膨润土在粘土粘结砂中的作用及变化

铸造用膨润土主要有钠基膨润土和钙钠膨润土两类，钠基膨润土是由天然钠基膨润土或人工钠化膨润土加工而成，以其复用性好和湿压强度高而受铸造行业欢迎。因具有良好的可塑性，可遏止铸件出现夹砂、结疤、掉块、砂型塌方等现象，加之成型性强、型腔强度高，便于金属行业浇铸湿态或干态型模，是精密铸件首选的型砂粘结剂。钙钠膨润土由天然基钙钠膨润土加工而成，是轻型铸件普遍采用的型砂粘结剂。它以实用和铸件清砂便捷而受用户欢迎。

与其他粘结剂相比，膨润土有一个重要的特点，就是它具有一定的耐热能力。只要加热温度不太高，脱除了自由水的膨润土只要加水，仍能恢复粘结能力。膨润土的粘结能力只有在加水以后才能表现出来。膨润土失去粘结能力，也与它的脱水有关。到目前为止，认为膨润土中的水分有三种形态：一种水是自由水，即膨润土颗粒吸附的水，加热到100℃以上，就可脱除自由水，脱除了自由水的膨润土，粘结能力不受影响；二种水是牢固结合水，110℃下长时间加热，膨润土可完全脱除自由水，但不会脱除牢固结合水。已完全脱除自由水的膨润土，再在较高的温度(如200℃，300℃)下加热仍会继续减重，说明仍有水分损失。膨润土经这样加热脱水后，只要加水，能完全恢复粘结能力；三种水是晶格水，也有人称之为结构水。晶格水只有在相当高的温度下才能部分或全部脱除。膨润土的晶格水脱除以后，即丧失粘结能力，成为死粘土。

不同的膨润土，丧失粘结能力的温度不同。由差热分析实验证明：一般来说，天然钠膨润土的失效温度为638℃，钙膨润土为316℃。人工活化的钠膨润土，由于活化条件各异，失效温度不一，但都低于天然钠膨润土。由此可见，粘土粘结砂中存在两种膨润土，一种是有效膨润土，另一种是死粘土。死粘土越多，粘土粘结砂性能越差。

钠膨润土在600℃以下加热，它的粘结能力基本上不受影响。加热温度超过600℃，就急剧地丧失粘接能力。加热到700℃以上，几乎完全丧失了粘结能力。钙膨润土在100℃以上，就开始缓慢地失去粘结能力。加热温度再提高，粘结能力的丧失就越明显。人工活化不好的钠膨润土，在最初使用时，失效温度仅略低于天然钠膨润土，几次反复加热后，就与钙膨润土相近。

当熔融金属注入铸型以后，如果贴近铸件表面的型砂被加热到800℃以上(有一些非铁合金达不到此温度)。不管你用什么样的膨润土，这部分型砂中的膨润土都会变成死粘土。这些死粘土，一部分随同型砂一道附在铸件表面上，被铸件带走，一部分留在回收的旧砂中。除了制造大型铸件，在铸造过程中，大部分型砂达不到这样的温度。但由于不同的铸造厂家采用不同厂家生产的膨润土，脱除晶格水的温度是不同的，脱除晶格水的速率也不一样。如采用容易脱除晶格水的膨润土，即使在并不直接接近铸件的型砂中，也会有较多的膨润土失效而变成死粘土。如采用不易脱除晶格水的粘土，产生的死粘土就会少一些。总之，膨润土添加量越少越好，粘土粘结砂中有效膨润土含量越高，受热而失效的膨润土就越多。

旧砂的控制

用粘土湿型砂造型、浇铸以后，除贴近铸件的部分型砂中活性膨润土受热失效成为死粘土外，大部分型砂可以回收使用。配制粘土湿型砂时，旧砂用量一般都在90%以上，如果对旧砂处理不当，无论怎样加强混砂，无论添加什么辅助材料，都得不到好的型砂。所以，对旧砂进行有效的处理，是保证型砂质量的前提。

为保证型砂的性能稳定，旧砂温度的控制应保持在50℃以下，超过50℃就算是热砂。热砂问题，已被公认为粘土湿型砂铸造必须面对的最大问题。型砂温度太高，铸件容易产生夹砂、表面粗糙、冲砂、气孔等缺陷。目前，型砂冷却装置的品种、规格很多，主要有冷却滚筒、双盘冷却器和冷却沸腾床等，都是利用水份蒸发冷却型砂。其中，冷却沸腾床效果较好。

严格控制旧砂水分很重要，进入混砂的旧砂水分太低，对混砂质量的影响可能并不亚于砂温过高。铸型浇注以后，由于热金属的影响，很多砂粒表面上的土-水粘结膜都脱水干燥了，加水使其吸水恢复塑性是很不容易的。旧砂的水份越低，在混砂机中加水混碾使之达到要求性能所需要的时间就越长。由于生产中混砂的时间是有限的，旧砂的水分越低，混成砂的综合质量就越差。进入混砂机的旧砂，水分只能比混成砂略低一点。这样，从砂冷却到进入混砂机还有一段相当长的时间，水可以充分润湿旧砂砂粒表面上的膨润土。

对于用粘土湿型砂制造的铸铁件，型砂的粒度以细一些为好。由于混砂时旧砂用量一般都在90%以上，决定型砂粒度的因素主要是旧砂。新砂加入量很少，不可能靠加入新砂来改变型砂的粒度。所以，应该经常检测旧砂的粒度：140目筛上的砂粒应在10%～15%之间，200目筛、270目筛和底盘上细砂的总和应尽量少，细砂的总和一般应少于4%。吸水细粉的含量最好将其控制在2%～5%之间，吸水细粉含量太高，会使型砂的水份较高，易于导致铸件上产生针孔、表面粗糙和砂孔的缺陷；吸水细粉含量太低，则型砂的性能(尤其是可紧实性)不易稳定。吸水细粉中主要是死粘土，还包括焦化了的煤粉细粒和其他细粉。

补加膨润土的量

混砂时，必须加入一定量的膨润土，使型砂中保有必要的膨润土量。膨润土含量通常用亚甲基蓝法测定，用亚甲基蓝法测得的膨润土量称之为有效膨润土的量。

新砂补加量

补加的新砂不宜太多，以保持系统砂总量稳定为原则。新砂加入量太多，会对型砂质量有负面的影响。我国铸造厂一般散落砂都较多，很多厂新砂补加量为5%～8%。当然，新砂补加量还要考虑很多因素，如设备条件、芯砂进入量。

煤粉补加量

煤粉补加的数量，须根据旧砂中有效煤粉的测定值来确定。粘土湿型砂中的煤粉含量大致上宜控制在3.5%～5.5%之间。当然，煤粉补加的数量还要根据铸件的特点、煤粉的质量具体确定。

混砂

混砂的主要作用是将粘土粘结砂中各组分混合均匀，使水份充分润湿膨润土，并使有效膨润土膏涂布在砂粒表面上。目标是使粘土粘结砂具有适应造型设备的性能，由于膨润土膏是半固态粘性物料，达到上述目标所需的能量很大。如果混砂设备的功率不高，或混砂时间不够，膨润土就不能充分发挥其粘结作用，型砂的强度不高，其他性能也不好。如果增加型砂中的水份，使膨润土膏的水份增高、粘度下降，就可以减少涂布膨润土膏所需的能量，即混砂时间可以缩短。但是，由于膨润土膏的粘度下降，型砂的湿压强度也急剧下降，这种办法实际上是不可取的。

为了减少混砂所需的能量，采用合理的加料顺序是很重要的。混旧砂时不要按习惯先加干料(砂和膨润土)，干混一段时间，然后加水混匀。应先加砂和水混匀，后加膨润土，因为水已分散，没有较大的水滴，加入膨润土后只能形成大量较小的粘土球。压开这些小粘土球是比较容易的，需要的能量也较小。也就是说，用同样的混砂设备，得到品质相同的型砂，所需的混碾时间较短。国外有的铸造厂，在采用间歇式混砂机的条件下，混砂前先向混砂机中加水，运转几秒钟(当然设备方面保证水不泄漏)。这样，不仅有上述先加水的好处，而且可以在每次混砂前将碾轮和刮板洗净，增进混砂效率。

湿压强度

湿压强度的控制目标，一定要按照造型方法选定，绝不是强度高就好。强度愈高的型砂，造型时舂实所需的能量愈大。现在，不少铸造厂型砂的强度都太高。一些手工造型或震机造型用的型砂，湿抗压强度高达130～170kPa。用这样的型砂难以将铸型舂得很紧实，结果，铸件的表面质量不好，也容易产生缩松缺陷。

文章来源：铸造工业网