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1、第二篇 砂型和砂芯的制造,型砂和芯砂的组成,原砂种类,粘结剂,粘土砂型应用得最多,第一章 湿 型,2-1-1湿型铸造特点 优点与干砂型相比，便于组织流水线,易实现机械化自动化等，延长砂箱适用寿命，工序简单，生产周期短，生产率高，无需烤干，可节省烤干设备和燃料。缺点铸型的金属界面作用反应较激烈，铸件容易出现一些缺陷。（1）水分高，易形成气孔。（2）水迁移形成水分凝聚层，易造成件表面夹砂、结疤和鼠尾。（3）强度低，是干型砂1/51/10，易掉落。（4）刚度，硬度低，变形、型壁移动使铸件尺寸公差增大、缩松、缩孔。,2-1-2 湿型砂 型砂分类(按其位置）：面砂铺履在模样表面上构成型腔表面层的型砂。背
2、砂在面砂背后用来充填加固的型砂。单一砂只用一种型号砂的铸型。对中小件。,一、湿型砂性能要求及检测原理,1、水分、最适宜干湿度和紧实率（1）水分必须保持在一个适宜的范围内。原因：含水太少干、易碎、起模困难、表面强度低、铸件易产生冲砂和砂孔；含水过多太湿、流动性差、粘、紧实度不均、浇注时发气大、易产生气孔、呛火、夹砂结疤。w水=（m-m）/m100%w水水分 m烘干前质量 m烘干后质量,(2)判断型砂的干湿程度的几种方法 水分（moisture content）:最常用。手捏感觉经验 紧实率很多工厂列其为最经常性检验性能的项目之一。紧实率=（筒高-紧实距离）/筒高 100%,造型方法与紧实率的关系
3、：手工和机器造型用型砂最适宜干湿程度下的紧实率为50%高压造型和冲击造型最适宜干湿程度下的紧实率为4050%挤压造型最适宜干湿程度下的紧实率为3540%,2、透气性紧实的型砂能让气体透过而逸出的能力。（3）型砂的排气能力 两方面决定：冒口、出气孔；透气性。测出气钟内的空气在压力下通过试样的时间，计算其透气性。透气性K=VH/sptV通过试样的空气体积；H试样高度；S试样截面积；p试样前压力（mmH2O)；t2000cm3空气通过试样的时间,3、湿态强度,表示型砂标准试样在受外力作用下遭到破坏时的应力值。湿态抗压强度 抗拉 抗剪 抗弯 劈裂强度,劈裂强度试验是在标准圆柱形试样的径向加载，使试样沿
4、其轴向平面断裂的一种试验。型砂湿态劈裂强度：sF=2F/dL F劈裂载荷（N)d试样直径，50mm L试样高，50mm,4.流动性（flowability）流动性型砂在外力或自身重力作用下，砂粒间相互移动的能力。（1）流动性好的型砂的特点可形成紧实作用下，砂粒间相互移动的能力。（2）测定方法5种 测定标准试样两个端面硬度值的差别。测定阶梯试样两平面的硬度值差。测定在底侧有环形空腔试样筒中冲击成的试样的高度。测定在冲击型砂试样时自圆柱形试样筒侧面小孔中挤出的型砂质量。对比测定紧实率后试样的质量，容积密度越大，流动性越好。,5、起模性、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碰碎或掉
5、落的性能。,破碎指数：直径50mm、510g钢球冲击试验，自高1m处落下。破碎的型砂通过网眼为12.7mm(0.5in)的筛网，留在筛网上的大块型砂占试样原质量的比值。指数值越大，起模性越好，但过高流动性低，砂型表面不致密。,6、抗夹砂结疤类缺陷能力（1）20世纪，50年代国外使用高温抗压强度试验机来检验湿型砂的抗夹砂结疤缺陷性能。未考虑湿型受热产生水分凝聚层现象。测定型砂试样在各种高温下受压破碎时的变形量和在该温度下试样受热的自由线膨胀量，由膨胀量超过变形量的程度来反映型砂产生这类缺陷倾向的大小。,7、发气量和有效煤粉含量 受热后，产生大量挥发分，在高温下进行气相分解，在砂粒表面沉积“光泽碳
6、”防止铸铁件表面机械粘砂，提高铸件表面光洁度。煤粉等附加物的光泽碳含量的测定可用特殊装置测出，但湿型砂的光泽碳形成能力较低，很难直接测量。,二、湿型砂用原材料为了制得性能合乎要求的型砂，必须考虑三方面因素：原材料 型砂配方 混制工艺,石英质原砂原砂的分类：山砂；海砂；湖砂；河砂；风积砂。1、原砂的含泥量1）原砂的含泥量指原砂中直径小于20微米的小质点的含量。含泥量对湿型砂的性能的影响？泥份增大，孔隙半径减小，透气性降低。泥份增大，湿态抗压强度增大，达到最适宜干湿状态的型砂含水量也提高。若原砂的泥分中不含粘土矿物，则原砂中含泥量增多会使型砂变脆，起模性质变坏。,2）含泥量检测方法的原理 利用不同
7、颗粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，将原砂中颗粒直径大于20微米与小于20微米的颗粒分开。称量烘干的原砂量入烧杯中，加入水及分散剂（5%的焦磷酸钠），煮沸及搅拌（5min)使其充分分散。然后经反复按规定时间沉淀，虹吸排除浑水和冲入清水。直到水清后，由烘干的残留砂样重量即可计算出原砂的含泥量。,2.原砂的颗粒组成表示方法 a、符号表示法：用砂粒集中的相邻三筛的头尾筛号加总停留量表示。用砂粒集中的相邻三筛的中间筛孔尺寸毫米后的两位数作为粒度符号表示。例：100/200-67.76%表示 100、140、200目三个筛号的停留占总的67.76%。b、美国铸造协会细度 AFS细度=各筛停留量与相应的乘数
8、的乘积总和/砂粒部分的质量分数总和。,、原砂的颗粒形状 用光学显微镜或扫描电子显微镜观察原砂的颗粒形状分类：圆形砂 多角形砂 尖角形砂,粒形对型砂性能的影响 形状越圆型砂就越易紧实，透气性也就越低；对于使用树脂等化学粘结剂的型砂和芯砂而言，粒形对强度的影响尤为显著；粘结剂加入量相同的条件下，用圆粒砂的试样紧实程度高，而且砂粒实际比表面小，比尖角砂强度高很多。砂粒表面粗糙度若有侵蚀沟痕，裂缝和孔洞存在，粘剂消耗量增大。,（3）原砂的烧结点 烧结点是原砂颗粒表面或砂粒间的混杂物开始熔化的温度。它是原砂各种组合成分耐火性能的综合反应。作用推测原砂中二氧化硅含量高低和杂质多少。试验方法将盛有砂样的小瓷
9、舟在加热至规定温度的管式电炉中保温5分钟后，从炉中拉出，用小针拨动砂粒并用放大镜进行观察，颗粒开始粘连的温度即为该砂样的烧结点。,粘土（clay）粘土是湿型砂的主要粘结剂。它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。但如果烘烤温度过高，粘土被烧死或烧枯，就不能再加水恢复塑性。粘土在自然界中储量丰富，成本低廉，应用广泛。1、粘土的矿物成分 含水的铝硅酸盐，化学式简写mAl2O3nSiO2 xH2O,粘土的粘结机理 1.水化阳离子桥说（湿态粘结机理）带负电的粘土颗粒将极性水分子吸引在自己周围，形成胶团水化膜，依靠粘土颗粒间
10、的公共水化膜，通过其中的水化阳离子所起的桥或键的作用，使粘土颗粒相互联结起来。相同的粘土胶离都带有负电荷，应排斥，但由于存在公共扩散层中阳离子的吸引作用，反而互相结合。水分过低，不能形成完态的水化膜；若水分过高，就会出现自由水。这两种情况下的湿态粘结力都不大。只有在适宜的粘土和水量比例下，才能获得最佳的湿态粘结力,粘土颗粒与砂粒之间的粘结则被解释为：砂粒因自然破碎及其在混辗过程中产生新的破碎面而带微弱负电，也能使极性水分子在其周围规则的定向排列。粘土颗粒砂粒之间的公共水化膜，通过其中水化阳离子“桥”作用，使粘土砂获得湿态强度。,2.“表面联结”机理说 直接吸附在膨润土颗粒表面的极性水分子彼此联
11、结成六角网格结构，增加水分，逐渐发展成接二连三的水分子层。粘土颗粒就是靠这种网络水分子彼此接连，从而产生了湿态粘结力这种极性水分子有规则排列网络的联结可称为“表面联结”。无阳离子吸附下，表面联接也可以存在，粘结力大小主要受水分含量多少影响。“桥联结”只在吸附阳离子时才产生。表面联接是形成湿态粘结力的主要原因。湿态强度=表面联结强度+桥联结强度,粘土对型砂性能的影响1）对湿压强度的影响水分适当时：粘土量增加，湿压强度增大。但膨润土增加到一定程度后使型砂混碾困难，形成团块，使强度不再增高。粘土量相同时，膨润土砂的湿压强度比普通粘土高很多。当粘土一定时，湿压强度开始随水分增加而增高，达最大值后随水分
12、增加而下降。,2）对透气性的影响 在最适宜水分状态下：膨润土量增加，透气性增大。原因：变粘，流动性下降，不易紧实。普通粘土粘度小，对型砂流动性影响较小，其粘土量增加，透气性有下降趋势。,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。1、煤粉 1）目的防止铸件表面产生粘砂现象，并改善铸件的表面光洁程度 2）组成含有机和无机化合物的混合物。3）制成用烟煤磨细而制成。,湿型砂中煤粉所起的主要作用 产生还原性气体 a、防止金属氧化，并使铁水表面的氧化亚铁还原，减少了金属氧化物与造型材料进行化学反应的可能性。b、在孔隙中形成P气（反压力）阻渗。半焦充填堵塞砂型表面颗粒间孔隙，阻止金属液渗入。如
13、：焦渣为45级时，铸件表面光洁。焦渣为12级时，铸件表面质量较差。,形成的胶质体具有可塑性缓冲石英膨胀应力，从而减少膨胀缺陷。“光泽碳”形成防止界面反应，使金属液不易润湿型砂，有效防止机械粘砂。（煤粉在受热时产生的碳氢化合物挥发分在6501000高温下，在还原性气氛中发生气相热解而在金属和铸型界面上析出一层带有光泽的碳。）,煤粉的加入量。在38%（质量分数）范围内，据件大小厚薄而异。厚、大件多，薄、小件少 太多透气性下降，湿压强度上升，适宜水分提高，韧性下降，旧砂灰分积累增大，且发气量过大，所产生气孔缺陷的可能性增大。太少作用不明显。,无机化学粘结剂砂型（芯）,1、无机化学粘结剂的种类 钠水玻
14、璃最广泛 水泥其次 磷酸盐聚合物近年新 开发,2、化学硬化砂的优点1）砂流动性好，易紧实，故造型劳力强度低。2）可简化造型工艺缩短生产周期，提高生产率。3）提高铸件质量减少缺陷。4）型芯尺寸精度高，可在型硬化后起模。5）取消或缩短烘烤时间，降低能耗，工作环境和工作条件改善。3、钠水玻璃砂的硬化方法 1）二氧化碳法 2）自硬法（粉状硬化剂或液态硬化剂）3）加热硬化法,2-2-1 钠水玻璃及钠水玻璃砂的硬化机理,一、钠水玻璃及其质量要求水玻璃各种聚硅酸盐水溶液的通称。种类：钠水玻璃 钾水玻璃 季铵盐水玻璃的水溶液钠水玻璃的化学式Na2OmSiO2nH2O特性：强碱性，PH=1113直接影响它的化学
15、和物理性质的重要参数：模数，密度，含固量，粘度。,模数1、M=nSiO2/nNa2O=1.033wSiO2/wNa2O2、模数的意义M大小仅表示钠水玻璃中二氧化硅和氧化钠的物质的量比。并不表示钠水玻璃中硅酸钠的质量分数；模数高的钠水玻璃，其硅酸钠的质量分数不一定高。3、常用M大小23.34、改变M大小的化学方法1）降低M加入适量NaOH，即提高氧化钠的含量。2）提高M加入HCl、NH4Cl,即中和部分氧化钠。,钠水玻璃密度、含固量和粘度1、密度和含固量S1）密度取决于钠水玻璃中水的质量分数，而不是它的模数。常用=1.321.68g/cm3 或波美度3554的钠水玻璃。2、粘度:随钠水玻璃的水分
16、、密度和模数而定。1）水分一定，模数，粘度2）模数一定，水分，粘度,二、钠水玻璃砂的硬化机理1.提高模数（化学硬化）在水玻璃中加入酸、酸式盐能使水玻璃硬化 Na2O.mSiO2.nH2O+2HClmSiO2.(n+1)H2O+2NaCl Na2O.mSiO2.nH2O+CO2mSiO2.nH2O+Na2CO32.脱水硬化（物理硬化）钠水玻璃中的硅酸钠溶于水，产生溶剂化作用，使其周围形成水化膜，水化膜将硅酸钠质点隔离，使钠水玻璃呈稳定状态，钠水玻璃的粘结性能和强度的增长，源于水分降低，水化膜被破坏，致使其粘度迅速增加所致，其最高强度，在变为脱水液体区域内就可以得到。产生主要是无水玻璃状多聚硅酸钠
17、。,钠水玻璃砂的CO2硬化机制 砂粒表面有很薄的水玻璃膜（3.8um），如吹 CO2硬化，CO2是一种脱水能力相当强的气体，从砂粒周围流过，CO2与粘结剂接触面积大，使钠水玻璃部分失水，同时CO2与钠水玻璃中的水作用形成碳酸：CO2+H2O2H+CO32-从而使表层钠水玻璃的PH值不断降低，并达到迅速硬化。CO2硬化既有钠水玻璃的物理脱水作用，也有化学反应，二种机理难以截然分开。,钠水玻璃膜：膜由两层组成 表层:主要成分是硅酸胶体以及碳酸钠、碳酸氢钠结晶。里层:主要成分硅酸钠胶体。,吹二氧化碳时钠水玻璃的温度 2030为宜。常用促硬剂：酸性盐如硫酸亚铁。硫酸亚铁可发生水解，增加H+浓度，使钠水
18、玻璃不稳定，再吹二氧化碳，就可以很快强化。吹气流速和吹气时间的影响 1)流速 2)时间 对即用型芯高V流，长吹 长达一星期内使用低V流，短吹,钠水玻璃砂存在的问题及其解决途径,一、出砂性差 钠水玻璃砂的主要缺点：溃散性差，出砂困难，从而限制了它在铸造上获得更广泛的应用。改善钠水玻璃出砂性的途径及措施？1)在钠水玻璃砂中加入附加物 a、有机附加物糖类、树脂类、油类、纤维素类。b、无机附加物二价或三价的金属氧化物 c、复合附加物无机+有机2)减少钠水玻璃用量3)降低易熔融物质的含量4）采用以石灰石作原砂,二、铸铁件粘砂1、常严重粘砂：限制了钠水玻璃砂在铸铁件上的应用。2、中小铸钢：细粒砂，二氧化硅
19、含量高的石英砂，提高紧实率，通常可获得表面光洁的铸件。3、重大铸钢件：粘砂较严重。4、粘砂形式：机械与化学并存。5、粘砂机制：氧化钠、二氧化硅等与液态金属在浇注时产生的铁的氧化物，形成低熔点的硅酸盐。,（1）硅酸盐结构 玻璃体与铸件表面的结合力小，易清除。结晶体结合牢固，产生粘砂。（2）铸钢 T浇 高，钢水易氧化，粘砂层中氧化铁，氧化锰含量高，粘砂层易于清除。（3）铸铁 T浇低，铁、锰不易氧化，粘砂层不易清除。（4）厚大钢件 热作用时间长且强烈，钠水玻璃严重烧结，型表面孔多，钢水侵入造成严重粘砂。防止措施（1）刷涂料：最好刷醇基涂料。（2）加煤粉（36%）。（3）加有填料效能的高岭土或粘土（2
20、%）。,三、型、芯表面粉化（白霜）吹二氧化碳硬化后，放一段时间，有时在型、芯表面会出现象白霜一样的物质，严重降低该处表面强度，浇注时易产生冲砂缺陷。成分：碳酸氢钠 原因：钠水玻璃砂中含水分或二氧化碳过多而引起的。NaCO3+H2ONaHCO3+NaOH NaO+CO2+H2O2NaHCO3 碳酸氢钠易随水分向外迁移，使型、芯表面出现类似霜的粉状物。防止措施：控制水分，吹二氧化碳时间不宜过长，型芯不要久放，加占砂重1%、=1.3g/cm3 的糖浆。,四、砂芯抗吸湿差 原因：在潮湿环境中，由于钠水玻璃重新发生水合作用。钠水玻璃粘结剂基体中的钠离子与氢氧离子吸收水分并侵蚀基体，最后使硅氧键断裂重新溶解，致使钠水玻璃砂粘结强度猛降。（1）加入无机附加物 在钠水玻璃中加入：钾水玻璃、碳酸锂、碳酸钙、碳酸锌。减少游离的钠离子，改善钠水玻璃粘结剂的抗吸湿性。（2）加起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钠离子和氢氧离子或为有机憎水基取代，或相互结合，外露的为有机憎水基，从而改善吸湿性。,
