第三章金属液态砂型成形工艺1剖析
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适用于单件小批量生产
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
机器造型的特点：
生产效率高 劳动条件好 劳动强度低 铸件的表面质量好、尺寸精度高
适用于成批大量生产
§3.1 砂型成形方法和工作条件
二、 砂型的特点
砂型的结构
具有一定强度的微孔——多孔隙体系。
砂型中微孔的物理特性决定了砂型的特点。
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
砂 型 ——
型砂在外力作用下而成型的物体，具有一定的紧实度。
紧实度 ——
砂型的密度。
在砂型制造过程中，外力的大小影响砂型的紧实度：
粘土砂 紧实度
砂斗中 1.15 ~ 1.25
普通造型机 约1.65
高压造型机 〉1.7
§3.1 砂型成形方法和工作条件
第三章 金属液态砂型成形工艺
砂型铸造是铸造生产的最重要生产方式 他的铸件产量占全部铸件的 80 ～ 90 %。
研究砂型铸造工艺，对提高铸造生产水平和 铸件质量非常重要。
金属液态砂型成形工艺的主要内容
1. 液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷
研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理
可能引起的铸造缺陷及防止方法
§3.2 液态金属与砂型的物理作用
一、 传热与传质现象
传 热 —— 物体间的热量交换 传 质 —— 物体间的物质交换
在砂型铸造中，传热与传质相互影响，其过程比较复杂。
1. 金属与砂型的传热 热流方向： 铸件
铸型
传热方式： 对流、辐射、导热
大气
研究金属与砂型的传热
关键部位： 界面
关键数值：
（1）砂型的区域划分
水分迁移后，根据砂型中各层水分含量将砂型划分成4个区域：
名称
干砂区（烘干区） D
水分饱和凝聚区
M
水分未饱和凝聚区 U
未受影响区（正常区）G
金属液态砂型成形工艺的主要内容
2. 造型材料
作为材料，它包括两层内容：
耐火骨料
型、芯、涂料等所用的原材料
粘结剂、固化剂 附加物
型砂
原材料的混合料
芯砂
涂料
作为科学，它研究下列内容：
混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法； 原材料、混合料的性能与铸件质量的关系； 开发新的造型方法和造型材料； 旧砂再生工艺和设备。
1. 工作条件
① 液态金属充满型腔前： 热作用、冲击、冲刷
② 液态金属充满型腔后： 热作用、压力、物化反应
③ 铸件表层结壳：
界面产生气隙、阻碍铸件收缩
2. 界面作用 ① 热作用——传热、传质
在金属和砂型间有热交换、水分和气体迁移、砂型膨胀 铸件产生 夹砂结疤
2. 界面作用 ② 机械作用——冲击、冲刷、静压力
一、 砂型成形方法
造型制芯是金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：
手工造型： 利用简单的器械进行砂型（芯）的制作
机器造型： 利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
手工造型的特点：
操作方便灵活，适应性强 生产率低 劳动强度大 铸件质量不易保证
所以，人们对砂型温度 场进行研究，借助 砂型温度 场 来分析金属对砂型的加热 过程及产生伴生缺陷的可能性， wenku.baidu.com理控制型砂性能和浇注工艺， 防止产生铸造缺陷。
（1）确定砂型温度场的方法 实验法 解析计算法 数值模拟法
（2）砂型温度场的特点 a. 近界面处（型壁处） 升温快，型外部温 度低。
b. 砂型内各层初期温 度梯度大，随时间 增加温度梯度逐渐 变小。
（3）影响砂型温度场的主要因素 金属浇注量和浇注温度 砂型热物性值 型腔结构
3. 水分迁移（传质） 水分迁移——
浇注时砂型在热作用下，界面处表面层的水分向砂型里层 迁移的过程。
湿型在浇注后开箱时常常会发现：紧贴铸件的一层砂，强度很 高，几乎不含水分；但距表面一定距离（2～5mm）的砂层，水分 特别多，强度很低。这就是水分迁移造成的结果。
铸件/砂型 铸件/砂芯 铸件/冷铁 铸型/大气
材料热物性参数
边界条件
影响传热的因素：
① 体系温度 ② 砂型热物性 ③ 几何条件 ④ 合金性能
金属液浇注温度 砂型初始温度 环境温度
铸件的形状与壁厚 涂料层厚度 砂型厚度 合金热物性 相变与相变潜热
2. 砂型温度场
砂型受热后将发生一系 列的变化，这些变化对铸件质 量影响很大。
物理特性：
① 孔隙率n
反映微孔的数量
颗粒形状：圆形、多角形、尖角形 堆积方式：立方体、菱柱、角锥
砂型的容重、导热性、热膨胀、透气性与n有关。
物理特性：
② 微孔尺寸
反映微孔的大小
影响因素：
颗粒大小 颗粒形状 堆积方式
影响砂型的抗渗透能力
三、 砂型的工作条件
时间段为：液态金属充型和凝固阶段。
金属液与造型材料起化学和物化反应 铸件产生 粘砂、表面成分改变、气孔
在浇注和凝固过程中
铸型处于传热、传质、传力及化学反应的工作 条件下。
如果条件不利，就会影响液态金属的充填和凝固，使铸 件产生缺陷，影响铸件质量。所以，铸型要具备一定的工 艺性能，以适应界面上的各种作用。
研究铸件铸型界面作用发生的原理、过程及效果，对于 提高铸件质量非常重要。
如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁 铸件产生 表面缺陷
如果砂型整体强度不够，型壁在金属液静压力作用下发生移动 铸件产生 尺寸误差缺陷（胀箱、肥大）
2. 界面作用 ③ 化学和物理化学作用——造型材料本身、造型材料与液
态金属发生化学和物理化学反应
造型材料自身的分解和化学反应，可改变界面气氛和压力 铸件产生 气孔
金属液态砂型成形工艺的主要内容
3. 金属液态成形工艺设计基础
液态成形工艺设计：
根据金属液态成形工艺设计原理编制铸件生产工艺过程的技术文件。 如铸造工艺图、铸型装配图、模板装配图、芯盒装配图、工艺卡等。
重点研究：
液态金属充填铸型的方法和原理； 液态金属补缩铸件的方法和原理； 液态成形工艺对铸件质量的影响。
（如尺寸精度、表面质量、内部质量）
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
原砂（或再生砂）、粘结剂（包括固化剂）和附加物经 混制而成型砂（或芯砂）。
利用机械设备把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工 艺过程称为造型制芯。
造型制芯过程中，型（芯）砂在外力作用下成型并达到一 定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯）
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
机器造型的特点：
生产效率高 劳动条件好 劳动强度低 铸件的表面质量好、尺寸精度高
适用于成批大量生产
§3.1 砂型成形方法和工作条件
二、 砂型的特点
砂型的结构
具有一定强度的微孔——多孔隙体系。
砂型中微孔的物理特性决定了砂型的特点。
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
砂 型 ——
型砂在外力作用下而成型的物体，具有一定的紧实度。
紧实度 ——
砂型的密度。
在砂型制造过程中，外力的大小影响砂型的紧实度：
粘土砂 紧实度
砂斗中 1.15 ~ 1.25
普通造型机 约1.65
高压造型机 〉1.7
§3.1 砂型成形方法和工作条件
第三章 金属液态砂型成形工艺
砂型铸造是铸造生产的最重要生产方式 他的铸件产量占全部铸件的 80 ～ 90 %。
研究砂型铸造工艺，对提高铸造生产水平和 铸件质量非常重要。
金属液态砂型成形工艺的主要内容
1. 液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷
研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理
可能引起的铸造缺陷及防止方法
§3.2 液态金属与砂型的物理作用
一、 传热与传质现象
传 热 —— 物体间的热量交换 传 质 —— 物体间的物质交换
在砂型铸造中，传热与传质相互影响，其过程比较复杂。
1. 金属与砂型的传热 热流方向： 铸件
铸型
传热方式： 对流、辐射、导热
大气
研究金属与砂型的传热
关键部位： 界面
关键数值：
（1）砂型的区域划分
水分迁移后，根据砂型中各层水分含量将砂型划分成4个区域：
名称
干砂区（烘干区） D
水分饱和凝聚区
M
水分未饱和凝聚区 U
未受影响区（正常区）G
金属液态砂型成形工艺的主要内容
2. 造型材料
作为材料，它包括两层内容：
耐火骨料
型、芯、涂料等所用的原材料
粘结剂、固化剂 附加物
型砂
原材料的混合料
芯砂
涂料
作为科学，它研究下列内容：
混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法； 原材料、混合料的性能与铸件质量的关系； 开发新的造型方法和造型材料； 旧砂再生工艺和设备。
1. 工作条件
① 液态金属充满型腔前： 热作用、冲击、冲刷
② 液态金属充满型腔后： 热作用、压力、物化反应
③ 铸件表层结壳：
界面产生气隙、阻碍铸件收缩
2. 界面作用 ① 热作用——传热、传质
在金属和砂型间有热交换、水分和气体迁移、砂型膨胀 铸件产生 夹砂结疤
2. 界面作用 ② 机械作用——冲击、冲刷、静压力
一、 砂型成形方法
造型制芯是金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：
手工造型： 利用简单的器械进行砂型（芯）的制作
机器造型： 利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
手工造型的特点：
操作方便灵活，适应性强 生产率低 劳动强度大 铸件质量不易保证
所以，人们对砂型温度 场进行研究，借助 砂型温度 场 来分析金属对砂型的加热 过程及产生伴生缺陷的可能性， wenku.baidu.com理控制型砂性能和浇注工艺， 防止产生铸造缺陷。
（1）确定砂型温度场的方法 实验法 解析计算法 数值模拟法
（2）砂型温度场的特点 a. 近界面处（型壁处） 升温快，型外部温 度低。
b. 砂型内各层初期温 度梯度大，随时间 增加温度梯度逐渐 变小。
（3）影响砂型温度场的主要因素 金属浇注量和浇注温度 砂型热物性值 型腔结构
3. 水分迁移（传质） 水分迁移——
浇注时砂型在热作用下，界面处表面层的水分向砂型里层 迁移的过程。
湿型在浇注后开箱时常常会发现：紧贴铸件的一层砂，强度很 高，几乎不含水分；但距表面一定距离（2～5mm）的砂层，水分 特别多，强度很低。这就是水分迁移造成的结果。
铸件/砂型 铸件/砂芯 铸件/冷铁 铸型/大气
材料热物性参数
边界条件
影响传热的因素：
① 体系温度 ② 砂型热物性 ③ 几何条件 ④ 合金性能
金属液浇注温度 砂型初始温度 环境温度
铸件的形状与壁厚 涂料层厚度 砂型厚度 合金热物性 相变与相变潜热
2. 砂型温度场
砂型受热后将发生一系 列的变化，这些变化对铸件质 量影响很大。
物理特性：
① 孔隙率n
反映微孔的数量
颗粒形状：圆形、多角形、尖角形 堆积方式：立方体、菱柱、角锥
砂型的容重、导热性、热膨胀、透气性与n有关。
物理特性：
② 微孔尺寸
反映微孔的大小
影响因素：
颗粒大小 颗粒形状 堆积方式
影响砂型的抗渗透能力
三、 砂型的工作条件
时间段为：液态金属充型和凝固阶段。
金属液与造型材料起化学和物化反应 铸件产生 粘砂、表面成分改变、气孔
在浇注和凝固过程中
铸型处于传热、传质、传力及化学反应的工作 条件下。
如果条件不利，就会影响液态金属的充填和凝固，使铸 件产生缺陷，影响铸件质量。所以，铸型要具备一定的工 艺性能，以适应界面上的各种作用。
研究铸件铸型界面作用发生的原理、过程及效果，对于 提高铸件质量非常重要。
如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁 铸件产生 表面缺陷
如果砂型整体强度不够，型壁在金属液静压力作用下发生移动 铸件产生 尺寸误差缺陷（胀箱、肥大）
2. 界面作用 ③ 化学和物理化学作用——造型材料本身、造型材料与液
态金属发生化学和物理化学反应
造型材料自身的分解和化学反应，可改变界面气氛和压力 铸件产生 气孔
金属液态砂型成形工艺的主要内容
3. 金属液态成形工艺设计基础
液态成形工艺设计：
根据金属液态成形工艺设计原理编制铸件生产工艺过程的技术文件。 如铸造工艺图、铸型装配图、模板装配图、芯盒装配图、工艺卡等。
重点研究：
液态金属充填铸型的方法和原理； 液态金属补缩铸件的方法和原理； 液态成形工艺对铸件质量的影响。
（如尺寸精度、表面质量、内部质量）
§3.1 砂型成形方法和工作条件
一、 砂型成形方法
原砂（或再生砂）、粘结剂（包括固化剂）和附加物经 混制而成型砂（或芯砂）。
利用机械设备把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工 艺过程称为造型制芯。
造型制芯过程中，型（芯）砂在外力作用下成型并达到一 定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯）