湿型砂的性能要求

为了保证湿型铸件具有良好的表面质量，必须使用良好性能的型砂。本文将介绍高质量湿型砂的性能要求、工厂实际应用实例，并分析型砂性能与铸件品质之间的关系。

一般认为使用造型紧实压力150～400kPa的普通震压式造型机，砂型平面硬度才只有70～80度，垂直面下端硬度可能只有50～60度，铸件局部极易产生缩孔、缩松、胀砂和粘砂缺陷。由于砂型平均密度仅～1.3 g/cm，称为低密度造型或低压造型。为了克服上述缺点，出现了气动微震造型机，在压实的同时增添了震动作用，改善了砂型紧实时型砂的流动性能，使压实比压几乎相当于提高了一倍，达到400～700kPa左右，砂型平面硬度大约为80～90度，平均密度可能在～1.5g/cm范围内。密度比较均匀，减少了局部缩松、胀砂和粘砂缺陷。近代化造型机的压实比压有可能提高到700kPa或稍高，所得到砂型表面硬度大约为90～95度，平均密度可达～1.6g/cm，称为高密度造型方法。高密度造型的生产效率高、铸件尺寸精度高，机械加工余量少。应用多触头高压、气冲、挤压（即垂直分型无箱射压造型）、射压、静压等造型机制成砂型都可能达到上述的紧实密度，因而国内外应用日益普遍。为了具体说明湿型砂的性能和控制范围，本文数据搜集大部分取自上世纪90年代中外公开发行刊物。还有一部分数据是由国内各工厂的工程师提供的，凡属未正式发表过的都不注明工厂名称，所列举数据只是当时情况，并不代表目前实际状况。本文中各种性能排列顺序基本上按照日常检验的顺序和常用性。有关型砂检测方法另有专门文章中介绍。

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1 紧实率和含水量

型砂的手感干湿程度是极为重要的性能，它反映型砂是否处于最适宜的造型状态。直到1969年才找到如何用数值衡量型砂干湿程度的方法，即测定型砂的紧实率。湿型砂不可太干，紧实率不可过低，因为型砂中膨润土未被充分润湿，性能较为干脆，起模困难，砂型易碎，表面的耐磨强度低，铸件容易生成砂孔和冲蚀缺陷。型砂也不可太湿，紧实率不可过高，否则型砂太粘，造型时型砂容易在砂斗中搭桥和降低造型流动性，还易使铸件产生针孔、气孔、呛火、水爆炸、夹砂、粘砂等缺陷。根据造型方法、操作习惯不同，对型砂的干湿程度要求也不相同。手工造型要求起模性好，希望型砂较湿一些。高密度造型要求型砂具有较高流动性，以便砂型各处紧实均匀，希望型砂稍干一些。型砂紧实率控制应以造型处取样测定为准。从混砂机运送到造型机时紧实率下降幅度因气候温度和湿度状况、运输距离、型砂温度等因素而异。工厂实测经验表明，一般情况下造型机处紧实率可能比混砂机中低2％以上。南方潮湿阴冷季节，紧实率下降可能不足1%。

以前的论点是手工造型和震压式机器造型用型砂要求起模性好，最适宜干湿状态下的紧实率大约在50%；高压造型和气冲造型时为45%；射压和挤压造型要求较高的流动性好，紧实率为40%。近年来各国铸造工厂的型砂紧实率都有降低趋势。这是因为高密度造型设备的起模精度提高，而且砂型各部位硬度均匀分布的要求使型砂的流动性成为更重要的考虑因素。工厂的控制原则大多是只要不影响起模，就尽量压低紧实率。DISA公司挤压造型和HWS公司静压造型都建议用402％；AGM公司要求水平无箱吸压造型用40

5％；GF、BMD和FA公司推荐气冲造型用型砂紧实率分别为35~40％、38~42％和

36~39％。加拿大矿业能源技术中心1988年调查76家各种造型方法的铸铁工厂中铸件品质优良的高密度造型型砂紧实率为35~45％。日本土芳公司1979~1985年调查125种湿型（包括中、高密度造型）铸铁生产线的紧实率平均值为%；1998年再一次调查94种型砂紧实率平均值降为%。GF、BMD和FA公司推荐气冲造型用型砂紧实率分别为35～40%、38～42%和36～39%。目前铸件品质较好的高密度造型的工厂中，造型机处取样型砂紧实率通常都在34~38%之间，比起当年有明显的降低趋势。震压造型和气动微震造型的的起模精度稍差，型砂紧实率可能在36～45%。手工造型需要型砂更湿一些，紧实率约在45～55%。

型砂含水量指含有水分的绝对量，它是紧实率的从变数。当型砂的干湿程度（紧实率）要求确定

后，如果型砂含泥量高，就需提高含水量；含泥量低，就要降低含水量。不过，在正常生产条件下，型砂含水量与紧实率仍然具有一个比率关系。从混砂机运送到造型机时含水量也会下降，大约降低～%左右，控制型砂性能应以造型处为准。

由资料上可以看到国外用高压造型、气冲造型方法生产汽车、拖拉机等铸件的灰铁和球铁铸造工厂高密度砂型的型砂含水量大多数在~％之间(集中在％左右)。例如美国通用汽车公司Pontiac铸造厂生产缸体、缸盖的型砂––~％，Chevolet铸造厂––~％。福特汽车厂Cleveland铸造厂汽缸体高压造型线––％，生产进排气管––~％。美国John Deere公司缸体型砂含水~％，缸盖––~％，泵阀––~％。德国大众汽车公司生产缸体––~％。奔驰汽车厂生产刹车鼓––％。意大利FA公司推荐气冲造型机用型砂––~％。瑞士GF公司调查五家欧洲气冲造型铸造厂的型砂含水量分别为％、％、％、％和％。德国Berndt调查四家气冲和高压铸造厂平均为％、％、％和％。日本土芳公司调查八家静压和气冲造型铸造工厂的型砂含水量在~％范围内，平均为％。欧美各国的铸钢型砂的含水量和挤压造型的铸铁型砂含水量也在上述范围内。凡是生产大量树脂砂芯铸件（如发动机铸件）的型砂含水量大多偏于下限。生产少砂芯铸件的型砂可能接近上限。这是因为大量树脂砂芯溃散后混入型砂使含泥量下降，型砂吸水量降低。国外工厂经验认为湿型砂的含水量也不可过低，假如含水量不足 ％，只要有

%的波动就会对型砂的各种性能造成巨大影响。使用震压和气动微震造型的型砂含水

量比高密度造型的型砂高一些，可能在～%，手工造型含水量更高，通常在～%。

型砂的（紧实率）/（含水量）比值是个重要的控制参数，可表示每1％型砂含水量能够形成多少紧实率。高密度造型的型砂最好在10~12。由国内几家外商独资或合资企业的检验结果计算比值都大致在此范围内。三家乡镇铸造厂的比值在~之间，说明型砂中吸水物质过多。

2 透气性

砂型的排气能力除了靠冒口和排气孔来提高以外，更要靠型砂的透气性。因此砂型的透气性不可过低，以免浇注过程中发生呛火和铸件产生气孔缺陷。但是绝不可理解为型砂的透气性能越“高”越“好”。因为透气性过高表明砂粒间孔隙较大，金属液易于渗透入砂粒间孔隙中造成铸件表面粗糙，还可能发生机械粘砂。所以湿型用面砂和单一砂的透气性能是否“好”，指的是透气性是否在一个适当的范围内。型砂工艺规程应当同时规定透气性的下限和上限。对湿型砂透气性的要求需根据浇注金属的种类和温度、铸件的大小和厚薄、造型方法、是否分面砂与背砂、型砂的发气量大小、有无排气孔和

排气冒口、是否上涂料和是否表面烘干等等各种因素而异。用单一砂生产中小铸件时，型砂透气性能的选择必须兼顾防止气孔与防止表面粗糙或机械粘砂两个方面。高密度造型的砂型排气较为困难，要求型砂的透气性比起低、中密度机器造型(如震压造型、震击造型等)的型砂稍高些。

BMD公司推荐气冲造型用型砂的透气率为为120~140；新东公司要求水平无箱射压造型为>120。国际密烘铸铁公司认为高压造型最好用100~200。B&P公司的水平无箱射压造型要求60~120。AGM水平无箱吸压造型要求80～120。国外一些铸造工厂实际应用的高密度砂型的型砂（单一砂、型腔表面无涂料、铸铁及铸钢件）透气率举例如下：德国生产大众汽车缸体的Luitpold铸造厂型砂为90~110。Hofmann调查欧州五家铸造厂气冲型砂分别为67、78、89、110和164。Berndt调查两条气冲线透气率平均值分别为75和。加拿大矿业能源技术中心调查76家各种造型方法的球铁和灰铁铸造工厂中，铸件品质优良的透气率在120~180范围内。德国Rexroth要求高压造型为110~135。美国使用SPO高压造型线生产缸体和缸盖的John Deere铸造厂为75~90，通用汽车厂Pontiac铸造厂为100~130。福特汽车厂生产排气管用型砂为150。日本土芳公司1998年对5条高压线调查结果平均为148，26条挤压线平均为108。宫本润调查6条水平分型无箱射压线为60~115。三菱自动车的2070挤压线作业标准为14020。以上数据可以看出有些透气率数值>160，其原因可能是由于有大量粗粒溃碎芯砂混入回用的旧砂中使型砂粒度变粗，或者是由于除尘系统风力过强使旧砂中微细颗粒被吸掉。如果已经影响到铸件表面光洁程度，应当及时向型砂中掺入细粒原砂，或者调整除尘风力和将全部旋风分离器中细粒和布袋除尘器中部分的粉料返回旧砂回送系统中。

较为适当的高密度造型型砂透气性大多在100~140之间。如果型砂透气性在160以上或更高，除非在砂型表面喷涂料，否则铸件表面会出现粗糙甚至有局部机械粘砂。一般机器造型的紧实密度稍低，型砂透气性可以为70～100。手工造型便于在砂型上扎排气孔，型砂透气性可以更低，例如50～80。

应当注意型砂标准试样测得的透气性与砂型的排气能力并非同一概念，因为砂型的排气除了靠型砂的透气性以外，取决于①砂型的实际紧实程度：砂型的紧实程度与型砂标准试样有极大区别。同一砂箱中各个部位的差别也会很大。例如气冲造型砂型的工作表面密度较高，而砂型背面就较松软，有利于排气。由于型砂的流动性和可紧实性有限，型腔的棱角、凸缘、深坑等处不易紧实到要求的密度。手工造型和普通机器造型时操作工人可以用手指或用尖头砂冲专门塞紧，而高密度造型机不允许人工操作，这些部位砂型松散最容易造成严重粘砂。生产厚大铸件、金属液压头较高、金属保持液态时间较长、表面被热透的深度较大，机械粘砂更为严重。必要时砂型局部或下砂型需喷涂醇基涂料。②对于有砂芯铸件，必须保证砂芯所发气体能通畅地从芯头排出。也还需要各种类型的排气渠道将散发入型腔和侵入金属液的气体排出。生产汽缸体铸件的模样上密布短通气针以及溢流槽、溢流冒口，其目的除了可将混杂气体、渣、砂的脏铁水排出铸件以外，更重要的是保证排气通畅。通气针形成的盲孔即使只扎穿砂型厚度的一半，也会使局部的透气能力提高一倍。有些生产中小铸件的高密度造型方法，如挤压、射压造型等，砂型上不能扎出气孔，可以靠溢流冒口和薄片状排气槽排出气体。

3 常温湿态强度

湿型砂必须具备一定强度以承受各种外力的作用。如果常温湿态强度不足，在起模、搬运砂型、

下芯、合型等过程中，砂型有可能破损和塌落；浇注时可能承受不住金属液的冲刷和冲击，冲坏砂型而造成砂孔缺陷甚至跑火(漏铁水)；浇注铁液后石墨析出会造成型壁移动而导致铸件疏松和胀砂缺陷。大铸件的金属液压头高，浇注冲刷力强和时间长，更是要求砂型强度高。高密度砂型所用大型砂箱没有箱带，高强度型砂可以避免塌箱、胀箱和漏箱。无箱造型的砂型在造型后缺少砂箱支撑也需要具有一定的强度克服金属液压力，更对型砂的强度提出较高要求。但是，型砂强度也不宜过高，因为高强度的型砂需要加入更多的膨润土，不但影响型砂的水分和透气性，还会使铸件生产成本增加，而且给混砂、紧实和落砂等工序带来困难。对于容易产生热裂缺陷的铸件也要求强度低些。此外，工厂的操作习惯和经验也对型砂强度高低的要求起极为重要的作用。湿型砂经常检测的常温湿态强度有多种，以下将分别进行讨论。型砂的强度用标准试样在受外力作用破坏时的应力值来表示。我国法定计量单位为兆帕(MPa)和千帕(kPa)。以前常用的kgf / cm或kg / cm（千克力/平方厘米，或千克/平方厘米）可按以下等式折算成法定单位：1 kgf / cm kPa 100 kPa MPa。欧洲铸造行业常用力的单位为N（牛），应力计量单位为N / cm。1 N / cm 10 kPa = MPa。本文所列举各种型砂强度的计量单位均为kPa，以下列举的强度数值姑且忽略单位符号以节省占用篇幅面积。

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湿压强度

一般而言，欧洲铸造行业对铸铁用高密度造型型砂的的湿压强度值要求较高。欧洲造型机供应商推荐的湿压强度值如下：德国BMD公司和瑞士GF公司气冲型砂以及德国HWS公司静压型砂要求180~220；AGM公司推荐130~180；意大利FA公司气冲型砂—170~200；丹麦DISA公司挤压型砂—180~250；IKO公司调查德国射压造型的型砂— >200。有些日本铸造工厂对型砂湿压强度的要求偏低。东久公司推荐无箱射压型砂的湿压强度只是110~140。丰和公司推荐Hunter造型机无箱水平分型的型砂用140~160。土芳公司调查八家气冲型砂都在113~180范围内，平均为138。三菱重工的高压型砂为105~120。五十铃高压线80~100。也有个别日本工厂的型砂湿压强度较高。例如三菱自动车川崎工厂2070挤压线20010，丰田上乡工厂静压线180~220。北美铸造行业的型砂强度似乎介于欧洲于日本之间。加拿大矿业于能源中心调查76家铸铁工厂中品质较好的湿压强度在124~207。福特汽车厂Cleveland铸造厂排气管高压型砂为172，万国收割机公司Loisville铸造厂生产拖拉机缸体高压型砂为134~156。有人解释欧洲铸造工厂的型砂湿压强度比美、日两国工厂高的原因是欧洲铸铁用原砂含SiO2高达99%左右，型砂中必须加入大量膨润土才能避免铸件产生夹砂结疤缺陷，形成了型砂强度偏高的习惯。我国工厂的高密度造型的型砂湿压强度大多接近美洲和日本工厂。对于铸铁件而言，除个别铸造厂以外，高密度造型的型砂湿压强度大多在120~200范围内，比较集中在140~180。我国有些工厂湿压强度控制值较低的原因之一是所使用的国产振动落砂机破碎效果不好，大砂块会随铸件跑掉。而且很多铸造工厂所选用膨润土的品质较差，也宁愿型砂的湿压强度稍低些，就无需加入大量膨润土，型砂含水量也可低些。我国工厂震压造型的型砂湿压强度大多在80~120上下，手工造型多在60～80。

湿型铸钢需要防止铸件生成热裂缺陷，因而所用型砂的湿压强度通常比铸铁用砂低些。德国Knorr–Bremse公司用气冲造型，每箱铸钢件重250kg，湿压强度为180kPa。美国CICERO车辆厂生产摇枕和侧架型砂为90~105。日本小松公司的多触头型砂为100~120；福岛制钢高压型砂为100~130；秋

木制钢为35~50。我国齐齐哈尔机车车辆厂气冲型砂的工艺规定为≥70；韶关铸锻厂静压造型为70~80。

湿拉强度和湿劈强度

从材料力学角度来看，抗压强度只是在一定程度上代表型砂中膨润土膏的粘结力，同时又反映受

压应力时砂粒之间的摩擦阻力，因而不能用湿压强度值直接说明型砂的粘结强度的好坏，而抗拉强度就无此缺点。BMD公司建议上海机床铸造三厂气冲型砂湿拉强度为26～36；DISA公司要求挤压型砂为20～25；AGM公司要求真空吸压造型为>20。但是测定型砂的湿态抗拉强度必须使用特制的试样筒制作试样，需用专门的试验机来测定常温湿拉强度。所以很多中小铸造工厂都不测型砂的抗拉强度。有人建议按照混凝土试验中曾使用过的办法将圆柱形标准试样横放，使它在直径方向受压应力，就可以得出近似抗拉强度的劈裂强度值。但是，劈裂强度读数误差稍大，测试塑性较高的型砂时读数不够准确。。DISA公司推荐的湿劈强度是30～34。DISA公司还给出了用劈裂强度估算抗拉强度的近似公式：湿拉强度 ＝ 湿劈强度×。镇江银峰规定湿劈强度30~50；天津两家台资铸造厂实测为40和38~40；江苏某柴油机厂实测31~50。

湿剪强度

湿剪强度比湿压强度较能表明型砂的粘结力而且容易测定，将普通的标准试样放置在强度试验机

的两块具有半面凸台的压头之间，沿中心轴方向施加剪切力，即可测定出剪切强度。GF公司建议我国第二汽车厂的高压造型线采用湿剪强度值为45

5；BMD公司推荐上海机床铸造三厂的气冲型砂为32～

36，FA公司提出气冲型砂应为30～50。美国Grede调查1989~1996挤压造型型砂平均为36~49。天津某台资厂实测为52，山西一家美资厂实测为38~55。另一种较新的湿态抗剪强度测试方法是沿直径方向剪切方法，使用特制的试样筒，在专门试验机上进行测试，剪切断裂平面与试样轴线垂直。这种仪器可以同时测出抗剪强度和剪切断裂时的变形量。所得出的径向湿剪强度数值与轴向剪切强度是一致的。通常生产用湿型砂所测得的径向剪切强度大约有30~60kPa，变形量多在~0.70mm范围内。例如天津某台资厂测得挤压造型型砂径向剪切强度约为60kPa，变形量约在0.50mm。试验工作表明，在型砂中加入糊精、重油等附加物或提高紧实率都可以使剪切变形量大为提高。

表面强度（表面耐磨性）

湿砂型应当具有足够高的表面强度，能够经受起模、清吹、下芯、浇注金属液等过程的擦磨作用。

否则型腔表面砂粒受外力作用下容易脱落，不仅直接影响铸件的表面粗糙度，而且还会造成许多铸造缺陷，例如砂孔、粘砂等。特别是在有些铸造工厂中，从造型起模到合箱浇注之间砂型敞开放置一段时间。在这期间中铸型表面水分不断蒸发，即“风干现象”，可能导致表面耐磨性和表面强度急剧下降。合箱以前的间隔时间长，天气干燥，型砂温度较高时，风干现象尤其严重。因此，应当有型砂试样的表面耐磨性的定量检测方法。美国有人推荐利用测定型砂造型性的圆筒筛，将两只圆柱标准试样并列放置其中，转动1min后称量掉落的砂量，用来代表型砂表面耐磨性。日本较多使用的方法是将标准试样放置在6目筛上，在Rotap震摆式筛砂机上震摆60s，以震摆前、后试样重量的比率称做为“表面安定度(SSI)”。例如东久公司推荐水平分型无箱射压线的型砂试样湿态即时表面安定度为>88％，所调查6家铸造厂的表面安定度都在~％范围内。土芳公司调查8家静压和气冲线在~％范围内，平均%。三

菱重工公司三原铸造厂的高压造型线的表面安定度要求>88%。福岛制钢公司的铸钢面砂中加有淀粉~％，要求表面安定度>93%；秋木制钢公司生产大型阀门铸钢件，要求96~98%。我国江苏某日资厂实测结果在70~89范围内；天津一家台资厂实测结果是~%。在型砂中加入淀粉材料或在砂型表面喷防粘砂涂料都起提高耐冲蚀性作用。有些工厂在天气干燥季节中发现砂型表面有风干现象时，用喷雾器向砂型的型腔少量喷水能使砂型表面的强度得到恢复。天津某日资厂原来在湿砂型表面喷涂表面稳定剂商品提高砂型表面的耐冲蚀性，据了解现也改为喷水。

实际试验中观察到表面安定度（SSI）试验的试样在筛上出现不规则的颠簸翻滚，使掉落砂量波动。清华大学研制出一种使用钢丝针布对试样表面刷磨表面的耐磨性测定装置（图1），称量1min的磨下量即可代表湿型砂试样的表面耐磨性。用内蒙精选砂100％，天然钠基膨润土或钙基膨润土8％，淀粉量0~1％配制型砂，可明显看

出加淀粉的即时磨损量和风干2h后磨损量都大为降低。钙基膨润土试样即时磨损量也同样降低。

紧实率（%） 钠土8% 空白 α-淀粉1% 糊精1% 钙土8% 空白 α-淀粉1% 35 ─ ─ 1～2 ─ ─ 即时磨下量（g） 40 ─ ─ ─ ─ 45 8 16 2 h放置后磨下量（g） 45 40 2 ─ ─ ─ 图1 表面耐磨性测定仪

4湿型砂韧性

型砂不可太脆，应当具有一定的韧性。否则在起模、下芯、合型和运搬时砂型的棱角和吊砂受到冲击和震动容易碰碎或掉落。但型砂韧性也不应太高，以免其流动性下降而影响砂型的紧实程度。型砂的韧性与湿强度是两种不同的特性。材料力学认为强度代表将物体破坏所需施加的力大小；而韧性反映的是将物体破坏所需做的功大小，它包含了强度和变形量两种参数。测定强度时，在强度和变形量的应力-应变曲线所覆盖的面积表明使试样破坏做功的的大小。图2中型砂A的强度比型砂B高，但是曲线覆盖面积较小，说明使型砂试样A破碎所做功比B小，即型砂A比B的韧性小。

变形量

金属材料通常使用摆锤式试验机测得冲击值代表韧性，也从抗拉强度的试棒受拉力前与拉断后的尺寸变化测得变形量（延伸率）。然

而为了测定出使型砂破坏所需做的功，不能用冲击值试验。因为型砂试样受冲击时，斩断型砂试样需

图2 型砂强度-变形量曲线

做的功相对有限，而使碎断试样高速度飞逸需做的功极大，测试结果的灵敏性很低。另一个可能的方案是测定出型砂试样破坏时的变形量。早年有人曾经试图用型砂强度试验机和附带的千分表同时测得湿压强度值和达到最高湿压强度值时的变形量，近似计算出使试样破碎所需做的功当做韧性。计算式如下：

型砂韧性 ＝湿压强度×变形量×1000 式中的湿压强度单位为磅/平方英寸，变形量单位为英寸。型砂的抗压强度值容易用强度试验机测出。但是进行试验时，千分表的指针开始缓慢转动，到试件破坏时指针猛然旋转到底，是不可能靠眼睛准确读出达到强度最大值时的变形量。因此，这种试验方法没有得到推广。

变形量是一项重要的型砂性能，其含义可以理解为：型砂试样受到外力作用直到破裂以前，各砂粒之间的相对位置有一定程度的错动，但仍然被粘土膜彼此粘连而未脱离的性能。所谓型砂的“可塑性”就是变形量的表现。手捏型砂感觉是否“柔软”和“扎手”也是变形量大与小的不同。

清华大学研制出的剪切强度及变形量仪器（图3）能够方便地从螺旋测微计的标尺刻度上读出型砂试样断落时的变形量。除此以外，气动型砂多功能试验机内置有位移传感器（图4），微机处理系统可以同时测定并显示出试样强度值以及开始出现断裂时的变形量。如果将测定得出的应力－应变曲线所覆盖的面积进行积分，就可以计算得出型砂试样的韧性。同时测得的变形量也使型砂的“可塑性”、“柔软与否”等性能数值化。

图3 SJB型型剪切强度及变形量仪器工作原理图

1—固定支架 2—试样筒 3—测试环4—压力传感器 5—锁紧螺钉6—位移传感器 7—螺旋测微计 8—摇柄

破碎指数

破碎指数是一种简便的韧性测定方法。英国铸铁研究所采取的办法是将圆柱形标准试样自6英尺(1828.8mm)高处自由落下到

50mm的铁砧上，然

图4 SMT型气动型砂多功能试验机结构简图 1-立柱式框架结构 2-加载气缸 3-试样加载夹具 4-测力

后溅落到铁砧周围的300mm每英寸2目的筛网上。小砂块通过筛网漏到网下的底盘中，大砂块

则停留在筛网上面。大砂块越多表明韧性越高。这种试验方法在欧洲应用较多。破碎指数的计算如下式：

破碎指数=筛网上大砂块重量100

标准试样原来重量 英国Schofield建议根据砂型的造型紧实压力不同，型砂采用不同的破碎指数。低压、中压和高压造型适用的型砂破碎指数分别为70~75、75~80和80~85％。国际密烘公司则推荐生产汽车件的高压型砂破碎指数应控制在75~80％。这种试验仪器的缺点是结构比较高大，操作不方便；而且测试高韧性型砂时，试样掉落后大部分呈圆锥形堆积在铁砧上，而不是停留在筛网上。上世纪60年代末期美国Dietert等人又改为将圆柱形标准型砂试样放置在铁砧上，用一个钢球（重510g）从1 m高度砸下，砸在试样上使它碎开，并向直径为200mm的筛圈碰撞而破碎。大块停留在筛网上面，小块通过10mm筛网漏到底盘中（图5）。按照上式计算出型砂的破碎指数，型砂的破碎指数越大，表示它的韧性越高。从而将仪器外形尺寸缩小和容易操作，也消除了铁砧上的锥形残余堆积型砂。我国仿制的SRQ型落球式破碎指数测定仪存在问题

是钢球落下后并不停置在铁砧上，它将继续从铁砧台上滚落到筛网上，使一部分本来停留在网上的砂块受振击和碾压而通过筛网，从而影响测试结果。后来仪器工厂为了防止钢球滚落，将具有三根直立细钢丝的钢环套在铁砧上，用来防止落在铁砧上的钢球滚动。我国有几家高密度造型铸造工厂测得破碎指数75～80%，此仪器的另一缺点是筛网嫌稍密，常用型砂的试样破碎后留在筛上的砂块较多。在合理范围内变动膨润土量、紧实率等参数时，破碎指数的数值展开不够宽，表明其测试灵敏度差。清华大学的研究工作表明，如将仪器采用网孔中心距3/8英寸（9.53mm）的筛网改换为中心距12.7mm（1/2英寸），则可使破碎指数的变化范围扩大。从下表可以看出用标准砂及国产天然钠土混砂，固定紧实率改变膨润土量，固定膨润土量改变紧实率，用中心距1/2英寸筛网测定破碎指数都比用3/8英寸筛网测得结果范围加宽。膨润土量和紧实率不变，加糊精0～2%，测得紧实率的数值范围展开更加明显。

钠基膨润土（%） 紧实率（%） 糊精（%） 破碎指 数（%）3/8英寸筛网 1/2英寸筛网 77 65 5 8 40 ─ 81 74 85 83 78 70 81 74 10 30 40 ─ 88 85 92 91 8 50 60 0 80 68 85 78 5 50 1 89 80 2 92 90 图5落球破碎指数

5 起模性

型砂的起模性是一个极其复杂的综合特性，它指的是起模时砂型的棱角、边缘和砂台不破碎的性能。模样的材质、起模斜度、表面粗糙度、清洁度、与型砂的温度差异、脱模剂有无和种类、是否形成真空、砂型紧实松紧程度等因素都直接影响起模难易。有几种型砂性能也是影响起模难易的关键。起模时模样侧面对所接触的砂型形成剪切作用力，砂型的吊砂和凸台受到拉拔作用力，所以型砂的抗剪和抗拉强度对起模性能有密切关系。但是紧实程度越高，型砂的破碎指数随之提高，而砂型就越难起模，所以不能以破碎指数代表起模性。值得注意的是型砂变形量和顶出阻力两种参数。

⑴ 变形量：型砂较干，强度虽然提高，但变形量

小，起模时就最易破碎。手工造型的起模前在围绕模样的砂型棱角上刷水，虽然使局部的砂型强度剧烈下降，但刷水提高了局部砂型的变形能力，起模时受模样水平方向振击和碰撞能够退让变形，就能避免砂型棱角剪切破损。振动起模机器造型也是形成适量的变形量以保证起模顺利。除了使型砂干湿程度合适以外，加入-淀粉、糊精、重油等附加物都会使变形量显著提高。通常生产用湿型砂所测得的变形量多在0.40mm~0.70mm范围内。

(2) 试样顶出阻力：瑞士Hofmann在液压式强度仪上安装一个附加装置，对试样筒中型砂试样的一端施加压力，测定出使试样在筒中开始移动所需的力，称为顶出阻力（图6）。顶出阻力可以认为是起模时砂型与模样之间的摩擦阻力和粘附力的综合表现。清华大学对型砂成分与试样顶出阻力关系的研究所用型砂配方为大林标准砂100%和天然钠基膨润土3~15%，紧实率30~60%，试样冲击次数1~12。糊精、-淀粉、重油液加入量0~1%。结果如下表，表中的型砂试样摩擦阻力单位为“牛(N)”，与千克力(kgf)的换算式为：1kgf

。结果表明型砂的膨润土含

图6 起模阻力测定装置

量对试样顶出阻力仅有不大的影响。而提高紧实率

和减少试样冲击次数都能降低试样的顶出阻力。值得注意的是提高紧实率不仅如上段所述的增大型砂变形能力，而且还能降低型砂与模样间的摩擦力，二者都有利于起模。研究结果还表明，型砂中加入糊精或-淀粉1%可使型砂对模样的摩擦阻力约减为1/3~1/2，对起模尤其有利。

膨润土[%] 紧实率[%] 试样冲击次数 附加物[1%] 试样顶出力[N] 30 3 –– 375 125 8 60 3 45 3 –– 135 154 79 1 15 45 12 –– 201 175 635 1 8 35 12 0 187 糊精 58 8 48 3 -淀粉 重油液 77 165 6 型砂流动性和可紧实性

型砂的颗粒在外力作用下可以紧密靠近的性能称为可紧实性。具有良好可紧实性的型砂能够保证砂型表面密实。型砂在外力作用下质点可以自由地竖向和横向移动，越过模样的边角，通过狭窄缝隙和孔洞的性能称为流动性。具有良好可紧实性和流动性的型砂能保证砂型的硬度分布均匀，棱角、凸台清晰无疏松，铸件表面光洁和无局部机械粘砂缺陷。可紧实性和流动性两者之间的关系极为密切，而且难以严格区分。通常流动性好的型砂可紧实性也好。手工造型时依靠工人的操作技术，型砂可紧实性和流动性的好坏似乎并不重要。但是对于机器造型生产的铸件表面品质而言，型砂具有良好的可紧实性和流动性是极其关键的。然而型砂的充填紧实方法种类繁多，射砂压实、吸砂压实、震击压实、微震压实、气流冲击、动力冲击和单纯压实等造型方法所要求的可紧实

图7 阶梯试样硬度差法测流动性

性和流动性都可能有一些区别。因而至今没有适用于上述造型方法的统一测试方法。本文仅介绍几种使用稍多的测试方法如下：

(1) 试样硬度差法: Kyle提出将型砂过筛使它均匀分散，称取170g置入圆柱形标准试样筒中。用锤击式制样机冲击一次后，顶出试样，用湿型硬度计测量试样两端的硬度。硬度差别越小，说明其可紧实性越好。

(2) 将冲击5050mm标准试样所需型砂量置入试样筒中，放到制样机下先用重锤冲击两次，记下试样高度，再用重锤冲击第三次和记下的最后高度。用第三次冲击前后的试样高度的改变（mm）表示冲击阻力。这就是日本系统的铸造工厂所测定的型砂“抗缩值”。江苏一家日资铸造厂要求面砂抗缩值为0.15mm；另一家外资铸造厂实测为~1.2mm。

(3) 阶梯试样硬度差法: Orlov提出的试验方法为在圆柱形标准试样筒中放置一块高度为25mm 的半圆形金属块（图7）。将110 ~120g型砂放入试样筒中，用制样机冲击三次，或用压力为1 Mpa的液压制样机压实。将试样筒翻转后先测定试样筒底盖端面的硬度，将试样顶出一半距离后再测定金属块端面的试样硬度。二者的硬度值差别越小，说明型砂向空隙中移动的流动性越好。

⑷ 漏孔法：称取170g型砂放入标准试样筒中，先在制样机上冲1次，而后将试样筒放在一个有25mm漏孔的圆柱上再冲2次。将从漏孔中落下的型砂进行称量（图8），通过漏孔落下的型砂越多，说明型砂通过孔洞的流动性越好。

(5) 环形空腔法：为GF公司型砂仪器中一种测定型砂流动性的附件（图9）。先将型砂冲制成圆柱形标准试样，并称量其重量。再按此重量称取型

砂，置入专门的环形空腔试样筒中，在制样机上冲击3次。测量试样的高度，高度越小，表示型砂向侧面空腔的流动性越好。此法反映型砂受力后向各个方向的移动能力，比较接近在冲击紧实时型砂的实际运动情况。

(6) 试样重量法:–更为简单的实验方法是称量试样重量方法来对比不

图9 环形孔腔法测流动性

1–– 试样筒 2—环形空腔

图8 漏孔法测流动性

1––标准试样筒

同型砂的流动性和可紧实性。①称量测定型砂紧实率后的试样重量，可反映不同型砂在松散状态下流动的性能，可称为松散流动性。将型砂标准试样重除以容积235.62cm可得型砂的堆密度，德国Rexroth要求堆密度为~0.94g/cm。②称量50×50mm 标准圆柱试样的重量，可反映不同型砂在紧实过程中的可紧实性。德国IKO公司调查工厂的平均值为145~155g。Rexroth公司规定为148~150g。江苏一家日资企业实测为144~145g；山西山西美资铸造厂实测147~148g；天津台资厂规定为145~155。如果标准试样重量较低，估计其原因是型砂中灰分过多。

湿型砂中原砂的颗粒形状对型砂流动性和可紧实性有明显影响，尖角形原砂的型砂可紧实性和流动性比圆形砂低。如果湿型砂的膨润土含量和紧实率不变，用椭圆形內蒙砂混制型砂的圆柱形标准试样重量比用方角形新会砂大约重10g以上。江苏某外资铸造厂用内蒙圆形砂替代福建砂后发现不但型砂流动性提高，而且型砂含水量也有下降。型砂经过松砂处理可以减少团块和提高可紧实性。一般情

3

3

况下，型砂的韧性较高，则其流动性和可紧实性就可能降低。提高型砂的膨润土量或加入糊精能够提高型砂韧性，但都会使流动性和可紧实性下降。型砂的紧实率较高时，钠基膨润土型砂流动性和可紧实性明显低于钙基膨润土型砂。在铸造工厂的日常生产中，只是当型砂的组分的比例有较大变化或者添加某些新的附加物时，才有可能显著影响可紧实性和流动性。

7 型砂含泥量

型砂和旧砂的泥分是由两部分组成。第一部分为活性组分，包括有效的膨润土和有效的煤粉。其数量主要取决于材料的品质、铸件的厚薄和大小、如果使用的膨润土属于优质产品，高密度造型用型砂中有效膨润土量6~7%已然足够使湿压强度达到160~200kPa。如果使用的是高效煤粉，有抛丸机清理铸件，有效煤粉量大约只需3~4%即可。因此高密度造型的型砂中活性组分总量约为9~11%。

第二部分为惰性组分，即灰分，包括失效的膨润土和煤粉、被混砂加入的膨润土和煤粉带入的杂质、以及所加入新砂的泥分组成的。德国Mettman铸造厂要求型砂泥分中灰分不超过%，国外也有人主张应当不超过%。

在保证型砂的紧实率、强度等性能处于适宜状况条件下，型砂的含泥量不可过高。个别铸造厂的型砂含泥量过高的原因可能是所使用的原砂、膨润土和煤粉品质不良，旧砂缺乏有效地除尘处理造成的。含泥量过高会导致型砂透气率下降，含水量上升，铸件气孔缺陷增多。如果是由于灰分增多而形成的含泥量过高，除了强烈影响透气率低和含水量高以外，还会引起型砂韧性变差，造型时起模困难，砂型棱角易碎，吊砂易断，铸件砂孔废品率提高。

含泥量也不可过低。有些多砂芯发动机铸造工厂的型砂出现含泥量过低现象，这是旧砂中混入大量溃碎树脂砂芯造成的，不仅型砂透气率过高，而且导致处于最适宜干湿状态的型砂含水量太低，型砂性能对水的影响更加敏感。型砂含水量变化%，强度等性能就会显著波动，使得混砂难以控制。 在使用单一砂的砂系统中，型砂与旧砂的含泥量是不同的。一般单一型砂比旧砂的泥分含量多~％左右，个别工厂中可能相差~％。只有根据型砂的含泥量才能较准确地说明对型砂性能的影响。我国很多工厂只控制旧砂含泥量的原因是旧砂含泥量比型砂少，测试比较方便。但是旧砂和型砂含泥量的测定都大约需要一天，并未节省时间。

一些国外生产铸铁件工厂型砂含泥量的情况举例如下：美国的汽车制造厂型砂含泥量大多较低，例如John Deere生产球墨铸铁的高压造型型砂含泥量为~%。International Harvester生产拖拉机缸体的型砂含泥量为9~10%。GMC生产雪佛兰缸体型砂为9~11%；德国Meinheim的John Deere 工厂的三种型砂含泥量的控制指标分别为~、~和~%；Luitpold铸造厂生产大众汽缸体用型砂为12~%。日本三菱自动车的SPO线型砂管理标准规定含泥量为12~14%，五十铃汽车厂型砂含泥量为%。DISA公司推荐一般挤压造型机用型砂含泥量为11~13%，而较大的2070型造型机用型砂的含泥量为12~14%。BMD公司要求上海机床铸造三厂气冲线10~13%。大发汽车厂要求天津内燃机总厂的汽车铸铁件静压造型的型砂含泥量为10~11%。B&P公司对大连机床厂的射压造型线要求型砂含泥量~%。GF公司对常州柴油机厂气冲线提出的型砂含泥量要求是＜12%。

归纳以上数据可以得出：高密度造型最理想的铸铁用型砂（含煤粉）含泥量为12~13%，不应≥14%，

也最好不≤11%。如果含泥量过高，应当加强各种原材料的选用和检验，改善旧砂除尘装置的工作效果。如果含泥量过低，就应该将除尘系统的排出物部分地返回旧砂系统中。

8 型砂粒度

型砂粒度粗细直接影响透气性、铸件表面粗糙程度和抗机械粘砂性能。原砂的粒度并不能代表型砂粒度，因为在铸造过程中部分砂粒可能破碎成细粉，另一部分可能烧结成粗粒。而且粗粒的砂芯溃碎后也会混入旧砂。经过多次铸造过程的积累就使型砂的粗细逐渐改变。因此需将洗涤过泥分的型砂用筛分法测定粒度。GB/T 9442-1998《铸造用硅砂》规定原砂粒度有两种表示方法: ⑴首尾筛号法：以主要粒度组成的三筛或四筛的首尾筛号表示法，如50/100或50/140。

⑵平均细度法：首先计算出筛上停留的砂粒质量占砂样总量的百分数，再乘以下表所列的相应的细度因数，然后将各乘积相加，用乘积总和除以各筛号停留砂粒质量百分数的总和，并将算得数值取整，其结果即为平均细度。

筛号 细度因数 6 3 12 5 20 10 30 20 40 30 50 40 70 50 100 70 140 100 200 140 270 200 底盘 300 平均细度=PnXn

Pn式中：Pn — 仼一筛号上停留砂粒质量占总量的百分数； Xn — 细度因数； n — 筛号。 对型砂粒度的要求

美国等国采用AFS细度表示砂粒的粗细，AFS细度与我国GB/T 9442-1998规定的平均细度相同。国外铸造工厂的高密度造型型砂粒度举例如下：美国B&P公司要求射压型砂粒度为AFS细度60~90（大体相当200/70~50/140目）；Buhr调查加拿大铸造厂铸件品质较好的型砂粒度为50~65（大体相当50/100~140/50目），四筛分布。德国IKO公司调查多家铸铁件工厂的型砂粒度平均值为德国标准的中值粒径0.25mm（大约相当50/100目）；BMD公司推荐气冲型砂为~0.28mm（大约相当50/100~100/50目）；另一德国活塞环厂要求0.13mm（折合AFS细度110，大约相当100/200目）；DISA公司推荐挤压型砂为~0.28mm（AFS104~60大约相当100/200~100/50目）。日本土芳公司调查高密度造型型砂粒度为JIS标准~（即比表面积cm/g，大约相当50/140~70/140目）；新东公司要求射压型砂粒度目标值为AFS细度50~60（大约箱当50/100~50/140目）；川崎三菱自动车作业标准为AFS细度582（大约相当50/140~140/50目）；大发工厂要求48~53（大约相当50/100目）。加拿大有人访问76家铸造工厂，其中铸件品质最好的型砂粒度都在AFS细度50～65之间，相当我国习惯符号的50/100、50/140、140/50。另一人测定46种砂样，AFS细度平均为（大体相当于100/50、50/140）。Booth则指出在三、四十年代铸钢湿型砂粒度多为35～45，后来铸钢和铸铁件的型砂粒度都改为AFS细度60～65（大致相当100/50和50/140）。瑞士Hofmann调查五家铸铁工厂气冲造型的细度在54～63。最近日本有人调查了8家使用静压造型机的铸造工厂，所用型砂的AFS细度在～范围内，平均。

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如果回用旧砂中掺入了相当多的粗粒溃散芯砂使其粒度偏粗，可以在混砂时加入细粒原砂来保证型砂的粒度在适宜的粗细范围内。美国Minnesota一灰铁铸造工厂由于型砂中掺入了大量树脂砂芯(原砂AFS细度52～55，大致相当50/100)，使型砂的透气率过高，湿强度降低，铸件表面粗糙。采取的纠正措施是在混砂时加入5％集中在100和140目的两筛分布细砂来改善型砂的粒度分布。

国外资料都强调型砂粒度分布不可过分集中，最好是4筛分布，主要分布在50、70、100和140等筛上（即50/140或140/50目），停留量10％算作一筛。希望单筛上不超过40％，相邻两筛的差值<15%。控制湿型砂粒度的要点是使型砂透气性在合适范围内，不过低，也不过高。生产表面要求极为光洁的纺织机、缝纫机铸件，型砂粒度要尽可能细些，型砂粒度可能为100/200。使用高密度造型机时，砂型紧实程度高，型砂粒度可以适当粗些，有的工厂可能为50/140。

型砂中微粒含量

微粒是指直径＞20m，分布在200、270和底盘上的微细砂粒的总量而言。有人提出湿砂型中希望保持有3~5％的微粒，目的是靠型砂中的微粒来防止型砂的透气性过高，以防止铸件表面粗糙或表面生成机械粘砂；而且可以降低型砂对水分的敏感性，但底盘停留量应小于％。在一些机械化程度较高的铸造车间中，落砂、运输、冷却降温、混制等过程中对旧砂的通风除尘可能风力过猛，不仅将粉尘去除，而且大量微粒也被吸掉。大多数机械化铸造工厂都将旋风分离器中的微粒自动返回到回用砂中。布袋除尘器所收集的粉尘中除了含有已失效的死粘土和死煤粉以外，还含有不少有效的膨润土和煤粉，因而有些工厂也部分地返回型砂中加以利用。

鱼卵石化砂粒

由显微镜观看回用旧砂的剖面经常可以发现在砂粒表面牢固地包覆着一层硬质死烧膨润土层，称

为“鱼卵石化”。瑞士Hofmann原先主张测定型砂的砂粒表面鱼卵石化程度，即烧结到砂粒表面上惰性膜所占百分比。鱼卵石化程度高的型砂含水量高，熔点降低(约仅有1150℃)，容易产生气孔和粘砂缺陷，在回用旧砂时需要加入新砂以冲淡旧砂。，容易产生夹砂缺陷， Hofmann后来的文章又认为欧洲生产铸铁件工厂大多使用SiO2含量较高的原砂，砂粒表面包覆有一层死粘土膜可以降低其热膨胀性，减少铸件生成夹砂缺陷倾向。Hofmann测得3条造型线的鱼卵石化程度分别为3％、16％和33％。日本1998年测定125条各种造型线铸铁型砂的鱼卵石化程度平均为~％。我国仅极少数外资铸造厂曾委托国外单位进行检验。但是我国绝大多数铸铁工厂并不进行此项检验。其原因可能是鱼卵石层的吸水作用远不及型砂泥分显著。铸铁件常用硅砂的 SiO2 含量都不很高，不必靠砂粒鱼卵石化来防止夹砂缺陷，而且测定鱼卵石化程度需要用磷酸浸煮法检验，比较繁琐。

9. 有效膨润土量

型砂的有效膨润土含量（又称活性膨润土量）是指在型砂中具有粘结能力的膨润土量而言。一般湿型铸造生产中，都是根据型砂的湿态抗压强度高低决定混砂时的膨润土补加量。如果型砂中灰分（包括死粘土）含量多而含有效膨润土量少，也仍会显得湿压强度较高。但是，型砂性能变脆，起模性变坏，透气性下降，同样紧实率下的含水量提高。铸件容易产生夹砂、冲砂、砂孔、气孔等缺陷。因此，长期以来铸造工作者都感到有必要寻找出一种检查型砂和旧砂中有效膨润土含量的方法。

可用粘土和工作粘土

自五十年代末期起，美国有些人进行了大量砂－膨润土－水系统的试验研究工作，结果绘制成网格图，从图中型砂的湿压强度和湿剪强度的关系曲线推出型砂中的“可用粘土量”（即所含总的粘土量，包括并未起粘结作用的潜在粘土），以及真正起着粘结砂粒作用的粘土量（“工作粘土量”）。60年代末期起又采用了彻底混碾技术，并且在关系曲线中增加了型砂的紧实率，还考虑到型砂中还含有纤维素、淀粉等防夹砂缺陷材料也影响膨润土的数值，将原来得出的“膨润土”改称为笼统的“粘结剂”。 以湿压强度（磅/英寸）为坐标图的y轴，以含水量为x轴，将不同的紧实率和不同的粘土量分别在坐标图上画成两组斜线和折线的网格图。由图中的湿压强度与含水量的关系推导计算出包括潜在膨润土总的可用粘结剂(AB)。由湿压强度和紧实率的关系推导出扣除潜在膨润土后，真正起着粘结砂粒作用的粘结剂量(WB)。和两个计算公式如下：

AB[%] = GCS MOIST); WB[%] GCS) / COMPACT) 式中：GCS –– 湿压强度，[磅/英寸]； MOIST –– 型砂含水量，[%]； COMPACT –– 紧实率，[%]。

将湿压强度的单位折算成国际计量单位[kPa]后表示如下： AB[％]= GCS)

MOIST);

2

2

WB[％]= GCS) / COMPACT)

我国有个别外资铸造工厂引用这些计算式，例如镇江某外资铸造厂高压造型用型砂计算得出：AB = ~％，WB = ~％。

在80年代末期，美国有人考虑到湿型砂中膨润土含量已超过绘制原图时的5~7%，而且钠基膨润土和钙基膨润土是按不同比例掺合使用，砂粒分布也分散到4~5筛，大多数型砂还含有煤粉，混碾效率有所提高。就根据不同湿压强度、含水量、紧实率和粘土量绘制出具有复杂曲线的新图形，已不能用简单的数学式计算出AB和WB。另外，各国膨润土的资源各异，湿压强度、含水量、紧实率之间关系均不相同，更难于简单地利用前述的计算公式。

吸蓝量法

上世纪50和60年代有些人注意到铸造用膨润土的基本组成物蒙脱石具有强烈的吸附金属离子和色素的性能，其中以亚甲基蓝的吸附量最大。依利石、高岭石等粘土矿物的亚甲基蓝吸附量很小，石英砂的吸附量极少。因而可以用亚甲基蓝吸附量（简称为吸蓝量）来鉴定膨润土的质量，也可用来检验型砂和旧砂中有效膨润土含量。曾经有人用过比色法，其原理为：将一定量的型砂（旧砂）试料加入到蒸馏水中，再加入适量的分散剂（焦磷酸钠）使试料中的膨润土完全分散。然后与过量的亚甲基蓝溶液混合，使充分吸附染料。用比色计测出残余液中剩余染料的浓度，计算出被试料吸附的亚甲基蓝有多少，从而得知型砂（旧砂）试料的有效膨润土量。由于试验操作复杂，现已很少采用。

亚甲基蓝溶液滴定法起源于上世纪60年代，美国石油钻井行业用于检验泥浆原料的质量。与比色法的区别是向分散后的试料液中逐渐滴加亚甲基蓝溶液。如果加入的亚甲基蓝全部被膨润土吸附，则

试料液中不存在游离状态的亚甲基蓝。如果膨润土的吸附已经饱和，试料液中开始出现游离的亚甲基蓝，这时即已达到终点。由此得出亚甲基蓝溶液的吸附量和有效膨润土量。终点的判断是靠将试料液滴在滤纸上，观测滤纸上泥点周围渗出液体的颜色。滴定法测定吸蓝量操作简单，很快在各国铸造行业中推广应用。

机械行业标准JB/T 9227

1999的规定要求配制亚甲基蓝溶液前将亚甲基蓝试剂在933℃烘干至

恒重是错误的。美国石油学会标准考虑到所用亚甲基蓝含结晶水数量不完全是分子式中的3H2O，还可能搀杂有少量含2、3、4和5个结晶水的亚甲基蓝。要求另外称取1.000g亚甲基蓝在2005 （F933℃）烘干至恒重以测出实际含结晶水量。配制1000mL溶液时对亚甲基蓝称取量进行修正如下式： 亚甲基蓝称取量(克)=3.740.855

1.000(克)亚甲基蓝烘干重量 式中是亚甲基蓝不含结晶水的分子量（）与含3个结晶水的分子量（）的比值。可以看出：烘干的目的只是确定所用美国药典级亚甲基蓝的分子量是否偏离，并不将配制滴定液用亚甲基蓝试剂烘干。80年代初期德国造型材料专家D. Boenisch来清华大学讲学时曾强调不可将亚甲基蓝试剂烘干以免变质。

上世纪70年代初期清华大学将亚甲基蓝溶液浓度定为%，和称取烘干的型砂试料5.00g进行吸蓝量检验。当时我国尚无高密度造型方法，通常的型砂湿压强度仅为现在的一半左右，型砂吸蓝量都只有40 mL左右。但是如今高密度造型的型砂湿压强度可能是那时的一倍左右，型砂中有效膨润土含量可能高达7~12%，再用这样浓度的亚甲基蓝溶液滴定5.00g高密度造型型砂，滴定量都会超过标准50 mL滴定管的容积，需要向滴定管补加一次亚甲基蓝溶液，给实验人员增添麻烦。因此，建议将型砂量缩减成2.50g，滴定结果毫升数乘以2，既可得出滴定5g型砂的毫升数。

我国有些外资企业采用美国AFS标准的，型砂量为5g，亚甲基蓝溶液浓度按照美国AFS规定为%，相当于 mol浓度。例如江苏某日资铸造厂静压型砂要求吸蓝量为301 mL。如亚甲基蓝浓度按照%计算，将吸蓝量mL乘以=，则吸蓝量相当为～ mL。另一日资工厂的高压型砂实测为31～，乘以应为～。

绘制有效膨润土量标准曲线方法是比较繁琐的。可简化为只取0.30 g膨润土与4.70 g硅砂混合，将测出滴定量除以6即可得出每%有效膨润土的亚甲基蓝滴定量[mL]。由此可以方便地计算出型砂的有效膨润土含量[%]，已经能够满足铸造生产控制型砂性能的需要

铸造生产的型砂中最适宜有效膨润土含量不仅取决于对型砂湿态强度的要求如何，所用膨润土的质量如何，也还受型砂中的膨润土是否混合均匀的影响。因此国内外各厂型砂的有效膨润土含量都有相当大的差异。例如DISA公司要求使用2013型挤压造型机的型砂有效膨润土含量>7%，2070型需>8%；GF公司建议第二汽车厂铸造二厂气冲造型用%；BMD公司要求上海机床铸造三厂气冲用7~9%；大发汽车厂要求天津内燃机厂静压造型用>6%。美国福特汽车厂高压型砂在Windsor为~%，在Cleveland为%；通用汽车公司的Pontiac铸造厂为~%，Defiance铸造厂为~%；Lynchburg铸造厂为~%。John Deere公司在德国Mannheim铸造厂为~%；德国Luitpold铸造厂为9~10%。日本土芳公司调查8家静压和气冲造型线在~%之间，平均%；五十铃公司川崎铸造厂高压线为7%。我国各铸造工厂的有效膨润土量在~%范围内。震压造型要求的型砂强度稍低，有效膨润土量可更低些。由于我国的膨润土矿产资源丰富，有些

膨润土的粘结强度很高，使用国产优质膨润土的高密度造型型砂的有效膨润土量降低到6~7%范围内也可能满足对强度和韧性的要求。这样就使型砂的含泥量和含水量都可降低，铸件的气孔等类缺陷也会减少。

10 型砂的有效煤粉量

生产铸铁件的湿型砂大多加入煤粉附加物，用于防止铸件表面机械粘砂、改善表面光洁程度和防止球墨铸铁件产生针孔缺陷。浇注后型腔表面型砂的煤粉被烧掉，残余部分变成焦碳和煤灰而混入型砂的灰分中。砂型其它部位的煤粉仍然保留在回用的旧砂中，每次混砂时需补加少量煤粉。但应知道旧砂中有效煤粉残留量和型砂中有效煤粉实际含量，才能计算出配制型砂时煤粉的正确补加量。

灼烧减量法

国外靠测定型砂或旧砂的的灼烧减量（简称灼减量，英文简写为LOI，美国又称为可燃物总量），以及挥发分、含碳量，固定碳量等参数做为推测有效煤粉量的参考。北美铸造行业都是按照美国铸造学会编著的“型砂试验手册”书中规定进行检测的，通常认为铸铁件湿型砂982℃灼减量为~％，其有效煤粉量就是在适宜范围内。美国 John Deere生产缸体和缸头高压造型为~%；通用汽车公司 Pontiac厂型砂则为~%。Buhr调查了加拿大76家铸造工厂，其中铸件品质较好的灼减量在2~5%之间。欧洲铸造行业基本上是按照德国铸造学会规定的灼减量测定方法进行检测的，在850℃的氧化气氛中灼烧至恒重。DISA公司推荐型砂的灼减量为~%，挥发分为~%。GF公司建议生产后桥球铁件灼减量为%。Levelink认为通常型砂的灼减量为4~6%。Fahn调查欧洲一百余铸铁工厂的灼减量在~%范围内，平均值为%。德国Luitpold生产大众汽车汽缸体型砂为～%。由于各国铸造厂规定的测试规范不同，所得数值可能有少许差别。我国有些外资企业也用灼烧减量推测有效煤粉量。虽然实验操作比较费时和得不出具体的有效煤粉量，但优点是可利用化验室的设备和器材，不需其它仪器。

发气量法

上世纪六十年代初期，清华大学派出小组协助解决洛阳第一拖拉机厂汽缸体铸件表面的粘砂和夹砂缺陷，见到在用面砂造型的铸件表面质量反而不如用背砂造型的。感到需要找到能够检测出型砂和旧砂中有效煤粉含

图10 SFL型发气性测定仪

量的方法。考虑到用测定含碳量或灼减量等方法无法区别砂中的煤粉为有效的或为被烧损的焦炭。用灼减量和挥发分检验法又难以区分砂中粘土的结构水。而且这几种测试方法的操作都比较麻烦和费时，不适合铸造车间的型砂实验室快速检验应用。当时分析了煤粉防铸铁件粘砂作用机理，认为主要靠的是挥发分，因而改为试验用测定型砂或旧砂受热挥发出气体的容积来计算有效煤粉含量，测定过程只需几分钟即可。通过大量试验发现型砂的煤粉量不足是铸件粘砂和夹砂的基本原因，从而解决了铸件表面缺陷。其后为了便于自动显示和记录，将检测发气容积改为发气压力，研制出SFL型发气性测定仪（图10）。

铸铁件型砂中应有的有效煤粉量因铸件大小和厚薄、浇注温度、面砂或单一砂、造型方法、砂型紧实程度、抛丸清理效果等因素而异。更重要的是因煤粉品质不同而异。例如，应用普通煤粉的高密度造型的型砂中有效煤粉量多为5~7%，应用较高品质煤粉的有效煤粉量可降低到4~5%，使用高效煤粉时只要3~4%即可。震压造型用型砂使用优质煤粉时，有效煤粉量大约为5~6%。目前我国各地销售供应的煤粉品质差异较大，有的煤粉中杂质甚多，抗粘砂能力不足。也有个别煤粉中含有挥发分极高的气煤或长焰煤，配制出型砂的发气量虽高但缺乏抗粘砂能力。因此，用发气量方法控制型砂和旧砂中有效煤粉量的方法最适用于挥发分28~37%和灰分大致≤10%范围内的煤粉。考虑到有些型砂中还含有重油、淀粉等材料或混有溃散芯砂，也都起抗粘砂作用和发生气体。可仅用型砂和旧砂的发气量代表型砂总的抗粘砂能力。震压造型生产铸铁件用型砂每1g的发气量大约在20~28mL，高密度造型用型砂大体在14~24mL。

11热湿拉强度和抗夹砂性能

用湿型砂浇注较厚大的平板类铸件时，最容易产生夹砂类缺陷(包括起皮、沟痕、结疤、鼠尾)。其形成过程如下：浇注开始后，型腔上表面受到来自金属液的辐射热，表面层砂粒受热达到石英的相变温度，砂粒体积急剧膨胀而产生沿型腔表面的横向压应力，称为“热压应力”。与此同时，砂型的上表面受金属液的烘烤，使所含水分向里迁移凝聚，在邻近处形成高含水量层，此层的“热湿强度”（包括热湿拉强度和热湿剪强度）极低。当型砂的热膨胀使型腔表面砂层产生较高的热压应力，而此时邻近的凝聚层的热湿剪强度不足以阻止表层型砂的横向剪切滑移，其热湿拉强度又不足以抵制表面砂层拱起脱离砂型本体的倾向。该处砂型又无金属液的覆盖压力，砂型表面层便可能脱离砂型本体，向外呈条状拱起，金属凝固后在铸件表面形成沟状条纹。如果拱起砂层翘曲开裂，金属液钻入砂层后面的空腔，凝固后在铸件表面造成条状夹砂块。除此以外，在金属液流过的下型表面，如果热压应力大，热湿强度低，金属液流覆盖的砂型表面层承受着压力而不会拱起。但砂层的热膨胀应力使它超越了热湿剪强度的束缚力而向未被金属液

图11 热湿拉强度测定仪

流覆盖的侧面滑移，将砂层边缘突出于表面之外，使铸件表面形成条状鼠尾缺陷。国内外很多铸造工厂都用热湿拉强度来检验型砂的抗夹砂性能。

热湿拉强度

热湿拉强度试验仪（图11）采用铸件生成夹砂缺陷同样原理，从型砂试样的一端受到320±10℃加热20s，使表层型砂所含水分蒸发，向内迁移和凝聚形成低抗拉强度的高水层后，测定其抗拉强度。研究工作表明，影响型砂热湿拉强度的最主要因素是膨润土所吸附阳离子的种类，其次是型砂中膨润土含量以及膨润土的纯度(蒙脱石含量)。天然钠基膨润土或钠化（活化）膨润土的热湿拉强度比钙基膨润土高几倍。用于铸铁湿型砂的钠化膨润土中碳酸钠加入量为～4%。碳酸钠加入量不可过量，一般钙基膨润土的极限钠化量大约在5%，超过后热湿拉强度反而下降。

在实际生产中，对型砂热湿拉强度值的要求需根据生产条件而定。国外湿型大型铸钢件型砂大多

用单纯的天然钠土或充分活化的优质钙土。铸铁型砂的膨润土钠化程度比铸钢型砂低，因为型砂中加入煤粉也起防止夹砂缺陷作用。像汽车汽缸体和汽缸盖等具有平面的重要铸件，所用型砂的热湿拉强度应适当高一些。对于厚度较大的平板铸件，砂型的上表面受金属液的烘烤最为严重，热湿拉强度必须高。但是一般形状简单或没有水平放置平面的小件、薄壁件，可适度降低热湿拉强度。

美国汽车发动机铸铁件工厂将怀俄明天然钠基和美国南部钙基膨润土掺合应用，比例按2:1；小铸铁件所用膨润土按1:1比例掺和。认为型砂的抗夹砂能力已够，不用纯粹钠基膨润土有利于混砂、造型和落砂。在欧洲，普通铸铁件高密度造型用型砂的热湿拉强度大约要求为~，对于较敏感的铸件可能要求＞。例如，德国Luitpold铸造厂生产大众汽缸体型砂的热湿拉强度为~ kPa；Benz公司的Esslingen铸造厂用BMD无箱射压造型机生产制动鼓的型砂热湿拉强度为 kPa。Fahn调查欧洲107家灰铸铁铸造厂型砂的热湿拉强度最低为，最高为，平均为。Bruemmer调查105个铸铁厂结果是最低，最高，平均。Hofmann实测五家使用气冲造型机铸造厂的型砂分别为，，，和。DISA公司推荐挤压造型用型砂的热湿拉强度应 ＞。美国和日本的铸造工厂似乎对测定型砂的热湿拉强度不太重视。

在我国，虽然铸铁生产所用原砂的SiO2不高，型砂中还加入了煤粉等材料，生成的热压应力较低，对于形状简单或没有水平放置平面的小件、薄壁件，可放宽对热湿拉强度的要求。但是还应考虑到钠基膨润土和活化膨润土的热稳定性高和不易烧损，所以除生产轻、薄小件以外，都采用适当活化的膨润土和对型砂热湿拉强度适度要求。

抗夹砂性能

测定热湿拉强度的方法比较简单易行，适合做为型砂实验室的常规检测项目。但是，要想明确了解型砂的抗夹砂结疤性能如何，不考虑热压应力强弱如何是不够的。最好采用一种可综合反映出型砂热湿拉强度和热压应力的测试技术。在五十年代末和六十年代初期很多铸造工作者提出制成规定形状的型砂试样，使它受到电热炉或热金属块的骤然加热，观察其表面层起皮状况。用起皮面积或起皮时间来表明型砂是否容易生成夹砂缺陷。也有人用欲测定的型砂制成砂型，型腔的上表面是一个较大面积的平面，并且具有对夹砂缺陷敏感的凸台或沟槽。缓慢浇注金属液，使型腔上表面受高温烘烤。冷却后根据铸件表面状况来判断型砂的抗夹砂性能。这些测定方法中大多数由于试验结果不够明显而未被推广。其中较成功的是Boenisch的带有沟槽平板浇注试验，造型和合型后，从直浇口注入金属液，待金属液到达平板试件一半高度时，中断浇注，自冒口观察上型沟槽所形成尖角的开裂和翘曲过程。从浇注开始到砂层尖角开裂翘曲的时间称为夹砂时间。但此法需要熔炼和提供恒定温度的金属液，以及浇注、落砂清理等工序，工作量相当繁重。

清华大学研究出一种新型的型砂激热试验仪。先用液压制样机将

待测型砂在内径135mm，高度40mm的耐热钢试样圈中压制成圆饼形型砂试样（见图12）。制备试样所施加的压力为1MPa ，也可以与高紧实度造型时所选的实际紧实压力一致。与试样圈配套的端盖上有夹角为90 V形的凸起钢条，使试样的工作面形成沟槽。沟槽的宽度3mm，深度5mm。加热用激热试验炉是特殊设计的（见图13）。6支碳硅棒发热元件置于试验炉的下部。在碳硅棒与型砂试样之间隔有碳化

图13 激热开裂试验炉结构图

1－炉门 2－窥视孔 4－辐射板 5

图12 圆饼试样示意图

硅制辐射加热板，其作用是模拟金属液对试样自下向上的烘烤作用，还能承接型砂试样受热面脱落的型砂，保护碳硅棒。在加热板的两侧，沿炉膛深度有两条截面10×10 mm的碳化硅长条导轨，使试样至辐射板的距离为10mm。激热试验炉的顶部设有导烟孔，供型砂受热时排烟之用，不致影响观测视线。试验开始前先将激热炉升温，使辐射板温度保持为1300℃。此时即可打开激热炉的炉门，用平铲送样器将“V”形槽面向下的试样送进炉内，使它承受辐射板向上的高温烘烤；并使“V”形槽的角端朝向窥视孔，以便于观察试样表面的变化情况。然后立即撤出平铲送样器关闭炉门，同时按动秒表开始计时。当看到“V”形槽角端部位开裂脱落或翘曲下垂约1 mm时按停秒表，所测得的时间以秒为衡量单位。由于试样的“V”形槽面向下，借助重力的作用使开裂脱落和翘曲下垂现象明显可见。检验了大量抗夹砂结疤性能各异的型砂，激热开裂时间都大致在10~65s范围内。将黄河风积砂经过浮选分离出粒形、粒度完全相同，SiO2含量分别大致为95％、84％和74％的三种原砂，加入钙基膨润土5％，煤粉6％，控制紧实率为50

2％，实测出激热开裂时间各为17s、26s、43s。由此可见，激热试验仪能够

图14 阶梯试块浇注工艺示意图

反映出热压应力对夹砂结疤倾向的作用。又例如取大林标准砂加入钙基膨润土从4％增加到10％，紧

实率控制为502％，激热开裂时间由15s延长到26s。如果用钠化膨润土（碳酸钠加入量为膨润土量的4％），则激热开裂时间进一步提高为＞120s。除此以外，随型砂的含水量增多，激热开裂时间减少；如型砂中加有少量渣油、糊精、淀粉等附加物，都可以延长激热开裂时间。山西某外资铸造公司的高压型砂的激热开裂时间实测结果都大于120s。

激热试验的另一优点是可以与浇注时间的长短相互联系起来。假如生产所用型砂的激热开裂时间比铸件的浇注时间长，就不必担心铸件会出现夹砂类缺陷。如果在砂型中还有大块砂芯遮挡金属液对上型的烘烤，则产生夹砂类缺陷的可能性更小。

12 抗机械粘砂性能

用无涂料的湿砂型浇注铸件，有时可能发现铸件表面粗糙，甚至产生粘砂缺陷。经验表明，湿型

生产铸铁件和小铸钢件的粘砂大部分是不曾发生化学作用的机械粘砂。检验是否属于机械粘砂的最简单办法为用万用电表，看粘砂部位与铸件之间有无电阻，或者将粘砂碎快投入盐酸液中是否产生气泡。为了消除机械粘砂和改善表面光洁程度，应当控制型砂的透气率和保证砂型各部位的紧实程度。对于湿型铸铁件而言，还要保证型砂具有足够的有效煤粉含量。型砂的真实抗机械粘砂性能应当靠浇注试验来判断。如果要比较几种不同材料的抗粘砂能力，最好采用具有不同厚度断面的阶梯试块（见图14）。可以分别用全新砂混制出几种型砂做为面砂，在同样紧实程度和砂型硬度的条件下进行造型，同样温度浇注后观察对比阶梯试块外观情况，即可得知抗粘砂材料的效果如何。须注意型砂透气率应当相近，才有可能得出正确的结论。有的附加物是抗粘砂能力极强的粉料或液体，所需加入量很少，以致型砂透气率显著提高，反而可能导致铸件表面粗糙而得出错误的结论。在铸造工厂中，为了方便起见也可以将小混砂机用全新砂混制出的不同型砂做为面砂铺放在典型铸件的相同部位模样表面上，浇注后观

察对比铸件外观情况。但是必须注意一定用全新砂进行混砂，不可用旧砂，以免其中残留煤粉干扰试验结果。

如果生产所用型砂的砂子颗粒过粗，含泥量过低，透气率过高，可将除尘系统中旋风分离器的全部微粒和袋式除尘器的部分粉尘返回旧砂中使用。如果型砂的有效煤粉含量不足，最好加入足够量的优质煤粉。如果希望改用煤粉代用品商品，应当预先测定对型砂性能的影响，流动性是否过低，韧性是否过高，是否出现粘模现象。进行浇注对比试验时要注意是否散发出怪味刺激性气体。并且对比铸件表面是否光洁，铸件成本是否会增加。

13 砂型硬度和强度

虽然砂型强度与型砂强度有密切关系，但并不一致。因为砂型强度一方面

取决于型砂试样的强度，同时也取决于砂型的紧实程度。砂型所受的紧实力与受冲样机打三锤的标准试样并不相同。生产经验表明，即使型砂本身的湿压强度已足够高，由于紧实设备力量不足，紧实方法不良，型砂流动性较差，制得的砂型必然出现紧实密度偏低，立面底部和坑凹处更加严重。

图15 湿型硬度计外观图

砂型硬度

在生产中常用砂型硬度计（图15）检验砂型实际紧实程度，国内生产硬度计有A型、B型和C型三种，是参照美国原美国铸造学会规定和Dietert公司产品仿制的。美国HA型为最早设计品种，应用最广。HB型将压力头直径增大，适于测定粗粒型砂硬度。HC型的压力

图16 湿型硬度计压头形状图

头改为锥形，目的是适合测定高密度砂型硬度。目前我国最常用的砂型硬度计是A型和B型，国产砂型硬度计将测头圆柱直径、测头端面半径和行程等尺寸圆整化（图16）。但是硬度计的制造并非易事，例如A型硬度计要求在2.50mm的行程中，载荷由20gf准确提高到237gf，极难选择合用的仪表弹簧。下表列出美国型砂硬度计的主要尺寸参数：

参数名称 测头圆柱直径（mm） 测头端面半径（mm） 测头最大行程（mm） 最大载荷（gf） 预压载荷（gf） 刻度 HA型 237 20 0~100 HB型 980 150 0~100 HC型 1500 150 65~100 一般认为，震压造型的型腔平面部分，砂型硬度在70~80°之间，砂型的立面深处硬度可能只有50～60°。气动微震造型的型腔平面部分硬度可以提高到80～90°。高密度造型的平面部分砂型硬度

大多介于85～95°。以下列表举例分别大致说明手工造型、震压造型、气动微振造型和高密度造型所达到的工艺参数和数值。 型砂试样抗压强度[kPa] 砂型紧实密度[g/cm] 3砂型硬度[度] 手工造型 震压机器造型（压实比压力～） 气动微振造型（压实比压力～） 高密度造型（压实比压力≥） 50～75 75～100 90～140 140～180 ～ ～ ～ ～ 50～70 70～80 80～90 85～95 但是，实际情况与此可能有很大差异，例如重庆某汽车件铸造工厂气冲造型的型砂湿压强度在175～180kPa之间，属于合格。但因射砂压缩空气罐出现裂纹并经焊接修理数次，只得降低射芯机压缩空气压力。因而砂型紧实程度下降，局部出现松软之处，用砂型硬度计测得砂型值立面硬度不足75°左右，铸件砂孔废品率增多。山西某铸造工厂使用进口静压造型机生产灰铁汽车端盖，从铸件整体来看，平面部分还算光洁，说明型砂性能基本合适。但是侧面出现机械粘砂。检查其砂型硬度，砂型平面硬度只有60°，侧面竟然只有30°，与进口静压造型机的紧实效果相差甚远。分析其原因可能是除造型机为外购以外，其他如落砂机等旧砂处理设备皆为本地配套，打箱后出现的大量砂块难以回用，只得降低造型机液压系统的压力，宁可使造型紧实压力降低到手工造型的水平。

携带式砂型强度计

多年来人们希望不仅能在型砂实验室中测定型砂的强度，而且还可以在生产现场中用小型的便携式仪表测出砂型的实际强度。50年代中期Heine等人的研究发现当型砂的膨润土量足够多，改变标准试样的舂紧程度时，测得砂型硬度值与抗压强度值的关系为一条稍微弯曲的曲线；曲线的形状和位置不随型砂膨润土量、附加物量、含水量、砂粒粗细等因素的变化而不同。因此有可能从砂型的硬度高低判断出砂型的实际强度大小。60年代初美国Dietert公司根据此结果研制出便携式砂型强度计，

外形如同砂型硬度计。主要区别是测头为4.76mm11.1mm的圆柱形。这种形状的测头可以减小型砂摩擦力对测定结果的影响。测头受弹簧的压力插入砂型的深度反映出砂型的抗压强度，从表盘读出砂型的强度值。其后瑞士GF公司据此制成的砂型强度计将测头改为3.2mm11.1mm。近年来GF公司又将弹簧改为电测压力传感器。还将表盘改为用液晶数显器直接显示出砂型的强度数值，使仪器更加灵便轻巧（图17）。强度的测量范围为20~345kPa。这种砂型强度计大小有如一只钢笔，携带方便，能够显示出砂型实际强度值。有人通过试验得出型砂试样的抗压强度与砂型硬度的关系如下表：

湿压强度(kPa) 砂型硬度（B表） 60 70 80 80 100 84 110 85 120 86 140 88 150 90 170 91 200 92 图17 砂型强度计