第一章砂型与砂芯制造

第一章 砂型与砂芯制造
第一节 铸件综合质量观
铸造生产的综合质量观
铸件综合质量 = 交货期 + 价格 + 技术质量
铸件技术质量包括外观质量和内在质量。

外观质量要求形状、尺寸、重量准确，轮廓清晰，表面光洁。

内在质量指化学成分、金相组织、力学性能、作用功能和缺陷状态符合技术要求。

铸件质量分为三个质量 等级：合格品、一等品、优等品。

第二节 铸型工作条件及其与金属的相互作用
一、工作条件
铸型将承受力、热和化学等的作用而发生一系列的物理变化和化学反应，对铸件的成形、性能及缺陷 倾向带来严重的影响。

二、铸型接触区
型腔表层与金属液直接相接触及受到其影响的部分称为铸型接触
区。

铸型接触区的造型材料不仅参与蓄热，还进行液态金属和铸型组
分之间的相互扩散和传质，析出或吸收气体，以及发生其它现象。

金
属液得以冷却、凝固，表面氧化形成金属氧化层。

这种物理的、化学
的变化对铸件的形成和质量均有直接影响。

铸型表层化学作用区域一般可扩展到铸型内 0.5~0.6mm 深度，并
受造型材料孔隙度、材料本性和合金性质的影响。

三、金属与铸型接触区的相互作用
1．热作用
液态金属浇入铸型后，由于金属与铸型间存在很大的温差而发生强烈的热交换。

在热作用下，铸型水 分蒸发并发生迁移，使铸型沿型壁出现较大的温度梯度和湿分梯度，从而使铸型各部分的强度发生变化。

2．机械作用
液态金属会对铸型型壁产生冲击和冲刷作用，铸型还将承受液态金属的静压力。

铸件凝固收缩时亦将 受到铸型和砂芯的机械阻碍作用。

这些力的作用有可能造成铸件砂眼、裂纹、变形及尺寸超差等缺陷。

3．化学作用
液态高温金属对铸型的热作用将使铸型在高温下析出气体，引起铸型中各种附加物、有机物的燃烧、 分解和升华，可能使铸件产生气孔。

比如，在有色合金铸造中，在通常的浇注温度下将发生下列化学反应：
Mg+H 2O=MgO+H 2
↑+434500J
图1-1 铸型接触区
3Mg+N 2=Mg 3N 2+485700J
2Al+3H 2O= Al 2O 3+ 3H 2↑
反应产生的气体、氧化物和放出大量的反应热导致了铸件中气体、夹渣缺陷的形成和铸件的进一步氧 化燃烧。

第三节 砂型与砂芯
一、对造型材料性能的基本要求
1）型砂、芯砂应具有一定的强度，保证在造型、合箱、搬运和浇注过程中不变形，不损坏。

2）良好的透气性。

铸型或型芯中产生的气体能够通过砂粒间的空隙顺利排出型（芯）外，以消除或 减少铸件中的气孔缺陷。

3）对铸件收缩的可退让性（或容让性）。

当铸件冷却收缩时，铸型会发生相应的变形和退让，图 1-3。

4）一定的耐火度和化学稳定性。

在高温液态金属作用下，造型材料不软化；不与液态金属发生化学 反应；不产生或少产生反应性气体。

5）良好的工艺性能，即在造型、制芯时不粘模，具有好的型（芯）砂流动性和可塑性；在铸件落砂 和清理时具有好的出砂性。

6）对于铝、镁合金，还要有保护性，以防止合金在浇注和凝固过程中氧化、燃烧。

二、湿型砂用原材料
湿型砂一般常用粘土型砂，由原砂、粘土、附加物及水按一定比例混碾而成，其结构见图 1-4。

粘土、 附加物和水混合成浆，包覆并以薄膜形式把砂粒联结起来，使型砂具有一定强度和可塑性。

型砂中的孔隙 使其具有一定的透气能力。

附加物通常是为了改善砂的某些性能而加入的。

1．铸造用原砂
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。

石英质原砂主要来自天然硅砂，以圆形颗粒为优。

铸造用硅砂按二氧化硅含量分为7 级。

非石英质原砂主要有镁砂、橄榄石砂、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂等。

镁砂主要成分是 MgO,属碱性耐火材料，常用于高锰钢型砂或涂料。

橄榄石砂组分主要为[（Mg,Fe）2SiO 4]。

用镁橄榄石砂替代石英砂生产高锰钢铸件，铸件表面质量良 好，还可避免工人接触有害硅粉尘。

锆砂主要矿物是锆英石（ZrSiO 4）
，锆砂熔点高，锆砂热膨胀性小，其热导率、蓄热系数、密度都比硅
图1-3
受收缩应力的铸件示意图 图1－4 粘土型砂结构示意图
1－原砂粒2－粘土-水分胶体3－附加物4－透气孔隙
砂高很多，故铸件在锆砂型内冷凝速度快，一定程度上可以细化晶粒，提高铸件力学性能。

而且锆砂热化 学稳定性好，几乎不被熔融金属或金属氧化物浸润，有利于阻止金属液浸入铸型孔隙，可防止化学粘砂， 减少机械粘砂缺陷。

锆砂价贵较贵，一般只用其粉料配制抗粘砂涂料、涂膏。

石灰石砂化学成分主要是 CaCO3，经破碎、筛选后配制。

石灰石砂无硅尘危害，铸件表面光洁，不粘 砂，用于铸钢时成型流动性好。

但是，石灰石砂硬度低，混制中易破碎，限制了其使用范围。

2．粘土
粘土是湿型砂的主体粘结剂。

粘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。

重新 湿润后，粘结性和可塑性又能恢复而具复用性。

粘土颗粒直径大多数为 1~2μm以下。

按晶体结构分为普通粘土、高岭土（Al2O3·2SiO2·2H2O） 和膨 润土蒙脱石（Al2O3·4SiO2·nH2O）。

生产中可以对膨润土进行活化处理，以提高其粘结性能。

我国出产供货的膨润土多系钙基膨润土。

为 提高钙基膨润土的粘性，根据阳离子交换性质，可以在湿型砂混制中加配一定量（膨润土量的 4%~5%（质 量分数））的Na2CO3进行活化处理即可获到良好的粘结性能和可塑性。

粘土阳离子交换过程（膨润土活化处理）的化学反应机理可示意为：
Ca ++ 基蒙脱石 + Na2CO3 → Na ++ 基蒙脱石 + CaCO3 ↓
粘土型砂的干态粘结机理可解释为：烘干过程中砂型逐步失水和体积收缩使砂粒和粘土颗粒间相互靠 近，紧密接触而产生附着作用而依靠分子间引力产生“干”强度。

3．附加物
型砂加入一些如煤粉、渣油、淀粉等附加材料，使型砂具有特定的性能，改善铸件的表面质量。

煤粉作用主要是在合金液的高温作用下于铸型表面产生大量还原性气体（CO），防止金属液被氧化， 并使铁液表面的氧化铁还原。

总的来说，煤粉的加入能够显著改善铸铁件的表面质量。

湿型铸铁件所用型砂中煤粉含量常在 3%~8%（质量分数）范围内。

三、湿型砂制备
湿型砂用于铸铁和有色合金，有时铸钢也用。

拟定好湿型砂的物料配方，控制和稳定好湿型砂性能以 符合使用要求。

1．铸铁用湿型砂
型砂性能和组分的控制范围差别很大。

铸铁湿型砂中含有煤粉及失效煤粉。

型砂含水量通常高达 4.5%-6%。

水分过量，透气性低，铸件容易出现气孔。

因此，必须对型砂性能进行严格控制才能保证铸件 质量的稳定。

大、中型铸件采用表面干型或干型。

表面干型和干型一般采用颗粒较粗的原砂。

为提高其透气性、退 让性和抗夹砂能力，型砂中通常还要加入 0.5%-2%（质量分数）的木屑。

2．铸钢用粘土砂
铸钢的浇注温度高（≥1500℃），钢水密度大，收缩率大，易氧化，因此，铸钢用型砂应有较高的耐 火度，好的透气性、退让性，低的发气性和热膨胀性。

铸钢用原砂颗粒要比铸铁用的粗，小件用天然石英砂；大件用人造石英砂；重要的大型铸件用镁砂、 铬铁矿砂或锆砂作为面砂。

铸钢件干型及型芯表面都要喷、刷涂料。

一般铸钢件用石英粉涂料；高锰钢、耐热钢、不锈钢等高合 金钢和厚大铸钢件，可采用刚玉粉、锆砂粉或镁砂粉涂料。

3．有色合金用湿型砂
有色金属熔化后极易氧化、吸气，要求型砂必须干净，否则最易产生气孔。

常用较细的天然粘土砂。

4．粘土型砂的制备
粘土型砂是将原砂、粘土等原材料按照一定配方进入混砂机混制，使之均匀混合，让湿质粘土以薄膜 形式包覆于砂粒表面（图 1－4）。

混砂质量决定于混砂机型式、加料顺序和混砂时间。

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。

四、水玻璃砂
水玻璃砂是以水玻璃为粘结剂的一种型砂，广泛用于铸钢件生产。

水玻璃砂依其硬化方式不同可分为 “CO 2硬化砂” 、 “自硬砂”和“流态自硬砂” 。

（一）水玻璃的特性
铸造用水玻璃是一种粘稠的硅酸钠水溶液， 呈碱性， 是各种聚硅酸盐水溶液的总称 （Na 2O· mSiO 2· nH 2O） ， 具有粘性，并在一定的硬化条件下能转变为凝胶状态，因而可用作型砂和芯砂的粘结剂。

模数和密度是衡 量水玻璃性质的两个重要指标，它直接影响水玻璃砂的一系列性能。

1．水玻璃的模数
钠水玻璃中 SiO 2 和 Na 2O 两种物质量之比称为水玻璃模数，用 M 表示，即 M= %
W % W 033 . 1 n n O Na SiO O Na SiO 2 2 2 2
= 式中 2 SiO W %, O Na W 2
%——分别为硅酸钠中SiO 2 和 Na 2O 的质量分数。

水玻璃的模数越大，其硬化速度越快，保存性越差，不利于造型。

生产中一般控制水玻璃模数 M=2~3 来作为型砂中的粘结剂。

如果水玻璃模数不符合要求时，可加入一定的苛性钠或氯化铵来降低或升高水玻 璃的模数，其化学反应式如下：
降低模数
m SiO 2+2NaOH= Na 2O·mSiO 2+H 2O
提高模数
Na 2O·mSiO 2+2NH 4Cl= mSiO 2+2 Na Cl+2NH 3↑+H 2O
2．水玻璃的密度
当模数一定时，水玻璃的密度取决于溶解在其中的硅酸钠含量。

硅酸钠含量越高，水玻璃的密度越大。

水玻璃密度可以通过温水稀释或浓缩的方法进行调整。

造型用水玻璃密度一般控制为（1.45~1.6）g/cm 3 。

（二）水玻璃砂硬化原理及方法
对水玻璃砂铸型吹入 CO 2 气体能够实现铸型快速硬化。

其快速硬化原理在于 CO 2 能与硅酸钠水解产物 NaOH 反应生成盐和水，促使硅酸溶胶的生成。

其反应式如下：
Na 2O· mSiO 2+(n+1)H 2O=2NaOH+mSiO 2·nH 2O
2NaOH+CO 2=Na 2 CO 3+ H 2O
mSiO 2·nH 2O= mSiO 2·pH 2O+（n－p ）H 2O
向铸型吹入 CO 2的方法很多。

生产中广泛采用的是起模前扎气眼吹气或取模后用吹气罩覆盖吹气。

（三）水玻璃砂的配制
通常采用低模数的水玻璃或配砂时加入适量的NaOH以减少粘模性， 还可延长型砂的存放时间； 加入0.5%~1% 的重油或柴油，可以提高型砂的流动性，改善溃散性；加入 3%~5%的粘土，可提高湿强度。

水玻璃砂混制工艺如下：
原砂+粘土（干粉） 溶解 重油 干混 NaOH min 3 ~ 2 + + ® 出砂 水玻璃 湿混 湿混 min
3 min 2 ~ 1 ® + ® 五、有机粘结剂砂
（一）合脂砂
合脂砂是制皂生产中的残液，是一种粘稠的膏状物，经煤油或汽油稀释后可用作粘结剂。

价格较低， 提高其湿强度，可在合脂砂中适量加入糊精、纸浆或粘土。

合脂砂所用原砂较细。

合脂稀释比一般控制在10:6~10:10 的范围内。

合脂加入量一般为 2%~4%，应尽 量少加。

过高时会降低湿强度，加重粘膜。

合脂砂的混制过程：
( ) 出砂 混碾
干 硫磺粉 硼酸 合脂 湿混 纸浆废液 水 干混 糊精 原砂 min
15 ~ 10 min 4 ~ 2 min 3 ~ 2 ® + + + ® + + ® + 烘干温度控制在 200~240℃，最合适为 210±5℃。

烘干时间取决于砂芯尺寸、厚度、合脂加入量、稀 释溶剂种类和烘干温度等，一般为 1.5~3h。

（二）树脂砂及其制芯工艺
铸造用树脂粘结剂有酚醛树脂、糠醇改性脲醛树脂（呋喃Ⅰ型树脂）。

使用时再另加一定量的固化剂 或辅以加热，使之发生化学反应，由线结构的热塑性树脂变为体型结构的热固性树脂。

树脂砂分为壳芯砂、 热芯盒树脂砂和自硬树脂砂三类。

1．壳芯法树脂砂及其制芯
用壳芯法制芯可以在壳芯机内生产出表层仅数毫米的砂壳，中部空心，既节约了原材料，又有利于型 芯排气。

此法可用来造型和制芯。

该法所配制的型（芯）砂又称为覆膜砂。

制芯时，壳芯砂（覆膜砂）倒入砂斗中，用压缩空气将砂吹入预热至 200-280℃的金属芯盒中，靠近 芯盒壁的树脂受热固化，保持 20-30 秒，当结壳厚度达 5-15mm 时，将砂芯内未能固化的松散树脂砂倒出， 就可制取中空型芯。

树脂壳芯砂目前主要用于技术要求较高的成批中、小型砂芯，如汽车变速箱壳体、进、排气管等砂芯。

2．自硬树脂砂
这种砂又称冷硬树脂砂。

用冷硬树脂砂制造的砂芯，强度好，尺寸精度高，工序简化，特别适用于批 量小、产品多变和要求较高的航空铸件的生产或其它新产品试制。

冷芯盒树脂砂主要是呋喃改性树脂（如 KJN-1 型呋喃改性脲醛树脂、7501 型呋喃树脂），大部分用于
铸造灰铁件和有色合金铸件。

在配制冷硬树脂砂时要用酸来作催化剂，以加快树脂的化学硬化过程。

常用的催化剂有硫酸乙酯和甲 苯磺酸（有机酸）、磷酸（无机酸）等。

采用硫酸乙脂，加入量控制在树脂量的 30%-40%。

若用磷酸，则控 制为树脂量的 40%-50%。

3．热芯盒树脂砂
用射芯法制芯通常用热芯盒树脂砂。

它是将树脂砂射入预热到 180-260℃的金属芯盒中，经几十秒硬 化，就可形成具有一定厚度固化层的砂芯。

砂芯取出后，砂芯余热及其固化反应时的放热，还能使砂芯内 部继续硬化。

热芯盒树脂砂所用的粘结剂主要有呋喃Ⅰ、Ⅱ型两种糠醇改性树脂，加入量一般为原砂的 （2~3）% （质 量分数）。

其固化剂则采用氯化铵和尿素的水溶液（配比：氯化铵：尿素：水=1：3：3），其加入量为树脂 重的 20%左右。

呋喃Ⅱ型树脂属于无氮树脂，芯砂高温性能好，主要用于铸钢件和球铁件砂芯，且铸件不易产生针孔 或皮下气孔等缺陷。

加入量为原砂的 4%（质量分数）。

采用乌洛托品作固化剂，用量为树脂重的（15~20） %。

这种砂的混制工艺类同于油砂混制。

加料顺序为： 出砂 混碾 树脂 温混 固化剂 干混 附加物 干砂 min
2 ~ 1 min 5 . 1 ~ 1 min 5 . 1 ~ 1 + + + 第四节 铸造用涂料
一、涂料的作用
具体说来，有以下三方面的作用：
（1）、改善铸件表面质量。

（2）、减少砂型铸造不用涂料易形成的许多缺陷倾向。

（3）、改善铸件局部的表面性能和表层内在质量。

二、优质涂料应具有的性能
优质涂料应具有好的悬浮性、再搅匀性、覆盖能力、密度、粘度、粘结强度、耐火性、低的发气性、 涂刷性以及贮存性等，且需原材料丰富，成本低廉。

（1）、悬浮性。

悬浮性即涂料粉末在载液中保持均匀悬浮而不沉淀的能力。

（2）、粘度。

粘度即涂料本身粘性的大小，指涂料受到力作用时将如何形变和流动的性质。

（3）、耐激热性。

耐激热性即金属硬化或干燥后承受高温激热作用而不予开裂和剥落的能力。

三、涂料的基本组成
铸造用涂料通常由耐火粉料、载液、悬浮剂、粘结剂及其它有用添加剂组成。

1．耐火粉料
耐火粉料是涂料的主要组分，其组成质量分数通常高于 50%，由耐火材料粉碎而成的细粉。

2．载液体
载液体的作用是承载耐火粉料使之均匀分散或悬浮在载液中， 使涂料保持一定粘度和密度， 便于喷涂、 浸涂、流涂或刷涂到位，不宜过分粘稠或过稀。

常用的载液是水和乙醇。

3．悬浮剂
悬浮剂是稠化载液，形成胶体，促使耐火粉料悬浮，防止沉淀、分层和载液过分渗入砂型（芯）而加 入的物质。

水基涂料的悬浮剂有两类：一类是无机粘结剂，如膨润土，蒙托石等；一类是有机悬浮剂，比如羧甲 基纤维素（CMC）、海藻酸钠、聚乙烯醇（PVA）、糖浆等。

当前应用普遍的是膨润土和 CMC 的复合稠化体系。

醇基涂料较理想的悬浮剂也分两类：一类是在乙醇中可溶胀的有机膨润土、锂基膨润土、钠基膨润土及改 性蒙托石等；另一类是 PVB（聚乙烯醇缩丁醛）等。

4．粘结剂
水基涂料，属于低温型的，要加入一定量的水溶性合成树脂、乳白胶、淀粉、干性植物油、纸浆废液 等；属于高温型的有钠水玻璃、硅溶胶、聚合磷酸等。

醇基涂料用的粘结剂属于低温型的有松香、漆片（虫胶）、PVB 等；属于高温型的有加了六亚甲基四胺 的线性酚醛树脂，热固性酚醛树脂、硅酸乙酯等。

5．其它添加剂
为了改善涂料某些性能，常常另外添加少量的添加剂。

四、涂料的配制
涂料的组分和配比依据使用的合金种类和铸型（芯）性质不同而不同。

涂料配制的关键是要保证各种 组分达到高度分散，使之具备其所要求的稳定性能。

配制时各组分定量要准，所用容器和设备要清洗干净，有些组分要先行预处理，比如对某些组分先要 配制溶液，对膨润土常用水先泡，使其充分溶胀。

复 习 思 考 题
1．如何评价铸件综合质量和铸件技术质量？铸件技术质量分有哪三个等级？各有何要求？与工业发 达国家相比，目前我国铸造生产还存在哪些差距？
2．铸型接触区是一个什么概念？金属与铸型接触区有何相互作用？它们对铸件质量将分别带来什么 影响？
3.在砂型（芯）制造中，对造型材料有何基本要求？湿型砂一般常用哪些原材料混碾而成？它们是怎 样来满足造型材料基本要求的？
4．铸造用原砂主要有几类？重点说明石英砂、镁砂、铬铁矿砂和锆砂的成分、特性和应用。

5．铸造用粘土的粘结性和可塑性是如何形成的？目前市场上供应的粘土有哪几种？请分别说明其成 分、性能及其应用？
6．普通粘土和膨润土有何区别？何谓膨润土的活化处理？有何实用价值？说明其活化原理？
7.湿型砂中加入煤粉，渣油等附加物将起何作用？如何控制其加入量？
8.铸钢用粘土砂与铸铁用粘土砂在性能、 成分上有何不同， 为什么？请各举一型砂配方予以对比分析。

9．铸造有色金属用砂有何要求？为什么在铸造镁合金时必须加入一定量的菱镁矿附加物和硼酸？它 们对铸造质量的保障将起到何种效果？
10．说明水玻璃模数的意义和调节水玻璃模数和密度的措施。

说明水玻璃砂的特性及其应用？列举一 种水玻璃砂配方并分析其原材料的作用及用量控制范围？
11．砂型（芯）制造中，常使用哪几种有机粘结剂？请对比分析其成分、特性、应用规范和混制工艺 （可用表格统计分析）。

12．近代比较广泛地应用三种制芯法配用的树脂砂，请分别说明这三种树脂砂的树脂特性、用量、附 加物、硬结原理及制芯工艺规范。

13．铸造用涂料有何作用？主要由哪些基本组分组成？各有何功能？铸造涂料配制时应注意哪些问 题？。