潮模砂系统需要平衡粘土和水的比例，保持比例一致将有助于减少许多常见的缺陷。水是潮模砂不可或缺的物质，可以激活粘土，使砂粒包裹在一起。早期的研究将水分为基础水和蒸发水。最近的研究进一步将基础水分为调质水和游离水。使用热重分析（TGA）研究砂混合物中水的性能。结果证实了预测，但无法用数字测量游离水和调质水的比例。虽然缺乏可量化的方法，但精确的水控制、有效的搅拌、砂冷却和提前加水可以优化粘土活性并减少游离水。
早期的水的分类
膨润土是一种与型砂和水一起搅拌制成潮模砂砂型的干粉。水可以使包裹在砂粒上的粘土具有塑性，并将它们粘结在一起。水也可以冷却高温下的型砂。优化潮模砂性能比仅仅最大限度提高型砂强度、透气性和紧实率更为复杂。取得适当的粘土和水的比例对于达到所需的性能和降低废品率至关重要。
潮模砂中其他如细粉、煤粉和（计划和非计划的）辅料等材料会吸水。由于不清楚这些材料的量以及浇注重量、砂铁比和造型机等因素的变化，就无法提供一个适用于每个铸造厂的通用目标值、比例或配方。早期的研究将潮模砂系统的水分为基础水和蒸发水。后者指在激活粘土之前为冷却型砂而加入的水。所需的蒸发水量随着温度的升高或空气的干燥而增加。其余的水被视为基础水。铸造厂用不同的公式和系数来计算所需的蒸发水，有些铸造厂可以计算出超过110°F后每一度所需的水量，随着型砂温度的升高，每一度所需要的水量也会增加。目前，铸造厂利用温度控制紧实率（TCC）功能来测量温度并添加合适的蒸发水。定期评估TCC值的性能并按需调整十分重要。
最近更多的研究进一步将基础水分为调质水和游离水。前者指保留在粘土片晶中的水，而后者指没有粘在粘土中的水，不确定的水，即会导致渗透和表面缺陷、浇注时会产生蒸汽及尺寸不稳定等问题。目前还未出现一种公认的方法来计算和区分游离水和调质水。
1989年，R. Heine发表了一份有关潮模砂的价值图（见图1，添加了彩色线条）。该图表说明了多个型砂参数与湿压强度（GCS）之间的关系。为了达到40 GCS（黄线），所需的含水量根据添加的粘土量而变化，粘土含量越多，水就需要更多。检查三种粘土百分比：5%（绿色），7%（橙色）和12%（蓝色），显而易见，含水量与达到40 GCS之间的关系是非线性的。在5%的粘土百分比中，需要约1.8%的水分，而7%和12%的粘土百分比各需要约3%和4.5%多的水分。
另一项研究涉及紧实率与湿压强度的关系图，通过继续加水确定最佳湿压强度所需要的含水量。尽管额外的水分可以提高湿压强度，但有一个峰值，超过峰值后会削弱其效果并降低湿压强度。
热重分析（TGA）研究
最近，有家铸造厂供应商用TGA测试砂混合物，将样品放在坩埚中，并在可控的温度中受热，持续监测样品的质量。这项研究评估了水蒸发的速率（假设所有质量损失都是因为水蒸发造成的）。窄峰表示重量变化很快。理论上，游离水蒸发得更快，因为没有粘土“吸住”水。
样品包括砂和水（无粘土）、水多粘土少的混制砂和水少粘土多的混制砂。理论上讲，不含粘土的样品将是100%的游离水，因为没有粘土“吸住”调质水。水少粘土多的混制砂中，调质水应多于游离水，因为大部分水会保留在粘土片晶中。水多粘土少的混制砂为游离水创造了一个环境，因为没有足够的粘土片晶吸住水分。
图表和预期一致。只有砂和水的样品显示出一条直接的“峰值”线，表明所有的水都是“游离水”，并容易释放。水多粘土少的样品（用红色虚线表示）显示出一个初始的实质性峰值，随后是一个较小的峰值，这表明游离水的初始释放，随后调质水从粘土片晶中释放。相反，水少粘土多的样品显示出延迟的和更高的峰值，表明水的释放较慢。
尽管这些图表证实了预测，但量化“游离水”和“调质水”的比列仍然是一个挑战，目前定期使用TGA设备测试潮模砂样品是不可行的，也很难确保TGA所需的小尺寸的均匀试样。
最佳实践和建议
虽然缺乏对游离水和调质水含量的精确测量方法，但既定惯例进一步激活了粘土片晶，而非保留游离水。精确控制含水量，包括准确测量水分和控制加水量至关重要，仅添加必要的量就可以激活粘土。
有效的搅拌对激活粘土至关重要，因此需要对搅拌犁、碾轮和其他设备进行适当的维护。碾轮设置要正确，并与混砂机筒壁/底板保持一定的距离，碾轮将砂子压在筒壁/底板上。犁用来移动砂子，将砂子沿碾轮的方向进行搅拌。犁和碾轮磨损时应更换。混砂机用来压缩和剪切型砂以提供能量激活粘土。重要的是，铸造厂不能将混砂周期缩短于制造商的建议值。若混砂周期过短，就没有足够的时间将水混制到粘土片晶中。
预加水有助于减少游离水并提高调质水的含量。此外，砂冷却器不仅有助于预加水，而且由于减少了对蒸发水的需求，变数也变得最小化，从而有助于实现可控和一致的工艺。预加水与冷却器和型砂的反向混合相结合，可以实现最佳的活性粘土。许多铸造厂将潮模砂性能视为含水量的比例，以寻找可能导致混砂效果不佳的变化。
将潮模砂中的水进行分类和量化对于优化潮模砂造型以及实现一致和高质量的砂型尤为重要。TGA研究提供了宝贵的见解，但挑战仍然存在。
来源：Simpson Technologies Corporation
编辑：于浩
校对：刘冬梅
审核：曲学良
作者：Michelle Ring
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