砂的配制及应用

第二节　型（芯）砂的配制及应用

一、粘土砂的配制及应用

型砂的配方由铸件特点、造型方法、原材料性能等条件决定，因此，不同工厂型砂的配方往往不同。但在决定配方时，参考别的工厂的成熟经验，再根据自己的生产条件调整，常能较快地得出好的型砂配方。

粘土型（芯）砂由一定比例的硅砂、粘土、水和附加物混制而成。粘土型（芯）砂按金属种类分为铸铁、铸钢、有色合金铸造用型（芯）砂，同时按干燥形式分为湿型、干型、表干型用型（芯）砂。

1.铸铁件用型（芯）砂配制及应用

在铸铁件生产中，不重要的中小型铸件用湿型（芯）生产，一般大中型铸件用表干型（芯）或干芯生产，大型、复杂、高要求的铸铁件用干型（芯）生产。

铸铁件用型（芯）砂以质量分数20%～50%的新硅砂为原砂，配以质量分数50%～80%的旧砂。湿型面砂用细粒度原砂，湿型（芯）砂和干型面砂与砂芯用中粗粒度原砂，表面干型面砂与芯砂用粗粒度原砂。背砂以旧砂为主，无论是面砂还是背砂所加入的旧砂都要进行再生处理后才能使用。

铸铁件用型（芯）砂采用膨润土或高岭土作粘结剂，加入煤粉或者质量分数1%左右的重油或渣油防止粘砂。

手工造型用型（芯）砂含水量比机器造型用型（芯）砂质量分数高1%左右。铸铁件用粘土砂配比见表1-1。

表1-1　铸铁件用粘土砂配比（质量分数）　　　（%）

2.铸钢件用型（芯）砂配制

铸钢件浇注温度高。铸钢件普遍采用干型或表干型生产，只有质量要求不高的小件才采用湿型或湿型干芯生产。

中、小型碳钢铸件广泛使用质量较高的硅砂作原砂，用新砂作面砂，一般干型（芯）砂都不加入旧砂，湿型砂可以加入部分旧砂。浇注温度较高的合金钢和大型或厚壁碳钢铸件的面砂，应选用耐火度高的锆砂、镁砂、铬铁矿砂作原砂。小型铸件型砂或湿型面砂选用较细粒度原砂；干型和表干型面砂选用中粗粒度原砂；厚大型铸件选用粗粒度原砂。

铸钢件湿型（芯）砂一般用粘结性好的膨润土作粘结剂，并加以碳酸钠作膨润土的活化剂。干型砂常采用高岭土和膨润土作粘结剂，加入膨润土可以提高砂型强度。型砂中加入的附加物主要有糊精、纸浆残液、木屑等，湿型砂还可以加入少量煤粉防止铸件粘砂。干型（芯）砂比湿型（芯）砂含水质量分数高1%左右。铸钢件用粘土砂配比见表1-2。

表1-2　铸钢件用粘土砂配比（质量分数）　　　（%）

3.有色合金铸件用型（芯）砂配制

生产中应用最多的有色合金是铝合金、铜合金。它们的浇注温度一般低于1100℃，对砂型和砂芯耐火度要求较低，通常采用质量分数50%以上的旧砂加入质量分数50%以下的中低质量较细的新砂，加入少量的粘结剂，芯砂常配以合脂、糠油、桐油等，以增加砂型的干强度和溃散性。有色合金铸件型（芯）砂配比见表1-3。

表1-3　有色合金铸件型（芯）砂配比（质量分数）　　　（%）

图1-1　碾轮式混砂机示意图

1-十字头　2-碾轮　3-中轴　4-外刮板　5-碾盘　6-碾轮轴　7-内刮板

4.粘土砂混砂操作

粘土砂一般采用碾轮式混砂机来混制。图1-1为碾轮式混砂机的工作原理示意图。在固定不动的碾盘5中，中轴3通过十字头1，带动一对碾轮2和内刮板7，与外刮板4转动进行工作。碾轮不仅绕主轴作圆周运动，而且碾轮在下面砂层摩擦作用下绕碾轮轴同时作自转运动。被混制的各种原材料在碾轮的碾压和刮板的搅拌作用下进行混碾，使粘结剂和水分均匀地附着在砂粒表面，得到有一定性能要求的型砂。

工厂生产时往往采用新型的高效SZ1114型混砂机，这种混砂机在碾轮上增加了弹簧加压装置，其结构见图1-2。

图1-2　SZ1114型混砂机混辗机构

1-内刮板　2-曲臂　3-弹簧加压机构　4-辗轮　5-固定支架　6-十字头　7-中刮板　8-外刮板

混砂操作如下：

（1）称量原材料。将新砂、旧砂、附加物、粘结剂、水等按一次混砂量配比，用秤称或容器量好，有序地摆放好；

（2）干混。混砂机空机启动，迅速加入新砂，再加入旧砂，加入固体粘结剂和附加物，干混2～3min；

（3）湿混。干混后，混砂机在工作状态下缓慢加入液体材料，连续混制10～15min，待湿混充分后停机；

（4）抽检。从取样门取出湿混后的型砂，做试样抽检湿强度和透气性等性能，并观察或测定含水量，检查混匀程度；

（5）卸料。抽检合格后，重新启动混砂机，打开出料门卸料。卸完料后即可关上卸料门进行下一轮混砂工作。当整个混砂工作结束或更换新的配料时，应将混砂机内的剩料和粘结物清扫干净；

（6）调匀处理。卸料后将混好的型（芯）砂堆放起来，使型（芯）砂中不均匀的水分相互浸润，经堆放浸润2～4h后即可调匀水分，而使湿强度达到最大值；

（7）疏松处理。将调匀处理的型（芯）砂送入如图1-3所示的松砂机中进行疏松处理。疏松的目的是击碎团块状型（芯）砂；

（8）储存待用。疏松处理后的型（芯）砂堆放或装入存放设备中，在型（芯）砂上面再盖以湿麻袋等物品，以保持水分待用。

图1-3　梳式松砂机

1-转轴　2-转盘　3-松砂梳齿　4-砂斗　5-轴　6-挡砂条　7-横轴拉杆　8-横轴　9-上罩壳

二、水玻璃型（芯）砂的配制

水玻璃砂是生产铸钢件最常采用的一种型砂。它是用水玻璃作粘结剂混制而成的型（芯）砂。这种型（芯）砂生产周期短，操作简便，易于机械化、自动化生产；缺点是溃散性差。水玻璃砂有多种硬化方法，因此型（芯）砂的配比和性能亦不同，生产中应根据不同的生产条件选用。

1.水玻璃CO₂硬化砂的配制

水玻璃CO₂硬化砂的硬化方法是在砂型和砂芯上扎出若干个φ6～10mm的吹气孔，孔深度随砂型厚度而定。将吹气管插入并通入CO₂气，砂型（芯）硬化后起模。中小型砂型和砂芯可用塑料膜罩把整个砂型和砂芯罩住，向罩内吹CO₂气使砂型（芯）硬化；对于中小型砂型和砂芯，也可以在模样（芯盒）上设置吹气孔，通入CO₂气硬化。如图1-4所示。

图1-4　插管硬化法（a、b）和盖罩硬化法（c、d）示意图

1-皮管　2-砂箱　3-芯盒　4-砂芯　5-气管　6-盖罩

CO₂是一种干燥剂，起脱水作用，使型（芯）砂中的硅酸凝胶或水玻璃脱水而硬化。硬化时间根据型（芯）大小，一般只要几秒钟到几分钟，模数高、密度大的水玻璃硬化时间短。夏天应用低模数水玻璃，冬天用模数高一些的水玻璃。

生产铸钢件的水玻璃砂一般选用SiO₂含量较高的硅砂作原砂，原砂粒度根据铸件大小及壁厚确定，大中件、壁厚的选较粗的原砂，小件选较细的原砂。原砂一般要烘干处理。

铸铁件用水玻璃CO₂硬化砂，一般用质量分数50%～60%的原砂，再加入质量分数40%～50%的再生旧砂、4%～5%的水玻璃、2%～3%的溃散剂，溃散剂选用糠醛渣、重油、煤粉、高岭土或膨润土、木屑等。水玻璃CO₂硬化砂配比见表1-4。

表1-4　水玻璃CO₂硬化砂配比（质量分数）　　　　（%）

2.烘干硬化水玻璃砂的配制

烘干硬化水玻璃砂型或砂芯，加热到180～200℃脱水后得到玻璃状硅酸钠，形成高强度砂型或砂芯。这种烘干硬化方法较多，有的采用造型后短时间吹CO₂使砂型达到一定强度后起模，再送入烘窑烘干硬化；也可吹热风硬化；热芯盒烘干硬化等。烘干硬化水玻璃砂的水玻璃用量较少，砂型烘干后易吸湿降低强度，可采用高模数水玻璃，在混制时加入占砂质量分数0.25%的碳酸锌抗湿，或采用抗湿性水玻璃。烘干水玻璃砂的用砂粒度与吹CO₂硬化型砂相同。烘干硬化水玻璃砂一般应用在较大铸件的生产。其配比见表1-5。

表1-5　烘干硬化水玻璃砂配比（质量分数）　　　（%）

3.水玻璃自硬砂的配制

水玻璃自硬砂是在水玻璃砂中加入硬化剂而自硬，砂型（芯）硬化后起模，省去了吹CO₂和烘干过程。硬化剂分为粉状和液体两类。

（1）粉状硬化剂水玻璃自硬砂。粉状硬化剂主要有硅铁粉、硅酸二钙、氟硅酸钠。生产中常用的硬化剂为硅酸盐水泥、赤泥、炉渣，因为它们中的主要成分为硅酸二钙。水玻璃因硅酸二钙的吸水、水分蒸发和与空气中的CO₂作用而自行硬化。配制时，要依季节不同而变化，夏天要求含水量要高一些，使用低模数水玻璃，适当减少硬化剂加入量。冬天要减少含水量，加大硬化剂用量，采用高模数水玻璃。

赤泥自硬砂一般采用模数M=2.2～2.6，密度1.3～1.5g/cm³的水玻璃，加入量为6%～8%，赤泥加入量为4%左右。

硅铁粉自硬砂一般加入水玻璃5%～7%，硅铁粉1%～2%，并加入少量附加物，如粘土、煤粉、石墨粉等以便提高湿强度和硬化速度。硅铁粉的加入量在夏季取1%，冬季取2%。

炉渣自硬砂使用的炉渣可用平炉炉渣、电炉炉渣、炼铬铁的炉渣和炼镁的残渣等。配制时炉渣加入量通常在3%～7%之间，夏天少加，冬天多加。水分加入量夏天在6%以下，冬天在4.5%～5%。其配比见表1-6。

表1-6　水玻璃自硬砂的配比（质量分数）　　　（%）

（2）液体硬化剂水玻璃自硬砂。液体硬化剂有醛（乙二醛）、氟硅酸和酯。用酯作硬化剂的水玻璃砂，又称为有机酯水玻璃自硬砂。常用的有乙二醇二醋酸酯、甘油二醋酸酯、甘油三醋酸酯等，一般加入量为0.3%～0.4%。这种自硬砂的强度高于CO₂硬化水玻璃砂，可生产大型铸件。其配比见表1-6。

三、石灰石砂的配制

1．原材料的要求

石灰岩这种材料遍布全国，可以就地取材，且价格便宜。

根据工厂的生产实践，石灰石砂CaCO₃的含量在90%左右，其他成分在4%～10%，即可适用使用要求。

（1）对石灰石原砂的粒度要求。原砂的粒度对铸件表面粗糙度有很大影响。生产实践表明，中等粒度的石灰石砂效果较好。即选用粒度为42、30两组的石灰石原砂。因为粒度太粗，浇出的铸件表面易产生毛刺和凹穴；粒度太细型砂透气性下降。一般要求21组粒度的含量不超过4%～5%。

（2）膨润土和白泥。在水玻璃—石灰石砂中加入少量粘土，主要是为了提高型砂的湿强度，便于造型。但由于白泥中含CaO量比膨润土少，更有利于保存性，因此一般工厂在水玻璃—石灰石砂中加白泥。

（3）水玻璃。一般选用模数为2.2～2.4的水玻璃。

（4）苏打（或小苏打）。为了解决水玻璃—石灰石砂在炎热季节的保存性，需加入少量的苏打（Na₂CO₃）或小苏打（NaHCO₃），两者均为白色粉状物。

2．石灰石砂的配制

石灰石砂的配方大体分为两种类型。一类是在配方中不加膨润土、白泥，提高湿压强度粘结剂的配方；另一类是在配方中加入少量白泥的配方。

（1）不加粘土的配方。石灰石砂100，水玻璃8%～9%，苏打（或小苏打）0.05%～0.2%，水分4.5%～5.5%。这类配方湿压强度低，但透气性较高，其配砂方法操作简便。一般采用二氧化碳硬化法。

（2）加粘土的配方。石灰石砂100，水玻璃7%～8%，白泥2%～3%，柴油0.5%，苏打（或小苏打）0.05%～0.2%，水分6%左右。这类配方湿压强度高，便于造型，加入柴油可以防止石灰石砂粘模。

（3）混制。在混砂操作上，混砂总时间控制在5～7min；夏季混砂时间短些，冬季混砂时间长些。一般先将白泥、苏打（或小苏打）全部加入砂中干混1～2min，然后加入水玻璃、水再碾5min即可。

四、树脂砂的配制

采用树脂做粘结剂是铸造工艺上的一次大变革，因此出现了许多制芯的新工艺，如壳芯、热芯盒、冷芯盒、自硬砂芯等，这些工艺的主要特点是：砂芯可直接在芯盒（加热或不加热）中硬化，而且硬化速度快，只需几分钟或几十秒即可完成。

现代铸造生产中广泛使用树脂砂造型和制芯，以树脂为粘结剂的型（芯）砂主要有覆膜树脂砂、热芯盒树脂砂、冷芯盒树脂砂、呋喃树脂自硬砂等。树脂砂硬化后强度高，能制出复杂、薄壁铸件。缺点是粘结剂价格贵，对空气有污染。所以原砂都使用经水洗的圆形砂，可节省粘结剂。

1.覆膜树脂砂的配制

覆膜树脂砂即是用酚醛树脂作粘结剂配制的型（芯）砂。这种型（芯）砂主要用来生产壳芯，也称壳芯树脂砂。根据配制方法不同，分为热法覆膜砂和冷法覆膜砂。

热法覆膜砂是将砂子加热进行覆膜。混制时先将砂子加热到140～160℃,而后与树脂混匀，再加入乌洛托品水溶液混匀，再加入硬脂酸钙混匀后破碎、过筛、冷却后使用。热法覆膜树脂砂的配比见表1-7。

冷法覆膜是在室温下制备的覆膜砂。需加入工业酒精。配制时，一般选用颗粒较细的圆形、表面光洁的水洗硅砂。酚醛树脂加入量5%～7%，加入2%硅石粉，可提高壳芯的高温强度；加入0.3%～0.35%硬脂酸钙可提高壳芯砂的流动性。壳芯树脂砂配方举例见表1-8。

表1-7　热法覆膜树脂砂的配比（质量分数）　　　（%）

表1-8　壳芯树脂砂配方举例

2.热芯盒树脂砂的配制

热芯盒树脂砂是在原砂中加入适量的呋喃树脂粘结剂和固化剂，将混好的树脂砂射入（吹入）到加热后的金属芯盒中，使树脂与固化剂经过几秒至1min左右的反应而硬化制出砂芯。铸铁件大多使用呋喃I型树脂砂；铸钢件和球铁件大多使用呋喃II型树脂砂。

呋喃I型树脂砂所用原砂采用中等粒度、圆形水洗砂。粘结剂使用呋喃树脂，即脲醛与糠醇的缩合物。树脂加入量占原砂质量分数的2%～3%。呋喃I型树脂用氯化铵与尿素水溶液作固化剂。配比为氯化铵∶尿素∶水=1∶3∶3，固化剂的加入量一般占树脂质量分数的20%左右。通常在呋喃I型树脂砂中加入少量三氧化二铁粉、硼酸等防止铸件产生皮下气孔。因硼酸较贵，生产中常用三氧化二铁粉，其加入量为原砂质量分数的0.25%～0.3%,呋喃I型树脂砂配方举例见表1-9。

表1-9　呋喃I型树脂砂配比、性能

呋喃II型树脂砂又称糠醇改性树脂，是酚醛与糠醇的缩合物，使用这种树脂不产生氮气，所以铸钢件、球铁件、非铁合金件不产生皮下气孔。呋喃II型树脂砂配方举例如下：原砂为100，呋喃II型树脂加入量为原砂质量分数的3%，固化剂（六次甲基四胺）加入量为原砂质量分数的0.36%，加水量为原砂质量分数的0.2%～0.36%（固化剂配成水溶液加入），取芯时热芯盒温度为220℃，固化2～3min后可取芯。呋喃II型树脂砂配方举例见表1-10。

表1-10　呋喃Ⅱ型树脂砂配方举例

3.冷芯盒树脂砂的配制

冷芯盒树脂砂制芯，是将混制好的树脂砂射入芯盒中，在常温下快速硬化的一种制芯新工艺。按其工艺，冷芯盒制芯可分为吹气法和自硬法两大类。

（1）吹气法冷芯盒树脂砂。吹气法冷芯盒制芯，是将树脂砂射入芯盒后，再通入气体催化剂，使砂芯快速固化。

三乙胺法冷芯盒树脂砂配制要求原砂纯净干燥，以圆形砂粒较佳。粘结剂采用液态酚醛树脂和液态异氰酸脂，比例为1∶1（重量比），总加入量为砂重的1.5%～2.0%。气体固化剂为三乙胺，通气时，用空气作三乙胺的载体，三乙胺以空气的2%混合，在2kg/cm²的压力下吹入制成的砂芯，20kg的型芯只需10～20s即可硬化，几乎可立即用于浇注。

混砂时先加异氰酸脂，后加酚醛树脂，混砂时间不超过3min。

SO₂法冷芯盒树脂砂配制，原砂要求与三乙胺法相同。粘结剂可用酚醛或呋喃型冷硬树脂，树脂占砂质量的1%～1.5%。所用活化剂主要有过氧化氢、过氧化丁酮，过氧化物活化剂占树脂重量的25%～50%，硅烷加入量占树脂重量的0.25%～0.3%。固化砂芯的SO₂气体吹入时可用干燥的空气为载体。

（2）自硬冷芯盒法树脂砂的配制。呋喃树脂砂在常温下与固化剂发生化学反应，在芯盒内很快自行硬化，这种方法称为自硬冷芯盒法。

呋喃树脂自硬砂配制时，所用原砂SiO₂含量要高，要求原砂纯净干燥。粘结剂有尿醛呋喃树脂和酚醛呋喃树脂，要求树脂中糠醇的含量超过50%，树脂无氯或低氮，树脂加入量为1%～2%。固化剂广泛采用对甲苯磺酸（酸∶水=7∶3）、二甲苯磺酸、苯酚磺酸等，固化剂占树脂重量的30%～40%。加入添加剂硅烷可提高强度，降低树脂加入量；氧化铁粉可以防止冲砂和产生气孔；甘油和苯二甲酸二丁脂可提高型、芯的韧性。硅烷加入量占树脂加入量的0.1%～0.3%，氧化铁粉占树脂加入量的1.5%～4%，甘油占树脂加入量的0.2%～0.4%。呋喃自硬砂的配比举例见表1-11。

表1-11　呋喃树脂自硬砂的配比（质量分数）　　　（%）

五、油砂、合脂砂的配制及选用

以油类和合脂粘结剂混制的芯砂可使芯砂获得较高的干强度，而且有良好的退让性和溃散性。可用于制作任何形状复杂、断面细小的砂芯。

1.油　砂

植物油砂的配制原砂最好用水洗原砂，原砂应选用圆形中等粒度为佳。油的加入量在2%～3%，加入粘土1%～2%，加水＜　2%，可显著提高湿强度；如加入1%～2%的糊精（同时加入适量的水），可提高湿强度和干强度，改善溃散性。油砂的混制应把原砂和粘土、糊精干混2～3min，然后再加水湿混2～3min，最后加植物油湿混5～8min。油砂配方实例见表1-12。

2.合脂砂

合脂砂是以合脂作粘结剂的芯砂。合脂可以代替价格昂贵的植物油，而砂芯的干强度、溃散性等主要性能与油砂接近。是我国制作油砂芯的主要粘结剂。

原砂选用中等粒度的圆形水洗砂。合脂的加入量在2%～3.4%，稀释剂用煤油，稀释比即合脂∶煤油在10∶7～10∶8之间。为提高湿强度，可加入膨润土和糊精，分别为1%～2%和1%～1.5%，水分加入量为2%～3%。加入附加物的合脂砂烘干温度在200±20℃以下，烘干1h，强度达到最大。合脂砂的配方举例见表1-13。