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          粘土湿型砂及其控制要点(二)
          发布者:admin  点击:870

          二、粘土湿型砂的组成

          一般认为,粘土湿型砂是由原砂、膨润土、其他附加材料(如煤粉、淀粉之类)和水组成的。

          对于完全用新砂配制的型砂,情况是这样的。但是,在生产条件下,完全用新砂配制粘土湿型砂的情况是极为罕见的,粘土湿型砂的重要特点之一就是可反复使用。型砂经造型、浇注、冷却、落砂、磁选、筛分、冷却等复杂的工艺过程之后,再由混砂机混制。每一铸造厂,型砂都在其特定的系统中循环使用。混砂时补加新砂、膨润土、附加物和水,是为了弥补工艺过程中的损耗,以保持系统中的砂量不变。

          在反复使用的条件下,由于型砂经受多次机械作用和热作用,不仅有部分膨润土变成死粘土、部分煤粉焦化,砂粒的结构也会发生重大的变化。

          因此,铸造厂现场使用的粘土湿型砂一般都不是简单的混合物,其组成是相当复杂的。

          不同的铸造厂,即使用相同的原材料、相同的型砂配比,其型砂的实际组成却可能很不相同,铸件质量也因而会有很大的差别。

          1、型砂在使用过程中的变化

          铸型浇注以后,各处型砂受热的条件不同,砂粒表面的状况也会有很大的差别。

          靠近铸件的砂粒受高温的作用,表面上由粘土膏形成的粘结膜会完全脱水而成为死粘土,而且还会与其他附加物残留的灰分、附近因受热作用而破碎的砂粒、铸件表面上被氧化而生成的FeO等多种物质烧结在一起,其性质完全不同于浇注前的状态,所以称之为“变质烧结层”。在以后的砂处理过程中,这些砂粒上的变质烧结层受到各种机械作用,一部分会磨掉,一部分会脱落,但总有相当的一部分与砂粒表面烧结得比较牢固而残留下来。当然,这样的砂粒量不很多,而且会分散到其他未受热影响的砂粒之中。

          离铸件较远的砂粒受影响不大。煤粉不会焦化,其他附加物不会被烧蚀,只是粘土膏中的水会部分蒸发,这部分型砂经冷却、加水后可以恢复原先的状态,但脱水的粘土膏吸水恢复状态需相当长的时间,不是一加水马上就能实现的。

          处于上述两种条件之间的型砂,砂粒表面的粘土膏脱水程度较高,还会有部分膨润土因脱除了结晶水而成为死粘土,也会有少量煤粉因脱除挥发分而焦化。其中的死粘土当然不能再具有粘结能力,仍具备活性的粘土因脱水程度高,吸水恢复粘结能力也更为困难。

          以循环使用的系统砂为基础,补加煤粉和其他附加物,按常规的砂处理系统的作业程序混砂,砂粒表面会有变质烧结层,变质烧结层外面是粘土膏,粘土膏在砂粒表面上涂布的情况比全部用新砂配制的均匀一些。补加的煤粉和其他附加物大部分都进入粘土膏中,但由于混砂时间太短,也仍然有少量游离存在,有代表性的砂粒结构如图4所示。


          变质烧结层是型砂中的易熔组分,大约在1100℃左右即可开始烧结,是由含铁、铝的复合硅酸盐和灰分、硅砂碎屑等构成的。厚度适当的变质烧结层能改善砂粒的形貌,且能减轻因硅砂相变膨胀而造成的铸件缺陷,是有益的。在正常的情况下,以旧砂为主配制的型砂,性能及使用效果都优于全用新砂配制的型砂。但是,如变质烧结层太厚,就会导致铸件表面粗糙或粘砂。

          2、粘土湿型砂的组成

          为了在生产条件下控制型砂的组成,F. Hofmann  1970年提出了“型砂组成控制纲要”(silica program)。1975年前后,欧洲和美国就有500家以上的铸造厂据以检查型砂的组成。现在,该技术已逐步完善,在美国、欧洲和日本都颇受重视。按“型砂组成控制纲要”,粘土湿型砂中,除水分以外,主要有以下5种组分。

          (1)活性粘土

          型砂中能吸水膨胀而起粘结作用的膨润土,可用吸蓝法测定其含量。

          (2)含碳材料

          含碳材料(如煤粉、重油、沥青、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等)是铸铁型砂中的重要组分。铸钢用的型砂,虽不加煤粉,但也需加入谷物粉或淀粉之类,这些也都是含碳材料。

          (3)易熔组分

          易熔组分包括砂粒表面上的变质烧结层和粒度小于0.053mm的细粉(270目以下)。型砂中,上述细粉的来源如下:

              ·膨润土在高温下(600"C以上)失去结晶水而成的死粘土:

              ·金属铸型界面上形成的FeO、MnO和硅砂反应生成的硅酸盐细粉:

              ·硅砂在563℃相变膨胀时碎裂形成的细粉;

              ·硅砂因机械作用破碎形成的细粉;

              ·硅砂中所含的长石及其他杂质形成的细粉。

          (4)金属细粒

          (5)砂粒

          在上述5组分的基础上,规定了一项评估型砂质量的指标,即型砂的洁净因素,其定义如下:


          3、生产中所用型砂的实际组成及其与铸件质量的关系

          美国一些铸造厂所用的粘土湿型砂的组成及简要说明见表1。


          表1    美国一些铸造厂所用的粘土湿型砂及相关的铸件质量情况

          日本一些铸造厂所用的粘土湿型砂的组成见表2,其铸件产品质量的情况未见报道。


          表1中,铸造厂8和9,型砂中砂粒含量分别为52.9%和47.2%,易熔组分的含量分别为21.0%和31.0%,铸件表面都有粘砂缺陷,铸造厂9则尤为严重。铸造厂7所用型砂,砂粒含量68%,易熔组分14.2%,虽无粘砂缺陷,但铸件表面比较粗糙。铸造厂4,型砂中易熔组分含量13.2%,砂粒含量也只有70%,由于该厂生产小型铸件,故铸件表面品质仍属较好。

          目前,生产灰铸铁件、可锻铸铁件或球墨铸铁件的铸造厂,型砂中砂粒含量多在70%到85%之间;易熔组分含量多在5%到15%之间。各工厂的具体控制目标,可在多次测定的基础上按具体情况确定。

          型砂中含砂粒85%以上者,只适用于制造铸钢件。对于制造铸铁件并不合适,尤不适于用机器造型。

          用于制造铸铁件的型砂,以保持洁净因素在83~93%之间为好。铸钢件用的型砂则应在90%以上。

          4、粘土湿型砂各组分的测定方法

          上述型砂中的5种组成,可用以下方法测定。

          (1)活性膨润土含量

          先取工厂所用的原砂和膨润土样品,于110℃烘干一小时后,以不同的配比配成试样,测定各试样的吸蓝量数值,然后绘制反映膨润土含量与吸蓝量之间的关系的标准曲线。一般用6组试样,见表3。


          用蒸馏水制备两种试剂:  

              a.含1%焦磷酸钠的水溶液;(焦磷酸钠的规格为化学纯)

              b.含0.2%亚甲基蓝的水溶液;(亚甲基蓝的规格为分析纯)

          将试样置三角烧瓶中,加蒸馏水50ml,再加焦磷酸钠溶液20ml,摇匀后置垫有石棉网的电炉上加热,煮沸5min后取下,冷却到室温。

          用亚甲基蓝溶液滴定:向装有试样的三角烧瓶中,先加入亚甲基蓝溶液预期用量的2/3左右,摇匀,用玻璃棒站一滴点在滤纸上,如深色圆点之外未现蓝绿色晕环,则再加亚甲基蓝溶液1ml摇匀。重复操作,直到滴在滤纸上的圆点边缘出现晕环。记录耗用的溶液总量(ml),即吸蓝量。

          所有的试样均按此测定吸蓝量,画出标准曲线。

          测定型砂中活性膨润土含量时,取砂样置110℃下烘干1小时。称砂样5.00g,按前述方法测定吸蓝量。

          根据测定的吸蓝量,对照标准曲线,即可求出活性膨润土含量。

           (2)含碳材料

          先测定型砂的灼烧减量(LOI),再减去其中活性膨润土中的结晶水量,即是型砂中含碳材料的总量。

          如果原砂的灼烧减量在1.0%以上,就应该在上述试验结果中再核减原砂的灼减量。一般情况下,这一项可不考虑。

          测定型砂的灼烧减量时,取砂样在110℃下烘干1小时。然后,称砂样50g,放在由φ100的石英玻璃皿中,在980℃下保持1.5小时,冷却后称重,算出灼烧减量。

          活性膨润土中的结晶水,大致可按每1%的活性膨润土为0.09%计。例如,型砂中活性膨润土为8%时,应减去的晶格水量为0.09×8%,即0.72%

          从测定的灼烧减量(%)中,减去0.72%,即是含碳材料的含量。

          (3)金属细粒

          测定金属细粒含量时,取经烘干的型砂样50g,按常规方法测定含泥量。

          保留测含泥量剩下的砂样,烘干。冷却后用270目筛分离细粉,筛分时间l0min。

          分离细粉后的砂样,再在980℃烧1~1.5小时,以去除焦化成颗粒的煤粉。

          剩下的砂样称重,记录。然后用下述两方法之一测定金属细粒。

          其一,将砂样分散平铺在光滑的纸上,用强磁铁自下方吸引,使其与砂样分离,分离后称重,即可求出金属细粒含量。

          其二,将砂样置600ml的烧杯中,加蒸馏水100ml,再加浓盐酸100ml。然后用表面皿盖上烧杯,在通风罩下加热,使烧杯内液体接近沸腾但不可沸腾,保持1.5~2小时。略微冷却后,加水冲淡、清洗,但注意别冲走砂粒。洗净后,烘干,称重,按酸煮前后的重量差,即可求出金属细粒含量。

           (4)砂粒

          分离金属细粒后的砂样中,只剩下砂粒和变质烧结层。用磷酸洗去变质烧结层,就是砂粒。

          从砂样中取出10.00g,装在烧杯中,加入200ml 85%的磷酸,煮沸至少1小时,直到溶液颜色不再加深,有时需几小时。

          变质烧结层完全溶蚀后,冷却15min,倒出大部分酸液,冷却到60℃后用热水稀释,加热水时应缓慢地顺烧杯壁加入,操作者应戴防护眼镜。

          多次稀释并按测含泥量法吸出液体后,烘干砂样,称重。

          按分离金属细粒后砂样重量,即可算出型砂中砂粒含量。

          (5)易熔组分

          从100%中减去以上四项的百分数,即是易熔组分含量的百分数。


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