第2章砂型铸造

1、第六第二章 砂型铸造铸型：铸造生产中使液态金属成为固态铸件的容器。容器的内部称型腔，其轮廓相当于所制铸件的外形。根据铸型特点分：一次型砂型、熔模、石膏型、实型铸造（消失模铸造）；半永久型泥型、陶瓷型、石墨型铸造；永久型金属型、压力、挤压、离心铸造；根据浇注时金属所承受的压力状态分：重力作用下的铸造和外力作用下的铸造金属液在常压下完成浇注，称为自由浇注或常压浇注。金属液在外力作用下实现充填和补缩，如压力铸造、挤压铸造、离心铸造和反重力铸造。砂型铸造：是利用型（芯）砂制造铸型的铸造方法。 整模造型分模造型第一节 砂型和砂芯的制造方法一、概述1 缺点、优点：砂型铸造是铸造生产中最广泛的一种方法，世界

2、各国用砂型铸造生产的铸件占总产量的80-90%。型砂：将原砂或再生砂+粘结剂+其它附加物所混制成的混合物。砂型（芯）：型（芯）砂在外力作用下成形并达到一定的紧实度或密度成为砂型（芯）。2 砂型的种类湿型：由原砂、粘土、附加物及水按一定比例混碾而成湿型砂；用湿型砂春实，浇注前不烘干的砂型。干型：经过烘干表面干型：表面仅有一层很薄（15-20mm）的型砂被干燥，其余部分仍然是湿的。化学自硬砂型：砂型靠型砂自身的化学反应而硬化。二、砂型和砂芯的制造方法分类造型：制造砂型的工艺过程。造芯：制造砂芯的工艺过程。选择合适的造型（芯）方法和正确的造型（芯）工艺操作，对提高铸件质量、降低成本、提高生产率有极重

3、要的意义。1 按型（芯）砂粘（固）结机理分类机械粘结造型（芯）、化学粘结造型（芯）、物理固结造型（芯）2 按造型（芯）的机械化程度分类（1）手工造型（芯）手工造型（芯）是最基本的方法，这种方法适应范围广，不需要复杂设备，而且造型质量一般能够满足工艺要求，所以到目前为止，在单件、小批量生产的铸造车间中，手工造型（芯）仍占很大比重，在航空、航天、航海领域应用广泛。缺点：劳动强度大、生产率低、铸件质量不易稳定。模样造型、刮板造型、地坑造型，各种造型方法有不同的特点和应用范围。（2）机器造型（芯）用机器完成全部或部分造型工序，称机器造型。优点：生产率高、质量稳定、劳动强度低。缺点：设备和工艺装备费用较

4、高、生产准备时间长、一般适用于一个分型面的两箱造型。机器造型（芯）主要适用于黑色金属铸件的大批量生产。三、砂型铸造的工艺流程上次课程回顾和第一章内容回顾：第五节 冷铁设计一、冷铁的作用二、冷铁材料的选择三、外冷铁四、内冷铁问题：1 冷铁在铸件凝固收缩过程中起什么作用？2 如何根据不同的目的来确定冷铁的放置位置？问题：1 冷铁在铸件凝固收缩过程中起什么作用？（1）控制铸件的凝固次序与浇注系统和冒口配合使用，控制铸件凝固过程。1）形成顺序凝固的凝固次序；2）改变铸件的凝固次序，使之形成顺序凝固；3）增大凝固过程的温度梯度，使凝固次序更加明显；4）加速铸件局部厚大部位的凝固速度。（2）加速铸件的凝固

5、速度，细化晶粒组织，提高铸件的力学性能（3）用来划分冒口的补缩区域，控制和扩大冒口的补缩范围，提高冒口的补缩效率2 如何根据不同的目的来确定冷铁的放置位置？确定冷铁在铸型中的位置，主要取决于要求冷铁所起作用以及铸件的结构、形状，同时还需要考虑冒口和浇注系统的位置。依据冷铁作用的分析，一般将冷铁放在铸型下部，或者放在热节部位或热节附近；依据铸件结构分析，一般将冷铁放在不易安放冒口的厚大部位；依据冷铁与冒口配合使用，放置冷铁的位置与冒口应有一定的距离；依据浇注系统及引入位置对冷铁作用的影响，采用底注式浇注系统时，一般均在铸件底部放置冷铁。第一章内容回顾第一章 液态金属成形（铸造）过程及控制第一节

6、液态金属充型过程的水力学特性及流动情况一、液态金属充型流动过程的水力学特性二、液态金属在浇注系统中的流动情况三 金属熔体过滤器及浇注系统第二节 浇注系统设计一、浇注系统的类型及应用浇注系统类型的选择是正确设计浇注系统的重要问题之一。1 按浇注系统各单元断面积比例分类2 按液态金属导入铸件型腔的位置分类二、浇注系统尺寸设计在浇注系统的类型和引入位置确定以后，就可以进一步确定浇注系统各基本单元的尺寸和结构。按水力学近似公式或经验公式计算浇注系统的最小截面积，再根据铸件的结构特点、几何形状等确定浇道比，最后确定各单元的尺寸和结构。伯努利方程-奥赞公式三、几种合金浇注系统设计的特点第三节 液态金属凝固

7、收缩过程的工艺分析一、液态金属凝固过程的收缩二、铸钢件中的缩孔和缩松1 缩孔形成机理2 缩松形成的机理第四节 冒口设计一、冒口的作用和种类1 冒口的作用2 对冒口的要求3 冒口的种类和形状二、冒口的补缩原理1 冒口的有效补缩距离2 工艺补贴的应用3 冒口位置的确定三、通用冒口的设计四、实用冒口的设计五、提高通用冒口补缩效率的措施和特种冒口第五节 冷铁设计一、冷铁的作用二、冷铁材料的选择三、外冷铁四、内冷铁第二章 第一节内容回顾第一节 砂型和砂芯的制造方法一、概述1 缺点、优点：2 砂型的种类二、砂型和砂芯的制造方法分类1 按型（芯）砂粘（固）结机理分类机械粘结造型（芯）、化学粘结造型（芯）、物

8、理固结造型（芯）2 按造型（芯）的机械化程度分类（1）手工造型（芯）（2）机器造型（芯）用机器完成全部或部分造型工序，称机器造型。三、砂型铸造的工艺流程问题：1 什么叫砂型铸造？砂型和砂芯的制造方法是如何分类的？2 简述砂型铸造工艺流程。问题：1 什么叫砂型铸造？砂型和砂芯的制造方法是如何分类的？砂型铸造：是利用型（芯）砂制造铸型的铸造方法。（1）按型（芯）砂粘（固）结机理分类机械粘结造型（芯）、化学粘结造型（芯）、物理固结造型（芯）。（2）按造型（芯）的机械化程度分类手工造型（芯）、机器造型（芯）。2 简述砂型铸造工艺流程第二节 粘土湿型一、湿型及其特点湿型：造好的砂型不经烘干、直接浇入高温

9、金属液的砂型。以粘土和适量的水为型砂的主要粘结剂，制成砂型后直接在湿态下合型和浇注。湿型铸造历史悠久，应用较广。基本特点：砂型（芯）不无需烘干，不存在硬化过程。优点：生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水线生产，易于实现生产过程的机械化和自动化；材料成本低；节省了烘干设备、燃料、电力及车间生产面积；延长了砂箱使用寿命。缺点：夹砂结疤、鼠尾、粘砂、气孔、砂眼、胀砂等。随着铸造科学技术的发展，对金属与铸型相互作用原理的理解更加深刻；对型砂质量的控制更为有效；加上现代化砂处理设备使型砂质量得到了一定保证；先进的造型机械使型砂紧实均匀，起模平稳，铸型的质量较高，促进了湿型铸造方法应用范围的扩

10、大。例如汽车、拖拉机、柴油机等工业中，质量在300500kg以下的薄壁铸铁件，现都已成功地采用湿型铸造。现代化造型方法有：普通机器造型、微震压实造型、多触头高压造型、射压造型、冲击造型及静压造型等。20世纪初铸造业开始采用辗轮式混砂机混砂，使粘土湿型砂的质量大为改善。新型大功率混砂机可使混砂工作达到高效率、高质量。以震实为主的震击压实式造型机的出现，又显著提高了铸型的紧实度和均匀性。随着对铸件尺寸精度和表面质量要求的提高，又出现了以压实为主的高压造型机。用高压造型机制造粘土湿砂型，不但可使铸件尺寸精度提高，表面质量改善，而且使紧实铸型的动作简化、周期缩短，使造型、合型全工序实现高速化和自动化。

11、气体冲击加压的新型造型机，利用粘土浆的触变性,可由瞬时施以0.5MPa的压力而得到非常紧密的铸型。这些进展是粘土湿砂型铸造能适应现代工业要求的重要条件。因而这种传统的工艺方法一直被用来生产大量优质铸件。二、湿型所用的主要原材料粘土湿型所用的主要原材料有原砂（或旧砂）、粘土（膨润土）、煤粉、水及其它附加物等，按一定比例混碾而成。1 原砂原砂按矿物组成不同分为石英质原砂和非石英质原砂两类。GB/T9442-1998-铸造用硅砂（1）石英质原砂主要来自天然硅砂，以圆形颗粒为优。硅砂矿物主要组成是石英(SiO2，熔点1713)，其次是长石及少量云母(为一些碱金属或碱土金属氧化物)等。铸造用硅砂的特殊要

12、求：含泥量、颗粒组成、原砂颗粒形状及表面状况、原砂的矿物组成和化学成分等。缺点：热膨胀系数比较大，而且在573时会因相变而产生突然膨胀，导致铸件热裂；热扩散率比较低；容易与铁的氧化物起作用等。在生产高合金铜铸件或大型铸钢件时，使用硅砂配制的型砂，铸件容易发生粘砂缺陷，使铸件的清理十分困难。清砂过程中，工人长期吸入硅石粉尘易患矽肺。（2）非石英质原砂是指矿物组成中不含或只会少量游离SiO2的原砂。主要有镁砂、橄榄石砂、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂、刚玉砂、钛铁矿砂、铝矾土砂等。这些材料与硅砂相比，大多数都具有较高的耐火度、热导率、热扩散率和蓄热系数，热膨胀系数低而且膨胀均匀，与金属氧化物的反应能力低

13、等优点，能得到表面质量高的铸件并改善清砂劳动条件。但这些材料中有的价格较高，比较稀缺，故应当合理选用。 2 膨润土膨润土主要是由蒙脱石组矿物组成的，主要用于湿型铸造的型砂粘结剂。膨润土被水湿润后具有粘结性和可塑性，烘干后硬结，具有干强度。而硬结的粘土加水后又能恢复粘结性和可塑性，因而具有较好的复用性。粘土资源丰富，价格低廉，所以应用广泛。铸造用膨润土可分为钠膨润土和钙膨润土两大类。3 煤粉煤粉通常是将烟煤里的气煤、肥煤和焦煤根据铸造煤粉性能（主要是灰分和挥发分）要求，按照一定比例进行混配，经粉碎制成的产品，外观为黑色或黑褐色。铸造用湿型砂中加入煤粉，可以防止铸铁件表面产生粘砂缺陷，改善铸铁件的

14、表面光洁度，减轻抛丸清理工作量，并能减少铸件脉纹、夹砂缺陷。同时起到提高型砂溃散性的作用。对于湿型铸造球墨铸铁件，型砂中加入煤粉还有利于防止产生皮下气孔。三、湿型砂的混制、旧砂处理及型砂性能检测1 混砂粘土湿型的典型配方：原砂（或旧砂）100%，膨润土1-5%，煤粉少于8%，水少于6%，其它附加物适量。混砂时一般的加料顺序是：先加原砂、粘土和附加物，干混2-3min后再加入水和液态粘结剂，进行湿混。混砂时间应根据型砂种类和混砂机的形式来决定。为使各种材料均匀混合，混砂时间不能太短。对粘土含量高的型砂，混砂时间要长些；但过长的混砂时间又反而不利，将使型砂温度升高，水分蒸发，型砂结块。 为使型砂水

15、分分布均匀和粘土充分膨胀，混制好的型砂应在不失水的条件下停放一段时间后再使用，有一定回性(或调匀)过程。原砂细、粘土含量越高的型砂，回性时间应较长。一般单一砂停放2-3h，面砂停放4-5h。回性后的型砂若有结块，造型前必须松砂。混砂过程的作用：混合均匀；粘土包覆在砂粒周围。混砂机：碾轮式、摆轮式、叶片式等。2 旧砂处理生产1t铸件约需5-10t湿型型砂，配制型砂时都尽量回用旧砂。混砂时，需向旧砂中补充加入新砂、膨润土、煤粉和水等材料，使混制出的型砂性能符合要求。3 型砂性能检测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。根据铸件合金的种类，铸件的大小、厚薄、浇注温度、金属液压头、砂型

16、紧实方法、紧实比压、起模方法、浇注系统的形状、位置和出气孔情况，以及砂型表面风干情况等的不同，对湿型砂性能提出不同的要求。最主要的，即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，其检测方法有在线控制和线外控制之分。四、湿型的紧实工艺1 对型（芯）砂紧实度的要求（1）紧实度对铸型性能的影响型砂需要紧实才能成为整体的砂型。型砂的紧实程度常用紧实度（密度）或孔隙度表示。紧实度（密度）或孔隙度影响着铸型的强度和透气性。（2）对型砂紧实度的要求：铸型紧实度高

17、且均匀。双面压实法紧实度最高。紧实度的测量：测量密度或硬度2 震击紧实和震压紧实震击紧实震击高度30-60mm，震击次数30-50次/min，砂箱高度不低于150mm，否则紧实效果不好。型砂紧实度沿砂箱高度是上松下紧，顶部型砂紧实度几乎与震击前一样。震压紧实：震压造型机为了克服震击紧实砂箱上部型砂紧实度太松的缺点，可以先震击使底部型砂紧实，再对顶部型砂补充压实。3 压实、威震压实和高压压实压实 微震压实造型上述压实造型是中低压压实，其压实比为0.4MPa左右。高压压实：压实比压0.7MPa以上4 抛砂、吹砂、射砂和射压紧实 抛砂壳芯法 射砂（芯）吹沙：在制造酚醛树脂壳芯时多采用吹沙法，利用壳芯

18、机将制备好的酚醛树脂吹入加热的芯盒内，并保持一定的结壳时间，使靠近芯盒壁的树脂受热熔融而粘结成一薄层砂壳。射压紧实：先射砂后加压压实的方法。5 气流冲击紧实气流冲击紧实造型是将压力为0.4-0.6MPa的压缩空气以均匀的气流冲击型砂表面，使型砂紧实造型的新方法。优点：砂型紧实度均匀，砂型硬度高，铸件尺寸精度和光洁程度都得到提高；造型机结构简单，噪声小；生产率高，劳动条件好；砂型充填性好，吃砂量少，可节约型砂及混砂能耗；适应性强，既可利用高压造型型砂，也可利用普通机器造型型砂。第三节 钠水玻璃砂型一、概述水玻璃砂是以水玻璃为粘结剂的一种型砂，广泛用于铸钢件生产。水玻璃砂依其硬化方式不同可分为“C

19、O2硬化砂”、“自硬砂”和“流态自硬砂”。铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是钠水玻璃。优点：1 混好的型砂在硬化之前有很好的流动性，造型时型砂很易舂实，因而不需要庞大而复杂的造型机，造型（芯）劳动强度低。2 硬化快，强度较高，可简化造型（芯）工艺，缩短生产周期，提高劳动生产率。3 化学硬化砂型的强度比粘土砂型高得多，而且制成砂型后在硬化到具有相当高的强度后脱膜，不需要修型。因而，铸型能较准确地反映模样的尺寸和轮廓形状，在以后的工艺过程中也不易变形。制得的铸件尺寸精度较高。4 用水玻璃作粘结剂的化学硬化砂成本低、使用中工作环境无气味。取消或缩短烘烤时间，降低能耗，改善工作环境和工作条件。5

20、由于所用粘结剂和硬化剂的粘度都不高，很易与砂粒混匀，混砂设备结构轻巧、功率小而生产率高，砂处理工作部分可简化。6 用化学硬化砂造型时,可根据生产要求选用模样材料,如木、塑料和金属。7 化学硬化砂中粘结剂的含量比粘土砂低得多,其中又不存在粉末状辅料,如采用粒度相同的原砂，砂粒之间的间隙要比粘土砂大得多。为避免铸造时金属渗入砂粒之间，砂型或型芯表面应涂以质量优良的涂料。8 用树脂作粘结剂的化学硬化砂成本较高,但浇注以后铸件易于和型砂分离,铸件清理的工作量减少，而且用过的大部分砂子可再生回收使用。缺点：这种铸型浇注金属以后型砂不易溃散；用过的旧砂不能直接回收使用，须经再生处理，而水玻璃砂的再生又比较

21、困难。二、钠水玻璃粘结剂水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称。铸造用水玻璃是一种粘稠的硅酸钠水溶液，呈碱性。如钠水玻璃(Na2O·mSiO2·nH2O)等。由于它在液态时具有粘性，并在一定的硬化条件下能转变为凝胶状态，因而可用做型砂和芯砂的粘结剂。模数和密度是衡量水玻璃性质的两个重要指标，它直接影响水玻璃砂的一系列性能。 1 水玻璃的模数 钠水玻璃中SiO2和Na2O两种物质量之比称为水玻璃模数，用M表示。铸造中使用的水玻璃的模数通常为2-4。2 水玻璃的密度 当模数一定时，水玻璃的密度取决于溶解在其中的硅酸钠含量。硅酸钠含量越高，水玻璃的密度越大。水玻璃密度可以通过温水稀释或

22、浓缩的方法进行调整。造型用水玻璃密度一般控制为1.45-1.69cm3。三、水玻璃型（芯）砂的硬化方法硬化方法：1 吹CO2硬化2 真空置换硬化（VRH）CO2法提高铸件质量，减少水玻璃加入量和CO2消耗量，显著地改善渍散性，显著改善砂型的溃散性，明显地提高旧砂回用率。3 液态有机酯硬化四、钠水玻璃砂应用问题及其解决途径钠水玻璃砂工艺在生产中存在的主要问题是溃散性差，砂型芯表面易粉化（白霜），浇注铸铁件易产生粘砂，砂型芯抗吸湿性差以及旧砂再生和回用困难等。第四节 树脂砂型（芯）一、砂芯的分级砂芯主要用来形成铸件的内腔、孔洞和凹坑等部分，在浇筑时，它的大部分或部分表面被液态金属包围，经受金属液的

23、热作用和机械作用强烈，排气条件差，出砂及清理困难。因此，对芯砂的性能要求一般比砂型高。生产上常将砂芯分为5级。二、覆膜砂及壳法造型（芯）1 覆膜砂在造型（芯）前，将砂粒表面已覆有一层固态树脂膜的型砂、芯砂称为覆膜砂，也称壳型（芯）砂。覆膜砂一般由耐火骨料、粘结剂、固化剂、润滑剂和特殊添加剂组成。骨料：硅砂；锆砂或铬铁矿砂；粘结剂：酚醛类树脂；固化剂：六亚甲基四胺；润滑剂：硬脂酸钙；添加剂：耐高温添加剂（含碳材料或其它惰性材料）、易溃散添加剂（二氧化锰、重铬酸钾、高锰酸钾、己内酰胺等）、增强增韧添加剂（超短玻璃纤维材料、有机硅烷偶联剂等）以及防粘砂添加剂和抗老化添加剂等。覆膜砂的混制工艺主要有冷

24、法覆膜、温法覆膜和热法覆膜三种。2 壳法造型（芯）用壳芯法制芯可以在壳芯机内生产出表层仅数毫米的砂壳，中部空心，既节约了原材料，又有利于砂型排气。此法不仅可用来造型，更主要是用于制芯。三、热（温）芯盒法造型（芯）热芯盒法和温芯盒法制芯，是用液态热固性树脂粘结剂和催化剂配制成的芯砂，吹射入被加热到一定温度的芯盒内（热芯盒为180-250，温芯盒低于175），贴近芯盒表面的砂芯受热，其粘结剂在很短时间即可聚缩而硬化。四、自硬冷芯盒造型（芯）将原砂、液态树脂及液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒（或砂箱）中，稍紧实即于室温下在芯盒（或砂箱）内硬化成形，称为自冷芯盒法制芯。五、气硬冷芯盒造型（芯）气硬冷芯

25、盒发制芯是将树脂砂填入芯盒，而后吹气硬化制成砂芯。第五节 砂型（芯）的烘干、合型、浇注及落砂清理一、砂型（芯）的烘干大型、重型以及质量要求高的铸件，普通砂型和砂芯均需烘干，以除去水分，提高强度和透气性，减少发气量，使铸件不易产生气孔、砂眼、夹砂和粘砂等缺陷，从而保证铸件质量。烘干过程升温预热、高温加热水分大量蒸发、内冷却阶段高温加热时，必须使含有水分的炉气排出炉外，加快炉气循环。烘干方法表面烘干喷灯火焰烘干、移动式焦炭炉或煤气烘干炉、红外线辐射烘干以及高频干燥炉和微波技术烘干。整体烘干周期式烘干炉（台车式和抽屉式）二、合型合型就是把砂型和砂芯按要求组合为铸型的过程制备铸型的最后工序。合型质量不高，铸件形状、尺寸和表面质量就得不到保证，甚至会因偏芯、错型、抬型跑火等原因而使铸件报废。合型步骤：1 全面检查、清扫、修理所有的砂型和砂芯，特别要注意检查砂芯的烘干程度和通气道是否畅通。2 依次将砂芯装入砂型，严格检查，保证铸件壁厚、砂型固定、芯头排气和填补接缝处的间隙。3 仔细清除型内散沙，全面检查下芯质量，在分型面上沿型腔外围放上一圈