第3章 濕型砂

3.1 濕型砂用主要原材料

61.什么是粘土砂型?粘土砂型的類型和特點(diǎn)是什么?

粘土砂型根據(jù)在合型和澆注時(shí)的狀態(tài)不同可分為濕型(濕砂型或潮型,green sand mold)、干型(dry sand mold)和表面烘干型(表干砂型,skin dried mold)。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；干型是在合型和澆注前將整個(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)。

濕型用的濕型砂按造型時(shí)情況不同,可分為面砂(facing sand)、背砂(backing sand)和單一砂(units and)等。面砂是指特殊配制的在造型時(shí)鋪覆在模樣表面上構(gòu)成型腔表面層的型砂；背砂是在模樣上覆蓋在面砂背后,填充砂箱用的型砂。在砂型澆注時(shí),面砂直接與高溫金屬液接觸,它對(duì)鑄件質(zhì)量有重要影響。一般中、小件造型時(shí),往往不分面砂與背砂,而只用一種型砂,稱為單一砂。

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,便于組織流水線生產(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(chē)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、粘砂、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鑄造技術(shù)的發(fā)展,以及先進(jìn)的造型機(jī)械和砂處理設(shè)備的使用,使型砂緊實(shí)均勻,起模平穩(wěn),鑄型質(zhì)量得到了很大保證,促進(jìn)了濕型鑄造方法應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。例如汽車(chē)、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,目前均已成功地采用濕型鑄造。目前,濕型砂造型也是使用最廣泛、最方便的造型方法,大約占所有砂型使用量的60%～70%。

表面烘干型與干型相比,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)。

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,一般以普通粘土為主,有需要時(shí)加入少量膨潤(rùn)土。干型主要靠涂料來(lái)保證鑄件表面品質(zhì)。其型砂和砂型的品質(zhì)較易控制,但砂型生產(chǎn)周期長(zhǎng),需要專門(mén)的烘干設(shè)備,鑄件尺寸精度差,因此近年來(lái)干型(包括表干型)的粘土砂型已大部分被化學(xué)粘結(jié)劑砂所取代。

62.什么是粘土?粘土的礦物成分及結(jié)晶特征是什么?

粘土是由各種含有鋁硅酸鹽礦物的巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)化、熱液蝕變或沉積變質(zhì)作用等生成的土狀材料,它主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成。

粘土是濕型砂和干模砂的主要粘結(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。但如果烘烤溫度過(guò)高,粘土被燒死或燒枯,就不能再加水恢復(fù)塑性。粘土資源豐富,價(jià)格低廉,所以應(yīng)用廣泛。

(1)粘土的礦物成分 粘土礦物的種類很多,按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石組(包括高嶺石、珍珠陶土、地開(kāi)石、埃洛石等)、蒙脫石組(包括蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等)和伊利石組(包括伊利石、海綠石等)。粘土是由各種含有鋁硅酸鹽礦物的巖石經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的風(fēng)化、熱液蝕變或沉積變質(zhì)作用等生成的。粘土在沉積過(guò)程中,?；祀s有一些非粘土礦物,如石英、長(zhǎng)石、云母等,以及少量有機(jī)物質(zhì)。只有其中的粘土礦物才是產(chǎn)生粘結(jié)能力的基本材料。非粘土礦物和有機(jī)雜質(zhì)一般都不起粘結(jié)作用。

粘土與水混合后,其中所含的粘土礦物容易分散為細(xì)粒,直徑大多數(shù)在1～2μm以下。其他礦物的顆粒直徑大部分大于1～2μm。鑄造上把直徑小于20μm的細(xì)粒稱為“泥分”,泥分中不一定含有粘土礦物。

在鑄造行業(yè)所采用的粘土分為鑄造用粘土和鑄造用膨潤(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伊利石類礦物,常用做干型砂和修爐、修包材料的粘結(jié)劑。

(2)粘土的結(jié)晶特征 各種粘土之所以具有不同的性能,其基本原因是粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同。通過(guò)X射線衍射法的研究,可以得知按照粘土礦物的晶層排列,有兩層型、三層型等不同形式。粘土礦物的晶格中都包含著兩種基本結(jié)構(gòu)單位:①硅氧四面體晶片:硅氧四面體是由一個(gè)Si⁺等距離地配上4個(gè)比它大得多的O₂^-(或氫氧離子)構(gòu)成的。每個(gè)硅氧四面體中的三個(gè)氧位于同一平面,稱為底氧。另一個(gè)氧帶負(fù)電荷稱為頂氧,是活性氧。在層狀結(jié)構(gòu)中,每個(gè)四面體的三個(gè)底氧分別和相鄰的三個(gè)底氧四面體共用組成四面體群,在二維平面上排列成六角形的網(wǎng)格,連成無(wú)限延伸的整片。②鋁氧八面體晶片:由一個(gè)鋁(或鐵、鎂)離子居于中心,6個(gè)氧或氫氧等距離排列成八面體。八面體之間共棱相連形成八面體片。

63.什么是鑄造用粘土?其主要礦物組成和理化性質(zhì)是什么?

鑄造用粘土,又稱白泥、甘子土、陶土、瓷土、高嶺土等,主要是由高嶺石組粘土礦物所組成。雜質(zhì)的含量對(duì)粘土的工藝性能有一定的影響。粘土中SiO₂與R₂O₃的摩爾比對(duì)工藝性能也有一定的影響。高純度的高嶺土粘土可用于陶瓷、造紙等行業(yè)。鑄造上所用的高嶺石粘土一般是高嶺石與其他粘土類礦物(例如伊利石)的混合物。

高嶺石組粘土礦物的一般化學(xué)式為Al₂O₃·2SiO₂·2H₂ O,其結(jié)晶結(jié)構(gòu)為兩層型,由一層Si—O四面體和一層Al—(O·OH)八面體構(gòu)成一個(gè)晶體單元。相鄰單位晶層之間由氧面與氫氧面成氫鍵連接。

高嶺石組礦物在研磨過(guò)程中,晶層邊緣的氫氧基上容易出現(xiàn)斷裂形成斷鍵,斷鍵處的氫易被其他陽(yáng)離子所置換,因此高嶺石組礦物研磨得越細(xì),粘土顆粒的表面積就越大,斷鍵也越多,粘結(jié)力也越好。

高嶺石組粘土礦物遇水后,水分子難以侵入晶層之間,粘土顆粒不產(chǎn)生晶間膨脹,因此粘土的吸水率、膨脹率都比較小,濕強(qiáng)度較低,烘干時(shí)開(kāi)裂傾向較小。

高嶺石組粘土礦物加熱到400～500℃便迅速失去結(jié)構(gòu)水,再升溫到750～800℃則完全失去結(jié)構(gòu)水并轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)水高嶺石。粘土礦物中即使尚含有極少量的水也容易重新吸收水分,但若完全失去水分則要再吸收水分就比較困難。粘土礦物的脫水特性對(duì)粘土砂型的烘干和型砂的老化度都有直接的影響。

由于高嶺石組的粘土礦物具有較小的膨脹率、收縮率和較高的耐火度,所以鑄造用粘土主要用做需要烘干的粘土砂型和砂芯的粘結(jié)劑。對(duì)于較大的鑄件所用的干型,選用的鑄造用粘土應(yīng)有較高的干強(qiáng)度和耐火度。

64.鑄造用粘土的分級(jí)情況及技術(shù)指標(biāo)如何?

根據(jù)JB/T 9227—1999《鑄造用膨潤(rùn)土和粘土》的規(guī)定,鑄造用粘土分級(jí)情況及技術(shù)指標(biāo)如下:

1)鑄造用粘土按耐火度的不同分為兩級(jí),見(jiàn)表3-1。

表3-1 鑄造用粘土按耐火度分級(jí)

2)鑄造用粘土按工藝試樣濕壓強(qiáng)度值分為三級(jí),見(jiàn)表3-2。

表3-2 鑄造用粘土按濕壓強(qiáng)度值分級(jí)

注:混合料配制:標(biāo)準(zhǔn)砂2kg,粘土200g,加水量按緊實(shí)率45%控制,干混2min,濕混8min。

3)鑄造用粘土按工藝試樣干壓強(qiáng)度值分為三級(jí),見(jiàn)表3-3。

表3-3 鑄造用粘土按干壓強(qiáng)度分級(jí)

注:混合料配制同表3-2,試樣在(180±5)℃保溫1h,在干燥器中冷卻至室溫后進(jìn)行測(cè)定。

4)鑄造用粘土的牌號(hào)以耐火度等級(jí)和強(qiáng)度等級(jí)表示。在強(qiáng)度等級(jí)中,前者為濕壓強(qiáng)度等級(jí),后者為干壓強(qiáng)度等級(jí)。例如:耐火度高、濕壓強(qiáng)度值為30～50kPa、干壓強(qiáng)度值大于500kPa的鑄造用粘土,其牌號(hào)為NG-3-50。

5)技術(shù)指標(biāo):各種牌號(hào)的鑄造用粘土,其水分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))應(yīng)不大于10%,95%以上應(yīng)通過(guò)140篩號(hào)鑄造用試驗(yàn)篩。

65.什么是膨潤(rùn)土?鑄造用膨潤(rùn)土的礦物成分及結(jié)晶特征是什么?

膨潤(rùn)土是6000萬(wàn)～1.2億年前火山灰沉積的產(chǎn)物。鑄造用膨潤(rùn)土主要由蒙脫石礦物所組成。蒙脫石是一種SiO₂與Al₂O₃的摩爾比在4左右,并含有少量堿金屬和堿土金屬的水化硅酸鋁,其化學(xué)式為Al₂O₃·4 SiO₂·H₂O·nH₂O。

蒙脫石的結(jié)晶結(jié)構(gòu)為三層型,它是由兩層Si-O四面體中間夾一層Al-O(OH)八面體構(gòu)成的晶體單元。所有四面體的尖端都朝向中央的八面體,四面體中的氧與八面體中的氧結(jié)合成公共原子層。因?yàn)檫@個(gè)原子層均為氧面,僅靠較弱的范德華引力連接,容易破碎成極細(xì)的顆粒,遇水后,水分子及其他離子容易進(jìn)入相鄰單位晶層之間,引起蒙脫石晶格沿c軸方向膨脹,由0.96nm膨脹到2.140nm。因此,蒙脫石具有較大的吸水膨脹性、膠體分散性、吸附性、離子交換性和濕態(tài)粘結(jié)性能等。

晶體結(jié)構(gòu)以及晶格膨脹的特點(diǎn)使蒙脫石比高嶺石具有更高的濕強(qiáng)度,其強(qiáng)度受顆粒大小的影響較小。蒙脫石加熱至100～200℃,即失去大部分結(jié)晶層間所吸附的水分；500～700℃失去結(jié)晶水,基本結(jié)束脫水作用；加熱到800℃以上,晶格破壞,礦物轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)定形物質(zhì)；再加熱到1100～1200℃,即開(kāi)始出現(xiàn)高溫新相。根據(jù)以上幾方面的特點(diǎn),所以膨潤(rùn)土一般主要用做粘土濕砂型的粘結(jié)劑。

66.鑄造用膨潤(rùn)土的技術(shù)指標(biāo)及分級(jí)情況如何?

天然蒙脫石按主要的交換性陽(yáng)離子種類和相對(duì)含量進(jìn)行分類,主要有鈉蒙脫石、鈣蒙脫石、鎂蒙脫石、鋰蒙脫石、氫蒙脫石等。鑄造生產(chǎn)中常用的有鈣基膨潤(rùn)土、鈉基膨潤(rùn)土以及一些混合基膨潤(rùn)土。

根據(jù)JB/T 9227—1999《鑄造用膨潤(rùn)土和粘土》的規(guī)定,鑄造用膨潤(rùn)土分類、分級(jí)情況及技術(shù)指標(biāo)如下:

1)鑄造用膨潤(rùn)土按其主要交換性陽(yáng)離子分類。以膨潤(rùn)土代號(hào)“P”及主要交換性陽(yáng)離子的化學(xué)元素符號(hào)來(lái)表示。

如某一交換性陽(yáng)離子量占陽(yáng)離子交換容量的50%或50%以上時(shí),稱其為主要交換性陽(yáng)離子；如任一交換性陽(yáng)離子量均占陽(yáng)離子交換容量的50%以下時(shí),以其中含量相對(duì)較多的兩種交換性陽(yáng)離子表示(含量較多的陽(yáng)離子的符號(hào)在前)。

例如:以鈉離子為主要交換性陽(yáng)離子的膨潤(rùn)土以PNa表示,稱為鈉膨潤(rùn)土；以鈣離子與鈉離子為主要交換性陽(yáng)離子的膨潤(rùn)土以PCaNa表示,稱為鈣鈉膨潤(rùn)土。

2)鑄造用膨潤(rùn)土按pH值的不同又可分為酸性、堿性兩類,分別用S和J表示。

3)鑄造用膨潤(rùn)土按工藝試樣濕壓強(qiáng)度值分為4級(jí),見(jiàn)表3-4。

表3-4 鑄造用膨潤(rùn)土按濕壓強(qiáng)度值分級(jí)

注:混合料配制:標(biāo)準(zhǔn)砂2000g,膨潤(rùn)土100g,干混2 min然后加水40mL再混8min后測(cè)定緊實(shí)率。當(dāng)緊實(shí)率小于43%時(shí),可加少量水(外加水量可按每毫升水提高緊實(shí)率1.5%估算)濕碾2min,再檢查緊實(shí)率,若緊實(shí)率大于47%,將試料過(guò)篩1～2次再檢查緊實(shí)率,緊實(shí)率在43%～47%的范圍內(nèi)即可。

4)鑄造用膨潤(rùn)土按工藝試樣熱濕拉強(qiáng)度值分為4級(jí),見(jiàn)表3-5。

表3-5 鑄造用膨潤(rùn)土按熱濕拉強(qiáng)度值分級(jí)

5)鑄造用膨潤(rùn)土的牌號(hào)按分類、分級(jí)代號(hào)順序排列表示。例如濕壓強(qiáng)度值30～50kPa、熱濕拉強(qiáng)度值為0.5～1.5kPa的酸性鈣膨潤(rùn)土,其牌號(hào)為PCaS-3-5。

6)技術(shù)指標(biāo):各種牌號(hào)的鑄造用膨潤(rùn)土,其吸附亞甲基藍(lán)量每100g土至少應(yīng)在20g以上；水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)應(yīng)不大于12.0%,冬季允許不大于15%；其質(zhì)量的95%以上應(yīng)通過(guò)200號(hào)鑄造用試驗(yàn)篩。

67.鑄造用膨潤(rùn)土有哪些主要性能?其質(zhì)量如何評(píng)定?

鑄造膨潤(rùn)土的性能包括物理性能、鑄造性能和復(fù)用性能等,各自相應(yīng)的性能指標(biāo)見(jiàn)表3-6。

表3-6 鑄造用膨潤(rùn)土的性能指標(biāo)

膨潤(rùn)土的質(zhì)量主要由濕態(tài)粘結(jié)力、熱濕態(tài)粘結(jié)力以及復(fù)用性等性質(zhì)來(lái)評(píng)定。

(1)膨潤(rùn)土的濕態(tài)粘結(jié)力 在濕型砂中,膨潤(rùn)土的主要作用是將松散的砂粒粘結(jié)在一起,使砂型具有適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度、硬度、韌性。如果鑄造廠所使用的膨潤(rùn)土粘結(jié)力差,為了使?jié)裥蜕熬哂兴蟮男阅?就必須加入較多的膨潤(rùn)土。這不僅使生產(chǎn)成本提高,而且增加了型砂的含水量,還會(huì)引起鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。影響膨潤(rùn)土濕態(tài)粘結(jié)力的因素有多種,其中主要是膨潤(rùn)土的純度。此外,膨潤(rùn)土磨粉的粗細(xì)、分散程度高低、蒙脫石晶體的晶粒大小等因素也有很大影響。

(2)膨潤(rùn)土的熱濕態(tài)粘結(jié)力 在金屬液澆入濕型中之后,型砂由于受高溫烘烤,石英在573℃發(fā)生相變而急劇膨脹；同時(shí)砂型表面水分向內(nèi)遷移產(chǎn)生水分凝聚區(qū),使膨潤(rùn)土的粘結(jié)力下降。由于經(jīng)受不住石英膨脹所產(chǎn)生的橫向剪切力和向外凸出的拉力,砂型表面開(kāi)裂而造成鑄件表面夾砂、結(jié)疤、鼠尾等缺陷。這時(shí)膨潤(rùn)土應(yīng)當(dāng)具有的粘結(jié)力是一種熱態(tài)(100℃左右)和過(guò)濕態(tài)(含水量大約為通常型砂含水量的2～3倍)下的熱濕態(tài)粘結(jié)力。

(3)膨潤(rùn)土的復(fù)用性 又稱為膨潤(rùn)土的熱穩(wěn)定性或耐用性,是指在砂型中經(jīng)高溫金屬液加熱的膨潤(rùn)土再次加入水分后,仍然具有粘結(jié)力,能夠反復(fù)配制型砂的性能。不同膨潤(rùn)土的晶體結(jié)構(gòu)破壞的溫度和速度有很大差別。如果鑄造廠所選用的膨潤(rùn)土復(fù)用性差,舊砂回用時(shí)必須補(bǔ)充加入較多的新膨潤(rùn)土,這樣一方面提高了鑄件生產(chǎn)成本,同時(shí)又使被燒損的死粘土積累速度加快,型砂含水量增加。

68.如何測(cè)定膨潤(rùn)土的濕態(tài)粘結(jié)力、熱濕態(tài)粘結(jié)力以及復(fù)用性?

(1)濕態(tài)粘結(jié)力 鑄造廠型砂實(shí)驗(yàn)室最常用的檢測(cè)膨潤(rùn)土濕態(tài)粘結(jié)力方法有兩種:型砂工藝試樣濕強(qiáng)度法和吸藍(lán)量法。

1)型砂工藝試樣濕強(qiáng)度法:膨潤(rùn)土能使砂型具有一定的強(qiáng)度,因此,檢測(cè)濕型砂試樣濕態(tài)抗壓強(qiáng)度成為判斷膨潤(rùn)土濕態(tài)粘結(jié)力最直接的方法。具體試驗(yàn)步驟見(jiàn)相關(guān)資料。

2)膨潤(rùn)土的吸藍(lán)量法:膨潤(rùn)土的純度(即蒙脫石含量)與其粘結(jié)能力有極為密切的關(guān)系。一般情況下,膨潤(rùn)土的純度越高,其粘結(jié)力也越大。在專門(mén)的研究單位中可以用X射線衍射等方法比較準(zhǔn)確地測(cè)定出膨潤(rùn)土中蒙脫石含量。然而這不但需要特殊的儀器設(shè)備,而且也要專門(mén)的檢測(cè)技術(shù)。在鑄造廠的型砂實(shí)驗(yàn)室中可以采用測(cè)定膨潤(rùn)土的吸藍(lán)量的辦法大體推算出其純度。

膨潤(rùn)土中的蒙脫石比其他粘土礦物和膨潤(rùn)土中的石英等雜質(zhì)吸附亞甲基藍(lán)(C₁₆H₁₈N3 SCl·3H₂O,相對(duì)分子質(zhì)量為373.88)或其他色素的能力要強(qiáng)烈得多,因此用吸藍(lán)量可以檢驗(yàn)膨潤(rùn)土的純凈程度,也可以用來(lái)檢驗(yàn)型砂中有效膨潤(rùn)土含量。其測(cè)定方法分為比色法和滴定法兩種。比色法的原理是稱取一定質(zhì)量的試樣與過(guò)量的亞甲基藍(lán)溶液混合,使之充分吸附；然后用比色計(jì)測(cè)出殘余液中剩余亞甲基藍(lán)量,即可計(jì)算出試樣的吸藍(lán)量。此法由于操作較復(fù)雜,還需要使用比色計(jì)等儀器,目前使用不多。滴定法不需要任何特殊儀器設(shè)備,操作又較簡(jiǎn)單,更適合鑄造廠的型砂實(shí)驗(yàn)室使用。

用吸藍(lán)量?jī)H僅能夠大致推算膨潤(rùn)土的濕態(tài)粘結(jié)力大小。為了更準(zhǔn)確地檢測(cè)出膨潤(rùn)土的濕態(tài)粘結(jié)力,最好直接采用測(cè)定工藝試樣濕態(tài)強(qiáng)度的方法。

(2)熱濕態(tài)粘結(jié)力 鑄造廠評(píng)價(jià)膨潤(rùn)土熱濕態(tài)粘結(jié)力的方法有熱濕拉強(qiáng)度法和膨潤(rùn)土的膨潤(rùn)性能法兩種。

1)熱濕拉強(qiáng)度法:不論是天然的還是人工活化的膨潤(rùn)土,其所含交換性鈉、鉀離子越多,型砂的熱濕拉強(qiáng)度就越高,抗夾砂能力就越強(qiáng)。此外,膨潤(rùn)土的純度也影響其熱濕拉強(qiáng)度。熱濕拉強(qiáng)度的具體試驗(yàn)方法見(jiàn)相關(guān)資料。

在實(shí)際鑄造生產(chǎn)中并不是都要求使用鈉基膨潤(rùn)土或者達(dá)到極限程度的活化膨潤(rùn)土配制型砂,因?yàn)槭褂眠@樣的膨潤(rùn)土在混砂時(shí)會(huì)產(chǎn)生團(tuán)塊,而且型砂的流動(dòng)性、落砂性較差。國(guó)外的汽車(chē)鑄件通常選用鈉基和鈣基兩種膨潤(rùn)土混合的膨潤(rùn)土或不完全活化膨潤(rùn)土,這樣不但可以避免上述缺點(diǎn),還可以降低生產(chǎn)成本,而且對(duì)于防止夾砂類缺陷已經(jīng)足夠。

如鑄造廠的型砂實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有熱濕拉強(qiáng)度測(cè)試儀,可以采用三倍于通常型砂水分含量下的常溫抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)大致估算出膨潤(rùn)土的熱濕拉強(qiáng)度。

2)膨潤(rùn)土的膨潤(rùn)性能法:膨潤(rùn)土在水中的膨脹性能與膨潤(rùn)土吸附陽(yáng)離子的種類和數(shù)量密切相關(guān)。各種交換性陽(yáng)離子的含量可采用原子吸收光譜分析技術(shù)來(lái)精確測(cè)定。在鑄造廠的型砂實(shí)驗(yàn)室中,可以利用測(cè)量膨潤(rùn)土在水中的膨脹量估算出膨潤(rùn)土中鈉、鉀離子含量及這兩種離子在總陽(yáng)離子交換量中所占比例。試驗(yàn)時(shí)將膨潤(rùn)土在水中均勻分散成懸浮液,靜置一定時(shí)間后,觀察在容器的底部形成沉淀物的多少,通常以膨潤(rùn)值、膠質(zhì)價(jià)或膨脹倍數(shù)表示,具體試驗(yàn)方法見(jiàn)相關(guān)資料。

(3)膨潤(rùn)土復(fù)用性 鑄造廠檢驗(yàn)膨潤(rùn)土復(fù)用性的方法也可分為工藝試樣法和吸藍(lán)量法兩種。

1)工藝試樣法:將烘干后的膨潤(rùn)土在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃幾種溫度下焙燒后,各稱取100g,與2000g標(biāo)準(zhǔn)砂按緊實(shí)率45%±2%加水混砂,測(cè)定工藝試樣的濕壓強(qiáng)度,繪出濕壓強(qiáng)度和膨潤(rùn)土焙燒溫度的關(guān)系曲線,由粘結(jié)力的下降趨勢(shì)判斷膨潤(rùn)土的復(fù)用性能好壞。

2)吸藍(lán)量法:將烘干后的膨潤(rùn)土約0.5g盛在磁舟內(nèi),置入管式爐中先緩慢加熱,然后分別在200℃、300℃、400℃保溫焙燒1h。冷卻后稱取0.2g,測(cè)定其吸藍(lán)量,并繪出焙燒溫度與吸藍(lán)量變化曲線。由吸藍(lán)量的下降趨勢(shì)即可判斷膨潤(rùn)土的復(fù)用性。

69.膨潤(rùn)土的人工鈉化的實(shí)質(zhì)是什么?其鈉化工藝有哪些?

有些濕型鑄造生產(chǎn)要求型砂具有較高的抗夾砂能力和較高的復(fù)用性能。這就希望使用鈉基膨潤(rùn)土或含有一定數(shù)量鈉離子的鈉鈣基膨潤(rùn)土。我國(guó)天然鈣基膨潤(rùn)土資源豐富,而且開(kāi)采供應(yīng)方便。相比之下,天然鈉基膨潤(rùn)土的資源較少。為了適合鑄造廠對(duì)鈉基膨潤(rùn)土的需要,可用碳酸鈉等鈉化劑對(duì)鈣基膨潤(rùn)土進(jìn)行處理,使原來(lái)所含的鈣離子部分或絕大部分被鈉離子置換,稱為膨潤(rùn)土的“鈉化處理”或“活化處理”。這一過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡(jiǎn)單示意如下:

Ca²⁺蒙脫石+Na₂CO₃→Na⁺蒙脫石+CaCO₃

活化膨潤(rùn)土?xí)r的碳酸鈉加入量通常為膨潤(rùn)土質(zhì)量的3%～5%。膨潤(rùn)土的鈉化反應(yīng)能否充分進(jìn)行的關(guān)鍵在于鈉化的工藝。我國(guó)有些鑄造廠在混砂時(shí)向砂和膨潤(rùn)土中加入粉狀或碳酸鈉的水溶液。這種工藝處理后的鈉離子不能充分地被蒙脫石晶體吸收和與鈣離子相互置換,不但需要多加碳酸鈉,而且還可能引起鑄件表面粘砂缺陷。較好的活化工藝有濕法和干法兩種。

1)濕法工藝是將膨潤(rùn)土和水配成泥漿后加入碳酸鈉,經(jīng)強(qiáng)力攪拌而成。這種方法適用于配制鑄型涂料。如果用于濕型砂,需經(jīng)過(guò)脫水、干燥、破碎、磨粉等復(fù)雜工序,所以難以在鑄造廠應(yīng)用,只能在膨潤(rùn)土加工廠進(jìn)行。

2)干法工藝是由膨潤(rùn)土加工廠將開(kāi)采出的膨潤(rùn)土破碎成小顆粒,與碳酸鈉混合成具有一定濕度的混合料。有時(shí)還要添加少量增效助劑,加入擠壓機(jī)(如輪碾機(jī)、雙螺旋擠壓機(jī)、對(duì)輥擠壓機(jī)等)中反復(fù)擠壓,然后存放數(shù)日老化,從而完成鈉化反應(yīng)過(guò)程,再經(jīng)低溫烘干、破碎制粉,即可得鈉化膨潤(rùn)土產(chǎn)品。擠壓是膨潤(rùn)土鈉化工藝的關(guān)鍵,因?yàn)閺?qiáng)力擠壓作用可使鈣基膨潤(rùn)土的團(tuán)塊產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而分離,增加與鈉離子的接觸,而使交換速度加快。擠壓摩擦可產(chǎn)生大量的熱,加快了離子運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)范圍。在較大的機(jī)械力作用下,蒙脫石彼此連接的化學(xué)鍵遭到破壞,也有利于吸附帶有相反電荷的鈉離子。這些方法都有助于鈉化反應(yīng)的充分進(jìn)行。

70.如何選用鑄造用膨潤(rùn)土?

膨潤(rùn)土的性能指標(biāo)及其穩(wěn)定性取決于其礦源及原礦儲(chǔ)備量、供應(yīng)商的研發(fā)能力、質(zhì)量保證系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備和檢驗(yàn)設(shè)備,以及制造商的技術(shù)服務(wù)能力等方面的因素。

研究結(jié)果表明,蒙脫石顆粒表面所吸附的水,最里層呈有規(guī)則的排列,其密度及粘滯性普通液態(tài)水大,稱為非液態(tài)水。非液態(tài)水的性質(zhì)和層數(shù)對(duì)膨潤(rùn)土的工藝性能有重要的影響。蒙脫石顆粒表面所吸附的水的特性,與晶層間和八面體中陽(yáng)離子的種類及交換容量有很大關(guān)系。鈉蒙脫石顆粒表面非液態(tài)水有3個(gè)分子層,比鈣蒙脫石略小,但從非液態(tài)水到液態(tài)水之間有一個(gè)逐漸轉(zhuǎn)變的過(guò)渡層,比鈣蒙脫石大6～7倍,因此鈉基膨潤(rùn)土具有較好的水分適應(yīng)性,型砂中水的加入量可降低,而且在水分較高時(shí)仍能保持較好的強(qiáng)度,反映在工藝性能上即具有較高的熱濕拉強(qiáng)度和抗夾砂能力,更適于在夾砂傾向較大的砂型上使用。鈉基膨潤(rùn)土與鈣基膨潤(rùn)土工藝性能見(jiàn)表3-7。

表3-7 鈉基(天然鈉基及活化)膨潤(rùn)土與鈣基膨潤(rùn)土工藝性能比較

然而,鈣基膨潤(rùn)土型砂具有易混碾、流動(dòng)性好、落砂容易、舊砂中團(tuán)塊少等優(yōu)點(diǎn),而且在我國(guó)鈣土產(chǎn)地分布較廣,售價(jià)低廉。因此,不應(yīng)理解為只有鈉基膨潤(rùn)土才是高質(zhì)量膨潤(rùn)土。對(duì)于生產(chǎn)中小鑄件的工廠而言,可能鑄件本來(lái)就不易產(chǎn)生夾砂結(jié)疤缺陷,尤其是濕型鑄鐵型砂中含有煤粉等附加物和使用SiO₂較低的原砂,在能防止砂結(jié)疤的情況下,使用鈣基膨潤(rùn)土通?？梢匀〉昧己眯Ч?。

鑄造廠應(yīng)當(dāng)根據(jù)本廠生產(chǎn)鑄件的特點(diǎn)確定使用膨潤(rùn)土的質(zhì)量級(jí)別。如果所生產(chǎn)的濕型鑄件比較重要,要應(yīng)用濕態(tài)粘結(jié)力較高或蒙脫石含量較高的優(yōu)質(zhì)膨潤(rùn)土。這樣可以減少膨潤(rùn)土的加入量,降低型砂的含泥量,減少型砂的吸水物質(zhì)。其結(jié)果是型砂的含水量低,鑄件不易生成氣孔類缺陷。

如果所生產(chǎn)的鑄件具有較大的平面,或者砂型的表面在澆注時(shí)受金屬液的高溫烘烤而又不能立即被金屬液覆蓋,就要求型砂具有足夠高的熱濕態(tài)粘結(jié)強(qiáng)度,否則鑄件會(huì)產(chǎn)生夾砂類缺陷。為了防止鑄件產(chǎn)生夾砂類缺陷和提高膨潤(rùn)土的復(fù)用性,應(yīng)當(dāng)使用活化膨潤(rùn)土,或者用鈉基與鈣基混合膨潤(rùn)土。膨潤(rùn)土的活化程度或鈉、鈣基膨潤(rùn)土的混合比例應(yīng)根據(jù)鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及生產(chǎn)中造型和澆注的具體條件而定。

71.國(guó)內(nèi)外主要鑄造用膨潤(rùn)土的資源及產(chǎn)地情況如何?

全世界現(xiàn)已探明的膨潤(rùn)土總儲(chǔ)量約25億t,其中美國(guó)、中國(guó)和俄羅斯的儲(chǔ)量最多,約占3/4,其次是西班牙、希臘和德國(guó)。全世界膨潤(rùn)土的礦藏中,鈣基膨潤(rùn)土約占70%～80%,鈉基膨潤(rùn)土的儲(chǔ)量不多,主要在美國(guó)西部的懷俄明州及其周邊地區(qū)。目前,全世界膨潤(rùn)土年產(chǎn)量約1000萬(wàn)t,其中美國(guó)約500萬(wàn)～600萬(wàn)t,中國(guó)250萬(wàn)～300萬(wàn)t,日本約60萬(wàn)t,西班牙、希臘和德國(guó)都在50萬(wàn)t左右。

我國(guó)膨潤(rùn)土礦藏分布很廣,但主要是鈣基膨潤(rùn)土,鈉基膨潤(rùn)土目前尚未發(fā)現(xiàn)有開(kāi)采價(jià)值的礦點(diǎn),品位也不是很好。

我國(guó)膨潤(rùn)土的主要產(chǎn)區(qū)是遼寧建平、凌源、黑山一帶,不僅儲(chǔ)量豐富,而且出產(chǎn)的鈣基膨潤(rùn)土品質(zhì)很好,已成為世界各國(guó)關(guān)注的重點(diǎn)。許多國(guó)際知名企業(yè),如世界最大的膨潤(rùn)土生產(chǎn)、供應(yīng)廠商美國(guó)膠體公司(American Colloid Company),以生產(chǎn)人工活化鈉基膨潤(rùn)土著稱的德國(guó)南化公司,希臘的Silver&Baryte公司等,都已在這一帶建立獨(dú)資或合資生產(chǎn)企業(yè)。

浙江的臨安、余杭一帶,安徽的黃山、銅陵、六安一帶,河南信陽(yáng)一帶也有比較豐富的礦藏。

此外,吉林、河北、山東、江蘇、湖北、福建、廣西、四川及新疆等省(區(qū))也都有膨潤(rùn)土產(chǎn)出。

由于國(guó)產(chǎn)膨潤(rùn)土中鈣基膨潤(rùn)上占90%以上,為了提高粘土濕型砂的質(zhì)量,目前鑄造行業(yè)中所用的膨潤(rùn)土,除少數(shù)外資企業(yè)、合資企業(yè)自美國(guó)進(jìn)口少量天然鈉基膨潤(rùn)土外,大都是經(jīng)活化處理的人工鈉基膨潤(rùn)土。

在鑄造行業(yè)快速發(fā)展的推動(dòng)下,我國(guó)很重視膨潤(rùn)土資源的開(kāi)發(fā),目前這一產(chǎn)業(yè)已具有可觀的規(guī)模,除產(chǎn)量大幅度增長(zhǎng)外,加工、處理的工藝也不斷改善,產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)國(guó)際水平。

72.鑄造用煤粉的主要原料煤是什么?其在濕型砂中起什么作用?

煤按煤化程度的不同可分為褐煤、煙煤、無(wú)煙煤。鑄造用煤粉首先應(yīng)屬煙煤類。煙煤按煤化程度又可細(xì)分為長(zhǎng)焰煤、氣煤、肥煤、焦煤、瘦煤和貧煤。根據(jù)煤的特性,有較高揮發(fā)分和適宜的焦渣特征的煙煤是焦煤和肥煤。鑄造用煤粉應(yīng)以肥煤和焦煤為原料,經(jīng)過(guò)精洗、磨制而成。

濕型用煤粉是以煙煤為原料經(jīng)粉碎制成的產(chǎn)品,外觀為黑色或黑褐色細(xì)粉。煤粉的作用是利用煤在高溫的分解及分解后包覆在砂粒表面的碳膜以防止鑄鐵件產(chǎn)生粘砂和夾砂,同時(shí)也起到提高型砂潰散性的作用,因此煤粉中揮發(fā)物的含量是質(zhì)量分級(jí)的主要依據(jù)。煤的揮發(fā)物包括氣體和液體兩部分,因此在控制濕型用煤粉的質(zhì)量方面,除了揮發(fā)物的含量外,對(duì)煤粉的膠質(zhì)層厚度及焦渣特性也應(yīng)加以控制。

目前普遍認(rèn)為適合濕型砂應(yīng)用的優(yōu)質(zhì)煤粉在澆注過(guò)程中的作用如下:

1)在鐵液的高溫作用下,煤粉產(chǎn)生大量還原性氣體,防止鐵液被氧化,并可使鐵液表面的氧化鐵還原,減小金屬氧化物和型砂進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的可能性。型腔中還原性氣體主要來(lái)自煤粉熱解生成的揮發(fā)分,也包括碳與型砂中水分在高溫下反應(yīng)生成的氫氣。

2)煤粉受熱后開(kāi)始軟化,具有可塑性。如果由開(kāi)始軟化至固化之間溫度范圍比較寬和時(shí)間比較長(zhǎng),則可緩沖石英顆粒在該溫度區(qū)間受熱而形成的膨脹應(yīng)力,從而可以減少因砂型受熱膨脹而產(chǎn)生的鑄件夾砂缺陷。

3)煤粉受熱后產(chǎn)生氣、液、固三相的膠質(zhì)體,膠質(zhì)體的體積膨脹可部分地堵塞砂型表面砂粒間的孔隙,使鐵液不易滲入。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212—2008將煤的“焦渣特征”分為8級(jí),能夠區(qū)分煤粉受熱時(shí)是否生成起粘結(jié)作用的液相,以及是否發(fā)生膨脹。

4)煤粉在受熱時(shí)產(chǎn)生的碳?xì)浠?主要為芳烴類)的揮發(fā)分在650～1000℃高溫下,于還原性氣氛中發(fā)生氣相熱解,而在金屬液和鑄型的界面上析出一層帶有光澤的微細(xì)結(jié)晶炭,稱為“光亮炭”或“光澤炭”。這層光亮炭使砂型不受鐵液潤(rùn)濕和難以向砂?？紫吨袧B透,從而得到表面光潔的鑄件。

73.濕型用煤粉的主要理化指標(biāo)有哪些?其對(duì)防粘砂性能有何影響?

煤粉的主要理化指標(biāo)如下:

(1)光亮碳 煤在干餾過(guò)程中產(chǎn)生的氣相產(chǎn)物在高溫深度分解過(guò)程中,產(chǎn)生熱解碳的顯微結(jié)晶,沉積在灼熱的物體上,稱為光亮碳。光亮碳含量高的煤粉受熱析出的光亮碳層使砂型不被鐵液潤(rùn)濕并難以向砂?？紫吨袧B透,從而得到表面光潔的鑄件。光亮碳理論目前已被國(guó)內(nèi)外鑄造工作者普遍接受。

(2)揮發(fā)分JB/T 9222—2008規(guī)定煤粉中除水以外的揮發(fā)物所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)即為煤粉的揮發(fā)分。煤粉應(yīng)具有足夠多的揮發(fā)分,這是在鑄型內(nèi)形成還原性氣氛,以及產(chǎn)生光亮碳所必需的。通常認(rèn)為揮發(fā)分不應(yīng)少于28%,但是也并非越高越好,更重要的是應(yīng)當(dāng)具有良好的形成膠質(zhì)體和分解出光亮碳的能力。長(zhǎng)焰煤和氣煤的揮發(fā)分產(chǎn)率較高,在36%以上,甚至能達(dá)到40%。受熱分解后形成很多對(duì)熱不穩(wěn)定的低沸點(diǎn)液體產(chǎn)物,很快又受熱分解成氣態(tài)產(chǎn)物逸出,膠質(zhì)體的溫度間隔小,滯留時(shí)間短,不能有效堵塞砂粒間的孔隙,而且低沸點(diǎn)揮發(fā)分不利于產(chǎn)生光亮碳層,所以不適合用做濕型砂的抗粘砂附加物。

(3)焦渣特征 焦渣特征反映煤在干餾過(guò)程中軟化、熔融形成膠質(zhì)體,并固化粘結(jié)成焦的特性。焦渣特征按GB/T 212—2008劃分為8級(jí):

1級(jí):粉狀,全部是粉末,沒(méi)有相互粘著的顆粒。

2級(jí):粘著,用手指輕碰即成粉末或基本上是粉末,其中較大的團(tuán)塊輕輕一碰即成粉末。

3級(jí):弱粘結(jié),用手指輕壓即成小塊。

4級(jí):不熔融粘結(jié),以手指用力壓才裂成小塊,焦渣上表面無(wú)光澤,下表面稍有銀白色光澤。

5級(jí):不膨脹熔融粘結(jié),焦渣形成扁平的塊,煤粒的界線不易分清,焦渣上表面有明顯銀白色金屬光澤,下表面銀白色光澤更明顯。

6級(jí):微膨脹熔融粘結(jié),用手指壓不碎,焦渣的上、下表面均有銀白色金屬光澤,但焦渣表面具有較小的膨脹泡(或小氣泡)。

7級(jí):膨脹熔融粘結(jié),焦渣上、下表面有銀白色金屬光澤,明顯膨脹,但高度不超過(guò)15mm。

8級(jí):強(qiáng)膨脹熔融粘結(jié),焦渣上、下表面有銀白色金屬光澤,焦渣高度大于15mm。

根據(jù)煤粉的防止鑄件粘砂的焦炭膜理論和氫氣還原理論可知,鑄造用煤粉在鐵液高溫作用下應(yīng)有較多的膠質(zhì)體,特別是高沸點(diǎn)液相產(chǎn)物,且膠質(zhì)體應(yīng)具膨脹性,以堵塞砂粒間的孔隙,使鐵液不易滲入。上述焦渣特征中,6、7、8三級(jí)具有膨脹性,其中6、7兩級(jí)適于鑄造。應(yīng)避免使用強(qiáng)膨脹熔融粘結(jié)的8級(jí),以避免將砂粒粘結(jié)成大的復(fù)合顆粒而影響型砂的復(fù)用性。焦渣特征為1～4級(jí)的煤粉,即使揮發(fā)分較多,由于膠質(zhì)體量過(guò)低,其抗粘砂效果不良。

測(cè)定煤粉發(fā)氣性后,不銹鋼舟中殘留物的狀態(tài)與測(cè)定煤粉揮發(fā)分后瓷舟中的殘留物焦渣特征非常相似。因?yàn)閮烧叩脑囼?yàn)條件都是煤粉在干餾條件下熔融、析氣、固化的結(jié)果,因此,用發(fā)氣性測(cè)定儀也能夠完成焦渣特征的測(cè)定。

(4)粒度JB/T 9222—2008《濕型鑄造用煤粉》規(guī)定煤粉的粒度應(yīng)95%以上通過(guò)0.106mm(140目篩)的篩孔。許多企業(yè)按此標(biāo)準(zhǔn)制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。但歐美各國(guó)所用煤粉的粒度比我國(guó)粗,而且認(rèn)為根據(jù)鑄件的大小和厚薄不同,對(duì)粒度應(yīng)有不同要求。煤粉粒度粗些的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)環(huán)境污染小,較大鑄件的凝固時(shí)間長(zhǎng),粗粒煤粉可以保持較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)氣,而且有助于改善型砂的透氣性。澆注時(shí)細(xì)粒煤粉會(huì)立即燃燒掉而不能持久發(fā)揮作用。但是煤粉的粒度也不可太粗,否則型砂變脆,修型困難,靠近澆口處易被沖刷,鑄件表面粗糙。重要的是不可有大于1mm的顆粒,不然鑄件局部表面會(huì)出現(xiàn)痘疤缺陷或氣孔缺陷。要求鑄件表面光潔的小鑄件則選用較細(xì)的煤粉,原則是煤粉的粒度應(yīng)比原砂稍細(xì)些。高緊實(shí)度造型(如擠壓造型、多觸頭高壓造型、氣沖造型)不可用極細(xì)煤粉,以免因透氣性下降過(guò)多而使鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。

此外,煤粉中的灰分、水分、硫分,要求其含量越低越好。

根據(jù)JB/T 9222—2008《濕型鑄造用煤粉》的規(guī)定,濕型用煤粉質(zhì)量分為3級(jí)(見(jiàn)表3-8)。

表3-8 濕型用煤粉的技術(shù)指標(biāo)(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

74.在濕型中添加煤粉的主要問(wèn)題是什么?

煤粉雖然是一種很好的型砂附加物,但隨著人們對(duì)煤粉作用機(jī)理認(rèn)識(shí)的深化和環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng),煤粉的各種缺陷逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

1)由于煤粉的原料——工業(yè)用煤在我國(guó)是一種很重要的能源材料,而且用于加工鑄造用煤粉的原料煤必須是優(yōu)質(zhì)煤。隨著能源危機(jī)的日益嚴(yán)重,如果在濕型砂中繼續(xù)使用煤粉,將面臨著被截流的危險(xiǎn)。

2)由于煤粉的光亮碳生成率較低,對(duì)于厚壁鑄件,當(dāng)煤粉加入量不足時(shí),起不到防粘砂作用,而當(dāng)煤粉的加入量較大時(shí),會(huì)大大降低型砂的透氣性,而且煤粉的焦化是吸熱反應(yīng),會(huì)使鐵水冷卻得更快,不易控制灰鐵的冷卻工藝。

3)煤粉在燃燒后將殘留下一些低熔點(diǎn)的灰分殘?jiān)?這些灰分與死粘土一起包覆在砂粒表面,造成“魚(yú)卵石化”,使型砂的耐火度降低,增加了型砂次生機(jī)械粘砂的傾向,而且型砂中灰分的大量積累會(huì)導(dǎo)致型砂透氣性的下降,含水量增加。煤粉砂在循環(huán)使用時(shí),灰分含量增加很快,需要補(bǔ)加大量的新砂才能保證型砂的其他性能不降低,這又使得鑄件的成本增加。

4)由于煤粉是黑色粉狀物,所以從加工、運(yùn)輸、貯存直到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程都是塵埃飛揚(yáng),嚴(yán)重惡化了環(huán)境衛(wèi)生,使周?chē)娜藗兩钍芷浜?。另?煤粉在澆注時(shí)發(fā)出難聞的氣味,冒出大量濃煙,這種煙氣中含有有毒物一氧化碳和致癌物3,4-苯并花,而且煤粉煙霧的累積物以及煤粉在缺氧狀態(tài)下燃燒生成的煤焦油也屬于致癌物。

75.什么是煤粉的代用品?主要有哪些?

煤粉代用品是指在濕型砂中可以完全替代或部分替代煤粉的材料,在混砂時(shí)與煤粉共同加入,相互配合使用。作為濕型鑄造的煤粉代用品種類繁多,分類介紹如下:

(1)油類 主要是石油煉制過(guò)程中的油狀產(chǎn)品或副產(chǎn)品,這些產(chǎn)品的光亮碳形成能力約為40%。如果油類的粘度不高,可以在混砂時(shí)直接加入。例如用廢機(jī)油代替部分煤粉,面砂中加入煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%～3%,廢機(jī)油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.6%～1%,使鑄件的表面粘砂有所改善,提高起模性,氣孔類缺陷下降。但是廢機(jī)油的來(lái)源有限,不適合大量生產(chǎn)中應(yīng)用,常用渣油代替。

(2)合成樹(shù)脂及聚合物 可以是粉狀的聚苯乙烯、聚丙烯酸胺、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。其中常以聚苯乙烯作為煤粉代用品。聚苯乙烯的光亮碳形成能力高達(dá)80%～85%,揮發(fā)分接近100%,平均粒度0.15mm,型砂中加入量?jī)H為煤粉質(zhì)量的1/9～1/6。由煤粉更換成聚苯乙烯粉以后,型砂的需水量可降低20%,透氣性提高,氣孔缺陷減少；型砂緊實(shí)流動(dòng)性提高,砂型緊實(shí)度增加,鑄件尺寸更精確；車(chē)間空氣中CO含量降低,澆注時(shí)產(chǎn)生的苯乙烯單體含量未超過(guò)允許含量。用煤粉時(shí),車(chē)間粉塵中煤粉殘留物約為50%,而聚苯乙烯不存在這種殘留物,對(duì)環(huán)境和工作場(chǎng)地的污染最小。但是在各種煤粉代用品中聚苯乙烯的價(jià)格最貴。

(3)植物類產(chǎn)品 有粉狀淀粉(普通淀粉、淀粉和面粉)、植物樹(shù)脂、植物纖維粉等材料。雖然淀粉并不形成光亮碳,但能有效地防止鑄件粘砂。例如在手工造型的濕型砂中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的面粉可以大大改善鑄鐵件表面質(zhì)量。我國(guó)有兩家靜壓造型的鑄造工廠,按照日本汽車(chē)鑄造工廠的技術(shù),在灰鑄鐵型砂中不加煤粉,改為加入α淀粉。其中一家工廠的型砂中泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為8%～9%、緊實(shí)率為35%～40%時(shí),型砂中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)只有2.4%～2.7%,透氣性高達(dá)200～240。另一家工廠型砂中泥的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為7%～11%,型砂中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.7%～3.2%,透氣性為160～200。由于型砂中不加煤粉就可以減少型砂的有效膨潤(rùn)土含量,并使含水量降低。不加煤粉還可以使型砂的流動(dòng)性好、起模容易、對(duì)環(huán)境污染小。但在較大規(guī)模鑄造生產(chǎn)中,使用淀粉完全替代煤粉會(huì)使鑄件生產(chǎn)成本提高,因此只在混制面砂時(shí)加入淀粉,也可以按一定比例同時(shí)加入淀粉和煤粉,以降低淀粉的消耗。

市場(chǎng)上還有多種“抗粘砂添加劑”、“光亮劑”、“濕型覆膜劑”等商品銷(xiāo)售。但出于商業(yè)目的,都不曾明確說(shuō)明產(chǎn)品的有效成分,也給不出與鑄件質(zhì)量有關(guān)的檢驗(yàn)指標(biāo)(如光亮碳形成能力、焦渣特征、灰分、揮發(fā)分等)。建議鑄造廠在選用任何煤粉代用品之前,應(yīng)該持慎重態(tài)度,一定先進(jìn)行試驗(yàn),例如用同樣鐵液一次澆出四塊階梯試塊進(jìn)行比較,或是先用該產(chǎn)品小規(guī)模使用一段時(shí)間(如1年),再根據(jù)鑄件質(zhì)量和型砂性能的變化決定是否繼續(xù)長(zhǎng)期擴(kuò)大應(yīng)用該種產(chǎn)品。

76.在濕型中,所謂復(fù)合添加劑是指哪些材料?其有何作用?

在濕型中,通常所說(shuō)的復(fù)合添加劑是指增效煤粉、膨潤(rùn)土/有機(jī)物復(fù)合添加劑等。

(1)增效煤粉(合成煤粉、高光亮碳煤粉、高效煤粉)從20世紀(jì)70年代起,歐洲煤粉供應(yīng)廠商考慮到天然煤粉的不足,研制成“增效煤粉”供應(yīng)鑄造廠使用。采用的商品名稱為“合成煤粉”,實(shí)際上是煤粉與一定比例瀝青的混合物。典型的配比(質(zhì)量比)是煤粉80～60,瀝青20～40。配比中的瀝青過(guò)去曾用煤焦油瀝青,現(xiàn)已改用特制的石油瀝青。增效煤粉的兩種成分可以取長(zhǎng)補(bǔ)短,與天然煤粉相比,增效煤粉的揮發(fā)分和光亮碳形成能力較強(qiáng),軟化區(qū)間加寬,灰分和硫分降低,加入量下降,澆注時(shí)煙氣減少。增效煤粉的光亮碳形成能力為12%～20%,在型砂中的加入量大約為天然煤粉的一半。國(guó)產(chǎn)增效煤粉有兩種牌號(hào),見(jiàn)表3-9。

表3-9 國(guó)產(chǎn)增效煤粉牌號(hào)

(2)膨潤(rùn)土/有機(jī)物復(fù)合添加劑 在機(jī)械化大批量生產(chǎn)的鑄造廠中,各造型線的鑄件種類單一,而且都有獨(dú)自的砂處理工步,混砂時(shí)各種原材料的配比也是固定的。因此,供應(yīng)廠商可以將各種附加物(包括煤粉、膨潤(rùn)土、淀粉和其他材料)按比例預(yù)先混合后向鑄造廠銷(xiāo)售。這樣可以簡(jiǎn)化材料的貯存,又可防止煤粉自燃。用戶在混砂加料時(shí),只加入一種物料,使生產(chǎn)控制更加方便。

將膨潤(rùn)土與有機(jī)物進(jìn)行混配制成砂型的復(fù)合添加劑在美國(guó)和歐洲的鑄造企業(yè)已廣泛應(yīng)用。美國(guó)每年的這種添加劑的用量多達(dá)80萬(wàn)t,占膨潤(rùn)土市場(chǎng)的較大份額,混配的有機(jī)物多達(dá)十來(lái)種,一般由兩種膨潤(rùn)土和2～3種有機(jī)物混配而成。表3-10是美國(guó)某公司常用的有機(jī)物添加劑的配方。

表3-10 美國(guó)某公司常用的有機(jī)物添加劑的配方

77.如何選購(gòu)煤粉及復(fù)合添加劑?

煤粉是我國(guó)鑄鐵廠濕型應(yīng)用最為普遍的附加物。應(yīng)用的關(guān)鍵是煤粉的質(zhì)量及用量。長(zhǎng)期使用劣質(zhì)煤粉不但不能防止粘砂和改善鑄件光潔程度,而且還會(huì)給鑄造生產(chǎn)帶來(lái)災(zāi)難性后果。劣質(zhì)煤粉使型砂的性能變脆,濕壓強(qiáng)度雖高但濕剪切強(qiáng)度和濕拉強(qiáng)度降低,起模性能變差,型砂含泥量提高,含水量居高不下,透氣性下降。由于煤粉的質(zhì)量低劣,不得不增大加入量,又導(dǎo)致不得不多加膨潤(rùn)土,使型砂的含水量增加,從而使鑄件氣孔、砂孔缺陷猛增。因此,對(duì)于生產(chǎn)要求表面光潔、無(wú)氣孔和砂孔缺陷的重要鑄件,一定要選用質(zhì)量好的煤粉或增效煤粉。

煤粉的適宜加入量取決于多種因素,如鑄件壁厚、澆注溫度、澆注速度、鐵液壓頭、造型方法、型砂透氣性、砂型硬度、鑄件清理方法等,必須根據(jù)實(shí)際使用效果調(diào)整煤粉的加入量。

78.在濕型砂中添加重油有何作用?其主要性質(zhì)是什么?

重油也稱燃料油,有石油工業(yè)產(chǎn)物和煤焦油工業(yè)產(chǎn)物兩種。鑄造中常用的是石油工業(yè)在提取汽油、煤油和柴油后的塔底油。重油仍可進(jìn)一步減壓分餾,所得塔底油為渣油。重油和適當(dāng)稀釋的渣油可用做鑄造型砂的添加材料,對(duì)防止鑄件粘砂有良好作用。

重油的光亮碳析出量可達(dá)(質(zhì)量分?jǐn)?shù))20%左右,為煤粉的1～6倍。濕型砂中加入適量的重油不但可以減少煤粉的加入量,還可減少型砂中水的加入量,使型砂具有更好的造型性能。

重油或渣油的粘度過(guò)大時(shí)可用柴油適當(dāng)稀釋,渣油除稀釋后作抗粘砂材料外還可作砂芯粘結(jié)劑。重油(渣油)乳狀液配方及性能見(jiàn)表3-11。

表3-11 重油(渣油)乳狀液的配方及性能

① 鈣基膨潤(rùn)土,若用鈉基膨潤(rùn)土可以不加碳酸鈉。