鑄造工藝學(xué) 第2版 課件 余歡 第2、3章 黏土型砂、有機黏結(jié)劑砂

鑄造工藝學(xué)第2章

黏土型砂第2章粘土型砂第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土作為黏結(jié)劑的黏土型砂仍然占有重要地位。目前世界上砂型鑄件重量仍占80%左右，我國砂型鑄件仍占85%以上。

型砂是由原砂、黏土、附加物及水按一定配比組成的。其中原砂是骨料，黏土為黏結(jié)劑。經(jīng)過混碾后，黏土、附加物和水混合成漿，包覆在砂粒表面形成一層黏結(jié)膜。

黏結(jié)膜的黏結(jié)力決定型砂的強度、韌性、流動性，砂粒間的孔隙決定型砂的透氣性。2.1概述第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

為了制得性能合乎要求的型砂，必須考慮以下三方面的因素：(1)原材料的選擇：選用高質(zhì)量的原材料是能否制成高質(zhì)量型砂的先決條件。(2)型砂配方：各種材料之間要有一個合理的配合比例。(3)混制工藝：目的在于使各種材料分布均勻，并使黏土膜完整地包覆在砂粒表面上。型砂應(yīng)質(zhì)地松散無團塊。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

為此，先明確幾個概念。原砂：用來制造型砂及芯砂的砂子，稱為造型用砂，簡稱原砂。型砂：由原砂、黏土、水和附加物按一定比例混制而成，用來造型的混合物，稱為型砂。芯砂：由原砂、黏結(jié)劑、水和附加物按一定比例混制而成，用來制備砂芯的混合物，稱為芯砂。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2鑄造用原砂

(自學(xué))2.2.1石英質(zhì)原砂

鑄造生產(chǎn)中使用量最大的原砂是以石英為主要礦物成分的天然硅砂。這是因為天然硅砂資源豐富，分布極廣，易于開采，價格低廉，能滿足鑄造上多數(shù)情況的要求。

除了細(xì)小顆粒狀的天然硅砂外，石英質(zhì)原砂還有其他兩種存在形式：石英砂巖和石英巖。經(jīng)過人工破碎、篩分后就可得到“人造硅砂”(或稱為人造石英砂)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2鑄造用原砂(自學(xué))2.2.2非石英質(zhì)原砂1.鋯砂2.鐵礦砂3.鎂砂4.橄欖石砂5.石灰石砂6.剛玉砂7.熟料砂8.碳素砂第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2.3鑄造用砂的基本要求1.鑄造用砂的熱物理性能要求

表2-8示出在不同耐火材料制成的型殼中鑄件的凝固時間及其蓄熱系數(shù)。

鑄造用砂的熱膨脹性是影響鑄件尺寸精度，引起鑄件產(chǎn)生夾砂等缺陷的重要因素。鑄造用砂的熱膨脹性主要取決于其化學(xué)及礦物組成和所處的溫度。不同的鑄造用砂的線膨脹率是不同的，而且，隨著溫度的變化每一種鑄造用砂的線膨脹率的變化也是不同的。

圖2-1所示為常用耐火材料的線膨脹率隨溫度變化的規(guī)律。圖2-1幾種原砂材料的熱膨脹性比較

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.鑄造用砂的耐火度及最低共熔點

耐火度和熔點這兩個概念都與耐火材料由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)有關(guān)，它們表征了耐火材料抵抗高溫的能力，但兩者的概念和意義并不相同。

熔點是純物質(zhì)的結(jié)晶相與其液相處于平衡狀態(tài)下的溫度。

耐火材料一般具有多相的特征，還存在著少量雜質(zhì)，所以不存在固定不變的熔點，其熔融是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的，在這個溫度范圍內(nèi)液相和固相同時存在。

耐火材料開始出現(xiàn)液相的溫度(即最低共熔點)一般比較低，這是由于耐火材料作為一種多相系，在其中形成了低熔點化合物所致。例如，純石英(SiO2)的熔點為1713℃，而與氧化鐵形成的低熔點化合物2FeO·SiO2，其熔點僅為1205℃。理論上講，不少鑄造用砂的耐火度都高于合金的澆注溫度。

但由于耐火材料的基體及其所含的雜質(zhì)與金屬或黏結(jié)劑中的有關(guān)物質(zhì)發(fā)生相互作用而生成低熔點的化合物或共熔物，它們通常在遠(yuǎn)低于耐火材料本身耐火度的溫度下就開始形成液相，因而導(dǎo)致鑄型軟化，高溫性能急劇下降。

因此，對鑄造用砂來說，要求材料本身具有高的耐火度固然是重要的，但更有意義的是鑄型中液相開始出現(xiàn)的溫度，即最低共熔點。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3.鑄造用砂的熱穩(wěn)定性與熱化學(xué)穩(wěn)定性

熱穩(wěn)定性亦稱抗熱沖擊性，是指耐火材料抵抗溫度急劇變化而不開裂的性能。在澆注過程中，與液態(tài)金屬接觸的那一部分耐火材料，受到急劇熱沖擊，溫度迅速上升，體積膨脹，有些材料還會發(fā)生相變；而遠(yuǎn)離液態(tài)金屬的那一部分耐火材料，溫度較低，膨脹量少，從而會導(dǎo)致鑄型產(chǎn)生變形或裂紋。要求鑄造用砂能抵抗這種溫度的急劇變化而不開裂，即有較好的熱穩(wěn)定性。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

4.鑄造用砂的含泥量

原砂中顆粒直徑小于0.02mm部分所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)稱為原砂的含泥量。砂和黏土都是由巖石風(fēng)化成的，在自然界中，兩者常常混雜在一起，采用化學(xué)分析方法很難將兩者區(qū)分開，一般是根據(jù)兩者的基本特征--顆粒大小加以區(qū)分。

在鑄造中，把顆粒直徑大于0.02mm的叫做砂，小于0.02mm的稱為泥。當(dāng)兩者混雜在一起時，則根據(jù)兩者的相對含量來區(qū)分，如果其中顆粒小于0.02mm的質(zhì)量分?jǐn)?shù)乘以102，小于50稱為砂，高于50稱為泥。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2.4鑄造用砂的顆粒組成

鑄造用砂的顆粒組成包括顆粒的尺寸大小和不同顆粒大小之間的分布情況。原砂的顆粒組成對型砂的強度、透氣性以及鑄型的尺寸精度與表面質(zhì)量都有很大的影響，是判斷鑄造用砂質(zhì)量的重要性能指標(biāo)之一。

鑄造用砂的顆粒組成采用篩分法測定。我國GB/T9442-2010規(guī)定的篩孔尺寸與美國ASTM標(biāo)準(zhǔn)相同(見表2-10)。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2.4鑄造用砂的顆粒組成第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2.5鑄造用砂的顆粒形狀1.粒形

砂?？煞譃閱瘟Ｉ昂蛷?fù)合砂粒兩種。復(fù)合砂粒是由許多小砂粒被氧化鐵、二氧化硅或碳酸鈣膠合成的，它在高溫作用下容易分裂為小砂粒，復(fù)用性差，所需的黏結(jié)劑用量較大，一般不適合作為鑄造用砂。

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)單粒砂的顆粒形狀可分為：圖2-3原砂的顆粒現(xiàn)狀a)圓形砂b)多角形砂c)尖角形砂第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.砂粒的比表面積及角形系數(shù)

每克砂粒的總表面積稱為原砂的比表面積。它與原砂的顆粒組成、粒形及粒貌有關(guān)。顆粒小的原砂其比表面積大；顆粒組成相同時，圓形的、表面光潔的原砂比表面積小。

角形系數(shù)(又稱粒形系數(shù))是原砂的實際比表面積與理論比表面積的比值，是反映原砂顆粒形狀的一項指標(biāo)。角形系數(shù)E為

在等體積的各種幾何體中，球形的比表面積最小，因此，采用粒形系數(shù)E來表示砂粒形狀偏離圓球形的程度。若原砂為圓球形時，則E=1，但實際上砂粒的形狀總是不規(guī)則的，其比表面積總是大于理論比表面積的，即E>1。

根據(jù)測定，一般圓形砂E=1.05～1.3，

多角形砂E=1.3～1.6，

尖角形砂E>1.6。

角形系數(shù)可采用瑞士G.F.公司，美國D.T.公司或國產(chǎn)通氣法比表面積測定儀測定。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.2.6鑄造用砂的分類、表示方法

我國GB/T9442-2010根據(jù)鑄造用砂的礦物組成、含泥量、顆粒組成和顆粒形狀(角形系數(shù))等指標(biāo)，對石英砂進(jìn)行了分類，并規(guī)定了表示方法。見表2-11~2-13。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)例如：ZGS93-50/100（54A），表示該牌號硅砂中二氧化硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為93%，主要粒度組成為三篩，首篩篩號為50，尾篩篩號為100，粒度的平均細(xì)度值為54，平均細(xì)度偏差為±2。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.3鑄造用黏土2.3.1黏土的礦物成分

各種黏土礦物主要是含水的鋁硅酸鹽，化學(xué)通式可簡寫成：mAl2O3·nSiO2·xH2O。包括高嶺石、珍珠陶土、地開石、埃洛石等包括蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等包括伊利石、海綠石等

黏土礦物高嶺石組蒙脫石組伊利石組第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土是由各種含有鋁硅酸鹽礦物的巖石經(jīng)過長期的風(fēng)化、熱液蝕變或沉積變質(zhì)作用等生成的。

黏土在沉積過程中，常混雜有一些非黏土礦物，如石英、長石、云母等，以及少量有機物質(zhì)。只有其中的黏土礦物才是產(chǎn)生黏結(jié)能力的基本材料。非黏土礦物和有機雜質(zhì)一般都不起黏結(jié)作用。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土與水混合后，其中所含的黏土礦物容易分散為細(xì)粒。直徑大多數(shù)為1～2μm以下。其他礦物的顆粒大部分大于1～2μm。鑄造上把直徑小于20μm的細(xì)粒稱為“泥分”，泥分中不一定含有黏土礦物。

通常根據(jù)所含黏土礦物種類不同將黏土分為普通黏土(fireclay)和膨潤土(bentonite)兩類。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)膨潤土主要是由蒙脫石組礦物組成；

普通黏土主要含有高嶺石或依利石組礦物。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.3.2黏土的礦物結(jié)構(gòu)

各種黏土之所以具有不同的性能，其基本原因是黏土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同。

通過X射線衍射法的研究，可以得知按照黏土礦物的晶層排列，有兩層型、三層型等不同形式。黏土礦物的晶格中都包含著兩種基本結(jié)構(gòu)單位：①硅氧四面體晶片；②鋁氧八面體晶片。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-4硅氧四面體示意圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-5鋁氧八面體示意圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)1.高嶺石組黏土礦物以高嶺石為代表加以說明：化學(xué)成分接近理想成分；化學(xué)式為Al2O3·2SiO2·2H2O；理想化學(xué)成分為SiO246.54%，Al2O339.5%，H2O13.96%。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(1)晶體結(jié)構(gòu)圖2-6高嶺石晶層結(jié)構(gòu)示意圖a)結(jié)構(gòu)圖b)展開圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.蒙脫石組黏土礦物以蒙脫石為例說明：化學(xué)式：Al2O3·4SiO2·H2O·nH2O(其中nH2O是晶層水)。H2O為結(jié)構(gòu)水。如果不計晶層水，理論上的化學(xué)成分為SiO266.7%，Al2O328.3%，H2O5%。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)（1）晶體結(jié)構(gòu)圖2-7蒙脫石晶層結(jié)構(gòu)示意圖a)結(jié)構(gòu)圖b)展開圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3.伊利石組黏土礦物①晶體結(jié)構(gòu)圖2-8伊利石晶層結(jié)構(gòu)示意圖A+B+A單位晶層間有鉀離子填入氧層網(wǎng)眼原因：四面體中部分Si4+被Mg3+置換，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)單位層正電荷不足。為保持電荷平衡，鉀離子恰好填入。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.3.3黏土的黏結(jié)機理1.黏土的表面電荷和交換性陽離子。

在電泳實驗中，將兩根電極插入黏土漿（溶液）中并接通電源，就會發(fā)現(xiàn)黏土粒子在電場作用下向正極移動。這表明黏土顆粒表面帶有負(fù)電荷。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土顆粒表面之所以通常帶有微弱的負(fù)電荷，一般認(rèn)為可能是由下列原因造成的：(1)晶體內(nèi)部離子置換

在成礦過程中，單位晶層內(nèi)八面體的Al3+部分地被Mg2+、Fe2+所置換，硅氧四面體的Si4+被Al3+所置換，這種低價陽離子置換高價陽離子，使單位晶層電荷不平衡，而呈現(xiàn)較大的負(fù)電性。這是蒙脫石和依利石類礦物粒子帶負(fù)電的主要原因。高嶺石晶體中極少發(fā)生晶層內(nèi)置換。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(2)破鍵

黏土片狀結(jié)晶受到破壞，晶體邊緣處的Al-O、Si-O離子鍵斷裂而造成不飽和鍵，而使晶體帶有負(fù)電荷。破鍵的產(chǎn)生是高嶺石類普通黏土顆粒帶電的主要原因，蒙脫石類膨潤土所帶電荷中只有一小部分是由破鍵造成的。(3)黏土顆粒表面外露的氫氧基上氫的置換

Si-O四面體有未飽和的負(fù)氧離子，這對于高嶺石是重要的，因為在底解理面的一邊有整片的氫氧基。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土中能被交換出來的吸附的陽離子被稱為可交換陽離子。

黏土中所含可交換陽離子的數(shù)量為陽離子交換容量。

通常用氯化銨溶液處理黏土。黏土中可以交換的鉀、鈉、鈣、鎂等陽離子與交換液中的銨離子（NH+）進(jìn)行等當(dāng)量交換，測定所消耗的銨離子量，即可計算出黏土中陽離子交換容量。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

以原子吸收光譜可以測量出溶液中的可交換鉀、鈉、鈣、鎂量和鹽基總量。

在pH=7時，100g干黏土含有可交換陽離子的量（mol/n）,其中n為該離子的價數(shù)，稱作陽離子交換容量（cationexchangecapacity,簡稱CEC）。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

不同黏土陽離子交換容量相差很大。

高嶺石的陽離子交換容量為3～15×10-3mol／(100g干土)；

依利石為10～40×10-3mol／(100g干土)；

蒙脫石為80~150×10-3mol／(100g干土)。

膨潤土的陽離子交換容量主要取決于其中蒙脫石礦物的含量，通常在60～100×10-3mol／(100g干土)范圍內(nèi)。

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.黏土的膠體特性

膠體是固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)物質(zhì)所組成的高分散體系。

由一種或幾種物質(zhì)以細(xì)小微粒分散至另一種物質(zhì)中所形成的體系稱為分散體系。被分散的物質(zhì)稱為分散相；分散其他物質(zhì)的介質(zhì)，則稱為分散介質(zhì)。分散體系的分散程度用分散相粒子的表面積S與其體積V的比值來表示，這個值也稱為比表面積S0，即第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)按照分散度的大小，可把分散體系分為下列幾類：1）真溶液：分散相粒徑小于1nm，為低分子-離子分散系；2）膠體：分散相粒徑在1~100nm之間；3）懸浮體系：分散相粒徑在100~10000nm之間；4）粗分散體系：分散相粒徑在10000nm以上。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)黏土具有膠體的一系列特征：①表面帶有較多電荷；②黏土溶液具有布朗運動；③黏土溶液顯示丁鐸爾效應(yīng)（Tyndalleffect）；④顆粒小，具有很大的表面能。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3.黏土-水體系

黏土加水后，會形成膠體-懸浮體的混合物，這是一種典型的膠體體系。通常稱為黏土-水體系。其黏土膠團結(jié)構(gòu)如圖2-9所示圖2-9黏土膠團結(jié)構(gòu)示意圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

由膠核表面到均勻液相內(nèi)所產(chǎn)生的電位稱為總電位。而由膠粒表面到均勻液相內(nèi)的電位稱為電動電位。圖2-9黏土膠團結(jié)構(gòu)示意圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

靠近黏土顆粒約3~10個水分子層，該層的水，稱為強結(jié)合水，相應(yīng)于膠團結(jié)構(gòu)中的吸附層，水分子排列規(guī)則，不能移動，物理性質(zhì)有顯著改善。鑄造工藝學(xué)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)其密度在1.3~1.5g/cm3，沸點比一般水高出30~50K。具有極大的黏滯性、彈性和抗剪強度，在力學(xué)性質(zhì)上與固體物質(zhì)相近。吸附層與膠核構(gòu)成膠粒。

鑄造工藝學(xué)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

吸附層外面水分子為弱結(jié)合水，相應(yīng)于膠團結(jié)構(gòu)中的擴散層。弱結(jié)合水的物理性質(zhì)介于強結(jié)合水與普通水之間。膠核、吸附層與擴散層構(gòu)成膠團。

擴散層之外，水分子已是自由水分子，其性質(zhì)基本與普通水相近。鑄造工藝學(xué)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土的結(jié)合水量一般與其陽離子交換量成正比。對于同一陽離子黏土來說，蒙脫石的結(jié)合水量要比高嶺石大。

高嶺石的結(jié)合水量則取決于其粒度大小，粒子越細(xì)，破鍵越多，結(jié)合水量亦越多。但蒙脫石的結(jié)合水量與粒子細(xì)度無關(guān)。

不同價離子的黏土結(jié)合水量與陽離子的水合半徑和價數(shù)的比值（水合半徑/價數(shù)）成正比。見表2-14。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)金屬離子水化膜中分子數(shù)陽離子半徑/nm水合半徑/nm水合半徑/價數(shù)R-O距離d/nm結(jié)合能力F1F2/dLi+70.0780.370.370.5050.20Na+50.0980.330330.4650.21K+40.1330.310.310.4450.22NH4+40.1430.300.300.4350.23Mg2+120.0730.440.220.5750.35Ca2+100.1060.420.210.5550.36Al3+60.0570.1850.0620.3200.94即黏土與M+的結(jié)合水量>黏土與M2+的結(jié)合水量>黏土與M3+的結(jié)合水量。同價離子中Li-黏土>Na-黏土>K-黏土。具體結(jié)合水量由多到少（即形成水化膜的強弱）為：Li+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Al3+表2-15金屬離子的水合半徑和牢固結(jié)合O2-的結(jié)合能力第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

交換陽離子的價數(shù)和半徑影響?zhàn)ね两Y(jié)合水量，可以這樣表述：可交換陽離子是以水化離子形式存在于黏土單位晶層底面附近。帶負(fù)電的黏土顆粒吸附水化陽離子形成雙電層（水化膜）。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

在黏土顆粒表面帶負(fù)電量相近的情況下，吸附Na+時被平衡掉的電荷比吸附Ca2+時少，所以Na蒙脫石在水介質(zhì)中電動電位高，且該電位隨距顆粒表面距離加大呈緩慢下降，可以延伸較遠(yuǎn)距離。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

而Ca蒙脫石電動電位隨距顆粒表面距離加大呈急劇下降趨勢，并且很快消失。所以Na蒙脫石較Ca蒙脫石的擴散層厚度大，結(jié)合水量自然就大。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)4.黏土的黏結(jié)機理圖2-10黏土顆粒間黏結(jié)力示意圖a）黏土膠團示意圖b）黏土膠團間黏結(jié)力示意圖（1）公共水化膜理論

很明顯，黏土膠粒的擴散層愈薄，這種吸引力就愈強。

若水分過低，則不能形成完整的水化膜；

若水分過高，就會出現(xiàn)自由水。

在這兩種情況下，濕態(tài)黏結(jié)力都不大，只有在黏土和水量比例適宜時，才能獲得最佳的濕態(tài)黏結(jié)力。

一般說來，黏土顆粒所帶電荷愈多或黏土顆粒愈細(xì)小，比表面積愈大，則濕態(tài)黏結(jié)力愈大。第2章黏土型砂

關(guān)于黏土顆粒與砂粒之間的黏結(jié)則被解釋為：

砂粒因自然破碎及其在混碾過程中產(chǎn)生新的破碎面而帶微弱負(fù)電，也能使極性水分子在其周圍規(guī)則地定向排列。

黏土顆粒與砂粒之間的公共水化膜通過其中水化陽離子的“橋”或鍵的作用，使黏土砂獲得濕態(tài)強度。第2章黏土型砂

上述濕態(tài)黏結(jié)力的解釋在水分較少時尚可以說得通，但當(dāng)水多就解釋不通了。

因為形成膠團所需水分為2~4%，性能最好。

如水分上升到5~8%，按道理因自由水多了，強度應(yīng)下降，但事實并非如此。第2章黏土型砂

Patterson和Boenisch對膨潤土的濕態(tài)黏結(jié)力和熱濕態(tài)黏結(jié)力做出獨特的解釋：一般濕型型砂用膨潤土，其水與黏土的比例遠(yuǎn)未達(dá)到膠體狀態(tài)下的水含量，黏土顆粒之間既有陽離子的“橋”連接，又有“表面連接”。第2章黏土型砂（2）表面連接與橋連接理論

表面連接---直接吸附在膨潤土顆粒表面的極性水分子彼此連接成六角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加水分，逐漸發(fā)展成接二連三的水分子層。

黏土顆粒就是靠這種網(wǎng)格水分子彼此連接，從而產(chǎn)生了濕態(tài)黏結(jié)力。這種極性水分子有規(guī)則排列網(wǎng)格的連接可稱為“表面連接”。在沒有吸附陽離子的情況下，這種連接也是可以存在的，連接力的大小主要受含水量多少的影響。第2章黏土型砂

“橋連接”發(fā)生于相鄰黏土顆粒所吸附離子的水化膜之間，陽離子及其水化膜的作用就像一座“水橋”附加在黏土的表面連接上。

只有當(dāng)存在吸附陽離子時才可能產(chǎn)生這種“橋連接”，橋連接的強弱受離子種類的影響，也受黏土與水的質(zhì)量比的影響。

實際上，黏土吸附陽離子的表面往往只占它整個表面很少的一部分，所以由于橋連接而產(chǎn)生的黏結(jié)力是較小的，而表面連接是形成濕態(tài)黏結(jié)力的主要原因。第2章黏土型砂第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-11膨潤土砂黏土微粒的表面連接和橋連接產(chǎn)生的濕態(tài)強度示意圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-12不同水量時黏土微粒間水分子和吸附陽離子水化膜聯(lián)接示意圖○—離子

●●●–強連接的水分子+++—弱連接的水分子===自由運動水分子1)濕態(tài)強度第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-11膨潤土砂黏土微粒的表面連接和橋連接產(chǎn)生的濕態(tài)強度示意圖

陽離子交換量小的高嶺石類普通黏土是不可能靠橋連接產(chǎn)生顯著的黏結(jié)力的，其水分對濕強度影響曲線只相當(dāng)于水分與表面連接關(guān)系曲線。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-11膨潤土砂黏土微粒的表面連接和橋連接產(chǎn)生的濕態(tài)強度示意圖

陽離子的種類對橋聯(lián)結(jié)曲線有強烈影響。2～3倍最適宜水分區(qū)間強度的下降，以鈣基膨潤土最為明顯，鈉基膨潤土較為緩和。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-13100℃時不同水量的黏土微粒表面間水分子和吸附陽離子水化膜聯(lián)接示意圖○—離子

●●●–強連接的水分子+++—弱連接的水分子===自由運動水分子2）熱濕強度第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

黏土型砂的干態(tài)黏結(jié)機理可能是：烘干過程中砂型逐步失水，使砂粒和黏土顆粒本身之間相互靠攏，緊密接觸而產(chǎn)生附著作用。

從膠體化學(xué)觀點看，帶同類電荷的黏土膠粒間的公共水化膜，尤其是公共擴散層，在烘干過程中水分逐漸失去，促使其擴散層變薄。由于其中帶異號電荷離子(如Ca2+、Na+等)的吸引，黏土顆粒間、黏土顆粒與砂粒之間就緊緊地結(jié)合起來。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

繼續(xù)烘干，黏土顆粒的吸附水化膜進(jìn)一步變薄，將黏土和砂粒緊緊拉在一起而產(chǎn)生“干”強度。假如在高溫下長時烘烤，使黏土層間水完全除去，黏土顆粒不再呈電性，顆粒間的靜電斥力也同時消失。此時使黏土和砂連接在一起的力是分子間的引力。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)5.影響?zhàn)ね琉そY(jié)性能的主要因素就黏土本身來講，主要有：(1)黏土礦物成分

黏土顆粒表面的吸附能力隨黏土的比表面積增大而增大。

蒙脫石類黏土礦物的比表面積達(dá)50~300m2／g之間；

高嶺石類黏土礦物的比表面積在1~10m2／g之間；

伊利石類黏土礦物的比表面積在10~40m2／g之間。

膨潤土的主要礦物成分為蒙脫石類黏土礦物，故濕態(tài)黏結(jié)力大。一般膨潤土的黏結(jié)力比普通黏士高2～3倍，在達(dá)到同樣濕強度時，膨潤土的加入量只需普通黏土的1/2～1/3。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(2)可交換陽離子容量和成分

可交換陽離子容量E越大，其黏結(jié)力越強。因水化陽離子起“橋”聯(lián)接作用，而濕態(tài)強度是表面聯(lián)接和“橋”聯(lián)接作用的共同結(jié)果。

高嶺石的陽離子交換容量為3～15mmol／(100g干土)；

蒙脫石為80~150mmol／(100g干土)；

依利石為10～40mmol／(100g干土)。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)可交換陽離子的成分對膨潤土性能產(chǎn)生影響的原因有：①吸附陽離子的價數(shù)高，把黏土顆粒維系在一起的傾向大，使黏土顆粒的分散度減小。②高價陽離子與黏土顆粒表面之間的靜電吸引力大，使吸附水層的厚度減小，容易出現(xiàn)自由水。③溫度升高，分子的活動能力增強，使可交換陽離子容量降低。降低的程度和吸附陽離子的成分有關(guān)，隨著溫度升高，Na+的吸附量降低較小，而Ca2+的吸附量降低較大。④可交換陽離子能影響水化層中水分子排列的完善性。

一般說來，低價陽離子比高價陽離子對黏土黏結(jié)性更有利。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)6.黏土的活化處理

根據(jù)蒙脫石礦物吸附陽離子的成分，膨潤土可分為Ca基膨潤土和Na基膨潤土兩種。因為膨潤土主要吸附Ca2+和Na+。過去認(rèn)為，如果黏土顆粒所吸附的主要是Ca2+，就稱為Ca基膨潤土，黏土顆粒所吸附的主要是Na+，就稱為Na基膨潤土。但這只是定性規(guī)定，實際中不好操作，沒有定量標(biāo)準(zhǔn)。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

鈉基膨潤土（簡稱Na土）和鈣基膨潤土（簡稱Ca土）主要的性能差別有：（1）Na土的分散度比Ca土高，Na土加入水后，分離成小于0.5μm的達(dá)88%，而Ca土只有35%。（2）Na土的膨潤值比Ca土高，Na土的膨潤值大于36cm3，Ca土膨潤值小于30cm3。（3）Na土的過濕強度和熱濕拉強度比Ca土高，即Na土對水分和溫度的敏感性低。

上述差別的原因，普遍認(rèn)為是由于膠體中電動電位差不同導(dǎo)致擴散層厚度不同引起的。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)Na土和Ca土的工藝性能的比較，詳見表2-16。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)Na土性能雖好，但天然的Na土卻很少，來源有限。就世界范圍而言，發(fā)現(xiàn)屬于Na土也只有幾個地方。其中，目前認(rèn)為最好的是美國懷俄明（Wyoming）的Na土，大量出口到歐洲和日本。在我國，Na土亦很少，已探明的膨潤土儲量7.2億噸，其中Na土約為1.2億噸。浙江平臺、新疆托克遜、遼寧凌源、吉林九臺為Na土產(chǎn)地，而絕大多數(shù)膨潤土為鈣基膨潤土。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

由于天然Na土極少，有人提出用人工的辦法來生產(chǎn)Na土，使膨潤土原吸附的鈣離子換成吸附鈉離子，這可以利用黏土的陽離子交換的性質(zhì)做到這一點。這種處理叫做膨潤土的活化處理。

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

鈣基膨潤土的活化處理是在膨潤土漿中加入含有鈉離子的鹽，如蘇打(Na2CO3)，小蘇打(NaHCO3)、醋酸鈉、草酸鈉、磷酸鈉等。效果最好的是加入蘇打，因為Na2CO3中的CO32-與水溶液中Ca2+生成CaCO3，它在水中的溶解度極小，交換反應(yīng)進(jìn)行較為完全。反應(yīng)如下：

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

Na2CO3加入量要適當(dāng)，過少或過多都不行，過少起不到活化作用，過多則Na+的濃度過大，進(jìn)入吸附層的Na+增多，使膠粒表面負(fù)電荷減少，擴散層變薄，膨潤土的水化能力反而降低，性能變差。一般蘇打加入量為膨潤土的4~5%。

實踐證明，活化處理后的黏土，黏結(jié)性能大大提高，抗夾砂能力提高。膨潤土的活化處理主要是針對鈣基膨潤土的，一般不用來處理普通黏土。因為普通黏土的可交換陽離子很少，活化處理效果不好。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.3.4黏土的受熱變化高嶺石加熱時，100~150℃失去吸附水，400~700℃失去結(jié)構(gòu)水轉(zhuǎn)變成偏高嶺石Al2O3·2SiO2；900~1050℃分解為均質(zhì)的Al2O3和SiO2的混合物；1000~1285℃均質(zhì)的Al2O3與SiO2形成富鋁紅柱石（莫來石）3Al2O3·2SiO2；熔點1750~1787℃。蒙脫石加熱時，在100~150

℃失去吸附水（包括強結(jié)合水和弱結(jié)合水），100~250℃（有時達(dá)到300℃

）時失去層間水，550~750℃時失去結(jié)構(gòu)水，900℃左右結(jié)構(gòu)破壞形成均質(zhì)物質(zhì)，繼續(xù)加熱則均質(zhì)物質(zhì)重新結(jié)晶形成尖晶石和石英，熔點在1250~1300℃之間。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.3.5黏土的質(zhì)量及種類的鑒別1.黏土的礦物分析

一般都用提純的樣品作礦物分析。黏土礦物分析包括以下幾種：(1)X射線衍射分析：因為每一種黏土礦物各有其獨特的x射線衍射線譜，故利用X射線方法可以鑒別黏土的礦物成分。不僅可以區(qū)分高嶺石類、蒙脫石類和伊利石類黏土，而且可以分辨出鈣基或鈉基膨潤土，同時能測定不同黏土礦物的相對含量。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(2)差熱分析(DifferentialThermalAnalysis,又稱DTA)：可以指出黏土礦物加熱時的失水溫度、分解溫度和重結(jié)晶溫度。不同的黏土礦物，其差熱曲線不同，故可根據(jù)差熱曲線鑒別黏土礦物。分解溫度高的黏土其復(fù)用性好。(3)陽離子交換容量的測定：分析各種交換性陽離子含量是判斷膨潤土是鈉基或鈣基膨潤土的最基本方法。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(4)熱失重：黏土礦物為含水鋁硅酸鹽，加熱時會失去水分，減失重量。黏土礦物所含的水可分為吸附水、層間水、晶格水(結(jié)構(gòu)水)三種。層間水要到300℃左右才能完全去盡。不同的黏土礦物脫失晶格水的溫度不同，故根據(jù)熱失重分析可以鑒定黏土礦物。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(5)電子顯微鏡觀察：根據(jù)透射電子顯微鏡照片上像的輪廓、像輪廓的清晰程度、像的襯度和顆粒大小等因素，綜合起來可得出所測礦物顆粒的立體形態(tài)及結(jié)晶程度等形態(tài)學(xué)概念，可與其它方法配合用于鑒別黏土礦物。

利用掃描電子顯微鏡，可以對天然狀態(tài)的土樣和從黏土懸濁液制得的試樣進(jìn)行觀察。其用途比透射電鏡更廣泛，亦可用于鑒別黏土礦物。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(6)紅外線吸收光譜分析：用紅外線連續(xù)光譜照射物質(zhì)時，紅外線與物質(zhì)內(nèi)原子間結(jié)合所具有的振動(基準(zhǔn)振動)發(fā)生共振，與基準(zhǔn)振動頻率相同的紅外線被吸收。紅外線吸收谷的位置與黏土礦物的結(jié)晶程度、粒度、晶內(nèi)置換等因素有關(guān)，因此紅外線吸收光譜能用于鑒別黏土礦物。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.測定吸水率和吸水比

不同黏土吸水的能力不同，可以根據(jù)黏土吸水能力的大小來判斷黏土類別。

吸水率為黏土試樣所吸收水分的最大重量與黏土試樣重量的比值，一般以百分?jǐn)?shù)表示。

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

吸水率用吸水率測定儀測定。

普通黏土的吸水率較小，約為80～120％，能很快達(dá)到最大值；

鈣基膨潤土的吸水率約在200～300％，且很快達(dá)到最大值；

鈉基膨潤土的吸水率約在600~700％，要2小時左右才能達(dá)到最大值。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

亦可用吸水比來區(qū)分鈉土和鈣土

吸水比=(前10分鐘的吸水量／2小時的吸水量)x100

鈣土的吸水比≥76

鈉土的吸水比≤58第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3.測定吸附亞甲基藍(lán)量(吸藍(lán)量)

亞甲基藍(lán)為一種染色試劑，其分子式為C16H18N3SCl·3H2O，相對分子質(zhì)量為373.88。

不同的黏土礦物吸附亞甲基藍(lán)的能力不同，通常以100g干黏土吸附亞甲基藍(lán)的克數(shù)來表示，叫吸藍(lán)量。吸藍(lán)量的單位為g／(100g干土)。膨潤土吸藍(lán)量一般在25~40g／(100g干土)（>20）普通黏土吸藍(lán)量一般在5~10g／(100g干土)(<20)。

測定黏士的吸藍(lán)量，除用于區(qū)分普通黏土和膨潤土外，還可以用于測定膨潤土的耐用性、舊砂中有效膨潤土含量。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

一般用膨潤值判斷膨潤土類型（Ca土或Na土）。

其試驗方法：取3g烘干的膨潤土試樣，加入盛有50～60cm3蒸餾水的有塞量筒(容量100cm3)中，搖動到膨潤土在水中均勻分散，加入濃度為1mol／L的NH4Cl溶液5cm3，加蒸餾水到100cm3，搖勻后靜置24h，讀出沉淀部分的體積數(shù)(以cm3為單位的數(shù)值)即為膨潤值。4.測定膨潤值第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

Na土的膨潤值在36cm3之上，Ca土膨潤值在30cm3以下。膨潤值與工藝試樣的熱濕拉強度呈直線關(guān)系，見圖2-14。在設(shè)備簡單的實驗室，通過檢驗膨潤值就能估計出其抗夾砂性能的強弱。2-14膨潤值與熱濕拉強度的關(guān)系膨潤土加入量5%，緊實率(45±1)%,干混2min，濕混8min第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)5.測定型砂工藝試樣的強度

將一定量的原砂、黏土和水配制成型砂，制出Φ50×50mm的標(biāo)準(zhǔn)試祥，然后在型砂萬能強度試驗機上測出其抗壓強度。根據(jù)強度的大小來鑒別黏土的黏結(jié)性能，強度愈大的表示黏結(jié)性能愈好。

測試方法的局限性：

為了區(qū)別不同黏土的黏結(jié)性能，在相互比較時，加入黏土的量都是一樣的，但水的加入量沒有也無法統(tǒng)一規(guī)定，因為不同黏土吸水能力不同，僅規(guī)定某一加水量，不能充分反映出黏土的黏結(jié)性能。最好測試時不斷變動水的加入量，測出不同含水量型砂強度的值，畫出曲線，找到最大強度值再進(jìn)行比較。第2章黏土型砂第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.3.6黏土的合理使用

不同種類和級別的黏土，其應(yīng)用范圍是不同的。

干態(tài)下黏結(jié)性能好的黏土，適合于大中型鑄件的干型。

濕態(tài)下黏結(jié)性能強的黏土適合做濕型。

選用時，應(yīng)根據(jù)合金的種類、鑄件的大小、鑄型的種類等來決定。膨潤土的黏結(jié)能力較強，為了達(dá)到同樣的濕強度，其加入量比普通黏土少。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

為了充分發(fā)揮黏土的作用，改善型砂性能，在生產(chǎn)中經(jīng)常采用下列措施：(1)將黏土烘干磨細(xì)，磨得越細(xì)，黏結(jié)性能越好；但

①烘干溫度不能過高，最佳溫度應(yīng)該通過實驗確定；②不必過細(xì)，300目后，濕壓強度不再增加，干強度和高溫強度開始下降。此外，加工越細(xì)，成本越高，應(yīng)控制平衡點。我國現(xiàn)在供應(yīng)的膨潤土一般為95%通過200目，普通黏土為95%通過140目。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(2)將黏土制成黏土漿后，再加入混砂機里混砂；以保證混砂均勻、黏土膜分布均勻。一般用作單一砂：背砂或干型砂。面層砂仍采用膨潤土粉加入。(3)必要時，對鈣基膨潤土進(jìn)行活化處理；(4)混制好的型砂，應(yīng)停放一段時間，使型砂中的水分均勻分布，讓黏土充分吸水膨脹，以提高型砂的性能。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(5)合理使用黏土還包括根據(jù)不同的生產(chǎn)情況，選擇合適的黏土。有些鑄件結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，且為中小件，不必采用高品位的膨潤土，這樣可降低成本。

不應(yīng)理解只有鈉基膨潤土才是高質(zhì)量膨潤土，鈣基膨潤土型砂具有易混碾、流動性好、落砂容易、舊砂中團塊少等優(yōu)點。

有時用鈉基膨潤土與鈣基膨潤土對半摻和使用。

只有大型件時，才考慮選用天然鈉基膨潤土或活化膨潤土作為黏結(jié)劑。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.4黏土型砂的性能及其影響因素2.4.1概述

將原砂、黏土和水混制在一起后，就得到黏土型砂。對黏土型砂還必須有一定的工藝技術(shù)要求，或者說有一定的性能要求，方能使用。

根據(jù)德國的統(tǒng)計，制造鑄型所用的勞動量占整個鑄件生產(chǎn)勞動量的50%左右；由型砂質(zhì)量方面引起的鑄件缺陷約占鑄件缺陷的30~60%。

由此可見，型砂性能直接影響到鑄件質(zhì)量和勞動生產(chǎn)率。因此，在鑄件生產(chǎn)過程中，必須對型砂的性能有所要求。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

型砂性能綜合起來看，主要有以下幾個方面：1）型砂應(yīng)具有一定的強度，否則在造型、合箱、澆注過程中易發(fā)生塌箱、掉砂、砂眼、脹砂等缺陷。2）型砂應(yīng)具有良好的透氣性、耐火性、退讓性和適宜的導(dǎo)熱性，防止鑄件澆注凝固過程中產(chǎn)生氣孔、黏砂、裂紋、縮孔等缺陷。3）型砂應(yīng)具有良好的流動性、可塑性、韌性、不沾模性和潰散性，以保證鑄件表面質(zhì)量，提高造型造芯的勞動生產(chǎn)率，減小鑄件落砂清理的勞動量。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)4）型砂應(yīng)具有低的吸濕性、良好的保存性，以防止鑄型及砂芯烘干后很快吸潮。否則要補烘，浪費人力物力。5）型砂應(yīng)具有良好的復(fù)用性，使型砂可以長期反復(fù)使用，而性能并不下降，從而降低鑄件成本。6）型砂應(yīng)具有合適的濕度、緊實率和過篩性，使型砂的前述性能得到保證。7）對于鎂合金鑄造，還要求型砂具有良好的防燃性，以防止鑄件產(chǎn)生燃燒缺陷。不止17種性能，還有更多。是否全面需要？第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.4.2影響?zhàn)ね列蜕靶阅艿闹饕蛩?/p>

型砂的性能由原材料的性質(zhì)、型砂的配合比例、混制工藝、緊實程度、溫度等因素決定。因此在實驗室測定型砂性能時，常把混制工藝、緊實度、溫度等條件保持恒定。1.水分(含水量)

黏土必須加水潤濕并在原砂周圍形成黏土膜，才能在型砂中起黏結(jié)作用。水分對黏土砂的各種性能都有影響。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.混制工藝

型砂為混合料，通過混碾使各組元混勻，并在砂粒表面形成均勻的黏結(jié)膜?；熘乒に嚢ú牧系臏?zhǔn)備、加料順序、混合時間(與混砂機類型有關(guān))、調(diào)勻、松砂等工序。黏土砂配制不好，大部分黏土沒有起黏結(jié)作用，型砂的強度和韌性都低?；熘乒に囍饕绅そY(jié)劑的性質(zhì)決定。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3.緊實程度

混制好的型砂呈松散狀態(tài)，需要緊實后才成為整體的砂型并具有強度等性能。

緊實時包有黏結(jié)膜的砂粒在外力作用下互相靠近，呈較有次序的堆積，黏結(jié)膜則互相接觸形成“黏結(jié)橋”，砂粒間的孔隙減小并較均勻地分布在砂粒之間。當(dāng)帶黏結(jié)膜的砂?；ハ嘁苿訒r的阻力與外力平衡時，砂粒不再能移動，緊實即停止。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

實際型砂的緊實度主要決定于原砂的粒度組成，粒形、緊實條件和砂粒間相互移動的阻力(與黏結(jié)劑的性質(zhì)有關(guān))。在其它條件相同時，圓形砂比多角砂容易緊實，大粒砂比小粒砂容易緊實，因而緊實度高。

增大緊實力時，尖角形砂和粒度分散的砂，可得到較大的緊實度。實驗室中三錘緊實后石英砂的密度為1.5～1.8g／cm3，孔隙率為30～40％。

緊實度影響砂粒之間的接觸面積和孔隙大小，因此對型砂的強度、透氣性等性能都有很大影響。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.4.3型砂的強度理論

可用黏結(jié)技術(shù)的一般原理來研究型砂的強度，目的是用最少的黏結(jié)劑獲得所需的型砂強度，降低鑄件的生產(chǎn)成本。

由黏結(jié)劑黏結(jié)的兩顆砂粒(如圖2-15所示)，在靜拉力作用下的破壞方式可能有4種：①通過砂粒破壞；②通過黏結(jié)膜破壞(內(nèi)聚破壞)；③黏結(jié)膜與砂粒表面脫開破壞(附著破壞)；圖2-15黏結(jié)膜破壞類型示意圖④黏結(jié)膜破壞和黏結(jié)膜與砂粒表面脫開破壞兩者兼有(內(nèi)聚破壞和附著破壞)。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

一般情況下，濕態(tài)多是內(nèi)聚破壞，干態(tài)主要是內(nèi)聚與附著破壞共存，因砂粒的強度比黏結(jié)膜的強度大得多，所以通過砂粒破壞的方式實際上不會出現(xiàn)，附著破壞是可能出現(xiàn)的。圖2-15黏結(jié)膜破壞類型示意圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)1.黏附機理

黏附機理主要研究被黏物與黏結(jié)劑界面之間黏附力的本質(zhì)?，F(xiàn)在已有機械黏結(jié)、物理吸附、氫鍵、化學(xué)鍵等多種黏附理論，它們各自能解釋部分實際現(xiàn)象，但還沒有形成完整統(tǒng)一的黏附理論。(1)機械黏結(jié)

被黏物表面從微觀的角度看總是粗糙的或是多孔的，滲入被黏物表面溝槽或孔洞中的黏結(jié)劑，固化后起“錨固”作用形成機械黏結(jié)。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(2)物理吸附

任何物質(zhì)的分子或原子之間都存在著兩種相互作用力。一種是強的主價鍵作用力—化學(xué)鍵力；一種是弱的次價鍵力—范德華力，氫鍵則介于兩者之間。

物理吸附理論認(rèn)為，被黏物和黏結(jié)物之間的黏附力是原子或分子間的范德華力。范德華力是永遠(yuǎn)存在于分子或原子之間的一種吸引力，一般沒有方向性和飽和性，作用范圍約為幾十個nm。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(3)氫鍵

一個與負(fù)電性很強而原子半徑較小的原子(O、F、N等)相結(jié)合的氫原子，與另一個負(fù)電性很強的原子之間形成的結(jié)合力，稱為氫鍵，如OH—O，F(xiàn)H—F，NH—O等。一般認(rèn)為氫鍵x—H…Y中，x—H基本上是共價鍵，而H…Y則是一種強有力的范德華力。(4)化學(xué)鍵

黏結(jié)劑與被黏物表面生成化學(xué)鍵，則可以顯著提高附著強度。樹脂砂中加偶聯(lián)劑(各種硅烷)后能使型砂強度顯著提高，這是由于偶聯(lián)劑的一端與被黏物表面形成了化學(xué)鍵，另一端則與黏結(jié)劑形成化學(xué)鍵。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)被黏物和黏結(jié)劑界面之間黏附力的種類和鍵能如表2-18所示。黏附力種類鍵距/nm鍵能/kJ·mol-1范德華力0.3~0.54.2~8.4氫鍵0.2~0.312.6~42化學(xué)鍵0.1~0.2210~840表2-18黏附力的種類和鍵能第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.影響?zhàn)そY(jié)強度的因素(1)黏結(jié)劑的黏度

黏度低的黏結(jié)劑，容易滲入砂粒表面的溝槽或細(xì)縫內(nèi)，并使其中的空氣排出，有利于潤濕砂粒，使黏結(jié)劑容易在砂粒表面均勻分布。(2)砂粒的表面狀況

水洗或擦洗砂的表面清潔，可提高附著強度。用化學(xué)處理方法使砂粒表面生成有極性或提高表面能的產(chǎn)物，能使黏結(jié)劑和砂粒之間形成更高的黏結(jié)強度。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(3)黏結(jié)膜的厚度

砂粒表面黏結(jié)膜的厚度一般隨黏結(jié)劑加入量增加而增大。隨著黏結(jié)劑加入量增加，型砂強度開始增加很快，但到一定程度后將變緩。黏結(jié)劑的比強度(即每加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)1％黏結(jié)劑得到的型砂強度)則在達(dá)到最大值后就下降。這是由于黏結(jié)膜過厚其內(nèi)應(yīng)力增大、黏結(jié)膜內(nèi)氣泡等缺陷增多，使黏結(jié)膜與砂粒表面的附著強度、黏結(jié)膜的內(nèi)聚強度都下降的緣故。

比強度最大時的黏結(jié)膜厚度稱為最佳黏結(jié)膜厚度。不同的黏結(jié)劑，最佳黏結(jié)膜的厚度亦不同，一般在0.05～0.25mm范圍內(nèi)。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.4.4黏土型砂的主要性能及主要影響因素1.透氣性

鑄型透過氣體的能力稱為透氣性。

透氣性的大小用透氣率表示，它是型砂的重要性能之一。

在澆注時，型砂中的水分迅速汽化蒸發(fā)，型腔中的氣體受熱膨脹，型（芯）砂中的有機物質(zhì)燃燒或揮發(fā)，產(chǎn)生大量的氣體。

這些氣體，除了一部分通過明冒口和通氣孔排出鑄型外，剩余的氣體，只有通過鑄型排出。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

如果鑄型的透氣性差，鑄型型腔與金屬液界面處的氣體壓力增大，氣體就會侵入液體金屬中，使鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷。

當(dāng)然透氣性又不宜過大，否則易產(chǎn)生鑄件表面粗糙、甚至產(chǎn)生黏砂缺陷。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)影響因素：

凡是減少砂粒間孔隙的因素都降低型砂的透氣性。(1)原砂的影響

原砂對型砂透氣性的影響，主要表現(xiàn)在原砂顆粒大小、粒度組成和顆粒形狀等方面。氣體通過砂粒空隙時相當(dāng)于氣體通過毛細(xì)管，型砂的透氣性與砂粒的直徑大小及空隙率成正比。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)1)原砂的顆粒大小

原砂的顆粒越大，型砂的空隙越大，氣體通過的阻力就越小，透氣性就越高。從圖2-16可以看出。圖2-16原砂顆粒大小對透氣性的影響第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2)原砂的粒度組成原砂粒度集中、后篩停留量小，則透氣性好。

采用粒徑分別為0.1~0.2mm和0.3~0.6mm的兩種原砂按不同比例混合后（表2-19），加同樣的膨潤土（8%）和水(4%)，透氣性結(jié)果如圖2-17。圖2-17原砂顆粒組成對型砂透氣性的影響曲線1~6—組別第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

當(dāng)堆積密度不變時，顆粒大且集中的型砂，透氣性最大（第1組、曲線1），隨著混入小顆粒砂子，透氣性越來越差（曲線2~5），當(dāng)全是小顆粒時，盡管粒度集中，但其孔隙率最小，故其透氣性最差。對于某一粒度組成原砂，前篩停留量大的比后篩停留量大的透氣性好第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3)原砂的形狀：此因素較為復(fù)雜，有不同的結(jié)論。究竟是圓形的好，還是多角形的好，沒有統(tǒng)一結(jié)論。

原砂的顆粒形狀對型砂透氣性的影響有兩個相互矛盾的方面。

一方面由于尖角形及多角形砂對空氣的流動阻力比圓形砂大，不利于氣體的通過；

另一方面由于尖角形及多角形砂不易緊實，在一般的緊實條件下其緊實度較小，孔隙率較大，有利于氣體通過。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

多數(shù)的實驗結(jié)果證明，在手工和普通機器造型的條件下，多角形和尖角形砂的透氣性比圓形砂好，如圖2-18所示。圖2-18原砂顆粒形狀與型砂透氣性的關(guān)系1-尖角形粗砂2-圓形粗砂3-尖角形細(xì)砂4-圓形細(xì)砂第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

根據(jù)圖2-19，隨著水分增加（保持黏土含量不變），透氣性開始為增加，達(dá)到峰值后，再繼續(xù)增加水分，則透氣性轉(zhuǎn)而下降。所以，水分對透氣性有很大的影響，水的加入量應(yīng)適當(dāng)。圖2-19型砂濕壓強度、透氣性與水分的關(guān)系(2)水分的影響第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

從圖中還可以看出，型砂透氣性最大值時的含水量比濕壓強度最大值時的含水量要多一些。這是由于，隨著水分的增加，黏土的黏結(jié)作用不斷地提高，型砂的濕壓強度趨于最大值。再繼續(xù)增加水分，則因黏土的黏結(jié)作用超過了黏土膜對砂粒間滑移作用的影響，滑移阻力增加，試樣不易緊實，砂粒間孔隙增大，接觸面減少，故使型砂濕強度下降，但透氣性反而提高了。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(3)黏土的影響

一般說來，黏土加入量增加，型砂透氣性下降。如圖2-20，隨著黏土加入量增加，透氣性的峰值強度不斷降低。因為黏土顆粒較小，黏土量越多，孔隙越少，透氣性越低。

但討論這個問題時，不應(yīng)籠統(tǒng)地說，隨著黏土含量增加，透氣性下降。圖2-20型砂透氣性與水分及黏土的關(guān)系1-膨潤土2%2-膨潤土6%3-膨潤土10%第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(4)緊實度的影響

型砂的緊實度越大，砂粒的排列越緊密，孔隙就越少，堆積密度就越大，透氣性就越小。從圖2-17可以看出，型砂的堆積密度越大，型砂透氣性越低。圖2-17原砂顆粒組成對型砂透氣性的影響曲線1~6—組別第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(5)混砂工藝的影響

為了在砂粒表面覆蓋上一層黏土膜，型砂必須很好地混合搓碾，如果混砂時間太短，就不能達(dá)到這個目的，透氣性就低。但也不宜過長，否則，不僅影響勞動生產(chǎn)率，而且使水分過多的蒸發(fā)而結(jié)塊，降低了型砂的工藝性能。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2.強度

指型砂抵抗外力破壞的能力。是型砂的重要性能之一?？煞譃闈駨姸?、干強度、熱濕強度、表面強度及硬度等。按型砂受力性質(zhì)的不同，可分為抗壓，抗拉、抗彎、抗剪和濕裂強度等，其原理如圖2-21。生產(chǎn)中最常測定的是濕壓強度。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(1)濕壓強度

指混碾好的濕態(tài)型砂的抗壓強度。造型過程中的起模、翻箱、搬運、合箱等操作，澆注時金屬液對型砂的沖刷和壓力，都要求型砂具有一定的強度。濕強度低，起模時難以保持型腔形狀完整，可能發(fā)生塌箱，甚至無法造型；此外，還會造成砂眼、偏芯、脹砂等缺陷。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)影響?zhàn)ね列蜕皾駨姸鹊囊蛩兀?)原砂的顆粒組成和形狀：在相同的緊實條件下，原砂的顆粒越細(xì)，砂粒的總表面積越大，與黏土膜接觸的面積亦越大，濕強度就越高，如圖2-22所示。同樣的道理，原砂的均勻率越差，濕強度越好。圖2-22砂粒大小對型砂濕壓強度的影響第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)2)黏土和水

如果保持黏土與水的比例不變，且緊實條件相同，則隨著黏土加入量的增加，濕壓強度不斷地提高。到某一數(shù)值后，如繼續(xù)增加黏土加入量，則濕壓強度增加很小，如圖2-23所示。圖2-23黏土種類及加入量對型砂濕壓強度的影響1-鈣基膨潤土2-鈉基膨潤土3-普通黏土第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

當(dāng)?shù)竭_(dá)峰值后，如繼續(xù)增加含水量，將在黏土顆粒間出現(xiàn)自由水，內(nèi)聚力下降，使?jié)駨姸冉档?，如圖2-25所示。

可以看出，為了提高型砂的濕壓強度，在增加黏土含量的同時，也要增加含水量。即必須保證黏土與水之間成比例的增加。一般把水與黏土加水之比稱為水土比。圖2-25水土比對濕壓強度的影響第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

從圖可以看出，對于同一種的黏土，不管其含水量多少，其濕壓強度峰值時的水土比是固定不變的，圖中的水／(水+黏土)=20％。

要在全部黏土顆粒表面形成一個完整的水分子層，其水土比為7%，水土比到20%就相當(dāng)于三個作用的水分子層。圖2-25水土比對濕壓強度的影響第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3)緊實度

在保持水土比等條件不變時，隨著型砂緊實度的提高，黏土膜的接觸面積增大，砂粒排列更加緊密，因此，濕壓強度不斷地提高。但到達(dá)某一數(shù)值后，如繼續(xù)增加緊實度，型砂的濕強度變化不大，而透氣性卻大大地降低。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)濕壓強度的局限性

濕壓強度只是在造型起模后使砂型能保持一定形狀，而鑄型的破壞往往是由于型砂的濕拉強度不夠引起的。如起模時，型砂就受到拉力，上箱的吊砂受自重引起的拉力等。型砂的濕壓強度大，其濕拉強度不一定大。

舊砂中的失效黏土(即死黏土)，即使在機械化程度很高的砂處理系統(tǒng)循環(huán)使用，也是越積累越多，當(dāng)有足夠水分時，濕壓強度可以很大，但是，夾砂、砂眼等鑄造缺陷卻難以避免。因此，單純用濕壓強度作為型砂的強度指標(biāo)是不夠的。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

圖2-26給出了死黏土含量對各種強度的影響。試驗結(jié)果表明，隨著死黏土量的增加，除了濕壓強度外，濕拉強度、濕裂強度和熱濕拉強度均直線下降。所以，濕裂強度能敏感地反應(yīng)型砂中死黏土含量。圖2-26死黏土對型砂各類強度的影響第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(2)干壓強度

型砂的干壓強度是指鑄型(砂芯)烘干或硬化后的抗壓強度，而不是指澆注后的型砂強度。干壓強度對鑄型(砂芯)在搬運、合箱的過程中和澆注期間都具有重要意義。

濕型在澆注時，型腔表面在金屬液的熱作用下被烘干，故黏土砂的干壓強度不僅對干型重要，而且對濕型也是重要的。

黏土砂的干強度較低，故常測定其抗壓或抗剪強度。

影響?zhàn)ね列蜕暗母蓧簭姸鹊囊蛩赜叙ね恋姆N類與加入量、原砂的顆粒大小及均勻率、濕態(tài)水分、鑄型的緊實度和烘干溫度及烘干時間等。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(3)表面硬度

緊實度對型砂的各種性能都有很大影響，但測定型砂緊實度比較困難，故在生產(chǎn)條件下常用砂型的表面硬度間接評定型砂的緊實度。當(dāng)然，用表面硬度評定型砂的緊實度存在一定誤差，但因硬度檢驗不損壞鑄型，測量方便，所以仍得到一定應(yīng)用。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(4)熱濕拉強度

指澆注時，水分凝聚區(qū)的強度。

熱濕拉強度的測定，對于判斷夾砂的傾向大小是很有益的。

熱濕拉強度要用專門的試驗儀器來測定（見圖），先將一端迅速加熱，以模擬澆注時金屬液對鑄型的加熱，然后測定其抗拉強度。因加熱一段時間后，形成水分飽和凝聚區(qū)，則斷口也在此斷面上。一般型砂熱濕拉強度值為0.6~4kPa。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)圖2-28熱濕拉強度試驗示意圖(a)-加熱(b)拉住試樣(c)拉斷A-水分凝聚區(qū)第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)3.發(fā)氣性

型(芯)砂在高溫作用下產(chǎn)生氣體的能力稱為發(fā)氣性，一般用發(fā)氣量來衡量。發(fā)氣量可用總發(fā)氣量和比發(fā)氣量兩種方法表示?？偘l(fā)氣量指每克型砂所產(chǎn)生的氣體總量，單位為cm3/g。比發(fā)氣量指每克型(芯)砂盤內(nèi)每1％的發(fā)氣物質(zhì)所產(chǎn)生的氣體量，單位為cm3／(g·1％)。

對型(芯)砂的發(fā)氣性不僅應(yīng)注意其發(fā)氣量，而且還必須注意其發(fā)氣速度，因為氣體侵入液體金屬中的最危險階段是液體金屬在凝固時尚未形成一層金屬硬殼之前。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

型(芯)的發(fā)氣量在一般情況下是不測定的，但在研究新的黏結(jié)劑及附加物或配新型砂時，卻是一項必須測定的性能，以防止鑄件產(chǎn)生氣孔等缺陷。

型砂的發(fā)氣量主要取決于型砂黏結(jié)劑的種類及數(shù)量、含水量和金屬液澆注溫度。一般說來，黏土型砂的發(fā)氣量是有限的，但如果加入有機黏結(jié)劑，則發(fā)氣量劇增，如圖2-29所示。圖2-29黏結(jié)劑對型砂發(fā)氣量的影響

1-膨潤土4%，水4%2-膨潤土4%，水4%，有機黏結(jié)劑1%3-膨潤土4%，水4%，有機黏結(jié)劑2%第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)4.流動性

型砂在外力和本身重力的作用下，顆粒質(zhì)點互相移動的能力稱為流動性。型砂流動性好，易于緊實，鑄型尺寸準(zhǔn)確，表面光潔，造型效率高，易于實現(xiàn)造型、制芯機械化。隨著氣沖緊砂方法的應(yīng)用，型砂流動性越來越受到重視。

型砂流動性主要取決于原砂顆粒特性、黏結(jié)劑的種類及加入量、含水量及混砂質(zhì)量等。采用顆粒大且均勻，形狀為圓形的原砂配制成的型砂，其流動性高。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

當(dāng)水土比不變時，隨著黏土含量增加，型砂流動性降低。當(dāng)黏土含量不變時，增加水土比可使黏土充分吸水膨脹。砂粒之間的結(jié)合力增大，型砂流動性降低。當(dāng)水土比增加到一定值時，如繼續(xù)增加則流動性變化甚小，如圖2-30所示。圖2-30水土比對型砂流動性(高度差法)的影響1-膨潤土4%2-膨潤土6%3-膨潤土8%4-膨潤土10%第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)

目前對型砂流動性測定的看法尚未統(tǒng)一，有兩種觀點：一種認(rèn)為使用流動性這個名詞不妥，型砂在緊實力作用下是移動而不是流動，應(yīng)稱為移動性更妥些。另一種則認(rèn)為采用流動性表示是可以的。鑒于看法不同，因此，測定方法很多，主要有以下幾種。(1)高度差法：采用在型砂沖樣器沖制圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣時，第五次與第三次沖擊時試樣高度減小的百分?jǐn)?shù)表示。(2)硬度比值法：采用圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣底面硬度與頂部硬度的比值百分?jǐn)?shù)表示。(3)底孔重量法：采用緊砂時型砂從圓柱形試樣筒底孔(Φ25mm)流出型砂重量百分?jǐn)?shù)表示。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(4)側(cè)孔重量法：采用緊砂時型砂從圓柱形試樣筒側(cè)孔(Φ12mm)流出型砂重量百分?jǐn)?shù)表示，其原理見圖2-31。(5)環(huán)形空腔法：采用圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣在環(huán)形空腔砂樣筒中高度減小的百分?jǐn)?shù)表示，其原理見圖2-32。圖2-31側(cè)孔重量法型砂流動性測試裝置簡圖圖2-32環(huán)形空腔型砂流動性測試裝置簡圖第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)(6)三角槽法：采用型砂充填圓柱形標(biāo)準(zhǔn)試樣筒底部三角槽的能力表示。型砂充填三角溝槽的角度愈小，表示流動性愈好。(7)測定型砂的緊實率或過篩性。第2章黏土型砂鑄造工藝學(xué)TheEnd第3章有機黏結(jié)劑砂第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)

黏土砂、水玻璃砂和水泥砂---黏結(jié)劑━→無機材料

來源豐富，成本低廉，能滿足鑄造生產(chǎn)的一般要求

不足：干強度不夠高，退讓性、潰散性比較差等。

雖可廣泛用作各種砂型和形狀簡單的砂芯，但難以滿足用來制造形狀復(fù)雜、斷面較薄的砂芯的要求，因此生產(chǎn)上需要采用性能更好的有機黏結(jié)劑。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)3.1概述3.1.1砂芯的作用砂芯的作用有：①主要用來形成鑄件的內(nèi)腔，孔洞、凹穴等。②形成鑄件的外形。當(dāng)某些局部外形（如凹凸不平的面或溝槽等）妨礙起模時，可用砂芯成形。③組芯造型：鑄件外形、內(nèi)腔都很復(fù)雜，很難起模，大批量生產(chǎn)時。整個鑄型都用砂芯制成。此法為組芯造型。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)3.1.2對砂芯的要求

與鑄型相比，砂芯在澆注時，絕大部分被液體金屬包圍，因此它與金屬液的相互作用更加劇烈，故對砂芯的要求更高。同時，要制成形狀復(fù)雜、斷面細(xì)薄，而且要求所形成的鑄件內(nèi)腔表面光潔。這種砂芯需需滿足以下要求：第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)1)砂芯應(yīng)具有較高的干強度；以防止在搬運和澆注的過程中損壞。對于形狀復(fù)雜、斷面細(xì)薄的砂芯尤為重要；2)較高的透氣性和較低的發(fā)氣性；發(fā)氣量要小，發(fā)氣速度要慢，最好在鑄件表面已凝固一層金屬硬殼后，才析出大部分的氣體；3)芯砂良好的流動性；易得到復(fù)雜形狀；第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)4)具有優(yōu)良的退讓性和潰散性；由于液體金屬在凝固冷卻的過程中體積產(chǎn)生收縮，如果砂芯的退讓性差，就會阻礙鑄件收縮，致使鑄件產(chǎn)生裂紋和變形等缺陷。尤其是鎂合金鑄件，其收縮較大，高溫強度很低，產(chǎn)生上述缺陷的可能性更大；潰散性好可減少清理量。5)具有不吸濕或較小的吸濕性；易于存放，否則回潮易產(chǎn)生氣孔缺陷；第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)6)原材料來源豐富，價格低廉，無毒。

上述幾點是對砂芯總的要求，而不是說每一個砂芯都必須滿足上述全部要求。由于每個砂芯的技術(shù)條件、結(jié)構(gòu)形狀和生產(chǎn)條件不同，因此，對每個砂芯的要求是不同的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)3.1.3砂芯的分級

為了便于根據(jù)砂芯的特點選用黏結(jié)劑，擬定相應(yīng)的制芯工藝規(guī)程，生產(chǎn)上常將砂芯分為五級。這是根據(jù)砂芯外形特征及在鑄型中的工作條件進(jìn)行分級的。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)表3-1為砂芯的分級及各級砂芯的主要特征、性能。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)3.1.4砂芯黏結(jié)劑的分類

目前，鑄造生產(chǎn)上使用的砂芯黏結(jié)劑種類繁多，新的黏結(jié)劑和制芯工藝不斷涌現(xiàn)，為了便于合理選用黏結(jié)劑和制芯工藝，也為了開發(fā)新的黏結(jié)劑，有必要對黏結(jié)劑進(jìn)行分類。

黏結(jié)劑的分類有許多種分類方法。第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)第3章有機黏結(jié)劑砂鑄造工藝學(xué)③按其對水的親和力分

憎水材料：桐油、松香