有关树脂自硬砂的几个问题

有关树脂自硬砂的几个问题中国铸造协会李传栻目前，我国铸造行业中树脂自硬砂工艺应用很广，中、大型铸件基本上都用树脂自硬砂生产，中、小型铸件采用者也很多。为了进一步提高铸件质量，保持产品质量稳定、一致，有必要对树脂自硬砂生产工艺的各个环节有进一步的了解，并在生产中予以认真的控制。中国铸造协会之所以要组织这样的会议，目的就在如此。本文将从生产现场的工艺要求出发，以保证产品质量和降低生产成本为中心，就树脂自硬砂的粘结特点、对原砂的要求、造型制芯工艺的控制要点等方面提出粗浅的看法，供大家分析、议论。一、树脂自硬砂的粘结特点砂粒越细，其比表面积（单位质量砂粒的表面面积）越大。假如砂粒是均匀的球体，则比表面积与其平均直径成反比。也就是说：筛分时停留在100号筛上的球体，其表面面积是停留在70号筛上、相同质量的球体的、倍；是停留在50号筛上、相同质量的球体的2倍。砂粒虽然不是均匀的球体，但大致可以用这一规律作定性的评估。集中于70/140筛的原砂，砂粒表面的总面积大约是集中于50/100号筛的等量原砂的“了倍，是集中于40/70号筛的等量原砂的2倍。如果加入的树脂量相同，70/140号筛砂粒表面粘结膜的厚度，大约是40/70号筛砂粒的1/2。在这种情况下，砂粒之间粘结桥的尺寸当然就会相应地减小，这是使型砂强度降低的因素。另一方面，改用较细的砂粒后，相同容积内砂粒的数量增加。虽然粘结桥的尺寸减小，但粘结桥的数量大为增加。这又是使型砂强度提高的因素。原砂粒度对树脂自硬砂强度的影响，是这两种因素综合作用的结果。为了进一步探明原砂粒度对型砂强度的影响，笔者在实验室用单筛砂进行过一系列的对比试验，试验结果的要点如下：分别用停留在40、50和70号筛上的三种单筛砂进行对比试验时，在加入质量分数相同的树脂的条件下，三种粒度不同的型砂的抗拉强度基本上相同。也就是说，对于粒度中等的原砂（40号筛〜70号筛），由粗砂改为细砂，粘结桥尺寸减小所导致的强度下降，可以由粘结桥数量增加而得到补偿，粒度在此范围内改变对型砂的强度基本上没有影响；分别用停留在20、30和40号筛上的三种单筛砂进行对比试验时，在加入质量分数相同的树脂条件下，原砂粒度较细的型砂抗拉强度较高。也就是说，对于三种粗砂而言，由粗砂改为较细的砂时，粘结桥数量增加的影响大于粘结桥尺寸减小的影响，采用较粗的砂会使型砂的强度降低。因此，不宜采用20号筛和30号筛这样的粗砂；分别用停留在70、100和140号筛上的三种单筛砂进行对比试验时，在加入质量分数相同的树脂的条件下，原砂粒度较细的型砂强度较低，但强度降低的幅度不算太大。也就是说，这三种较细的单筛砂中，由粗砂改为细砂，粘结桥尺寸减小的影响略大于粘结桥数量增加的影响。可见，如果简单地采用细砂，而不优化粒度级配，树脂砂的强度可能有所下降。如果用通过140号筛、停留在200号筛上的砂，则强度的下降就更为明显。钢、铁铸件所用原砂的粒度，基本上都在40号筛和140号筛之间。对树脂自硬砂而言，原砂粒度在此范围内改变，对型砂的强度的影响并不明显。调整原砂粒度时，一般可不必改变树脂的加入量，但要严格控制通过140号筛的细砂量。2、从铸件的表面质量考虑采用较细的原砂，可以改善铸件的表面质量，其主要作用有以下几方面：铸型和芯子的表面比较平整、光滑，制得的铸件表面粗糙度的等级较好；细砂粒之间的空隙小，有利于防止渗入性粘砂；细砂粒形成的铸型表面，抵抗金属液冲刷的能力较强，有利于减少冲砂缺陷。过去，我国铸造行业所用的原砂一般都偏粗，导致铸件表面质量不佳。近年来，情况大有改善，但仍有一些铸造厂对采用细砂不太放心，主要是怕型砂的耐火性能降低而影响铸件的表面质量，同时也担心型砂的透气性下降。这种担心有一定的道理，但还是应该作全面的考虑，并通过试验来优化各种工艺参数，这样才能取得最佳的效果，达到既提高产品质量、又降低生产成本的目的。。树脂自硬砂基本上是由树脂、硬化剂和砂粒组成的，借助于混砂机的混拌作用，使树脂和硬化剂均匀地涂覆在砂粒的表面上。在硬化剂的作用下，砂粒表面上的树脂很快就会发生缩合或聚合反应而硬化，形成粘结膜。通过相邻砂粒粘结膜之间形成的粘结桥，将松散的砂粒粘结起来、使之具有必要的强度，如图1所示。图1 砂粒表面的粘结膜和砂粒之间的粘结桥型砂的强度决定于粘结膜对砂粒表面的附着力、粘结膜的状态和粘结桥的强度。实际上，砂粒表面的树脂粘结膜非常薄，影响树脂在砂粒表面分布的各种条件的改变，都会严重地影响树脂砂的性能。从砂粒方面看来，硬化后的型砂有两种破断方式：一种是图2（a）所示的那样，砂粒的分离是由于粘结桥本身断开，通常称之为聚合破裂，聚合破裂反映树脂硬化后的强度；另一种是图2（b）所示的那样，粘结桥保持完整，粘结膜被撕破并自砂粒表面脱落，通常称之为附着破裂，附着破裂反映树脂膜对砂粒表面的附着强度。图2型砂的破断方式（a）聚合破裂；（b）附着破裂要想较好地应用化学粘结砂，了解其破断方式是十分重要的。型砂的破断方式，用目视观察不能分辨，用光学体视显微镜也难以分辨，用扫描电子显微镜才能清楚地判断。用水玻璃作粘结剂时，由于水玻璃是硅酸盐，对硅砂砂粒表面的附着特别好，硬化后的水玻璃的强度又比较低，型砂的破断基本上以聚合破裂为主，极少见到附着破裂，型砂的强度主要决定于粘结桥的尺寸和数量。SiO2具有复杂的多晶性，硅砂基本上是硅氧四面体，是无机的。砂粒表面的粘结膜和粘结桥是树脂发生交联反应的产物，是有机的。以树脂为粘结剂的情况下，粘结膜对砂粒表面的附着并不很牢固，而粘结桥的强度很高。也就是说，树脂对砂粒表面的附着强度一般都低于树脂本身硬化后的强度，型砂的破断往往是以附着破裂为主。因此，采用树脂自硬砂时，对砂粒表面的状态和清洁程度都应有严格的要求，以改善树脂对砂粒表面的附着。必要时，还可在树脂中加入硅烷之类的有机硅化合物，作为偶联剂。有机硅化合物中，一部分分子能与SiO2组成键，一部分分子能与树脂共聚。树脂中加入适当的硅烷，可在树脂和砂粒之间起偶联作用，改善两者之间的结合。硅烷的品种很多，应根据树脂的特点选用适当的品种。选用不当，则效果不明显，甚至完全无效。二、原砂粒度对树脂自硬砂性能的影响铸造用砂是无数不同形状、不同尺寸的颗粒的集合体。严格说来，我们不可能在亿万颗砂粒中找出两颗完全相同的砂。我们谈到原砂的各种特性，都是就集合体的共性而言的，是模糊的概念。尽管集合体中的个体总是在改变，集合体的基本特性仍可以保持不变。原砂的粒度，是指宏观地观察集合体所得到的、关于其颗粒大小的概念。评定原砂粒度的依据，是用一套标准筛进行的筛分试验，所以，有必要对标准筛有所了解。我国专业标准JB/T9156—1999“铸造用试验筛”中规定的成套试验用筛，是由11个不同筛号的筛子和底盘组成的。这套试验筛，与美国铸造师学会选定的一套ASTM标准试验筛完全相同，各筛号的网孔尺寸和网丝的公称尺寸见表1。表1铸造用试验筛（JB/T9156—1999）筛号网孔尺寸 （mm）网丝的公称尺寸（mm）63.3501.250121.7000.800200.8500.500300.6000.400400.4250.280500.3000.200700.2120.1401000.1500.1001400.1060.0712000.0750.0502700.0530.036标准筛网孔尺寸都是有规律的。从20号筛到270号筛，相邻两筛之间，粗筛的网孔尺寸都是细筛的、/T倍；相邻三筛之间，粗筛的网孔尺寸都是细筛网孔尺寸的2倍。筛网的标准系列中，6号筛与12号筛之间还有一个8号筛，12号筛与20号筛之间还有一个16号筛，由于铸造用砂中没有这样的粗砂，铸造用试验筛中省略了8号筛和16号筛。因此，6号筛的网孔尺寸是12号筛网孔尺寸的2倍，12号筛的网孔尺寸是20号筛网孔尺寸的2倍。标准筛所用的筛号数字还有一层含义，即：筛号数字是“筛网每25.4mm长度上的筛孔数”。例如，100号筛的筛网上，每25.4mm长度上的筛孔数就是100。其来由是：英、美等国称筛号为“mesh”，其含义是“每英寸长度Q5.4mm）的筛孔数”。“mesh”以前一般都音译为“目”，现在也经常有人将筛号称为“目”，如称50号筛为50目筛。铸造用砂的粒度表示方法，目前还很不一致：ISO标准和欧洲多数国家（不含英国）用砂粒的平均尺寸表示;我国习惯于用筛分时砂粒集中分布的3筛或4筛的粗筛号和细筛号表示，如40/70或40/100；英、美、日等国则多用美国铸造师学会规定的AFS细度表示。为便于国际间的交往，我国1998年修订的国家标准GB/T9442—1998“铸造用硅砂”，在规定的牌号表示方法中，也以括号的方式列出了'平均细度’。标准附录中规定的'平均细度'的计算方法与美国铸造师学会规定的AFS细度计算方法完全相同，实际上，'平均细度'就是AFS细度。关于“细度”一词的含意及其计算方法，以后将在另文中加以说明。采用树脂自硬砂时，关于原砂粒度对型砂性能的影响，可以从三方面来分析。1、 从型砂的粘结强度考虑选择原砂的粒度时，首先要考虑粒度对型砂强度的影响。砂粒越细，其比表面积（单位质量砂粒的表面面积）越大。假如砂粒是均匀的球体，则比表面积与其平均直径成反比。也就是说：筛分时停留在100号筛上的球体，其表面面积是停留在70号筛上、相同质量的球体的NT倍；是停留在50号筛上、相同质量的球体的2倍。砂粒虽然不是均匀的球体，但大致可以用这一规律作定性的评估。集中于70/140筛的原砂，砂粒表面的总面积大约是集中于50/100号筛的等量原砂的倍，是集中于40/70号筛的等量原砂的2倍。如果加入的树脂量相同，70/140号筛砂粒表面粘结膜的厚度，大约是40/70号筛砂粒的1/2。在这种情况下，砂粒之间粘结桥的尺寸当然就会相应地减小，这是使型砂强度降低的因素。另一方面，改用较细的砂粒后，相同容积内砂粒的数量增加。虽然粘结桥的尺寸减小，但粘结桥的数量大为增加。这又是使型砂强度提高的因素。原砂粒度对树脂自硬砂强度的影响，是这两种因素综合作用的结果。为了进一步探明原砂粒度对型砂强度的影响，笔者在实验室用单筛砂进行过一系列的对比试验，试验结果的要点如下：分别用停留在40、50和70号筛上的三种单筛砂进行对比试验时，在加入质量分数相同的树脂的条件下，三种粒度不同的型砂的抗拉强度基本上相同。也就是说，对于粒度中等的原砂（40号筛〜70号筛），由粗砂改为细砂，粘结桥尺寸减小所导致的强度下降，可以由粘结桥数量增加而得到补偿，粒度在此范围内改变对型砂的强度基本上没有影响；分别用停留在20、30和40号筛上的三种单筛砂进行对比试验时，在加入质量分数相同的树脂条件下，原砂粒度较细的型砂抗拉强度较高。也就是说，对于三种粗砂而言，由粗砂改为较细的砂时，粘结桥数量增加的影响大于粘结桥尺寸减小的影响，采用较粗的砂会使型砂的强度降低。因此，不宜采用20号筛和30号筛这样的粗砂；分别用停留在70、100和140号筛上的三种单筛砂进行对比试验时，在加入质量分数相同的树脂的条件下，原砂粒度较细的型砂强度较低，但强度降低的幅度不算太大。也就是说，这三种较细的单筛砂中，由粗砂改为细砂，粘结桥尺寸减小的影响略大于粘结桥数量增加的影响。可见，如果简单地采用细砂，而不优化粒度级配，树脂砂的强度可能有所下降。如果用通过140号筛、停留在200号筛上的砂，则强度的下降就更为明显。钢、铁铸件所用原砂的粒度，基本上都在40号筛和140号筛之间。对树脂自硬砂而言，原砂粒度在此范围内改变，对型砂的强度的影响并不明显。调整原砂粒度时，一般可不必改变树脂的加入量，但要严格控制通过140号筛的细砂量。2、 从铸件的表面质量考虑采用较细的原砂，可以改善铸件的表面质量，其主要作用有以下几方面：铸型和芯子的表面比较平整、光滑，制得的铸件表面粗糙度的等级较好；细砂粒之间的空隙小，有利于防止渗入性粘砂；细砂粒形成的铸型表面，抵抗金属液冲刷的能力较强，有利于减少冲砂缺陷。过去，我国铸造行业所用的原砂一般都偏粗，导致铸件表面质量不佳。近年来，情况大有改善，但仍有一些铸造厂对采用细砂不太放心，主要是怕型砂的耐火性能降低而影响铸件的表面质量，同时也担心型砂的透气性下降。这种担心有一定的道理，但还是应该作全面的考虑，并通过试验来优化各种工艺参数，这样才能取得最佳的效果，达到既提高产品质量、又降低生产成本的目的。。关于原砂粒度对透气性的影响，下面还要谈到，这里先说耐火度的问题。由人工破碎岩石得到的砂粒、用电熔方法制成的人造砂，粒度不同的砂粒的化学成分差别都很小。天然硅砂的情况就不同了，岩石分化为砂粒前，没有选矿的过程，石英岩和含长石及其他杂质的脉石同时分化。一般的天然硅砂中，长石及其他杂质的含量一般都在20%左右。长石及其他杂质的硬度低于石英岩，而且解理发育，比石英岩容易破碎。因此，同一矿源的硅砂，粒度较细的则含杂质较多。表现在化学分析的结果是：粒度越细，SiO2含量越低，A12O3和K2O+Na2O的含量越高。这里，以江西都昌产的天然硅砂为例，将不同粒度硅砂的主要成分、烧结温度和灼烧减量（LOI）列于表2。表2 不同粒度都昌砂的主要成分、烧结温度和灼烧减量停留筛的筛号主要成分(%)烧结温度（°C）灼烧减量（LOI）（%）SiO2Al。K2O+Na2O24〜4595.61.500.9815000.1528〜5594.62.751.8515000.2345〜7593.53.462.0714500.2555〜10092.14.402.4714000.2875〜15091.24.772.8313500.38100〜20090.04.952.9813000.40泥分65.014.14.50——注：试验时采用JB2488-78规定的一套标准筛由表2可见，就我国当前可供使用的天然沉积硅砂来讲，担心细砂耐火度不高不是没有道理的。另一方面，液态金属注入铸型以后，随即发生两个相关的过程：液态金属的温度下降并开始凝固；铸型受热，温度升高。在金属与铸型的界面上，由于铸型的热传导和气隙的形成，金属与铸型之间有一相当大的温度落差。铸型表面所能达到的温度，要比金属液的浇注温度低得多。这一温度差的具体数值，取决于铸件的壁厚和形状、浇注系统的设置、造型材料的热导率和是否采用涂料等因素。一般情况下，要求原砂的耐火度高于金属的浇注温度往往并非十分必要。一般的铸铁件，采用SiO2含量80%以上的硅砂是可行的。对于厚大的铸铁件，通辽、赤峰、围场及江西鄱阳湖沿岸的硅砂（SiO2含量在90%左右）也都可以满足要求。对于铸钢件，小件也可采用SiO2含量为90%左右的天然硅砂；中、大型铸件则应采用SiO2含量在96%以上的硅砂，福建平潭、东山一带的天然硅砂比较适宜。总之，生产一般铸件时，因考虑耐火性能而采用粗砂并不一定妥当。3、从型砂的透气性考虑

型砂的透气性，是其容许气体透过的能力。采用细粒砂时，人们往往担心透气性不好，怕因浇注时排气不顺畅而致铸件产生气孔缺陷。型砂的透气性决定于两个因素：一个是砂粒之间的空隙的总体积，即空隙率；另一个则是空隙的尺寸。一般容易认为：经紧实的铸型中，空隙率越高，则透气性就越好。实际上，不同粒度的型砂，其中的空隙率的差别并不大，空隙率对透气性的影响也很小。影响透气性的主要因素，是砂粒间空隙尺寸的大小。为了了解型砂紧实后的空隙率，还是先从均匀的理想球体的堆垒说起。理想球体以正方排列的形式堆垒（如图3）时，每一球与相邻的6球接触（周围4球，上下各1球），空隙率为47.64%。球体以斜方排列的形式堆垒（如图4）时，每一球与相邻的8球接触（周围6球，上下各1球），空隙率为39.55%o图3图3正方排列的均匀球体图4斜方排列的均匀球体球体以斜方交错排列的形式堆垒（图略去）时，每一球与相邻的10球接触，周围6球、上下各2球，空隙率为30.2%o球体以正方交错排列的形式堆垒（图略去）时，每一球与相邻的12球接触，周围4球、上、下各4球，空隙率为25.95%，这是最紧密的排列的一种。球体以四面体样排列的形式堆垒（图略去）时，每一球也与相邻的12球接触，周围6球、上、下各3球，空隙率为25.95%，这也是最紧密的排列。由球体几种堆垒的情况可见，空隙率只决定于排列方式，与球径的大小无关。球径大，空隙的尺寸大而数量少，堆垒体的透气性高；球径小，空隙的尺寸小而数量多，堆垒体的透气性低。虽然铸型所用的型砂与理想球体差别很大，但在原砂粒度基本均匀的条件下，砂型中的空隙率与砂粒的尺寸无关，只决定于型砂的舂实条件（即堆垒方式的改变）。实际上，砂型或芯子中的空隙率虽因舂实条件而有所不同，但差别也不会太大，最紧实的不会低于30%，最松的也不会高于40%o用不同粒度的均匀砂粒配制的型砂，经条件相同的舂实后，尽管空隙率基本上相同，透气性却相差悬殊。随着砂粒的细化，型砂的透气性急剧下降。美国的H.W.Dietert曾就粒度不同的单筛砂，分别测定其在不加入粘结剂的状况下的透气性，如图5所示。图5原砂粒度与透气性的关系由图5可见，空隙尺寸对型砂透气性影响极大。有人认为，树脂是有机材料、发气量大，因而应采用粒度较粗的原砂，使型砂具有较好的透气性。之所以有这种考虑，是由于对型砂发气量的了解不够全面。实际上，粘土湿型砂中的煤粉和水分，在高温下的发气量与等量的树脂不相上下，而湿型砂中的煤粉和水的总量却是树脂自硬砂中树脂和硬化剂总量的3倍左右。通常采用的水玻璃粘结砂，发气量也比树脂自硬砂高得多。以为树脂自硬砂的发气量特别高，是与实际情况不符的。更为重要的是：粘土湿型砂中的含泥量（包括活性膨润土、死粘土和其他细粉）约占14%，再加上含碳粉料和水分，所形成的粘稠膏状物在型砂的总体积中约占20%，这种膏状物主要涂覆在砂粒表面上，但不可避免地有一些会充填于砂粒之间的空隙中，其对型砂透气性的影响是不难想象的。树脂自硬砂中，树脂和硬化剂含量的总和一般不超过2%，而且都是液态材料，易于涂覆在砂粒的表面上，基本上不会填在砂粒之间的空隙中。因此，在采用粒度相同的原砂的情况下，树脂自硬砂的透气性要比粘土湿型砂高得多，而发气量又小得多。粘土湿型砂可以采用细粒砂，透气性保持60以上就可以。树脂自硬砂的透气性一般都在300以上，采用较细的原砂何必顾虑太多？三、原砂粒度分布对自硬砂性能的影响铸造用的原砂，颗粒尺寸是不均匀的，也就是说，生产中所用的砂是由粒度不同的砂粒组成的，因而就有粒度分布的问题。原砂粒度分布的情形，对树脂自硬砂各项性能的影响比粒度的影响大得多，只有对此有了切实的了解，才能有效地降低树脂的用量，使树脂的粘结性能最佳化。1、从型砂的强度方面考虑在对树脂自硬砂的粘结特点有所了解之后，可以得到以下两点共识，作为研究如何提高型砂强度的出发点。由于树脂的加入量很少，砂粒表面的粘结膜很薄，砂粒间粘结桥的尺寸也小；砂粒之间没有粉状或膏状物料填充，空隙较大。增加树脂加入量，使粘结膜增厚、粘结桥尺寸增大，从而提高型砂的强度，当然是容易做到的，但却是不可取的下策，因为增加树脂用量不仅提高生产成本，而且会使浇注时散发的有害气体增多、污染环境，旧砂的再生也更为困难。如果在砂粒的空隙中引入一粒细砂，如图6所示。虽然需要加入的细砂量不多，对粘结膜厚度的影响不大，但却可使粘结桥的数量增加很多。图6细砂增加砂粒间粘结桥的示意图为了了解砂粒间引入一粒细砂在增加粘结桥方面分作用，还是先从分析均匀球体的堆垒情况入手。如果球体的排列不是最紧密的，可以通过使其紧密（对于型砂而言，就是加强舂实）以提高粘结强度。所以，我们就着重分析球体排列最紧密的两种情况。如果球体以正方交错排列的形式堆垒，或以四面体样排列的形式堆垒，空隙中引入一个小球都可增加6个粘结桥，这当然是提高树脂自硬砂强度的最佳方式。如果型砂强度提高后，其值高于工艺要求，就可以降低树脂用量。2、从思想上摆脱“三筛砂”观念的束缚所谓“三筛砂”，是指筛分试验时砂粒主要集中于相邻的三个筛号，如：（40、50、70），（50、70、100），（70、100、140）等。采用粘土湿型砂时，在三筛砂的基础上，还要求均匀率高。均匀率是停留在相邻三筛上的砂量占砂样总量的质量分数。“三筛砂”的观念是在长期使用粘土湿型砂的过程中形成的，是从无数经验和教训中总结出来的，是为湿型砂选用原砂时必须遵循的原则。粘土湿型砂中，膨润土、泥分、含碳粉料和水所占的体积分数约为20%，其对型砂透气性的影响是不容忽视的。虽然通过强化砂处理过程，力求将这些物料调制成均匀的膏体，并使之涂覆于砂粒表面，型砂的透气性仍然是相当低的。在这种条件下，紧密排列的粗砂的空隙中如能容纳细砂，当然是非常有害的。均匀率高的三筛砂，正好可以保证细砂不能进入紧密排列的粗砂的空隙。为了说明这一问题，还是要进一步分析理想球体的堆垒情况。图7是直径为D的均匀球体以正方交错排列方式堆垒的情况。A—AD图7正方交错排列的均匀球体中的最大空隙由图7很容易看出，直径为D的大球的空隙中，可以容纳的小球的最大直径d=“2-1）D=0.414D图8是直径为D的均匀球体以四面体排列方式堆垒的情况。图8 四面体样排列的均匀球体中的最大空隙从图8（a）可求得AC=2Dcos30o=\3D从图8（b）可求得AT= 3D， AB=D，3bt=.D2-3D2=3d，CT=AC-AT=v3D-k3d=-<3D，TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"3 3;4 2 —BC=\：CT2+BT2=D2+—D2=『2D，3 3空隙中可以容纳的小球的最大直径d=BC-D=（正-1）D=0.414D各国所用的铸造标准筛，相邻两筛号筛孔开口尺寸之比基本上都是、，•？（参照表1）。任何相邻的三筛，最细筛号筛孔开口尺寸与最粗筛号筛孔开口尺寸之比都是0.5,正好符合d>0.414D的要求，因而，紧密排列的粗砂之间的空隙中不能容纳细粒砂进入。如果细砂进入了粗砂间的空隙，就会破坏粗砂的紧密排列状态。型砂中砂粒的形状与理想球体相距甚远，砂粒的尺寸也很不均匀，型砂的舂实状况也不同于球体的堆垒，但是，从型砂的实际结构和空隙率看来，用球体的堆垒作示性的分析还是很能说明问题的。由此看来，采用三筛砂，对于保证粘土湿型砂的透气性是非常必要的。任何相邻的四筛，最细筛号筛孔开口尺寸与最粗筛号筛孔开口尺寸之比都是0.35,d小于0.414D。所以，如果用四筛砂，细砂就可以进入紧密排列的粗砂的空隙，这对于粘土湿型砂当然是很不适宜的。树脂自硬砂的状况完全不同于粘土湿型砂。透气性根本不成问题，而细砂进入紧密排列的粗砂之间却可以增加很多粘结桥，提高型砂的强度。因此，也就不应该墨守“三筛砂”的成规。笔者在80年代曾用江西都昌砂作过一组试验，目的是考核原砂的粒度分布对树脂自硬砂强度的影响。试验中，用粒度不同的原砂，各加入1.5%的呋喃树脂，硬化剂用量为树脂的30%，试验的结果见表3。表3原砂的粒度分布对树脂自硬砂抗压强度的影响原砂状况24h后的抗压强度（MPa）50/100三筛砂3.0〜4.040/70三筛砂4.7〜5.650/100三筛砂，40/70三筛砂各50%5.6〜7.4由表3可见，用四筛砂时，树脂砂的强度较任何一种三筛砂都有较大的增长。一些工业国家的经验也都证明，由均匀率高的三筛砂改用四筛分布或五筛分布的原砂，树脂自硬砂的强度大为提高，有时甚至可提高一倍以上。在原砂的粒度分布适当时，就有可能降低树脂的用量。我国国家标准的修订，也反映了这种观念的改变。1988年制定的标准GB9442-88“铸造用硅砂”中，规定相邻3筛上的停留砂量不得少于75%01998年修订的GB/T9442-1998“铸造用硅砂”中，所举牌号表示方法的例子就是四筛砂。3、原砂的粒度级配有待进一步优化目前，我国的原砂大都仍按三筛砂的规格供应，如40/70、50/100、70/140等，铸造厂想采用多筛砂，应该如何级配才能得到最佳的效果呢？天然硅砂的产地很多，各地的矿产条件不同，粒度分布的状况差别很大。同样是50/100规格的原砂，有的集中于50号筛上的多，有的集中于70号筛上的多，有的则集中于100号筛上的多。目前，只能笼统地说：将不同规格的原砂配合使用，效果较好。不可能推荐适于各种条件的最佳粒度级配。即使是同一产地的原砂，由于采矿点不同或洗选条件改变，不同时间供应的原砂，粒度分布状况也可能有所不同。为了得到最好的效果，铸造厂应该根据自己的具体条件，通过认真而仔细的试验，求得最佳的粒度级配。同时，要加强与原砂供应厂商的联系，及早获得有关的信息，并对每批进厂的产品进行严格的检测。位于美国伊利诺州的Wedron砂矿，原砂经水洗、烘干后，先用标准筛筛分为单筛砂，然后根据用户的要求进行级配后供应。四、原砂的粒形和表面性状对于树脂自硬砂，原砂颗粒形状和表面性状的影响都是不可忽视的，有条件的铸造厂应该进行有关的测试和研究。1、砂粒形状的影响在用粘土作为粘结剂的很长的时期内，砂粒形状的影响不那么明显，未能引起足够的注意，对这一特性的研究工作也不多。在采用树脂作粘结剂的情况下，加入的树脂和硬化剂的总量，只是粘土砂中各种附加物的10%左右，砂粒表面上只有一层薄薄的粘结膜，砂粒形状的影响就变得十分突出了。而且由于树脂的价格昂贵，热解时又会产生有害气体，靠调整树脂加入量来提高型砂强度的可能性是极为有限的。研究砂粒形状的影响就成了十分重要的课题。树脂自硬砂所用的原砂，究竟是圆形的好、还是多角形的好？意见是不太一致的，现在也还不能作结论，还有待进一步的探讨和研究。（1）抗拉强度的比较目前，得到广泛认同的看法是圆形砂比多角形砂好，因为，在树脂加入量相同的情况下，用圆形砂配制的型砂抗拉强度较高是不争的事实。但是，对于这一点也有不同的解释。不少人认为：用圆形砂时，强度较高的主要原因是砂粒的比表面积（单位质量砂粒的表面积）较小。树脂加入量相同，砂粒表面的粘结膜较厚，因而抗拉强度较高。如果上述观点是正确的，采用多角形原砂时，只要按其比表面积增大的程度增加树脂用量，型砂的抗拉强度就会与采用圆形砂者大致相当。为了验证这一点，笔者曾进行过多次试验。试验中，采用粒度基本相同的两种原砂：一种是通辽硅砂，圆形，其角形系数经某大学测定为1・22；另一种是湖南砂岩砂，多角形，其角形系数经某大学测定为1.56。按此数据，后者的比表面积比前者增大了25%。所用的树脂是酸硬化的甲阶酚醛树脂，硬化剂为甲苯磺酸。试验结果见表4。表4 不同粒形原砂的抗拉试验对比原砂树脂用量（%）硬化剂用量（%）型砂的抗拉强度（MPa）抗拉试样重量（g）环境条件产地粒形温度（°C）湿度（%）通辽圆形1.5551.741112674湖南多角形1.5550.50952677湖南多角形2.0550.91952677注：树脂用量为型砂中的质量分数。硬化剂用量为其占树脂的百分数。由表4可见，在树脂用量相同的情况下，用圆形砂配制的型砂，抗拉强度是用多角形砂时的3倍以上。考虑到多角形砂的比表面积比圆形砂大25%，将多角形砂中的树脂加入量增到2.0%（增加33%），结果，抗拉强度仍然远低于树脂用量为1.5%的圆形砂。看来，比表面积的增大并不是导致抗拉强度低的主要原因。在试验中发现，在同样的舂实条件下，用圆形砂配制的型砂，抗拉试样的重量比用多角形砂者高21%。因而我们认为：用多角形砂配制的型砂流动性不好，难以舂实，导致粘结桥数量大幅度减少，可能是其抗拉强度低的主要原因。（2）抗压强度的比较用多角形砂配制的树脂自硬砂，抗拉强度虽然比用圆形砂配制的低得多，而抗压强度却未必如此。试样受到压应力时，最后是由试样截面剪切滑动而破断的。在这种条件下，粘结桥的作用就不那么突出，而多角形砂粒之间的镶嵌作用却可以阻碍砂粒之间的相对滑动，会有助于提高型砂的抗压强度。为了证实这种设想，进行了另一组试验。试验用的原砂，还是圆形的通辽砂和多角形的湖南砂，为便于比较，全部用停留在50号筛上的单筛砂。树脂是酸硬化的甲阶酚醛树脂，加入量1.5%。硬化剂为甲苯磺酸。试验结果列于表5。表5不同粒形原砂的抗压试验对比原砂制样时舂击次数@50X50试样重量（%）型砂的抗压强度（MPa）环境条件产地粒形温度（C）湿度（%）湖南多角形31405.5511.532通辽圆形31605.1511.532湖南多角形31405.871228通辽圆形适当加压1403.761228湖南多角形多次15510.11228试验中，制备950X50标准试样时，先按标准方法，用制样机舂击3次。此时，用多角形原砂者，试样重140g，抗压强度平均为5.55MPa；用圆形原砂者，试样重160g，紧实度较前者高14%，而抗压强度反而略低于前者，平均值仅为5.15MPa。由此可见，多角形砂粒的镶嵌作用对型砂抗压强度影响之大。为了比较两者在紧实度相同条件下的抗压强度，对于用多角形砂配制的型砂，曾在制备试样时增加舂击次数，希望使试样重量达到160g，但未获成功。即使舂击50次也未能将160g型砂在试样筒中紧实到高度为50mm。经多次舂击制得的、重155g的试样，抗压强度大幅度提高，远高于重160g的圆形试样。另一批试验也是想要使圆形砂试样与多角形砂试样的重量相等，然后比较它们的强度。称取用圆形砂配制的砂样140g，置试样筒中，不用制样机舂击，只用制样机的压头适当加压，使试样高度为50mm。试验结果表明：用重量相同的试样测试，用多角形原砂者，抗压强度比用圆形原砂者高40%以上。由此看来，用多角形原砂配制的型砂抗压强度较高也是不争的事实。考虑到金属液充满铸型以后，型砂所承受的应力主要是压应力。可以认为：在某些特定的情况下，如工艺方面的措施得当，采用多角形原砂可能比采用圆形原砂更为有利。在采用多角形原砂配制树脂自硬砂时，要特别注意以下两点：不能过分要求型砂的抗拉强度而致树脂加入量太高；要特别注意在造型、制芯过程中加强舂实。2、砂粒的表面性状这里所说的表面性状，包括砂粒的表面特征和表面的微观污染。用粘土作粘结剂时，因粘结剂的用量很大，掩盖了这些因素对型砂性能的影响，以至让人难以察觉。用树脂之类的小剂量粘结剂时，这些因素的影响开始显现，并引起了行业同仁的关注。(1)砂粒的表面特征天然硅砂的表面状况决定于砂粒的形成过程。岩石因风化或其他原因碎裂成具有尖角的细砂粒后，长时间在水力或风力作用下运动而互相摩擦，尖角处易于磨掉，甚至可以磨成圆粒形，而表面的磨损则较少，仍残留有碎裂时的痕迹，并不像我们想象的那样光滑。我国通辽的大林硅砂，以粒形圆整而著称，是典型的圆形砂。用目视或用低倍体视显微镜观察大林砂，得到的印象是表面光滑。但是，如用扫描电子显微镜在高放大倍率下观察，则可见砂粒表面布满裂隙、叶脉状纹理和小凹坑，与平常所见的大卵石极为相似，如图9所示。图9大林硅砂的扫描电镜照片以品位高、粒形圆整著称于世界的美国Ottawa硅砂，表面特征基本上也与大林硅砂相同。树脂自硬砂中，树脂用量平均约为1%,填充这些纹理、凹陷所耗用的树脂在树脂总量中所占的份额就不能忽视。比较表面特征不同的原砂的粘结性能时，往往可见到明显的差异。但是，到目前为止，还不能定量地评定表面特征的影响，这方面还有待进一步的探讨。使用再生砂时，树脂加入量可以比全部用新砂时少，可能与表面凹陷已被树脂膜填补有关。（2）砂粒表面的微观污染天然硅砂，因其表面长期暴露，不可能不被其他物质污染。用光学体视显微镜很难察觉这种表面污染的存在。在电子显微镜下观察可见：即使高品位的原砂，砂粒所有的表面上都覆盖着一层污染包膜。污染包膜中主要是粘土类矿物，也有少量其他矿物。除污染包膜外，还有一些片状、杆状矿物颗粒粘附在砂粒表面，凹陷处粘附的颗粒更多。予天然硅砂以水洗处理，只能除去一些颗粒状污染物和部分粘土矿物膜。使砂粒在风力作用下互相摩擦，效果较水洗好，但也不能将污染全部脱除，处理后，仍有不少矿物颗粒散乱分布在砂粒表面，凹陷处更多。看来，无论采用何种处理方式，都不能完全脱除砂粒表面上的污染物。污染物可能以两种方式影响型砂的粘结：削弱粘结剂对砂粒表面的附着；可能与型砂中的某些加入剂作用，从而影响型砂的粘结。华中理工大学在研究呋喃树脂砂吹SO2硬化工艺时就曾发现:过氧化氢在天然硅砂中分解极为迅速，导致树脂砂过早失效。在由破碎石英岩制得的人造砂中，过氧化氢的分解则显著减缓。经分析研究，认为是过氧化氢与天然硅砂表面的污染物作用所致。通过对天然硅砂进行表面净化、钝化处理，即显著减缓了过氧化氢的分解过程。总之，在科学技术不断进步的今天，原砂表面性状的影响将愈来愈受到重视，在这方面的研究工作还只是刚刚开始，深入的研究还有待大家的努力。五、生产工艺中的控制要点采用树脂自硬砂，如控制得当，可以生产优质的铸件，得到很好的效益，如控制不当，则可能引发多种问题。在生产条件下，对以下工艺条件应予以足够的重视。1、温度控制这里所说的温度，原则上应包括车间环境温度、砂温和模具的温度。在目前大多数生产现场都难以实现控制环境温度的条件下，控制原砂和再生砂的温度尤其显得重要。砂温不仅影响树脂硬化反应的速率，而且也影响树脂在砂粒表面上分布的情形。自硬砂是在不加热的条件下硬化的。在硬化剂的品种和加入量不变的条件下，树脂发生交联反应的速率决定于温度。大体上，砂温升高8°C，则硬化速率提高一倍；砂温降低8°C，则硬化所需的时间增加一倍。最适宜的砂温是25〜30C，在此条件下，硬化剂的用量可以较低，型砂的流动性很好，铸型和芯子都易于舂实。树脂砂的紧实度提高，其强度随之提高，可避免铸型开裂、掉砂等缺陷，对改善铸件的表面质量大有裨益。特别是对于球墨铸铁件，铸型的紧实度高，可使石墨化膨胀时型壁运动减少，不仅可以提高铸件表面质量，而且还可减少或消除铸件内部缩孔、缩松之类的缺陷。在生产条件下，将砂温控制在20〜35C也是可行的。可通过稍稍调整硬化剂用量，以保持脱模时间不变。砂温超过40C，则硬化太快，在舂实铸型时树脂即已开始发生交联反应，填砂、舂实过程中，部分树脂已产生的连接链被破碎，这些树脂即失去粘结能力，导致铸型或芯子表面脆化，铸件上容易产生冲砂、粘砂及脉状劈缝等缺陷。砂温太低，则型砂硬化缓慢，脱模时间延长，影响生产节拍。采用强硬化剂或过量加入硬化剂都会树脂砂的强度显著降低。控制模具，特别是金属模具，的温度也非常重要。如果模具的温度太低，即使砂温适当，贴近模具的型砂也难以硬化，导致脱模困难，影响铸件的尺寸精度和表面质量。美国有些铸造厂，冬天在生产线上用红外线灯加热模具。这种加热方式虽然方便，但对于有较深凹陷的模具效果不好，凸起的部分则容易过热。也有的铸造厂用热风吹向模具，这种方式能均匀地加热模具的高处、凹陷部分和垂直壁，效果不错。2、 铸型的紧实度树脂自硬砂的流动性比粘土砂好得多，舂实铸型所需的能量远低于粘土砂，易于充填铸型，而且，由于树脂的粘结强度高，即使不舂实，脱模后也会给人以坚硬的假象。因此，很多人在采用树脂自硬砂工艺时为这种假象所蒙蔽，既不用震实台，也不重视舂实，或用脚踩一踩，或用铁锹拍一拍，敷衍了事。这种极不规范的操作方法，已经成为我国铸造行业中的通病，是造成铸