第三章 造型材料：型砂的组成与性能
各位学员，大家好。我是老张，干铸造这行快三十年了。今天咱们聊聊型砂——说白了，就是铸造用的“土”。但你可别小看这堆“土”，它直接决定了铸件能不能成型、成型后质量好不好。
我记得刚入行那会儿，师傅跟我说过一句话：“型砂是铸件的母亲。”当时不太理解，后来自己带项目才明白——型砂要是没选好、没处理好，后面所有工序都是白搭。今天我就把型砂的底细给你讲透。
3.1 型砂的组成
型砂不是随便挖点土就能用的。它由三大部分组成：原砂、粘结剂、辅助材料。这三样东西，缺一不可。
3.1.1 原砂
原砂是型砂的骨架。说白了，就是砂粒本身。常用的原砂有石英砂、锆英砂、铬铁矿砂等。其中石英砂最便宜、用得最多。
我个人习惯，选原砂时主要看三个指标：
- 粒度：砂粒的大小和分布。太粗了表面粗糙，太细了透气性差。一般用40/70目或50/100目的混合砂。
- 粒形：圆形砂最好，流动性好、紧实度高。尖角形砂虽然便宜，但容易破碎。
- 矿物成分：石英砂的SiO₂含量最好在95%以上。我遇到过一批砂，SiO₂只有88%，结果浇注后型砂烧结严重，铸件表面全是粘砂。
3.1.2 粘结剂
原砂是散的，得靠粘结剂把它们粘在一起。粘结剂分两大类：
- 无机粘结剂：最常见的是粘土（膨润土）。粘土加水后产生粘结力，成本低、环保。我最早做灰铸铁件时，一直用粘土砂。
- 有机粘结剂：比如树脂、水玻璃。树脂砂强度高、尺寸精度好，但气味大、成本高。水玻璃砂适合大型铸钢件。
你想想看，粘结剂加多了，型砂强度是上去了，但退让性变差，铸件容易开裂。加少了呢，砂型一碰就散。这个度，得靠经验慢慢调。
3.1.3 辅助材料
辅助材料就像做菜时的调料。加对了，味道好；加错了，整锅菜都毁了。常见的辅助材料有：
- 煤粉：防止铸件粘砂。高温下煤粉燃烧形成还原性气体，在铸件表面形成隔离层。
- 淀粉：提高型砂的韧性和起模性。我做过一个精密铸件，不加淀粉时起模总掉砂，加了0.5%淀粉后问题解决了。
- 氧化铁粉：提高耐火度，防止金属液渗透。
3.2 对型砂性能的要求
型砂好不好，得看四个核心性能：强度、透气性、耐火度、退让性。这四个性能相互制约，很难同时做到最优。
3.2.1 强度
强度就是型砂抵抗外力破坏的能力。包括湿压强度、干压强度、剪切强度等。强度不够，砂型在搬运、合箱、浇注时容易塌陷或开裂。
但强度也不是越高越好。强度太高，退让性就差了，铸件收缩时容易产生裂纹。我做过一个大型箱体件，型砂强度做到0.15MPa，结果铸件热裂率高达30%。后来降到0.10MPa，热裂问题基本消失。
3.2.2 透气性
浇注时，金属液会加热型砂，产生大量气体。这些气体得排出去，否则就会钻进铸件里形成气孔。透气性就是型砂让气体通过的能力。
影响透气性的因素：砂粒越粗、越圆，透气性越好；粘土和水分越多，透气性越差。我建议透气性控制在80-120（AFS标准单位）比较合适。
3.2.3 耐火度
耐火度是指型砂抵抗高温而不熔化、不烧结的能力。如果耐火度不够，金属液会与型砂发生化学反应，造成粘砂、化学粘砂等缺陷。
石英砂的耐火度一般在1700℃左右，但杂质（如Na₂O、K₂O）会降低耐火度。我遇到过一批砂，杂质含量偏高，浇注高锰钢时直接烧结在铸件表面，清理都清理不掉。后来换了锆英砂才解决。
3.2.4 退让性
退让性是指铸件冷却收缩时，型砂能被压缩而不阻碍铸件自由收缩的能力。退让性差，铸件容易产生热裂或内应力。
我记得有个客户做薄壁铸件，型砂退让性不好，结果铸件全是裂纹。我建议他在型砂里加2%的木粉，木粉高温下烧掉后留下空隙，退让性明显改善。
3.3 型砂的制备与处理
型砂不是配好就能用的。得经过一系列处理，才能达到最佳状态。我把它总结为“三拌两测一调整”。
3.3.1 混砂
混砂就是把原砂、粘结剂、辅助材料和水混合均匀。混砂时间太短，粘结剂分布不均；时间太长，砂粒会被磨碎。
我一般用碾轮式混砂机，混砂时间控制在3-5分钟。先干混1分钟，让砂和粉料混合均匀，再加水湿混2-4分钟。记住：水要分次加，别一次倒进去。
3.3.2 松砂与回性
混好的型砂需要松砂处理，打散结块的砂团。然后堆放一段时间，这叫“回性”。回性时间一般30分钟到2小时，让水分和粘结剂充分渗透到砂粒表面。
我曾经赶工期，混好砂就直接用，结果砂型强度不均匀，废品率飙升。从那以后，我再也不敢省回性这一步了。
3.3.3 性能检测
型砂处理完，必须检测性能。我常用的检测项目：
| 检测项目 | 检测方法 | 典型值 |
|---|---|---|
| 湿压强度 | 万能强度试验机 | 0.08-0.15 MPa |
| 透气性 | 透气性测定仪 | 80-120 |
| 水分 | 烘干法 | 3%-5% |
| 紧实率 | 紧实率测定仪 | 40%-50% |
检测不合格怎么办？别慌。水分高了就加干砂，强度低了就补粘结剂。调整后重新检测，直到合格为止。
3.3.4 旧砂再生
铸造厂每天产生大量旧砂，直接扔掉既浪费又污染环境。旧砂可以再生利用。再生工艺包括：磁选（去除铁屑）、破碎（打散结块）、筛分（去除细粉）、冷却（降温）。
我建议旧砂回用率控制在80%-90%。回用率太高，砂粒会越来越细，性能下降。每次混砂时，加10%-20%的新砂来补充。
3.4 型砂知识体系总览
下面这张图，把型砂的核心内容串起来了。你对照着看，思路会更清晰。
型砂这门学问，说深也深，说浅也浅。关键是多动手、多总结。你按我上面说的去配砂、检测、调整，基本不会出大问题。记住一句话：型砂是铸件的母亲，你对它好，它就对你好。