1 概述

    粘土砂型可分為濕型、干砂型和表面烘干砂型,。三者之間的主要差別在于：濕型是造好的砂型不經(jīng)烘干,，直接澆入高溫金屬液體,；干砂型是在合箱和澆注前將整個(gè)砂型送入窯中烘干；表面烘干砂型只在澆注前對(duì)型腔表層用適當(dāng)方法烘干一定深度（一般5～10mm，大件20mm以上）,。
    目前，濕型砂是使用最廣泛的,、最方便的造型方法,，大約占所有砂型使用量的60～70％，但是這種方法還不適合很大或很厚實(shí)的鑄件,。表面烘干型與干型比,，可節(jié)省烘爐，節(jié)約燃料和電力,，縮短生產(chǎn)周期,，所以曾在中型和較大型鑄鐵件的生產(chǎn)中推廣過(guò)。通常采用較粗砂粒（使有高的透氣性）,，加入較多粘土和水分,，有時(shí)還在型砂中加1～2％的木屑（提高抗夾砂結(jié)疤能力），其型腔表面必須涂敷涂料,。
    干型主要用于重型鑄鐵件和某些鑄鋼件,，為了防止烘干時(shí)鑄型開(kāi)裂，一般在加入膨潤(rùn)土的同時(shí)還加入普通粘土,。干型主要靠涂料保證鑄件表面質(zhì)量,。其型砂和砂型的質(zhì)量比較容易控制，但是砂型生產(chǎn)周期長(zhǎng),，需要專門(mén)的烘干設(shè)備,，鑄件尺寸精度較差，因此,，近些年的干型,，包括表面烘干的粘土政型已大部分被化學(xué)粘結(jié)的自硬砂型所取代。

2 濕型鑄造

2.1濕型鑄造特點(diǎn)
    濕型鑄造法的基本特點(diǎn)是砂型（芯）無(wú)需烘干,，不存在硬化過(guò)程,。其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)靈活性大,，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短,，便于組織流水生產(chǎn),，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化；材料成本低,；節(jié)省了烘干設(shè)備,、燃料、電力及車間生產(chǎn)面積,；延長(zhǎng)了砂箱使用壽命等,。但是，采用濕型鑄造,，也容易使鑄件產(chǎn)生一些鑄造缺陷,，如：夾砂、結(jié)疤,、鼠尾,、粘沙、氣孔,、砂眼,、脹砂等。隨著鑄造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，對(duì)金屬與鑄型相互作用原理的理解更加深刻,；對(duì)型砂質(zhì)量的控制更為有效；加上現(xiàn)代化砂處理設(shè)備使型砂質(zhì)量得到了一定保證,；先進(jìn)的造型機(jī)械使型砂緊實(shí)均勻,，起模平穩(wěn)，鑄型的質(zhì)量較高,，促進(jìn)了濕型鑄造方法應(yīng)用范圍的擴(kuò)大,。例如汽車、拖拉機(jī),、柴油機(jī)等工業(yè)中,，質(zhì)量在300～500kg以下的薄壁鑄鐵件，現(xiàn)都已成功地采用濕型鑄造�,，F(xiàn)代化造型方法有：普通機(jī)器造型,、微震壓實(shí)造型、多觸頭高壓造型,、射壓造型,、沖擊造型及靜壓造型等。各種造型方法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度值見(jiàn)表1。

2.2 濕型砂用原材料(鑄造用砂數(shù)據(jù)查詢)

   濕型砂是由原砂,、粘土,、附加物及水按一定配比組成的。常用的加料順序是先將回用砂和新砂,、粘土粉,、煤粉等干料混勻,，再加水混至要求的水分,。型砂的配方應(yīng)根據(jù)澆注合金種類、鑄件特征和要求,、造型方法和工藝,、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍，然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格,、砂處理方法和設(shè)備性能,、砂鐵比等因素?cái)M定。

   (1) 石英質(zhì)原砂(具體參數(shù)請(qǐng)查詢鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)-鑄造技術(shù)-鑄造工藝參數(shù)-鑄造造型材料-鑄造用砂)
    鑄造生產(chǎn)中使用量最大的原砂是以石英為主要礦物成分的天然硅砂,。天然硅砂資源豐富,，分布極廣，易于開(kāi)采,，價(jià)格低廉,，能滿足鑄造上多數(shù)情況的要求。生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類,、質(zhì)量,、壁厚的不同來(lái)選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500℃左右,，鋼液含碳量較低,，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強(qiáng)還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其他金屬氧化物,，因而較易與型砂中雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成化學(xué)粘砂,。所以要求原砂中SiO2含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制,。鑄鋼件的澆注溫度越高,，壁厚越厚，則對(duì)原砂中SiO2含量的要求就越高,。

表1 各種造型方法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度

    (2) 非石英質(zhì)原砂
    非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只會(huì)少量游離SiO2的原砂,。雖然硅砂來(lái)源廣，價(jià)格低，能滿足一般鑄鐵,、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的要求而得到廣泛應(yīng)用,，但是硅砂還有一些缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，熱擴(kuò)散率比較低,，蓄熱系數(shù)比較低,，容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì)對(duì)鑄型與金屬的界面反應(yīng)起不良影響,。在生產(chǎn)高合金銅鑄件或大型鑄鋼件時(shí),，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷,，使鑄件的清理十分困難,。清砂過(guò)程中，工人長(zhǎng)期吸入硅石粉塵易患矽肺,。
    為了提高鑄件表面質(zhì)量,，改善勞動(dòng)條件，在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來(lái)配制無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂,、芯砂或涂料,。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度,、熱導(dǎo)率,、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻,，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點(diǎn),，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高,，比較稀缺,，故應(yīng)當(dāng)合理選用。目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石破,、鋯砂,、鉻鐵礦砂、石灰石砂,、鎂砂,、剛玉砂、鈦鐵礦砂,、鋁礬土砂等等,。

    (3) 粘土(粘結(jié)劑數(shù)據(jù)查詢)
    粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤(rùn)后具有粘結(jié)性和可塑性,，烘干后硬結(jié),，具有干強(qiáng)度,。而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性，因而具有較好的復(fù)用性,。粘土資源豐富,，價(jià)格低廉，所以應(yīng)用廣泛,。
粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料,。按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石（kaolinite）組，包括高嶺石,、珍珠陶土,、地開(kāi)石、埃洛石等,；蒙脫石（montrillonite）組,，包括蒙脫石,、貝得石,、綠脫石、皂石等,；伊利石（illite）組,，包括依利石、海綠石等,。
    鑄造工作者通常根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土（fireclay）和鑄造用膨潤(rùn)土兩類,。膨潤(rùn)土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑,。鑄造用粘土主要含有高嶺石或依利石類礦物,。

    (4) 附加物(輔助材料數(shù)據(jù)查詢)
    型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外,，通常還加入一些附加物如煤粉,、渣油、淀粉等,，目的是使型砂具有特定的性能,，并改善鑄件的表面質(zhì)量。
    在鑄鐵及有色合金用濕型砂中加入煤粉,，可以防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷,，并能改善鑄件的表面光潔程度。濕型鑄鐵件所用型砂中煤粉的含量常在3～8％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi),，根據(jù)鑄件大小和厚薄而異,。
    煤粉的代用材料，包括固體瀝青或其乳化液,，渣油或煤焦油或其乳合液,，膨潤(rùn)土與瀝青或其他石油衍生物的混合粉末或漿液，固態(tài)或水中分散的合成聚合物和淀粉等。鑄鐵面砂中淀粉含量（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）一般為0.5％左右,，鑄鋼面砂在0.5～1.0％左右,。

3 濕型砂性能要求及檢測(cè)方法

    高質(zhì)量型砂應(yīng)當(dāng)具有為鑄造出高質(zhì)量鑄件所必備的各種性能。根據(jù)鑄件合金的種類,，鑄件的大小,、厚薄、澆注溫度,、金屬液壓頭,、砂型緊實(shí)方法、緊實(shí)比壓,、起模方法,、澆注系統(tǒng)的形狀、位置和出氣孔情況,，以及砂型表面風(fēng)干情況等的不同,，對(duì)濕型砂性能提出不同的要求。最主要的,，即直接影響鑄件質(zhì)量和造型工藝的濕型性能有水分,、透氣性、強(qiáng)度,、緊實(shí)率,、變形量、破碎指數(shù),、流動(dòng)性,、含泥量、有效粘土含量,、顆粒組成,、緬化物、砂溫,、發(fā)氣性,、有效煤粉含量、灼燒減量,、抗夾砂性,、抗粘砂性等。

3.1 水分,、最適宜濕程度和緊實(shí)率
    為了得到所需要的濕態(tài)強(qiáng)度和韌性,，粘土砂必須含有適量水分，太干或太濕均不適于造型,，也難鑄造出合格鑄件,。因此,，型砂的干濕程度必須保持在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。
判斷型砂干濕程度有以下幾種方法：
    （l）水分也叫含水量或濕度 它是表示型砂中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù),，這是一般工廠中確定型砂干濕程度最常用的傳統(tǒng)方法,。測(cè)定的原理是稱取定量的型砂，放入105～110℃烘干裝置中使之干燥,，由烘干前后的質(zhì)量差異計(jì)算出型砂的水分,。
    （2）手捏感覺(jué) 有實(shí)際操作的混砂或造型工人常根據(jù)用手捏型砂時(shí)砂是否容易成團(tuán)和是否沾手來(lái)判斷型砂的干濕程度，還根據(jù)捏緊動(dòng)作中砂是否柔軟和變形情況來(lái)判斷型砂的可塑性,；根據(jù)手指掐碎砂團(tuán)時(shí)用力大小來(lái)判斷型砂的強(qiáng)度是否合適,。
    （3）緊實(shí)率 是指濕型砂用 1MPa的壓力壓實(shí)或者在鼓擊式制作機(jī)上打擊三次，其試樣體積在緊實(shí)前后的變化百分率,，用試樣緊實(shí)前后高度變化的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示,，見(jiàn)圖1，即緊實(shí)率=［（筒高一緊實(shí)距離）筒高］×100%,。
手工和機(jī)器造型用型砂最適干濕狀態(tài)下的緊實(shí)率接近50％,；高壓造型和氣沖造型時(shí)為35～45％；擠壓造型時(shí)為35～40％,；不管型砂中有效膨潤(rùn)上,、煤粉和灰分的含量有多少，只要將緊實(shí)率控制在上述范圍內(nèi),，手捏感覺(jué)的干濕程度就處于最適宜狀態(tài)。這時(shí)型砂的水分可稱為最適宜水分,。

圖1 緊實(shí)率測(cè)定法示意圖
a)填滿型砂b)刮去多余型砂c)緊實(shí)

3.2 透氣性
    緊實(shí)的型砂能讓氣體通過(guò)而逸出的能力稱為透氣性,。
    透氣性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布,、粒形,、含泥量、粘結(jié)劑種類,、加入量和混砂時(shí)粘結(jié)劑在砂粒上的分布狀況以及型砂緊實(shí)度的影響,。對(duì)于濕型的單一砂和面砂而言，透氣性不但要有下限,，而且必須嚴(yán)格規(guī)定其上限,。
圖2為透氣性測(cè)定儀原理圖，它是測(cè)出氣鐘內(nèi)的空氣在壓力下通過(guò)試樣的時(shí)間來(lái)計(jì)算透氣性k,。

圖2透氣性測(cè)定儀示意圖
1 一氣鐘 2一木簡(jiǎn) 3一三通閥 4一試樣座 5一試樣筒 6一標(biāo)準(zhǔn)試樣 7一微壓表 8一阻流孔

3.3 濕態(tài)強(qiáng)度
    型砂必須具備一定的強(qiáng)度以承受各種外力的作用,。型砂的強(qiáng)度用型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣在外力作用下遭到破壞時(shí)的應(yīng)力值來(lái)表示。常用計(jì)量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa),。濕型鑄造時(shí),，往往主要檢查型砂石的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度,，有的也測(cè)濕態(tài)抗剪強(qiáng)度和濕態(tài)抗拉強(qiáng)度。對(duì)普通機(jī)器造型用濕型砂,，通�,？刂茲駢簭�(qiáng)度為0.06~0.12MPa之間，高密度造型用濕型砂,，濕壓強(qiáng)度�,？刂圃�0.09~0.20MPa。
    在生產(chǎn)中常采用表面硬度計(jì)測(cè)定硬度,，以此反映型砂緊實(shí)的質(zhì)量,，反映鑄型表面強(qiáng)度。

3.4 流動(dòng)性
    型砂在外力或自重作用下,，沿模樣和砂粒之間相對(duì)移動(dòng)的能力稱為流動(dòng)性,。流動(dòng)性好的型砂可形成緊實(shí)度均勻、無(wú)局部疏松,、輪廓清晰,、表面光潔的型腔，這有助于防止機(jī)械粘砂,，獲得光潔的鑄件,。此外，還能減輕造型緊實(shí)砂的勞動(dòng)強(qiáng)度,，提高生產(chǎn)率和便于實(shí)現(xiàn)造型,、造芯過(guò)程的機(jī)械化。
    目前測(cè)流動(dòng)性的方法還未統(tǒng)一,，較多采用以下幾種方方法來(lái)判定型砂流動(dòng)性：①用濕型硬度計(jì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試樣兩個(gè)端面硬度值的差別,，硬度差別越小，指明型砂的流動(dòng)性越好,；②在標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣簡(jiǎn)中放置一塊高25mm的半圓形金屬塊,，測(cè)定階梯試樣兩平面的硬度差值；③測(cè)定在底側(cè)有環(huán)形空腔型砂試樣筒中沖擊成的試樣的高度,；④側(cè)孔法：測(cè)定在沖擊型砂試樣時(shí)圓柱形試樣簡(jiǎn)側(cè)面 12mm 小孔中擠出的型砂的質(zhì)量,。⑤試樣質(zhì)量法：即對(duì)比測(cè)定緊實(shí)率后的試樣質(zhì)量，容積密度愈大,，則流動(dòng)性好,。

3.5 起模性、變形量,、韌性和破碎指數(shù)
    型砂的起模性是表示起模時(shí)模樣或模板與砂型分離是否容易損壞,，是否產(chǎn)生掉落的性能。
    型砂的變形量通常是在用強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定型砂抗壓強(qiáng)度的同時(shí),，用一個(gè)百分表測(cè)出試樣破碎前的變形量（高度減小量）,。由此也可計(jì)算出型砂韌性,，即將型砂濕壓強(qiáng)度(MPa)承變形量(cm)再乘1000的乘機(jī)來(lái)表示韌性(MPa.cm).
    對(duì)濕型砂而言，有人認(rèn)為韌性也可用破碎指數(shù)來(lái)代表,，即測(cè)定在沖擊條件下型砂的韌性,。圖3為用落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖。濕型砂標(biāo)準(zhǔn)抗壓試樣放在鐵砧上受到一個(gè)自 lm高度自由落下的φ50mm,、510g鋼球的沖擊,，破碎的型砂，碎的通過(guò)網(wǎng)眼為12.7mm（0.5in）的篩網(wǎng),，留在篩網(wǎng)上的大塊型砂的質(zhì)量占試樣原質(zhì)量的比值即為破碎指數(shù),。通常震壓造型的破碎指數(shù)控制在68～75％，高壓造型型砂的破碎指數(shù)要求在68％左右,。

3.6 發(fā)氣量和有效煤粉含量
    為了檢查鑄鐵件用濕型砂的抗機(jī)械粘砂能力和推算出型砂中有效煤粉含量,，我國(guó)普遍采用的是測(cè)定型砂發(fā)氣性的辦法。發(fā)氣性（發(fā)氣量）測(cè)定大都是讓待測(cè)定量樣品在密閉體系中加熱氣化,，或測(cè)定所產(chǎn)生氣體的容積（用單位質(zhì)量析出的氣體體積表示,，cm／g）；或測(cè)定氣體的壓力（容積恒定,，發(fā)氣量大,，壓力大）；或稱量殘留物的質(zhì)量（灼燒堿量）,，以確定發(fā)氣量,。

4 濕型砂制備

    在擬定型砂的配方之前，必須首先根據(jù)澆注合金種類,、鑄件特征和要求,、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍,。然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能,、砂鐵比和各項(xiàng)材料燒棉比例等因素?cái)M定型砂的配方一個(gè)車間的型砂性能指標(biāo)和配方要經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)考驗(yàn)才能確定,。

4.1 濕型砂的性能和配方特點(diǎn)
    表2是一些工廠用型砂性能的實(shí)例。

表2 鑄鐵件濕型砂典型性能

4.2 舊砂的特性及其處理
    生產(chǎn)1t濕型鑄件約需要5～10t型砂,，在實(shí)際生產(chǎn)中,，配制型砂時(shí)都盡量回用舊砂（即重復(fù)使用過(guò)的型砂）、這不僅是經(jīng)濟(jì)上的需要,，而且也是保護(hù)環(huán)境,、防止公害的需要。圖4為鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程的示意圖,�,？梢钥闯�,，混砂時(shí)還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤(rùn)土,、煤粉和水等材料,，才能使混制出的型砂性能符合要求。
    鑄件打箱后,，砂中常有鐵塊,、鐵豆和砂塊等雜物，因而舊砂要經(jīng)過(guò)多次磁選,、破碎團(tuán)塊及過(guò)篩去除雜物,。還應(yīng)該經(jīng)過(guò)除塵處理，降低舊砂中的粉塵含量,，然后回用,。另外，還要采取一系列措施以降低舊砂溫度,。

圖4鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程示意圖

4.3 濕型砂的混制工藝
    生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式,、擺輪式、葉片式等,。有些大量生產(chǎn)的鑄造工廠使用的雙碾盤(pán)碾輪式混砂機(jī),，是一種高生產(chǎn)率的連續(xù)式混砂機(jī)。常用的加料順序是先將回用砂和新砂,、粘土粉,、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分,。對(duì)濕型砂而言,，混砂時(shí)嚴(yán)格控制加水量是必要的。