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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。