鑄造工藝的設(shè)計(jì)

砂型和砂芯的制造型砂和芯砂的組成型砂和芯砂的組成原砂粘結(jié)劑附加物原砂種類硅砂熟料砂鈦鐵礦砂剛玉砂炭素砂石灰石砂鎂橄欖石砂鉻鐵礦砂鋯砂鎂砂原砂種類粘結(jié)劑粘結(jié)劑無(wú)機(jī)粘結(jié)劑有機(jī)粘結(jié)劑粘土水玻璃植物油水泥磷酸鹽渣油天然樹(shù)脂合成樹(shù)脂紙漿廢液合脂糊精造型造芯方法物理粘結(jié)機(jī)械粘結(jié)化學(xué)粘結(jié)粘土砂磁型制造負(fù)壓造型模具內(nèi)冷硬模具內(nèi)熱硬模具外熱硬粘土砂型——應(yīng)用得最多粘土砂型分類濕型表面干型干型第一章

濕

型2-1-1濕型鑄造特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)——與干砂型相比，便于組織流水線,易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化自動(dòng)化等，延長(zhǎng)砂箱適用壽命，工序簡(jiǎn)單，生產(chǎn)周期短，生產(chǎn)率高，無(wú)需烤干，可節(jié)省烤干設(shè)備和燃料。缺點(diǎn)——鑄型的金屬界面作用反應(yīng)較激烈，鑄件容易出現(xiàn)一些缺陷。水分高，易形成氣孔。水遷移形成水分凝聚層，易造成件表面夾砂、結(jié)疤和鼠尾。強(qiáng)度低，是干型砂1/5~1/10，易掉落。剛度，硬度低，變形、型壁移動(dòng)使鑄件尺寸公差增大、縮松、縮孔。2-1-2

濕型砂型砂分類(按其位置）：面砂—鋪履在模樣表面上構(gòu)成型腔表面層的型砂。背砂—在面砂背后用來(lái)充填加固的型砂。單一砂—只用一種型號(hào)砂的鑄型。對(duì)中小件。一、濕型砂性能要求及檢測(cè)原理性能要求水分抗夾砂性流動(dòng)性發(fā)氣量緊實(shí)率抗粘砂性強(qiáng)度透氣性變形量韌性1、水分、最適宜干濕度和緊實(shí)率（1）水分必須保持在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。原因：含水太少—干、易碎、起模困難、表面強(qiáng)度低、鑄件易產(chǎn)生沖砂和砂孔；含水過(guò)多—太濕、流動(dòng)性差、粘、緊實(shí)度不均、澆注時(shí)發(fā)氣大、易產(chǎn)生氣孔、嗆火、夾砂結(jié)疤。

w水=[（m-m′）/m]×100%w水——水分m——烘干前質(zhì)量

m′——烘干后質(zhì)量(2)判斷型砂的干濕程度的幾種方法①水分（moisture

content）:最常用。②手捏感覺(jué)—經(jīng)驗(yàn)③緊實(shí)率—很多工廠列其為最經(jīng)常性檢驗(yàn)性能的項(xiàng)目之一。緊實(shí)率=[（筒高-緊實(shí)距離）/筒高]×100%造型方法與緊實(shí)率的關(guān)系：手工和機(jī)器造型用型砂—最適宜干濕程度下的緊實(shí)率為50%高壓造型和沖擊造型—最適宜干濕程度下的緊實(shí)率為40~50%擠壓造型—最適宜干濕程度下的緊實(shí)率為

35~40%2、透氣性——緊實(shí)的型砂能讓氣體透過(guò)而逸出的能力。（3）型砂的排氣能力兩方面決定：①冒口、出氣孔；②透氣性。測(cè)出氣鐘內(nèi)的空氣在壓力下通過(guò)試樣的時(shí)間，計(jì)算其透氣性。透氣性K=VH/sptV—通過(guò)試樣的空氣體積；H—試樣高度；

S—試樣截面積；p—試樣前壓力（mmH2O)；t—2000cm3空氣通過(guò)試樣的時(shí)間3、濕態(tài)強(qiáng)度表示——型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣在受外力作用下遭到破壞時(shí)的應(yīng)力值。①濕態(tài)抗壓強(qiáng)度②抗拉③抗剪④抗彎⑤劈裂強(qiáng)度劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)是在標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣的徑向加載，使試樣沿其軸向平面斷裂的一種試驗(yàn)。型砂濕態(tài)劈裂強(qiáng)度：σsF=2F/πdLF—劈裂載荷（N)d—試樣直徑，50mmL—試樣高，50mm4.流動(dòng)性——（flowability）流動(dòng)性——型砂在外力或自身重力作用下，砂粒間相互移動(dòng)的能力。流動(dòng)性好的型砂的特點(diǎn)——可形成緊實(shí)作用下，砂粒間相互移動(dòng)的能力。測(cè)定方法——5種①測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試樣兩個(gè)端面硬度值的差別。②測(cè)定階梯試樣兩平面的硬度值差。③測(cè)定在底側(cè)有環(huán)形空腔試樣筒中沖擊成的試樣的高度。④測(cè)定在沖擊型砂試樣時(shí)自圓柱形試樣筒側(cè)面小孔中擠出的型砂質(zhì)量。⑤對(duì)比測(cè)定緊實(shí)率后試樣的質(zhì)量，容積密度越大，流動(dòng)性越好。5、起模性、破碎指數(shù)起模性—表示起模時(shí)砂型的棱角和吊砂是否容易碰碎或掉落的性能。破碎指數(shù)：直徑50mm、510g鋼球沖擊試驗(yàn)，自高1m處落下。破碎的型砂通過(guò)網(wǎng)眼為12.7mm(0.5in)的篩網(wǎng)，留在篩網(wǎng)上的大塊型砂占試樣原質(zhì)量的比值。指數(shù)值越大，起模性越好，但過(guò)高流動(dòng)性低，砂型表面不致密。6、抗夾砂結(jié)疤類缺陷能力（1）20世紀(jì)，50年代國(guó)外—使用高溫抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)來(lái)檢驗(yàn)濕型砂的抗夾砂結(jié)疤缺陷性能。未考慮濕型受熱產(chǎn)生水分凝聚層現(xiàn)象。測(cè)定型砂試樣在各種高溫下受壓破碎時(shí)的變形量和在該溫度下試樣受熱的自由線膨脹量，由膨脹量超過(guò)變形量的程度來(lái)反映型砂產(chǎn)生這類缺陷傾向的大小。7、發(fā)氣量和有效煤粉含量受熱后，產(chǎn)生大量揮發(fā)分，在高溫下進(jìn)行氣相分解，在砂粒表面沉積“光澤碳”—防止鑄鐵件表面機(jī)械粘砂，提高鑄件表面光潔度。煤粉等附加物的光澤碳含量的測(cè)定—可用特殊裝置測(cè)出，但濕型砂的光澤碳形成能力較低，很難直接測(cè)量。二、濕型砂用原材料為了制得性能合乎要求的型砂，必須考慮三方面因素：①原材料②型砂配方③混制工藝型砂配方■混制工藝原材料三個(gè)方面㈠石英質(zhì)原砂原砂的分類：山砂；海砂；湖砂；河砂；風(fēng)積砂。

1、原砂的含泥量1）原砂的含泥量—指原砂中直徑小于20微米的小質(zhì)點(diǎn)的含量。含泥量對(duì)濕型砂的性能的影響？①泥份增大，孔隙半徑減小，透氣性降低。②泥份增大，濕態(tài)抗壓強(qiáng)度增大，達(dá)到最適宜干濕狀態(tài)的型砂含水量也提高。③若原砂的泥分中不含粘土礦物，則原砂中含泥量增多會(huì)使型砂變脆，起模性質(zhì)變壞。2）含泥量檢測(cè)方法的原理利用不同顆粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，將原砂中顆粒直徑大于20微米與小于

20微米的顆粒分開(kāi)。稱量烘干的原砂量入燒杯中，加入水及分散劑（5%的焦磷酸鈉），煮沸及攪拌（5min)使其充分分散。然后經(jīng)反復(fù)按規(guī)定時(shí)間沉淀，虹吸排除渾水和沖入清水。直到水清后，由烘干的殘留砂樣重量即可計(jì)算出原砂的含泥量。2.原砂的顆粒組成②表示方法a、符號(hào)表示法：用砂粒集中的相鄰三篩的頭尾篩號(hào)加總停留量表示。用砂粒集中的相鄰三篩的中間篩孔尺寸毫米后的兩位數(shù)作為粒度符號(hào)表示。例：100/200-67.76%表示100、140、200目三個(gè)篩號(hào)的停留占總的

67.76%。b、美國(guó)鑄造協(xié)會(huì)細(xì)度AFS細(xì)度=各篩停留量與相應(yīng)的乘數(shù)的乘積總和/砂粒部分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和。３、原砂的顆粒形狀用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡觀察原砂的顆粒形狀分類：圓形砂—Ｏ

多角形砂—□尖角形砂—△粒形對(duì)型砂性能的影響①形狀越圓—型砂就越易緊實(shí)，透氣性也就越低；對(duì)于使用樹(shù)脂等化學(xué)粘結(jié)劑的型砂和芯砂而言，粒形對(duì)強(qiáng)度的影響尤為顯著；粘結(jié)劑加入量相同的條件下，用圓粒砂的試樣緊實(shí)程度高，而且砂粒實(shí)際比表面小，比尖角砂強(qiáng)度高很多。②砂粒表面粗糙度—若有侵蝕溝痕，裂縫和孔洞存在，粘劑消耗量增大。（3）原砂的燒結(jié)點(diǎn)燒結(jié)點(diǎn)—是原砂顆粒表面或砂粒間的混雜物開(kāi)始熔化的溫度。它是原砂各種組合成分耐火性能的綜合反應(yīng)。作用—推測(cè)原砂中二氧化硅含量高低和雜質(zhì)多少。試驗(yàn)方法—將盛有砂樣的小瓷舟在加熱至規(guī)定溫度的管式電爐中保溫5分鐘后，從爐中拉出，用小針撥動(dòng)砂粒并用放大鏡進(jìn)行觀察，顆粒開(kāi)始粘連的溫度即為該砂樣的燒結(jié)點(diǎn)。粘土（clay）粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。它被水濕潤(rùn)后具有粘結(jié)性和可塑性；烘干后硬結(jié)，具有干強(qiáng)度，而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性，因而具有較好的復(fù)用性。但如果烘烤溫度過(guò)高，粘土被燒死或燒枯，就不能再加水恢復(fù)塑性。粘土在自然界中儲(chǔ)量豐富，成本低廉，應(yīng)用廣泛。1、粘土的礦物成分—含水的鋁硅酸鹽，化學(xué)式簡(jiǎn)寫(xiě)—mAl2O3﹒nSiO2

﹒xH2O粘土的粘結(jié)機(jī)理1.水化陽(yáng)離子橋說(shuō)（濕態(tài)粘結(jié)機(jī)理）帶負(fù)電的粘土顆粒將極性水分子吸引在自己周圍，形成膠團(tuán)水化膜，依靠粘土顆粒間的公共水化膜，通過(guò)其中的水化陽(yáng)離子所起的橋或鍵的作用，使粘土顆粒相互聯(lián)結(jié)起來(lái)。相同的粘土膠離都帶有負(fù)電荷，應(yīng)排斥，但由于存在公共擴(kuò)散層中陽(yáng)離子的吸引作用，反而互相結(jié)合。水分過(guò)低，不能形成完態(tài)的水化膜；若水分過(guò)高，就會(huì)出現(xiàn)自由水。這兩種情況下的濕態(tài)粘結(jié)力都不大。只有在適宜的粘土和水量比例下，才能獲得最佳的濕態(tài)粘結(jié)力粘土顆粒與砂粒之間的粘結(jié)則被解釋為：砂粒因自然破碎及其在混輾過(guò)程中產(chǎn)生新的破碎面而帶微弱負(fù)電，也能使極性水分子在其周圍規(guī)則的定向排列。粘土顆?！傲Ｖg的公共水化膜，通過(guò)其中水化陽(yáng)離子“橋”作用，使粘土砂獲得濕態(tài)強(qiáng)度。2.“表面聯(lián)結(jié)”機(jī)理說(shuō)直接吸附在膨潤(rùn)土顆粒表面的極性水分子彼此聯(lián)結(jié)成六角網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，增加水分，逐漸發(fā)展成接二連三的水分子層。粘土顆粒就是靠這種網(wǎng)絡(luò)水分子彼此接連，從而產(chǎn)生了濕態(tài)粘結(jié)力—這種極性水分子有規(guī)則排列網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)結(jié)可稱為“表面聯(lián)結(jié)”。無(wú)陽(yáng)離子吸附下，表面聯(lián)接也可以存在，粘結(jié)力大小主要受水分含量多少影響?！皹蚵?lián)結(jié)”只在吸附陽(yáng)離子時(shí)才產(chǎn)生。表面聯(lián)接是形成濕態(tài)粘結(jié)力的主要原因。濕態(tài)強(qiáng)度=表面聯(lián)結(jié)強(qiáng)度+橋聯(lián)結(jié)強(qiáng)度粘土對(duì)型砂性能的影響

1）對(duì)濕壓強(qiáng)度的影響①水分適當(dāng)時(shí)：粘土量增加，濕壓強(qiáng)度增大。但膨潤(rùn)土增加到一定程度后使型砂混碾困難，形成團(tuán)塊，使強(qiáng)度不再增高。②粘土量相同時(shí)，膨潤(rùn)土砂的濕壓強(qiáng)度比普通粘土高很多。③當(dāng)粘土一定時(shí)，濕壓強(qiáng)度開(kāi)始隨水分增加而增高，達(dá)最大值后隨水分增加而下降。2）對(duì)透氣性的影響在最適宜水分狀態(tài)下：膨潤(rùn)土量增加，透氣性增大。原因：變粘，流動(dòng)性下降，不易緊實(shí)。普通粘土粘度小，對(duì)型砂流動(dòng)性影響較小，其粘土量增加，透氣性有下降趨勢(shì)。附加物目的—使型砂具有特定的性能，并改善鑄件的表面質(zhì)量。1、煤粉目的—防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂現(xiàn)象，并改善鑄件的表面光潔程度組成—含有機(jī)和無(wú)機(jī)化合物的混合物。制成—用煙煤磨細(xì)而制成。濕型砂中煤粉所起的主要作用①產(chǎn)生還原性氣體a、防止金屬氧化，并使鐵水表面的氧化亞鐵還原，減少了金屬氧化物與造型材料進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的可能性。b、在孔隙中形成P氣（反壓力）阻滲。②半焦充填堵塞砂型表面顆粒間孔隙，阻止金屬液滲入。如：焦渣為4~5級(jí)時(shí)，鑄件表面光潔。焦渣為1~2級(jí)時(shí)，鑄件表面質(zhì)量較差。③形成的膠質(zhì)體具有可塑性—緩沖石英膨脹應(yīng)力，從而減少膨脹缺陷。④“光澤碳”形成—防止界面反應(yīng)，使金屬液不易潤(rùn)濕型砂，有效防止機(jī)械粘砂。（煤粉在受熱時(shí)產(chǎn)生的碳?xì)浠衔飺]發(fā)分在

650~1000℃高溫下，在還原性氣氛中發(fā)生氣相熱解而在金屬和鑄型界面上析出一層帶有光澤的碳。）煤粉的加入量。①在3~8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)，據(jù)件大小厚薄而異。厚、大件—多，薄、小件—少②太多—透氣性下降，濕壓強(qiáng)度上升，適宜水分提

高，韌性下降，舊砂灰分積累增大，且發(fā)氣量過(guò)大，所產(chǎn)生氣孔缺陷的可能性增大。太少—作用不明顯。無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑砂型（芯）1、無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑的種類????鈉水玻璃——最廣泛水泥——其次磷酸鹽聚合物——近年新開(kāi)發(fā)分類鈉水玻璃水 磷酸鹽泥 聚合物2、化學(xué)硬化砂的優(yōu)點(diǎn)1）砂流動(dòng)性好，易緊實(shí)，故造型勞力強(qiáng)度低。可簡(jiǎn)化造型工藝—縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)率。提高鑄件質(zhì)量—減少缺陷。型芯尺寸精度高，可在型硬化后起模。5）取消或縮短烘烤時(shí)間，降低能耗，工作環(huán)境和工作條件改善。3、鈉水玻璃砂的硬化方法1）二氧化碳法2）自硬法（粉狀硬化劑或液態(tài)硬化劑）3）加熱硬化法2-2-1

鈉水玻璃及鈉水玻璃砂的硬化機(jī)理一、鈉水玻璃及其質(zhì)量要求水玻璃—各種聚硅酸鹽水溶液的通稱。種類：鈉水玻璃??鉀水玻璃季銨鹽水玻璃的水溶液鈉水玻璃的化學(xué)式—Na2O﹒mSiO2﹒nH2O特性：強(qiáng)堿性，PH=11～13直接影響它的化學(xué)和物理性質(zhì)的重要參數(shù)：模數(shù)，密度，含固量，粘度。㈠模數(shù)1、M=nSiO2/nNa2O=1.033wSiO22、模數(shù)的意義/wNa2OM大小僅表示鈉水玻璃中二氧化硅和氧化鈉的物質(zhì)的量比。并不表示鈉水玻璃中硅酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；模數(shù)高的鈉水玻璃，其硅酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不一定高。3、常用M大小—2～3.34、改變M大小的化學(xué)方法1）降低M—加入適量NaOH，即提高氧化鈉的含量。2）提高M(jìn)—加入HCl、NH4Cl,即中和部分氧化鈉。㈡鈉水玻璃密度、含固量和粘度1、密度ρ和含固量S1）密度ρ取決于鈉水玻璃中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而不是它的模數(shù)。常用ρ=1.32～1.68g/cm3

或波美度35～54的鈉水玻璃。2、粘度:隨鈉水玻璃的水分、密度和模數(shù)而定。1）水分一定，模數(shù)↑，粘度↑2）模數(shù)一定，水分↑，ρ↓，粘度↓二、鈉水玻璃砂的硬化機(jī)理1.提高模數(shù)（化學(xué)硬化）

在水玻璃中加入酸、酸式鹽能使水玻璃硬化Na2O.mSiO2.nH2O+2HCl→mSiO2.(n+1)H2O+2NaClNa2O.mSiO2.nH2O+CO2→mSiO2.nH2O+Na2CO32.脫水硬化（物理硬化）

鈉水玻璃中的硅酸鈉溶于水，產(chǎn)生溶劑化作用，使其周圍形成水化膜，水化膜將硅酸鈉質(zhì)點(diǎn)隔離，使鈉水玻璃呈穩(wěn)定狀態(tài)，鈉水玻璃的粘結(jié)性能和強(qiáng)度的增長(zhǎng)，源于水分降低，水化膜被破壞，致使其粘度迅速增加所致，其最高強(qiáng)度，在變?yōu)槊撍后w區(qū)域內(nèi)就可以得到。產(chǎn)生主要是無(wú)水玻璃狀多聚硅酸鈉。鈉水玻璃砂的CO2硬化機(jī)制?砂粒表面有很薄的水玻璃膜（3.8um），如吹CO2硬化，CO2是一種脫水能力相當(dāng)強(qiáng)的氣體，從砂粒周圍流過(guò)，

CO2與粘結(jié)劑接觸面積大，使鈉水玻璃部分失水，同時(shí)CO2與鈉水玻璃中的水作用形成碳酸：CO2+H2O→2H++CO32-從而使表層鈉水玻璃的PH值不斷降低，并達(dá)到迅速硬化。CO2硬化既有鈉水玻璃的物理脫水作用，也有化學(xué)反應(yīng)，二種機(jī)理難以截然分開(kāi)。鈉水玻璃膜：①膜由兩層組成表層Ⅰ:主要成分是硅酸膠體以及碳酸鈉、碳酸氫鈉結(jié)晶。里層Ⅱ:主要成分硅酸鈉膠體。吹二氧化碳方法插管法脈沖吹氣法真空二氧化碳硬化法模樣通氣法蓋罩法吹二氧化碳時(shí)鈉水玻璃的溫度20～30℃為宜。常用促硬劑：酸性鹽如硫酸亞鐵。硫酸亞鐵可發(fā)生水解，增加[H+]濃度，使鈉水玻璃不穩(wěn)定，再吹二氧化碳，就可以很快強(qiáng)化。吹氣流速和吹氣時(shí)間的影響1)流速2)時(shí)間對(duì)即用型芯—高V流，長(zhǎng)τ吹長(zhǎng)達(dá)一星期內(nèi)使用—低V流，短τ吹鈉水玻璃砂存在的問(wèn)題及其解決途徑一、出砂性差

鈉水玻璃砂的主要缺點(diǎn)：潰散性差，出砂困難，從而限制了它在鑄造上獲得更廣泛的應(yīng)用。改善鈉水玻璃出砂性的途徑及措施？

1)在鈉水玻璃砂中加入附加物a、有機(jī)附加物—糖類、樹(shù)脂類、油類、纖維素類。b、無(wú)機(jī)附加物—二價(jià)或三價(jià)的金屬氧化物c、復(fù)合附加物—無(wú)機(jī)+有機(jī)2)減少鈉水玻璃用量3)降低易熔融物質(zhì)的含量4）采用以石灰石作原砂二、鑄鐵件粘砂1、常嚴(yán)重粘砂：限制了鈉水玻璃砂在鑄鐵件上的應(yīng)用。2、中小鑄鋼：細(xì)粒砂，二氧化硅含量高的石英砂，提高緊實(shí)率，通?？色@得表面光潔的鑄件。3、重大鑄鋼件：粘砂較嚴(yán)重。4、粘砂形式：機(jī)械與化學(xué)并存。5、粘砂機(jī)制：氧化鈉、二氧化硅等與液態(tài)金屬在澆注時(shí)產(chǎn)生的鐵的氧化物，形成低熔點(diǎn)的硅酸鹽。（1）硅酸鹽結(jié)構(gòu)??玻璃體—與鑄件表面的結(jié)合力小，易清除。結(jié)晶體—結(jié)合牢固，產(chǎn)