《金属液态成形工艺》(哈工大魏尊杰主编)第一章知识点总结

第一章金属液态成形工艺及方法1．铸造用砂：掌握影响铸造用砂性能的影响因素有哪些？石英砂的选用原则？特种铸造用砂种类，优缺点及使用领域。

（1）影响铸造用砂性能的影响因素矿物组成和化学成分：石英含量高的原砂具有较高的耐火度，复用性好。

含泥量：对于用粘土作为粘结剂的型芯砂，导致铸型和砂芯的强度及耐火度下降。

对于不用粘土作为粘结剂的型芯砂，原砂中的含泥量会降低其干强度和透气性。

颗粒组成：对型砂的强度、透气性以及铸型的尺寸精度与表面质量都有很大的影响。

耐火度高，则铸件表面质量好，清砂容易。

烧结点：对铸件的表面质量、型砂的复用性和铸件清理的难易程度的影响比耐火度更为显著。

（2）石英砂的选用原则应根据合金种类、铸件的大小和结构、铸型的种类(湿型或干型)、粘结剂种类、造型方法(手工或机器)以及是否采用涂料等综合考虑。

硅砂中其他矿物都是有害杂质，在高温下都易形成低熔点化合物。

硅砂越纯，熔点越高，复用性好但热膨胀大，抗夹砂能力小。

Si02含量较低的硅砂熔点低，复用性差，但热膨胀小，用于一般铸铁件，具有较好抗夹砂能力；铸钢件浇注温度高，型砂发气量大，要求型砂耐火度高，透气性好，故原砂中SiO2 含量应高；铜、铝铸件用砂一般要求颗粒细小，以获得较低的表面粗糙度值，对SiO2含量要求并不高。

对于树脂砂、油砂、水玻璃砂，一般要求使用含泥量小的圆形原砂，以减少粘结剂的用量；对于酸硬化的树脂砂，还要控制原砂中碱金属及碱土金属氧化物的含量；采用涂料的铸型，可以采用一些颗粒大、质量差的原砂。

（3）特种铸造用砂种类，优缺点及使用领域①锆砂锆砂虽仍属酸性耐火材料，但高温时对氧化铁的热化学稳定性高，而且基本上不被金属氧化物浸润。

锆砂的热导率比硅砂大一倍，蓄热系数约为硅砂的1/3，故能使铸件冷却凝固较快并有良好的抗粘砂性能。

做形状复杂的铸型时，可用它代替冷铁对铸件进行激冷,细化结晶组织。

锆砂的热膨胀系数只有硅砂的三分之一，一般不会造成型腔表面起拱和夹砂。

锆砂具有一定放射性，使用中应采取保护措施；处理过程复杂、产量少。

锆砂可用做大型铸钢件或合金钢铸件的特殊型(芯)砂或涂料、涂膏。

②镁砂镁砂热膨胀率较硅砂小，没有因相变引起的体积突然膨胀；碱性材料，不与FeO或MnO等起反应。

菱镁矿煅烧技术较复杂，由其煅烧而来的镁砂价格比硅砂贵6倍左右。

适用于高锰钢铸件、高熔点合金钢铸件以及表面质量要求较高的铸钢件的型、芯砂的涂料、涂膏，对于铸造过程中热应力很大的型、芯也可采用镁砂。

③铬铁矿砂铬铁矿热化学性能稳定，不与氧化铁发生化学反应，在1700℃以下加热无相变，体积较稳定，具有较强的激冷作用和抗液体金属渗透能力。

铬铁矿砂中含有杂质时使其耐火度降低，其中最有害的杂质是碳酸盐，在浇注时可分解出CO2，会使铸件产生气孔。

国产铬铁矿砂量少且品位低，故仍需进口,价格偏高，目前主要用做大型合金钢铸件型、芯面砂和抗粘砂涂料、涂膏。

④耐火熟料热膨胀小，高温下体积稳定、耐火度高、抗渣性好。

铁及其氧化物对它们的浸润性比硅砂低。

耐火熟料是一种典型的两性氧化物，根据成分不同，在高温时有时呈现显著的碱性，有时也呈现中性。

依其性能特点，耐火熟料可以用做大型铸钢件的型、芯面砂、涂料和涂膏，及熔模铸造的模壳涂料。

⑤橄榄石砂热膨胀量较硅砂小，且均匀膨胀，无相变。

橄榄石砂不含化学结合水和碳酸盐，使用前不用进行焙烧。

橄榄石砂中不含游离SiO2，且不与铁和锰的氧化物反应，故无硅尘危害，具有较强的抗金属氧化物侵蚀的能力，是一种较好的造型材料。

橄榄石砂可用于中型铸钢件，特别是高锰钢铸件的面砂。

国外多采用橄榄石砂V法生产高锰钢铸件，如炉箅、道叉等。

橄榄石砂中含有粘土、石英、石灰等杂质时，其熔点降低，易形成粘砂。

将橄榄石原砂进行水洗，可提高其质量。

⑦碳质材料碳质砂为中性材料，化学活性低，不为金属液及其氧化物所浸润；耐火度高。

碳质砂特别适用于高温下易氧化的钛合金和各种非铁合金用砂，也可用于铁质金属铸造。

鳞片石墨和无定形石墨还可用于配制铸造用涂料。

石墨电极的耐火度很高，热导率和蓄热系数比铸铁还高，热膨胀系数非常低。

可把石墨电极机械加工成铸型，可提高铸件的致密性和铸件的尺寸精度，降低铸件的表面粗糙度值。

⑧钛铁矿砂价格比锆砂便宜，比硅砂贵；导热性、蓄热性与铬铁矿砂相近，热膨胀量较铬铁矿砂稍大。

由于熔点较低，仅适用于铸铁用原砂，用钛铁矿砂配制的涂料，用于铬锰氮硅钢铸件时，可得到光洁的铸件表面。

2．铸造粘结剂：掌握粘土的分类，普通粘砂和膨胀土的鉴别；粘土颗粒的带电的原因；粘土的湿态粘性机理及影响湿态粘结强度因素；粘土的选用标准。

（1）粘土的分类根据粘土的矿物成分和性质不同，分为普通粘土和膨润土。

普通粘土用N表示，主要矿物成分为高岭石类、伊利石类粘土矿物；膨润土主要由蒙脱石类矿物组成，根据吸附阳离子情况不同分为钠基（P Na）和钙基（P Ca）膨润土，根据PH不同分为酸性（S）和碱性（J）两种。

（2）普通粘砂和膨胀土的鉴别普通粘土和膨润土从外观上难以区别，需要根据不同粘土的矿物结构、比表面积、吸附性以及吸水膨胀性等方面采用各种方法进行鉴别。

①粘土的矿物分析x射线衍射分析：每一种粘土均有其独特的X射线衍射线谱，因此利用X射线衍射方法可以鉴别粘土的矿物成分及不同粘土的相对含量。

差热分析：不同的粘土矿物加热时的失水温度、分解温度和重结晶温度不同。

热失重：不同的粘土矿物失去结构水的温度不同。

红外线吸收光谱分析:用红外线连续光谱照射粘土时，红外线吸收谷的位置与粘土矿物的结晶程度、粒度、晶内置换等因素有关，因此可用于鉴别粘土矿物。

采用矿物分析方法对粘土进行鉴别，分析过程复杂，需要贵重的专门仪器，只能由专门的研究机构进行。

在生产中经常采用工艺方法对粘土进行鉴别。

②测定吸附亚甲基蓝量粘土由于吸附着可交换阳离子，因此具有吸附色素的能力。

如将粘土倒入蓝色的亚甲基蓝溶液中，经过摇晃、静止一段时间，粘土中的蒙脱石或高岭石就吸附蓝色的阳离子，使亚甲基蓝溶液变清。

不同的粘土吸附亚甲基蓝溶液的能力差别很大。

如每100g干膨润土吸蓝量已般在20 g以上，而普通粘土吸蓝量一般在10 g以下。

③测定工艺试样强度做两组试样进行对比，其中一组加人粘土质量5%的苏打，加入苏打后湿强度提高不大的一般为普通粘土，提高明显的一般为钙基膨润土，几乎无提高或明显下降的为钠基膨润土。

④测定工艺试样的吸水上升速度在直径为200 mm的圆盘中，注入5 mm高的水，将φ50 mm x50 mm的工艺试样放在盘中，普通粘土与钙基膨润土试样吸水速度很快，约1 min就上升到顶面，钠基膨润土试样则很慢。

（3）粘土颗粒的带电的原因①晶层边有破键，使粘土颗粒边缘带负电荷；②晶层内部离子交换，使单位晶层中电荷不平衡，有剩余的负电荷；③晶层边缘氧离子有剩余电荷。

（4）粘土的湿态粘性机理及影响湿态粘结强度因素关于粘土的湿态粘结机理，现在还没有完全一致的观点。

比较普遍的看法是：带电的粘土颗粒遇水以后，把极性水分子吸引在自己周围形成水化膜，当粘土颗粒接近到一定程度后在颗粒之间形成公共水化膜，其中公共水化阳离子起着“桥”或“键”的作用，使得不同的粘土粒子连接起来，形成粘土膜，产生湿态粘结性。

根据上述分析，当砂、粘土和水按一定比例混合时，不同的粘土颗粒通过吸附的水化膜相互连接在一起形成粘土膜，并包在砂粒表面，而不同的砂粒又靠表面粘土膜相互粘结起来，使型砂有一定的湿强度。

粘土的湿态粘结强度决定于粘土的矿物成分、可交换阳离子的成分和数量、粘土的颗粒大小及相关的工艺因素。

①粘土的矿物成分粘土颗粒表面的吸附能力随粘土的比表面积增大而增大，而不同矿物成分的粘土比表面积相差很大。

膨润土的主要矿物成分为蒙脱石类矿物，其比表面积为250 ~500 m2/g，而普通粘土的主要矿物成分为高岭石类矿物，其比表面积为50~100m2/g，因此膨润土的湿态粘结力比普通粘土高2~3倍。

②可交换阳离子的成分和数量高岭石类粘土主要是因为晶格边缘的破键吸附阳离子，吸附的阳离子数量比较少；蒙脱石类粘土除了晶格边缘的破键和氧离子剩余电荷外，主要是晶层内部离子交换导致的负电荷，所吸附的可交换阳离子数量远多于高岭石类粘土，因此膨润土的粘结力明显高于普通粘土。

另外，粘土质点所吸附的阳离子性质也影响其粘结能力。

由于Na+、K+的水化强度大于Ca2+、Mg2+，钠膨润土的吸水膨胀能力要比钙膨润土的大，所以钠膨润土的粘结力比钙膨润土的大。

③加水量加水量对粘土的粘结力影响很大：加水量少，粘土颗粒表面不能形成完整水化膜，粘结性不大；加水量过多，超过了粘土颗粒的吸附能力，有自由水存在，加大了粘土颗粒之间的距离，形成的公共水化膜很薄，甚至不能形成公共水化膜，导致粘结性下降。

因此，水分过多或过少均不利。

（5）粘土的选用标准选用粘土时需要考虑以下性能:①粘土的粘结力膨润土的湿态粘结力比普通粘土高2~3倍，可以减少加入量。

同样的原砂采用膨润土，湿态强度高，还可降低型砂的含水量和提高透气性，因此湿型和表面干型多选用膨润土作粘结剂。

②粘土的抗夹砂能力粘土的抗夹砂能力与型砂的热湿拉强度成正比，同薄壳试样的热压应力成反比。

为了减少铸件的夹砂缺陷，应选用热湿拉强度高而热压应力低的粘土作粘结剂。

钠基膨润土的热湿拉强度比钙基膨润土高很多，抗夹砂能力强。

但是，钠基膨润土遇水膨胀能力大，型砂流动性差，落砂困难。

③粘土的耐火度采用干型生产大型铸钢件时，应选用耐火度高的粘土作粘结剂。

普通粘土的耐火度比膨润土高，但型砂的耐火度不仅与粘土的耐火度有关，而且与粘土的加入量有关。

选用膨润土作粘结剂时，虽然其耐火度较低，但由于粘土加人量减少，所配制的型砂耐火度可能比加入量多的普通粘土砂的耐火度高。

④粘土的耐用性粘土矿物加热失去结构水以后不再吸水膨胀，从而失去粘性成为死粘土或失效粘土。

如果粘土失去结构水的温度高，则在同样条件下每次浇注时，粘土的失效比例小，粘土的耐用性好。

在选用粘土时，除了考虑技术方面因素外，还要考虑经济上的合理性。

3．造型的分类及优缺点？造型方法的选择？（1）分类及优缺点：造型可分为手工造型和机器造型两大类。

➢手工造型手工造型是指用手工完成填砂、紧实和起模等主要操作的造型过程。

优点：操作方便灵活，工艺装备简单，不需要复杂的专用造型机等设备；对铸件尺寸、复杂程度及合金种类等适应性强；模样生产准备时间短；缺点：对工人技术水平要求较高，劳动强度大，生产率低，铸件质量不易保证。

因此，手工造型比较适用于单件或小批量生产，一些大型复杂的铸件。

➢机器造型机器造型是用机器来完成填砂、紧实和起模等造型操作过程，按紧实方式的不同，机器造型又分压实造型、震压造型、抛砂造型和射砂造型4种基本方式。

机器造型使用模板，模板是铸件模样、浇注系统模样和模底板的组合体，其中模样形成型腔，模底板形成分型面。