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第一章造型材料造型材料相关术语造型材料——凡是用来制作铸型或型芯的原材料及由各种原材料按一定比例配制而成的工作混合料。型砂——用来制作铸型的工作混合料。芯砂——用来制作型芯的工作混合料。粘结剂—用来粘结砂粒，使型芯砂有一定强度的工作混合料。附加物—用来改善型芯砂性能而加入的其他材料涂料——用来涂敷型腔或型芯表面，以改善其表面性能的工作混合料。造型材料在铸造生产中的地位在铸造生产中，砂型铸造占有很大的比例，约有80％的铸件是用砂型铸造生产的，每生产1吨铸件约需5～6吨型（芯）砂，同时有1吨旧砂被淘汰。在铸件的废品中，约有50%的废品铸件是由于造型材料方面的原因造成的。由此可见，砂型铸造在铸造生产中的重要性。砂型的组成及各组分的作用在砂型中：原砂——是骨干材料；按理化特性分为：石英质原砂和非石英质原砂按成砂过程分为：天然砂和人造砂粘结剂——是中间材料；分为有机粘结剂和无机粘结剂涂料、附加物——是辅助材料。型芯砂的质量好坏与造型材料的理化性能有直接的影响。第一节造型材料及其质量要求一、石英质原砂1、原砂的来源天然砂：火成岩经长期风化，或停留原地，或经水力、风力、冰川等多次搬运后，沉积而成的天然矿物。按沉积地不同分为：山砂、海砂、湖砂、河砂、风积砂等。人造砂：是由石英岩或石英砂岩经人工破碎而得到的。一、石英质原砂2、原砂的矿物组成火成岩在风化过程中，花岗岩中的石英破碎成小颗粒；长石和云母一部分风化成粘土，另一部分没有风化而混在砂子中。原砂的主要矿物组成是石英。其次是长石及少量的云母、铁的氧化物、硫化物和碳酸盐等。一、石英质原砂3、原砂的化学成分及物理特性原砂的化学成分主要是SiO2。其理化特性为：熔点为1713℃，硬度为莫氏7级，密度为2.65g/cm3。纯净的石英呈无色透明或半透明状态，有杂质存在时呈红、黄等其他颜色。石英的最大特点：耐磨、耐高温。SiO2含量的多少是铸造用原砂的一个主要质量指标。国家标准《铸造用硅砂》（GB9442-1998）将硅砂按SiO2含量分为若干等级。一、石英质原砂4、原砂的含泥量泥分——是指原砂中直径小于20μm的颗粒。含泥量——指原砂中泥分所占的质量分数。原砂含泥量过高，会发生下列情形：▲降低型芯砂的透气性▲增大型芯砂的含水量▲增加型芯砂的脆性▲增加有机粘结剂的加入量粘土砂用原砂的含泥量应≤2％；有机粘结剂类型芯砂用原砂的含泥量应≤0.3％国家标准《铸造用硅砂》（GB9442-1998）将硅砂按含泥量分级一、石英质原砂5、原砂的颗粒组成（粒度）颗粒组成——是指原砂颗粒尺寸大小和颗粒大小的分布情况。通常采用筛分法来确定原砂颗粒大小。筛分使用铸造标准试验筛。采用三筛分布确定砂粒大小的分布状态。粒度的表示方法：列表法、直方图法、符号法、平均细度法。铸造标准试验筛粒度代号21Q粒度代号21Q粒度代号21Q一、石英质原砂符号法：——是用数字和符号构成表示原砂粒度的一组代号。如果在主要粒度组成中，前筛余留砂量大于后筛，在粒度代号后加Q表示，反之加H表示。国家标准《铸造用硅砂》（GB9442-1998）按主要粒度组成将原砂粒度分组AFS平均细度反映原砂平均颗粒尺寸。一、石英质原砂6、原砂的表面状态：原砂的表面状态包括：原砂颗粒的形状、颜色、透明程度、粗糙程度、有无裂纹等。铸造用砂将原砂粒形分为：圆形砂、多角形砂、尖角形砂圆形砂颗粒为圆形或接近圆形，表面光滑，没有突出的棱角多角形砂颗粒表面呈现多处突出的棱角，且多为钝角尖角形砂颗粒表面呈现多处突出的棱角，且多为锐角通过砂粒表面的颜色可以判断原砂的纯净度（品位）表面有无裂纹可以预测原砂在特定条件下的破碎可能性表面粗糙，凹坑严重，导致粘结剂的加入量增高圆形砂多角形砂尖角形砂一、石英质原砂7、原砂的粒形系数原砂的颗粒形状可用粒形系数来定量地表示。理论比表面积实际比表面积＝角形系数E多角形E＞1.3～1.6尖角形E＞1.6圆形E≥1.0~1.3国家标准《铸造用硅砂》（GB9442-1998）按角形系数将原砂粒形分类一、石英质原砂比表面积——是指单位重量原砂的表面积。原砂比表面积越大，则砂粒直径越小。理论比表面积——将同一筛号上的砂粒假想成相同直径的球体所具有的表面积实际比表面积——实验测出的表面积一、石英质原砂8、原砂的牌号铸造用硅砂的牌号表示方法：ZGS××－×××－××粒形分类代号Q或H粒度分组代号SiO2分级代号铸造用硅砂如ZGS96-30H-30一、石英质原砂9、原砂的耐火度与烧结点原砂耐火度：是指材料抵抗高温作用而不熔化的能力。原砂的耐火度主要取决于原砂的矿物成分和颗粒度。一般认为，原砂中，石英含量越高、颗粒越粗大、杂质含量越低，耐火度则越高。一、石英质原砂原砂烧结点：原砂颗粒表面或砂粒间的混杂物开始熔化，冷却后，砂粒之间相互粘连且不分开的温度。烧结点是原砂各种组合成分耐火性能综合反映。原砂烧结点比耐火度要低。通常在砂型铸造中，烧结点能间接反映出原砂SiO2含量，是原砂主要性能指标之一。烧结点：＞1350℃；＞1250℃；＞1150℃SiO2含量：＞94%；＞90%；＞87%一、石英质原砂10、原砂中的杂质长石、云母及其杂质中含有的碱金属氧化物（Na2O、K2O)、碱土金属氧化物（CaO、MgO）等都能与SiO2反应生成易熔物质。例如：——73％SiO2与27％Na2O的混合物，其熔点仅为793℃，——K2O与SiO2可形成熔点仅为525℃的低熔点物质。在铸造用砂中，应严格控制原砂中杂质含量，保证原砂的纯净度。一、石英质原砂11、原砂受热后的体积变化由于物理化学条件不同，石英存在着复杂的同素异晶现象。在573℃，开始由β石英向α石英转变，晶形转变同时，伴有体积膨胀。一、石英质原砂12、原砂的选用选用原则●根据铸件的大小来选用●根据铸件的复杂程度来选用●根据铸件合金的种类来选用●根据铸型及型芯的类别来选用●根据造型、制芯的方法来选用一、石英质原砂⑴铸钢件浇注温度在1500℃左右，原砂SiO2含量≥94％。一般可选用98级、96级原砂。小型铸钢件可选用93级原砂。粒度可选用60、42、30、21组。⑵铸铁件浇注温度1400℃左右，一般可选用93级～75级原砂。大件选85级以上，中、小件选85级以下的原砂。粒度一般选用42～10组。一、石英质原砂⑶铸铜及铝镁合金件由于有色金属的浇注温度不高，所以，对原砂SiO2含量要求也不高铸铜的浇注温度约1200℃铝、镁合金的浇注温度均在800℃以下粒度一般选用较细的原砂，如15、10、07组一、石英质原砂13、石英质原砂的主要缺点：▲热膨胀大、扩散率低、蓄热系数低▲SiO2属于酸性氧化物，很容易与碱性氧化物反应生成低熔点化合物—导致铸件发生化学粘砂因此，在某些铸造生产中，就不能用石英质原砂，而只能采用其他非石英质原砂。二、非石英质原砂铸造用非石英质原砂主要有：镁砂橄榄石砂锆砂铬铁矿砂等1、镁砂主要成分：MgO物理特性：熔点1840℃，密度3.5，莫氏硬度4～4.5级工艺特性：热膨胀率小，不发生因相变引起体积突变，蓄热系数大（是硅砂的1.5倍）MgO不与碱金属氧化物作用，因而铸件不易产生粘砂。主要用途：常用于锰钢铸件和高熔点合金铸件。2、橄榄石砂主要成分：Mg2SiO4，其次是Fe2SiO4（5~10%）物理特性：熔点1600~1760℃；密度3.2～3.6；莫氏硬度6.5～7.5级。工艺特性：热膨胀小，且膨胀均匀缓慢。无晶型转变（从50℃到熔化温度）主要用途：常用于高锰钢铸件。3、锆砂主要成分：ZrSiO4物理特性：熔点2400℃；密度4.5～4.7；莫氏硬度7～8级工艺特性：热膨胀率更小（只有硅砂的1/6～1/3）热导率和蓄热系数更大——可加速冷却，细化组织化学稳定性高——几乎不被金属及金属氧化物润湿，可有效的阻止金属液渗入型壁，防止化学粘砂。主要用途：常用于铸钢件的型砂、芯砂和涂料。4、铬铁矿砂主要成分：Cr2O3物理特性：密度4～4.8，熔点1450～1480℃工艺特性：热导率高（是硅砂的几倍）；热膨胀率小不与铁的氧化物起化学作用主要用途：一般用于大型铸钢件或合金钢铸件的面砂、芯砂或涂料。三、铸造用粘土1、粘土的概念粘土是岩石经过长期风化后，分解和沉积而成的由细小结晶质粘土矿物组成的土状材料。2、粘土的作用铸造用粘土主要是用来做粘土砂的粘结剂。三、铸造用粘土3、粘土按晶体结构分类高岭石组——包括高岭石、珍珠陶土、地开石等伊利石组——包括伊利石、海绿石等蒙脱石组——包括蒙脱石、贝得石、绿脱石等常用铸造粘土有高岭石组和蒙脱石组三、铸造用粘土4、粘土矿物晶体的基本结构单位粘土矿物的晶格中都包含着两种基本结构单位：硅氧四面体铝氧八面体底氧顶氧三、铸造用粘土5、粘土中的水分粘土在润湿状态下通常有三种水分存在：①吸附水—这种水分在105℃温度下即能去除。②层间水—粘土单位晶层间定向排列的极性水和阳离子吸附的阳离子水化膜。三、铸造用粘土③结构水（晶格水）：——直接参与构成粘土矿物晶格的OH水；层间水和结构水必须加热到更高温度才能去除。粘土晶层表面的吸附水，其密度和粘滞度较大。在阳离子的周围也能吸附一层定向排列的水分子，形成水化阳离子。三、铸造用粘土6、粘土的粘结机理带负电荷的粘土颗粒将极性水分子吸附在自己的周围，形成胶团的水化膜，依靠粘土颗粒间的公共水化膜，通过其中的水化阳离子起“桥”的作用，使粘土颗粒相互连结起来。三、铸造用粘土7、粘土颗粒与砂粒之间的粘结机理砂粒因破碎而带微量负电荷，也能吸附极性水分子在其周围作定向排列。依靠粘土颗粒与砂粒之间的公共水化膜，通过水化阳离子的“桥”作用，使粘土砂获得湿强度。三、铸造用粘土粘土的干态粘结机理：▲烘干过程中粘土逐步失水，使砂粒和粘土颗粒之间相互靠近，紧密接触而产生附着作用。▲继续失去水分，使水化膜进一步变薄，粘土和砂粒之间通过“强大”的附着力紧紧拉在一起而产生“干”强度三、铸造用粘土8、铸造用粘土分类：铸造用粘土可分为两大类：膨润土和普通粘土分别用符号“P”和“N”来表示。膨润土又分为：钠基膨润土和钙基膨润土分别用符号“PNa”和“PCa”表示。三、铸造用粘土9、两种粘土的主要共同点：●都是亲水的，都具有吸水膨胀增加自身体积的能力●粘土的最大特性是粘结性和可塑性，这种特性只有当被水充分湿润后才能表现出出来。●在显微镜下观察，都属于层片状结构三、铸造用粘土10、两种粘土的主要异同点：①矿物组成不同●普通粘土的主要矿物组成为高岭石，其分子式结构为Al2O3·2SiO2·2H2O，带有2个层间水●膨润土的主要矿物组成为蒙脱石，其分子式结构为Al2O3·4SiO2·H2O·nH2O，带有N个层间水三、铸造用粘土②晶体结构不同高岭石的晶体结构属于两层型结构，即由两层硅氧四面体构成，单位晶层之间由氧面和氢氧面紧密结合。蒙脱石的晶体结构属于三层型结构，即由两层硅氧四面体中间夹着一层铝氧八面体构成，单位晶层之间由氧面和氧面相接。三、铸造用粘土③晶层间结合方式与结合键不同高岭石晶层间——氧面与氧面之间是靠氢键结合，结合键不易被打开，结合力较强，水分子不易进入晶层间。蒙脱石晶层间——氧面与氧面之间是靠分子间力结合，结合键极易被打开，结合力较弱，水分子很容易进入晶层间。三、铸造用粘土④片状晶体结构的表面状态及厚度不同——高岭石晶体表面呈六角形鳞片状结构，其厚度约20微米。——蒙脱石晶体表面呈不规则的薄片状或绒毛状，其厚度约1微米。三、铸造用粘土⑤吸水特性不同●普通粘土只能沿着晶体外表面吸收水分，吸水膨胀增加自身体积的能力较弱，胶质价通常不大于35●膨润土同时沿着晶体内、外两个表面吸收水分，吸水膨胀增加自身体积能力较强，胶质价通常大于75胶质价膨润土与水按比例混合后，加适量氧化镁，使其凝聚形成的凝胶体的体积，称为胶质价。以15克样形成的凝胶体积的毫升数表示。胶质价显示试样颗粒分散与水化程度，是分散性、亲水性和膨胀性的综合表现，它的大小与膨润土矿的属型和蒙脱石含量密切相关，钠基比钙基、酸性膨润土的胶质价高，同一属型的膨润土，含蒙脱石愈多，胶质价愈高。所以，胶质价是鉴定膨润土矿石属型和估价膨润土质量的技术指标