鑄造用云溪環(huán)保濕型砂的應(yīng)用研究

朱世根陶李洋駱祎嵐胡菊英

（1.東華大學機械工程學院，紡織裝備教育部工程研究中心，上海松江201620；2.義烏云溪新材料科技有限公司，浙江義烏322000）

鑄造用云溪環(huán)保濕型砂的應(yīng)用研究

朱世根1，陶李洋1，駱祎嵐1，胡菊英2

（1.東華大學機械工程學院，紡織裝備教育部工程研究中心，上海松江201620；2.義烏云溪新材料科技有限公司，浙江義烏322000）

造型材料對鑄造生產(chǎn)起關(guān)鍵性的作用。本文介紹了鑄造用煤粉粘土砂的基本現(xiàn)狀和優(yōu)缺點，認為這種鑄造工藝雖具有材料成本低、防粘砂效果好、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點，但給環(huán)境帶來嚴重黑色污染，不能適應(yīng)鑄造工業(yè)科學發(fā)展的需要和當前生態(tài)文明建設(shè)的要求。介紹了云溪環(huán)保濕型砂在鑄件生產(chǎn)中的應(yīng)用及其鑄造性能特點，認為它是一種資源節(jié)約型、環(huán)境保護型的鑄造用綠色造型材料。

云溪濕型砂；環(huán)保；生態(tài)；應(yīng)用；鑄造性能

在鑄造生產(chǎn)中，型砂是影響鑄件質(zhì)量包括表面質(zhì)量和內(nèi)在質(zhì)量的主要因素。目前，用砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件占總鑄件的80%.砂型鑄造的造型材料在鑄造生產(chǎn)中占有重要的地位，其直接影響鑄件的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本。鑄件生產(chǎn)成本的70%左右、鑄件質(zhì)量問題的50%以上，都與造型材料有關(guān)[1-4]。目前國內(nèi)外廣泛使用的煤粉黏土砂，具有材料成本低、防粘砂效果較好、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點，但消耗量大、黑色污染嚴重、在鑄造過程中煤粉燃燒分解會產(chǎn)生大量有害氣體。利用煤粉黏土砂生產(chǎn)鑄件，每噸鑄件需消耗0.8 t～1 t左右型砂，全國每年要廢棄大量舊砂，同時消耗數(shù)以千萬噸計的新砂，尤其是鑄鐵件鑄造用的煤粉黏土舊砂，給環(huán)境帶來嚴重黑色污染，不適應(yīng)鑄造工業(yè)科學發(fā)展的需要，不適應(yīng)當前降耗減排的環(huán)境保護政策，不符合國家生態(tài)文明建設(shè)的要求。由此可見，造型材料對鑄造生產(chǎn)的污染控制和節(jié)能減排起關(guān)鍵性的作用，探索研發(fā)資源節(jié)約型綠色造型材料、實現(xiàn)環(huán)境保護型鑄造生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 鑄鐵件鑄造用黏土砂的基本現(xiàn)狀

鑄鐵件鑄造用濕型砂一般由原砂、陶土和煤粉等附加物組成，其中，原砂是保證造型材料具有各種性能的骨干材料。

目前鑄造生產(chǎn)中制造砂型和砂芯的原砂，一般是以石英顆粒為主的石英質(zhì)砂。礦物組成主要是石英，其次是黏土、長石和云母，此外，還有鐵的氧化物等。人們在長期的鑄造生產(chǎn)實踐中形成共識：石英砂中除了石英以外，其它的成分都是有害雜質(zhì)[6]。石英的含量應(yīng)該不低于90%，其他成分應(yīng)嚴格加以限制。基于這樣的認識，在黏土砂鑄造工藝方面，國內(nèi)鑄造工廠普遍使用以海岸砂和沙漠砂為骨干、以黏土為黏結(jié)劑、再加入煤粉等附加物等組成的黏土砂。

黏土是人類早就熟悉的天然物料，在自然界分布很廣，儲量豐富，是型砂的主要黏結(jié)劑。黏土的主要組成是顆粒極為細小的黏土礦物，被水潤濕后具有良好的可塑性和粘結(jié)性，烘干后硬結(jié)。只要承受的溫度不很高，再遇水后可恢復原來的性能[6]。造型制芯所用的黏土歷史悠久、應(yīng)用廣泛，其應(yīng)用歷史可以追溯到幾千年以前。黏土濕型砂之所以經(jīng)久不衰，在鑄造生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用，是因為它具有許多優(yōu)點，如：（1）黏土濕型砂具有優(yōu)異的強度性能和一定的可塑性；（2）黏土是天然產(chǎn)物，成本低廉，資源豐富，黏土的成本要比樹脂低得多；（3）對原砂具有良好的適應(yīng)性；（4）適用于鑄鋼件、鑄鐵件以及有色合金鑄件的生產(chǎn)。

然而，黏土砂生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量較差，易產(chǎn)生粘砂和夾砂、結(jié)疤等缺陷，尤其是厚壁件，粘砂就更嚴重。為了避免粘砂和夾砂類缺陷，必須在濕型砂中加入一定量的煤粉。煤粉之所以具有防粘砂、抗夾砂的能力，是由于煤粉中的揮發(fā)分能在高溫下熱解成一層閃亮的碳膜光亮碳涂覆在鑄型-金屬界面上，對金屬起到物理的屏障作用，同時它也不被鐵水潤濕，可阻止鐵水的滲入，防止粘砂類缺陷的產(chǎn)生[4]。煤粉的另一個重要性質(zhì)就是它在500℃～600℃發(fā)生軟化結(jié)焦，這種充填在砂?？紫吨g的海綿狀物質(zhì)，可以吸收石英砂在600℃左右發(fā)生的劇烈膨脹，從而減少由于型砂膨脹而產(chǎn)生的結(jié)疤缺陷[4]。但是，煤粉的使用，也導致了以下的缺點[8]：（1）由于煤粉的原料在我國是一種很重要的能源材料，而且用于加工鑄造用煤粉的原料煤必須是優(yōu)質(zhì)煤。隨著能源危機的日益嚴重，如果在濕型砂中繼續(xù)使用煤粉，將面臨著被截流的危險[4]。（2）由于煤粉的光亮碳生成率較低。對于厚壁鑄件，當煤粉加入量不足時，起不到防粘砂作用，而當煤粉加入量過大時，型砂發(fā)氣量過大致使鑄件產(chǎn)生氣孔[1，4]。（3）煤粉在燃燒后將殘留下一些低熔點的灰分殘渣．這些灰分與死黏土一起包覆在砂粒表面。形成“魚卵石化使型砂的耐火度降低。增加了型砂次生機械粘砂的傾向。而且型砂中灰分的大量積累會導致型砂透氣性的下降。煤粉砂在循環(huán)使用時，灰分含量增加很快，需要補加大量的新砂才能保證型砂的其他性能不降低，這又使得鑄件的成本增加[1，4]。（4）由于煤粉是黑色粉狀物，所以在型砂配置加煤粉和輸送及澆注落砂回砂的整個生產(chǎn)過程都是塵埃飛揚，作業(yè)環(huán)境周圍彌漫著煤粉微粒，造成黑色污染；另外，煤粉在澆注時發(fā)出難聞的氣味，冒出大量濃煙。這種煙氣中含有有毒物一氧化碳和致癌物

3，4苯并芘，而且煤粉煙霧的累積物煙炱以及煤粉在缺氧狀態(tài)下燃燒生成的煤焦油也屬于致癌物[1，4]。

近些年，為了減少煤粉黏土砂對環(huán)境的污染，鑄造工作者一直設(shè)法尋找合適的代用品，如淀粉和植物產(chǎn)品、合成樹脂及聚合物、油類、瀝青類、膨潤土和煤粉混合料，以及一些成分不公開的抗粘砂材料。但是，這些煤粉代用品，由于價格昂貴、來源稀少等一些原因，其運用從總體上講比例仍然很小，絕大部分濕型砂鑄造仍然采用煤粉作為添加劑。

進入21世紀，鑄造行業(yè)在自身發(fā)展的同時，開發(fā)無污染少污染、低成本、節(jié)能省材、優(yōu)質(zhì)高效的造型材料和工藝，是鑄造工作者必須高度關(guān)注和急待解決的關(guān)鍵問題。

2 云溪環(huán)保濕型砂在鑄鐵件生產(chǎn)中的應(yīng)用介紹

東華大學開展了云溪環(huán)保濕型砂鑄造新工藝的探索性開發(fā)研究工作。目前，云溪環(huán)保濕型砂已在50余家鑄造企業(yè)應(yīng)用，涉及鑄件200多個品種，其中用該工藝生產(chǎn)的電機類鑄件達15 000多t，圖1為新工藝生產(chǎn)的鑄件。應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，云溪環(huán)保濕型砂鑄造工藝預防粘砂缺陷的機理與目前的在型砂中加入優(yōu)質(zhì)煤粉或在型腔表面涂上一層防粘砂涂料的機理不同，其通過自身在高溫下形成燒結(jié)殼，這層燒結(jié)殼能有效預防粘砂的缺陷，得到表面光潔的鑄件。圖2為新工藝試制的試樣。

圖1 云溪環(huán)保濕型砂工藝生產(chǎn)的鑄件[1]

該工藝具有以下特點：1）型砂的顏色類似于天然黃砂，呈土黃色，而不是黑色。不會造成黑色污染。如圖3所示。2）型砂中不含任何有毒物質(zhì)，澆注時也不產(chǎn)生有毒氣體。3）資源豐富，在我國許多地方可就地取材；4）鑄件不粘砂，表面光潔，清理工作量少；5）生產(chǎn)鑄件尺寸精度提高，鑄件重量降低，鑄件加工余量減少；6）廢砂排放量少。每生產(chǎn)1 t鑄件只排放0.05 t廢砂；7）鑄件工藝出品率高，節(jié)約金屬，同樣數(shù)量的鐵水可多生產(chǎn)鑄件；8）鑄件氣孔減少，內(nèi)在質(zhì)量提高，成品率提高。

圖2 室溫下燒結(jié)殼剝離前后的鑄件試樣

圖3 鑄造廠現(xiàn)場實況

實踐證明，云溪環(huán)保濕型砂鑄造工藝對環(huán)境污染小，生產(chǎn)成本降低，生產(chǎn)效率提高，同時可節(jié)約煤粉能源。

在試制生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，應(yīng)用新工藝可獲得幾乎不粘砂的鑄鐵件，同時，在生產(chǎn)有些鑄件時，可以高溫打箱，提高生產(chǎn)效率。主要原因是在鑄件和鑄型界面處產(chǎn)生了燒結(jié)殼，它在高溫下能牢固地附著在鑄件表面，不至于使鑄件表面冷卻過快；而當鑄件冷卻后，輕輕敲擊就會與鑄件剝離，稍經(jīng)滾筒清砂即可得到表面光潔的鑄件。

3 云溪環(huán)保濕型砂的化學成分和性能

1）云溪環(huán)保濕型砂形態(tài)

普通型云溪環(huán)保濕型砂最初使用的黏結(jié)劑，其礦源如圖4所示。從礦源挖出的砂土經(jīng)過干燥篩分或調(diào)成漿料，再經(jīng)特殊輔助處理后，作為添加劑備用。把原砂與添加劑混合即可獲得云溪環(huán)保濕型砂，如圖5所示。

圖4 黏結(jié)劑礦源

圖5 云溪環(huán)保濕型砂的表觀形態(tài)

2）云溪環(huán)保濕型砂的化學成分

表1為云溪環(huán)保濕型砂的化學成分。

表1 云溪環(huán)保濕型砂的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

3）云溪環(huán)保濕型砂的熱分析曲線

圖6為云溪環(huán)保濕型砂的DTA-TG曲線圖。

圖6 云溪環(huán)保濕型砂的DTA-TG曲線

DTA-TG曲線圖中，DTA曲線出現(xiàn)4個吸熱峰，峰值溫度分別為100℃以前、505℃、573℃、1 205℃；TG曲線在100℃以前略微下降，0～100℃之間，試樣質(zhì)量約減少0.18%；在505℃左右，TG曲線陡然下降，400℃～600℃溫度區(qū)間，試樣質(zhì)量約減少3.3%，之后隨著溫度升高，試樣質(zhì)量基本不變。

由兩幅圖可知，小于100℃時，試樣吸熱放出自由水和吸附水，質(zhì)量減少。隨溫度升高，在500℃左右，高嶺石脫水分解，形成吸熱峰，試樣質(zhì)量減少。在573℃附近，石英發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變，由低溫型α石英轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷匦偷摩率?，試樣質(zhì)量基本不變。溫度繼續(xù)升高，試樣質(zhì)量基本不變，在1 205℃左右，DTA曲線出現(xiàn)吸熱峰，說明試樣出現(xiàn)熔融。

4）云溪環(huán)保濕型砂的的性能

云溪環(huán)保濕型砂的性能見表2.可以看出，云溪環(huán)保濕型砂的濕壓強度可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整，其熱濕拉強度較高，高溫強度高，發(fā)氣量低。

表2 云溪環(huán)保濕型砂的性能

4 結(jié)論

1）利用現(xiàn)行的煤粉黏土砂生產(chǎn)鑄件，給環(huán)境帶來嚴重黑色污染并排出大量有害氣體，不適應(yīng)鑄造工業(yè)科學發(fā)展的需要和當前降耗減排的環(huán)境保護政策，不符合國家生態(tài)文明建設(shè)的要求。探索研發(fā)資源節(jié)約型綠色造型材料、實現(xiàn)環(huán)境保護型鑄造生產(chǎn)，具有重要的現(xiàn)實意義。

2）云溪環(huán)保濕型砂鑄造工藝由于不含煤粉，環(huán)境污染少，可節(jié)約能源。云溪環(huán)保濕型砂黏結(jié)劑資源豐富，在我國許多地方可就地取材；鑄件生產(chǎn)的廢砂排放量少，可高溫打箱，提高生產(chǎn)效率，全員勞動生產(chǎn)率高。

3）云溪環(huán)保濕型砂鑄造工藝可大大改善鑄鐵件的粘砂，稍經(jīng)滾筒清砂即可得到表面光潔的鑄件。主要原因是在鑄件和鑄型界面處產(chǎn)生了燒結(jié)殼，它在高溫下能牢固地附著在鑄件表面，不至于使鑄件表面冷卻過快；而當鑄件冷卻后，輕輕敲擊就會與鑄件剝離。

4）云溪環(huán)保濕型砂除了不含煤粉外，其化學成分與以往資料介紹的天然黏土砂類似。

5）云溪環(huán)保濕型砂的濕壓強度可以在較大范圍內(nèi)調(diào)整，其熱濕拉強度較高，高溫強度高，發(fā)氣量低。

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圖5 沖擊試樣斷口形貌

2）16MnCr5鋼滲碳后，經(jīng)820℃淬火，180℃× 3 h回火，滲碳層組織為回火馬氏體+細小碳化物，心部組織為回火低碳馬氏體+鐵素體（塊狀）。

3）16MnCr5鋼經(jīng)滲碳、淬火回火后表面最高硬度為HV756，表面至心部硬度下降較平緩，這種變化與表面至心部含碳量的變化基本相符，沖擊功Ak為16.8 J，滲碳層斷口為準解理斷口，具有脆性斷裂特征，心部斷口是典型的韌窩狀斷口，屬于韌性斷裂。

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Study on Application of Yunxi Environment Friendly Moulding Sand for Casting

ZHU Shi-gen1，TAO Li-yang1，LUO Yi-lan1，HU Ju-ying2
（1.College of Mechanical Engineering，Engineering Research Center of Advanced Textile Machinery of the Ministry of Education，Donghua University，Shanghai 201620，China；2.Yiwu Yunxi New Material Science and Technology Company，Yiwu，Zhejiang 322000，China）

Molding material plays a key role in casting production.Clay-bonded sand with coal powder is widely used in the casting production，which has the advantages of low material cost，good casting quality and high production efficiency.However，claybonded sand with coal powder has brought serious pollution to the environment，and it can't meet the needs of the scientific development of the foundry industry and the requirements of ecological civilization construction.In this paper，the application of YunXi Environment Friendly Molding sand in casting production is intruduced，the performance of YunXi Environment Friendly Molding sand is studied.The result shows that the working environment in casting production and the casting quality can be improved by using YunXi Molding sand.YunXi Environment Friendly Molding sand is a kind of green molding materials of resource conservation，environmental protection.

green sand，environmental protection，ecological，application，foundry

TG221

A

1674-6694（2015）05-0034-04

10.16666/j.cnki.issn1004-6178.2015.05.011

2015-07-08

朱世根，男，東華大學教授、博士生導師，長期從事鑄造造型材料的研究工作。E-mail：sgzhu@dhu.edu.cn