第二章 砂型与砂芯制造 与选用

（5） 石灰石砂（limestone sand） 矿物组成与化学成分 三种矿物组成：石灰石型、白云石型、大理石型 主要化学成分：CaCO3
性能 优势：与石英砂相比，有如下优势： a 无硅尘危害 b 铸件表面光洁，清砂容易 c 钢液流动性好，铸钢棱角清晰。 d 铸件致密，因石灰石分解吸热，表层冷却速度比石英砂快。 E 资源丰富。 缺陷： a 硬度较低，故在混砂和造型时易破碎，恶化型砂性能。 b 浇注时分解并与钢液作用，导致缩沉、气孔 c 对工人技术要求高 应用：铸钢件的水玻璃砂铸造 规格： 按大小可分为五组：15、21、30、42、60 按化学成分可分四级
O


非石英质原砂
石英质原砂的缺陷：膨胀系数大、热性能差、化学稳定性 差，劳动条件差。 （1） 镁砂（magnesite） 主要成分 主要成分为MgO，（菱镁矿）MgCO2→MgO+CO2。菱镁 矿高温煅烧（1500-1650℃）使MgO重结晶、烧结、破碎、 分选。 性能：熔点高、蓄热系数高（是石英砂的一倍半）、热膨 胀率比石英小，无相变引起的体积膨胀、化学性能稳定， 不与MnO、FeO反应，用于锰钢可防止粘砂。 规格：见表2-1-10，按MgO的含量，有两种规格。
造型材料：
1）原砂：石英砂。主要成分SiO2。 颗粒形状：尖角形、多边形、圆形



石英质原砂 （1）种类：天然硅砂、人造砂 天然硅砂：由火成岩风化形成 山砂：风化后就地储集。泥多、粒形不规则。六合、唐山 海砂、湖砂、河砂：经过水利搬运。颗粒圆整，大小较均 匀。 海砂：北戴河、广东新会、福建东山、山东 湖砂：江西都昌、星子 河砂：上海吴淞、河南郑庵 风积砂：经风力搬运，颗粒更圆整、均匀。内蒙古。 人造砂： 石英砂岩：沉积的石英颗粒被胶体二氧化硅或氧化铁、碳 酸钙等胶结成块状，质地疏松，易加工破碎，颗粒大多呈 现多角状。 石英岩：沉积的石英砂粒在地质高温高压作用下，经过变 质而形成坚固、整体的岩石。SiO2含量高、质地坚硬，破 碎后呈尖角状。
砂型与砂芯制造
第一节 铸件综合质量观
1.铸件综合质量观
交货期
内在质量
↓
价格
外观质量
2.铸件质量三个等级 （JB/JQ82001—1990）
合格品：铸件质量满足用户（甲方）要求； 铸件生产过程中（乙方）质量稳定。 一等品：铸件质量达到当代工业发达国家20 世纪80年代初水平，满足出口要求。 优等品：达到国际同类铸件的当代先 进 水平。

规格：根据国家专业标准《铸造用锆砂》ZBJ31005-88按 化学成分分四等级；按粒度分三组，有中细砂、细砂、特 细砂。见表2-1-14
应用：合金钢及大型铸钢件的面砂、磨粉制成抗粘砂涂料、 涂膏。



（4） 铬铁矿砂（chromite sand）
矿物组成及化学成分：主要矿物组成为铬铁矿、镁铬铁矿、 铝镁铬铁矿，其中主要化学成分为Cr2O3，其它有MgO、 FeO、AI2O3、少量SiO2及杂质。 性能：密度4.0-4.8g/cm3、莫氏硬度5.5-6、耐火度大于 1900℃、化学性能稳定，抗碱性渣比镁砂更好、1700℃以 前无相变，体积稳定，热导率比石英大数倍，激冷能力强、 有固相烧结，抗钢液渗透能力比锆砂强。其缺陷为热膨胀 率大（2倍于锆砂）、粒形不圆、偏碱性，耗酸值大，用 树脂砂时要多加硬化剂。 应用：厚大铸钢件、合金钢铸件、局部热结处面砂，涂料。 性能分级及粒度分组：按中国造型公司企业标准。
烘干过程中砂型逐步失水，使砂粒和粘土之间相互靠 近，紧密接触而产生附着作用。从胶体化学的观点看，带 同类电荷的粘土胶粒间的公共水化膜，尤其是公共扩散层， 在烘干过程中水分逐渐失去，使其扩散层变薄，由于其中
带异号电荷的离子（如Ca+、Na+）的吸引，粘土颗粒间，
粘土砂粒间就紧紧结合起来，烘干继续进行，粘土颗粒的 水化膜进一步变薄，将粘土和砂粒紧紧拉在一起而产生干 强度。假如在较高温度下长时烘烤，使粘土间水完全除去， 则粘土颗粒不再呈电性，颗粒间的静电斥力也同时消失，





（2） 橄榄石砂（olivine sand）
矿物组成及化学成分：[（Mg，Fe）2SiO4]是由含Mg2SiO4 高的橄榄石制成。见图2-1-18。铸造用橄榄石常含有510%的铁橄榄石。 性能：熔点1600-1760 ℃ 、热膨胀率比石英小而且均匀 （见图1-2-10），不易发生夹砂类缺陷。烧结点低1200℃， 但不为金属润湿，具有化学惰性。与钢液接触形成致密层 防止粘砂。同时，由于无晶型转变，热膨胀率低，故不易 产生夹砂类缺陷。 规格：根据中国造型公司企业标准XQ/ZQS-4-86，按物理 化学性能分两级，按粒度分两组（见表2-1-11、12）。生 产中通过破碎、细磨、分级、水洗。 应用：用于高锰钢铸件可防止铸件粘砂，也可防止对人体 的危害。




d 原砂的矿物组成、化学成分及烧结点 硅砂的矿物组成 需用专门的岩相分析技术和设备。主要成分是石英，其 次为长石、云母、铁的氧化物、碳酸盐、硫化物。石英和 长石、云母的特征见表2-1-8。 硅砂的化学成分 主要化验石英的含量 铸造用硅砂根据GB9442-88，按SiO2的含量可以分为七级 （见表2-1-9） 选用：浇注温度高，选用石英含量高的原砂，如铸钢。铸 铁浇注温度低，可选用石英含量低的原砂，由于表面烧结 可防止机械粘砂，同时膨胀量小可防止夹砂类缺陷。 原砂的烧结点 烧结点是指原砂颗粒表面或砂粒间混合物开始熔化的温度， 是原砂各种组合成分耐火性能的综合反映。推测SiO2含量。 硅砂的化学成分对铸件质量的影响：SiO2质量分数每降低 5%，硅砂的烧结点下降约50℃。
退让性：铸件在冷凝时，体积发生收缩，型砂应 具有一定的被压缩的能力，称为退让性。型砂的 退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。型砂越 紧实，退让性越差。在型砂中加入木屑等物可以 提高退让性。
型（芯）砂的要求
型砂的要求： 强度：型砂抵抗外力破坏的能力称为强度。型砂 必须具备足够高的强度才能在造型、搬运、合箱 过程中不引起塌陷，浇注时也不会破坏铸型表面。 透气性：将会使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。 耐火性：高温的金属液体浇进后对铸型产生强烈 的热作用，因此型砂要具有抵抗高温热作用的能 力即耐火性。如造型材料的耐火性差，铸件易产 生粘砂。





另外: 熟料砂: 热稳定性好 碳素砂: 导热好 刚玉砂: 耐火度高 钛铁矿砂
2.膨润土：是以蒙脱石为主的含水粘土矿。
3.水玻璃：俗称泡花碱，是一种水溶性硅酸
盐，其水溶液为水玻璃。其化学式为R2O· n SiO2 4.合成树脂：呋喃树脂是指以具有呋喃环的 糠醇、甲醛和尿素作原料生产的树脂类的 总称（1：1：1），种类有糠醇树脂、糠醛 树脂、糠酮树脂、糠酮—甲醛树脂等。外 观为深褐色至黑色的液体或固体。
2）粘结材料：
1.粘土：用于粘土砂。
高岭石：Al2O3.2SiO2.2H2O 蒙脱石：(Al,Mg)2【(OH)2|Si4O10】
(Na,Ca)x * n H2O
3）固化剂：使型(芯)砂中的粘结剂产生化
学反应而将砂粒固结在一起的材料。 苯磺酰氯、对甲苯磺酰氯、硫酸乙酯、磷 酸和甲苯磺酸等。
粘土水湿后使型砂具有粘结性 和可塑性 。干态下具有一定强度。 粘土的粘结力基于粘土质点的 水化作用，形成水化膜，对原砂 粒起着“桥”的作用而使之连结 起来。 加入适量的苏打(Na2CO3) 水对粘土进行活化处理可提高 粘土的粘结性和可塑性。
粘土型砂中水分 控制原理图




粘土（clay） 简介：粘结性、可塑性、干强度、复用性。资源丰富，价 格低廉。 （1） 粘土的矿物组成 粘土是各种铝硅酸盐矿物经过长期风化、热液蚀变或沉积 变质作用而生成。 按晶体结构分：高岭石组、蒙脱石组、伊利石组。各种矿 物主要是含水的铝硅酸盐，化学式可简写为 mAI2O3· nSiO2· xH2O，粘土在沉积过程中常混杂一些非粘 土矿物，如石英、长石、云母。只有粘土矿物才产生粘结 能力。


c 原砂的颗粒形状和表面状况 颗粒形状（见图2-1-15）






按表面情况分六种：尖角形、角形、半角形、半圆形、圆 形、很圆整 按圆球度分三级：高球形砂、半球形砂、少球形砂。 湿型砂一般用圆形砂 我国的分类： JB435-63；JB2488-78：圆形○、多角形□、尖角形Δ GB9442-88《铸造用硅砂》：用角形系数表示 角形系数E 定义：单位质量原砂的实测表面积（即实际比表面积Sth） 与单位质量同样粗细等直径假想圆球的表面积（即理论比 表面积Sw）的比值。比值为1时砂粒为圆球形，比值大于1， 砂粒的形状越偏向尖角形，可表示形状平均偏离圆球形的 程度。
粘土的分类。按矿物组成： 普通粘土，主要含高岭石、伊利石，用于修炉、干型砂 沈阳、无锡、唐山、巩县、昌邑 膨润粘土，主要含蒙脱石，用于湿型砂 淳化、宣化、信阳、潍坊、凌源、黑山、怀德、长春 （2） 粘土的结晶特征 结构不同，性能不同。两种基本结构单元，按不同的晶层排列，






粘土型砂的干态粘结机理




（3） 锆砂（zircon sand） 矿物组成：四方晶系的锆英石ZrSiO4。 性能：密度4.4-4.7g/cm3、莫氏硬度7-8、熔点2038-2420℃， 随杂质而不同、烧结点1540℃。热膨胀率比其它原砂都小， 可避免夹砂类缺陷，热导率、蓄热系数、密度都比石英高， 所以冷却能力强，化学稳定性高，不被金属或金属氧化物 润湿，不易产生粘砂缺陷。其缺点是难以获得粗砂、有放 射性、价格昂贵。
4）旧砂再生：
1.减少环境污染，降低成本。 2.减少树脂掺入量。 3.热稳定性好，易控制。
（5）常见缺陷： 1.气孔。固化剂加入过多。涂料干燥不充分 。通气道堵塞及砂芯出气不良 2.机械粘砂：原砂粒度太粗或分布过于集中 。紧实度不够。涂料耐火度不够、涂料层 太薄.
2、常用铸铁湿型砂配料
1） 原砂
硅砂（SiO2，熔点：1713℃） 以圆形颗粒为优。 按 wSiO2 (≥80﹪~95﹪) 分成7 级( GB/T 9442—1998)，泥含量 越少越好。 硅砂主要应用于铸铁和铸造 有色合金。
粘土型砂结构示意图 1-原砂粒 2-孔洞 3-附加物 4-粘土、水 分胶体
2）粘土（Al2O3-2SiO2-2H2O）与水分
机械作用——冲击与冲刷等； 热的作用——由热交换引起； 化学作用——有机物、炭粉燃烧。 结果：1）导致铸件尺寸、形状和性能改变； 2）铸件可能出现表面夹砂、内外孔洞 （气孔、砂眼）、裂纹和变形等缺陷。
第一章

砂型和砂芯的制造
重点：型砂水分、透气性、强度； 难点：型砂变形量的测试。

型砂的分类

按粘接剂的类型：粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。
按粘结力产生机理不同：如图2-0-1。


物理固结：不含粘结剂，用物理学原理。例如磁型铸造、 V法造型。 化学粘结：在造型（芯）时依靠粘结剂物理化学作用达到 硬化，建立强度，使砂粒结合牢固。 机械粘结：以粘土作粘结剂。

湿型砂用原材料及其质量要求

湿型砂的组成：原砂（新砂和旧砂）+粘土+附加物+水



影响型砂性能的三大因素：原材料的选择 型砂的配比 混制工艺
砂型与砂芯
1.型（芯）砂的性能要求
1）强度（湿态抗压强度、干态抗拉强度） 2）可塑性 3）透气性 4）对铸件收缩的退让性 5）耐火度和化学稳定性 6）出砂性（溃散性）
可塑性：指型砂在外力作用下变形，去除外力后 能完整地保持已有形状的能力。造型材料的可塑 性好，造型操作方便，制成的砂型形状准确、轮 廓清晰。
质量品牌
3. 铸造厂商三大经营Baidu Nhomakorabea则
质量第一
效率优先 成本低廉
第二节
1.铸型工作条件恶劣
铸型工作条件及其 与金属的相互作用
压 铁 压 铁
力的作用
热的作用
化学作用
2.处于恶劣工作条件的部分是砂型接触区
砂型接触区——与金属液直接接触及其受影响
的薄层（面砂层），与铸件壁厚相当。
3.金属与砂型接触区的相互作用