《砂型和砂芯的制造》PPT课件.ppt

铸造工艺学 编者：王文清、李魁盛 讲授：杨思一 第二篇 砂型和砂芯的制造 重点：型砂水分、透气性、强度； 难点：型砂变形量的测试。 型砂的分类 按粘接剂的类型：粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。 按粘结力产生机理不同：如图2-0-1。 物理固结：不含粘结剂，用物理学原理。例如磁型铸造、 V法造型。 化学粘结：在造型（芯）时依靠粘结剂物理化学作用达到 硬化，建立强度，使砂粒结合牢固。 机械粘结：以粘土作粘结剂。 第1章 湿 型 第1节 湿型铸造特点 1.1 粘土砂类型 （1）按砂型在合箱和浇注时的状态 湿砂型、湿型：不烘干。 湿型使用最广泛、最简便，但是对于大件、厚件不适合 ，容易产生铸造缺陷。 干砂型、干型：合箱前烘干。 干型强度高，气体少，退让性差，成本高，周期长。 表面干型：在浇注前对型腔表层烘干，厚度5-10mm，大 件大于20mm。 （2）按造型时的使用情况 面砂：特殊配制，覆盖在模样表面。 背砂：填充砂箱用。 单一砂：用于中小件，简化生产管理和操作。 1.2 湿型铸造的特点 （1）优点 不需要烘干，简化、灵活、生产周期短。 成本低、生产率高、易于实现机械化。 砂箱寿命长。 （2）缺点 易产生铸造缺陷，如气孔、夹砂、砂眼等。 （3）湿型铸造的发展 砂处理设备：湿型砂检测、质量保证程度提高。 特别适用于机械化铸造，如高压、高密度造型，能生产 高尺寸精度和好的表面质量的铸件，见表2-1-1 。 获得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精度高、内在质量好的 铸件，必须保证型砂质量，从型砂的配方、混制、储运等 方面必须始终保持优良性能。 第2节 湿型砂的性能要求、检测原理及检测方法 对湿型砂的性能要求取决于铸造条件（包括：合金、浇注 温度、模样、造型方法、铸件结构）。 湿型砂的主要性能：水分、透气性、强度、紧实率、变形 量、破碎指数、流动性、含泥量、颗粒组成、发气性、附 加物含量、抗夹砂性、抗粘砂性等。 检测方法 在线检测：偏重造型性能，如紧实率、水分、抗压强度等 ，可及时反映现场砂处理情况，适用于流水线。 线外检测：在实验室中检测，周期长、效率低，不能实时 控制，适用于手工造型、单件小批生产。 2.1 水分、最适宜干湿程度和紧实率 （1）水分 表示型砂中所含水的质量百分数。 测定原理：称取50g型砂，在红外线烘干器中烘干， 105- 110，4-8min烘至恒重，称量烘干前后的质量变化。 X=（G-G1）/G100% 局限性：只表达水的绝对数量，不代表型砂的干湿程度。 如砂中含有大量的吸水性粉尘、型砂成分不同，最适宜干 湿程度的水分不同。 （2） 手捏感觉 型砂是否容易成团、是否沾手。 易于成团，不沾手，且有柔和感觉，砂团上的手指痕迹 清晰。 局限性：凭经验、不够准确稳定，不能定量，欠科学。 （3）紧实率 方法：如图2-1-1，用1MPa的压力紧实，测量紧实前后高 度的变化率。已列入国家标准GB2684-81。 紧实率=（筒高-紧实距离）/筒高100% 依据：较干的型砂自由流入试样筒时，砂粒堆得比较密实 。在相同的紧实力作用下，型砂体积减小较少，紧实率高 。这种砂发脆、韧性差，起模容易损坏，砂型转角处容易 破碎，铸件容易产生冲砂、砂眼缺陷；而较湿的型砂流动 性差，未被紧实前砂粒堆积疏松，紧实后体积减少较多， 紧实率低。使用这种砂浇注时急速产生大量气体，铸件可 能产生气孔、胀砂、夹砂、表面粗糙。 因此，根据紧实率大小的变化，就可以检查出型砂水分是 否合适，克服了主观因素。 应用：加水量根据紧实率范围控制，称为最适宜水分。如 ：手工造型用型砂，在最适宜干湿状态下的紧实率接近 50%，高压造型为35-45%，挤压造型为35-40%。 2.2 透气性 （1）概念：紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力，用透 气率表示。 对铸造的影响：过低会产生气孔、呛火、浇不足；过高 表明砂粒间空隙较大，金属液易渗入，造成表面粗糙、粘 砂。 影响透气性的因素：砂粒大小、分布、粒形、含泥量、 粘结剂及加入量、紧实度。 （2） 测量方法 原理：通过在一定条件下气体流过式样时所受到的阻力 的大小来间接反映。用在单位压力下通过单位面积和单位 长度试样的气体量来度量。 测量方法 标准法：如图2-1-2，在 水封钟罩内吸入2000cm 3 空气，造成10g/cm 2的压 力条件，用秒表测出在该 压力下2000cm3空气通过 试样流出的时间t，并记 下气压计读数（p） 透气率 k=VH/Spt 式中: V-通过式样的空气体积，2000cm3； p-试样前压力（mmH2O）； H-试样高度； S-式样截面积； t-2000cm3空气通过式样的时间。 2.3 湿态强度 （1） 对铸造过程的影响：承受工序中的机械力、浇注时 的冲刷、静压力。 过低：塌箱、砂眼、胀砂、跑火。 过高：增加粘土和最适宜含水量，降低透气性；提高成 本；增加混砂、紧实、落砂困难。 （2） 测量：用标准式样在外力作用下遭到破坏时的应力 值表示。MPa、KPa。 指标：湿态抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、劈裂强度 湿态抗压强度表示起模后砂型（芯）自身及受外力作用时能 保持型腔（或砂芯）形状的能力。 普通机器造型控制在0.06-0.12MPa， 高密度造型控制在0.09-0.20MPa。 许多情况下，砂型破坏是由拉应力引起的。当型砂中粉尘和 死粘土含量高时，虽然湿态抗压强度高，但是湿拉强度和变 形量很低，可塑性差，很容易破坏，使造型操作困难，并引 起铸造缺陷。 单纯地用湿态抗压强度衡量型砂性能并不太合适，引入劈裂 强度的概念。 劈裂强度（如图2-1-3所示） 在标准圆柱试样的径向加栽，使 试样沿其轴向平面断裂。劈裂强 度可以按照下式计算： sF=2F/dL sF型砂湿态劈裂强度（MPa） F劈裂载荷（N）； d试样直径，为50mm； L试样高，为50mm。 劈裂强度可以更正确、更可靠地 说明型砂中粘土的粘结作用。 注意：型砂强度是指整体强度，反映表面强度常用表面硬 度计。 2.4 流动性 （1） 概念：型砂在自重或外力作用下，沿模样或砂粒间 移动的能力。 （2） 对造型（芯）的影响：均匀性、光滑性、紧实力、 生产率。 （3） 测量（无统一标准） 阶梯试样硬度差法 测量A、B点的硬度，对比 两点的硬度差。差值小说 明型砂的流动性好，差值 大说明流动性差。 流动性对紧实度的影响 侧孔法 拔出柱塞，顶出试样，称量被挤出的型砂多少，数量越大流 动性越好。 型砂受力后，向侧面、凹槽处流动的能力。对均匀性、轮廓 有意义，多用于吹射型（芯）砂的测定。 环形空腔法 冲击3次后看h的大 小， h越小进入圆 环中的型砂越多， 流动性越好。 检测有凹槽、窄缝 模样，及要求轮廓 非常清晰的砂型（ 芯）。 （4）影响流动性的因素：原砂的形状、大小、表面状态 ，粘结剂的性质、混砂质量。形态圆、粒度大而集中的砂 粒流动性好。 2.5 起模性、变形量、韧性和破碎指数 起模性：表示起模时模样或模板与砂型分离时是否容易损 坏（开裂、掉砂）。起模性的好坏与型砂的湿态抗压强度 是两种绝然不同的特性。 影响因素：拉应力、受力破碎前的变形量。 变形量：在测定型砂抗拉强度时，试样破碎前的变形，一 般很小。 韧性：型砂的湿压强度（MPa）乘变形量（cm）再乘1000 的乘积。它表示了型砂由于塑性变形而能吸收能量的性质 。 韧性的测定 落球法：见图2-1-6。标准抗 压试样、50mm，510克钢球 ，12.7mm的筛。 在冲击条件下的韧性用破 碎指数表示 破碎指数：留在筛网上的大 块型砂的质量占试样原质量 的比值。 破碎指数高，表示型砂的起 模性好，但破碎指数过高时 型砂的流动性差，使砂型表 面不够致密。 跌碎法：试样从1.8米的高度 直接坠落到铁砧上。 其它新方法 我国新研制的型 砂压力变形曲 线测试仪（图2- 1-7） 湿型砂试样加压过程中的压力-变形（F- ）曲线 1）OA段，压力与变形成线性关系，反映了砂样的粘弹性特 征。 2）AB段，过度阶段，非线性关系，粘塑性变形。压力到达极 限抗力Fm后，砂样内部的砂粒间将会产生滑移，应力开始下降 3）C点以后，砂样 属于破裂阶段。 K1体现了型砂的弹 性现象，近似于 弹性模量E，单位 N/mm。 Fm抗压强度。 2.6 抗夹砂结疤缺陷的能力 （1） 夹砂类缺陷产生的原因 水分迁移：使凝聚区的热湿拉强度降低，控制热湿拉强度 是控制夹砂结疤类缺陷的关键。 热压应力：石英573急热相变出现较大的热膨胀受到阻 抑后产生应力，导致膨胀变形、破裂，控制热应力。 （2）测量 测热湿拉强度 见图2-1-9。模拟金属浇入 铸型后型砂的受热情况。 湿型砂试样50mm50mm ，加热板温度32010， 紧贴20-30s，形成5mm左右 的干砂层及水分凝聚区， 测定热湿拉强度。 测型砂热压应力 模拟型砂表面受到急热后石英573相变出现较大的热膨 胀受到阻抑后产生多大的应力，如图2-1-10。 球冠形圆盘试样，凹面用氧-乙炔焰加热，托架置于水中 保持恒温，受热产生的压力通过可动托架测量。可反映出 使用的湿型砂是否易于产生膨胀缺陷。 （3）其它方法 激热性能试验验法（ 图2-1-11、12） 圆饼形型砂试样，开V 形槽，在13000C，的高 温下烘烤。观测型砂 表面开始脱落的时间 。 2.7 发气量和有效煤粉含量（铸铁用湿型砂） （1）目的：防止机械粘砂 （2）煤粉及附加物可防止机械粘砂的机理： 浇注后高温烘烤产生大量挥发分高温下进行气相反应 砂粒表面沉积形成光泽碳防止机械粘砂，提高表面光 洁度。 （3）测量 方法一：采用测定型砂发气性的办法，将定量待测样品在 密闭系统中加热，测定气体的容积或压力，或称量残留物 的质量，判断发气量大小。 方法二：如图2-1-13所示，称取经过干燥的型砂盛入小舟推 入850的管式加热炉加热产生的气体经冷凝进入带刻度的 玻璃管中测量大气压力下型砂的发气体积。 小 结 1 了解湿型铸造的特点； 2 掌握型砂的七个方面的性能； 3 熟悉型砂性能对铸造质量的影响； 4 了解型砂性能的测试方法。 对于各种性能的要求必须适量，许多性能之间是互相联 系的，对于某一种性能要求过分就会导致另外一种性能变差 。各种性能的具体控制范围要根据具体生产条件以及操作习 惯等因素的不同而定。 第3节 湿型砂用原材料及其质量要求 湿型砂的组成：原砂（新砂和旧砂）+粘土+附加物+水 影响型砂性能的三大因素：原材料的选择 型砂的配比 混制工艺 3.1 石英质原砂 （1）种类：天然硅砂、人造砂 天然硅砂：由火成岩风化形成 山砂：风化后就地储集。泥多、粒形不规则。六合、唐山 海砂、湖砂、河砂：经过水利搬运。颗粒圆整，大小较均 匀。 海砂：北戴河、广东新会、福建东山、山东 湖砂：江西都昌、星子 河砂：上海吴淞、河南郑庵 风积砂：经风力搬运，颗粒更圆整、均匀。内蒙古。 人造砂： 石英砂岩：沉积的石英颗粒被胶体二氧化硅或氧化铁、碳 酸钙等胶结成块状，质地疏松，易加工破碎，颗粒大多呈 现多角状。 石英岩：沉积的石英砂粒在地质高温高压作用下，经过变 质而形成坚固、整体的岩石。SiO2含量高、质地坚硬，破 碎后呈尖角状。 （2）对石英质原砂的一些质量要求： a 含泥量 含泥量：原砂或型砂中直径小于20m的细小颗粒的含量 。既有粘土，也有极细的砂子和其它非粘土质点。含量取 决于形成条件，差别很大。 含泥量对型砂性能的影响 （a） 透气性 （b） 湿态抗压强度、最适宜干湿状态的含水量提高。 （c） 泥分中若无粘土，则使型砂变脆 （d） 消耗化学粘结剂（水洗、降泥0.2-0.3%）。 含泥量的测定 原理：不同颗粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，符合司 托克司公式（见材料成型原理P12）： V=d2（r-r1）g/18 式中：V质点下沉速度 d质点直径cm r下沉物的密度，2.62g/cm3(砂与粘土的密度大 致相同) r1水的密度 水的粘度0.010g/cm.s(在20时) g重力加速度 980cm/s2 直径为0.002cm的石英砂质点，在20时，在水中的 下降速度V=0.0426cm/s=2.5cm/min。5min后下沉深度 为2.55=12.5cm。因此，将原砂和水充分搅拌，使砂和 泥悬浮与水中，然后静置5分钟，则2.5cm以上的水中悬 浮物都是泥分。既可用虹吸管将它吸去。清洗几次至上部 水清为止。 含泥量 X=（G-G1）/G100% 式中：G洗砂前质量 G1洗砂后的质量 b 原砂的颗粒组成 颗粒组成：包括砂粒的粗细程度和粗细分布的集中程度。 检测方法：筛分法。用一套（11个）筛孔尺寸自大而小的 铸造用试验筛筛分洗去泥分的干砂样。见表2-1-2， ISO565-1983R20、我国专业标准ZBJ31004-88、美国 ASTME11-70。 表明颗粒组成的方法 符号表示法：国标GB9442-88：对比筛分后各筛子上的砂 子质量，选出余留量为最大值的相邻三筛，用相邻三筛的 中间筛孔尺寸mm后的两位数作为粒度代号（表2-1-3）在 主要粒度组成部分中，如果前筛余留量大于后筛，则在粒 度代号后面用Q表示，反之用H表示。 计曲线表示法（德国铸造协会）：见表2-1-4及图2-1-14 美国铸造协会平均细度（AFS grain fineness number） 。 用砂粒平均尺寸 c 原砂的颗粒形状和表面状况 颗粒形状（见图2-1-15） 按表面情况分六种：尖角形、角形、半角形、半圆形、圆 形、很圆整 按圆球度分三级：高球形砂、半球形砂、少球形砂。 湿型砂一般用圆形砂 我国的分类： JB435-63；JB2488-78：圆形、多角形、尖角形 GB9442-88铸造用硅砂：用角形系数表示 角形系数E 定义：单位质量原砂的实测表面积（即实际比表面积Sth ）与单位质量同样粗细等直径假想圆球的表面积（即理论 比表面积Sw）的比值。比值为1时砂粒为圆球形，比值大 于1，砂粒的形状越偏向尖角形，可表示形状平均偏离圆 球形的程度。 用通气法测定砂粒实际比表面积：其原理为：空气通过砂 柱时受到的阻力不仅与砂柱紧实程度有关，而且与砂粒的 实际表面积有关，亦即砂粒的比表面积是砂柱孔隙率和透 气率的函数。用以下经验公式表示： 式中：-原砂的密度2.65g/cm3； K-常数,取5； -砂柱的孔隙率； -空气动力粘度，20时1810-6g/（cm.s）； A -砂柱的截面积； P-砂柱两端空气的压力差； g -重力加速度981cm/s2； t -通气时间s； V- 通过的空气量； L -砂柱的高度。 测定仪器见图2-1-16、17 测定值：孔隙率由A、L及算出。 砂柱两端的空气压力差 式中 -煤油或其它低粘度矿物油的密度。 h1-M2到M3之间的距离。 h2 -M3到M4之间的距离的2倍。 计算理论比表面积：采用筛孔直径平均值法 dm=（dp+dr）/2 dp通过筛的筛孔直径 dr停留筛的筛孔直径 Sth1= Sth1筛孔直径平均值法理论比表面积 dm筛孔直径平均值 砂样密度 还可采用等粒数圆球直径法：称量一定质量的单筛砂，数 出个数 Sth2= Sth2等粒数圆球直径法理论比表面积 W砂样质量 N质量为W的砂样颗粒数 计算角形系数： E1=Sw/ Sth1 E2=Sw /Sth2 粒形对型砂性能的影响：粘结效率、流动性（易紧实、高 的湿态强度、透气率） 原砂的表面状况：通过SEM观测，主要对粘结剂的效果及 消耗量有影响。 d 原砂的矿物组成、化学成分及烧结点 硅砂的矿物组成 需用专门的岩相分析技术和设备。主要成分是石英，其 次为长石、云母、铁的氧化物、碳酸盐、硫化物。石英和 长石、云母的特征见表2-1-8。 硅砂的化学成分 主要化验石英的含量 铸造用硅砂根据GB9442-88，按SiO2的含量可以分为七级 （见表2-1-9） 选用：浇注温度高，选用石英含量高的原砂，如铸钢。铸 铁浇注温度低，可选用石英含量低的原砂，由于表面烧结 可防止机械粘砂，同时膨胀量小可防止夹砂类缺陷。 原砂的烧结点 烧结点是指原砂颗粒表面或砂粒间混合物开始熔化的温度 ，是原砂各种组合成分耐火性能的综合反映。推测SiO2含 量。 硅砂的化学成分对铸件质量的影响：SiO2质量分数每降低 5%，硅砂的烧结点下降约50。 O 3.2 非石英质原砂 石英质原砂的缺陷：膨胀系数大、热性能差、化学稳定性 差，劳动条件差。 （1） 镁砂（magnesite） 主要成分 主要成分为MgO，（菱镁矿）MgCO2MgO+CO2。菱镁 矿高温煅烧（1500-1650）使MgO重结晶、烧结、破碎 、分选。 性能：熔点高、蓄热系数高（是石英砂的一倍半）、热膨 胀率比石英小，无相变引起的体积膨胀、化学性能稳定， 不与MnO、FeO反应，用于锰钢可防止粘砂。 规格：见表2-1-10，按MgO的含量，有两种规格。 （2） 橄榄石砂（olivine sand） 矿物组成及化学成分：（Mg，Fe）2SiO4是由含 Mg2SiO4高的橄榄石制成。见图2-1-18。铸造用橄榄石常 含有5-10%的铁橄榄石。 性能：熔点1600-1760 、热膨胀率比石英小而且均匀 （见图1-2-10），不易发生夹砂类缺陷。烧结点低1200 ，但不为金属润湿，具有化学惰性。与钢液接触形成致密 层防止粘砂。同时，由于无晶型转变，热膨胀率低，故不 易产生夹砂类缺陷。 规格：根据中国造型公司企业标准XQ/ZQS-4-86，按物理 化学性能分两级，按粒度分两组（见表2-1-11、12）。生 产中通过破碎、细磨、分级、水洗。 应用：用于高锰钢铸件可防止铸件粘砂，也可防止对人体 的危害。 （3） 锆砂（zircon sand） 矿物组成：四方晶系的锆英石ZrSiO4。 性能：密度4.4-4.7g/cm3、莫氏硬度7-8、熔点2038- 2420，随杂质而不同、烧结点1540。热膨胀率比其 它原砂都小，可避免夹砂类缺陷，热导率、蓄热系数、密 度都比石英高，所以冷却能力强，化学稳定性高，不被金 属或金属氧化物润湿，不易产生粘砂缺陷。其缺点是难以 获得粗砂、有放射性、价格昂贵。 规格：根据国家专业标准铸造用锆砂ZBJ31005-88按 化学成分分四等级；按粒度分三组，有中细砂、细砂、特 细砂。见表2-1-14 应用：合金钢及大型铸钢件的面砂、磨粉制成抗粘砂涂料 、涂膏。 （4） 铬铁矿砂（chromite sand） 矿物组成及化学成分：主要矿物组成为铬铁矿、镁铬铁矿 、铝镁铬铁矿，其中主要化学成分为Cr2O3，其它有MgO 、FeO、AI2O3、少量SiO2及杂质。 性能：密度4.0-4.8g/cm3、莫氏硬度5.5-6、耐火度大于 1900、化学性能稳定，抗碱性渣比镁砂更好、1700 以前无相变，体积稳定，热导率比石英大数倍，激冷能力 强、有固相烧结，抗钢液渗透能力比锆砂强。其缺陷为热 膨胀率大（2倍于锆砂）、粒形不圆、偏碱性，耗酸值大 ，用树脂砂时要多加硬化剂。 应用：厚大铸钢件、合金钢铸件、局部热结处面砂，涂料 。 性能分级及粒度分组：按中国造型公司企业标准。 （5） 石灰石砂（limestone sand） 矿物组成与化学成分 三种矿物组成：石灰石型、白云石型、大理石型 主要化学成分：CaCO3 性能 优势：与石英砂相比，有如下优势： a 无硅尘危害 b 铸件表面光洁，清砂容易 c 钢液流动性好，铸钢棱角清晰。 d 铸件致密，因石灰石分解吸热，表层冷却速度比石英砂快。 E 资源丰富。 缺陷： a 硬度较低，故在混砂和造型时易破碎，恶化型砂性能。 b 浇注时分解并与钢液作用，导致缩沉、气孔 c 对工人技术要求高 应用：铸钢件的水玻璃砂铸造 规格： 按大小可分为五组：15、21、30、42、60 按化学成分可分四级 另外: 熟料砂: 热稳定性好 碳素砂: 导热好 刚玉砂: 耐火度高 钛铁矿砂 3.3 粘土（clay） 简介：粘结性、可塑性、干强度、复用性。资源丰富，价 格低廉。 （1） 粘土的矿物组成 粘土是各种铝硅酸盐矿物经过长期风化、热液蚀变或沉积 变质作用而生成。 按晶体结构分：高岭石组、蒙脱石组、伊利石组。各种矿 物主要是含水的铝硅酸盐，化学式可简写为 mAI2O3nSiO2xH2O，粘土在沉积过程中常混杂一些非粘 土矿物，如石英、长石、云母。只有粘土矿物才产生粘结 能力。 粘土的分类。按矿物组成： 普通粘土，主要含高岭石、伊利石，用于修炉、干型砂 沈阳、无锡、唐山、巩县、昌邑 膨润粘土，主要含蒙脱石，用于湿型砂 淳化、宣化、信阳、潍坊、凌源、黑山、怀德、长春 （2） 粘土的结晶特征 结构不同，性能不同。两种基本结构单元，按不同的晶层排列， a 硅氧四面体晶片（图2-1-19） b 铝氧八面体晶片（图2-1-20） 高岭石的结晶特征 一个单位晶层为1：1型两层结构的粘土矿物；四面体顶 端指向八面体，并共占有一个氧（见图2-1-21）；单位晶 层在垂直方向层层叠起，层间为氢键紧密结合，因此，高 岭石结晶在水中不易分解，颗粒较粗，吸水膨润现象及吸 水率较小。 蒙脱石的结晶特征 单位晶层为2：1型三层结构。一个单位晶层是由两层硅氧 四面体中间夹一层铝氧八面体，四面体的顶氧与八面体共 有。垂直方向层层叠置（见图2-1-22）。两相邻单位晶层 靠O-O分子间力结合，结合力较弱，水分子和水溶液中的 离子或其它极性分子容易进入单位晶层之间，使晶格沿c 轴膨胀，所以蒙脱石的单位晶层厚度可变，有时可以分离 成单位晶层，故这类粘土矿物的晶粒特别细小。吸水能力 强。 形态 在电子显微镜下：高岭土为六角鳞片状，轮廓清晰；蒙脱 石为不规则的薄片。 （3） 粘土表面的电荷和交换性阳离子 粘土颗粒表面带负电荷 a 破键 AI-O、Si-O离子键断裂，是高岭石类普通粘土 带电的主要原因 b 晶体内离子置换造成正电荷不足，是蒙脱石和伊利石 类矿物粒子带电的主要原因 c 粘土颗粒表面外露的OH-基上H+的置换，对高岭石十 分重要。 交换性阳离子：粘土中能被其它阳离子交换出来的吸附的 阳离子。 粘土表面为了平衡负电荷，而从周围介质吸附的一些 阳离子Ca+、Mg+、Na+、K+也可能被其他阳离子置换。 高岭石主要靠晶格边缘的破键吸附阳离子，其颗粒又较大 ，故可交换阳离子的数量小。而蒙脱石颗粒小，所以破键 多，更主要的是成矿过程中晶内置换使负电性大，可交换 的吸附性阳离子大多位于晶层与晶层之间的层面处，可交 换阳离子数量大得多。 阳离子交换容量：粘土中所含交换性阳离子的数量为阳离 子交换容量。阳离子交换容量高意味着负电性强，颗粒细 ，湿粘结性较高。对膨润土还意味着有效的粘土矿物蒙脱 石含量高。 量度：用氯化铵溶液处理粘土，粘土中可以交换的阳离子 与交换液中的铵离子进行等量交换，测定所消耗的铵离子 量，即可计算出粘土中的阳离子容量。以100g粘土可与 多少毫摩尔的铵离子相交换来度量。 钠基与钙基膨润土：根据国家专业标准铸造用膨润土和 粘土ZBJ31009-90规定： 若钠交换阳离子容量占大于50%，则称其为纳基膨润土 Pna，钙交换阳离子容量占大于50%，则称其为钙基膨润 土PCa 。钠基膨润土的吸水膨胀能力比钙基膨润土要高， 具有较高的粘结性能和抗夹砂能力。 而我国开采的膨润土几乎都属钙膨润土，所以要进行适当 的活化处理 活化处理 原理：Ca2+-蒙脱石+Na2CO3=Na2+蒙脱石+CaCO3 方法：三种方法 混砂时加入干粉、混砂时加入水溶液 、采矿时加入。 （4） 粘土的吸附水分 粘土在湿润状态下含有三种水分 吸湿水： 在105即可烘去。 层间吸附水：水分子呈层状分布于矿物的晶体结构层之 间，数量可变。大约3-10个水分子数量级。在物理状态上 与自由液态水不同。其密度大、热容量小、冰点低，有很 大的粘滞性。 晶格水：所谓结构水，就是以OH-、H+等离子形式存在 于矿物晶格结构中的“水”，在晶格中有一定的位置而且数 量固定。因此，非在高温结构遭受破坏的情况下，是不会 结合成水分子逸出的。 交换阳离子对结合水量的影响 阳离子以水化离子（水分子在离子周围按一定方向排列起 来）形式存在于粘土单位晶层底面附近，带负电的粘土颗 粒吸附水化阳离子形成双电层（水化膜）。在粘土胶核的 表面负电量相同的情况下，吸附低价离子（如Na+）时， 在胶粒表面外吸附层中被平衡的电荷少，粘土胶粒的电动 电位较高，并且其电动电位随距颗粒表面距离缓慢下降， 可以延伸到较远的地方。因此可吸引更多层的水分子，水 化膜较厚(如图)。这一点对粘土的粘结性有很大影响。 （5） 粘土的粘结机理 粘土的湿态粘结性 a 桥联结：按胶体化学理论，粘土在水中形成水-粘土胶 体。带负电的粘土颗粒将极性水分子吸引在自己周围，形 成胶团的水化膜（如图2-1-25a），依靠粘土间的公共水 化膜，通过其中的水化阳离子所起的桥或键的作用，使粘 土颗粒相互连接起来，产生湿态粘结性。如图2-1-25b。 公共水化膜就是粘土胶粒间的公共扩散层，在公共扩 散层中阳离子的吸引作用下，相邻的粘土颗粒互相结合起 来。粘土胶粒的扩散层越薄，这种吸引力越强。而扩散层 的厚薄直接与加入的水量有关，若水分过低，则不能形成 完整的水化膜；若水分过高，就会出现自由水，在这两种 情况下，湿态粘结力都不大。另外，粘土颗粒越小，表面 的吸附作用越强，粘结力越大。 b 表面联结：直接吸附在粘土颗粒表面的极性水分子彼 此连成六角网格结构，增加水分，逐渐发展成接二连三的 水分子层，粘土颗粒就靠这种网格水分子彼此连接，从而 产生湿态粘结力。联结力的大小主要受含水量的影响。如 图2-1-26 桥联结的强弱受离子种类、粘土与水的质量比例影响。实际 上，粘土吸附阳离子的表面只占整个表面很少的一部分，所 以由于桥联结而产生的粘结力是较小的，而表面联结是形成 粘结力的主要原因。 实验表明： 型砂的最适宜干湿状态相当于 粘土：水=10：4； 而依靠表面联结的最大强度的 粘土：水=10：3.7； 依靠桥联结的最大强度为 粘土：水= 10：12。 如图2-1-24 c 解释钠膨润土的热湿拉强度 （图2-1-27） 粘土颗粒与砂粒间的粘结（湿态强度） 当砂、水、粘土按一定比例混合组成型砂时，在砂粒 周围包有一层粘土膜，靠粘土膜把砂粒互相连接起来，而 粘土膜中的粘土颗粒又是通过吸附的水膜相互连接，使型 砂具有一定的湿强度。 砂粒因自然破碎极其在混碾过程中产生新的破碎而面 带微弱负电，也能使极性水分子在其周围规则地定向排列 ，粘土颗粒与砂粒之间的公共水化膜，通过其中水化阳离 子的作用，产生湿态强度（如图）。 在水分凝聚层内，型 砂的水分含量是最适 宜水分的2-3倍，桥联 结对产生粘结力具有 重要的影响。此外， 随着型砂的温度升高 ，水分子是活动自由 度增大，因而强度下 降。在100时，表 面联结的水分子沸腾 ，而阳离子吸附的水 分子仍保持联结状态 。因此，在水分凝聚 层内，钠离子形成的 桥联结使粘土产生较 高的热湿粘结力。 粘土型砂的干态粘结机理 烘干过程中砂型逐步失水，使砂粒和粘土之间相互靠 近，紧密接触而产生附着作用。从胶体化学的观点看，带 同类电荷的粘土胶粒间的公共水化膜，尤其是公共扩散层 ，在烘干过程中水分逐渐失去，使其扩散层变薄，由于其 中带异号电荷的离子（如Ca+、Na+）的吸引，粘土颗粒 间，粘土砂粒间就紧紧结合起来，烘干继续进行，粘土颗 粒的水化膜进一步变薄，将粘土和砂粒紧紧拉在一起而产 生干强度。假如在较高温度下长时烘烤，使粘土间水完全 除去，则粘土颗粒不再呈电性，颗粒间的静电斥力也同时 消失，此时使粘土和砂粒联结在一起的力是分子间的引力 。 （6 ）粘土受热后的变化 脱水、体积收缩、矿物分解 热重分析（TGA）的结果 见图2-1-28。三种粘土矿物脱水曲线不同。 蒙脱石 20-140，逸出14-17%的吸附水 400-500，脱水2% 500-600，结构水迅速脱失。 800基本脱完，4-5%。 高岭石 70%）的高活性树脂；采用特殊的潜伏酸做催 化剂；在工艺上采取辅助措施。 优点 （1）节约能源，与热芯盒相比节能25-30% （2）工作环境好，温度低，散发有害物质少 （3）砂芯可用性长，流动性好 （4）砂芯质量好，砂芯表面不会过烧，表面光洁，强度高 ，硬化均匀 （5）设备与热芯盒相同。 当前的几种可用或有发展前景的方法： （1） 呋喃树脂、酚醛改性树脂温芯盒法 （a）粘结剂 常用糠醇型呋喃树脂，有时也用酚醛改性树脂。加入量 取决于砂芯结构的复杂程度及原砂的性能。 （b）催化剂 氯化铜的水溶液或醇溶液为基：室温稳定，80-100开 始分解，150时工艺性最佳。 磺酸盐：达80，磺酸铜盐可激活出强酸，使树脂产生 硬化。 （2） 辅以真空的温芯盒法 （a）机理：树脂中存在在室温和大气压力下稳定的有机 酸，当压力降低和温度升高时（60-100），分解出强酸 ，促使树脂迅速硬化。 （b）方法：混砂射砂抽真空通空气取芯。 （3） 其它。 第5节 自硬冷芯盒法 概念：将原砂、液态树脂、液态催化剂混合均匀后，填 充到芯盒（或砂箱）中，稍加紧实，即于室温下在芯盒 （或砂箱）中硬化成型，称为自硬法造芯（型）。 分类：酸催化树脂砂自硬法、尿烷系树脂砂自硬法、酚 醛-酯自硬法。 优点 a 提高尺寸精度，降低表面粗糙度（Ra12.5-25） b 节约能源、车间面积 c 减轻劳动强度，易于实现机械化。 d 旧砂可以再生。 应用 单件、小批量造型（芯），可生产铸铁、铸钢及 有色金属。 51 酸催化树脂自硬砂 （1）酸催化树脂自硬砂用树脂 要求：反应活性高，因此，反应能力要高，含水量低。 种类 热固性酚醛树脂 呋喃树脂：脲呋喃、脲-酚呋喃、桐醛树脂与糠醇的混合 物、糠醇与其它活性化合物的混合物。糠醇含量越高，氮 和水的含量越低，质量越好。 硬化机理：如图2-3-14。在酸性介质中，苯酚核的临位或 对位上的羟甲基与另一个苯酚核的临位和对位上未反应的 氢原子发生化学反应。有四种位置配置。 发展方向 保持性能的基础上少加糠醇 降低游离甲醛和游离酚含量，降低环境污染。 提高活性，可不用含磷、硫的催化剂。 应用情况 铸钢：含氮量小于3%或无氮树脂。 有色金属（铝、镁合金）：用高氮树脂，有利出砂 （2） 催化剂 自硬砂用催化剂应满足： a 保证工艺过程硬化速度和强度 b 低粘度液体，不产生沉淀，长期储存，以及温度0- 30时性能不变 c 冬季冷凝，随后加热溶化后性能恢复 d 价格合理 与热芯盒法用催化剂的区别 不采用潜伏型催化剂，而采用活化催化剂，即本身是中 强酸。 催化效果 强酸硬化速度快，但终强度低。见图2-3-15 种类： a 磷酸：主要用于高氮呋喃树脂（解释），硬化速度较 慢，终强度较高。表安性好，热强度高，铸钢件不产生热 裂。但易残存于旧砂中，引起硬化速度加快，铸型强度降 低，并使铸件产生气孔。 b 硫酸酯：按比例与磷酸混合使用。硫酸酯比例越高，硬 化速度越快，可用时间越短。硫酸酯可缩短脱模时间，同 时对防止砂芯长期存放中的软化有利。但残存树脂膜中的 硫酸酯腐蚀树脂膜，硬化脱水速度过快易引起应力和裂纹 ，浇注过程中放出SO2，污染环境，导致钢增硫，球铁球 化不良。 c 芳基磺酸：硬化速度与无机酸同，但终强度高，而且在 浇注过程中，易被高温铸件破坏，残存率较低，有利于砂 的再生。如果在苯化环的活性位置引入取代基，则酸性降 低，硬化速度减慢。与酚醛树脂、酚-呋喃树脂、低氮与 高酚醛含量树脂的互溶性较好，催化效果好。 （3） 可用时间、脱模时间、搁置时间、硬化时间 概念 a 可用时间：自硬砂混砂后（催化剂与粘结剂开始接触 ）到所制砂芯的强度降低到仍能满足工艺要求下限所经历 的时间。 b 脱模时间：指从混砂结束到可以满意地将砂芯从芯盒 中取出的那一段时间。过早脱模发生粘模，因为硬化不足 ；过晚则由于强度太高失去塑性，脱模困难。 c 搁置时间：从混砂后到开始制芯所经历的时间。搁置 时间必须小于可用时间。 d 硬化时间：砂型（芯）达到最大强度以前的这段时间 。 测定 a 可用时间：终强度法：将混好的砂隔一定时间间隔制 取试样，测定每个试样24h后的强度值，当强度降低为不 能满足实际生产需要时，定为该种砂芯的可使用时间。 b 脱模时间：根据砂芯的的尺寸和复杂程度，只要不变 形、不塌箱即要脱模。 影响因素 原砂、树脂、催化剂的类型、加入量，混砂工艺，环境 温度和湿度。影响最大的为环境温度和催化剂加入量。温 度升高10，可使用时间缩短1/2-1/3。 （4） 偶联剂硅烷 目的：提高树脂砂强度、热稳定性和抗吸湿性。 树脂砂的强化：提高树脂砂的强度必须同时强化树脂与砂 粒的附着力和树脂粘结剂本身的内聚力。加硅烷可提高树 脂与砂粒的附着力。 偶联剂与树脂、砂粒之间结合的可能途径 a 通过简单的溶解（分子间力2.1-4.2kj/mol） b 通过强度为21-42kj/mol的烷醇的氢键 c 通过强度为210-420kj/mol的共价键桥。 偶联机理（以KH550为例） a 水解 b 硅烷醇基与砂粒表面发生脱水反应，同时硅烷醇分子间 也脱水聚合成膜 c 与砂粒联结的硅烷醇中的氨基与树脂的羟甲基失水缩合 ，在砂粒和树脂间形成偶合桥。 使用注意 a 每一种偶联剂有一定的使用范围 b 偶联效果与合成树脂的反应速度有关，偶联剂中活性集团的活性 越大，与树脂反应的机会就越多，偶联效果越好。 c 硅烷易水解沉淀，所以对树脂砂增强作用衰减。一般由用户使用 前加入。 （5）混砂工艺 a 必须采用快速混砂机,覆模效果好。 b 加料次序先加酸，使之均匀包覆在砂粒表面，而后从树 脂内部向外扩散，逐步催化树脂硬化。终强度较高。 c 混砂时间：通过试验确定，在混拌均匀的条件下越短越 好。 （6） 酸自硬树脂砂常见的缺陷及其预防措施 a 机械粘砂 机理：树脂在500分解，砂粒间粘结桥破坏，高温强 度降低。 防止： 刷耐火涂料或降低浇注温度；提高树脂本身的耐 热性（增加硅烷、糠醇的含量）；在树脂砂中加入一定量 的氧化铁粉或石英粉以提高热强度；采用高温下能产生固 体烧结的原砂。 b 薄壁铸件热裂 机理：冷硬树脂砂层不能被烧透形成坚硬的碳化层阻碍铸 件收缩。 防止：降低树脂加入量；加入适量的氧化物以破坏碳化层 的形成。 5.2 自硬尿烷树脂砂 5.3 酚醛-酯自硬砂 本章重点： 砂芯分级的概念 油砂与合脂砂的基本概念，应用 各种不同铸造用树脂的合成原理，特点 树脂砂（包括壳芯、热温芯盒、自硬树脂砂）工艺原理， 特点。 第4章 铸造用涂料及分型剂、胶补剂 第1节 铸造用涂料 11 涂料的作用 （1）降低表面粗糙度：填塞空隙，屏蔽热作用。 （2）防止或减少与砂型有关的铸造缺陷：毛刺、冲砂、 增C、S、P、气孔等。 （3）用涂料产生冶金效应，改善局部表面性能和内在质 量。 12 优质涂料应具有的性能和涂料的流变特性 应具有的性能： （1）好的悬浮性及再搅匀性。悬浮性：涂料搅拌均匀后 抵抗产生沉降、分层的性能。 （2）有一定的触变性。 （3）好的覆盖能力，见表2-4-1。 （4）具有适当的渗透性。1.5-3倍的砂粒直径。 （5）良好的粘结强度和耐激热性。 （6）好的抗粘砂性。 （7）低的发气性 （8）好的储存性 （9）原材料丰富，成本低廉、满足劳动卫生标准。 o 涂料性能指标的检测方法 （1）悬浮性。用相对沉 降高度法（涂料沉淀物高 度与涂料原始高度之比） ，水基涂料98%；醇基 涂料94%。 （2）密度。在量筒中用 称量法，单位g/cm3。 （3）粘度 a 用粘度杯测量 100cm3涂料全部通过6mm 孔流出的时间称为流杯粘度。 适于粘性较小的、密度差也比 较小的流涂和喷涂涂料。 b 用旋转圆筒粘度计 科研：双圆筒旋转粘度计，外筒 固定，内筒旋转，涂料在其间。 由实测内筒转速和表面的剪切应 力确定涂料的流变参数。 生产：单一圆筒旋转粘度计。转 筒直接插入涂料中 测量：转筒的转速为相对剪切速 率，粘度计的读数为相对剪切应 力 粘度称为表观粘度，它是 混杂有屈服值、剪切速率等影响 的由粘度计测定的粘度，单位为 Mpa.S. （4）耐激热性 用5050的试样，按生产工艺涂覆、硬化 ，送入炉中加热到1200观察2min。根据裂 纹倾向 分四级：无裂纹、微细裂纹、中等裂纹、严 重裂纹。 涂料的流变性能 a 概念：指涂料受到力或力系的作用时将如 何形变和流动的性质。用粘度度量。 b 牛顿粘性流动定律 f=Adv/dx 或 = 式中： =f/A 剪切应力（Mpa） =dv/dx 剪切速率（/s） 牛顿流体的动力粘度（MPas） 满足上式的流体称为牛顿流体，其流变曲线 = 是一条 通过原点的直线，为斜率。与剪切速率无关，即搅动或 停止搅动，其粘度不变。 与不呈直线关系的流体叫做非牛顿流体，两大类：非时 变性非牛顿流体和时变性非牛顿流体。 表观粘度表征非牛顿流体的流变性：a= / 非时变性非牛顿流体（也叫广义牛顿流体） 这类流体的表观粘度仅与剪切速率（或切应力）有关， 而与时间无关。 （1）假塑性流体（又称为剪切稀化流体） 流变曲线上凸，通过原点。表观粘度随剪切速率的增大 而降低，其流变方程为 =k n（可写成牛顿定律的形式 = ） 表观粘度= kn-1 式中：k 稠度系数，流体的粘性越大，k值越高。 n 流变指数，1n0，它的大小表征流体偏离牛 顿流体的程度。 浸涂的涂料我们希望有这种特性。 线形高分子水溶液的流变特性属于此类。 （2）胀塑性流体（又称剪切稠化流体） 流变曲线上凹，通过原点。表观粘度随剪切速率的增大 而上升，其流变方程为 =kn（可写成牛顿定律的形式=a），n1 表观粘度= kn-1 铸造用涂料不能是这种流体。 （3）塑性流体（又称宾汉流体） 流变方程如下 -y= 或 =y +（y） 表观粘度为：a= /=+y/ 这种流体与牛顿流体的相同之处是切应力与剪切速率呈 线性关系；不同之处是只有当应力值超过某一临近值 屈服点y后流动才开始。塑性流体之所以有这种流变行 为，是因为该种流体在静止时，内部存在有凝胶性结构 ，当外加应力超过y时，这种凝胶性结构才全部崩溃， 并开始流动。铸造涂料具有一定的屈服点才能阻抑耐火 粉料的下沉，保证良好的悬浮性。 粘土浆、水泥降、聚合物的浓溶液的流变特性属于此 类。 （4）卡森流体（屈服-假塑性流体） 具有屈服点，但切应力与变形速率是非线性关系。流 变方程为： 卡森流体的流变方程： 式中： 卡森粘度； 卡森屈服点。 屈服-假塑性流体的流变方程：-y =kn 表观粘度：a= /=y/+ kn-1 式中：1n0 y 屈服值 k 稠度系数 通常能形成网状结构的高分子溶液，许多优质涂料符 合上述方程。 （5）屈服-胀塑性流体 超过屈服点后开始遵循胀塑性流体规律。流变方程同 屈服-假塑性流体，但n1。涂料在高剪切速率下出现这 种现象。 时变性非牛顿流体（触变性和触稠性流体） （1） 触变性流体：在恒定的剪切速率下，其表观粘度 （或切应力）随剪切时间的增长而减小；剪切作用停止后 ，又逐渐恢复到原始粘度，见图2-4-5a 刷涂的涂料应具有一定的触变性。这种涂料静止时看 上去很稠，搅拌后粘度下降，在涂刷过程中，由于刷子的 运动，涂料的粘度降低，便于涂刷，即所谓稠而不粘。在 涂刷以后，恢复粘度也有一个过程，这时涂料的印痕可能 消失，但粘度一经恢复，涂料又不至于流淌，即所谓稀而 不淌。 （2）触稠性流体。与触变性流体相反，不适合做铸造涂 料。 铸造生产对涂料流体类要求： 理想的涂料应既是卡森流体或屈服-假塑性流体，又 具有一定的触变性。但涂料是一种复杂的多相分散 系，往往表现出多种流型的特点，流变性在当前的 技术水平下还不能够随意调整，只能通过多次反复 的实验验证。 13 涂料的基本组成 分散体系：耐火粉料、载体、悬浮剂、粘结剂、添加剂。 （1）耐火粉料 又称耐火填料、基料。质量分数占涂料的50%。 作用：填塞砂粒空隙，隔离、减轻金属液的热作用、机械 作用、化学作用。 分类（根据对表面的效用） 耐火型：具有