第2章 砂型铸造讲解

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

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。

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。

c) 地坑造型

（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 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

均阻2gH m/S ρμτ=

三、几种合金浇注系统设计的特点

第三节 液态金属凝固收缩过程的工艺分析 一、液态金属凝固过程的收缩

%100)(%10000

0?-=?-=

L L L

L t t v V V V v αε 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大。例如汽车、拖拉机、柴油机等工业中，质量在300～500kg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。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。