黏土濕型砂是鑄造行業(yè)中人人都很熟悉的事物，正是因為我們對它太“熟悉”了，鑄造行業(yè)不少同仁反而是‘與之久處而不知其香’，對它的一些特性只知其梗概，而未深究其精微，因而，雖然天天離不了它，卻不能運用自如，充分發(fā)揮它的作用。

一、黏土濕型砂優(yōu)點
? ? ? ? 1、使用歷史最悠久的造型材料????從開創(chuàng)人類文明的‘青銅時代’起，我們就離不了黏土濕型砂，由于沒有記載可考，不能確切地說出其應用的最早年代，認為其有5000年左右的歷史，可能不會是夸大其詞。????當然，早期的黏土濕型砂與目前所用的差別很大，而且所用主要是天然的黏土黏結砂，采掘以后，加水混拌后就可以使用。這種黏土砂中的黏土主要是高嶺土質的耐火黏土，一個典型的例子就是我國南京附近出產的六合紅砂，以前一度真可謂是聞名遐邇，直到20世紀50年代初期，我國第一個五年計劃期間，不少手工作業(yè)的鑄造廠仍然使用。?? 18世紀后期，簡單的造型機問世以后，逐漸強化了對型砂性能的要求。隨著造型機不斷地改進、優(yōu)化，19世紀初期又催生了混砂機，加速了由天然黏土黏結砂到用混砂機配制的合成砂的轉變。??? 用混砂機配制的合成砂推廣應用以后，為了適應不斷提高造型機的生產效率、提高鑄件質量的要求，莫來石質膨潤土的應用，在改善黏土濕型砂的質量方面的作用，應該說是至關重要的、具有劃時代的意義。目前，世界各國所用的黏土濕型砂全都都是加膨潤土配制的膨潤土的應用至少有一百多年了，但是，我們對膨潤土的認知還很不夠，今后必須不斷深化對它的了解。

? ? ? ? 2、黏土濕型砂性能控制的空間寬闊，對各種造型方式的適應性很好??? 粘土濕型砂，有較高的濕強度，在舂實過程中，其流動性較差，使砂型緊實所需的能量較多，但是，其適應各種造型方式的能力很好。??? 從最原始的手工造型，到各種現(xiàn)代化的自動造型生產線，用黏土濕型砂作為造型材料，都有令人滿意的效果。黏土濕型砂對各種舂實方式，如手工緊實、舂實、震實、壓實、拋砂、射砂、氣沖、靜壓、等造型工藝，都能適應。近年來，黏土濕砂型還成功地用于小型鑄件的擠壓成形。當然，對砂處理系統(tǒng)的安排和各種性能參數(shù)的控制，都應該按各己的具體工藝條件予以調整，不能簡單地套用別人的經驗。

? ? ? ? 3、適用于多種鑄造合金??? 目前，黏土濕型砂主要用于生產各種鑄鐵件，實際上，對鑄鋼件、銅合金鑄件和鋁合金鑄件也都是適用的。一些工業(yè)國家，100㎏以下的鑄鋼件大都用黏土濕型砂工藝制造。以前，我國有一些鑄造廠用黏土濕型砂造型、批量生產小型鑄鋼件，效果很好。近年來，隨著各種自硬砂工藝和熔模鑄造工藝的發(fā)展，我國黏土濕型砂在生產鑄鋼件方面的應用日漸萎縮。??? 實際上，鑄鋼件的凝固方式比鑄鐵件更適于采用黏土濕型砂，黏土濕砂型澆注后，由于砂型/金屬?界面處的型砂受熱，水分向外遷移，在離界面不遠處形成強度很低的水分凝聚層，這是黏土濕砂型的一項“軟肋”。??? 灰鑄鐵（尤其是球墨鑄鐵）件是以“糊狀凝固方式”凝固的，共晶轉變過程中有一石墨化膨脹的過程，迫使型壁向水分凝聚層方向運動，影響鑄件的尺寸精度。鑄型表層脹大后，‘膨脹后的收縮’還會使內部的縮孔、縮松等缺陷擴大，影響鑄件的內在質量。型壁運動，還會導致鑄件表面形成‘夾砂’之類的膨脹缺陷。??? 鑄鋼件是以“硬皮形成方式”凝固的，澆注以后，砂型/金屬?界面處的金屬很快就形成堅固的硬殼，此后鑄件內部又沒有石墨化膨脹的問題，這樣就排除了水分凝聚層這一‘軟肋’對鑄件質量的負面影響。

? ? ? ?4、比較容易適應環(huán)保方面的要求????黏土濕型砂在混砂、輸送、造型的過程中，都不釋放有害的氣體，排放的廢棄砂大多數(shù)工業(yè)國家都視為無害垃圾，與當前常用的各種化學黏結相比，可以說是最接近綠色、環(huán)保要求的。早年，英國人因其無需任何特殊的處理就可用于造型、成型以后也不必烘干就可以澆注，稱之為“Green sand”，沒料到在當前的條件下，卻可以有另外一種含義 — 綠色。??? 但是，加有煤粉的黏土濕型砂，澆注時會因為煤粉熱解而釋放少量的有害氣體。目前，尋求煤粉的代用品，是各工業(yè)國家鑄造行業(yè)都非常重視的，已經進行了大量的研究工作，今后仍然是鑄造行業(yè)關注的重點之一。

二、黏土濕型砂的缺點
????一切事物都有其兩面性，黏土濕型砂當然也有不少缺點，要將其說清楚很不容易，探求抑制其負面影響的措施，也是全行業(yè)今后重要的研究課題。
下面簡單地提主要的幾點。

? ? ? ?1、黏土濕型砂制成的砂型強度不高，砂型表面的穩(wěn)定性也不夠好，鑄件易于產生沖砂及其他相關的缺陷，只能用于制造小型和中型偏小的鑄件。

? ? ? ?2、將黏土與水混勻并使之涂布于砂粒表面，需要很長的時間，所需的能量很多。砂處理系統(tǒng)復雜，設備龐大。

? ? ? ?3、?型砂的流動性不好、難以舂實，不易制成高緊實度的鑄型，因此，舂實鑄型所需的能量很大，造型機的功率一般都相當高。如欲制得高緊實度的鑄型，則造型設備不得不龐大而笨重。
??? 近年來，日本新東公司開發(fā)的流態(tài)化填砂工藝，是在改善粘土濕型砂的流動性方面的重要進展。其基本要點是：向砂箱填砂前，先自填砂斗斗壁上許多分散的小孔吹入空氣，使型砂流態(tài)化，然后再由氣流將已流態(tài)化的型砂射入砂箱。這樣，可顯著改善型砂的流動性，使砂箱內的填砂緊實而均勻，造型作業(yè)的能耗大幅度減少，造型設備從而也可大幅度輕量化。

? ? ? 4、前面已經提到，黏土濕型砂制成的砂型含有一定的水分，澆注以后，砂型/金屬?界面處水分蒸發(fā)、向外遷移，在界面附近尚未受熱的部位冷凝，形成水分很高、強度很低的水分凝聚層。生產鑄鐵件時，會因石墨化膨脹而發(fā)生型壁運動，影響鑄件的尺寸精度，鑄件表面易產生夾砂之類的膨脹缺陷，鑄件內部因膨脹后的收縮而致的收縮也增多。

三、我們對黏土濕型砂的認知程度????

? ? ? ? 用了幾千年、至今仍然廣泛應用的黏土濕型砂，配制所用的原材料也不過是幾種非常平常的材料，但是，其生命力之旺盛，適應能力之強，改進、發(fā)展空間之廣闊，令人嘆為觀止。????

? ? ? ?從早期的手工造型發(fā)展到機械造型，尤其是二次大戰(zhàn)以后，隨著科學技術的迅猛發(fā)展，各種新型造型工藝和設備不斷涌現(xiàn)，鑄件產品的需求量和質量要求不斷提升，鑄造生產的面貌日新月異，黏土濕型砂仍然是應用范圍最廣、用量最大的造型材料。當然，這也是我們鑄造界的同仁不斷在實踐中深入探索、進行大量研究工作、不斷改善其性能的結果。???

? ? ? ? 近二十多年來，為了適應各種更為嚴格的要求，歐美各國和日本，都很重視黏土濕型砂方面的試驗、研究工作，而且這方面的工作至今仍未見絲毫放松的跡象。????

? ? ? ?目前，我國已經是世界上無可比擬的鑄造大國，鑄件產量占世界各國鑄件總產量的41.8％，多于各主要工業(yè)國家產量的總和。我國鑄造行業(yè)中也很重視研究、開發(fā)工作，但是，研究課題大都著眼于新材料、新工藝，很少有人注意到黏土濕型砂，因而，我們對黏土濕型砂的認知仍然非常淺薄，與‘鑄造大國’很不相稱。在這里，我想舉一個例子說明這一看法。????

? ? ? ?不少鑄造廠，不惜投入巨資自國外引進新型的造型設備，而與之配套的砂處理設備卻簡單、草率地安排，以求節(jié)省資金，結果，由于型砂質量欠佳，造型設備的能力不能充分利用，鑄件的質量也不及設備可能達到的水平。此外，有關黏土濕型砂的一些基本概念，我們還普遍存在一些不確切的認識。???

? ? ? 目前，我國鑄造行業(yè)面臨的任務是盡快實現(xiàn)‘由大到強’的轉變，在黏土濕型砂方面的探求和研究工作亟待加強。

二 粘土濕型造型中幾常用附加材料??

黏土濕型砂的基本組成成分是硅砂、膨潤土和水。為了改善型砂的性能，一些附加材料的作用也是非常重要的。隨著工藝技術的進步，和對環(huán)境保護和鑄件質量的要求不斷提高，今后還應該不斷開發(fā)新的品種。

? ? ? 1、煤粉鑄造用煤粉則是由煙煤中的肥煤或焦煤制成的。

? ? （1） 煙煤加熱時發(fā)生的各種變化煙煤受熱時，首先是脫除水分，然后發(fā)生分解、析出揮發(fā)分，其分解大體上可分為4個階段。第一階段 ?200℃以下，脫除水分并釋放少量CO2，此階段的反應速率低。第二階段 ?200～350℃，除繼續(xù)釋放水蒸汽和CO2外，開始釋放CO，并有微量焦油析出，可認為是熱解開始階段。第三階段 ?350～550℃，分解反應的速率增高，分解產物主要是低分子量烴類和其他有機化合物，焦油基本上都在這一階段析出。煙煤還要經歷一個軟化-熔融-固化的過程，和體積收縮-膨脹-再收縮的過程。　　

? ? ? 大約在350～390℃之間，煙煤逐漸軟化，并伴隨著體積收縮。此后開始熔融，液相逐漸增多，形成固、液、氣三相混合的膠質體。初期，由于析出的氣體不斷增多，膠質體體積迅速膨脹，氣體析出到一定程度后，析出量銳減，膠質體的體積也隨之收縮。最后，膠質體固化成為多孔性固體，稱為半焦?？傮w上，煙煤在這一階段中的體積變化見圖１。?

　　圖１ ?煙煤加熱過程中的體積變化　　

? ? ? ?圖中，C——初期的體積收縮；S——隨后發(fā)生的體積膨脹；D——總的體積膨脹。?????

? ? ? ?第四階段 ?550℃以上，繼續(xù)析出各種氣體，包括水蒸汽、CO2、CO、H2、甲烷、乙炔和氨，并由半焦轉變?yōu)榻固?。第三、四兩階段產生的氣體可能在灼熱的固體表面上凝聚，形成含碳量高的石墨狀薄膜，通常稱之為光亮碳。各種烴類物質中，芳香烴最易于熱解而生成光亮碳。

? ? ? （2） 粘土濕型砂中煤粉的作用??? 粘土濕型砂中加入煤粉，其在鑄件成形過程中的作用主要有4個方面：?鐵液注入砂型后，使型砂中的煤粉受熱分解，所釋放的還原性氣體在型腔中能防止鐵液氧化，防止鑄件表面形成FeO，這對于防止黏砂缺陷有非常重要的作用；???

? ? ? ?鐵液注滿型腔后，型內氣氛為還原性氣氛，在這種條件下，煤粉析出的烴類氣體，會凝聚于鑄型表面，形成光亮碳膜，能防止黏砂并使鑄件輪廓清晰；?靠近金屬-鑄型界面處，型砂中的煤粉受熱而發(fā)生焦化反應時，先軟化并發(fā)生體積收縮，然后再膨脹。煤粉的軟化溫度與石英的相變膨脹溫度大致相同，可以容讓砂粒的膨脹。因而可防止鑄件上出現(xiàn)夾砂、鼠尾之類的膨脹缺陷，并改善鑄件尺寸的穩(wěn)定性；????

? ? ? ? 煤粉焦化時發(fā)生體積膨脹，能填塞鑄型表面層砂粒間的空隙，使鐵液及產生的易熔硅酸鹽難以滲入，從而改善鑄件的表面質量。同時，離開鑄型表面一定距離處仍然能保持應有的透氣性。

? ? ? （3）關于煤粉的粒度要求??? 多年來，我國鑄造行業(yè)習慣于用細煤粉，有關標準對鑄造用煤粉的粒度要求是：“應有95％以上的顆粒通過0.106mm的篩孔（即140目篩）”。這樣的煤粉大體上相當于外國的超細煤粉。在今天廣泛采用高壓造型設備的條件下，不作具體分析地普遍采用超細煤粉實在很不合適，這方面是亟待改進的。????

? ? ? 煤粉的粒度應根據鑄件的尺寸和重量選用，同時也要考慮造型設備的情況。一般說來，黏土濕型砂中所用的煤粉，粒度應細于原砂的粒度，但也不宜過細。如生產小型鑄件，對表面質量的要求又較高，可采用較細的砂粒，配用細煤粉或超細煤粉，但這并不是常規(guī)的情況。隨著鑄件尺寸的增大，就以采用較粗的粒狀煤粉為好。

煤粉太細，可能帶來很多問題，如：?

? ? ? 1）揮發(fā)分易于釋放，從而影響使用效果；

? ? ??2）儲、運過程中易于氧化，還可能發(fā)生自燃；

? ? ? 3）加料過程中容易被排塵系統(tǒng)吸走，影響型砂質量的穩(wěn)定性；

? ? ? 4）每次澆注后，因受熱界面大而燒蝕的量較大，導致煤粉的用量大，且使型砂中的含泥量增多?！　?/p>

? ? ? 近30年來，高壓造型設備的應用日益廣泛。對于高壓造型設備，無論水平分型或垂直分型，型砂中都應采用粗粒的煤粉。這樣，一方面可以適當提高鑄型的透氣能力，減少鑄件產生的氣孔缺陷；另一方面，采用粗煤粉，澆注時揮發(fā)分的釋放減緩，型砂中的灰分減少、復用性能改善，對于保持型砂性能的穩(wěn)定有很好的作用?！　?/p>

? ? ?如果進入系統(tǒng)砂的芯砂數(shù)量較多，導致型砂的總體粒度偏粗，為避免鑄型的透氣能力過高，在這種情況下，可考慮采用略細一些的煤粉?！　?/p>

? ? ?總之，不論鑄件特點和生產條件如何，一律采用95％以上通過140目篩的煤粉是不妥的，希望能通過試驗、研究，盡快地改變這種狀況?！?/p>

　 當然，煤粉的粒度也不能太粗。英國是最早在黏土濕型砂中配用煤粉的國家，他們根據多年使用的經驗，認為不能用粒度為1mm或以上的煤粉，否則鑄件容易出現(xiàn)氣孔缺陷。同時，英國也很少采用太細的煤粉。

　英國主要的煤粉供應廠商James ?Durrans父子公司供應的5種鑄造用煤粉的粒度分布情形見表１。

美國American Colloid公司在其為鑄造廠提供的膨潤土-煤粉預混料中所用煤粉的粒度分布見表２。

? ? ? ??我國鑄造用煤粉粒度規(guī)格的制定，還需要根據不同生產條件下的實際試驗數(shù)據進行優(yōu)選，需要煤粉生產企業(yè)與鑄造企業(yè)共同努力。一般說來，鑄造用煤粉顆粒的尺寸應在40目到200目之間，以不同的粒度級配制定若干牌號，以適應不同鑄造企業(yè)的需求。煤粉生產企業(yè)為生產粒狀煤粉，在設備方面可能要作較大的調整，如裝設旋流式粒度分級設備和粒度級配裝置等。

? ? ??（4） 對煤粉的其它質量要求對煤粉的質量要求有揮發(fā)分、灰分、硫含量、水分、焦渣特征、光亮碳析出量等項目。

? ? ? ?我國專業(yè)標準JB/T 9222－2008《濕型鑄造用煤粉》中都有規(guī)定，雖然某些指標仍有進一步的探討的必要，由于篇幅所限，這次就不具體討論了。

? ? ?這里要提到的是氯化物含量。前面已經談到，電解質會影響膨潤土的黏結性能。如果煤粉中含有較多的氯化物，就可能影響膨潤土在型砂系統(tǒng)中的效能，使型砂的濕抗拉強度顯著降低。國外規(guī)定優(yōu)質煤粉中氯化物含量不超過0.15%。我們的標準在這方面沒有規(guī)定，今后是不是也有必要進行一些探索和研究？

2.淀粉

? ? ?鑄鐵件生產方面，少數(shù)情況下，為提高鑄型中水分凝聚層的強度、改善鑄件表面質量，可在黏土濕型砂中加入1%左右的淀粉。鑄鋼用的黏土濕型砂中不能加入煤粉，加入少量淀粉往往是常規(guī)的措施。黏土濕型砂中的淀粉，以能溶于水中起粘結作用的淀粉最好。

??? 按制淀粉的原料區(qū)分，可分為地上淀粉和地下淀粉。前者如玉米粉，面粉；后者如馬鈴薯粉、甘薯粉。地上淀粉比較穩(wěn)定，鑄造行業(yè)宜采用地上淀粉。按淀粉的水溶性和加工過程區(qū)分，有α淀粉和β淀粉。β淀粉是未經處理的生淀粉，不溶于水或略溶于水，用于粘土濕型砂中作用不大。α淀粉是將生淀粉和水調成懸浮液，然后加熱糊化，并使之快速冷卻、磨細而制成的。α淀粉溶于水中即成糊狀，適合作濕型砂中的附加劑。

用β淀粉制α淀粉時，適宜的糊化溫度為86～87℃，α淀粉的制造方法見圖２。

3、聚苯乙烯珠粒????

? ? 上世紀70年代，美國、當時的聯(lián)邦德國都有鑄造廠在黏土濕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。

?? 煤粉受到金屬液的高溫作用后，在型砂中殘留焦炭粒和灰分。這些都是吸水能力很強的物質，加入循環(huán)使用的系統(tǒng)砂中的水分，先被這類多孔性物質吸收，然后才潤濕膨潤土，因而不得不使型砂中保有較高的水分。聚苯乙烯受高溫作用后幾乎全部氣化，沒有殘留物，用以代替煤粉，可相應降低型砂中所需的水分，也有利于改善型砂流動性。

? ?聚苯乙烯珠粒是光滑的球體，加入型砂后可以改善型砂的流動性，使其易于舂緊。德國有一家生產風冷發(fā)動機鑄鐵件的鑄造廠，用高壓造型線造型，系統(tǒng)砂是加煤粉的黏土濕型砂。生產缸體鑄件時，模樣上有一不大的凹陷，取模時吊砂不易脫出。為解決此問題，專配一種只含聚苯乙烯珠粒、不含煤粉的型砂，在模板進入造型機之前，由人工將其填入凹陷。結果，不僅取模方便，而且鑄件凹陷部位的表面光潔。　

??? 黏土濕型砂中代替煤粉的的聚苯乙烯珠粒，粒度為0.15 mm左右，加入量一般為1％。用聚苯乙烯珠粒的缺點是生產成本有所增高，而且鑄件澆注后釋放有害氣體。但是，如果只是局部敷用，這兩方面的問題都不大

4、石墨粉??

? ?? 早期，手工造型用的粘土濕型砂是不加煤粉的，為改善鑄件的表面質量，工人都在鑄型表面涂石墨粉。石墨粉受高溫作用后雖然不產生光亮碳，但可形成還原性氣氛，有利于防止粘砂缺陷。再則，石墨不易被鐵液潤濕，能有效地防止鐵液滲入砂粒之間的間隙。

??? 此外，石墨粉的耐用性遠優(yōu)于煤粉，用石墨粉代替煤粉，型砂的水分也可適當降低。目前，美國、日本都有鑄造廠在黏土濕型砂中用石墨粉代替煤粉，用法有兩種：一是在混砂時加入，所用的石墨粉是微晶石墨（以前稱為土狀石墨），加入量一般為0.3～0.5％；二是作為脫模劑，噴涂在模樣表面上，造型后，脫模時轉移到砂型表面。

5、短纖維類物質?

?? ? 粘土濕型砂中加入木屑的經驗早已有之，其所以能防止黏砂缺陷，主要是兩種作用：

? ? 一是在貼近鑄件的表層，木屑熱解、燃燒，有利于形成還原性氣氛，而且木屑燃燒后留有硅砂膨脹的空間；

? ?二是用于背層的型砂中，木屑纖維有增強型砂的作用。

　　???粘土濕型砂中用木屑代替煤粉，多用于生產小型鑄鋼件。因為以前不太注意煤粉釋放有害氣體的問題，在生產鑄鐵件方面未能推廣應用。

? 　　近年來，由于對有害氣體排放的限制日益嚴格，美國鑄造行業(yè)對此非常重視，又轉而注意木屑的應用。目前，所用的材料主要是經粉碎的玉米芯粉、秸稈粉和木粉。由于這類材料都是可再生資源，尤其因價格低廉而受到青睞。

? 　　據報道，美國西北部一些生產汽車用灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件的鑄造廠，已成功地用以部分代替煤粉（40％左右），可以有效地防止鑄件產生膨脹缺陷。在其中的一個鑄造廠所作的測定表明：煤粉全部由木粉代替后，澆注后有害氣體的濃度降低74％；以木粉取代40％的煤粉后，有害氣體的濃度降低42％。木粉熱解、燃燒產生的有害氣體很少，完全用以代替煤粉后，之所以仍有26％的有害氣體，是因為鑄造廠采用冷芯盒工藝制芯，落砂時有部分芯砂進入循環(huán)使用的舊砂中，澆注后芯子和型砂中含有的芯砂會析出有害氣體。

6、用再生植物油代替煤粉?

?? ? 日本某公司，從上世紀70年代起，就著手研究再生回用的植物油在粘土濕型砂中的應用。在試驗研究的基礎上，確認其效果良好后，經試制階段逐漸擴大其使用范圍。從1978年開始，在生產中全面用再生植物油代替粘土濕型砂中的煤粉。到2006年，用新工藝生產的鑄鐵件累計已有136.4萬噸，據報道，在環(huán)境保護、改善型砂性能和提高鑄件質量方面，都取得了良好的效果，其經驗值得我國鑄造行業(yè)借鑒。植物油的價格雖然高于煤粉，但所用的是廢棄植物油經再生處理后的產品，價格低廉。

用再生植物油代替煤粉的效果簡單地概況如下：?

? ? ?1）環(huán)境保護方面 ?CO2排放量大幅度減少；SO2排放量減少；進入型砂和大氣中的粉塵都明顯減少。

? ? ?2）改善型砂性能方面 ?再生植物油加入量在0.8％以下，型砂的強度略有提高；型砂的流動性改善，鑄型易于舂實；制得的鑄型表面穩(wěn)定性好。

? ? 3）產品鑄件的質量方面 ?鑄件的尺寸精度提高；鑄件的表面質量改善。