材料液态成型工艺学-3(2010)

大连理工大学 DalianUniversityofTechnology 材料科学与工程学院张兴国 材料成型工艺学 四 残缺类缺陷 1 浇不到定义和特征 铸件一部分残缺或轮廓不完整 或轮廓虽完整 但边 棱 角圆钝 常出现在上型面或远离浇道的部位及薄壁处 缺陷周缘圆滑光亮 形成原因 1 结晶温度范围宽 浇注温度低 浇速慢 浇注过程中金属液断流 2 金属液氧化严重 非金属夹杂物太多 粘度大 流动性差 3 浇注系统设计不当 直浇道高度低 压头小或内浇道数量少 充型速度慢或内浇道的位置离薄壁处太远 4 铸件壁太薄 5 型砂中水分多 或有机物 煤粉含量过多 导致发气量大 而且砂型和砂芯的紧实度太高 透气性不好 冒口和出气孔少或位置不当 排气不通畅 6 对金属型 若型温太低也可能造成浇不足等缺陷 四 残缺类缺陷 2 未浇满定义和特征 铸件上部残缺 残缺部位边角呈圆形 浇注系统未充满 直浇道和冒口顶面与铸件上表面齐平 原因 1 浇包中的金属液量不足 2 浇注速度太快 金属液从直浇道或冒口中溢出 误认为已浇满 停浇过早 3 铸型排气不通畅 型内反压力过大造成未浇满 四 残缺类缺陷 3 跑火 型漏 漏箱 定义和特征 跑火 铸件分型面以上部分严重残缺 残缺表面凹陷 有时沿型腔壁形成类似飞翅的残片 在铸型分型面上有时有飞翅 形成原因 1 分型面不平 压重不足 2 浇注后取走压铁和砂箱过早 3 模板变形翘曲 分型面密合不严 4 型砂或芯砂强度低 砂型紧实度不够 浇注温度过高或浇注高度过大 金属从裂缝漏出或漏进砂芯 五 形状及重量差错类缺陷 1 尺寸和重量差错定义和特征 铸件的部分或全部尺寸和重量与铸件图不符 或铸件重量超出铸件重量公差的规定 形成原因 收缩率选错 收缩受阻 不规则收缩 模样松动过大 模样错误 超重 失重等 铸造收缩率 K L模 L件 L件 100 自由收缩 最大线收缩率K 2 5 受阻收缩 最小线收缩率K 0 5 铸件毛坯尺寸超差尺寸线图 五 形状及重量差错类缺陷 2 变形定义和特征 铸件由于模样 铸型形状变化 或在铸造和热处理过程中 因冷却和收缩不均等原因而引起的几何形状和尺寸与图样不符 分为 模样变形 铸型变形 铸造变形 热处理变形 模样变形 由模样和芯盒变形引起的 模样变形使每个铸件都有相同的变形 铸型变形 由砂型或砂芯引起的 每个铸件的变形可能不同 铸造变形 铸件在凝固过程中因冷却速度和收缩不均而引起的变形 常发生于铸件截面厚度变化较大的部位 热处理变形 热处理过程中因加热 冷却速度不均匀及应力松弛等原因引起的翘曲变形 2 变形 3 错箱 错型 定义和特征 铸件的一部分与另一部分在分型面处相互错开 原因 1 模样装配错位或定位销松动 2 砂箱合箱错位 定位销套磨损或松动 上 下箱无合箱标记或未对准 3 合型后砂型受碰撞 造成上 下箱错位 4 在金属型铸造时 两半铸型未对准或配合松动 五 形状及重量差错类缺陷 4 错芯定义和特征 由于砂芯在分芯面处错位 使铸件内腔沿分芯面错开 一侧多肉 另一侧缺肉 5 偏芯 飘芯 定义和特征 砂芯在金属液热作用和充型压力及浮力作用下 发生上抬 位移 漂浮甚至断裂 使铸件内孔位置偏错 形状和尺寸不符合要求 偏芯铸件一面的壁厚减薄或穿透 另一面加厚 六 表面缺陷 1 鼠尾 沟漕和夹砂结疤定义和特征 鼠尾 沟漕和夹砂结疤是砂型型腔表面在注入型腔的高温金属液的强烈作用下 因热应力 水分迁移 膨胀和强度降低等因素的综合作用 导致砂型表层拱起开裂 尚未凝固的金属液钻入缝隙而形成的夹砂类缺陷 鼠尾 铸件表面产生的深度较浅 5mm 带有锐角和叠边的凹痕 凹痕内常夹有型砂 鼠尾常发生于铸件的下表面上 以从内浇道处延伸出来的最为常见 有时带有分枝或分叉 六 表面缺陷 沟漕 铸件表面上产生的边缘光滑的V形凹痕 深度约2mm 有时可达5mm以上 沟漕通常呈分枝状 多发生于铸件的上表面或下表面 夹砂结疤 铸件表面产生的疤片状金属突起物 其表面粗糙 边缘锐利 有一小部分金属与铸件本体相连 疤片与铸件之间夹有砂层 通常发生在铸件的上表面或下表面 鼠尾 沟槽和夹砂结疤等缺陷都是由砂型型腔表面受热膨胀引起的缺陷 六 表面缺陷 形成原因 1 金属液的热冲击使砂型表层内形成高湿度的水分凝聚层 强度降低 砂粒膨胀 引起表层翘曲 脱离凝聚层 金属液充满型腔后若不能将翘曲的砂层压平 就形成鼠尾 2 在金属液的热冲击下 砂型型腔上表面或下表面因膨胀而拱起的砂层未开裂或裂口较小 金属液未能进入拱起砂层背后的空腔内 就形成沟槽 因此 沟槽是夹砂结疤的早期阶段 裂口较大则产生夹砂结疤 3 湿型铸造铸件上表面或下表面为大平面 型砂膨胀率大 湿强度低 水分过多 透气性差 铸型排气不良 浇注温度高 浇注时间长 产生夹砂类缺陷 2 粘砂 机械粘砂 化学粘砂 热粘砂 和表面粗糙定义和特征 机械粘砂 又称为渗透粘砂 是由液态金属或金属氧化物通过毛细管渗透或气相渗透方式钻入型腔表面砂粒间隙 在铸件表面形成的金属与砂粒机械混合的粘附层 机械粘砂表面呈海绵状 牢固地粘附在铸件表面 多发生在砂型和砂芯表面受热作用强烈的部位及砂型紧实度最低的部位 六 表面缺陷 化学粘砂 铸件的部分和整个表面上 牢固地粘附一层有金属氧化物 砂子和粘土相互作用而生成的低熔点化合物 粘砂层硬度很高 与铸件表面结合十分牢固 无法用喷 抛丸清理方法去除 必须用砂轮打磨掉 化学粘砂通常发生在铸件厚截面处及型 芯过热部位 热粘砂 铸件表面粘附着一薄层玻璃状型砂烧结物 通常发生在砂型表面受热最严重的部位 粘砂层无金属渗入 易清除 表面粗糙 铸件表面粗糙 粗糙层深度与型砂颗粒尺寸大致相同 但铸件表面金属未与砂粒结合与化合 由金属液轻度渗入砂型表面间隙所引起 多发生与湿型的上型表面或干型无涂料或涂料层太薄的部位 常伴有砂眼 结疤 鼠尾等缺陷 六 表面缺陷 六 表面缺陷 粘砂的形成原因 1 型砂和芯砂的粒度太粗 2 砂型或砂芯的紧实度低或不均匀 3 型芯的涂料质量差 涂层厚度不均匀 涂料剥落 4 浇注温度或浇注高度太高 静压力大 5 上箱或浇口杯高度太高 静压力大 6 型砂或芯砂中含回用砂太多 细碎砂粒 粉尘 死烧粘土等降低砂型的烧结温度 7 型砂或芯砂中含粘土 粘结剂或易熔性附加物过多 耐火度低 导热性差 8 铸件落砂太晚 形成固态热粘砂 尤其是厚大铸件和高熔点合金铸件 9 金属液的熔点高 流动性好 表面张力低 10 树脂砂型 芯表面未刷涂料 或涂料质量差或涂层不均匀 树脂膜汽化形成毛细通道 金属液渗入 11 金属液中的氧化物与型砂 芯砂发生造渣反应 生成低熔点化合物 低熔点化合物和金属液渗入型砂 导致机械或化学粘砂 12 浇注系统或冒口设置不当 造成局部过热粘砂 六 表面缺陷 七 夹杂类缺陷 1 金属夹杂物定义和特征 铸件内有成分 结构 色泽 性能不同于基体金属 形状不规则 大小不等的金属或金属间化合物 通常由外来金属所引起 形成原因 1 金属液中混入外来金属杂质 或外来金属杂质与铸件本体金属液反应 形成金属间化合物 2 金属炉料或合金添加剂未完全熔化 3 芯撑外露或漂浮 未完全与金属液熔为一体 4 未完全溶解的合金组元 中间合金或意外混入的外来金属杂质在铸件凝固后形成金属夹杂物 1 金属夹杂物 七 夹杂类缺陷 2 夹渣 渣气孔定义和特征 铸件表面或内部由熔渣引起的非金属夹杂物 形状不规则 通常位于铸件上表面 砂芯下面的铸件表面或铸件的死角处 铸件表面或内部伴有气孔的夹渣称为渣气孔 在断面上 夹渣和渣气孔均无金属光泽 形成的主要原因 1 熔炼 精炼除气或对金属液进行各种处理时加入的熔剂和形成的熔渣在浇注时随金属液一起进入型腔 2 金属液在浇注过程中二次氧化产生的金属氧化物与硫化物 游离石墨等夹渣一起上浮到铸件表面 或滞留在铸件的死角或砂芯的下表面等处 2 夹渣 渣气孔 3 铸钢 铸铁由于含硫量过高 锰硫比不当 脱氧 脱硫 除渣 除气不良 使金属液中含有大量的硫化物 一次氧化物和气体 浇注后在铸件内形成渣气孔 4 夹渣 渣气孔还可能由合金中各组元之间 或者这些组元与氮 氧之间发生反应 以及金属液及其氧化物与炉衬 包衬 砂型或涂料之间发生复杂的界面反应而引起 5 砂眼 定义和特征 铸件内部或表面包裹砂粒或砂块的孔洞 常伴有冲砂 掉砂 鼠尾 夹砂结疤 涂料结疤等缺陷 形成原因 1 型腔内的浮砂在合型前没有吹扫干净 2 合型后由浇注系统和冒口掉入砂粒或砂块 3 由于造型 下芯 合箱等操作不当 发生塌型 挤箱 掉砂 压坏砂型或砂芯 4 由于砂型或砂芯膨胀 浇注系统设计不合理 及浇注操作不当 造成砂型 芯 开裂 型 芯 砂脱落 产生冲砂 掉砂 鼠尾和夹砂结疤 脱落的型芯砂在铸件内形成砂眼 5 涂料不良 或砂型 涂料不干 浇注时涂层脱落 在造成涂料结疤的同时 形成涂料夹杂 5 砂眼 八 性能 成分 组织不合格 分两类 1 物理 力学性能和化学成分不合格 2 组织异常 主要有 石墨漂浮 石墨粗大 组织粗大 偏析 硬点 白口 反白口 球化不良 球化衰退和脱碳等 1 物理 力学性能和化学成分不合格定义和特征 铸件的化学成分 力学性能或物理性能不符合标准或验收技术条件的规定 产生原因 1 配料不准确 2 炉料来源杂 3 称量失误 4 化学分析 检验不正确 5 金属液处理或浇注不当 取样或实验方法不正确 八 性能 成分 组织不合格 2 石墨漂浮定义和特征 球墨铸铁件纵断面上密集的石墨黑斑 与正常的银白色断面组织之间有清晰的分界线 通常位于铸件顶部 砂芯下面或铸件死角处 金相组织特征为石墨球破裂 畸变 并含有大量富镁氧化物和硫化物 产生原因 1 铸件的碳含量过高 初生球状石墨从高温铁液中析出 上浮 集聚 2 球化处理或孕育温度过低 一般1480 15100C处理 1400 13600C浇注 3 处理后至浇注前的铁水停留时间过长 4 铸件壁太厚 冷却速度太慢 浇温过高 Mg残过低 八 性能 成分 组织不合格 3 偏析定义和特征 铸件或铸锭因凝固过程中非平衡结晶 使溶质以不同方式重新分布 造成化学成分和金相组织的不均匀分布和不一致 偏析按其在铸件中发生的范围 分为宏观偏析和微观偏析 宏观偏析包括区域偏析和重力偏析 微观偏析包括枝晶偏析和晶间偏析 3 偏析 原因 1 结晶温度范围较宽的合金 当冷却速度较快时发生不平衡凝固 造成凝固组织差异形成枝晶偏析 2 合金熔炼和处理时搅拌不均匀 浇注温度过高 浇注速度过慢 离心铸造时转速过快 凝固速度过慢 易使合金成分中组元密度差别悬殊的铸件产生重力偏析 3 铸件壁过厚 浇注温度过高 凝固时冷却速度过慢 易使凝固温度范围过宽的合金产生区域偏析 八 性能 成分 组织不合格 4 白口定义和特征 灰铸铁件的截面上全部或部分出现亮白色的组织 其硬度高 脆性大 切削加工困难 通常出现在铸件的薄截面 棱角或边缘处 其金相组织为分布在基体上的碳化物 原因 1 铁水碳当量过低 孕育处理不充分 导致Fe3C析出 2 铸件壁太薄 或冷铁使用不当 使铸件凝固冷却速度太快 产生白口缺陷 八 性能 成分 组织不合格 5 球化不良和球化衰退定义和特征 因球化剂加入量不足以使铸铁石墨充分球化 或球化处理后铁液停留 浇注 凝固时间过长而引起的铸铁石墨球化率低或不球化缺陷 原因 1 生铁和焦碳含硫量过高 原铁水炉内或炉外脱硫不良 2 铁水氧化严重 3 铁水中含有较多的反球化元素 Ti V Te Cr 4 球化剂加入量不足 5 球化剂Mg 稀土氧化 球化处理后停留时间过长 6 球化处理后未扒除铁水表面的富硫渣和另加覆盖剂 渣中的硫返回消耗铁水中的球化元素 使球化元素残留量低 第五章型砂材料种类及特点 5 1湿型造型后不需烘干而直接浇注的砂型叫湿型 1 湿型铸造的特点湿型铸造因铸型不需烘干 与干型相比具有许多优点 但是 湿型铸造在金属与铸型的界面作用过程中反应比较激烈 铸件容易出现一些缺陷 如 1 湿型的水分一般为3 5 5 5 比干型高很多 与高温的金属液相遇更容易产生大量的气体 有可能产生气孔缺陷 2 湿型表面的水分受金属液的高温烘烤而迁移形成水分凝聚层 较易造成铸件表面夹砂 结疤和鼠尾缺陷 5 1湿型 3 粘土砂的湿态强度比干态强度低 大约只有干态强度的1 5 1 10 在外力作用下较易掉落而造成铸件砂孔 或在金属液流的冲击下造成铸件多肉的缺陷 4 湿型的硬度和刚度比干型低 在金属的压力作用下容易退让变形而造成型壁移动 使铸件尺寸公差增大 而且促成铸件内部产生缩孔和缩松缺陷 2 湿型砂湿型砂按其在砂型中的位置分为面砂 背砂和单一砂 所谓面砂就是指覆盖在模样表面上构成型腔表面层的型砂 背砂就是在面砂背后用来充填加固的型砂 一般中小件造型时 往往只用一种型砂 称为单一砂 5 1湿型 湿型砂 砂型铸造采用最多的就是粘土砂 原因是 优点 1 适应性强1 适合于各种合金 铸铁 铸钢 有色合金 2 适用于各种造型方法 手工造型 机器造型 气冲造型 高压造型 2 经济1 价格低廉 且来源广泛 粘土 100元 吨 树脂 1万元 吨以上 2 工序简单 设备简单 混制方便 生产周期短 3 不需烘干 节省能源 3 回用性好 可以反复多次使用 4 无味 对人体无害 粉尘少 环境污染小 5 易于实现机械化和自动化 生产率高 2 湿型砂 缺点 1 含水量高 一般 3 5 5 5 发气量大 铸件易产生气孔缺陷 含水少 湿强度低 含水多 易产生气孔 溃散性差 2 湿型硬度 刚度较低 易造成型壁的移动使铸件尺寸增大 造成胀砂 内部易出现缩孔 缩松 3 浇注时 产生水分凝聚区 砂型强度大大降低 易造成夹砂 结疤等缺陷 4 湿态强度低 易产生冲砂缺陷 5 回用后粘土 灰分 煤分等增多 耐火度降低 6 流动性不高 赋形能力差 7 铸件尺寸精度低 5 1湿型 3 对湿型型砂的要求 1 水分 紧实率水分 为得到一定的湿态强度和韧性 粘土砂需要一定的水分 水分少 型砂干 砂型易破损 起模有困难 砂型表面强度低 易产生冲砂和砂孔等缺陷 水分多 型砂太湿 型砂流动性差 紧实度不均匀 浇注时产生大量气体 产生气孔和呛火 还增加夹砂结疤类缺陷 水分的测定 称取一定重量的型砂 放入烘干装置中使之干燥 由烘干前后的重量差计算型砂的水分 或依据手捏的感觉 或测量型砂的紧实率 紧实率 将被测型砂通过筛子和漏斗装满试样筒 筛孔直径4 8 6 4mm 刮去多余的型砂后 在锤击式试样机上打击三次 试样体积的压缩程度即为紧实率 3 对湿型型砂的要求 紧实率的测定原理 较干的型砂自由流入试样筒中时 砂粒堆积的比较密实 即松散密度较高 在相同的锤击紧实力作用下 型砂体积减少较少 而较湿的型砂 在未紧实前密度较低 砂粒的堆积较松散 紧实后体积减少较多 依据体积变化的大小可判断型砂的水分 C B A 100 C 紧实率 A 试样筒的高度 B 型砂被紧实的距离 最适宜的紧实率 手工造型和机器造型 50 高压和气冲造型 40 50 挤压造型 35 40 3 对湿型型砂的要求 2 透气性 型砂能让气体透过而逸出的能力称为透气性 砂型的排气能力 一方面靠冒口和出气孔 另一方面决定于砂型的透气性 湿型砂在液体金属的热作用下产生大量的气体 其气体的来源为 1 型砂空隙中和型腔中原有的空气受热膨胀 2 型砂中水分 包括自由水 吸附水和晶格水等 在高温作用下汽化 产生大量蒸汽 3 型砂中各种附加物和杂质受热分解 产生大量气体 透气性的测定 先称取一定量的型砂放入圆筒形标准试样筒中 在锤击式试样机上锤击三次 制成标准圆柱试样 然后放在透气性测定仪上 测出气钟内空气在一定压力下通过试样的时间 计算透气性 标准法 假设试样前 后压力差为P P1 P2 气体通过高度为H的试样的速度V为 V KP H K为比例系数 设Q为气体体积 cm3 通过试样截面积A cm2 的时间为t min 则气体通过试样的平均速度可表示为 V Q At Q KPAt H上式表明 通过试样的气体量Q与气压P 试样的截面积A 气体通过的时间t成正比 与试样高度H成反比 由此变换得 K QH PAtQ 气体的体积 H 试样高度 P 气体压力 A 试样截面积 t 时间 透气性 若将实验条件设定为 2000cm3的气体通过 50 50mm 1mm 的标准试样 即Q 2000cm3 H 5cm A 19 635cm2 则K 509 3 Pt 一般地 钟罩的标准压力为500Pa或1000Pa 所以 只要记录体积为Q的气体通过试样的时间t 即可求得透气率K 透气性并非越高越好 透气性在未涂涂料时很高 但砂粒间孔隙过大 易造成表面粗糙和粘砂缺陷 对厚大铸件 砂型表面采用透气性低的面砂 用透气性高的背砂充填 并扎透气孔 既防粘砂 又不出气孔缺陷 K QH PAt 透气性的测定 3 对湿型型砂的要求 3 湿态强度 砂型必须有一定的强度 以承受各种外力的作用 型砂的强度用型砂标准试样在受外力作用下遭到破坏时的应力值表示 60 200Kpa 强度不足 造型 起模时型砂易破损塌落 浇注时也经不住金属液的冲刷 但是 强度高 透气性和退让性不好 落砂 混砂和紧实都困难 湿型砂强度测试 湿态抗压 抗拉强度 抗剪强度 干型砂强度测试 抗压 抗拉强度 抗剪 抗弯强度 4 流动性 型砂在外力或本身重力作用下 砂粒间相互移动的能力称为流动性 流动性好的型砂可形成紧实度均匀 无局部疏松 轮廓清晰 表面光洁的型腔 有助于防止机械粘砂 获得光洁的铸件 流动性好也能减轻造型紧实型砂的劳动强度 提高生产效率 紧实度 砂型各部位的紧实程度 通常指砂型的密度 也可以用硬度来评价 流动性的检验方法 1 测定标准试样两端硬度的差别 硬度的差别越小 流动性越好 紧实度越均匀 流动性的测定 4 流动性 例如170g的型砂 放在冲样器上冲击三次 用下述参数来表征流动性 KS H下 H上 100 H下 试样下表面硬度 H上 试样上表面硬度 2 测定阶梯式试样两平面的硬度值差别 3 测定在底侧有环型空腔型砂试样筒中冲击成的试样高度 5 起模性 变形量 韧性和破碎指数 1 起模性 表示起模时砂型的棱角和吊砂是否容易破碎或摔落的性能 2 变形量 用起模时砂型的变形大小来衡量 表征型砂是否易被损坏 一般地 测量抗压强度时测量变形量 需要精度较高的强度实验机 3 韧性 使砂型破坏需做的功 一般认为起模性与型砂的韧性有很大的关系 韧性可以评价起模性和强度 3 对湿型型砂的要求 4 破损指数 反映起模性 韧性和流动性的综合指标 破损指数高 则起模性好 韧性好 但是流动性差 实验方法 用50mm的钢球 放置在1米的高度 自由下落后撞击在型砂试样上 然后 用标准筛分别测量称取大小块的体积 其比值就代表破碎指数 破碎指数 留在筛子上的型砂重量 试样重 100 3 对湿型型砂的要求 3 对湿型型砂的要求 6 抗变形 夹砂结疤类缺陷能力湿型铸造时在铸件表面常出现夹砂 结疤和鼠尾等缺陷 在生产厚大铸件时情况更为严重 成为扩大湿型铸造法应用的主要障碍之一 热湿拉强度试验 为模拟金属液注入砂型过程中砂型表面的传热情况 将湿型试样 50mm 50mm 的一端加热使之形成5mm左右的干砂层及其后的水分凝聚区 然后测出试样在水分凝聚区的热湿拉强度 6 抗变形 夹砂结疤类缺陷能力 热压应力试验 在试样筒中用火焰加热试样的凹面 型砂受热膨胀所产生的压应力将托着试样凸面的活塞向下推动 根据推力大小可计算出作用于试样周边的热压应力 激热试验 采用直径为 135mm的圆饼形型砂试样 表面上有V型沟槽 在激热试验炉中受到13000C辐射板自下而上的高温烘烤 通过炉门观察型砂试样上沟槽尖角的脱皮现象 开始脱皮时间表示型砂抗夹砂 结疤类缺陷的能力 激热和表面强度试验 激热试验 表面强度试验 5 1湿型 4 湿型砂用原材料湿型砂是由原砂 粘土 附加物及水按一定比例混制而成 经过混碾后 粘土 附加物和水混合成浆 包覆在砂粒表面形成一层粘结膜 粘结膜的粘结力决定了型砂的强度 韧性 流动性 砂粒间的孔隙决定了型砂的透气性 因此 为了制备性能符合铸造生产要求的型砂 必须考虑以下三方面的因素 1 原材料的选择 选用高质量的原材料是能否制成高质量型砂的先决条件 2 型砂配方 各种材料之间有一个合理的配合比例 3 混制工艺 使各种材料分布均匀 并使粘土膜完整地包覆在砂粒的表面上 4 湿型砂用原材料 原砂 铸造生产中使用的原砂一般是以石英为主要矿物成分的天然硅砂 天然硅砂资源丰富 分布极广 易于开采 成本低廉 能满足一般铸造条件下对型砂性能的要求 除石英砂外 铸造生产中还采用下列材料作原砂 1 镁砂 MgO 2 镁橄榄石砂 Mg2SiO4 3 锆砂 ZrSiO4 4 铬铁矿砂 FeCrO4 Fe Mg Cr2O45 熟料 在1200 15000C高温焙烧过的硬质粘土称为熟料 主要成分为莫来石3Al2O3 2SiO26 碳素砂 炭渣 石墨 7 石灰石砂 CaCO38 刚玉 Al2O3 4 湿型砂用原材料 对原砂的要求 1 原砂的含泥量 指原砂中直径小于20 m的小质点的含量 尽量控制在0 2 0 3 含泥量影响 透气性 水分 起模性和脆性 2 原砂的颗粒组成 砂粒的粗细程度和砂粒粗细的分布集中程度 目 1英寸上的筛孔数目 美国标准 45目 筛孔尺寸0 4mm 75目 0 2mm 100目 0 154mm 200目 0 074mm 3 原砂的颗粒形状 圆形和多角形 尖角形 原砂的粒形越圆 型砂就越容易紧实 标准试样的重量越大 透气性越低 砂粒越靠近 强度越高 原砂的矿物组成和化学成分 mAl2O3 nSiO2 xH2O 4 湿型砂用原材料 粘土 分普通粘土和膨润土 粘土主要是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料 各种粘土矿物主要是含水的铝硅酸盐 mAl2O3 nSiO2 xH2O 普通粘土 主要含有高岭石或依利石类矿物 膨润土 主要由蒙脱石组矿物组成 3Al2O3 2SiO2 附加物 加入附加物的目的是使型砂具有特定的性能 改善铸件的表面质量 铸造生产中填加的附加物主要有 1 煤粉 铸铁用湿型砂中加入煤粉 可以防止铸件表面产生粘砂缺陷 并能改善铸铁件的表面光洁度 煤粉所起的作用主要有 产生大量还原性气体 防止金属液氧化 使铁水表面的氧化铁还原 减少金属氧化物与造型材料进行化学反应的可能性 4 湿型砂用原材料 加入煤粉的缺点 1 虽然提高了型砂的抗塑性 但是充填了砂粒间的缝隙 导致型砂的透气性降低 2 湿压强度提高 3 使水分提高 韧性下降 煤粉加入量 3 8 2 渣油 又名燃料油或重油 是石油加工产品的残渣或中间产品 为深褐色粘稠膏状物 混砂时难以混碾均匀 一般用轻柴油稀释成粘度合适的渣油液 使加料和混碾更为方便 渣油与轻柴油的比例为90 10或60 40 渣油液的主要作用有 1 提高煤粉的防粘砂效果 2 提高型砂的流动性 改善紧实度及其均匀程度 3 改善起模性 渣油的加入量 1 0 左右 3 淀粉 目的是减少夹砂结疤类缺陷和冲蚀缺陷 增加型砂变形量 提高型砂韧性和可塑性 降低起模时模样和砂型间的摩擦阻力 减少因砂型表面风干和强度下降而引起的砂眼等缺陷 淀粉 是冻胶化淀粉或 淀粉 由玉米粉经加热处理而成 一般加入0 5 1 0 左右 5 湿型砂的性能和配方特点铸铁件湿型砂 新配制的湿型砂 1 紧实率 50 2 粘土含量 6 8 3 含水量 4 5 6 4 原砂 75 150目细砂 5 煤粉含量 大件5 8 小件3 4 6 泥分含量 12 16 7 透气性 一般在100以下 4 湿型砂用原材料 5 2无机化学粘结剂砂型 芯 铸造生产中应用最为广泛的无机化学粘结剂是钠水玻璃 其次为水泥 近几年又开发出磷酸盐聚合物粘结剂 一 无机化学粘结剂砂的优点 与粘土砂相比有下列优点 1 型 芯 砂流动性好 易紧实 造型 芯 劳动强度低 2 简化造型 芯 工艺 缩短生产周期 提高生产率 3 提高铸件质量 减少铸件缺陷 4 可在型 芯 硬化后起模 型 芯尺寸精度高 5 可取消或缩短烘烤时间 降低能耗 改善工作环境和工作条件 钠水玻璃砂的硬化方法主要有 CO2法 粉状硬化剂自硬法 液态硬化剂自硬法 自然硬化或烘干 5 2无机化学粘结剂砂型 芯 二 纳水玻璃及几个重要参数水玻璃 是各种聚硅酸盐水溶液的通称 最常用的是钠水玻璃 Na2OmSiO2 nH2O 及钾水玻璃 K2OmSiO2 nH2O 锂水玻璃 Li2OmSiO2 nH2O 和钠钾水玻璃 mK2O Na2O nSiO2 钠水玻璃 Na2O mSiO2 nH2O 此化学式是表示三个组成物质的量的比例 钠水玻璃有很强的碱性 PH值为11 13 钠水玻璃中硅酸盐究竟以哪种化合物形式存在于水溶液中的机理尚不清楚 但是 钠水玻璃有几个重要参数 直接影响它的化学和物理性质 也直接影响钠水玻璃的工艺性能 这就是钠水玻璃的模数 密度 含固量和粘度等 钠水玻璃砂 模数 钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量之比称为模数 用M表示 M nSiO2 nNa2O 1 033wSiO2 wNa2OwSiO2和wNa2O分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的质量分数 模数的大小仅表示钠水玻璃中SiO2和Na2O的物质的量比 并不表示钠水玻璃中硅酸盐的质量分数 模数高的钠水玻璃其硅酸钠的质量分数不一定高 模数越高 作为芯 型 砂粘结剂时的硬化速度也越快 达到最高强度的时间也越短 但是 模数高 芯 型 砂的保存性差 不适合于造型和制芯 铸造生产中 通常使用M 2 3 3的钠水玻璃 钠水玻璃砂 那么 如何调节水玻璃的模数 1 降低模数可适当加入NaOH 提高水玻璃中Na2O的质量分数 反应式为 Si OH 4 2NaOH Na2O SiO2 H2O 2H2O2 提高钠水玻璃的模数 则可加入HCl NH4Cl等 以中和部分Na2O 反应式为 Na2O mSiO2 nH2O 2HCl mSiO2 nH2O 2NaCl H2ONa2O mSiO2 nH2O 2HCl 2NH4Cl mSiO2 n 1 H2O 2NaCl 2H2O 2NH3除模数外 能说明钠水玻璃主要技术性能的还有密度 含固量 水分 粘度和杂质含量 钠水玻璃砂 密度 钠水玻璃的密度 取决于钠水玻璃中水的质量分数 而不是模数 因为SiO2 60 和Na2O 62 的相对分子质量数极为相近 密度低 水质量分数高 含固量少 不硬化或硬化速度慢 不宜用做型 芯 粘结剂 密度过大 粘稠 也不便定量和不利于与砂子混合 铸造生产中常采用的密度为 1 32 1 6g cm3水分 将钠水玻璃同煅烧硫酸钙或干净石英砂混合 在1040C左右烘干至恒重 然后按下式计算钠水玻璃的水分 Q W G W G W 100 式中 W为混合物中的钠水玻璃重量 G是混合物中的颗粒材料的重量 G 是单独将同样的颗粒材料烘干后的质量损失 W 为混合物烘干至恒重后的重量 三 钠水玻璃的硬化机理 目前 铸造生产中常用的一些硬化方法 都是基于加入能直接或间接影响化学反应平衡点的气态 液态或粉状硬化剂 与OH 作用 降低PH值 或靠失水或靠上述二者的复合作用来达到硬化 1 失水 发生在液态 固态的转变凡是能去除钠水玻璃中水分的方法 如加热烘干 吹热空气或干燥的压缩空气 真空脱水 微波照射以及加入产生反应的化合物等 都可使钠水玻璃硬化 2 化学反应 形成新的产物 高聚物3 吹二氧化碳硬化 由于CO2是一种脱水能力很强的气体 CO2与粘结剂接触使钠水玻璃部分脱水 同时 CO2与钠水玻璃中的水作用形成碳酸 即 CO2 H2O 2H CO32 从而使表层钠水玻璃的PH值不断降低 并达到迅速硬化 因此 CO2硬化既有钠水玻璃的物理脱水作用 也有化学反应 二者难以截然分开 四 CO2 钠水玻璃砂 CO2 钠水玻璃砂 由纯净的人造 或天然 石英砂 加入4 5 8 0 的钠水玻璃 质量分数 配制而成 对重型的 质量要求高的大型铸钢件砂型 芯 全部面砂或局部采用镁砂 铬铁矿砂 橄榄石砂 锆砂等特种砂代替石英砂 如果要求钠水玻璃具有一定的湿态强度和可塑性 以便脱模后再吹CO2 可加入1 3 膨润土 质量分数 或3 6 普通粘土 质量分数 或加入部分粘土砂 为改善出砂性 有的砂芯中往往吹入1 5 的木屑 或加入5 的石棉粉或其他附加物 四 CO2 钠水玻璃砂 制型 芯 钠水玻璃砂流动性好 制芯时可用手工或靠微波紧实 也可采用吹射制芯 型 吹CO2硬化时 可依据砂型 芯 的大小和形状选择 要求CO2能迅速均匀进入砂型 芯 的各个部分 以最少CO2消耗量达到使砂型 砂芯各部分硬化均匀 避免出现死角的效果 模型吹气法 模样钻孔 硬化均匀插管法 盖罩法 真空 CO2硬化 脉冲吹气硬化等 金属管 罩盖 CO2节约90 节约40 型砂的温度应该控制在20 300C 过高则失水较早 过低 100C 则硬化较慢 插管法 模型吹气法 真空 CO2硬化 盖罩法 1 出砂性差钠水玻璃砂的主要缺点是溃散性差 导致出砂性差 清理困难 模数越低 高温强度和残留强度越高 清理越困难 出砂后结块的型砂给旧砂再生带来困难 残留强度 是指将型砂加热到一定温度后 再随炉冷却到室温所测出的强度 常用改善出砂性的措施 1 添加附加物在钠水玻璃中加入附加物 如糖类 树脂 油类 纤维素类等 或氧化铝 粘土粉和石灰石等 在高温下挥发 气化或燃烧碳化 可在一定程度上破坏钠水玻璃粘结剂膜的完整性 六 钠水玻璃砂存在的问题 六 钠水玻璃砂存在的问题 2 减少钠水玻璃用量出砂的难易 在很大程度上取决于钠水玻璃的加入量 从将配比从8 降低到4 可以使出砂工作量减少4 5 但是降低钠水玻璃的加入量应以不损害常温强度为原则 为此 要注重发挥钠水玻璃的粘结效率 可采用磁场和超声波处理钠水玻璃溶液增加溶胶颗粒的分散度和均匀性 降低其粘度和表面张力 可提高粘结强度20 30 3 降低易熔物质含量减少钠的存在 如将钠水玻璃改良成钠 钾 钠 锂或钠 钾 锂水玻璃 是提高钠水玻璃粘结剂熔融温度 降低其残留强度的关键 六 钠水玻璃砂存在的问题 2 铸铁件粘砂铸钢件由于浇注温度高 钢水表面易氧化 粘砂层中氧化铁 氧化锰等含量高 粘砂层易于清除 但厚大铸钢件 钢水对型砂的热作用强烈 使钠水玻璃砂严重烧结 砂型表面孔多 钢水进入空隙中 造成严重粘砂 铸铁件浇注温度低 铁 锰不易氧化 粘砂层是晶体结构 粘砂层不易清除 防止方法 刷涂料 在生产铸铁件用钠水玻璃砂中加入适量的煤粉 3 6 六 钠水玻璃砂存在的问题 3 型 芯表面粉化 白霜 如果水分或吹CO2过多时 钠水玻璃砂硬化后 放置一段时间 会在砂型 砂芯表面出现像白霜一样的物质 严重降低砂型的表面强度 浇注时极易产生冲砂缺陷 Na2CO3 H2O NaHCO3 NaOHNa2O 2CO2 H2O 2NaHCO34 砂芯抗吸湿性差用CO2或加热法硬化的钠水玻璃砂 装配在湿型中时如果不及时浇注 砂芯就会吸湿导致强度急剧下降 不仅可能出现蠕变 甚至坍塌 5 其他缺点1 发气量大 2 热膨胀大 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 一 制芯方法分类当前 可供选择的制芯方法大致有 1 砂芯在芯盒外面加热硬化 2 砂芯的成型和加热硬化在芯盒中完成 3 砂芯在芯盒中自行硬化到尺寸形状稳定后再脱模 再在室温下进一步硬化 4 砂芯在芯盒中靠通过气体 或气雾 硬化 制芯方法中主要还是采用热法还是冷法 热法发展较早 技术较成熟 但冷法是未来的发展方向 热法 壳法 壳型 壳芯 热芯盒制芯法 温芯盒制芯法 冷法 自硬芯盒法和气硬芯盒法 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 二 合脂砂1 合脂粘结剂 我国六十年代研制的粘结剂 来源广泛 价格低廉 用以替代植物油 合脂是合成脂肪酸蒸馏残渣的简称 是从炼油厂原料脱蜡过程中得到的石蜡 再用石蜡制取合成脂肪酸时所得到的副产品 合脂的成分 1 高级脂肪酸和羟基酸 2 羟基酸的内脂和交脂 3 中性氧化物和未氧化的蜡 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 常温下合脂为黑褐色膏状物 温度低时呈固体块状 为便于混砂 使用时必须加溶剂稀释后成为合脂粘结剂 常用的溶剂为煤油 成本较低 对人体皮肤无大的刺激 所以应用较广 煤油的加入量 一般为合脂的44 50 质量分数 热天或对砂芯的流动性要求不高时为33 42 大批量制芯要求缩短砂芯烘干时间 提高生产率时采用油漆溶剂油稀释 2 合脂砂的性能1 合脂砂的特点 1 合脂砂湿强度低 在无其它附加物的情况下 一般只有2 0 3 5Kpa 2 干强度高 如果不包含溶剂 其比强度接近于干性植物油 1 2 1 5MPa 3 合脂砂芯吸湿性小 发气量比油砂略小 4 合脂砂表面张力也小 但粘度大 所以 合脂砂的流动性比油砂差 5 合脂砂蠕变性大 在湿态下放置及在烘干过程中逐渐变形 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 1 影响合脂砂性能的因素 1 合脂的稀释比 砂芯干强度随溶剂含量提高 稀释比增大 合酯粘结剂的粘度下降 可更均匀地包覆在砂粒表面 如图所示 当稀释比超过8 10后干强度下降 是由于烘干过程中大量溶剂向外蒸发 破坏了粘结膜的连续性 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 2 合脂粘结剂的加入量 合脂砂的干强度随合脂粘结剂加入量的增加而增加 但发气量增大 粘模加重 蠕变加大 出砂性变差 一般加入2 5 4 5 3 粘土 合脂粘结剂的湿强度低 烘干时蠕变性又大 实际应用时大多加入粘土或含泥量高的天然粘土砂以提高湿强度 但每加入1 膨润土则干强度降低10 15 目前采用加膨润土和糊精或纸浆废液的方法 既改善湿强度 又不降低干强度 4 烘干温度 烘干温度对获得最大强度影响很大 低温长时间烘烤可得到最大强度 一般在180 240 之间 最适宜温度为200 220 过高破坏粘结性能 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 3 乳化合脂的应用合脂粘结剂多用煤油稀释 既消耗大量煤油 又对人体有害 因此 生产中常采用将合脂制成乳液后使用 配比 原合脂 水 苛性钠 1 1 1 3 0 26 0 36配制方法 1 先将固体苛性钠溶解到一部分水中 2 再按配方加入原合脂和其余的水 3 然后一起加热 搅拌 直到合脂变成不能拉丝 无黑点的稀糊状 表面有气泡并冒白烟 表明合脂已经完全乳化 砂中乳化合脂的质量分数为6 时 湿压强度可达到7 4KPa 比用煤油稀释的合脂砂强度提高了一倍 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 4 合脂砂存在的问题1 砂芯蠕变即湿态下或烘干过程中变形 解决方法 1 加糊精 2 增加芯骨 3 用成形烘干器烘干 避免震动 4 烘干时用快速加热的方法使表面尽快硬化 5 提高舂砂的紧实度 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 2 砂芯的流动性不理想解决方法 1 降低合脂粘结剂的紧实度 控制稀释比 2 减少合脂粘结剂加入量 3 控制粉状材料及水溶性附加物的加入量 4 在合脂粘结剂中加入少量植物油 如加0 16 1 的亚麻油 5 选用粒度分布均匀 含杂质少的圆形原砂 5 3有机化学粘结剂砂 芯 型 合脂砂 3 粘附芯盒解决方法 1 芯盒擦煤油 或撒石松子粉作脱模