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1、湿型砂用膨润土及检测技术于震宗黄天佑殷锡鹏1. 刖言黏土是以细小结晶质的黏土矿物为主要组成物的土状材料。自然界的黏土矿物按晶体结构可分为高岭石组（两层型结构）、蒙脱石组（三层型结构，晶层间可膨润）和依利石 组（三层型结构，晶层间不膨润）。陶土的主要矿物是高岭石，用于生产陶瓷产品。铸造 行业所谓普通黏土，（包括白泥、甘子土、陶土、瓷土、高岭土等类材料），主要含有高岭 石矿物，也有个别的普通黏土含伊利石类矿物。铸造工厂用普通黏土做为修炉、修包材料 和干型的粘结剂。湿型砂采用的膨润土属于以蒙脱石矿物为主的黏土，其中也含有一些其它黏土矿物，以及少量石英、长石、云母等碎屑和有机物质。膨润土被水润湿后具有
2、相当 高的湿态粘结力和可塑性；烘干后硬结，具有干强度；硬结的膨润土加水后又能恢复粘结 性和可塑性。膨润土在自然界中蕴藏丰富，加工容易，价格低廉。过去有很多铸造工厂使 用普通黏土为湿型粘结剂，或者用红砂做为湿型砂。如今绝大部分湿型铸造工厂都已改用 膨润土为湿型砂粘结剂。2. 膨润土的机械行业标准机械行业标准JB/T 9227 -999铸造用膨润土和粘土中，对膨润土的分类、技术要 求、试验方法、检验规则等做出了规定。现综合摘要介绍如下：膨润土每批产品的取样按随机取样法进行。取样数不得低于（n/2）1/2。n为交货产品的袋数。每批取样数不得少于2个样品，从每袋中取出样品不得少于1kg。试验用料从选取
3、的 样品中，由四分法获得。其重量可由试验项目决定，但不得少于1kg。供方应按本标准所规定的牌号和技术要求生产供应。 除供测定含水量用的试料外，进行其它检验用的试料须 在105110C烘干2h。烘干时试料厚度不大于15mm。然后将烘干的试料存放于干燥器内， 以备进行试验。对于选取的试样须注明其名称、产地及取样日期。试验后所剩样品应保存 3个月以备复查。铸造用膨润土按其主要交换性阳离子分为四类。以膨润土代号“P”及主要交换性阳离子的化学元素符号来表示不同类别的膨润土。如某一交换性阳离子占阳离子交换容量总量的50%或以上时，称其为主要交换性阳离子。如不足 50%，就以其中含量相对较多的两 种阳离子做
4、为主要交换性阳离子。 表示时含量较多的阳离子符号在前面。铸造膨润土的分类如下表所示：代号PNaPCaPNaCaPCaNa类别钠膨润土钙膨润土钠钙膨润土钙钠膨润土根据测得工艺试样的湿压强度值热湿拉强度值将膨润土分级如以下两表。湿压强度等级代号10753工艺试样湿压强度值kPa100 70100 50 70 30 50热湿拉强度等级代号2520155工艺试样热湿拉强度值kPa2.52.02.51.5 2.00.5 1.5工艺试样湿压强度和热湿拉强度的型砂配方为标准砂100%、膨润土 5%、控制紧实率45一2%。行业标准要求各种牌号的铸造用膨润土应符合以上两表中的湿压强度值和热湿拉 强度值的规定。还
5、要求铸造膨润土的吸蓝量至少应为每100g膨润土吸附20g亚甲基蓝。按pH值的不同，膨润土可分为酸性和碱性两类，分别用S和J表示。膨润土的牌号以湿压强度值等级和热湿拉强度值等级表示。例如湿压强度值为3050 kPa,热湿拉强度值为0.51.5kPa的酸性钙膨润土，其牌号为PCaS-。此外还规定膨润土的含水量应不大于 12.0%, 冬季允许不大于15.0%。膨润土重量的95%以上应通过200目（筛网孔径0.075mm）铸造用 试验筛。评述：本文作者认为这两个表中数据过分迁就低品位膨润土的性能指标，并不能满足生产高品质铸件的要求，也不反映国产优质膨润土的实际性能情况。标准要求每100g膨润土吸附20
6、g亚甲基蓝也是要求过低。钙基土的酸碱度大多为中性到微酸性，钠基和活化膨润土 为碱性，似不需要标明膨润土的酸碱性。建议铸造工厂根据本厂铸件结构特征、铸件品质 特点、生产条件确定对膨润土品质等级的要求，参照以下两表选用膨润土。表中的等级代 号与JB/T9227-999行业标准稍有区别，删去了不适合铸造生产应用的劣质膨润土，增添 了高级膨润土的代号，以适应使用先进机械化造型方法和生产高品质铸件的需要。建议检验膨润土工艺试样湿压强度和吸蓝量，工艺试样热湿拉强度和膨润值的分级如以下两表：序号等级 代号工艺试样湿压强度kPa吸蓝量g/100g造型方法对铸件气孔、砂孔缺陷111 110 35气冲、高压、挤压
7、造型要求极严29 90 32机器造型要求严格37 70 30机器造型和手工造型一般要求45 50 25手工造型序号等级代号热湿拉强度kPa膨润值（2g）% 铸件特征铸件夹砂缺陷135 3.5100铸钢中、大件要求严格225 2.5 50铸铁中、大件，铸钢小件要求严格315 1.5 20铸铁小件一般要求48 0.8 8薄壁铸铁、铜、铝小件，对热稳定性无要求为了适合铸造工业对钠基膨润土的需要，可用碳酸钠对钙基膨润土进行处理，使原来 所含的钙离子一部分或绝大部分被钠离子置换，制得产品称为“钠化膨润土”或“活化膨 润土”。其化学反应简单示意如下：Ca卄喙脱石+ N&CO-2Na十-蒙脱石+ CaC6
8、；3. 膨润土的品质和检测技术我国各地的膨润土资源丰富，但品质并不一致。要求铸件品质严格的铸造工厂必须重 视膨润土的检测。3.1简易判断普通黏土、钙基膨润土、钠基膨润土和钠化膨润土用简易方法区分普通黏土与膨润土：我国南方一些工厂把膨润土误称为“陶土”，这是因为最早由浙江余杭开采的膨润土被地质勘探人员称做“酸性陶土”以便与生产陶器用的“陶土”相区别。但铸造工作者把“酸性”二字简化掉，以致两种不同结晶构造的粘 土类矿物混淆不清。曾有某小型铸造车间由于误用了真正的陶土而引起型砂强度下降和砂 型开裂。简易区分陶土（普通黏土）与膨润土的方法如下：取10g左右土样与30ml水放置入杯中调和成黏土浆，然后加
9、入0.5g左右的碳酸钠粉末，再搅拌均匀。真陶土和普通黏土） 加碱前是稀汤状，加碱后也不变稠。因为普通黏土的晶层之间没有交换性阳离子，加水后 单位晶层的距离不变，也不受外加NazCO3的影响。而钙基膨润土与水混合后是稀糊状， 加 碳酸钠后变成膏状，因为能够钠化处理而变稠。如果加水后已经成膏状，加NazCO3后粘稠 程度无明显变化，则表明土样是天然钠基膨润土或钠化膨润土。另一种区分方法是，把一 玻璃杯清水放在桌上，取少许（0.1g左右）土粉撒在水面上，观察土粉下沉速度，立即全部 迅速下沉的，是普通粘土或钙基膨润土，而缓慢地、逐渐地像雪花一样地下沉的，是钠基 膨润土或钠化膨润土。简易方法区分天然钠基
10、膨润土与钠化膨润土：取2g左右膨润土盛入试管中，缓慢加入浓盐酸液用眼观察是否产生大量气泡。天然钠基膨润土的碳酸钙含量不高， 美国铸钢学会要求天然钠基膨润土的碳酸钙含量不大于0.7% （25 meq Ca/100g膨润土），我国铸造工业所用的大多数钙基和天然钠基膨润土商品的碳酸钙含量都不超过1%。但是，钙膨润土钠化处理时要另外加入一些碳酸钠（通常加入量为膨润土的3.04.0%。碳酸钠在置换反 应中大部分转变成碳酸钙，一小部分为残留碳酸钠。膨润土中的任何碳酸盐遇到盐酸后都 会发出多量CO2气。气泡极少或无气泡的是天然钠基膨润土，发出大量气泡的是加有碳酸钠的钠化膨润土。3.2膨润土含水量膨润土的原矿
11、含水量可能高达 30%，经过凉晒、烘干等工序后含水量大幅度降低，但 磨粉后仍会含有一定的水分。如果烘干脱水过多，其吸水性质的恢复过程将变得相当缓慢。 因此，商品供应的膨润土磨粉制品大约含水812%。机械行业标准JB/T 9227-1999铸造用膨润土和粘土规定膨润土的含水量应不大于12.0 %，冬季允许不大于15.0 %。试验方 法按GB/T 2684-1981铸造用原砂及混合料试验方法有两种：标准方法：称取试料50g）.1g置于玻璃皿内， 在温度为105110C的电烘箱中烘 干至恒重（烘30min后称重，然后每烘15min，称量一次，直到相邻两次称量的差数小于 0.02g，即为恒重），进行称
12、量，以以膨润土试料烘干前后的重量差除以烘干前试料的重量 计算含水量。快速法：盛膨润土试料 20g.1g放入盛砂盆中，均匀铺平，然后将盛砂盆放在红 外线烘干器内，烘610min，冷却后称量，计算含水量。评论：粉状膨润土的含水量变动范围有限，也不是影响型砂性能的主要因素，测定结果有 23位有效数字已然足够。标准方法的反复烘干过于繁琐。快速法用红外线烘干器加热， 虽然温度高达160170C，并不会破坏膨润土的品质。建议试验方法：使用感量为0.01g的天平（电子天平更方便）称量10g膨润土试料盛入红 外线烘干器的烘干盘中，均匀铺平，烘610mi n,冷却后称量和计算出含水量。或者将10g膨润土盛入预先
13、烘干的玻璃烧杯中，在温度为105110C的电烘箱中烘干30min 后,放置在干燥器中冷却和储放，称重计算含水量如下式。烧杯中剩余膨润土可以用于进行吸 蓝量、膨润值等性能测定。w（水）=m1 一 m2100%m1式中：w （水）煤粉中的含水量%；m1 烘干前试料的重量g;m2 烘干后试料的重量g。很多铸造工厂用来称量小量物品的100g药物托盘天平的感量通常只有土 0.1g，难以达到规定的精度。建议使用感量最低为0.01g的称量天平。用电子天平可以扣除容器重量， 使用方便，售价仅几百元。如能购置进口的加热装置与电子天平组合在一起的含水量测定 仪。510g膨润土试料在105C温度下烘干，大约只需35
14、min即可达到恒重。3.3膨润土的粒度分析根据JB/T 9227-1999标准规定，商品膨润土重量 95%以上应通过200目（筛网孔径 0.075m m）的试验筛。测定方法为称量烘干后的试料 20.0g，放置于干燥的试验筛中，水平运动筛子，可用 木块轻轻敲打筛框，给筛网以振动。充分筛分后称量筛上剩余物，按下式计算。过筛量取料量-剩取料量补充说明：气候潮湿时，膨润土过筛相当困难，建议将膨润土和筛子一同在105110C电烘箱 中加热后趁热过筛，冷却后称量。研究表明，膨润土粒度过粗会影响型砂的粘结强度。铸造工厂应注意有个别膨润土 供应厂商采取磨粉机布袋除尘器收集的极细粉尘作为样品，而不是从销售商品中
15、取样。美国一般要求200目筛以上停留量不超过1020%即可，认为我国要求过分严格， 不但磨粉耗能多而增加成本，而且混制型砂时膨润土细粉容易飞逸进入除尘器中。3.4膨润土的湿态黏接力在湿型砂中，膨润土的主要作用是将松散的砂粒粘结一起。如果所使用的膨润土粘结 力差，为了使湿型砂具有要求的性能就必须加入较多的膨润土。这不仅使生产成本提高， 而且增加了型砂的含泥量和含水量，还会引起铸件产生气孔等缺陷。影响膨润土湿态粘结 力的因素有多种，其中主要是膨润土纯度。此外膨润土磨粉的粗细、分散程度高低、蒙脱 石晶体的晶粒大小等因素也有很大影响。铸造工厂型砂实验室最常用的检测膨润土湿态粘 结力方法有两种：型砂试样湿强度法和吸蓝量法，现由本段和下段分述。用工艺试样检测湿型砂试样抗压强度是判断膨润土湿态粘结力的最直接
