膨潤土在粘土粘結(jié)砂中的作用及變化

　　鑄造用膨潤土主要有鈉基膨潤土和鈣鈉膨潤土兩類，鈉基膨潤土是由天然鈉基膨潤土或人工鈉化膨潤土加工而成，以其復(fù)用性好和濕壓強(qiáng)度高而受鑄造行業(yè)歡迎。因具有良好的可塑性，可遏止鑄件出現(xiàn)夾砂、結(jié)疤、掉塊、砂型塌方等現(xiàn)象，加之成型性強(qiáng)、型腔強(qiáng)度高，便于金屬行業(yè)澆鑄濕態(tài)或干態(tài)型模，是精密鑄件首選的型砂粘結(jié)劑。鈣鈉膨潤土由天然基鈣鈉膨潤土加工而成，是輕型鑄件普遍采用的型砂粘結(jié)劑。它以實(shí)用和鑄件清砂便捷而受用戶歡迎。

　　與其他粘結(jié)劑相比，膨潤土有一個(gè)重要的特點(diǎn)，就是它具有一定的耐熱能力。只要加熱溫度不太高，脫除了自由水的膨潤土只要加水，仍能恢復(fù)粘結(jié)能力。膨潤土的粘結(jié)能力只有在加水以后才能表現(xiàn)出來。膨潤土失去粘結(jié)能力，也與它的脫水有關(guān)。到目前為止，認(rèn)為膨潤土中的水分有三種形態(tài)：一種水是自由水，即膨潤土顆粒吸附的水，加熱到100℃以上，就可脫除自由水，脫除了自由水的膨潤土，粘結(jié)能力不受影響；二種水是牢固結(jié)合水，110℃下長時(shí)間加熱，膨潤土可完全脫除自由水，但不會(huì)脫除牢固結(jié)合水。已完全脫除自由水的膨潤土，再在較高的溫度(如200℃，300℃)下加熱仍會(huì)繼續(xù)減重，說明仍有水分損失。膨潤土經(jīng)這樣加熱脫水后，只要加水，能完全恢復(fù)粘結(jié)能力；三種水是晶格水，也有人稱之為結(jié)構(gòu)水。晶格水只有在相當(dāng)高的溫度下才能部分或全部脫除。膨潤土的晶格水脫除以后，即喪失粘結(jié)能力，成為死粘土。

　　不同的膨潤土，喪失粘結(jié)能力的溫度不同。由差熱分析實(shí)驗(yàn)證明：一般來說，天然鈉膨潤土的失效溫度為638℃，鈣膨潤土為316℃。人工活化的鈉膨潤土，由于活化條件各異，失效溫度不一，但都低于天然鈉膨潤土。由此可見，粘土粘結(jié)砂中存在兩種膨潤土，一種是有效膨潤土，另一種是死粘土。死粘土越多，粘土粘結(jié)砂性能越差。

　　鈉膨潤土在600℃以下加熱，它的粘結(jié)能力基本上不受影響。加熱溫度超過600℃，就急劇地喪失粘接能力。加熱到700℃以上，幾乎完全喪失了粘結(jié)能力。鈣膨潤土在100℃以上，就開始緩慢地失去粘結(jié)能力。加熱溫度再提高，粘結(jié)能力的喪失就越明顯。人工活化不好的鈉膨潤土，在最初使用時(shí)，失效溫度僅略低于天然鈉膨潤土，幾次反復(fù)加熱后，就與鈣膨潤土相近。

　　當(dāng)熔融金屬注入鑄型以后，如果貼近鑄件表面的型砂被加熱到800℃以上(有一些非鐵合金達(dá)不到此溫度)。不管你用什么樣的膨潤土，這部分型砂中的膨潤土都會(huì)變成死粘土。這些死粘土，一部分隨同型砂一道附在鑄件表面上，被鑄件帶走，一部分留在回收的舊砂中。除了制造大型鑄件，在鑄造過程中，大部分型砂達(dá)不到這樣的溫度。但由于不同的鑄造廠家采用不同廠家生產(chǎn)的膨潤土，脫除晶格水的溫度是不同的，脫除晶格水的速率也不一樣。如采用容易脫除晶格水的膨潤土，即使在并不直接接近鑄件的型砂中，也會(huì)有較多的膨潤土失效而變成死粘土。如采用不易脫除晶格水的粘土，產(chǎn)生的死粘土就會(huì)少一些。總之，膨潤土添加量越少越好，粘土粘結(jié)砂中有效膨潤土含量越高，受熱而失效的膨潤土就越多。

　　舊砂的控制

　　用粘土濕型砂造型、澆鑄以后，除貼近鑄件的部分型砂中活性膨潤土受熱失效成為死粘土外，大部分型砂可以回收使用。配制粘土濕型砂時(shí)，舊砂用量一般都在90%以上，如果對(duì)舊砂處理不當(dāng)，無論怎樣加強(qiáng)混砂，無論添加什么輔助材料，都得不到好的型砂。所以，對(duì)舊砂進(jìn)行有效的處理，是保證型砂質(zhì)量的前提。

　　為保證型砂的性能穩(wěn)定，舊砂溫度的控制應(yīng)保持在50℃以下，超過50℃就算是熱砂。熱砂問題，已被公認(rèn)為粘土濕型砂鑄造必須面對(duì)的最大問題。型砂溫度太高，鑄件容易產(chǎn)生夾砂、表面粗糙、沖砂、氣孔等缺陷。目前，型砂冷卻裝置的品種、規(guī)格很多，主要有冷卻滾筒、雙盤冷卻器和冷卻沸騰床等，都是利用水份蒸發(fā)冷卻型砂。其中，冷卻沸騰床效果較好。

　　嚴(yán)格控制舊砂水分很重要，進(jìn)入混砂的舊砂水分太低，對(duì)混砂質(zhì)量的影響可能并不亞于砂溫過高。鑄型澆注以后，由于熱金屬的影響，很多砂粒表面上的土-水粘結(jié)膜都脫水干燥了，加水使其吸水恢復(fù)塑性是很不容易的。舊砂的水份越低，在混砂機(jī)中加水混碾使之達(dá)到要求性能所需要的時(shí)間就越長。由于生產(chǎn)中混砂的時(shí)間是有限的，舊砂的水分越低，混成砂的綜合質(zhì)量就越差。進(jìn)入混砂機(jī)的舊砂，水分只能比混成砂略低一點(diǎn)。這樣，從砂冷卻到進(jìn)入混砂機(jī)還有一段相當(dāng)長的時(shí)間，水可以充分潤濕舊砂砂粒表面上的膨潤土。

　　對(duì)于用粘土濕型砂制造的鑄鐵件，型砂的粒度以細(xì)一些為好。由于混砂時(shí)舊砂用量一般都在90%以上，決定型砂粒度的因素主要是舊砂。新砂加入量很少，不可能靠加入新砂來改變型砂的粒度。所以，應(yīng)該經(jīng)常檢測舊砂的粒度：140目篩上的砂粒應(yīng)在10%～15%之間，200目篩、270目篩和底盤上細(xì)砂的總和應(yīng)盡量少，細(xì)砂的總和一般應(yīng)少于4%。吸水細(xì)粉的含量最好將其控制在2%～5%之間，吸水細(xì)粉含量太高，會(huì)使型砂的水份較高，易于導(dǎo)致鑄件上產(chǎn)生針孔、表面粗糙和砂孔的缺陷；吸水細(xì)粉含量太低，則型砂的性能(尤其是可緊實(shí)性)不易穩(wěn)定。吸水細(xì)粉中主要是死粘土，還包括焦化了的煤粉細(xì)粒和其他細(xì)粉。

　　補(bǔ)加膨潤土的量

　　混砂時(shí)，必須加入一定量的膨潤土，使型砂中保有必要的膨潤土量。膨潤土含量通常用亞甲基藍(lán)法測定，用亞甲基藍(lán)法測得的膨潤土量稱之為有效膨潤土的量。

　　新砂補(bǔ)加量

　　補(bǔ)加的新砂不宜太多，以保持系統(tǒng)砂總量穩(wěn)定為原則。新砂加入量太多，會(huì)對(duì)型砂質(zhì)量有負(fù)面的影響。我國鑄造廠一般散落砂都較多，很多廠新砂補(bǔ)加量為5%～8%。當(dāng)然，新砂補(bǔ)加量還要考慮很多因素，如設(shè)備條件、芯砂進(jìn)入量。

　　煤粉補(bǔ)加量

　　煤粉補(bǔ)加的數(shù)量，須根據(jù)舊砂中有效煤粉的測定值來確定。粘土濕型砂中的煤粉含量大致上宜控制在3.5%～5.5%之間。當(dāng)然，煤粉補(bǔ)加的數(shù)量還要根據(jù)鑄件的特點(diǎn)、煤粉的質(zhì)量具體確定。

　　混砂

　　混砂的主要作用是將粘土粘結(jié)砂中各組分混合均勻，使水份充分潤濕膨潤土，并使有效膨潤土膏涂布在砂粒表面上。目標(biāo)是使粘土粘結(jié)砂具有適應(yīng)造型設(shè)備的性能，由于膨潤土膏是半固態(tài)粘性物料，達(dá)到上述目標(biāo)所需的能量很大。如果混砂設(shè)備的功率不高，或混砂時(shí)間不夠，膨潤土就不能充分發(fā)揮其粘結(jié)作用，型砂的強(qiáng)度不高，其他性能也不好。如果增加型砂中的水份，使膨潤土膏的水份增高、粘度下降，就可以減少涂布膨潤土膏所需的能量，即混砂時(shí)間可以縮短。但是，由于膨潤土膏的粘度下降，型砂的濕壓強(qiáng)度也急劇下降，這種辦法實(shí)際上是不可取的。

　　為了減少混砂所需的能量，采用合理的加料順序是很重要的?；炫f砂時(shí)不要按習(xí)慣先加干料(砂和膨潤土)，干混一段時(shí)間，然后加水混勻。應(yīng)先加砂和水混勻，后加膨潤土，因?yàn)樗逊稚?，沒有較大的水滴，加入膨潤土后只能形成大量較小的粘土球。壓開這些小粘土球是比較容易的，需要的能量也較小。也就是說，用同樣的混砂設(shè)備，得到品質(zhì)相同的型砂，所需的混碾時(shí)間較短。國外有的鑄造廠，在采用間歇式混砂機(jī)的條件下，混砂前先向混砂機(jī)中加水，運(yùn)轉(zhuǎn)幾秒鐘(當(dāng)然設(shè)備方面保證水不泄漏)。這樣，不僅有上述先加水的好處，而且可以在每次混砂前將碾輪和刮板洗凈，增進(jìn)混砂效率。

　　濕壓強(qiáng)度

　　濕壓強(qiáng)度的控制目標(biāo)，一定要按照造型方法選定，絕不是強(qiáng)度高就好。強(qiáng)度愈高的型砂，造型時(shí)舂實(shí)所需的能量愈大?，F(xiàn)在，不少鑄造廠型砂的強(qiáng)度都太高。一些手工造型或震機(jī)造型用的型砂，濕抗壓強(qiáng)度高達(dá)130～170kPa。用這樣的型砂難以將鑄型舂得很緊實(shí)，結(jié)果，鑄件的表面質(zhì)量不好，也容易產(chǎn)生縮松缺陷。

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