铸造粘土湿型砂配制工艺及优缺点

黏土湿型砂是铸造行业中人人都很熟悉的事物，正是因为我们对它太“熟悉”了，铸造行业不少同仁反而是‘与之久处而不知其香’，对它的一些特性只知其梗概，而未深究其精微，因而，虽然天天离不了它，却不能运用自如，充分发挥它的作用。

一、黏土湿型砂优点

1、使用历史最悠久的造型材料

从开创人类文明的‘青铜时代’起，我们就离不了黏土湿型砂，由于没有记载可考，不能确切地说出其应用的最早年代，认为其有5000年左右的历史，可能不会是夸大其词。

当然，早期的黏土湿型砂与目前所用的差别很大，而且所用主要是天然的黏土黏结砂，采掘以后，加水混拌后就可以使用。这种黏土砂中的黏土主要是高岭土质的耐火黏土，一个典型的例子就是我国南京附近出产的六合红砂，以前一度真可谓是闻名遐迩，直到20世纪50年代初期，我国第一个五年计划期间，不少手工作业的铸造厂仍然使用。

18世纪后期，简单的造型机问世以后，逐渐强化了对型砂性能的要求。随着造型机不断地改进、优化，19世纪初期又催生了混砂机，加速了由天然黏土黏结砂到用混砂机配制的合成砂的转变。

用混砂机配制的合成砂推广应用以后，为了适应不断提高造型机的生产效率、提高铸件质量的要求，莫来石质膨润土的应用，在改善黏土湿型砂的质量方面的作用，应该说是至关重要的、具有划时代的意义。目前，世界各国所用的黏土湿型砂全都都是加膨润土配制的膨润土的应用至少有一百多年了，但是，我们对膨润土的认知还很不够，今后必须不断深化对它的了解。

2、黏土湿型砂性能控制的空间宽阔，对各种造型方式的适应性很好

粘土湿型砂，有较高的湿强度，在舂实过程中，其流动性较差，使砂型紧实所需的能量较多，但是，其适应各种造型方式的能力很好。

从最原始的手工造型，到各种现代化的自动造型生产线，用黏土湿型砂作为造型材料，都有令人满意的效果。黏土湿型砂对各种舂实方式，如手工紧实、舂实、震实、压实、抛砂、射砂、气冲、静压、等造型工艺，都能适应。近年来，黏土湿砂型还成功地用于小型铸件的挤压成形。当然，对砂处理系统的安排和各种性能参数的控制，都应该按各己的具体工艺条件予以调整，不能简单地套用别人的经验。

3、适用于多种铸造合金

目前，黏土湿型砂主要用于生产各种铸铁件，实际上，对铸钢件、铜合金铸件和铝合金铸件也都是适用的。一些工业国家，100㎏以下的铸钢件大都用黏土湿型砂工艺制造。以前，我国有一些铸造厂用黏土湿型砂造型、批量生产小型铸钢件，效果很好。近年来，随着各种自硬砂工艺和熔模铸造工艺的发展，我国黏土湿型砂在生产铸钢件方面的应用日渐萎缩。

实际上，铸钢件的凝固方式比铸铁件更适于采用黏土湿型砂，黏土湿砂型浇注后，由于砂型/金属界面处的型砂受热，水分向外迁移，在离界面不远处形成强度很低的水分凝聚层，这是黏土湿砂型的一项“软肋”。

灰铸铁（尤其是球墨铸铁）件是以“糊状凝固方式”凝固的，共晶转变过程中有一石墨化膨胀的过程，迫使型壁向水分凝聚层方向运动，影响铸件的尺寸精度。铸型表层胀大后，‘膨胀后的收缩’还会使内部的缩孔、缩松等缺陷扩大，影响铸件的内在质量。

型壁运动，还会导致铸件表面形成‘夹砂’之类的膨胀缺陷。

铸钢件是以“硬皮形成方式”凝固的，浇注以后，砂型/金属界面处的金属很快就形成坚固的硬壳，此后铸件内部又没有石墨化膨胀的问题，这样就排除了水分凝聚层这一‘软肋’对铸件质量的负面影响。

4、比较容易适应环保方面的要求

黏土湿型砂在混砂、输送、造型的过程中，都不释放有害的气体，排放的废弃砂大多数工业国家都视为无害垃圾，与当前常用的各种化学黏结相比，可以说是最接近绿色、环保要求的。早年，英国人因其无需任何特殊的处理就可用于造型、成型以后也不必烘干就可以浇注，称之为“Green sand”，没料到在当前的条件下，却可以有另外一种含义 — 绿色。

但是，加有煤粉的黏土湿型砂，浇注时会因为煤粉热解而释放少量的有害气体。目前，寻求煤粉的代用品，是各工业国家铸造行业都非常重视的，已经进行了大量的研究工作，今后仍然是铸造行业关注的重点之一。

二、黏土湿型砂的缺点

一切事物都有其两面性，黏土湿型砂当然也有不少缺点，要将其说清楚很不容易，探求抑制其负面影响的措施，也是全行业今后重要的研究课题。

下面简单地提主要的几点。

1黏土湿型砂制成的砂型强度不高，砂型表面的稳定性也不够好，铸件易于产生冲砂及其他相关的缺陷，只能用于制造小型和中型偏小的铸件。

2将黏土与水混匀并使之涂布于砂粒表面，需要很长的时间，所需的能量很多。砂处理系统复杂，设备庞大。

3型砂的流动性不好、难以舂实，不易制成高紧实度的铸型，因此，舂实铸型所需的能量很大，造型机的功率一般都相当高。如欲制得高紧实度的铸型，则造型设备不得不庞大而笨重。

近年来，日本新东公司开发的流态化填砂工艺，是在改善粘土湿型砂的流动性方面的重要进展。其基本要点是：向砂箱填砂前，先自填砂斗斗壁上许多分散的小孔吹入空气，使型砂流态化，然后再由气流将已流态化的型砂射入砂箱。这样，可显著改善型砂的流动性，使砂箱内的填砂紧实而均匀，造型作业的能耗大幅度减少，造型设备从而也可大幅度轻量化。

4前面已经提到，黏土湿型砂制成的砂型含有一定的水分，浇注以后，砂型/金属界面处水分蒸发、向外迁移，在界面附近尚未受热的部位冷凝，形成水分很高、强度很低的水分凝聚层。生产铸铁件时，会因石墨化膨胀而发生型壁运动，影响铸件的尺寸精度，铸件表面易产生夹砂之类的膨胀缺陷，铸件内部因膨胀后的收缩而致的收缩也增多。

三、我们对黏土湿型砂的认知程度

用了几千年、至今仍然广泛应用的黏土湿型砂，配制所用的原材料也不过是几种非常平常的材料，但是，其生命力之旺盛，适应能力之强，改进、发展空间之广阔，令人叹为观止。

从早期的手工造型发展到机械造型，尤其是二次大战以后，随着科学技术的迅猛发展，各种新型造型工艺和设备不断涌现，铸件产品的需求量和质量要求不断提升，铸造生产的面貌日新月异，黏土湿型砂仍然是应用范围最广、用量最大的造型材料。当然，这也是我们铸造界的同仁不断在实践中深入探索、进行大量研究工作、不断改善其性能的结果。

近二十多年来，为了适应各种更为严格的要求，欧美各国和日本，都很重视黏土湿型砂方面的试验、研究工作，而且这方面的工作至今仍未见丝毫放松的迹象。

目前，我国已经是世界上无可比拟的铸造大国，铸件产量占世界各国铸件总产量的41.8％，多于各主要工业国家产量的总和。我国铸造行业中也很重视研究、开发工作，但是，研究课题大都着眼于新材料、新工艺，很少有人注意到黏土湿型砂，因而，我们对黏土湿型砂的认知仍然非常浅薄，与‘铸造大国’很不相称。在这里，我想举一个例子说明这一看法。

不少铸造厂，不惜投入巨资自国外引进新型的造型设备，而与之配套的砂处理设备却简单、草率地安排，以求节省资金，结果，由于型砂质量欠佳，造型设备的能力不能充分利用，铸件的质量也不及设备可能达到的水平。

此外，有关黏土湿型砂的一些基本概念，我们还普遍存在一些不确切的认识。

目前，我国铸造行业面临的任务是尽快实现‘由大到强’的转变，在黏土湿型砂方面的探求和研究工作亟待加强。

二 粘土湿型造型中几常用附加材料

黏土湿型砂的基本组成成分是硅砂、膨润土和水。为了改善型砂的性能，一些附加材料的作用也是非常重要的。随着工艺技术的进步，和对环境保护和铸件质量的要求不断提高，今后还应该不断开发新的品种。

1、煤粉

铸造用煤粉则是由烟煤中的肥煤或焦煤制成的。

（1） 烟煤加热时发生的各种变化

烟煤受热时，首先是脱除水分，然后发生分解、析出挥发分，其分解大体上可分为4个阶段。

第一阶段 200℃以下，脱除水分并释放少量CO2，此阶段的反应速率低。

第二阶段 200～350℃，除继续释放水蒸汽和CO2外，开始释放CO，并有微量焦油析出，可认为是热解开始阶段。

第三阶段 350～550℃，分解反应的速率增高，分解产物主要是低分子量烃类和其他有机化合物，焦油基本上都在这一阶段析出。烟煤还要经历一个软化-熔融-固化的过程，和体积收缩-膨胀-再收缩的过程。

大约在350～390℃之间，烟煤逐渐软化，并伴随着体积收缩。此后开始熔融，液相逐渐增多，形成固、液、气三相混合的胶质体。初期，由于析出的气体不断增多，胶质体体积迅速膨胀，气体析出到一定程度后，析出量锐减，胶质体的体积也随之收缩。最后，胶质体固化成为多孔性固体，称为半焦。总体上，烟煤在这一阶段中的体积变化见图１。

　　图１ 烟煤加热过程中的体积变化

　　图中，C——初期的体积收缩；S——随后发生的体积膨胀；D——总的体积膨胀。

第四阶段 550℃以上，继续析出各种气体，包括水蒸汽、CO2、CO、H2、甲烷、乙炔和氨，并由半焦转变为焦炭。第三、四两阶段产生的气体可能在灼热的固体表面上凝聚，形成含碳量高的石墨状薄膜，通常称之为光亮碳。各种烃类物质中，芳香烃最易于热解而生成光亮碳。

（2） 粘土湿型砂中煤粉的作用

粘土湿型砂中加入煤粉，其在铸件成形过程中的作用主要有4个方面：铁液注入砂型后，使型砂中的煤粉受热分解，所释放的还原性气体在型腔中能防止铁液氧化，防止铸件表面形成FeO，这对于防止黏砂缺陷有非常重要的作用；

铁液注满型腔后，型内气氛为还原性气氛，在这种条件下，煤粉析出的烃类气体，会凝聚于铸型表面，形成光亮碳膜，能防止黏砂并使铸件轮廓清晰；靠近金属-铸型界面处，型砂中的煤粉受热而发生焦化反应时，先软化并发生体积收缩，然后再膨胀。煤粉的软化温度与石英的相变膨胀温度大致相同，可以容让砂粒的膨胀。因而可防止铸件上出现夹砂、鼠尾之类的膨胀缺陷，并改善铸件尺寸的稳定性；

煤粉焦化时发生体积膨胀，能填塞铸型表面层砂粒间的空隙，使铁液及产生的易熔硅酸盐难以渗入，从而改善铸件的表面质量。同时，离开铸型表面一定距离处仍然能保持应有的透气性。

（3）关于煤粉的粒度要求

多　　年来，我国铸造行业习惯于用细煤粉，有关标准对铸造用煤粉的粒度要求是：“应有95％以上的颗粒通过0.106mm的筛孔（即140目筛）”。这样的煤粉大体上相当于外国的超细煤粉。在今天广泛采用高压造型设备的条件下，不作具体分析地普遍采用超细煤粉实在很不合适，这方面是亟待改进的。

煤　　粉的粒度应根据铸件的尺寸和重量选用，同时也要考虑造型设备的情况。一般说来，黏土湿型砂中所用的煤粉，粒度应细于原砂的粒度，但也不宜过细。如生产小型铸件，对表面质量的要求又较高，可采用较细的砂粒，配用细煤粉或超细煤粉，但这并不是常规的情况。随着铸件尺寸的增大，就以采用较粗的粒状煤粉为好。

煤粉太细，可能带来很多问题，如：

1） 挥发分易于释放，从而影响使用效果；

2） 储、运过程中易于氧化，还可能发生自燃；

3） 加料过程中容易被排尘系统吸走，影响型砂质量的稳定性；

4） 每次浇注后，因受热界面大而烧蚀的量较大，导致煤粉的用量大，且使型砂中的含泥量增多。

近30年来，高压造型设备的应用日益广泛。对于高压造型设备，无论水平分型或垂直分型，型砂中都应采用粗粒的煤粉。这样，一方面可以适当提高铸型的透气能力，减少铸件产生的气孔缺陷；另一方面，采用粗煤粉，浇注时挥发分的释放减缓，型砂中的灰分减少、复用性能改善，对于保持型砂性能的稳定有很好的作用。

如果进入系统砂的芯砂数量较多，导致型砂的总体粒度偏粗，为避免铸型的透气能力过高，在这种情况下，可考虑采用略细一些的煤粉。

总之，不论铸件特点和生产条件如何，一律采用95％以上通过140目筛的煤粉是不妥的，希望能通过试验、研究，尽快地改变这种状况。

当然，煤粉的粒度也不能太粗。英国是最早在黏土湿型砂中配用煤粉的国家，他们根据多年使用的经验，认为不能用粒度为1mm或以上的煤粉，否则铸件容易出现气孔缺陷。同时，英国也很少采用太细的煤粉。

英国主要的煤粉供应厂商James Durrans父子公司供应的5种铸造用煤粉的粒度分布情形见表１。

美国American Colloid公司在其为铸造厂提供的膨润土-煤粉预混料中所用煤粉的粒度分布见表２。

我国铸造用煤粉粒度规格的制定，还需要根据不同生产条件下的实际试验数据进行优选，需要煤粉生产企业与铸造企业共同努力。一般说来，铸造用煤粉颗粒的尺寸应在40目到200目之间，以不同的粒度级配制定若干牌号，以适应不同铸造企业的需求。煤粉生产企业为生产粒状煤粉，在设备方面可能要作较大的调整，如装设旋流式粒度分级设备和粒度级配装置等。

（4） 对煤粉的其它质量要求

对煤粉的质量要求有挥发分、灰分、硫含量、水分、焦渣特征、光亮碳析出量等项目。

我国专业标准JB/T 9222－2008《湿型铸造用煤粉》中都有规定，虽然某些指标仍有进一步的探讨的必要，由于篇幅所限，这次就不具体讨论了。

这里要提到的是氯化物含量。前面已经谈到，电解质会影响膨润土的黏结性能。如果煤粉中含有较多的氯化物，就可能影响膨润土在型砂系统中的效能，使型砂的湿抗拉强度显著降低。国外规定优质煤粉中氯化物含量不超过0.15%。我们的标准在这方面没有规定，今后是不是也有必要进行一些探索和研究？

2、淀粉

铸铁件生产方面，少数情况下，为提高铸型中水分凝聚层的强度、改善铸件表面质量，可在黏土湿型砂中加入1%左右的淀粉。铸钢用的黏土湿型砂中不能加入煤粉，加入少量淀粉往往是常规的措施。

黏土湿型砂中的淀粉，以能溶于水中起粘结作用的淀粉最好。

按制淀粉的原料区分，可分为地上淀粉和地下淀粉。前者如玉米粉，面粉；后者如马铃薯粉、甘薯粉。地上淀粉比较稳定，铸造行业宜采用地上淀粉。

按淀粉的水溶性和加工过程区分，有α淀粉和β淀粉。

β淀粉是未经处理的生淀粉，不溶于水或略溶于水，用于粘土湿型砂中作用不大。

α淀粉是将生淀粉和水调成悬浮液，然后加热糊化，并使之快速冷却、磨细而制成的。α淀粉溶于水中即成糊状，适合作湿型砂中的附加剂。

用β淀粉制α淀粉时，适宜的糊化温度为86～87℃，α淀粉的制造方法见图２。

3、聚苯乙烯珠粒

上世纪70年代，美国、当时的联邦德国都有铸造厂在黏土湿型砂中配加聚苯乙烯珠粒，以代替煤粉。聚苯乙烯的光亮碳析出量是煤粉的9～11倍，型砂中加入1％，就有很好的防黏砂能力。

煤粉受到金属液的高温作用后，在型砂中残留焦炭粒和灰分。这些都是吸水能力很强的物质，加入循环使用的系统砂中的水分，先被这类多孔性物质吸收，然后才润湿膨润土，因而不得不使型砂中保有较高的水分。聚苯乙烯受高温作用后几乎全部气化，没有残留物，用以代替煤粉，可相应降低型砂中所需的水分，也有利于改善型砂流动性。

聚苯乙烯珠粒是光滑的球体，加入型砂后可以改善型砂的流动性，使其易于舂紧。德国有一家生产风冷发动机铸铁件的铸造厂，用高压造型线造型，系统砂是加煤粉的黏土湿型砂。生产缸体铸件时，模样上有一不大的凹陷，取模时吊砂不易脱出。为解决此问题，专配一种只含聚苯乙烯珠粒、不含煤粉的型砂，在模板进入造型机之前，由人工将其填入凹陷。结果，不仅取模方便，而且铸件凹陷部位的表面光洁。

黏土湿型砂中代替煤粉的的聚苯乙烯珠粒，粒度为0.15 mm左右，加入量一般为1％。用聚苯乙烯珠粒的缺点是生产成本有所增高，而且铸件浇注后释放有害气体。但是，如果只是局部敷用，这两方面的问题都不大

4、石墨粉

早期，手工造型用的粘土湿型砂是不加煤粉的，为改善铸件的表面质量，工人都在铸型表面涂石墨粉。石墨粉受高温作用后虽然不产生光亮碳，但可形成还原性气氛，有利于防止粘砂缺陷。再则，石墨不易被铁液润湿，能有效地防止铁液渗入砂粒之间的间隙。

此外，石墨粉的耐用性远优于煤粉，用石墨粉代替煤粉，型砂的水分也可适当降低。目前，美国、日本都有铸造厂在黏土湿型砂中用石墨粉代替煤粉，用法有两种：一是在混砂时加入，所用的石墨粉是微晶石墨（以前称为土状石墨），加入量一般为0.3～0.5％；二是作为脱模剂，喷涂在模样表面上，造型后，脱模时转移到砂型表面。

5、短纤维类物质

粘土湿型砂中加入木屑的经验早已有之，其所以能防止黏砂缺陷，主要是两种作用：一是在贴近铸件的表层，木屑热解、燃烧，有利于形成还原性气氛，而且木屑燃烧后留有硅砂膨胀的空间；二是用于背层的型砂中，木屑纤维有增强型砂的作用。

粘土湿型砂中用木屑代替煤粉，多用于生产小型铸钢件。因为以前不太注意煤粉释放有害气体的问题，在生产铸铁件方面未能推广应用。

近年来，由于对有害气体排放的限制日益严格，美国铸造行业对此非常重视，又转而注意木屑的应用。目前，所用的材料主要是经粉碎的玉米芯粉、秸秆粉和木粉。由于这类材料都是可再生资源，尤其因价格低廉而受到青睐。

据报道，美国西北部一些生产汽车用灰铸铁件和球墨铸铁件的铸造厂，已成功地用以部分代替煤粉（40％左右），可以有效地防止铸件产生膨胀缺陷。在其中的一个铸造厂所作的测定表明：煤粉全部由木粉代替后，浇注后有害气体的浓度降低74％；以木粉取代40％的煤粉后，有害气体的浓度降低42％。

木粉热解、燃烧产生的有害气体很少，完全用以代替煤粉后，之所以仍有26％的有害气体，是因为铸造厂采用冷芯盒工艺制芯，落砂时有部分芯砂进入循环使用的旧砂中，浇注后芯子和型砂中含有的芯砂会析出有害气体。

6、用再生植物油代替煤粉

日本某公司，从上世纪70年代起，就着手研究再生回用的植物油在粘土湿型砂中的应用。在试验研究的基础上，确认其效果良好后，经试制阶段逐渐扩大其使用范围。从1978年开始，在生产中全面用再生植物油代替粘土湿型砂中的煤粉。到2006年，用新工艺生产的铸铁件累计已有136.4万吨，据报道，在环境保护、改善型砂性能和提高铸件质量方面，都取得了良好的效果，其经验值得我国铸造行业借鉴。

植物油的价格虽然高于煤粉，但所用的是废弃植物油经再生处理后的产品，价格低廉。

用再生植物油代替煤粉的效果简单地概况如下：

1）环境保护方面 CO2排放量大幅度减少；SO2排放量减少；进入型砂和大气中的粉尘都明显减少。

2）改善型砂性能方面 再生植物油加入量在0.8％以下，型砂的强度略有提高；型砂的流动性改善，铸型易于舂实；制得的铸型表面稳定性好。

3）产品铸件的质量方面 铸件的尺寸精度提高；铸件的表面质量改善。