外的重要原因是混砂时间不够长，混砂机的维修和清理不及时，混砂效果不够好，没有将积聚成的小砂豆混碾破散开。还有一个可能性，混砂加入的膨润土量过多，例如有一工厂使用转子混砂机，由于旧砂烧损严重，新砂补加量多，膨润土加入量超过2%，混砂机来不及把所有加入的粘土团块混碎开，就会出现小团粒和湿强度不高的状况。转子混砂机的混砂时间短也容易形成砂豆，因此爱立许公司的转子混砂机规定混砂周期为140s，为的是减少砂豆。
C-8. 很多机器造型的铸造工厂都有型砂温度高的问题，请问热砂给生产带来哪些困难。应该怎样解决热砂？
经过反复浇注的热量积蓄，使旧砂温度不断上升。国外有些人提出造型时型砂温度超过40℃或43℃，或者比环境温度高12℃以上，可认为存在“热砂”问题。给生产造成的不良影响如下：①随着砂温提高，标准试样的重量和湿压强度等性能都会下降。②热砂蒸发出来的水蒸气凝结在冷的运输皮带上，而使其粘附一层型砂，随时撒落地面而影响车间卫生。凝结在砂斗内壁，砂斗挂砂越来越厚，容积越来越小。③砂型表面的热砂容易脱水变干，使砂型表面发酥，棱角易碎，不耐金属液冲刷，容易造成冲蚀和砂孔缺陷。④热砂的水蒸气凝结在模板表面，使起模性恶化。水蒸气凝结在型腔中冷铁和砂芯上，使铸件产生气孔缺陷。
为了防止和解决热砂问题，对于经济条件较好的工厂，最重要的措施是应当在砂处理系统设计阶段就考虑到加大砂系统实际容量，减少型砂使用的循环次数，每班旧砂循环最好不超过两遍。尤其重要的是采取增湿通风冷却处理。我国有几家工厂应用结构良好的进口增湿沸腾冷却设备，能将型砂温度降低到要求范围内。国内有的工厂只是在落砂后斜爬皮带上自行按装一个简易的雾化喷水装置，根据来砂多少自动调节喷水量，也可以使砂温适当降低。此外，为了防止热砂粘附模样，除了必须在模板上喷涂以煤油或轻柴油为原料的脱模剂以外，还可采用模板加热装置，减小型砂与模样的温度差异，避免水蒸气凝聚在模板上，从而减少起模时砂型损坏。但是模板加热温度不可高于型砂温度，以免型腔表面脱水变脆弱而产生砂孔缺陷。
C-9. 有些工厂采用增湿冷却方法来达到旧砂降温的目的，但是在使用中发生通风除尘管道和除尘器布袋因长期结露造成粉尘堵塞的严重问题，请问如何来防止和减少这种现象的发生？
估计发生除尘管道和除尘器布袋的堵塞和结雾严重问题的原因是除尘系统的设计不合理。除尘管道应采取电热外壁，使管壁温度不低于管道中含尘水气温度，水蒸气就可以不凝结在管道内壁。还要加大排风速度，有资料介绍管道中风速不低于18 m/s，使微细尘土颗粒不致沉淀在管子中。布袋要选择不吸水材料制成。河北有一家挤压造型铸造工厂，落砂冷却滚筒除尘管道的水平部分采取内高外低的简单直线结构，每日用水冲洗管道，将管道中积聚的粉尘冲洗流入室外的水池中。不需加热也可防止堵塞。
C-10. 我厂是专业生产发动机汽缸体的工厂，铸件使用了大量砂芯，据统计大约每吨汽缸体铸件需用1.0～1.2吨树脂砂芯。所用原砂都是远途运来的优质擦洗砂。落砂时除少量心头直接做为废砂丢掉外，绝大部分溃散砂芯混入旧砂中。逐渐积累致使砂系统容纳不下，必需随时排掉一些旧砂块成为废砂。这些砂块都是远离铸件没受到高温加热的优良品质砂子，被扔掉确实可惜。请问国外类似产品工厂有无办法减少擦洗砂消耗量和旧砂扔掉量？
国外多砂芯铸造工厂和研究单位认为最好的办法是将旧砂再生处理后做为制芯的主要材料。用湿型旧砂制造砂芯的障碍是含有相当多的膨润土以及一些其它粉尘物质。这些物质与大多数砂芯粘结剂不相容，需要采用再生方法除掉。日本有人用离心式擦磨机加工处理经过干燥的湿型旧砂，研究结果表明：旧砂预先经过干燥可使粘土膜较易脱落，能够减少擦磨处理的反复次数。用机械再生砂配制壳芯砂最为理想，因为在覆膜温度下壳芯树脂的粘度高，不易向砂粒上残留粘土层渗透。而且擦磨处理会使砂粒形状变得较为圆整，壳芯砂的强度甚至比用新原砂的还高。配制冷芯盒芯砂要求再生后泥分降低最好到<0.8％。再生砂80％与原砂20％掺和后芯砂的可使用时间和吹气硬化强度与用全新原砂配制的芯砂差不多。美国较多采用热––机械复合方法处理湿型旧砂，经700～800℃左右加热焙烧可以去除湿型旧砂中的粘结剂等有机物质，还能使包覆在砂粒表面的粘土膜脆化和易于擦磨脱落。随后用气力或机械方法进行再生处理。75％再生砂和25％新原砂掺和在一起用于呋喃自硬砂、酚醛/酯自硬砂、酚醛树脂热芯盒砂的结果也与冷芯盒砂的情况相似。荷兰一家公司的旧砂用沸腾床烘干，只经机械再生处理，再生砂生产率达60 t/日。冷芯盒砂芯中78％为再生砂，12％为破碎砂芯，10％新原砂以补充损失。我国长春一汽铸造公司2005年1月建成废砂再生线，先加热到700℃以上烧去有机物，再打磨砂粒去除表面烧结膜。但再生砂的耗酸量高达20mL以上，只能用于混制壳芯砂，难以制热芯盒和冷芯盒砂芯。笔者估计其原因是我国铸造工厂的湿型砂粘结剂为活化膨润土，膨润土中加入了的Na2CO3。再生砂粒残留碱性物质不利于冷、热芯盒砂的固化。
另外一个办法是采用分别落砂：铸件冷却后敞开上型，取出带有砂芯的铸件单独落砂，所得砂子主要是已被烧枯的溃散砂芯和少量掺杂的型砂，可以用擦磨方法进行再生处理。然后与不超过20％的新原砂混合用来制芯，不必增加树脂加入量即可得到同样砂芯强度。留在砂箱中的砂子只含少量砂芯，经破碎、过筛后就可用于混制湿型砂，可以减少溃碎砂芯对型砂性能的不利影响。分别落砂的优点是大大地减少新原砂消耗量和废砂丢弃量，但是要求车间的布置和设备安装进行调整。

收起

砂型铸造的材料很多：原砂、粘结剂、附加剂。原砂有水洗砂、擦洗砂、精选砂，粘胶剂有：黏土、树脂等