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        高效煤粉生產廠家

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        高效煤粉鑄造優質鑄件
        鑄造煤粉供應定點單位
        科學管理生產優質煤粉

        鑄造型砂與鑄造技術

        高密度濕型的型砂性能要求

        時間:2008-08-19 00:00:00

        高密度濕型的型砂性能要求
        于震宗(清華大學100084)

        摘要  高密度造型方法對濕型砂性能的要求較普通的機器造型更高。作者在文章中分別說明了高密度型砂的緊實率、含水量、透氣率、濕態強度、含泥量、粒度、有效膨潤土量、有效煤粉量、韌性、起模性、流動性、可緊實性等性能對鑄件品質的影響和控制范圍。為此,作者還用附表中的工廠實際情況作為例證。在本文的最后還提出獲得品質優良型砂的條件。
        關鍵詞  高密度濕砂型 濕型砂性能

        The Property Requirements of Molding Sand for High Density Green Molds
        Yu Zhenzong (Tsinghua University, 100084)

        Abstract  As compared with the common jolt-squeeze molding, the high density molding method demands more strict properties of molding sand. This paper describes the infuenced casting quality and the controlled limit of different molding sand properties, such as compactability, water content, permeability, green strength, AFS clay content, grain fineness, effective bentonite content, effective coal dust content, toughness, stripping property, flowability. The actually used sand properties of several foundries are presented in appended list. Finally, the conditions of molding sand for obtaining best quality castings are also provided.
        Keywords  High density green sand mold     Green sand property

        前言

              高密度造型方法(或稱高緊實度造型,包括多觸頭高壓、氣沖、擠壓、射壓、靜壓、真空吸壓等造型方法)的生產效率高、鑄件品質較好,因而國內應用日益普遍。高密度造型對型砂品質的要求比較嚴格。本文用表格僅列舉出作者搜集的一些比較典型的國內外鑄造工廠實際應用的和部分設備公司推薦的高密度砂型的型砂性能,并在以下段落中加以評論。受紙張寬度限制,只在表格中列出幾種主要的和經常測定的性能。數據搜集來源一部分為近年來中外公開發行刊物,在表格最右側注明刊物名稱和出版年月或期號。另一部分是由各公司或工廠的工程師最近提供的。在表中只標明數據獲得日期而不具體注明工廠名稱。所列舉數據只是當時情況,并不代表目前的實際狀況。表中工廠編號A、B、C分別代表國外工廠(或外資廠)、合資廠、本國廠。符號中“○”—造型機處取樣;“●”—混砂機處取樣;“□”—型砂含泥量;“*”—舊砂含泥量。

        1、緊實率和含水量

              濕型砂不可太干,否則膨潤土未被充分潤濕,起模困難,砂型易碎,表面的耐磨強度低,鑄件容易生成砂孔和沖蝕缺陷。型砂也不可太濕,過濕型砂易使鑄件產生針孔、氣孔、嗆火、水爆炸、夾砂、粘砂等缺陷,而且型砂太粘、型砂在砂斗中搭橋、造型流動性降低,砂型的型腔表面松緊不均,還可能導致造型緊實距離過大和壓頭陷入砂箱邊緣以內而損傷模具和砂型吃砂量過小。表明型砂干濕狀態的參數有兩種:緊實率和含水量。附表中國內各廠的緊實率和含水量除特別注明外,取樣地點可能都在混砂機處。但是型砂緊實率和含水量的控制應以造型處取樣測定為準。從混砂機運送到造型機時緊實率和含水量下降幅度因氣候溫度和濕度狀況、運輸距離、型砂溫度等因素而異。如果只根據混砂機處取樣檢測結果控制型砂的濕度,就要增多少許以補償緊實率和水分的損失。
              多年前的觀點認為手工造型和震壓式機器造型造型機處最適宜干濕狀態的緊實率約在45~50%;高壓造型和氣沖造型為40~45%;擠壓造型要求流動性好,緊實率為35~40%。由表中可以看出鑄件品質較好的工廠的高密度造型的型砂緊實率通常在25~45%范圍內,比起當年有明顯降低。這是由于高密度造型設備的起模精度提高,而且砂型各部位硬度均勻分布的要求使型砂的流動性成為重要因素。工廠的控制原則大多是只要能夠保證起模,就盡量降低緊實率。比較理想的造型機處型砂緊實率集中于34~38%之間,不可高于40%,也避免低于32%。
              從減少鑄件氣孔缺陷的角度出發,要求最適宜干濕狀態下型砂的含水量盡可能低。高強度型砂的膨潤土加入量多,型砂中含有多量灰分,所購入煤粉和膨潤土的品質低劣而需要增大加入量,混砂機的加料順序不良、揉捻作用不強、刮砂板磨損、混砂時間太短,以致型砂中存在多量不起粘結作用的小粘土團塊,都會提高型砂的含水量。根據資料,世界各國高密度造型工廠造型機處的型砂含水量基本上都是分布在2.5~4.2%之間,比較集中于2.8~3.5%。如果生產的鑄件具有大量樹脂砂芯(如發動機鑄件),型砂含水量大多偏于下限,這是由于大量樹脂砂芯潰散后混入型砂使含泥量下降和型砂吸水量降低。
              我國有些鑄造工廠的型砂含水量很高:如表中C-8廠實測高達5.0%,可能與舊砂含泥量高達16.7~18.0%有關。
              型砂的(緊實率)/(含水量)比值可表示每1%型砂含水量能夠形成多少緊實率,最好在10~12。由幾家外商獨資或合資企業的檢驗結果計算比值大多在10~12.7范圍內。曾測定三家鄉鎮鑄造廠的比值只有5.0~8.5之間,說明型砂中吸水物質過多。

        2、透氣率

              砂型的透氣率不可過低以免澆注過程中發生嗆火和鑄件產生氣孔缺陷。但是絕對不可理解為型砂的透氣性能“越高越好”。因為透氣率過高表明砂粒間孔隙較大,金屬液易于滲入而造成鑄件表面粗糙,還可能產生機械粘砂。所以濕型用面砂和單一砂的透氣性能應控制在一個適當的范圍內。對濕型砂透氣率的要求需根據澆注金屬的種類和溫度、鑄件的大小和厚薄、造型方法、是否分面砂與背砂、型砂的發氣量大小、有無排氣孔和排氣冒口、是否上涂料和是否表面烘干等等各種因素而異。用單一砂生產中小鑄件時,型砂透氣性能的選擇必須兼顧防止氣孔與防止表面粗糙或機械粘砂兩個方面。高密度造型的砂型排氣較為困難,要求型砂的透氣率通常稍高些。
              從附表可以看出較為適當的高密度造型型砂透氣率大多在100~140之間。如果型砂透氣率在160以上或更高,除非在砂型表面噴涂料,否則鑄件表面會出現粗糙甚至有局部機械粘砂。附表中A-2的透氣率實測結果竟達250,上、下型都需噴醇基涂料。另一外資工廠的透氣率不作為控制項目,偶爾測得透氣率大約為200~280。觀察其鑄件表面相當粗糙,原因是型砂中混入大量20/40目粗粒潰碎砂芯。實際上,有很多生產發動機的鑄造廠都遇到潰碎砂芯混入舊砂而使型砂透氣率偏高的問題。C-13的鑄件表面并不粗糙,而測得的透氣率高達230~240,是儀器的通氣塞孔洞尺寸過大所致。

        3、濕態強度

              如果型砂濕態強度不足,在起模、搬運砂型、下芯、合型等過程中,砂型有可能破損和塌落;澆注時砂型可能承受不住金屬液的沖刷和沖擊,而造成砂孔缺陷甚至跑火(漏鐵水);澆注鐵水后石墨析出會造成型壁移動而導致鑄件出現疏松和脹砂缺陷。生產較大鑄件的高密度砂型所用砂箱沒有箱帶,高強度型砂可以避免塌箱、脹箱和漏箱。無箱造型的砂型在造型后缺少砂箱支撐也需要具有一定的強度。擠壓造型時頂出的砂型要推動其它造好砂型向前移動,更對型砂的強度提出了較高要求。但是,強度也不宜過高。因為高強度的型砂需要加入更多的膨潤土,不但影響型砂的水分和透氣性能,還會使鑄件生產成本增加,而且給混砂、緊實和落砂等工序帶來困難。以下文章中各種型砂強度的單位均為kPa,不再逐個標明。
        3.1濕壓強度
              一般而言,歐洲鑄造行業對鑄鐵用高密度造型型砂的的濕壓強度值要求較高。歐洲造型機供應商推薦的濕壓強度值范圍在130~250之間,集中于180~220。有些日本鑄造工廠對型砂濕壓強度的要求偏低。除表上所列的豐田上鄉和三菱川崎強度較高以外,很多工廠只有80~180。北美鑄造行業的型砂強度似乎介于歐洲于日本之間。例如福特汽車廠Cleveland鑄造廠排氣管高壓造型型砂為172,萬國收割機公司Loisville鑄造廠生產拖拉機缸體高壓型砂為134~156。有人認為歐洲鑄造工廠的型砂濕壓強度比美、日兩國工廠高的原因之一是由于歐洲鑄鐵用原砂含SiO2較高,型砂中必須加入大量膨潤土才能避免鑄件產生夾砂結疤缺陷。我國工廠高密度造型的型砂濕壓強度比較接近美洲和日本工廠,對于鑄鐵件而言,除個別鑄造廠以外,高密度造型的濕壓強度大多在120~200范圍內,比較集中在140~180。濕壓強度控制值較低的優點之一是即使所使用的振動落砂機破碎效果不好,也不致有大砂塊隨鑄件跑掉。而且很多鑄造工廠所選用膨潤土的品質較差,寧愿型砂的濕壓強度稍低些,就無需加入大量膨潤土,型砂含水量也可低些。高密度濕型鑄鋼需要防止鑄件生成熱裂缺陷,因而所用型砂的濕壓強度大多在70~130之間,以降低對鑄件收縮阻力。
        3.2 濕拉強度和濕劈強度
              從材料力學角度來看,抗壓強度除代表型砂粘結強度以外,也還受砂粒之間摩擦阻力的影響,而抗拉強度無此缺點。通常要求濕拉強度>20kPa。但是測定型砂的濕態抗拉強度必須使用特制的試樣筒和試驗機,所以很多中小鑄造工廠不測定型砂的抗拉強度。有人按照混凝土試驗中曾使用過的辦法將圓柱形標準試樣橫放,使它在直徑方向受壓應力,就可以得出近似抗拉強度的濕態劈裂強度值。我國幾家工廠的要求在30~50范圍內。DISA公司推薦的濕劈強度是30~34,還給出了用劈裂強度估算抗拉強度的近似公式:濕拉強度 = 濕劈強度×0.65。
        3.3 濕剪強度
              濕剪強度比濕壓強度較能表明型砂的粘結力而且容易測定。國外設備公司建議的高密度造型線型砂的濕剪強度值為30~50(剪切力作用在標準試樣的兩端平面上)。A-5實測為52,B-1實測為38~55。另一種較新的測試方法,剪切力作用在試樣圓周面上。這種儀器可以同時測出抗剪強度和剪切斷裂時的變形量。兩種濕剪強度數值是一致的。通常生產用型砂的變形量多在0.40~0.70mm范圍內。例如A-6測得擠壓造型型砂的剪切強度約為60kPa,變形量約在0.50mm。
        3.4 表面強度(表面耐磨性)
              濕砂型應當具有足夠高的表面強度,能夠經受起模、清吹、下芯、澆注金屬液等過程的擦磨作用。否則型腔表面砂粒受外力作用下容易脫落,可能造成鑄件的表面粗糙、砂孔、粘砂等缺陷。在有些鑄造工廠中,從起模到合箱之間砂型敞開放置較長時間,以致鑄型表面水分不斷蒸發,即“風干現象”,可能會導致表面耐磨性急劇下降。間隔時間長,天氣干燥,型砂溫度較高時,風干現象尤其嚴重。美國Dietert公司推薦利用測定造型性的圓筒篩,將兩只圓柱標準試樣并列放置其中,轉動1min后稱量掉落的砂量,用來代表型砂表面耐磨性。日本較多使用的方法是將標準試樣放置在6目篩上,在震擺式篩砂機上震動60s,以震擺前、后試樣重量的比率稱為“表面安定度(SSI)”。例如東久公司推薦水平分型無箱射壓線的型砂試樣濕態即時表面安定度為>88%。該公司調查6家鑄造廠的表面安定度都在88.9~91.0%范圍內。土芳公司調查8家靜壓和氣沖線在77.6~86.6%范圍內,平均82.5%。我國A-1實測結果在70~89范圍內;A-4實測結果是89.9~90.6%。在濕砂型噴涂表面穩定劑或涂料和在型砂中加入淀粉材料都能提高表面耐磨性。為了避免表面安定度試驗的試樣在篩上出現不規則的顛簸翻滾,而使掉落砂量波動。清華大學研制出的耐磨性測定裝置使用鋼絲針布對試樣施加100g正壓力刷磨表面,稱量1 min的磨下量即可代表濕型砂試樣的表面耐磨性。用內蒙精選砂100%,天然鈉基膨潤土或鈣基膨潤土8%,α淀粉量0~1%配制型砂,緊實率按45%控制。不加α淀粉的鈉基膨潤土空白試樣,即時磨損量約為8g,風干2h后磨損量即已增加到40g以上。加入α淀粉1%的鈉基膨潤土試樣即時磨損量降為0.37g,風干2h后磨損量僅約為2g左右。鈣基膨潤土試樣即時磨損量高達16g,加入α淀粉后即時磨損量降為1.8g。

        4、型砂含泥量

              型砂和舊砂的泥分是由有效的膨潤土、煤粉以及無效的灰分組成的。一般型砂比舊砂的泥分含量多出0.5~3.0%。型砂的含泥量直接地影響型砂的各種性能的因素,舊砂的含泥量只是供參考之用。所以應當以型砂含泥量的檢測和控制為主。附表中含泥量除專門注明外大概都是指舊砂而言。
              大多數鑄造廠的型砂和舊砂含泥量過高的原因可能是所使用的原砂、膨潤土和煤粉品質不良,舊砂缺乏有效地除塵處理造成的。還有些發動機鑄造工廠的型砂出現含泥量過低的現象,是舊砂中混入大量潰碎樹脂砂芯造成的,以致型砂適宜含水量太低,透氣率太高,性能難以控制。一些國外生產鑄鐵件工廠型砂含泥量的情況舉例如下:美國的汽車制造廠型砂含泥量大多較低,例如International Harvester生產拖拉機缸體的型砂含泥量為9~10%;GMC生產雪佛蘭缸體型砂為9~11%。德國Meinheim的John Deere工廠的三種型砂含泥量的控制指標分別為10.0~12.5%、11.0~13.0%和11.0~13.5%;Luitpold鑄造廠生產大眾汽缸體用型砂為12~13.5%。日本三菱自動車川崎工廠的SPO線型砂管理標準規定含泥量為12~14%,五十鈴汽車廠型砂含泥量為9.6%。幾家國外鑄造設備公司推薦型砂含泥量在10~13.5%范圍內。我國幾家外資和合資工廠的含泥量(估計均為舊砂)在9.5~13%。但有些本國工廠的舊砂含泥量偏高。例如C-8的B&P線––16.7%;北京和山東兩鄉鎮企業的氣沖線和擠壓線分別為25.8%和28%。山西某紡織機廠Hunter線達16~19%。
              歸納以上的數據可以得出:高密度造型最理想的鑄鐵用型砂(含煤粉)含泥量為10~13%,不應≥14%和≤9%;理想的舊砂含泥量為8~11%,不應≥12%和≤7%。關于型砂泥分中無效的灰分含量,德國Mettman鑄造廠要求灰分不超過3.0%,國外也有人主張應當不超過3.5~5.0%。如果含泥量過高,應當加強各種原材料的選用和檢驗,改善舊砂除塵裝置的工作效果。如果含泥量過低,就應該將除塵系統的排出物部分地返回舊砂系統中。

        5、型砂粒度

              型砂粒度直接影響透氣性和鑄件表面粗糙程度。原砂的粒度并不能代表型砂粒度,因為在鑄造過程中部分砂??赡芷扑槌杉毞?,另一部分可能燒結成粗粒。粒度較粗的砂芯潰碎后也會混入舊砂。經過多次鑄造過程的積累就使型砂的粗細逐漸改變。因此很多工廠將測定過含泥量的型砂用篩分法測定粒度。國外一般認為型砂的粒度分布不可過分集中,最好是4篩分布(停留量超過10%即可算為一篩)。Buhr調查加拿大鑄造廠鑄件品質較好的型砂AFS細度為50~65(大致相當于50/140或140/50目),四篩分布。日本新東公司要求射壓型砂粒度目標值為50~60(相當于50/100~100/50目);川崎三菱自動車作業標準58±2(大致相當于100/50目)。幾家國內外資和合資工廠如A-1工廠洗后粒度48.5~51;A-4實測型砂去泥后粒度65.2;B-1實測52~54。經驗表明發動機鑄造工廠型砂粒度接近50/100左右的原因是有大量潰散砂芯混入。造成后果是型砂透氣性可能高達180以上,砂型表面不噴涂料就會導致鑄件表面粗糙,甚至出現粘砂。如果粒度過粗,最好加入特定粒度(例如100和140目兩篩砂)的細粒原砂、或旋流除塵器的砂粒來調整。還有人提出停留在200目、270目和底盤的微粒含量應當為3~5%,以便降低型砂對水分的敏感性。

        6、有效膨潤土量

              一般濕型鑄造生產中,都是根據型砂實測的濕態抗壓強度高低補加膨潤土。如果型砂中灰分含量多而含有效膨潤土量不足,也仍會顯得濕壓強度較高。這種型砂的性能變脆,起模性變壞,透氣性下降,同樣緊實率下的含水量提高。鑄件容易產生夾砂、沖砂、砂孔、氣孔等缺陷。自五十年代末期起美國有些人陸續通過大量有關型砂的濕壓強度、含水量、緊實率和膨潤土加入量關系繪制成直線和折線形成的網格圖。后來又將“膨潤土”改稱為較為籠統的“粘結劑”。從網格圖可得出總的粘結劑含量稱為可用粘結劑量(AB);還又得出型砂中真正起著粘結砂粒作用的粘結劑量稱為工作粘結劑量(WB)。又從網格圖推導出AB和WB的兩個計算式。我國有個別外資鑄造工廠也引用這些計算式,例如A-2高壓造型用型砂計算得出:AB=8.1~8.3%,WB=4.3~4.7%。到80年代末期起,美國有人考慮到濕型砂中大多數含有煤粉,膨潤土含量已超過繪圖時的5~7%,而且鈉基膨潤土和鈣基膨潤土是按不同比例摻合使用,混碾效率有所提高,所繪制出的網格圖是由極為復雜的曲線形成的,已不能用簡單的數學式計算出AB和WB。此外,各國的膨潤土和原砂資源各異,更難于簡單地利用前述的網格圖和計算公式。從上世紀六、七十年代起,國內外大多數工廠已開始改用亞甲基藍吸附量檢驗型砂的有效膨潤土含量。
              型砂中最適宜的有效膨潤土含量不僅取決于對型砂濕態強度的要求如何,所用膨潤土的品質如何,也還受型砂中的膨潤土是否混合均勻的影響。因此各廠型砂的有效膨潤土含量都有相當大的差異。例如國外造型機設備公司要求高密度造型的型砂有效膨潤土含量6~9%。我國使用一般品質膨潤土的本國工廠大多為8~11%,而使用優質膨潤土的型砂有效膨潤土量可以降低到6~7%。我國膨潤土的品質相差懸殊,測得有效膨潤土量(%)并不能直接說明型砂的粘結強度,不如用吸藍量表示。例如有的工廠要求高密度型砂的吸藍量為55~65mL。
              當年作者將亞甲基藍溶液濃度定為0.2%時,通常的型砂吸藍量都不超過40mL。如今高密度造型型砂的亞甲基藍溶液的滴定量都超過了50mL滴定管的容積。因此,建議可將型砂試料量縮減成2.50g,將測得滴定量乘以2即可得出試料量5.00g時的滴定量。我國有些外資企業采用美國AFS標準的亞甲基藍溶液濃度0.374%,例如A-1靜壓型砂要求吸藍量為30±1mL,如亞甲基藍濃度按0.20%計算,測定出的吸藍量乘以0.374/0.200,即乘以1.87。要求應為54.4~58.1mL。A-7工廠實測的高壓型砂滴定量為31~33.5mL,如亞甲基藍溶液濃度按照0.20%計算應為58.1~62.8mL。
              型砂的有效膨潤土是指全部仍然具有粘結能力的膨潤土而言。生產用型砂中有一部分膨潤土自己積聚成粘土團或砂豆,成為對型砂不起粘結作用的“潛在膨潤土”。主要形成原因是型砂制備時混合不均勻。美國有人將前面所述的工作粘土量(WB)除以可利用粘土量(AB)做為混砂機效率,也用來說明型砂的膨潤土利用率,即起粘結作用的膨潤土占膨潤土總量的比率有多少,認為通常在55~65%。A-2計算得出的混砂機效率為52.6~56.6%。作者推薦的方法是取鑄造工廠現用的型砂,在實驗室小混砂機中先將緊實率調整成45±2%,測定其濕態強度。然后每次繼續混碾1min,同時補充加水少許以保持型砂緊實率穩定不變,直到濕態強度不再升高為止,即達到“峰值強度”為止?;焐皺C的混砂效率可以按下式計算:混砂機的混砂效率(%)=實際混砂強度/型砂峰值強度×100。

        7、型砂的有效煤粉量和灼減量

              生產鑄鐵件的濕型砂大多加入煤粉,但是每次混砂時煤粉的補加量需要靠型砂和舊砂的有效煤粉量差值來確定。因此必須采取既方便、又準確的檢測方法測定出型砂有效煤粉量。國外靠測定型砂或舊砂的的灼減量(通常簡寫為LOI,美國又稱為可燃物總量)、揮發分、含碳量,固定碳量等參數推測有效煤粉量。我國幾家外資和合資企業的型砂灼減量如下:B-1高壓造型要求4.0~5.5%;A-3的FBM造型用型砂目標值為2.5~4.5%;A-7擠壓型砂實測為4.4~4.6%。A-5的FBM造型和A-4擠壓造型的灼減量分別為3.7%和2.0~2.2%,揮發分為3.06%和1.4%。A-1規定面砂和背砂的灼減量分別為4.10±0.30%和3.80±0.30%,總碳量分別為3.00±0.50%和2.80±0.50%。但是各國規定的灼減量和揮發分測試規范有很大差別,而且都不能明確說明型砂中有效煤粉到底有多少百分數。當年作者認為煤粉起抗粘砂作用主要靠揮發分而不是固定碳或灼減量。因而采用反映型砂中揮發分的發氣量來測定有效煤粉量。目前有的國內工廠沒有發氣量測定儀器,也使用灼減量估計型砂中煤粉量。
              鑄鐵件型砂中應有的有效煤粉量因鑄件大小和厚薄、澆注溫度、面砂或單一砂等因素而異。更重要的是因煤粉品質不同而異。例如,應用普通煤粉的高密度造型的型砂中有效煤粉量多為5~7%,應用較高品質煤粉的有效煤粉量可降低到4~5%。如果使用高效煤粉只要3~4%即可。目前我國各地銷售供應的煤粉品質差異較大,有的煤粉中雜質甚多,發氣量較低。高密度造型用型砂發氣量大體應在14~24mL。例如天津某合資廠靜壓線型砂實測為16mL。有些型砂中還含有淀粉類材料或混有潰散芯砂,也都起抗粘砂作用和發生氣體,可以和煤粉一并考慮。還應注意個別煤粉是用揮發分相當高的氣煤或長焰煤制成的。配制出型砂的發氣量雖高但其抗粘砂能力較差,而且鑄件易出氣孔缺陷。因此,用發氣量控制型砂和舊砂中有效煤粉量的方法適合用于揮發分28~37%和灰分≤10%范圍內的煤粉。
              國外靠測定型砂或舊砂的的灼減量(簡寫為LOI,美國又稱為可燃物總量)、揮發分、含碳量,固定碳量等參數做為推測有效煤粉量的參考。美國鑄造學會編著的“型砂試驗手冊”書中規定將烘干的型砂10g盛入試料瓷皿中,放入馬福爐逐漸升溫至1800F(982℃)保持2h后,稱量并計算出燒掉或揮發掉材料占原重量的百分比即為灼減量。揮發分的測定方法為將50g干燥型砂盛入坩堝中,加蓋后置入溫度已達900F(482℃)或1200F(649℃)爐中加熱1h后,稱量并計算出揮發分的百分比。通常認為鑄鐵件濕型砂在649℃時的揮發分為1.5~2.5%,982℃灼減量為3.0~4.5%,其有效煤粉量就是在適宜范圍內。德國鑄造學會規定的灼減量測定方法是稱取預先在105℃烘干的試料約5g(精度0.01g),放入經過焙燒和稱重的瓷坩鍋中,在850℃的氧化氣氛中灼燒至恒重(至少需3h)。冷卻后稱量和計算出試料重量減少量占原來重量的百分率。DISA公司推薦型砂的灼減量為3.5~7.5%,揮發分為1.5~3.0%。GF公司建議生產后橋球鐵件灼減量為4.7%。Levelink認為通常型砂的灼減量為4~6%。Fahn調查歐洲一百余鑄鐵工廠的灼減量在1.6~11.6%范圍內,平均值為5.3%。Buhr調查了加拿大76家鑄造工廠,其中鑄件品質較好的灼減量在2~5%之間。Berndt記述四鑄造廠的灼減量在 3.3~4.47%范圍內。日本土芳公司調查8家靜壓和氣沖造型的灼減量在1.98~4.46%范圍內,平均3.29%,三菱自動車為5.0±0.5%。德國Luitpold生產大眾汽車汽缸體型砂為3.6~4.0%;美國John Deere生產缸體和缸頭高壓造型為3.8~4.5%,泵閥用砂為3.0~3.5%;通用汽車公司 Pontiac廠型砂則為4.0~4.5%。我國幾家三資企業的型砂灼減量如下:煙臺大宇動力沖擊造型要求3~5%;山西國際高壓造型要求4.0~5.5%;昆山富士和FBM造型用型砂目標值為2.5~4.5%;常州小松常林擠壓型砂實測為4.4~4.6%。天津新偉祥FBM造型和勤美達擠壓造型的實測灼減量分別為3.7%和2.0~2.2%,揮發分為3.06%和0.8%。日本豐田汽車廠要求測定型砂灼減量(1000℃空氣中燃燒1h的減少重量)和固定碳量(灼減量減去1000℃密閉容器加熱3min測得的揮發分量)。江蘇某日資汽車件鑄造廠規定面砂和背砂的灼減量分別為4.10±0.30%和3.80±0.30%,總碳量分別為3.00±0.50%和2.80±0.50%。雖然測得結果很難與有效煤粉含量建立明確關系,而且測定需時較長,大約需3h左右,但所需儀器和工具在化學分析室中都有,仍不失為有效控制方法。

        8、熱濕拉強度

              國內外很多鑄造工廠都用熱濕拉強度來檢驗型砂的抗夾砂性能。影響型砂熱濕拉強度的最主要因素是膨潤土所吸附陽離子的種類,其次是膨潤土純度和型砂中有效膨潤土含量。天然鈉土和活化土的熱濕拉強度比鈣基膨潤土高幾倍。然而用碳酸鈉活化鈣土超過極限活化量后熱濕拉強度反而下降,而且還可能會形成熱粘砂。我國常用鈣土的極限活化量是碳酸鈉加入量4~5%。對型砂熱濕拉強度值的要求需根據生產條件而定。美國汽車鑄鐵件工廠考慮到混砂、造型和落砂的需要將懷俄明天然鈉土和美國南部鈣土比例按2:1摻合應用;生產小鑄鐵件所用膨潤土按1:1比例摻和。相當于在我國將鈣土的碳酸鈉加入量分別為極限活化量的67%和50%左右。在歐洲,普通鑄鐵件高密度造型用型砂的熱濕拉強度大約為1.5~2.5kPa,對于較敏感的鑄件可能要求>2.5kPa。例如,德國Luitpold鑄造廠生產大眾汽缸體型砂的熱濕拉強度為2.7~3.0kPa;Benz公司的Esslingen鑄造廠用BMD無箱射壓造型機生產制動鼓的型砂熱濕拉強度為2.8kPa。Hofmann實測五家使用氣沖造型機鑄造廠的型砂為1.35~3.7kPa。DISA公司推薦擠壓造型用型砂的熱濕拉強度應>2.0kPa。我國鑄鐵生產所用原砂的SiO2不高,型砂中還加入了煤粉,生成的熱壓應力較低,可放寬對熱濕拉強度的要求。幾家生產汽車和柴油機發動機鑄造工廠的型砂熱濕拉強度大多在1.6~3.0kPa之間。也有些生產形狀簡單小件、薄壁件的工廠只從是否生成夾砂缺陷考慮,型砂熱濕拉強度極低,例如山西某紡織機械廠的Hunter造型機用型砂的熱濕拉強度只要求>0.9kPa,僅只使用鈣土似乎已然足夠。但是高密度造型還考慮到鈉土和活化土的熱穩定性高和不易燒損,應當使用適當活化的膨潤土。

        9、型砂韌性和起模性

        9.1 型砂韌性
              型砂應當具有一定的韌性。否則在起模、下芯、合型和運搬時砂型的棱角和吊砂受到沖擊和震動容易碰碎或掉落。但型砂韌性也不應太高,以免其流動性下降而影響砂型的緊實均勻程度。強度代表將物體破壞所需施加的力大小如何;而韌性代表的是將物體破壞所需做的功大小如何,它包含了強度和變形量兩種參數。早年美國有人曾用下列公式似地計算使試樣破碎所做的功來表示韌性:型砂韌性 =濕壓強度×變形量×1000,式中的濕壓強度單位為磅/平方英寸,變形量單位為英寸。但靠眼睛觀看試驗機上附帶千分表是不可能準確讀出達到強度最大值時的變形量。60年代末期美國Dietert等人研制出落球式破碎指數測定儀,用來檢測型砂韌性。我國仿制的儀器存在網孔寬度稍窄和鋼球滾落篩網上等問題。儀器工廠為防止鋼球滾落而震碎砂塊,將具有三根直立細鋼絲的鋼環套在鐵砧上來防止落下的鋼球滾動。雖然尚無有關標準,但不失為良好的解決方案。清華大學的研究表明,將網孔中心尺寸由10mm增大到12.7~14mm,則可使常用型砂破碎指數的變化范圍擴大一倍以上。將砧座厚度減薄到不超過3mm,注意調整測定儀的垂直度,不加鋼絲也可以防止鋼球滾落到篩網上。幾家國內鑄造廠高密度造型的型砂破碎指數大多集中在75~85%范圍內。
        9.2 起模性
              型砂的起模性指的是起模時砂型的棱角、邊緣和砂臺不破碎的性能。當型砂的膨潤土量、緊實率、糊精加入量等有利于起模的參數提高時,試樣的破碎指數也隨之提高。但是砂型的緊實程度越高就越難起模,而型砂的破碎指數仍隨緊實程度提高。因此破碎指數不能完全代表砂型的起模性。型砂的起模性是一個綜合復雜的特性,假定模樣的材質、起模斜度、表面粗糙度、清潔度、與型砂的溫度差異、脫模劑有無和種類、是否形成真空等因素都不變,則砂型的起模難易除了取決于型砂抗拉、抗剪強度和韌性以外,也還取決于型砂的變形量和砂型與模樣間的摩擦阻力和粘附力。
        9.2.1 變形量
              手工造型起模前在圍繞模樣的砂型棱角上刷水,雖然使局部的砂型各種強度劇烈下降,但能夠大大改善起模性能。刷水的作用主要是提高了砂型棱角和吊砂型砂的變形能力,起模時受模樣水平方向振擊和碰撞能夠退讓變形,就能避免砂型棱角破損。因而型砂破碎前的變形量也是表達型砂起模性能的重要參數。清華大學新研制的剪切強度與變形測定儀和氣動濕壓強度儀是由壓力傳感器、位移傳感器、微型計算機和打印機組成的。不僅能夠用液晶顯示試樣的強度,而且能夠精確記錄下型砂試樣破壞時的變形量。也還可以推算出型砂的韌性。
        9.2.2 試樣頂出阻力
              在液壓式強度試驗機上安裝一個附加裝置,測定使型砂試樣在試樣筒中受頂推作用而開始移動的力稱為頂出阻力,它是起模時砂型與模樣之間的摩擦阻力和粘附力的綜合表現。試驗結果表明,型砂的濕壓強度越高,頂出阻力也高。型砂中加有煤粉、淀粉,試樣筒表面涂有硅油,都能降低頂出阻力。清華大學研究表明型砂的膨潤土含量對試樣頂出阻力僅有不大的影響。而提高緊實率和減少試樣沖擊次數都能降低試樣的頂出阻力。研究結果還表明,型砂中加入糊精或α-淀粉可使型砂對模樣的摩擦阻力極為減小到原來的1/3~1/2,對起模尤其有利。

        10、型砂流動性和可緊實性

              型砂的顆粒在外力作用下可以緊密靠近的性能稱為可緊實性。型砂在外力作用下質點可以自由地越過模樣的邊角,通過狹窄縫隙和孔洞的性能稱為流動性。具有良好可緊實性和流動性的型砂能保證高密度砂型的硬度分布均勻,棱角、凸臺清晰無疏松,鑄件表面光潔和無局部機械粘砂。然而各種不同緊實方法所要求的可緊實性和流動性都有不同,至今沒有標準測試方法。本文僅介紹幾種使用稍多的試驗方法如下:
        10.1 試樣硬度差法
              Kyle提出將型砂過篩使它均勻分散,稱取170g置入圓柱形標準試樣筒中。用錘擊式制樣機沖擊一次后,頂出試樣,用濕型硬度計測量試樣兩端的硬度。硬度差別越小,說明其可緊實性越好。
        10.2 試樣沖擊阻力法
              將沖擊Φ50×50mm標準試樣所需型砂量置入試樣筒中,放到制樣機下用重錘沖擊。第三次沖擊前后的試樣高度差(mm)越小,表示沖擊阻力低。這就是日資鑄造工廠所測定的型砂“抗縮值”。A-1要求面砂抗縮值為1.30±0.15mm;A-3實測為1.1~1.2mm。
        10.3 階梯試樣硬度差法
              在圓柱形標準試樣筒中放置高度為25mm 的半圓形金屬塊。將110~120g型砂放入試樣筒中,用制樣機沖擊三次。測定試樣筒底蓋端面和金屬塊端面的試樣硬度。二者的硬度值差別越小,說明型砂向空隙中移動的流動性越好。
        10.4 環形空腔法
              為GF公司型砂儀器中一種測定型砂流動性的附件。先將型砂沖制成圓柱形標準試樣,并稱量其重量。再按此重量稱取型砂,置入專門的環形空腔試樣筒中,在制樣機上沖擊3次。測量試樣的高度,高度越小,表示型砂向側面空腔的流動性越好
        10.5試樣重量法
              ①稱量測定型砂緊實率后的試樣重量,可反映不同型砂在松散狀態下流動的性能,可稱為松散流動性。將緊實率試樣重除以試樣筒容積235.62cm3可得型砂的堆密度,德國Rexroth要求堆密度為0.86~0.94g/cm3。②稱量Φ50×50mm標準圓柱試樣的重量,可反映不同型砂在緊實過程中的可緊實性。德國Rexroth公司規定為148~150g。我國A-5規定為145~155g;A-7實測為144~145g;B-1實測147~148g。如果標準試樣重量較低(例如C-8只有135g),估計其原因是型砂中灰分過多。
              濕型砂的流動性和可緊實性除了受緊實率影響外,原砂的顆粒形狀對型砂也有明顯影響。如果濕型砂的膨潤土含量和緊實率不變,用橢圓形內蒙砂混制型砂的標準試樣重量比用方角形新會砂大約重10g左右。A-3用內蒙砂替代福建砂后發現不但型砂流動性提高,而且含水量也有下降。型砂經過松砂處理可以減少團塊和提高可緊實性。提高型砂的膨潤土量或加入糊精能夠提高型砂韌性,但都會使流動性和可緊實性下降。

        結束語

              以上各段所述的高密度砂型的型砂性能是生產高品質鑄件需要控制的項目。具體的檢測技術可按照專門的標準、手冊等資料。
              為了準確反映型砂的真實性能和及時得到控制,鑄造工廠的型砂實驗員應當親自按規定頻率取樣,然后進行檢驗,隨時記錄測定結果。用圖表繪制出每日各種性能的變化趨勢圖。如有特殊情況就可立即采取相應措施。高密度砂型的型砂檢測頻率可以分為以下三類:
              ①隨時性檢驗:為一日之內多次檢驗的項目,包括緊實率、含水量、透氣性、濕壓強度、標準試樣重量。一個具有良好舊砂冷卻和混砂濕度自動控制設備的工廠,鑄件厚薄和砂芯數量相近或者能夠合理搭配的條件下,型砂隨時性檢測頻率每班兩次可能已夠。否則可能需要每班檢測4次以上。
              ②逐日性檢驗:為一天或兩三天檢驗一次的項目,包括有效膨潤土量、有效煤粉量、熱濕拉強度、韌性。
              ③周期性檢驗:為一兩周檢驗一次的項目,包括含泥量、型砂粒度、團塊量。

        工廠編號注解:
        外資工廠:A-1昆山豐田 A-2鎮江銀峰 A-3昆山富士和 A-4天津勤美達 A-5天津新偉祥 A-6天津寶利福 A-7常州小松
        合資工廠:B-1山西國際 B-2廊坊美聯 B-3北京華德 B-4上海匯眾 B-5太原小笠原
        本國工廠:C-2天津內燃機 C-3二汽一鑄 C-4二汽二鑄 C-5上海柴油機廠 C-6無錫柴油機廠 C-7常州柴油機 C-8大連機床廠 C-10廣州冷機廠 C-12韶關鑄鍛 C-13天津寶溢 C-14鄒城金鼎

        附表:型砂性能要求
        (造型材料2003,1,22~25;2,17~18+20刊登)

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