型砂混砂及性能测试

型砂混砂及性能测试

一、实验内容

1.型砂混制工艺

（1）确定型砂配方：新砂、粘土、水分的比例。

（2）选择新砂和粘土：确定新砂的产地、粘土的产地和类型。

（3）确定混制工艺：先干混，还是先湿混，混砂时间。

2.制取型砂标准试样

3.型砂紧实率实验

4.型砂的透气性实验

5.型砂的湿压强度实验。

6.型砂热湿拉强度实验

以上试验结果填入表9.1。

表9.1 不同型砂的性能

混制工艺

型砂配方透气性湿压强度紧实率热湿拉强度

二、实验目的及要求

1.掌握型砂的配置与混制工艺，并了解不同工艺对型砂性能的影响。

2.了解型砂制样机的工作原理，掌握制样方法。

3.了解型砂透气性测定仪工作原理，掌握测定型砂透气性的步骤。

4.了解型砂湿压强度试验机工作原理，掌握型砂湿压强度测试方法。

5.掌握型砂紧实率的测定方法。

6.了解型砂热湿拉强度测试仪的结构、工作原理和使用方法，掌握型砂热湿拉强度的测定方法。

三、实验条件及要求

实验设备：S HN试验混砂机、SYC锤击式制样机、STZ直读式透气性测定仪、SQY液压强度试验机、型砂投入器、SQR热湿拉强度仪、天平、台秤原材料：原砂、粘土

辅助器材：盛砂盘、量杯、CO2气瓶、毛刷、钢板尺等

辅助材料：水、塑料袋等。

四、实验相关知识点

（一）粘土湿型砂的性能

高质量型砂应当具有为铸造出高质量铸件所必备的各种性能。生产中常用的混砂机有碾轮式、摆轮式、叶片式等。有些大量生产的铸造工厂使用的双碾盘碾轮式混砂机，是一种高生产率的连续式混砂机。常用的加料顺序是先将回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混匀，再加水混至要求的水分。对湿型砂而言，混砂时严格控制加水量是必要的。

直接影响铸件质量和造型工艺的湿型性能有水分、透气性、强度、紧实率、变形量、破碎指数、流动性、含泥量、有效粘土含量、颗粒组成、缅化物、砂温、发气性、有效煤粉含量、灼烧减量、抗夹砂性、抗粘砂性等。

1.水分、最适宜湿程度和紧实率

为了得到所需要的湿态强度和韧性，粘土砂必须含有适量水分，太干或太湿均不适于造型，也难铸造出合格铸件。因此，型砂的干湿程度必须保持在一个适宜的范围内。判断型砂干湿程度有以下几种方法：

（l）水分也叫含水量或湿度。它是表示型砂中所含水分的质量百分数，这是一般工厂中确定型砂干湿程度最常用的传统方法。测定的原理是称取定量的型砂，放入105～110℃烘干装置中使之干燥，由烘干前后的质量差异计算出型砂的水分。

（2）手捏感觉。有实际操作的混砂或造型工人常根据用手捏型砂时砂是否容易成团和是否沾手来判断型砂的干湿程度，还根据捏紧动作中砂是否柔软和变形情况来判断型砂的可塑性；根据手指掐碎砂团时用力大小来判断型砂的强度是否合适。

（3）紧实率是指湿型砂用 1MPa的压力压实或者在鼓击式制作机上打击三次，其试样体积在紧实前后的变化百分率，用试样紧实前后高度变化的百分数来表示，见图9.1，即紧实率=［（筒高一紧实距离）筒高］×100%。

手工和机器造型用型砂最适干湿状态下的紧实率接近50％；高压造型和气冲造型时为35～45％；挤压造型时为35～40％；不管型砂中有效膨润上、煤粉和灰分的含量有多少，只要将紧实率控制在上述范围内，手捏感觉的干湿程度就处于最适宜状态。这时型砂的水分可称为最适宜水分。

图9.1 紧实率测定法示意图

a)填满型砂b)刮去多余型砂c)紧实

2透气性

紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力称为透气性。透气性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘结剂种类、加入量和混砂时粘结剂在砂粒上的分布状况以及型砂紧实度的影响。对于湿型的单一砂和面砂而言，透气性不但要有下限，而且必须严格规定其上限。图9.2为透气性测定仪原理图，它是测出气钟内的空气在压力下通过试样的时间来计算透气性。

图9.2透气性测定仪示意图

1 一气钟2一木简3一三通阀4一试样座5一试样筒

6一标准试样7一微压表8一阻流孔

3.湿态强度

型砂必须具备一定的强度以承受各种外力的作用。型砂的强度用型砂标准试样在外力作用下遭到破坏时的应力值来表示。常用计量单位为兆帕(MPa)或千帕(kPa)。湿型铸造时，往往主要检查型砂石的湿态抗压强度，有的也测湿态抗剪

强度和湿态抗拉强度。对普通机器造型用湿型砂，通常控制湿压强度为

0.06~0.12MPa 之间，高密度造型用湿型砂，湿压强度常控制在.09~0.20MPa 。

4.抗夹砂、结疤类缺陷的能力

控制这些缺陷的主要方法是控制热湿拉强度。热湿拉强度是指模拟湿型在熔融金属液的高温作用下，发生水分迁移，在砂型内表层水分凝聚区的强度。在热湿拉强度试验仪的专用样筒中制好试样，并将样筒置于热湿拉强度仪上。使已经加热到320±10℃的加热板紧贴试样20s 后，加载直到试样断裂，从记录仪上读取测试数值。

（二）型砂性能测试设备工作原理

1.SYC 锤击式制样机

(1)工作原理

SYC 锤击式制样机简图见图9.3。该机制取的标准试样尺寸为Ф50×50mm ，是对砂样施加1kgf ·m 的功完成的。

重锤2的质量为6666g ，重锤只有下落高度

图9.3 SYC 锤击式制样机

为50mm ，通过旋转小凸轮3使重锤下落冲击砂样

三次．重锤对砂样所作的功为：

W =F ·S =6.666×0.05×3=1kgf ·m 。

(2)SYC 制样机的使用

（1）转动大凸轮7，使冲头4提高并固定。

（2）取适量砂样倒入尺寸为Ф50×50mm

的样筒中，砂样在样筒中要均匀。然后将样筒连

同样筒座一起放在制样机座上。

（3）缓慢放下大凸轮7，使冲头4轻轻压入

试样筒内，然后将试样筒旋转半圆。

（4）顺时针转动小凸轮3，使试样受三次冲

击。这时，冲杆上的红线应在准牌5的缺口内，因为这时试样高度恰好满足高度50mm 。否则更换砂样重做。

（5）转动大凸轮7，提高冲头4，卸下试样筒。

（6）将制好的标准试样在天平上称量，以后按此标准重量继续制备。

2.STZ 直读式透气性测定仪

型砂允许气体通过自身的能力称为型砂的透气性。透气性试样必须是采取标准制样机制取的标准工艺试样（Ф50±0.2×50±0.1mm ）。STZ 直读式透气性测定仪的简图见图9.4。

(1)测定原理

由流体力学可知，通过试样的空气量Q (cm 3)与通气时间t (min)、试样截面积A (mm 2)以及试样两端的气压差P (cmH 2O)成正比。其比例关系为：

式中，K －为比例系数，代表透气性；H －为试样高度，这里H =50mm 。

t ·P ·A H

Q =K 可见， 故K 可定义为：在1gf/cm 2的压力下，每分钟通过面积为1cm 2、高度为1cm 的试样的气体量(cm 3)。虽然K 有量纲，但一般把它作为无量纲量。

t ·P ·A

Q ·H K =

图9.4 STZ 直读式透气性测定仪的简图

(2)测定步骤

1）标准测定法

①打开阀帽6，取出阻流孔等附件。

②调节调平脚14，使仪器处于水平位置。

③向水筒4内注入1%～2%的重铬酸钾水溶液，使钟罩3上的“0”刻度线正对水筒4上沿。

④把旋钮9转向“吸、放气”位置，提起钟罩3，然后将旋钮9转向“关”

的位置。这时，钟罩内已经充满2000cm3的空气。

⑤将制好的标准试样连同试样筒一起放在试样座8上，并封闭好。

⑥将旋钮9转到“工作”位置，此时钟罩内的气体在钟罩自重的作用下，施于气体10g/cm2的压力。在此压力下气体将通过试样。记录下2000cm3气体全部通过试样所需要的时间及从微压表11上读出的压力值。

⑦将测得的时间和压力值带入公式计算出透气性K。

2）快速测定法

与标准法不同，在试样座8上，附加一阻流小孔，孔的大小有?1.5mm和?0.5mm两种，当透气性小于50时用小孔。

阻流小孔也与试样一样对气体的通过其阻流作用。测定时，以微压表11上读出的压力值代表到达试样前的气体压力，压力大小与阻流孔和试样对气体通过的阻力大小有关。当阻流孔的尺寸一定时，其压力只随试样对气体通过的阻力大小而变化，即只随透气性而变化。压力越低，说明透气性越好。依次与标准法对照，通过大量实验，得出压力和透气性的换算关系，并将此关系以透气性的数值直接刻在微压表11的相应位置。测定时，可直接从微压表11上读出透气性，而不必等2000cm3的空气全部通过试样。

快速法的测定步骤与标准法基本相同，只要注意阻流孔的正确使用。

3.测定型砂的湿压强度

型砂的湿压强度是指型砂单位面积上所能承受的最大压力。试样必须是采取标准制样机制取的标准工艺试样（Ф50±0.2×50±0.1mm）。

(1)SQY液压强度试验机工作原理

SQY液压强度试验机简图见图9.5。该机为水平放置的液压机，油缸内注入30#汽轮机油。

图9.5 SQY液压强度试验机简图

转动手轮7使机内的活塞推进产生压力，通过油缸前部的工作活塞4，将压力传给试样，同时机内另一油路将一定的压力分量传给压力表6，驱使指针转动。当试样破坏时，压力表上红针所示即为该试样的抗压值。

(2)使用

1）将抗压夹具安装在试验机上。

2）把制好的标准试样放到夹具中间

3）缓慢转动手轮，使压力逐渐加到试样上，直到试样破坏为止。此时在压力表上读出抗压强度值。

4.测定型砂的紧实率

(1)测定原理

型砂紧实前，后体积减少的百分数，即为型砂的紧实率。必须按标准制样机制取标准试样的方法进行。做紧实率的型砂必须通过6目的筛子。实验前砂样完全松散。紧实率的计算公式为：

紧实前砂样高度-紧实后砂样高度

紧实率（%）=×100%

紧实前砂样高度

(2)测试方法

1）将试样筒连同底座一起放到投入器的下方（投入器简图见图4）。

2）将待测型砂过6目筛后，将其自由下落到试样筒内。

3）沿试样筒顶面轻轻刮去多余型砂。

4）在SYC锤击式制样机上冲击三次，冲杆红刻度线在机上标尺的位置即为紧实率。

5.SQR热湿拉强度仪

(1)主要结构原理

SQR热湿拉强度仪的主要结构机见图9.6，结构原理见图9.7。

1）电加热器采用镍铬-考铜热电偶测量加热温度并在温控仪上指示。

2）测力传感器有弹性梁和电阻应变片组成，并采用全桥式电路进行测量，当垂直拉应力作用于弹性梁上时，电阻应变片便随弹性梁一起变形而改变其电

阻，使应变电桥上产生一个与正拉应力成正比变化的电压信号，输送到记录仪进行记录。

3）自动平衡记录仪将由测力传感器输送来的被测直流毫伏信号与表内测量桥路所产生的毫伏信号进行比较，其差值经放大后，驱动伺服-测速机组转动。机组的转动带动了测量桥路中滑线电阻上滑动触点的移动，其位移改变了测量桥路的桥臂分配关系。从而使测量桥路所产生的信号有相应的变化。当此信号与被测量信号相等时，放大器的输入信号为零，，驱动伺服-测速机组停止转动。此时，其滑动触点连动的指针和记录笔便指示和记录被测参数。

图9.7 SQR 热湿拉强度仪的主要结构机

1-加热板上升按钮，2-加热板上升停止按钮，3-加热板下降按钮，4-加热板下降停止按钮，5-加载按钮，6-加载停止按钮，7-复位按钮，8-复位停

止按钮，9-变换量程开关，10-桥压微调按钮，11-加热

板上升指示灯，12-加热板下降指示灯，13-加载指示

灯，14-复位指示灯，15-总电源开按钮，16-总电源关

按钮，17-手动按钮，18-自动按钮，19-电热板加热开

按钮，20-电热板加热关按钮，21-总电源指示灯

4）温控仪的测量机构是一个磁电系的表头，可动线圈在磁钢在磁钢形成的磁场中，由热电偶送来的信号使可动线圈有电流通过，此载流线圈在磁场的作用下转动。可动线圈由张丝支撑，张丝的扭转反力矩与可动线圈的转动力矩相平衡，此时可动线圈的位置和信号大小相对应。由于面板上的标尺是温度刻度，于是可动线圈上的指针便指示出相应的温度值。

(4)测试方法

1）把量程开关9置于50处，按下总电源按钮15，再按下自动程序按钮18，最后按下电加热器的加热按钮19。当加热温度达到320℃时，待用。

2）制备标准工艺试样，为了便于比较，统一采用标准制样法制取Φ50×50mm 的标准试样。

3）把标准试样放入试样筒内。

4）抽出挡热板，将试样筒34放于平台导轨37上，并推至导轨终端。

5）按下加热板上升按钮1，同时拨动记录仪内走纸开关至“通”处，此时即可按式样加热、加载测力、自动记录、自动复位等程序自动进行。记录仪内表针所示的最大值即为该试样最大热湿拉强度值的2倍。

6）取出试样筒，将热挡板插入导轨内，并进行清理，即可进行下一次测试。

五、实验实施步骤

1 全班分成3～4组，每组设计一个配方和工艺。每人要记清自己试验数据。

2混制型砂

(1)按配方称量好需要的新砂、粘土和水。

(2)按制定的工艺把物料倒入混砂机内，并混制。

(3)混制好后，把型砂放入塑料袋内，备用。

3.测量型砂的紧实率。

4.制备透气性试样。

5.测量型砂的透气性。

6.测量型砂的湿压强度。

7.测量型砂的热湿拉强度。

8.每个同学必须抄下全班硬度数据，以便独立进行分析。

六、思考问题

1.型砂透气性与紧实率之间有什么关系？

2.混砂时间对型砂质量有何影响？

七、实验成绩评定办法

本实验为设计性实验。主要评分点如下：

1.能够熟练掌握课程所学知识，对热处理原理和工艺能够很好地表述。

2.能够在教师指导下，设计出实验工艺方案。

3.能够积极进行实验操作，并记录下实验数据。

4.能够提出自己的见解，并与教师积极探讨。

5.写好实验报告，报告中对实验结果进行独立分析，并对问题进行解答。