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造型材料
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引言：造型材料的含义很广，凡是用来制造铸型（芯）的材料都属于造型材料。

造型材料在铸造生产中占有非常重要的地位，其质量的好坏直接影响铸件的质量、生产效率和生产成本。

由此可见，铸件生产中70％左右的成本和60％以上的质量问题都与造型材料有关。

此节，我们主要了解什么是造型材料，造型材料有哪些，分别有什么优势，以及造型材料的发展状况及未来的挑战。

一、什么是造型材料？
造型材料的含义很广，凡是用来制造铸型（芯）的材料都属于造型材料，如制造砂型所用的型砂、涂料和它们的组成材料，制造金属型用的钢、铸铁或铜，制造其他特种铸型用的石墨、石膏、陶瓷浆料等。

实际上，在现代铸造生产中，最普遍使用的是砂型。

在世界范围内，用砂型生产的铸件占应用各种铸型生产铸件的80％以上。

因此，在铸造行业里，一般说到造型材料，通常指的是砂型铸造用的造型材料，包括所用的各种原材料、造型、制芯混合料及涂料等。

1.1 铸造用砂
（一）湿型砂用原材料：石英砂
铸造生产中使用最大的是原砂，原砂是耐高温材料，是型砂的主体（骨料），常用二氧化硅含量较高的硅砂作为原砂。

以下主要介绍硅砂：
1、主要杂质硅砂中除了硅石（二氧化硅，即石英）外，还含有长石、云母、碱性金属氧化碳酸盐以及粘土、泥土等。

长石，常见的有钾长石、钠长石、钙长石。

其熔点低、硬度低、较易破碎、降低砂的耐用性和耐火度。

云母，分白云母和黑云母两种，熔点、硬度低，会降低砂的耐用性。

碱性金属氧化物，其易与氧化铁和二氧化硅形成低熔点化合物，从而造成化学粘砂。

泥土，泥土无粘性或粘性差（无活性），只会堵塞砂粒间隙，造成透气性差，型砂变脆，起模性差。

2、砂的颗粒特性指砂粒大小、分布情况、颗粒形状和表面状况。

影响型砂透气性、强度、耐火度及粘结材料加入量。

粒度大，混制出的型砂透气性好，透气率高，可避免产生气孔；颗粒形状有圆形、椭圆、钝角形、方角形和尖角形之分。

大部分为圆形的原砂配制出的型（芯）砂，强度、透气性及其他性能都较好（如流动性、成型性等），而尖角形砂配制的型砂强度高，透气性差，其他综合性能也较差。

3、砂的体积热变化指硅砂在加热过程中产生膨胀，有两种：一是因温度升高而产生的相变膨胀（573℃时晶格转变），影响较大。

（二0非石英质原砂
虽然硅砂来源广，，能满足一般铸铁，铸钢和非铁合金铸件生产要求，但是也有一些缺点，热膨胀系数较大，热扩散率较低，蓄热系数较低，且生产高合金铸件易发生粘砂缺陷。

非石英质砂目前可用的有橄榄石砂、锆砂，铬铁矿砂、石灰石砂，镁砂，刚玉砂、等等
粘结材料
1.2 粘合剂
（1）无机化学粘合剂
（一)铸造用粘土粘土分为高岭石粘土和蒙脱石粘土（膨润土）两大类，高岭石类
粘土耐火粘土NG（耐火度＞1580℃，用于厚大铸件干型砂）（耐火度高，干燥收缩率小，粘结力小）普通粘土ND（耐火度1350℃～1580℃，用于中大铸件干型砂）粘土蒙脱石类粘土（膨润土，陶土）钙基膨润土PC（用于铸铁和有色合金湿型砂及表干型砂）（耐火度低，干燥收缩率大，粘结力大）天然钠基膨润土（用于铸钢和铸铁湿型砂）钠基膨润土PN人工钠化膨润土）
（二)水玻璃粘结剂，水泥，磷酸盐等应用最广泛的为钠水玻璃，主要通过物理化学反应而达到硬化，用它们作为粘结剂配制的型砂属于化学硬化砂，有以下优点，型砂流动性好，易于紧实。

硬化快，硬化强度较高，可在硬化后起模，精度高，可缩短烘烤时间，提高铸件质量。

但是存在浇铸后溃散性差，旧砂难用摩擦法再生，硬化型芯保存性差，某些铸件硬化后强度不够等缺点。

（2）有机化学粘合剂
（一）树脂粘结剂
以树脂为主要成分的有机粘结剂称为树脂粘结剂。

1、按受热时状态变化特性分为：
热固性树脂粘结剂，多用作型（芯）砂粘结剂；热塑性树脂粘结剂，多用作覆膜砂或涂料的粘结剂。

2、按造型、制芯工艺要求可分为：
壳型（芯）用酚醛树脂；热芯盒用树脂；自硬砂用树脂；冷芯盒用树脂和其他铸造用树脂。

3、按树脂种类不同分为：
尿醛树脂、酚醛树脂和糠醇（呋喃）树脂三类。

（二）植物油类
1.3 辅助材料
型（芯）砂中，除了原砂、粘结剂（即粘结材料）和水外，为增强或抑制某种性能而加入的各种物质称为型砂附加物（即辅助材料）。

1、抗粘砂材料
抗议粘砂材料主要包括用于配制涂料的耐火材料和用于配制型（芯）砂的抗粘结砂附加物。

如石墨、煤粉、煤粉代用品等。

煤粉是在铸铁用湿型砂中加入的以煤为原料经粉碎制成的附加物。

煤粉在高温金属液的作用下，能形成一层还原性气体保护膜，将金属液与砂型隔开。

同时煤粉受高温作用后在砂型和金属液界面上会生成一层亮碳膜，不仅能防止机械粘砂，也能防止化学粘砂，夹砂结疤，提高型砂溃散性。

煤粉代用品代替铸铁湿型砂中煤粉的碳质附加物称为煤粉借用品。

主要有两类：一类是重油、渣油、炭油（煤焦油高沸点馏分）；另一类是聚乙烯、无规聚丙烯等。

代用品的光亮碳含量比煤粉多，含硫量和灰分较低，抗粘砂、夹砂效果比煤粉好，并可降低型砂水分，提高型砂流动性，消除因煤粉引起的粉尘。

2、铸造涂料，是重力型金属铸造的基础涂料，适用于所有金属模具。

铸造生产中砂型铸造涂料是量大、面广。

传统的铸造涂料大都为水基液体状。

新型铸造涂料，由于干粉状涂料的配制工艺及储藏因素决定，其所使用的辅助材料均必须为环保性的添加剂，因此干粉状铸造涂料又属绿色环保性的铸造涂料。

二、造型材料的现状和发展及前景
造型材料在铸造生产中占有重要的地位，它与铸件的质量、成本、生产效率和劳动条件都有密切的关系。

造型材料质量好坏直接影响铸件的质量和成本。

铸造生产中往往由于造型材料质量低劣或使用不当，而造成铸件报废约占总废品率的50％以上。

据国外有关统计资
料报道，造型制芯占铸件生产成本的1/2左右，除了金属熔炼占成本1/4外，还有1/4的成本要花费在铸件清理及其后处理上，其中清铲工序的成本的0％与造型材料有着密切的关系。

由此可见，铸件生产总成本中的70％左右和一半以上的质量问题，都与造型材料及其应用有关。

尤其是近代造型材料的发展，往往引起造型制芯工艺的变革，出现了精密、高效的新工艺。

例如：水玻璃的应用，相继出现了CO2砂、自硬砂、流态自硬砂等新的水玻璃砂造型制芯工艺；合成树脂的应用，相继出现了壳型、热芯盒、冷芯盒以及自硬砂等高效的树脂砂造型制芯工艺。

这些新型高效的造型材料和工艺的推广应用，成倍地提高铸造车间的劳动生产率，大幅度降低能源消耗和改善劳动条件，甚至根本上改变铸造生产的面貌。

我国机械工业科技工作会议也多次明确提出加强工艺材料的开发与应用工作。

几年来在造型材料及其应用工艺的开发上取得了可喜的成绩。

例如：树脂自硬砂和优质涂料的开发、应用与推广，象兰州石油化工机械厂已生产出可与国外样机媲美的大钩等铸件；沈阳水泵厂生产出尺寸精确、流道光滑的水泵过流部件，并使水泵效率提高2％～3％，获得了可喜的经济效益。

显然，研究开发造型材料的新品种，生产供应合乎铸造生产需要的造型材料，以及合理选用各种造型材料，对于提高铸件质量、降低成本、提高劳动生产率和改变铸造生产面貌有着现实的深远的意义。

随着机械工业的发展，铸造生产规模的日益扩大，机械化自动化程度日益提高，必将对造型材料提出更高的要求，并将进一步体现造型材料的重要性。

另一方面，由于能源消耗和环境污染，给中国经济的可持续发展带来了巨大的压力，中国国家发展的“十一五”规划，将节能减排、绿色制造和循环经济作为国家社会和经济发展的重点。

中国铸造业作为机械制造业的重要组成部分，在快速发展的同时也产生了极大的能源和环境问题。

面向21世纪的铸造技术将朝着绿色铸造工艺方法和材料装备的方向发展。

砂型铸造是铸造工艺的主要方法，占整个铸件生产的70%~80%。

相对于特种铸造方法，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染最为严重。

因此，采用高性能、低毒性、低成本及少污染的造型材料，对实现砂型铸造的绿色清洁生产具有重要意义。

尾言：发掘造型材料资源，掌握造型材料技术，合理选用造型材料已为世界各国所重视。

造型材料决定着铸造业的前景，占据着重要地位，如何发展新型材料，创造新型铸造工艺，走可持续，绿色环保线路就有利于我国铸造业在国际上持续走远。