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1、1进一步认识黏土湿型砂中国铸造协会 李传栻黏土湿型砂造型是历史最悠久的工艺技术，目前，在世界各国铸造行业中，仍然是最重要的造型工艺。在各种新型黏结剂不断推出、而且受到广泛关注的今天，就世界各国铸造行业总体情况而言，钢、铁铸件的总产量中，用黏土湿型砂工艺生产的仍占 80左右，特别是汽车用铸件，大多数都是采用黏土湿型砂工艺生产的，这种情况今后也不会有什么改变。2011 年，世界铸件总产量为 9859 万 t，其中钢、铁铸件占 83.5。按此估算，世界各国用黏土湿型砂工艺生产的铸件，大致在 6500 万 t 左右。这是任何其他造型材料都不可企及的。随着科学、技术的发展，对铸件质量的要求日益提高，特别
2、是要求产业健康、有序和可持续发展的今天，还必须在保护生态环境、节能减排、节约资源和能源等方面不断有所改进。用量如此之大的黏土湿型砂，为了更好地适应各种条件，当然应该不断创新、与时俱进。一、怎样看待黏土湿型砂黏土湿型砂是铸造行业中人人都很熟悉的事物，正是因为我们对它太“熟悉”了，铸造行业不少同仁反而是与之久处而不知其香 ，对它的一些特性只知其梗概，而未深究其精微，因而，虽然天天离不了它，却不能运用自如，充分发挥它的作用。1、使用历史最悠久的造型材料从开创人类文明的青铜时代起，我们就离不了黏土湿型砂，由于没有记载可考，不能确切地说出其应用的最早年代，认为其有 5000 年左右的历史，可能不会是夸大
3、其词。当然，早期的黏土湿型砂与目前所用的差别很大，而且所用主要是天然的黏土黏结砂，采掘以后，加水混拌后就可以使用。这种黏土砂中的黏土主要是高岭土质的耐火黏土，一个典型的例子就是我国南京附近出产的六合红砂，以前一度真可谓是闻名遐迩，直到 20 世纪 50 年代初期，我国第一个五年计划期间，不少手工作业的铸造厂仍然使用。18 世纪后期，简单的造型机问世以后，逐渐强化了对型砂性能的要求。随着造型机不断地改进、优化，19 世纪初期又催生了混砂机，加速了由天然黏土黏结砂到用混砂机配制的合成砂的转变。用混砂机配制的合成砂推广应用以后，为了适应不断提高造型机的生产效率、提高铸件质量的要求，莫来石质膨润土的应
4、用，在改善黏土湿型砂的质量方面的作用，应该说是至关重要的、具有划时代的意义。目前，世界各国所用的黏土湿型砂全都都是加膨润土配制的膨润土的应用至少有一百多年了，但是，我们对膨润土的认知还很不够，今后必须不断深化对它的了解。2、黏土湿型砂性能控制的空间宽阔，对各种造型方式的适应性很好 粘土湿型砂，有较高的湿强度，在舂实过程中，其流动性较差，使砂型紧实所需的能量较多，但是，其适应各种造型方式的能力很好。从最原始的手工造型，到各种现代化的自动造型生产线，用黏土湿型砂作为造型材料，都有令人满意的效果。黏土湿型砂对各种舂实方式，如手工紧实、舂实、震实、压实、抛砂、射砂、气冲、静压、等造型工艺，都能适应。近
5、年来，黏土湿砂型还成功地用于小型铸件的挤压成形。当然，对砂处理系统的安排和各种性能参数的控制，都应该按各己的具体工艺条件予以调整，不能简单地套用别人的经验。23、适用于多种铸造合金目前，黏土湿型砂主要用于生产各种铸铁件，实际上，对铸钢件、铜合金铸件和铝合金铸件也都是适用的。一些工业国家，100以下的铸钢件大都用黏土湿型砂工艺制造。以前，我国有一些铸造厂用黏土湿型砂造型、批量生产小型铸钢件，效果很好。近年来，随着各种自硬砂工艺和熔模铸造工艺的发展，我国黏土湿型砂在生产铸钢件方面的应用日渐萎缩。实际上，铸钢件的凝固方式比铸铁件更适于采用黏土湿型砂，黏土湿砂型浇注后，由于 砂型 /金属 界面处的型砂
6、受热，水分向外迁移，在离界面不远处形成强度很低的水分凝聚层，这是黏土湿砂型的一项“软肋” 。灰铸铁（尤其是球墨铸铁）件是以“糊状凝固方式”凝固的，共晶转变过程中有一石墨化膨胀的过程，迫使型壁向水分凝聚层方向运动，影响铸件的尺寸精度。铸型表层胀大后， 膨胀后的收缩还会使内部的缩孔、缩松等缺陷扩大，影响铸件的内在质量。型壁运动，还会导致铸件表面形成夹砂之类的膨胀缺陷。铸钢件是以“硬皮形成方式”凝固的，浇注以后，砂型/金属 界面处的金属很快就形成坚固的硬壳，此后铸件内部又没有石墨化膨胀的问题，这样就排除了水分凝聚层这一软肋对铸件质量的负面影响。4、比较容易适应环保方面的要求黏土湿型砂在混砂、输送、造
7、型的过程中，都不释放有害的气体，排放的废弃砂大多数工业国家都视为无害垃圾，与当前常用的各种化学黏结相比，可以说是最接近绿色、环保要求的。早年，英国人因其无需任何特殊的处理就可用于造型、成型以后也不必烘干就可以浇注，称之为“Green sand”，没料到在当前的条件下，却可以有另外一种含义 绿色。但是，加有煤粉的黏土湿型砂，浇注时会因为煤粉热解而释放少量的有害气体。目前，寻求煤粉的代用品，是各工业国家铸造行业都非常重视的，已经进行了大量的研究工作，今后仍然是铸造行业关注的重点之一。5、黏土湿型砂的缺点一切事物都有其两面性，黏土湿型砂当然也有不少缺点，要将其说清楚很不容易，探求抑制其负面影响的措施
8、，也是全行业今后重要的研究课题。由于篇幅所限，只简单地提到以下主要的几点。1）黏土湿型砂制成的砂型强度不高，砂型表面的稳定性也不够好，铸件易于产生冲砂及其他相关的缺陷，只能用于制造小型和中型偏小的铸件。2）将黏土与水混匀并使之涂布于砂粒表面，需要很长的时间，所需的能量很多。砂处理系统复杂，设备庞大。3）型砂的流动性不好、难以舂实，不易制成高紧实度的铸型，因此，舂实铸型所需的能量很大，造型机的功率一般都相当高。如欲制得高紧实度的铸型，则造型设备不得不庞大而笨重。近年来，日本新东公司开发的流态化填砂工艺，是在改善粘土湿型砂的流动性方面的重要进展。其基本要点是：向砂箱填砂前，先自填砂斗斗壁上许多分散
9、的小孔吹入空气，使型砂流态化，然后再由气流将已流态化的型砂射入砂箱。这样，可显著改善型砂的流动性，使砂箱内的填砂紧实而均匀，造型作业的能耗大幅度减少，造型设备从而也可大幅度轻量化。4）全面已经提到，黏土湿型砂制成的砂型含有一定的水分，浇注以后，砂型/金属 界面处水分蒸发、向外迁移，在界面附近尚未受热的部位冷凝，形成水分很高、强度很低的水分凝聚层。生产铸铁件时，会因石墨化膨胀而发生型壁运动，影响铸件的尺寸精度，铸3件表面易产生夹砂之类的膨胀缺陷，铸件内部因膨胀后的收缩而致的收缩也增多。6、我们对黏土湿型砂的认知程度用了几千年、至今仍然广泛应用的黏土湿型砂，配制所用的原材料也不过是几种非常平常的材
10、料，但是，其生命力之旺盛，适应能力之强，改进、发展空间之广阔，令人叹为观止。从早期的手工造型发展到机械造型，尤其是二次大战以后，随着科学技术的迅猛发展，各种新型造型工艺和设备不断涌现，铸件产品的需求量和质量要求不断提升，铸造生产的面貌日新月异，黏土湿型砂仍然是应用范围最广、用量最大的造型材料。当然，这也是我们铸造界的同仁不断在实践中深入探索、进行大量研究工作、不断改善其性能的结果。近二十多年来，为了适应各种更为严格的要求，欧美各国和日本，都很重视黏土湿型砂方面的试验、研究工作，而且这方面的工作至今仍未见丝毫放松的迹象。目前，我国已经是世界上无可比拟的铸造大国，铸件产量占世界各国铸件总产量的41
11、.8，多于各主要工业国家产量的总和。我国铸造行业中也很重视研究、开发工作，但是，研究课题大都着眼于新材料、新工艺，很少有人注意到黏土湿型砂，因而，我们对黏土湿型砂的认知仍然非常浅薄，与铸造大国很不相称。在这里，我想举一个例子说明这一看法。不少铸造厂，不惜投入巨资自国外引进新型的造型设备，而与之配套的砂处理设备却简单、草率地安排，以求节省资金，结果，由于型砂质量欠佳，造型设备的能力不能充分利用，铸件的质量也不及设备可能达到的水平。此外，有关黏土湿型砂的一些基本概念，我们还普遍存在一些不确切的认识。目前，我国铸造行业面临的任务是尽快实现由大到强的转变，在黏土湿型砂方面的探求和研究工作亟待加强。我在
12、铸造生产现场工作了 40 年，有一段时间曾从事黏土湿型砂的研究，但是，对黏土湿型砂的认识至今仍然非常浮浅。退休以后，在中国铸造协会工作了 21 年，对我国铸造行业的情况也有一些初步的了解，觉得很多企业对黏土湿型砂的认知也都是很不够的。为适应今后发展的要求，必须加强这方面的研究工作，但我自己已经无能为力了，写这篇赘文，也不可能给大家甚么实际的帮助，只是想给大家提个醒儿，寄希望后来居上的行业同仁。二、黏土湿型砂中的黏结剂如果提问：“黏土湿型砂的黏结剂是什么”？很多人都会不假思索地回答：“当然是黏土” 。实际上，这是不正确的，至少是不确切的。单用黏土，并不能起黏结砂粒的作用、使型砂具有强度。黏土湿型
13、砂中的基础黏结剂，是黏土和水调制而成的混合物，我们简称为“土-水体系” 。 土- 水体系中，土的品质、水含量、土与水调制的程度、乃至水的品质，都对其黏结性能有重要的影响。此外，黏土湿型砂中还可以加入各种附加材料，如煤粉、淀粉之类，以改善求性能。“黏土”这个词，目前还不可能用简单而确切的语句予以定义。美国陶瓷学会所给的定义是：“黏土是细粒的岩矿，它有如下的特点：将其粉碎以后，加水润湿，即呈可塑状态，将此种可塑状态的含水物烘干，则成为硬的块状物，将脱水后的黏土块在高温下焙烧，则可成为坚实的岩石样块状物” 。按此定义，可称之为黏土的矿物品种很多，主要有膨润土、高岭土、伊利土和凹凸棒土等。不同品种的黏
14、土，性能差别很大。即使是同一种矿相的黏土，因成矿条件不同和杂质含量的多寡不等，性能的差别也相当大，所以，黏土看似简单，实际上很不简单。膨润土用作黏土湿型砂的黏结剂，只有一百多年的历史，但其发展极快，目前，世界各国使用的黏土湿型砂都是用膨润土配制的，因而，我们这里只着重介绍有关膨润土的一些情况，不涉及其他黏土。41、膨润土的晶体结构膨润土是细小晶质的黏土矿物，主要的矿物组成是蒙脱石(Montmorillonite)，此外还有伴生的杂质。蒙脱石是三层结构的复网层晶体，其结构简图见图 1。上层和下层都是 Si-O 四面体，中间一层以水铝石（Al-O-OH 八面体）为基础。晶体沿水平方向（a 向、b
15、向）延伸，并在垂直方向（c 向）层层重叠。相邻晶体单元之间是氧面与氧面相接，没有氢键，是分子结合，结合力相当弱，而且，晶体单元层面之间存在负电荷，有斥力，水浸析的正离子易于进入，水也易于渗入层面之间，从而使层间距扩大，体积膨胀。图 1 蒙脱石的晶体结构示意图2、膨润土的离子吸附能力蒙脱石单元晶体内部的 Al-O-OH 八面体中，总有部分三价的铝原子被二价的镁原子（也可以是铁、锂或其他原子）置换。例如，由两个 Mg 原子（需要 4 个氧原子） ，取代了两个 Al 原子（需要三个氧原子） 。这样一来，就多了一个氧原子，使单元晶体的电荷不平衡，呈负电性,需要吸附阳离子。蒙脱石晶体所吸附的离子的种类，
16、对膨润土的性能影响很大。蒙脱石矿物的基础晶体结构中，硅原子数为 A1 原子数的 2 倍，理论化学式为Al2Si 4O10(OH) 2nH2O。如果考虑 Al 原子被其他二价原子置换，结晶化学式则是AI(Mg、Fe) 4 Si8O20(OH)4nH2O。化学式中，nH 2O 是层间水。蒙脱石晶体内的 Si-O 四面体中的 Si 也可能被 Al 或 P 置换。但是，四面体层内的 Si很稳定，被置换的量很有限，八面体层内的 Al 被置换的量则可以相当大。因此，蒙脱石的实际组成通常与理论化学式有所不同，不同膨润土的特性也就差别很大。在天然的膨润土中，蒙脱石所吸附的离子大多是钠离子、钙离子、钾离子或镁离子。吸附的离子以一价钠离子、钾离子为主的，通常称为钠基膨润土；以二价钙离子、镁离子为主的，称为钙基膨润土。 由于蒙脱石晶体的原子置换主要发生在内部的 Al-O-OH 八面体中，而吸附的阳离子在晶体单元之间的层间水中，吸附离子的距离较长，约束力较弱，因而，膨润土吸附的阳离子，有的容易被其他的阳离子置换。这种可被
