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1、砂型鑄造-濕型鑄造 1 概述 粘土砂型可分為濕型、干砂型和表面烘干砂型。三者之間的主要差別在于：濕型是造好的砂型不經(jīng)烘干，直接澆入高溫金屬液體；干砂型是在合箱和澆注前將整個(gè)砂型送入窯中烘干；表面烘干砂型只在澆注前對(duì)型腔表層用適當(dāng)方法烘干一定深度（一般5～10mm，大件20mm以上）。 目前，濕型砂是使用最廣泛的、最方便的造型方法，大約占所有砂型使用量的60～70％，但是這種方法還不適合很大或很厚實(shí)的鑄件。表面烘干型與干型比，可節(jié)省烘爐，節(jié)約燃料和電力，縮短生產(chǎn)周期，所以曾在中型和較大型鑄鐵件的生產(chǎn)中推廣過(guò)。通常采用較粗砂粒（使有高的透氣性），加入較多粘土和水分，有時(shí)還在型砂中加1

2、～2％的木屑（提高抗夾砂結(jié)疤能力），其型腔表面必須涂敷涂料。 干型主要用于重型鑄鐵件和某些鑄鋼件，為了防止烘干時(shí)鑄型開(kāi)裂，一般在加入膨潤(rùn)土的同時(shí)還加入普通粘土。干型主要靠涂料保證鑄件表面質(zhì)量。其型砂和砂型的質(zhì)量比較容易控制，但是砂型生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要專門的烘干設(shè)備，鑄件尺寸精度較差，因此，近些年的干型，包括表面烘干的粘土政型已大部分被化學(xué)粘結(jié)的自硬砂型所取代。 2 濕型鑄造 2.1濕型鑄造特點(diǎn) 濕型鑄造法的基本特點(diǎn)是砂型（芯）無(wú)需烘干，不存在硬化過(guò)程。其主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化；材料成本低；節(jié)省了烘干設(shè)備、燃料

3、、電力及車間生產(chǎn)面積；延長(zhǎng)了砂箱使用壽命等。但是，采用濕型鑄造，也容易使鑄件產(chǎn)生一些鑄造缺陷，如：夾砂、結(jié)疤、鼠尾、粘沙、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鑄造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)金屬與鑄型相互作用原理的理解更加深刻；對(duì)型砂質(zhì)量的控制更為有效；加上現(xiàn)代化砂處理設(shè)備使型砂質(zhì)量得到了一定保證；先進(jìn)的造型機(jī)械使型砂緊實(shí)均勻，起模平穩(wěn)，鑄型的質(zhì)量較高，促進(jìn)了濕型鑄造方法應(yīng)用范圍的擴(kuò)大。例如汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)等工業(yè)中，質(zhì)量在300～500kg以下的薄壁鑄鐵件，現(xiàn)都已成功地采用濕型鑄造?，F(xiàn)代化造型方法有：普通機(jī)器造型、微震壓實(shí)造型、多觸頭高壓造型、射壓造型、沖擊造型及靜壓造型等。各種造型方法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸

4、精度和表面粗糙度值見(jiàn)表1。 2.2 濕型砂用原材料(鑄造用砂數(shù)據(jù)查詢) 濕型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比組成的。常用的加料順序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分。型砂的配方應(yīng)根據(jù)澆注合金種類、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍，然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比等因素?cái)M定。 (1) 石英質(zhì)原砂(具體參數(shù)請(qǐng)查詢鑄造技術(shù)數(shù)據(jù)-鑄造技術(shù)-鑄造工藝參數(shù)-鑄造造型材料-鑄造用砂) 鑄造生產(chǎn)中使用量最大的原砂是以石英為主要礦物成分的天然硅砂。天然硅砂資源豐富，分布極廣，易于開(kāi)采，價(jià)格低

5、廉，能滿足鑄造上多數(shù)情況的要求。生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類、質(zhì)量、壁厚的不同來(lái)選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強(qiáng)還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其他金屬氧化物，因而較易與型砂中雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成化學(xué)粘砂。所以要求原砂中SiO2含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，則對(duì)原砂中SiO2含量的要求就越高 表1 各種造型方法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度 造型方法 比壓/MPa 硬度① 砂型平均密度（g.cm-3） 鑄件基本尺寸／mm和尺寸公

6、差等級(jí)CT 鑄件表面粗糙度Ra/um >7～63 >63～100 >100～160 >160～250 低壓造型；例如普通機(jī)器造型 0.13～0.4 60～80 1.2～1.3 8～9 8～9 8～9 9～10 50～400 中壓造型：例如微震壓實(shí) 0.4～0.7 70～90 1.4～1.5 7～9 7～9 7～9 8～10 50～400 高壓造型 射壓造型 >0.7 90左右 1.5～1.6 6～7 6～7 6～7 7～8 6.3～50(12.5～25) 多觸頭高

7、壓造型 >0.7 90左右 1.5～1.6 5～6 6～7 6～7 7～8 6.3～50(12.5～25) 沖擊造型 氣流沖擊造型 90左右 1.5～1.6 提高了砂型的尺寸精度、鑄件的尺寸精度低于高壓造型 6.3～50 動(dòng)力（機(jī)械）沖擊造型 90左右 1.5～1.6 提高了砂型的尺寸精度、鑄件的尺寸精度相當(dāng)或略優(yōu)于高壓造型 6.3～50 (2) 非石英質(zhì)原砂 非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只會(huì)少量游離SiO2的原砂。雖然硅砂來(lái)源廣，價(jià)格低，能滿足一般鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的要求而得到廣泛應(yīng)用，

8、但是硅砂還有一些缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，熱擴(kuò)散率比較低，蓄熱系數(shù)比較低，容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì)對(duì)鑄型與金屬的界面反應(yīng)起不良影響。在生產(chǎn)高合金銅鑄件或大型鑄鋼件時(shí)，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清理十分困難。清砂過(guò)程中，工人長(zhǎng)期吸入硅石粉塵易患矽肺。 為了提高鑄件表面質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來(lái)配制無(wú)機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高

9、，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用。目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石破、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等等。 (3) 粘土(粘結(jié)劑數(shù)據(jù)查詢) 粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤(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。粘土資源豐富，價(jià)格低廉，所以應(yīng)用廣泛。 粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石（kaolinite）組，包括高嶺石、珍珠陶土、地開(kāi)石、埃洛石等；蒙脫石（montrillonite）組，包括蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等；伊利石（illite）組，包括

10、依利石、海綠石等。 鑄造工作者通常根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土（fireclay）和鑄造用膨潤(rùn)土兩類。膨潤(rùn)土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑。鑄造用粘土主要含有高嶺石或依利石類礦物。 (4) 附加物(輔助材料數(shù)據(jù)查詢) 型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外，通常還加入一些附加物如煤粉、渣油、淀粉等，目的是使型砂具有特定的性能，并改善鑄件的表面質(zhì)量。 在鑄鐵及有色合金用濕型砂中加入煤粉，可以防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷，并能改善鑄件的表面光潔程度。濕型鑄鐵件所用型砂中煤粉的含量常在3～8％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范圍內(nèi)，根據(jù)鑄件大小和厚薄而異。

11、 煤粉的代用材料，包括固體瀝青或其乳化液，渣油或煤焦油或其乳合液，膨潤(rùn)土與瀝青或其他石油衍生物的混合粉末或漿液，固態(tài)或水中分散的合成聚合物和淀粉等。鑄鐵面砂中淀粉含量（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）一般為0.5％左右，鑄鋼面砂在0.5～1.0％左右。 3 濕型砂性能要求及檢測(cè)方法 高質(zhì)量型砂應(yīng)當(dāng)具有為鑄造出高質(zhì)量鑄件所必備的各種性能。根據(jù)鑄件合金的種類，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、金屬液壓頭、砂型緊實(shí)方法、緊實(shí)比壓、起模方法、澆注系統(tǒng)的形狀、位置和出氣孔情況，以及砂型表面風(fēng)干情況等的不同，對(duì)濕型砂性能提出不同的要求。最主要的，即直接影響鑄件質(zhì)量和造型工藝的濕型性能有水分、透氣性、強(qiáng)度、緊實(shí)率、變形量、

12、破碎指數(shù)、流動(dòng)性、含泥量、有效粘土含量、顆粒組成、緬化物、砂溫、發(fā)氣性、有效煤粉含量、灼燒減量、抗夾砂性、抗粘砂性等。 3.1 水分、最適宜濕程度和緊實(shí)率 為了得到所需要的濕態(tài)強(qiáng)度和韌性，粘土砂必須含有適量水分，太干或太濕均不適于造型，也難鑄造出合格鑄件。因此，型砂的干濕程度必須保持在一個(gè)適宜的范圍內(nèi)。 判斷型砂干濕程度有以下幾種方法： （l）水分也叫含水量或濕度 它是表示型砂中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，這是一般工廠中確定型砂干濕程度最常用的傳統(tǒng)方法。測(cè)定的原理是稱取定量的型砂，放入105～110℃烘干裝置中使之干燥，由烘干前后的質(zhì)量差異計(jì)算出型砂的水分。 （2）手捏感覺(jué) 有實(shí)際操

13、作的混砂或造型工人常根據(jù)用手捏型砂時(shí)砂是否容易成團(tuán)和是否沾手來(lái)判斷型砂的干濕程度，還根據(jù)捏緊動(dòng)作中砂是否柔軟和變形情況來(lái)判斷型砂的可塑性；根據(jù)手指掐碎砂團(tuán)時(shí)用力大小來(lái)判斷型砂的強(qiáng)度是否合適。 （3）緊實(shí)率 是指濕型砂用 1MPa的壓力壓實(shí)或者在鼓擊式制作機(jī)上打擊三次，其試樣體積在緊實(shí)前后的變化百分率，用試樣緊實(shí)前后高度變化的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示，見(jiàn)圖1，即緊實(shí)率=［（筒高一緊實(shí)距離）筒高］100%。 手工和機(jī)器造型用型砂最適干濕狀態(tài)下的緊實(shí)率接近50％；高壓造型和氣沖造型時(shí)為35～45％；擠壓造型時(shí)為35～40％；不管型砂中有效膨潤(rùn)上、煤粉和灰分的含量有多少，只要將緊實(shí)率控制在上述范圍內(nèi)，手捏感

14、覺(jué)的干濕程度就處于最適宜狀態(tài)。這時(shí)型砂的水分可稱為最適宜水分。 圖1 緊實(shí)率測(cè)定法示意圖 a)填滿型砂b)刮去多余型砂c)緊實(shí) 3.2 透氣性 緊實(shí)的型砂能讓氣體通過(guò)而逸出的能力稱為透氣性。 透氣性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘結(jié)劑種類、加入量和混砂時(shí)粘結(jié)劑在砂粒上的分布狀況以及型砂緊實(shí)度的影響。對(duì)于濕型的單一砂和面砂而言，透氣性不但要有下限，而且必須嚴(yán)格規(guī)定其上限。 圖2為透氣性測(cè)定儀原理圖，它是測(cè)出氣鐘內(nèi)的空氣在壓力下通過(guò)試樣的時(shí)間來(lái)計(jì)算透氣性k。 圖2透氣性測(cè)定儀示意圖 1 一氣鐘 2一木簡(jiǎn) 3一三通閥 4一試樣座 5一試樣筒 6一標(biāo)準(zhǔn)試樣

15、 7一微壓表 8一阻流孔 3.3 濕態(tài)強(qiáng)度 型砂必須具備一定的強(qiáng)度以承受各種外力的作用。型砂的強(qiáng)度用型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣在外力作用下遭到破壞時(shí)的應(yīng)力值來(lái)表示。常用計(jì)量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa)。濕型鑄造時(shí)，往往主要檢查型砂石的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度，有的也測(cè)濕態(tài)抗剪強(qiáng)度和濕態(tài)抗拉強(qiáng)度。對(duì)普通機(jī)器造型用濕型砂，通常控制濕壓強(qiáng)度為0.06~0.12MPa之間，高密度造型用濕型砂，濕壓強(qiáng)度常控制在0.09~0.20MPa。 在生產(chǎn)中常采用表面硬度計(jì)測(cè)定硬度，以此反映型砂緊實(shí)的質(zhì)量，反映鑄型表面強(qiáng)度。 3.4 流動(dòng)性 型砂在外力或自重作用下，沿模樣和砂粒之間相對(duì)移動(dòng)的能力稱為流動(dòng)性。流動(dòng)性好的

16、型砂可形成緊實(shí)度均勻、無(wú)局部疏松、輪廓清晰、表面光潔的型腔，這有助于防止機(jī)械粘砂，獲得光潔的鑄件。此外，還能減輕造型緊實(shí)砂的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和便于實(shí)現(xiàn)造型、造芯過(guò)程的機(jī)械化。 目前測(cè)流動(dòng)性的方法還未統(tǒng)一，較多采用以下幾種方方法來(lái)判定型砂流動(dòng)性：①用濕型硬度計(jì)測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)試樣兩個(gè)端面硬度值的差別，硬度差別越小，指明型砂的流動(dòng)性越好；②在標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣簡(jiǎn)中放置一塊高25mm的半圓形金屬塊，測(cè)定階梯試樣兩平面的硬度差值；③測(cè)定在底側(cè)有環(huán)形空腔型砂試樣筒中沖擊成的試樣的高度；④側(cè)孔法：測(cè)定在沖擊型砂試樣時(shí)圓柱形試樣簡(jiǎn)側(cè)面 12mm 小孔中擠出的型砂的質(zhì)量。⑤試樣質(zhì)量法：即對(duì)比測(cè)定緊實(shí)率后的試樣質(zhì)量，

17、容積密度愈大，則流動(dòng)性好。 3.5 起模性、變形量、韌性和破碎指數(shù) 型砂的起模性是表示起模時(shí)模樣或模板與砂型分離是否容易損壞，是否產(chǎn)生掉落的性能。 型砂的變形量通常是在用強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定型砂抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，用一個(gè)百分表測(cè)出試樣破碎前的變形量（高度減小量）。由此也可計(jì)算出型砂韌性，即將型砂濕壓強(qiáng)度(MPa)承變形量(cm)再乘1000的乘機(jī)來(lái)表示韌性(MPa.cm). 對(duì)濕型砂而言，有人認(rèn)為韌性也可用破碎指數(shù)來(lái)代表，即測(cè)定在沖擊條件下型砂的韌性。圖3為用落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖。濕型砂標(biāo)準(zhǔn)抗壓試樣放在鐵砧上受到一個(gè)自 lm高度自由落下的φ50mm、510g鋼球的沖擊，破碎的型砂，碎的

18、通過(guò)網(wǎng)眼為12.7mm（0.5in）的篩網(wǎng)，留在篩網(wǎng)上的大塊型砂的質(zhì)量占試樣原質(zhì)量的比值即為破碎指數(shù)。通常震壓造型的破碎指數(shù)控制在68～75％，高壓造型型砂的破碎指數(shù)要求在68％左右。 圖3 落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖 3.6 發(fā)氣量和有效煤粉含量 為了檢查鑄鐵件用濕型砂的抗機(jī)械粘砂能力和推算出型砂中有效煤粉含量，我國(guó)普遍采用的是測(cè)定型砂發(fā)氣性的辦法。發(fā)氣性（發(fā)氣量）測(cè)定大都是讓待測(cè)定量樣品在密閉體系中加熱氣化，或測(cè)定所產(chǎn)生氣體的容積（用單位質(zhì)量析出的氣體體積表示，cm／g）；或測(cè)定氣體的壓力（容積恒定，發(fā)氣量大，壓力大）；或稱量殘留物的質(zhì)量（灼燒堿量），以確定發(fā)氣量。 4 濕

19、型砂制備 在擬定型砂的配方之前，必須首先根據(jù)澆注合金種類、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍。然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比和各項(xiàng)材料燒棉比例等因素?cái)M定型砂的配方一個(gè)車間的型砂性能指標(biāo)和配方要經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)考驗(yàn)才能確定。 4.1 濕型砂的性能和配方特點(diǎn) 表2是一些工廠用型砂性能的實(shí)例。 表2 鑄鐵件濕型砂典型性能 造型方法 水分 (%) 濕壓強(qiáng)度(kPa) 熱濕強(qiáng)度(kPa) 緊實(shí)率 (%) 透氣性 有效粘土(%) 揮發(fā)分 (%) 灼減 (%) 泥分 (%) AFS細(xì)度

20、 震壓造型 3～4 70～100 － 45～52 80～100 5．0～5.5 2.5 7.0～7.5 __ 約55 高壓造型 2.5～3.2 150～200 __ 38～40 80～100 6.0～10.0 2.0 6.0 9.0～15.0 約55 氣沖造型 4.3 266.0 2.6 30.5 89 8.6 1.7 6.8 15.5 54 4.4 231 3.0 32 110 9.1 1.3 5.2 15.1 62 4.1

21、 231 3.0 32 110 9.1 1.3 5.2 15.1 62 2.9 243.0 2.8 36.0 78 8.4 o.9 1.3 8.9 63 3.6 196.5 1.35 27.6 164 6.4 1.5 4.7 12.7 61 4.2 舊砂的特性及其處理 生產(chǎn)1t濕型鑄件約需要5～10t型砂，在實(shí)際生產(chǎn)中，配制型砂時(shí)都盡量回用舊砂（即重復(fù)使用過(guò)的型砂）、這不僅是經(jīng)濟(jì)上的需要，而且也是保護(hù)環(huán)境、防止公害的需要。圖4為鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程的示意圖?？梢钥闯?，混

22、砂時(shí)還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤(rùn)土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。 鑄件打箱后，砂中常有鐵塊、鐵豆和砂塊等雜物，因而舊砂要經(jīng)過(guò)多次磁選、破碎團(tuán)塊及過(guò)篩去除雜物。還應(yīng)該經(jīng)過(guò)除塵處理，降低舊砂中的粉塵含量，然后回用。另外，還要采取一系列措施以降低舊砂溫度。 圖4鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程示意圖 4.3 濕型砂的混制工藝 生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式、擺輪式、葉片式等。有些大量生產(chǎn)的鑄造工廠使用的雙碾盤碾輪式混砂機(jī)，是一種高生產(chǎn)率的連續(xù)式混砂機(jī)。常用的加料順序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至要求的水分。對(duì)濕型砂而言，混砂時(shí)嚴(yán)格控制加水量是必要的。