第一章 砂型制造zd

材料成形工艺2016李兵材料成形工艺用熔化、结晶、塑性变形、扩散等各种物理化学变化使工件成形的方法和技术达到零件预定的设计要求。概述1概念：液态金属借助外力充填到型腔中，凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。2铸造的优点和缺点：

优点：缺点：3铸造的基本问题：

凝固组织控制；铸造缺陷防止；尺寸精度与表面粗糙度的控制。一铸造概念、优缺点铸造成形：将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件第一篇铸造成形工艺铸造成形的特点优点可以铸造出内腔、外形很复杂的毛坯。对材料的适应性广，适应铸铁，碳钢，有色金属等各种材料，能熔便可铸；铸件大小和重量几乎不受限，厚零点几mm到几m，质量几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。第一篇铸造成形工艺铸造成形的特点优点缺点铸件内部组织均匀性、致密性一般较差；力学性能较锻件差；产品一致性较差。第一篇铸造成形工艺铸造成形的特点金属铸造成形在机械制造业中占有重要的地位。在一般机械设备中占重量45％—90％在金属切削机床中占重量

70％—80%在汽车及农业机械中占重量

40%—70％。第一篇铸造成形工艺铸造成形的技术内容铸造成形在工业生产中的任务：为机械或其它应用提供形状和性能合格的零件或零件毛坯。第一篇铸造成形工艺凝固结晶工艺方法设备形状性能结构成分处理熔炼铸造成形技术内容铸造合金及其熔炼铸造工艺（包括造型材料）铸造过程的机械化与自动化第一篇铸造成形工艺铸造成形工艺方法砂型铸造特种铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造低压铸造离心铸造实型铸造…第一篇铸造成形工艺合箱浇注制造模样第一章砂型与砂芯制造零件图铸造工艺设计制备芯砂制备型砂制芯合金熔炼清理铸件制造芯盒造型第一节金属与铸型的相互作用一、砂型的组成与结构及工作条件1.砂型的组成与结构耐高温的砂粒、粘结剂和附加物按一定比例混合而成的混合物；多孔结构。型砂结构示意图1－砂粒2－空隙3－附加物4－粘结剂第一章砂型与砂芯制造

第一节铸型与金属的相互作用热的作用2、铸型工作条件力的作用压铁压铁化学作用第一节金属与铸型的相互作用一、砂型的组成与结构及工作条件砂型的组成与结构型砂的工作条件力的作用热的作用化学作用型砂必须具有承受这此作用的能力第一节金属与铸型的相互作用一、砂型的特点与工作条件二、铸型与金属的相互作用力的作用——冲击与冲刷等；

热的作用——由热交换引起；

化学作用——有机物、炭粉燃烧。作用结果：

（1）导致铸件尺寸、形状和性能改变；（2）铸件可能出现表面夹砂、内外孔洞（气孔、砂眼）、粘砂、裂纹等缺陷。第一节金属与铸型的相互作用一、砂型的特点与工作条件二、铸型与金属的相互作用传热：砂型温度升高、金属温度降低传质：气体、水分迁移，逸出或渗入金属化学与物理化学反应：砂型中有机物、炭粉燃烧、分解；金属元素反应缩胀：砂型膨胀、金属收缩作用结果：

（1）导致铸件尺寸、形状和性能改变；（2）铸件可能出现表面夹砂、内外孔洞（气孔、砂眼）、粘砂、裂纹等缺陷。第二节砂型（芯）制造一、砂型（芯）的类型与性能要求砂型（芯）的类型

－－－按粘接剂的类型：粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等2.砂型（芯）的性能要求

－－－强度、透气性、耐火度、对铸件收缩的容让性、溃散性等3.影响砂型（芯）的性能的三大因素

－－－原材料、配比、混制工艺。第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）

－－－由原砂、粘土、其它附加物及水按一定比例混合组成。湿型砂的性能要求与检验（1）水分、紧实率（干湿程度）紧实率测量示意图第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）湿型砂的性能要求与检验（1）水分、紧实率（2）透气性透气性测量示意图

在水封钟罩内吸入2000cm3空气，造成10g/cm2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）第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）湿型砂的性能要求与检验（1）水分、紧实率（2）透气性（3）强度强度测量方法第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）湿型砂的性能要求与检验（1）水分、紧实率（2）透气性（3）强度（4）其它性能

－－－流动性、起模性、韧性、破碎指数、发气量等第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）湿型砂的性能要求与检验2.湿型砂用原材料（1）原砂砂的热物理性能要求蓄热特性和热膨胀性耐火度及最低共熔点热稳定性第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）2.湿型砂用原材料（1）原砂石英质砂－以石英为主要矿物成分的天然硅砂砂的质量指标含泥量－－砂中直径小于20µm的细小颗粒的含量（质量分数）SiO2含量－－根据国家标准GB/T9442—1998的规定，按SiO2含量可分为五级粒度组成－－通常采用筛分法原砂的颗粒形状第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）2.湿型砂用原材料（1）原砂石英质砂－以石英为主要矿物成分的天然硅砂非石英质砂橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、碳质材料等第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）2.湿型砂用原材料（1）原砂（2）粘土－－由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料组成及化学式组成－－含水的铝硅酸盐化学式－－mAl2O3·nSiO2·xH2O分膨润土（蒙脱石类）、普通粘土（高岭石类）第二节砂型（芯）制造膨润土

钠膨润土

钙膨润土

主要交换性阳离子为钙离子主要交换性阳离子为钠离子钠膨润土用符号PNa表示

钙膨润土用符号PCa表示

粘土的粘结机理

第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）2.湿型砂用原材料（1）原砂（2）粘土（3）附加物常用的附加物：煤粉、渣油、淀粉、锯末等加附加物目的：使型砂具有特定的性能，并改善铸件的表面质量，如煤粉高温下热分解产生还原性气氛；防止金属液被氧化；受热变为胶质体具有可塑性，减少砂型受热膨胀而产生的铸造缺陷；可防止机械粘砂第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）2.湿型砂用原材料3.湿型砂的制备（1）配比：据铸造合金、

铸件结构、

造型条件选择（2）混制使按比例配合好的各种原材料混合均匀，使粘结剂成为均匀的薄膜包在砂粒表面上第二节砂型（芯）制造二、湿型（greensandmold）用途铸件型砂性能水分（﹪）紧实度（﹪）透气率湿压强度/KPa泥分（﹪）其他高压造型气缸体3.8-4.632-46≥110130-17010-15有效煤粉6-8有效粘土7-9曲轴3.6-4.032-40≥100120-150≤15有效煤粉4-6有效粘土7-9桥壳5.0-6.035-45≥120110-14010-13.5有效粘土8-10东风汽车公司某铸造工厂铸铁湿型砂性能表一：东风汽车公司铸造工厂铸铁湿型砂性能用途

铸件型砂性能

W水分（﹪）紧实度（﹪）透气率湿压强度/KPaW泥分（﹪）干拉强度

/KPa其他

高压造型单一砂气缸体（HT250）

3.8-4.632-46≥110

130-17010-15

有效煤粉6-8有效粘土7-9曲轴（QT700-2）3.6-4.032-40≥100120-150≤15有效煤粉4-6有效粘土7-9桥壳（QT400-10）5.0-6.0

35-45≥120110-14010-13.5有效粘土

8-10挤压造型

单一砂灰铸铁小件3.5-4.4

36-44≥100120-150≤14有效煤粉4-6有效粘土7-9球铁小件4.6-5.3

34-45≥100120-150

表二：东风汽车公司铸造工厂湿型砂配比用途

铸件型砂配比旧砂新砂粘土煤粉苏打

（以粘土为基）其他

高压造型单一砂气缸体（HT250）

965.01.32

1.24水液3-4曲轴（QT700-2）

965.01.35-1.80.75-1.1水液3桥壳（QT400-10）

95.2

5.5

1.0

0.8水液3挤压造型

单一砂灰铸铁小件

96

5.01.35-1.80.75-1.1水液3球铁小件

93-95

5.5

1.0-1.5

0.3-0.5水液3第二节砂型（芯）制造三、水玻璃砂型（芯）水玻璃的几个重要参数水玻璃砂制型工艺（1）配砂：原砂+水玻璃+附加物（2）紧实：一般用手工或微震（3）硬化

机理：水解形成硅酸凝胶将型砂粘结

Na2O·mSiO2+（n+1）H2O=mSiO2·nH2O+2NaOH

方法：吹CO2、真空CO2硬化法(VRH-CO2)、砂内加硬化剂硬化（硅铁粉、有机酯）三

水玻璃砂

钠水玻璃（Na2O·mSiO2·nH2O）作粘结剂常用于铸钢件。

反应式：

Na2O·mSiO2·

(n+1)H2O+CO2=Na2CO3+mSiO2·pH2O+(n-p)H2O水玻璃模数:

M=nSiO2/nNa2O=1.033(WSiO2/WNa2O)

水玻璃密度：1.45-1.6g/cm2

第二节砂型（芯）制造三、水玻璃砂型（芯）CO2插管法硬化CO2盖罩法硬化2、金属与砂型接触区的相互作用力的作用——冲击与冲刷等；

热的作用——由热交换引起；

化学作用——有机物、炭粉燃烧。

结果：1）导致铸件尺寸、形状和性能改变；

2）铸件可能出现表面夹砂、内外孔洞（气孔、砂眼）、裂纹和变形等缺陷。第二节砂型制造砂型铸造生产过程变速箱壳体铸造

1）强度（湿压强度、干拉强度）

2）可塑性

3）透气性

4）对铸件收缩的容让性

5）耐火度和化学稳定性

6）出砂性（溃散性）一铸型（芯）的性能要求1）原砂：

铸造用砂的热物理性能要求2)砂的耐火度及最低共熔点3)砂的热稳定性与热化学稳定性1)蓄热特性和热膨胀性常用原砂:石英砂二粘土型砂

2）粘土（mAl2O3-nSiO2-xH2O

）结构单位:Si-O四面体,Al-O-OH八面体

3）附加物（煤粉、淀粉等）作用：改善铸件表面质量。机理：铸型表面产生大量还原性气体（CO）,防止金属液被氧化。加入量：3﹪-8﹪（质量分数）三

水玻璃砂

钠水玻璃（Na2O·mSiO2·nH2O）作粘结剂，常用于铸钢件。

反应式：

Na2O·mSiO2·

(n+1)H2O+CO2=Na2CO3+mSiO2·pH2O+(n-p)H2O

水玻璃模数:

M=nSiO2/nNa2O=1.033(WSiO2/WNa2O)

水玻璃密度：1.45-1.6g/cm2

三树脂砂

铸造用人工合成树脂，常用热塑性树脂。主要有酚醛树脂和呋喃Ⅰ、Ⅱ型树脂。使用时另加一定量的化学固化剂。树脂砂按制芯工艺和硬化方法不同分为：

壳芯树脂砂；

热芯盒树脂砂；

冷型(芯)树脂砂。第二节砂型（芯）制造四、树脂砂型（芯）

－－－用以树脂为粘结剂制制备的型（芯），用于铸造粘结剂的树脂有多种，对应于不同的制芯（型）工艺壳型（芯）（1）壳型（芯）砂的制备

壳型（芯）砂组成：原砂、酚醛树脂、固化剂（乌洛托品,加入量为树脂质量的10%~15%）和附加物混制：冷、温或热法混制覆膜砂，象干砂一样松散。（2）制型（芯）工艺模板或芯盒加热至250~300℃，贴近模板或芯盒面的砂上树脂熔化－连接－固化结壳

翻斗法和吹砂法●壳芯树脂砂及其制芯

壳芯树脂砂配方实例原砂原砂粒度酚醛树脂

乌洛托品水/乌洛托品硬脂酸钙干拉强度/104Pa

应用占砂量占树脂

100

10

0.7

41：10.35245-343中小壳芯

10021或15

6-7

151：1245-343大型壳芯

10021或15

6

1：10.2-0.3245-343细长芯

16

用壳芯树脂砂制芯可得到薄壳芯

壳芯树脂砂又称覆膜砂。

酚醛树脂在芯盒模壁温度200-280℃时熔化而包覆砂粒表面，起到连桥作用，形成相对坚硬的薄壳。

●

模腔中部树脂未能熔化，它们将随芯盒旋转、摇摆回送砂斗，可继续使用。这样能够得到薄壳中空型芯。

好处：既节约原材料，又可利于型芯排气。●用壳芯树脂砂制芯的方法

用顶吹法或底吹法将壳芯树脂砂吹入预热至200-280℃的金属芯盒中受热固化薄层。

芯盒旋转、摇摆而将砂芯内未能固化的松散树脂砂回送砂斗。

壳芯在芯盒内进一步固化后即可开模取芯。●热芯盒树脂砂及其制芯

用原砂2﹪-3﹪（质量分数）的呋喃Ⅰ、Ⅱ型树脂作粘结剂。用20﹪树脂量的氯化铵、尿素水溶液作固化剂。

氯化铵：尿素：水=1：3：3（质量配比）即可得到热芯盒树脂砂．第二节砂型（芯）制造四、树脂砂型（芯）

1.壳型（芯）

2.热芯盒法制芯

（1）热芯盒砂的制备（2）热芯盒制芯工艺过程a）合型加热b）射芯砂c）保温d）出芯1—芯盒2—电热管3—射砂口●热芯盒树脂砂制芯工艺

方法：用射芯机制芯；芯盒预热温度：180-260℃；硬化时间：

30-40秒。缺点：有少量氨气放出，污染车间环境。建议用无氮树脂，即呋喃Ⅰ、Ⅱ型树脂作粘结剂。●冷硬树脂砂制型工艺用冷硬树脂砂制型无需加热。

冷硬树脂砂在铸造工厂里又称为自硬树脂砂。冷硬树脂砂采用呋喃改性树脂作粘结剂。

如：KJN-1呋喃改性脲醛树脂；

7501型呋喃树脂等。配制冷硬树脂砂时，用弱酸作催化剂。常用硫酸乙脂、甲苯磺酸、磷酸等。主要通过化学作用达到硬化效果。催化剂的加入量控制在树脂量的30﹪～40﹪。气体硬化冷芯盒法

三乙胺法(1968)粘接剂:酚醛树脂:聚异氰酸脂(2:3),1~2%砂重硬化剂:三乙胺[(C2H5)3N]SO2

法(1982)中、低氮呋喃树脂1~1.5%,砂重硅烷0.4~1%(树脂重)硬化剂:过氧化物H2O2,35~50%(树脂重)

四、铸造用涂料提高铸件表面质量改善铸件表面性能减少铸件缺陷倾向

涂料的作用

涂料的组成

铸造用涂料的组分通常由耐火粉料、载液、悬浮剂、粘结剂及其他添加剂混合。铸钢砂型和型芯表