北京大学造型材料课本习题答案

全书习题答案第2章一、填空题1.硅砂非硅质砂2.石英鳞石英方石英横向转变纵向转变横向转变3.砂颗粒的粒度粒度分布颗粒形状表面性状4.水洗法擦洗法浮选法5.氧化镁6.Cr2O37.镁橄榄石二、选择题1.B2.A3.A三、简答题1.ZGS96-40/70(52)表示该牌号硅砂的二氧化硅为96级，主要粒度组成为三筛，其首筛筛号为40，尾筛筛号为70，其粒度的平均细度值为52。2.原砂需要根据合金种类、铸件的大小和结构、铸型种类(湿型或干型)、粘结剂种类和造型方法(手工或机器)，在保证铸件质量的前提下，就地就近选用。铸钢件因浇注温度高，所以原砂中SiO2含量应高；铸铁件的浇注温度较铸钢件低，原砂耐火度可低一些；铜、铸铝件的砂，一般要求颗粒较细，对SiO2含量要求并不一定高；对于油类、树脂、水玻璃粘结剂要求用含泥量小的圆形砂。对于酸硬化的树脂砂还要控制原砂中碱金属及碱土金属氧化物的含量。3.pH测定方法如下：取待测原砂25g，置于250mL的烧杯中，加蒸馏水100mL，在磁力搅拌器上用包有聚四氟乙烯的搅拌棒搅拌，用酸度计测定悬浮液的pH值，每30s读取一次数据，直到数值恒定为止，此时的值就是原砂的pH值。需酸量的测定方法如下：称取待测原砂50g，置于250mL的烧杯中，加pH值为7的蒸馏水50mL在磁力搅拌器上用包有聚四氟乙烯的搅拌棒搅拌；再往烧的盐酸50mL，并搅拌5min，然后放入测pH值的电极，用0.1mol的NaOH溶液滴定，在pH值为3.0、4.0、5.0或其他预定值时，读取耗用的NaOH溶液的毫升数。原加盐杯中加入0.1mol

酸的毫升数（50mL）减去NaOH溶液的毫升数，就是到预定pH值时原砂的需酸量。4.AFS细度的求法如下：称取原砂50g左右，用冲洗法除去泥分，烘干后进行筛分。称取留在每一筛上的砂粒的重量，并算出每一筛上的砂占原砂(未去泥分以前)的百分数。将这些结果各乘以相应的乘数。将所有的乘积相加，并将乘积的总和除以各筛上砂粒的百分数的和，所得结果就是AFS细度。[例子详见表2-7]5.对于粘土粘结砂，原砂中含泥量的影响并不明显；对于不用粘土为粘结剂的型、芯砂，如水玻璃砂，树脂砂、油砂等，含泥量对性能的影响很大。一方面是使降低其干强度和透气性；另一方面，泥分中往往含有碱或碳酸性盐或碱性氧化物，使原砂的需酸量增大，影响树脂砂硬化。6.原砂在擦洗过程中，在高速叶片搅拌器造成的强力摩擦下，水介质与砂粒间不断摩擦，处理后，砂粒表面的微观污染被更多的脱除。所以，擦洗砂的质量一般要比水洗砂好。四、名词解释1.含泥量是指原砂中泥分的百分含量，凡是直径小于0.022mm的微粒，不论它是什么矿物成分，只要能用常规搅拌或冲洗法分离都为泥分。2.原砂的pH值是指示某种溶液或悬浮液的酸度或碱度。原砂的pH值是其中含有的能溶于水的碱性或酸性物质的表征，并不全面地反映原砂的碱性3.原砂的需酸量是原砂中含有与酸反应的物质的表征，它表明用酸硬化剂时，原砂本身所需的酸的多少。4.目数是在平行于网丝方向，每1英寸（即25.4mm）长度上包含筛孔的数目。五、思考题1.[答案要点]非硅质砂具有耐火度高浇注时不熔化；热化学稳定性好，不与钢液及其氧化物反应；蓄热系数较高，导热性好，能加速铸件表面凝固；没有相变引起的剧烈膨胀，热膨胀系数小；具有固相烧结特性等优点，因而可以提高铸件表面质量，预防矽

肺病。锆砂用于大型铸钢件及合金钢件的芯砂或砂型的面砂，或将其粉料用作涂料。镁砂用于高锰钢铸件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料。铬铁矿砂用于大型或特殊铸钢件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料。橄榄石砂用于铸铁件、有色合金铸件以及高锰钢铸件的型砂和芯砂。2.[答案要点]①热稳定性差，在570℃左右发生相变，伴有较大的体积膨胀，是铸件产生膨胀缺陷的根源；②在高温条件下化学稳定性差，容易与FeO作用生成易熔的铁橄榄石，而导致铸件表面粘砂；③破碎时产生的粉尘会使工作人员患矽肺病；④废弃物多，随着环保要求的日益提高，垃圾处理费用越来越大。【案例分析】1.实验一说明铸型吃砂量偏小，紧实度大是造成缺陷的原因之一。实验二说明由于浇注系统为封闭式，必须要有足够长的浇注时间，否则可能造成缺陷的产生。2.金属液进入型腔后，型腔表面层温度急剧升高，SiO2颗粒发生多晶形转变，因而发生膨胀。而铁水在型腔内上升缓慢，当型腔高温烘烤时间超过一定时间时，石英砂达到最大膨胀量。如果砂型紧实度高、砂粒粗和粒度集中、粉尘含量高、加热速度快，则型砂的微观膨胀减小，而相应的宏观膨胀增大。而型腔外部、为厚大的圆型砂箱，阻碍砂粒间力的施放，其受力方向只有向砂性型腔内壁转移，表面层直至开裂而产生脉纹毛刺。当采用铝矾土砂造型时，铝矾土砂的膨胀量远小于石英砂，因而，可以防止脉纹毛刺的出现。3.从(1)和(2)的分析可知：石英砂的高膨胀量是导致脉纹毛刺的根本原因。第3章一、填空题1.膨润土耐火粘土2.硅氧四面体铝氧八面体3.负钠基膨润土钙基膨润土4.粘结力耐火度耐用性抗夹砂能力5.Na2OSiO2干法湿法6.氧化物的百分含量硅酸三钙

硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙7.缓凝剂速凝剂减水剂8.桐油、亚麻油改性米糠油9.碘价酸值皂化值10.不溶物脂肪酸混合物不皂化物二、名词解释1.基交换能力：由于粘土矿物带有负电荷，因此它将吸附阳离子，而粘土吸附的阳离子称为可交换基，可交换基的多少称为基交换能力，它用每100g粘土中含有多少毫克当量来表示。2.水玻璃的模数：硅酸钠中SiO2和Na2O的摩尔分子数的比称为模数，用M来表示，模数代表了SiO2在硅酸钠中所占的比例。3.硅碱比：水玻璃中SiO2的质量分数和Na2O的质量分数之比称为硅碱比。4.碘价是指100g植物油所能吸收的碘的数量（g），根据碘价的大小，可以衡量植物油不饱和程度的大小。5.酸值指中和1g植物油中游离脂肪酸所需的氢氧化钾的毫克数，它表征油脂中所含有的游离脂肪酸的数量。6.皂化值是指中和1g试料所含全部游离酸和化合酸需用的氢氧化钾毫克数，它表征植物油中游离的脂肪酸和与甘油结合的化合态脂肪酸总量的多少。三、简答题1.粘结剂的分类方法很多。根据粘结剂的来源可天然的和人造的；根据对水的亲和力可分为憎水粘结剂和亲水粘结剂；根据化学组成可分为无机类粘结剂和有机类粘结剂；根据硬化特性可分为物理硬化类和化学硬化类；此外，粘结剂还可根据型芯的比强度分类。2.耐火粘土的主要矿物是高岭石，膨润土的主要矿物是蒙脱石。高岭石的两个单位晶层之间是氧和氢氧离子构成相邻的平面，它们之间可以形成氢键，从而产生较大的结合力。所以高岭石的结晶不易分散，颗粒较粗，与水混合时水分子不易进入单位晶层之

间，吸水膨胀性和粘结力都较小。蒙脱石的相邻单元之是氧面与氧面相连接，没有氢键，是分子结合，故蒙脱石单位晶层之间结合力相当弱，容易破碎成极细的颗粒，与水混合时，水分子不但能够浸润晶体表面，而且很容易进入晶体内部各晶体单元之间，吸水膨胀性和粘结力都较大。3.粘土表面负电荷产生的原因有以下几方面：①晶层边缘的破键；②晶层内部存在离子交换，从而形成电荷不平衡；③Si-O四面体中，每一个O2-只以一个负电荷与Si4+相联接，在晶层的边缘氧离子有剩余的负电荷。4.由于钙基膨润土的许多性能不及钠基膨润土，所以要进行活化处理。可采用适当的弱酸钠盐（如碳酸钠）对钙基膨润土进行活化处理。5.水泥的硬化过程大致分为溶解期、胶化期和结晶期三个阶段。在溶解期，水泥颗粒的表面层和水进行反应，成为凝胶状态；在胶化期，凝胶体逐渐变稠，水泥浆逐渐失去塑性，表现为水泥的凝结，但这时水泥还不具有强度；在结晶期，凝胶体逐渐脱水而紧密，同时，析出晶体，并相互交织在一起，填充在凝胶体内，使水泥产生强度。影响水泥硬化的因素有：水泥的矿物组成、水泥的粒度、温度和湿度、水泥和水的比及添加剂。6.憎水粘结剂：植物油、合脂、沥青、渣油、松香、塔油。亲水粘结剂：膨润土、水玻璃、纸浆废液、糊精、糖浆、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇7.见P70表3-11（略）。四、计算题MSiO的质量分数1.0329.11.032.972NaO的质量分数10.12a8029.11.033b10622.6580x1.03310.11015.6g62M五、思考题1.[答案要点]植物油粘结剂的硬化过程是氧化聚合的过程，而合脂粘结剂的硬化过程是缩聚与氧化聚合的过程。2.[答案要点]植物油砂的最佳烘干温度一般为200~220℃，最高不能超过250℃，烘干时间应根据砂芯的厚度决定。植物油砂烘干后的冷却速度很重要，若冷却速度过快，油膜会产生应力而开裂，破坏油膜的完整性而使干强度降低。因此，植物油砂应随炉冷却。合脂砂的烘干温范围比油砂宽些，可以在180~240℃之间，但最适宜的烘干温度仍然是在200~240℃之间，烘干时间主要与型芯大小、厚薄、合脂加入量和选择的烘干温度有关。烘干过程中，应注意通风和排烟。影响性能的因素都包括粘结剂加入量、粘结剂的粘度、附件粘结剂和水，具体影响规律略。3.(略)【案例分析】1.从表1的数据中可以得到：(1)改性粘结剂MBl、MB2和MB3的干拉强度比植物油沥青粘结剂高；(2)两者的干拉强度和发气总量都随温度的升高而降低，最佳烘干温度为220~230℃。改性粘结剂的烘干温度范围宽（200~270℃），为了得到最低的发气量，改性粘结剂可以在较高的温度下烘干，仍保持有实用的干拉强度和较高的表面稳定性，而植物油沥青粘结剂在250℃时就烧枯了，表面稳定性差，失去了应用价值。2.改性粘结剂的干拉强度比植物油沥青粘结剂高是由于改性植物油粘结剂在高温下部分非共轭双键发生共轭化，然后与双键发生聚合作用，聚合和部分双键被氧化形成的氧桥使稠度增加，并且在氧化不足之处有-OH产生，与-COOH酯化，使产品的干拉强度进一步得到提高。3.由表2数据可得，聚酯废弃物改性铸造用植物油沥青粘结剂的综合性能优于植物油沥青粘结剂、合脂油粘结剂和桐油粘结剂3种粘结剂的综合性能。第4章

一、选择题1.B2.B3.D4.A5.A6.B7.A二、判断题1.√2.×3.×4.×5.×6.√7.√8.×9.√10.×三、简答题1.粘土砂按是否烘烤铸型可分为湿型砂、干型砂和表干型砂三类。湿型砂的优点是不用烘干设备和燃料，生产周期短，便于组织流水作业，落砂容易，灰尘少，劳动条件好，砂箱寿命长。其缺点是型砂强度较低，流动性差，含有水分，铸件容易产生砂眼、气孔、粘砂、夹砂等铸造缺陷。干型砂需要经过烘干，因此干型砂的湿强度可以稍低一些，含水量可以稍高一些，以达到较高的干强度。对原砂的化学成分和耐火度要求不高，可以使用粒度较粗的原砂，在不加煤粉等抗粘砂附加物时，可以有较高的透气性。表干型砂兼有湿型砂和干型砂的有点。与湿型砂相比，具有表面层强度高、湿度小的点特，因而不易产生气孔、粘砂、夹砂、冲砂等缺陷。2.铸钢件湿型砂具有以下特点：①为了防止铸件增碳，型砂中不含煤粉，因而含泥量要比铸铁湿型砂低，需水量少，水分一般在4%~5.5%之间；②使用粒度较细的原砂，多用75/150较细的石英砂；③为防止铸件产生粘砂，原砂的二氧化硅含量大多在97%以上，采用活化膨润土或天然钠膨润土来提高型砂的热湿拉强度和抗夹砂能力；④为了提高型砂的韧性和表面风干强度，型砂中可加入适量的淀粉类材料。了提高铸型表面强度，可以喷一层糖浆、纸浆废液或水玻璃等。3.①由于紧实率对水分非常敏感，水分有0.2%的变化时，紧实率就能够反映出来，因此，紧实率数据能够判断水分含量是否适合于造型；②紧实率可以反映型砂吸水物质的变化，当紧实率不变，而水分变化时，则反映出型砂中吸水物质的变化；③紧实率与湿压强度和水分一起考虑，可推测出粘土含量、有效粘土含量和混砂效率，因此，生产中用紧实率控制型砂性能是一种简单而迅速的方法。

4.影响粘土砂强度和透气性的因素有如下几点：①原砂颗粒大小和颗粒尺寸分散度。粗砂的透气性比细砂高，砂粒尺寸分散度大，越不均匀，则透气性越低，强度越高。②粘土含量。水分适当时，粘土含量增加，透气性下降，湿强度升高，但审稿到一定值时不再升高。③水分。粘土含量一定时，随水分的增加，强度先增加后逐渐降低，透气性降低。④混砂时间。必须有充足的混砂时间才能保证足够的强度，但时间过长或过短都会降低型砂的透气性。⑤紧实度。紧实度越高，透气性越低，强度越高，但有一定的限度。5.铸铁件用的湿型砂配比中，一般旧砂为50%~80%，添加新砂为5%~20%，活性膨润土为6%~10%，有效煤粉为2%~7%，还可以加入1%左右的重油或渣油作防粘砂的附加物。铸钢件用的型砂中，新砂所占比例较大，膨润土加入量也相增应多。为提高型砂性能常加入少量有机亲水性粘结剂性（如糊精、非铁合金（铜合金、铝合金、镁合金）主要要求型砂能防止液件表面光滑、美观及尺寸比较精确。因此，原砂粒度一般较细，含水量较低，淀粉）及氧化铁粉等附加物。铸造态金属渗入砂型，使铸清晰、以减少型砂的发气量和提高流动性。6.旧砂温度过高的不良影响有：①随着砂温的提高，标准试样的重量和湿压强度等性能都会下降；②型砂水分很容易蒸发，混砂机出口处型砂的紧实率和水的质量分数与造型机所用型砂有明显变化；③热砂蒸发出来的水蒸气凝结在冷的运输带、砂斗和模板表面上，而使其粘附一层型砂。粘附在输送带上的浮砂会掉落地面而污染作业环境；粘附在砂斗内壁的砂会越聚越厚；粘附在模板上的型砂会造成起模困难；④砂型表面的热砂容易脱水变干，使砂型棱角易碎，不耐液态金属冲刷，容易造成冲蚀和砂眼缺陷；⑤热砂的水蒸气凝结在冷铁和砂芯上，使铸件产生气孔缺馅；⑥由于旧砂温度高、含水量少，运输过程中粉尘会随着空气流和烟气向外散发，影响环境卫生。

解决热砂的最有效措施是旧砂采用增湿通风冷却处理。为了取得良好的增湿降温效果，一般需要配有测温、测湿和自动加水控制系统。除在冷却器内喷水外，当旧砂温度高于100℃时，还可以在旧砂输送带上同时喷水，降温效果会更好些。7.形成4个不同的区。I区为完全烘干区：在此区内砂型被完全烘干，强度随温度的升高而上升，到粘土结晶构造被破坏的温度，强度达到最高值。此外还产生大量的气体。II区为水分饱和凝聚区：由于水分的迁移和水蒸气的凝聚，此区水分已达饱和，故强度比较低。水分饱和凝聚区向远离金属和铸型界面的方向移动，金属的浇注温度越高，移动的速度越快。此区的厚度则随距砂型表面的距离的增加而增加。此区温度始终稳定在100℃左右。III区为水分不饱和凝聚区：该区为水分饱和凝聚区与正常区的过渡区，温度也在它们之间，即20~100℃。IV区为温度正常区：水分含量无变化，强度也无变化。8.产生化学粘砂的先决条件是金属表面的氧化。影响化学粘砂的因素主要是金属氧化的数量及金属氧化物与型砂之间的作用程度，后者主要取决于热作用的情况，如铸件大小和壁厚、浇注温度等。热作用对化学粘砂有很大的影响。热作用越大，则化学用越剧烈。型砂的耐火度不足，则在高温金属的作用下发生熔化，将促使化学作用加剧，形成严重的化学粘砂。由于金属氧化物渗入铸型孔隙后促进了金属氧化物与铸型作用的进行。因此，凡是影响机械粘砂的因素也间接的影响化学粘砂。物作之间化学9.一般认为夹砂的成因如下：往砂型中浇注液态金属时，由于与液态金属的接触或辐射，砂型表面温度急剧上升，因而表面层膨胀，另一方面，自砂型表面层产生的水蒸气通过砂型内部时，被冷却而形成水滴，凝聚在表面干燥层下面，成为水分饱和凝聚的薄层，此层的热湿强度很低，仅为正常状态下湿强度的几分之一。在形成高湿度低强度的水分饱和凝聚区的同时，若表面干燥层受热至600℃左右，由于石英突然膨胀，表

面砂层产生较大的膨胀压应力，迫使表面层有沿着水分凝聚层滑动脱离本体而拱起的趋势。如果型砂的膨胀压应力较小，或者热湿强度较大，就能够防止表面层拱起；否则拱起的表面层开裂，铁水从破裂处侵入，冷却凝固后即形成夹砂。10.析出性气孔是溶解在金属液中的气体，在冷却和凝固过程中，由于溶解度降低而析出形成的孔洞。其特征是：数量多、尺寸小，形状呈圆形、椭圆形和针状。在铸件断面呈大面积均匀分布。五、思考题[答案要点]液态金属对铸型有三种基本作用：机械及相互的物理化学液态金属对铸型的机械浇注时砂型受到液态金属的冲刷和冲击；液态金属在型腔中尚未凝固成有足够强度的硬壳前，砂型受到的动、静压力。在不利的情况下，将产生砂眼、胀砂和炮火现象。液态金属对铸型的热作用包括液态金属对铸型的加热、铸型内水分的迁移和砂型受到的热膨胀和热应力。液态金属与砂型的物理化学主要有包括砂型内壳的熔化、造型材料的发气和造型材料的熔解及铸件表面合金化等。【案例分析】1.前两个厂家产生的铸件产生粘砂的原因是煤粉品质太差，或者是型砂中有效煤粉量不足。江苏某外资工厂产生粘砂的原因是砂粒太粗，因此透气性过高，金属液容易钻入砂粒间孔隙，使铸件表面粗糙，或将砂粒包裹固定在表面上，从而产生粘砂。2.该厂应当改用优质膨润土和煤粉；还应使用旧砂除尘设备，将旧砂含泥量控制在型砂含泥量要求范围内；将型砂破碎指数提升。在造型处的型砂紧实率也应提高为。这样就能提高型砂韧性和减少砂孔缺陷。3.材料三说明了型砂的原材料对铸件缺陷的产生具有巨大的影响。江西的厂家直接将耐火粘土当做膨润土使用，从而大大降低了铸型的强度，容易出现夹砂。天津的铸造厂虽然采用了活化膨润土，但由于使用了含钠、镁、氯离子较多的水，对活化膨润土起了强烈的反活化作用，也造成夹砂的出现。4.山东生产厂家铸件上的气孔为侵入气，而山西厂的为反应性气孔。冷芯盒砂芯长时间放置在相对湿度极高的砂型中很容易吸潮。浇注时不仅粘结剂发气，而且砂芯吸收的水分也发出大量水汽，进入铁液中造成的侵入气孔。因为铝、钛与水反应放出极易溶入铁液层中的原子态[H]，该层凝固时，氢的溶解度降低而以分子气态相析出和长大成氢气泡，从而形成反应性气孔。第5章一、填空题1.物理脱水硬化化学硬化2.CO2压力吹气时间残留水分3.强度保存性粘膜性4.硅铁粉水玻璃自硬砂硅酸二钙水玻璃自硬砂水玻璃流态自硬砂有机酯水玻璃自硬砂5.粘砂严重溃散性差吸湿性强旧砂再生和回用困难6.湿法再生干法再生脱除的Na2O占型砂中原Na2O含量的百分数二、选择题1.B2.C3.C4.B5.A三、简答题1.水玻璃砂的主要优点是：①水玻璃砂流动性好，易于紧实；②硬化快，简化造型和制芯工艺，缩短生产周期，提高劳动生产率；③铸造缺陷少，提高了铸件质量；④可以硬化后再起模，型芯尺寸较准确，提高铸件的尺寸精度；⑤可不用干燥炉，节约能源，改善车间劳动条件。水玻璃砂的缺点是：①落砂困难。②旧砂回用再生困难。③吸湿性较大，水玻璃砂对环境相对湿度非常敏感，制造的型芯容易吸湿而导致强度下降。2.解决的方法如下：①控制型砂水分不要偏高；②吹CO2时间不宜过长；③型芯不

要久放；④在钠水玻璃砂中加入1%左右，密度为1.3g/cm3的糖浆可有效防止表面粉化。3.采取以下措施提高抗吸湿性：①在钠水玻璃中加入锂水玻璃或在钠水玻璃中加入LiOH、CaCO3、ZnCO3等无机附加物，由于能形成相对不溶的碳酸盐和硅酸盐，并可减少游离的钠离子，因而可改善钠水玻璃粘结剂的抗吸湿性；②在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物，粘结剂硬化时，钠水玻璃凝胶内亲水的Na+和OH-离子或为有机憎水基取代，或相互结合，从而改善吸湿性。③提高水玻璃的模数。④在钠水玻璃中加入淀粉水解液，更好的方法是采用淀粉水解液对钠水玻璃改性。4.VRH法的主要特点：①水玻璃加入量少。②显著改善砂型的溃散性。尽管VRH法型砂比树脂砂的溃散性差些，溃但散性及旧砂再生性能比直接吹CO2法水玻璃砂均有明显改善，干法再生也比较容易，再生回收率甚至可达80%左右。③铸件质量高。VRH法实行先硬化后起模的工序。而且由于水玻璃加入量少，砂型（芯）在高温下变形减少，有利于提高铸件尺寸精度，同时硬化后的砂型（芯）水分含量低，铸件的气孔、针孔等缺陷相应减少。④降低造型材料的费用，提高经济效益。⑤缺点是设备投资大，固定尺寸的真空室不能适应过大或过小的砂箱或芯盒。工艺过程：①抽真空。要求真空度至少在5kPa以下，最好在2.6kPa以下，但低于1.0kPa时型砂强度反