液态成型技术课件.ppt

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1、液态成型技术,主讲教师：吴炜,（第1版）,目 录,绪 论,第二章 砂型和砂芯的制造,第三章 浇注系统设计,铸造生产指用熔融的液态合金注入预先制备好的铸型中使之 冷却、凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的毛 坯或零件过程，简称铸造。,一、铸造生产的工艺过程、特点及在制造业中的地位,绪 论,砂型铸造生产工艺流程图,铸造生产的工艺流程 铸造生产基本上由铸型制备、合金熔炼及浇注、落砂及清理等三个相对独立的工艺过程所组成。,铸造方法的分类,铸 造,砂型铸造,特种铸造,湿型铸造,干型铸造,表干型铸造,熔模铸造,金属型铸造,离心铸造,压力铸造,铸铁铸造,铸钢铸造,有色合金铸造,铸造方法的分类 (1)砂型铸造

2、方法:通过紧实型砂获得铸型来得到坯件的方法 是最主要最传统的铸造方法 (2)特种铸造方法:壳型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、熔模铸造、离心制造、陶瓷型铸造等 铸型用砂较少或不用砂，采用特殊工艺装备，可获得表面更灵活、尺寸更精确、机械性能更高的铸件,图0-2 齿轮毛坯的砂型铸造,砂型铸造以铸造用型砂为主要原材料制成铸型，且液态金属完全靠重力充满整个铸型型腔形成铸件的方法称为砂型铸造。,飞轮铸件的生产过程,熔模铸造,熔模铸造产品,铸造生产具有以下特点：,优点：1）使用范围广； 2）能采用的材料广； 3）铸件具有一定的尺寸精度； 4）成本低廉、综合经济性能好； 5）能源、材料消耗及成本低。

3、缺点：1）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大； 2）废料、废气、废水处理任务繁重。,二、铸造加工的特点 铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固而成形 1.优点：（1）可生产有内腔及外形复杂的毛坯 （2）工艺灵活性大 各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产，重量从几克到几百吨，壁厚0.5mm1m左右。 （3）铸造成本低 2.不足 （1）易产生内部缺陷（如组织疏松,晶粒粗大,易产生缩孔、缩松、气孔、浇不足、冷隔等缺陷） （2）铸件机械性能低(冲击韧性) （3）铸造工序多,难以精确控制,铸件质量不够稳定 （4）劳动条件较差,四、我国铸造技术的发展 铸造技术历史

4、悠久.三千年前,青铜器已有应用,二千五百年前,铸造工具已经相当普通.大量历史文物显示着我国古代人民在铸造技术上的精湛创造: 早在5000多年前,我们的祖先就能冶炼红铜和青铜等合金,并铸出了简单的铜斧. 早在4000年以前,我们的祖先就已开始和使用瓷器,到商代已经有了高度发达的青铜冶炼和铸造技术,从河南安阳商代遗址出土的司母戊鼎提供了有力的证明；四羊方尊也是其中杰出的代表。 河南安阳商遗址出土的司母戊鼎重达875kg,外形尺寸(13378110)cm,是迄今世界上最古老的大型青铜器.,永乐大钟，中国现存最大的青铜钟。在北京德胜门铸钟厂铸成，清雍正十一年（1733）移置觉生寺（今称大钟寺）。铜钟通

5、高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54%、锡16.40%、铝1.12%，为泥范铸造。,司母戊鼎,四羊方尊,1978年在湖北省随县曾候乙墓出土的青铜器重达10t 其中有一套64件的编钟,据考证是2400年前战国初期铸造的,钟上共铸有错金铭文2800多字,标出音名,音律,每个钟发出两个音,整套编钟音域宽达五个半八度;能演奏各类名曲,音律准确和谐,音色优美动听,整套编钟铸造水平极高,是我国古代青铜器的杰出代表.,战国编钟,由青铜器过渡到铁器是生产工具的重大发展,我国从春秋战国时期(公元前770475年)

6、开始大量使用铁器,推动了奴隶社会向封建社会的过渡 1953年在河北省兴隆县的古燕国铸冶作坊遗址的发掘中,发现距今22002350年的战国时期的铁范(铁质铸型)等87件,可用于铸造铁锄、铁斧、铁镰、铁凿和车具等,铁器铸造,现立于河北沧州的大铁狮,高5m多,长近6m,重 19.3t是公元9世纪五代后周时铸成 在兴隆战国铁器遗址中发掘出浇铸农具使用的铁模,由泥砂造型发展到铁模铸造,说明我国古代金属材料液态成型技术已经发展到相当高的水平,这比欧洲国家要早1800年左右,居世界先进行列.,二、我国铸造技术的发展,铸造是世界历史上最悠久的工艺技术之一。 我国古代铸造技术居世界先进行列。,我国铸件年产量与美

7、、日、德三国的对比,三峡右岸电站水轮机转轮叶片22.9T。,总重473T，10米直径,三峡右岸叶片通过鉴定，标志着三峡右岸转轮叶片铸造实现了国产化，标志着哈电机公司具备了批量生产三峡叶片的技术和能力，实现了三峡叶片国产化，扩大了大容量水电机组的国产化份额，增强了民族工业在国际上的竞争力，打破了国外大型水电铸造部件的垄断局面，为巨型水轮机转轮叶片铸造全部实现国产化奠定了坚实的基础。同时，迫使国外厂家的同类产品订货价格降低，使社会效益、经济效益显著。,当代我国铸造技术发展,近几十年来,我国铸造技术发展迅速: (1)在型芯砂方面,推广了快速硬化的水玻璃砂及各类自硬砂,成功地运用树脂砂快速制造高强度砂

8、芯 (2)在铸造合金方面,发展了高强度、高韧性的球墨铸铁和各类合金铸铁,成功地用球墨铸铁件代替某些锻钢件. (3)在铸造设备方面,已建立起先进的机械化,自动化高压造型生产线 (4)在新工艺新技术方面,各种各样特种铸造或精密铸造方法得到发展和应用,我国各行业用户消耗铸件的数量 （单位：t）,第二章 砂型与砂芯的制造,第一节 砂型（芯）的制造方法,第二节 粘土型（芯）砂,第三节 黏土湿型,第四节 水玻璃粘结剂型（芯）砂,第五节 树脂砂,本章概要： 1.砂型铸造中所用原材料的成分和性质； 2.常用型（芯）砂的组成、配制工艺及性能控制；,第二章 砂型与砂芯的制造,铸造工艺分类： 铸型：砂型、金属型、陶

9、瓷型、石膏型、水泥型 成型力场：重力、压铸、离心、低压、真空吸铸 注：砂型铸件产量占铸件总产量80-90%,基本概念： 型砂、 芯砂制作砂型的混合物称为型砂，制作砂芯的混合物称为芯砂。（原砂、再生砂+粘结剂+附加物） 涂料涂敷在型腔或砂芯表面的混合物称为涂料。,型砂铸造优点：造型材料来源广，生产准备周期短，成本低。 型砂铸造缺点：铸件外观质量相对较差，且铸型只能使用一次，效率低。,1. 型砂：原砂、再生砂+粘结剂+附加物所混制成的混合物。 型砂通过外力作用制成砂型（具有一定密度、紧实度的 微孔多孔隙体系）,第一节 砂型（芯）的制造方法,型（芯）砂的组成,型（芯）砂是由骨干材料、粘结材料和附加物

10、等原材料按一定比例配制而成。,以粘土为粘结材料的粘土型（芯）砂主要由原砂、粘土、附加物和水配制而成。,图1-1 粘土型砂结构示意图,1砂粒 2粘土胶体 3孔隙 4附加物,造型造芯方法,化学粘结,机械粘结,物理固结,模具内热硬,模具内冷硬,模具外硬,粘土砂法,自 硬 法,气 硬 法,磁型铸造法，V法，EPC-V法,温 芯 盒 法,热 芯 盒 法,热 壳 法,熔模制壳,二、型（芯）砂应具备的性能,（1）造型、制芯和合型阶段对型砂性能的要求。,1.湿度：为了得到所需的湿态强度和韧性，粘土砂必须含有适量水分。,2.流动性：型（芯）砂在外力或自重的作用下，沿模样（或芯盒表面）和砂粒间相对移动的能力称为流

11、动性。,3.强度：型砂、芯砂抵抗外力破坏的能力称为强度。,4.可塑性与韧性：可塑性是指型（芯）砂在外力作用下变形，外力去除后仍保持所赋予形状的能力。,5.韧性：韧性是指型砂抵抗外力破坏的性能。,6.不粘模性：造型或制芯时，型（芯）砂不粘附在模样（或芯盒）表面的性质称为不粘模性。,（2）铸件浇注、冷却、落砂、清理阶段对型（芯）砂性能要求。,1.耐火度：型（芯）砂抵抗高温作用的性能称为耐火度。,2.透气性：紧实的型砂能让气体通过而逸出能力称为透气性。,3.发气量和有效煤粉含量： 型砂中煤粉或其它有机附加物（如重油、沥青等）在浇注受热后产生的气体挥发物量，称为发气量；型砂中煤粉的有效含量，成为有效煤

12、粉含量。,4.退让性：型砂随着铸件收缩而减小其体积的能力称为退让性,5.溃散性：型砂和芯砂在铸件落砂清理时，容易溃散的性能称为 溃散性。,3.粘结剂：起粘结砂粒的作用，使型砂具有必要的强度和韧性。 分类：粘土、水玻璃、油类、合成树脂。 按成膜过程性质：物理成膜粘结剂、化学成膜粘结剂。 按组成分类：有机粘结剂、无机黏结剂。 4. 附加物：为改善型砂性能而加入的物质。 常用：每份、渣油、淀粉等改进铸件表面质量 石墨粉、脱模机改善起模性。,2.原砂：铸造生产配制型砂用的沙子，是型砂的基本组成部分。 特点：耐高温性能、提供空隙保证透气性 分类：硅砂、特种砂。,2.2、型砂骨干材料原砂,1.石英质原砂及

13、应用,石英质原砂以石英为主要矿物成分的天然硅砂。,天然硅砂特点：资源丰富，分布极广，易于开采，价格低廉， 能满足铸造上多数情况的要求。,天然硅砂形成：天然硅砂是由火成岩风化形成的。,石英,鳞石英,方石英,熔液,石英,鳞石英,方石英,石英玻璃,鳞石英,加热时发生的多晶转变分为两类： 1.同一类型的高温与低温形态之间的转化过程快且可 逆（纵向转变） 2.不同类型的多晶转化，很难进行（横向转变） 注： 石英在573转变为石英，该转变为突变发生，且伴随体积膨胀，导致铸型产生较大应力与变形，产生夹砂、结疤等缺陷。,火成岩组成及风化：火成岩重的花岗岩是由石英、长石、黑云母等 矿物颗粒组成。火成岩经过长期风

14、化作用后，花岗岩中的 石英由于化学性质稳定和较坚硬，风化时成分不变，仅被 破碎成细粒；花岗岩中的长石、云母，一部分通过化学风 化变成粘土，另一部分未被化学风化，混在砂子中。,山砂风化后的产物或就地贮集，或经过水力、风力的搬运， 远离原处沉积。就地贮集的砂矿称为山砂，含泥分较多， 粒形不规则，例如江苏六合红砂、河北唐山红砂等。,河砂、湖砂、海砂经过水力搬运的砂称为海砂、湖砂或河砂。 河砂、湖砂、海砂经过水流的冲洗和分选，含泥量很 少，颗粒较圆，粒度比较均匀，例如河北北戴河砂、 广东新会砂、福建东山砂均为海砂；江西都昌砂、星 子砂为湖砂；上海吴淞砂、河南郑庵 砂为河砂；,风沙经风力搬运的砂称为风积

15、砂。内蒙古通辽市大林、哲里木 盟的伊胡塔、甘旗卡等处的砂子为风积砂，其颗粒形状更 圆整而均匀。,石英砂岩 沉积的石英颗粒被胶体的二氧化硅或氧化铁、碳 酸钙等物胶结成块状，称为石英砂岩。石英砂岩的质地 比较松散，易加工破碎，颗粒大多呈多角形，例如湖南 湘潭的石英砂岩。,石英岩 沉积的石英砂粒在地壳高温高压作用下，经过变质而形成坚固整体的岩石则称为石英岩。这种石英岩通常含有很高的SiO2，质地极为坚硬。经过人工采矿、清洗、破碎、筛分后就可得到人工硅砂（或称为人造石英砂）。,对铸造用原砂质量要求,（1）含泥量含泥量指原砂中直径小于0.02mm（20m）的细 小颗粒的含量（质量分数），其中既有粘土，也

16、包括极 细的砂子和其它非粘土质点。,原砂含泥量检测方法： 利用不同颗粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，将原砂中颗粒直径20m 与直径20m的颗粒分开。检验时，称量烘干的原砂并置入烧杯中，加入水及分散剂，煮沸及搅拌使其充分分散；然后反复按规定时间沉淀，虹吸排除浑水和冲入清水。直到水清后，由烘干的残留砂样质量即可计算出原砂含泥量。,铸造用硅砂分级： 根据国家标准GB/T94421998的规定，铸造用硅砂按SiO2含量可分为五级。,表1-1 铸造用硅砂按SiO2含量分级,（2）原砂的颗粒组成,原砂的颗粒组成（即粒度）砂粒的粗细程度和砂粒粗细分布的 集中程度。,原砂的颗粒组成测定方法： 为测定不同原砂的

17、颗粒组成，通常采用筛分法，是用一套（11 个）筛孔尺寸自大而小的铸造用试验筛来筛分已洗去泥分的干砂样。,国家标准规定的铸造用试验筛筛子序号和筛孔尺寸：,表2-5 铸造用试验筛筛子序号和筛孔尺寸,(单位：mm),（3）原砂的颗粒形状 用光学显微镜或扫描电子显微镜观察原砂的颗粒，可以清楚地看出各种砂粒的不同轮廓形状（即“粒形”）。,铸造常用原砂的主要颗粒分类法 ：,按粒形角分：有尖角形、角形、半角形、半圆形、圆形、很圆形六种；,按圆球度分：高球形、半球形、少球形三级；,按粒形分：圆形、钝角形、尖角形三种，分别用分别用符号“”、 “”、“”表示 。,单粒砂的颗粒形状可分为,多角形,尖角形,圆形砂,图

18、2-2 原砂粒形分类,角形因数分类,角形因数是铸造用硅砂的实际比表面积与这种理论比表面积计算出的（计算时设砂粒为球形）比表面积的比值。,一般圆形砂E1.01.3，多角形砂E1.31.6，尖角形砂E1.6。,对湿型砂而言，其它条件相同时原砂的颗粒形状越圆，型砂就越易紧实，但透气性越低；砂粒更靠近，粘结桥较多且完善，因而强度更高。,对湿型砂而言，其它条件相同时原砂的颗粒形状越圆，型砂就越易紧实，但透气性越低；砂粒更靠近，粘结桥较多且完善，因而强度更高。,在粘结剂加入量相同的情况下，用圆粒砂的试样紧实程度高，而且砂粒实际比表面积小，所以比尖角形砂强度高很多。,表1-5 铸造用硅砂按角形因数分类,铸造

19、用硅砂牌号表示方法为：,例：ZGS93-40/100（53）,（4）硅砂的选用,硅砂的选用应根据铸件质量大小、壁厚、合金种类、铸型种类（湿、干、表干型）、造型方法（手工或机器造型）的不同来考虑，另外还要考虑来源广，节约粘结剂，降低成本。,铸铁件用原砂选用,铸铁的浇注温度一般在1400左右，因而对原砂耐火度的要求较低。,大件可用表1-1中的93、90号硅砂，小件可用85号硅砂。 刷涂料的干型和表干型多用粒度较粗的原砂，如表干型可选用表1-3中的85、60、42号原砂，干型可选用60、42、30号原砂。,湿型易用较细的原砂，对一些表面质量要求特别高的不加工小件，应选用特细原砂，可选用21、15、1

20、0号原砂。,铸钢件原砂选用,铸钢的浇注温度高达1500左右，钢液含碳量较低，型腔中缺乏能防止金属氧化物的强还原性气氛，在与铸型相接触的界面上金属容易氧化，生成FeO和其它金属氧化物，因而较易与型砂中的杂质进行化学反应而造成化学粘砂。所以要求原砂中SiO2含量应较高，有害杂质应严格控制。,有色金属铸件原砂选用,铸铜 的浇注温度约为1200左右，对原砂化学成分要求不高，铜合金流动性好，容易钻入砂粒间孔隙内，发生化学粘砂，因此采用较细的原砂，并要求粒度比较均匀。,铝合金 的浇注温度一般不超过700800，对原砂化学成分无特殊要求，但这类铸件要求表面光洁，常选用10、15号的细粒砂和特细砂。,优点：

21、硅砂来源广，价格低，能满足一般铸铁、铸钢和非铁合金 铸件生产的 要求而得到广泛应用，,硅砂的优缺点,缺点：1.热膨胀系数比较大，而且在573时会因相变而产生突然膨胀； 2.热扩散率（表示物体使其内部各点的温度趋于一致的能力。其值 大，则物体内各点的温差小）比较低； 3.蓄热系数（表示原砂的冷却能力，其值大，则加快铸型内部铸件 的凝固和冷却速度）比较低； 4.容易与铁的氧化物发生化学反应，对铸型与金属的界面反应起不 良影响 ； 5.在生产高合金钢铸件或大型铸钢件时，使用硅砂配制的型砂，铸 件容易发生粘砂缺陷，使铸件的清砂十分困难； 6.清砂过程中，操作人员长期吸入硅石粉尘易患矽肺病。,2.非石英

22、质原砂,为了改善劳动条件，预防矽肺病，提高铸件表面质量，在铸钢生产中已逐渐采用一些非石英质原砂来配制无机和有机粘结剂型砂、芯砂或涂料。,优点：具有较高的耐火度、热导率、热扩散率和蓄热系数，热膨胀系 数低而且膨胀均匀，无体积突变，与金属氧化物的反应能力低 。 能得到表面质量高的铸件并改善清砂劳动条件。,缺点：价格较高，比较稀缺，,非石英质原砂：橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、碳质 材料、耐火熟料等。,1）锆砂 特 性：主要化学成分是ZrSiO4，熔点约为2400，莫氏硬度为78 级，密度为4.54.7g/cm3，热膨胀率只有硅砂的1/61/3， 因而可减少铸件产生夹砂缺陷。导热

23、性极好，可加速铸件的 凝固，有利于防止大型铸件粘砂。 适用范围：可用作铸钢件或合金钢铸件的型砂、芯砂或涂料。,2）镁砂 特 性：主要化学成分是MgO，熔点约为1840，热膨胀率小，蓄热系数大，密度约为3.5g/cm3。不与氧化铁或氧化锰作用，铸件不易产生粘砂缺陷。 适用范围：用于生产锰钢铸件和其它高熔点的合金铸件，及表面质量要求较高的铸钢件。,3）橄榄石砂 特 性：橄榄石砂w2MgOSiO2应不低于90%，熔点为1790，它 不与MnO作用。热膨胀系数小，不含二氧化硅避免硅尘危 害，具有抗金属氧化物侵蚀的能力。 适用范围：用于铸造高锰钢铸件时，可获得较好的表面质量。,4）铬铁矿砂 特 性：主要

24、化学成分是Cr2O3Fe2O3，熔点为14501480，密度 44.8g/cm3，热导率比硅砂高几倍，热膨胀率小，能起到较 好的激冷作用，不与氧化铁起化学作用。 适用范围：用作大型铸钢件或合金钢铸件的面砂、芯砂或涂料。,5）石灰石砂 特 性：主要组成是CaCO3，含游离SiO2量不大于5%，用石灰石砂生产的铸钢件不粘砂，易清理。 适用范围：用作生产铸钢件的型砂和芯砂。,6）刚 玉 特 性：化学成分是-Al2O3，耐火度为18502050，硬度高， 热导率高，热膨胀率小。结构致密，能抗酸和碱的浸蚀。 适用范围：用于铸造精度高、表面粗糙度低的合金钢铸件。,7）耐火熟料 特 性：为多孔性材料，密度约

25、为1.45g/cm3，热膨胀率小，耐火 度高，铁及其氧化物对它的浸润性较小。 适用范围：用作铸造大型碳素钢铸件涂料和熔模铸造的制壳材料。,8）碳质材料 特 性：化学活性很低，不被金属液和金属氧化物浸润，耐火度高， 导热性好，热容量大，热膨胀率很低。 适用范围：用作面砂代替冷铁。,第三节 粘土湿型,1.粘土型砂根据在合型和浇注时的状态不同可分为：,湿型（湿砂型或潮型）湿型是造好的砂型不经烘干，直接浇入高温金属液体。,干型在合型和浇注前将整个砂型送入烘干窑中烘干。,表面烘干型在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度。,2.湿型用湿型砂按造型时情况不同，可分为：,背砂指填充在面砂背面起填充作用的造型

26、砂。,单一砂 指不分面砂和背砂，只有一种类型的造型砂。,面砂指特殊配制的在造型时铺覆在模样表面上构成型腔表面层的型砂。,3.湿型铸造法,基本特点：砂型（芯）无需烘干，不存在硬化过程。,主要优点： 生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产； 易于实现生产过程的机械化和自动化； 材料成本低； 节省了烘干设备、燃料、电力及车间生产面积； 延长了砂箱使 用寿命； 容易落砂等。,主要缺点：采用湿型铸造，也容易使铸件产生一些铸造缺陷，例如夹砂结 疤、鼠尾、粘砂、气孔、砂眼、胀砂等。,应用范围：主要用于机械化流水生产和手工造型 500Kg以下的铸件。,4.表干型铸造法,基本特点：表面层强度高、湿

27、度小，因而浇注质量较大的铸件时 不易产 生气孔、粘砂、夹砂、冲砂等缺陷。,工艺规范：仅将砂型表面层烘干，烘干的深度一般为520，或 将砂型、砂芯自然干燥2448h后再合型浇注。,技术要求：要采用粗砂，型砂水分要严格控制，而且在造型、制 芯、合型、浇注等方面应严格按照工艺规程操作才能 稳定生产。,5.干型铸造法,基本特点: 将粘土砂湿型经过烘干而成 。,主要优点：砂型烘干后，显著提高了 砂型的强度、透气性、 降低发气量，使铸件减少气孔、砂眼、粘砂、夹砂 等缺陷，采用涂料后铸件的表面质量亦会得到改善。,主要缺点：干型铸造需要烘干设备，增加燃料消耗，增加吊车 作业次数，延长生产周期，缩短砂箱使用寿命

28、，使 铸件的成本增加，生产率降低，干型落砂比较困难， 还会产生大量灰尘。,应用范围：粘土干型主要用于铸件表面质量要求高，或结构特 别复杂的单件或小批生产及大型、重型铸件。,粘土矿物组成,定 义:粘土是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料。,组成及化学式：粘土矿物主要是含水的铝硅酸盐， 化学式可简写成mAl2O3nSiO2xH2O。,形成机理：粘土是由各种含有铝硅酸盐矿物的岩石经过长期的风化、 热液蚀变或沉积变质作用等生成的,粘土的性能特点,铸造用粘土是型砂的一种主要粘结剂。,被水湿润后具有粘结性和可塑性； 烘干后硬结，具有干强度，而硬结的粘土加水后又能恢复粘结性和 可塑性，因而具有较好的复用

29、性； 资源丰富，价格低廉，应用广泛。,二、铸造用粘土及应用,1.粘土的矿物组成、性能及分类,粘土的分类,高岭石和蒙脱石的晶体基本结构单位,普通粘土和膨润土性能比较,（1）高岭石类粘土矿物,1）晶体结构特点,单位晶层由一层硅氧四面体和一层铝氧、氢氧八面体构成,四面体的顶端都指向八面体层，并与八面体共用顶端的氧原子,单位晶层沿一个方向一层层地重叠起来，在另外两个方向无限展开,2）性能特点,相邻单位晶层的结合比较牢固，晶体比较粗大，比表面积较小,水仅能进入晶层间被吸附在晶体边缘，吸水膨胀性小，粘结性较差,（2）蒙脱石类粘土矿物,1）晶体结构特点,单位晶层由两层硅氧四面体中间夹着一层铝氧、氢氧八面体构

30、成,两层四面体的顶端都指向八面体层且与八面体共用顶端的氧原子,单位晶层沿一个方向一层层重叠，在另外两个方向无限展开,2）性能特点,晶层之间结合力较弱，蒙脱石的晶粒细小，比表面积大；,水能进入晶层间及晶体表面，吸水膨胀较大，粘结性好。,2.粘土的粘结性能,膨润土分类,膨润土理化特性,优点：a.吸水率和膨胀倍数大，在介质中分散性好,c.有较好的可塑性，较高的强度及抗加砂能力等,b.热稳定性好，在较高的温度下仍能保持其膨胀性,缺点：吸水速度较慢,d.资源较丰富，开采和供应比较方便。,活化处理是指根据粘土的阳离子交换特性，对钙基膨润土进 行处理，使之转变为钠基膨润土。 活化剂：最常用的活化剂为碳酸钠，

31、加入量一般为膨润土的4%5% ； 化学反应机理：Ca2+蒙脱石+Na2CO3Na+蒙脱石+CaCO3,膨润土的活化处理,粘土的粘结机理,水化现象:由于粘土质点带负电荷，加水以后，水分子会定向地排 列在粘土质点的周围和粘土中阳离子的周围，形成水化壳层；,a.水化阳离子吸附了水分子的阳离子称为水化阳离子。,b.粘土胶团粘土质点水化后，形成的粘土胶团。,a) 粘土胶团 b)水化阳离子,a.机理:粘土胶团与水化阳离子接近时，相互吸引，于是水化阳 离子就在粘土胶团之间起“桥”或键的作用，形成粘结 力，使粘土颗粒相互结合起来。,粘土粘结机理,b.机理示意图：,粘土型砂的粘结,机理:a.砂粒因自然破碎，以及

32、在混碾、紧实的过程中破碎，而使破碎表 面带微弱负电，也能使极性水分子定向排列在砂粒周围。 b.当砂、粘土和水按一定比例混合后，粘土胶团与砂粒之间具有公 共水化膜，通过水化阳离子的桥梁作用，使粘土胶团与砂粒相互 结，并通过紧实使型砂具有一定的强度。,机理示意图：,影响粘土粘结性的因素,若水分过低，则不能形成完整的水化膜；若水分过高，就会出现自由水。在这两种情况下，湿态粘结力都不大，只有在粘土和水量比例适宜时，才能获得最佳的湿态粘结力。一般说来，粘土颗粒所带电荷越多或粘土颗粒越细小，比表面积越大，则湿粘结力越大。,（1）水分,一般说来，粘土颗粒所带电荷越多或粘土颗粒越细小，比表面积越大，则湿粘结力

33、越大。,（2）粘土颗粒所带电荷,（3）粘土本身的吸水性,粘土吸附水性与粘土的种类有关。膨润土的吸水能力大于普通粘土，故膨润土的湿态粘结能力比普通粘土好。,高岭石的熔点大约为16501775，蒙脱石的熔点为2001300，所以当加热温度过高时，粘土会熔化，铸型的强度显著降低。,1.在较高温度下长时间烘烤，使粘土层间水完全除去，则粘土颗粒不再呈电性，颗粒间的静电斥力也同时消失；致使粘土和砂粒联结力仅是分子间的引力。 2.蒙脱石在600800失去结构水，高岭石在400600失去结构水。粘土失去结构水后将导致矿物结构被破坏，成为不再具有粘结能力的失效粘土（又称为死粘土）粘土失去结构水后将导致矿物结构被

34、破坏，成为不再具有粘结能力的失效粘土（又称为死粘土），这是型砂反复使用后性能变坏的原因之一。,影响粘土失效原因,（2）粘土本身的熔点,（1） 粘土之间水分和粘土本身结构水消失,3.粘土的应用,（1）粘土的选用,粘土砂湿型和表面烘干型一般选用膨润土,湿型砂使用钠基膨润土可以提高其热湿粘结力和焙烧后粘结力,具有大平面的铸件，为减少铸件夹砂缺陷，应选用钠基膨润土,对于生产中小铸铁件，使用钙基膨润土常可以取得良好的效果；必要时可将钠基膨润土和钙基膨润土混合使用，充分发挥两类膨润土的特点，以取得较好的综合效果，也可将膨润土与普通粘土混合使用,在手工造型生产大型铸纲件采用干型时，应选用耐火度高的优质普通粘

35、土。,（2）普通粘土的性能指标,1）普通粘土按耐火度、湿亚强度、干强度分级,表1-6 铸造用普通粘土按耐火度分级,表1-7 铸造用普通粘土按湿压强度值分级,表1-8 铸造用普通粘土按干压强度值分级,2）普通粘土的牌号 普通粘土牌号以耐火度等级和强度等级表示。,3）技 术 要 求 各牌号普通粘土，其含水量不大于10%（质量分数），其质量的95%以上应能通过筛孔尺寸为0.106mm的铸造用试验筛。,（3）膨润土的性能指标,膨润土按热湿拉强度值分级,表1-9 膨润土按湿压强度值分级,三、附加物,常用的附加物：煤粉、渣油、淀粉 、锯末等 加附加物目的：使型砂具有特定的性能，并改善铸件的表面质量。,（1

36、）煤粉 煤粉是成批、大量湿型生产铸铁件用的防粘砂材料； 煤粉是用烟煤磨细制成的； 煤粉加入量一般为原砂的6%8%。,煤粉的作用,可防止金属液被氧化，减少金属氧化物和造型材料化学反应；,可减少砂型受热膨胀而产生的铸造缺陷；,可防止机械粘砂。,（2）淀粉,铸铁面砂中淀粉含量一般为0.5%1.0%,1）淀粉的作用,减少铸件夹砂结疤和冲砂缺陷；,增加型砂变形量，提高型砂韧性和可塑性；,降低起模时模样与砂型间的摩擦阻力；,减少因砂型表面风干和强度下降而引起的砂孔缺陷。,2）淀粉的加入量,（3）渣油,1）渣油的作用 防止化学粘砂 降低铸件的表面粗糙度； 有利于保持型砂中的水分； 改善型砂的流动性； 避免混

37、砂时型砂结团，使型砂松散。,2）渣油加入量 铸铁面砂中渣油的加入量一般为0.01%0.02%。,（4）锯末,1）锯末的作用 增加型砂的透气性 防止化学粘砂 改善型砂的流动性； 避免混砂时型砂结团，使型砂松散。,2）锯末的加入量,铸铁面砂中渣油的加入量一般为0.01%0.02%。,四、新砂和旧砂的处理,1原砂的处理,处理的目的：清草根、贝壳和石子等杂物，降低含水量,常用的方法:筛分、水漂洗、酸浸洗、精选 、烘干等,筛 分是去除粗粒或粉粒，得到合适的粒度；,水漂洗是将原砂用清水漂洗并搅动，除去泥分；,酸浸洗是清洁砂粒表面，提高粘结剂的粘结力；,精 选是将原砂中石英与长石分离，同时除掉其中磁性杂质；

38、,烘 干是降低原砂中的含水量。,2旧砂的处理,处理的目的：改善型砂性能，提高铸件质量；保护环境，降低成本,旧砂的特性： 经高温强烈作用，成分和性能发生很大变化； 粘土失去结晶水，失去粘结力 ； 砂粒被惰性膜包覆，直径增大，致使铸件表面粗糙； 煤粉、粘土烧损，灰分增大；,拟采取措施： 对旧砂进行通风冷却，降低温度； 经破碎、磁选、过筛，除去杂物； 干法碾搓，除去包覆膜、失效粘土及灰分； 按一定比例添加原砂，补加新粘土、煤粉； 调整含水分量，达到型砂性能要求。,五、型砂的制备,拟定配方的基本步骤： 根据浇注合金种类、铸件特征和要求、造型方法和工艺、清理方 法等因素，确定型砂性能范围； 根据造型原材

39、料的品种和规格、砂处理方法和设备性能、砂铁比 和各项材料损耗比例等因素初定型砂配方； 在实验室进行试配、调整，使其性能指标达到要求； 在车间进行小批混制，造型浇注，经受生产考验，最终确定是否 投入长期使用。,（一）湿型砂的性能和配方特点,湿型砂按其使用特点可分为面砂、背砂和单一砂。,（1）面砂 面砂是指铺覆在模样表面上构成型腔表面的型砂。,湿型面砂性能特点: 使用厚约1550mm； 直接与高温金属液接触，对铸件质量影响很大； 应具有较高的强度、可塑性、流动性、抗粘砂性； 常含有较多的新砂、粘土、防粘砂附加物； 混碾时间较长。,（2）背砂,背砂是指面砂与砂箱壁之间的砂层，主要起加固和充填 作用，

40、所以又称为填充砂。,背砂与面砂性能比较: 强度较面砂低一些，仅在搬运和翻箱时不 塌箱即可； 透气性应比面砂的高，以利于排除气体； 一般由旧砂和水配成，必要时加入少量粘土； 混砂时间较短。,背砂与面砂配合使用的效果: 容易保证铸件质量； 可降低原材料的消耗； 减少混砂和落砂的劳动量； 适用于手工造型或重大间的机器造型。,（3）单一砂,单一砂是指造型中不分面砂和背砂，所采用的单一型砂,使用单一砂的目的： 可简化混砂、供砂系统； 减少设备投入 有效提高造型机的生产率。,多用于机械化造型生产线 也可用于小批量、小铸件的手工造型,单一砂的适用范围:,（一）湿型砂的性能和配方特点,1.铸铁件湿型砂配方及性

41、能实例,2.铸钢件湿型砂性能及配方实例,1）铸铁件干型(芯)砂性能及配方实例,（二）干型砂的性能和配方特点,2铸钢件干型砂,铸钢件用粘土干型（芯）砂性能及配方实例,3砂型（芯）的烘干工艺,2）铸铁件干型（芯）的烘干工艺,1）烘干过程的三个阶段：均热阶段，水分迅速蒸发阶段 ，缓冷阶段。,（三）型砂的混制工艺,1）.常用的混砂机及特点,1.碾轮式混砂机： 混合和揉搓作用较好，混制的型砂质量较高，但生产率低。常 用于混制面砂,2.摆轮式混砂机： 生产效率较高 ，能鼓风冷却型砂，胆混砂质量较差。常用于 混制单一砂和背砂。,3.叶片式混砂机: 仅有混合作用而无搓揉作用，常用于混制背砂或粘土含量低 的单一

42、砂。,2）.加料顺序及混砂流程,加回用砂,干 混,加 水,加煤粉,加煤粉,加 原 砂,湿 混,继续湿混,加适量水,调整紧实率,加锯末,加渣油,继续混碾,卸 砂,松沙,3）.混碾时间 碾轮式混砂机混砂： 背砂约3min，单一砂35min，面砂58min。 摆轮式混砂机混砂： 背砂约0.51min，面砂为23 min。,第三节 水玻璃粘结剂型（芯）砂,水玻璃型（芯）砂优点： 型（芯）砂流动性好，易于紧实，造型（芯）劳动强度低； 硬化快，强度较高，生产周期短，劳动生产率高； 可在型（芯）硬化后起模，型、芯尺寸精度高； 可提高铸件质量，减少铸件缺陷； 可降低能耗，改善工作环境和工作条件。,水玻璃型（芯

43、）砂缺点： 铸型浇注后溃散性差； 旧砂难以用摩擦法再生； 硬化的型芯保存性差（尤其在寒冷潮湿的条件下）。 对某些铸件，型芯硬化后的强度还不够理想。,一、钠水玻璃粘结剂,水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称。 铸造上最常用的是钠水玻璃，来源充足，价格便宜； 钠水玻璃的分子式为Na2OmSiO2nH2O； 商品名称为“泡花碱”，化学名称为水溶性硅酸钠溶液； 硅酸钠是弱酸强碱盐，pH值一般为1113。,钠水玻璃的参数主要有模数、密度、浓度和粘度等,1.模数 模数含义：钠水玻璃中SiO2与Na2O的摩尔数之比称为水玻璃的模数。 即:,模数的调整方法： 加入适量NaOH法 反应式为： mSiO22NaOHN

44、a2Om SiO2H2O 计算式为：,模数对性能影响： 模数高，SiO2的相对含量高，此水玻璃的粘度大，硬化速度快； 但模数太高，反造成铸型（芯）的硬化强度不高。 铸造生产中最常用的水玻璃模数为2.03.0之间。,加入HCl、NH4Cl法 反应式： Na2Om SiO2nH2O2HClm SiO2nH2OH2O2NaCl Na2Om SiO2nH2O2NH4Cl 2 NaClm SiO2（n1）H2O2 NH32 H2O,计算式：,2.浓度（密度)与粘度,浓度的含义及对性能的影响 浓度反映了水玻璃中Na2O和SiO2的总体含量。 当模数一定时，浓度越大，其密度也越大，固体含量 高，水玻璃的粘结

45、力增大。,浓度的调整方法,浓度可以用加水稀释或浓缩的方法来调整,计算式：,水玻璃模数和浓度对粘度的影响,当浓度一定时，模数越大，其粘度越大； 当增加浓度时，高模数的粘度比低模数的粘度增加得更快； 当模数不变时，水玻璃的浓度越大，则其粘度也越大。,硬化方式与钠水玻璃模数、密度的关系,2.4.3、钠水玻璃砂及砂型（芯）硬化 水玻璃在一定条件下逐渐变硬的过程称为水玻璃的硬化。 水玻璃的硬化方法有化学硬化法和物理硬化法两种。,1.钠水玻璃砂的物理硬化法,利用烘窑、煤气燃烧或移动式烘炉加热砂型（芯）,能使水分降到0.5%左右，强度可达910MPa,烘窑加热的温度为200250，烘干时间40150min；

46、,煤气燃烧或移动式烘炉加热温度一般不超过300，加热时间为23h。,1）加热硬化,质量稳定，不易产生气孔、砂眼等缺陷，但劳动强度大，生产周期长，需加热设备，硬化时间长,2）自然硬化,砂型停放在空气中，由于水分蒸发和自行吸收空气中的CO2而硬化,硬化时间长，硬化层较浅,3）综合硬化,CO2和加热硬化联合使用,先吹CO2使砂型（芯）建立一定的强度，起模后再加热硬化,适用于湿强度较低而干强度要求较高的砂型（芯）,2.4.4.CO2吹气硬化水玻璃砂,CO2硬化法向水玻璃砂制成的砂型（芯）中吹入 CO2气体，在短时间内就可以使型（芯） 砂硬化；, CO2硬化原理 Na2OmSiO2+nH2O + xCO

47、2 (1-x)Na2OmSiO2n H2O+ xNa2CO3 Na2OmSiO2nH2O+ 2xCO2(1-2x)Na2OmSiO2(n-1)H2O+2xNa2HCO3,常把用CO2硬化的水玻璃砂称为CO2砂，广泛应用在铸钢件的生产上。,CO2-钠水玻璃砂型（芯）砂,常用于大量生产和单件小批生产造型（芯）,由纯净的人造（或天然）硅砂加入4.5%8.0%的钠水玻璃配制而成,对于数十吨的质量要求高的大型铸钢件，全部或局部用镁砂、 铬铁矿砂、锆砂等特种砂,为提高湿态强度、可塑性和便于脱模后，可加1%3%膨润土 或3%6%普通粘土，或部分粘土砂,为改善出砂性，在芯砂中可加1.5%的木屑，或加入5%的石

48、 棉粉，或加入其它附加物等,（2）造型（芯）及吹CO2硬化,可用手工或靠微震紧实，也可采用吹射造型（芯）,为增加容让性和便于排气，砂芯内部放置块度为3040mm的焦碳块、炉渣或干砂,型和芯一般要扎通气孔，使CO2气体可以通过，加速硬化。,在中心挖出气孔，上部通至箱口。,造型（芯）,可根据芯（型）的大小和形状加以选择, CO2硬化的方法,要求CO2能迅速均匀进入芯（型）的各个部分，以最少的CO2消耗量达到使型、芯各部分硬化均匀，避免出现死角,常用的吹CO2的方法：插管法和盖罩法,图2-15 吹CO2的方法 a）、b）插管硬化法 c）、d）盖罩硬化法,插管硬化法的硬化深度大，适用于中大型砂型（芯）,盖罩硬化法的硬化深度浅，适用于小砂型