各种典型铸造技术的原理和方法

1各种典型铸造技术的原理和方法根据铸型特点分类，有一次型铸造(砂型铸造、熔模铸造、石膏型铸造、实型铸造等)、半永久型铸造(陶瓷型铸造、石墨型铸造等)、永久型铸造(金属型铸造、压力铸造、挤压铸造、离心铸造等)；根据浇注时金属液的驱动力及压力状态分类，有重力作用下的铸造和外力作用下的铸造。金属液在重力驱动下完成浇注称自由浇注或常压浇注。金属液在外力作用下实现充填和补缩，如压力铸造、挤压铸造、离心铸造和反重力铸造等。本章介绍的铸造技术有：属于重力充型的有砂型铸造、金属型铸造和熔模铸造；属于外力充型的有压力铸造、离心铸造和挤压铸造；属于反重力铸造的有低压铸造和差压铸造/真空吸铸等。铸造业中砂型铸造约占80％。型砂中粘土砂、水玻璃砂和树脂砂等又占了90％的份额。三种型砂间的比例视各国具体情况而异，平均来看，大致为5：3：2。以型砂铸造与其它铸造方法相比，其缺点是：劳动条件较差，铸件外观质量欠佳；铸型只能使用一次，生产率低。优点是：不受零件形状、大小、复杂程度及合金种类的限制；造型材料来源广，生产准备周期短，成本低。因此，砂型铸造是铸造生产中应用最广泛的一种方法，世界各国用砂型铸造生产的铸件占总产量的80%~90%。本章的重点在砂型铸造。而铸造用砂型的种类及制造是重中之重。第1节砂型铸造一、铸造用砂型的种类及制造（一）概述1．砂型铸造的特征及工艺流程配制型砂—造型—合型—浇注—冷却—落砂—清理—检查—热处理—检验—获得铸件特征：使用型砂构成铸型并进行浇注的方法，通常指在重力作用下的砂型铸造过程。名词：型砂——将原砂或再生砂+粘结剂+其它附加物等所混制成的混合物；铸型——形成铸件外观轮廓的用型砂制成的空腔称为铸型；砂芯——形成铸件内腔的用芯砂制成的实体(用于制做砂芯的型砂称为芯砂)；造型——制造砂型的工艺过程；制芯——制造砂芯的工艺过程。造型(芯)方法按机械化程度可分为手工造型(芯)和机器造型(芯)两大类。选择合适的造型(芯)方法和正确的造型(芯)工艺操作，对提高铸件质量、降低成本、提高生产率有极重要的意义。（1）手工造型(芯)手工造型(芯)是最基本的方法，这种方法适应范围广，不需要复杂设备，而且造型质量一般能够满足工艺要求，所以，到目前为止，在单件、小批生产的铸造车间中，手工造型(芯)仍占很大比重。在航空、航天、航海领域应用广泛。手工造型(芯)劳动强度大，生产率低，铸件质量不易稳定，在很大程度上取决于工人的技术水平和熟练程度。手工造型方法很多，如模样造型、刮板造型、地坑造型，各种造型方法有不同的特点和应用范围。（2）机器造型(芯)用机器完成全部或部分造型工序，称为机器造型。和手工造型相比，机器造型生产率高，质量稳定，劳动强度低，对工人的技术要求不像手工造型那样高。但设备和工艺装备2费用较高，生产准备时间长，一般适用于一个分型面的两箱造型。机器造型(芯)主要适用于黑色金属铸件的大批量生产。2．砂型/芯制造方法分类在制造各砂型、芯的过程中，根据其本身建立强度时其粘结机理的不同，通常可分为三大类：（1）机械粘结剂型芯----以粘土为粘结剂的粘土型芯砂所产生的粘结；（2）化学粘结剂型芯----型芯砂在造型、芯过程中，依靠其粘结剂本身发生物理、化学反应达到硬化，从而建立强度，使砂粒牢固地粘结为一个整体。有机、无机粘结剂，其中无机粘结剂包括钠水玻璃及硅溶胶，而有机粘结剂则包括热硬、自硬和气硬树脂砂型（芯）；（3）物理固结----指用物理学原理产生的力将不含粘结剂的原砂固结在一起，磁型铸造法、负压造型法或真实密封造型法或薄膜负压造型法，以及消失模造型法。（二）粘土湿型1.湿型及其特点（1）生产灵活性大，适用面广，既可手工，又可机器、以及流水线生产，既可生产大件，也可生产小件，可铸钢（中小件），也可铸铁，有色合金等。（2）生产效率高，生产周期短，便于流水线生产，可实现机械化及自动化，汽车，柴油机，抢拖拉机行业应用最广（300～500kg铸铁薄裂件）。(汽车缸体图)(或生产车间全貌图)（3）原材料成本低，来源广。（4）节省能源、烘干设备和车间生产场地面积。（5）因不需烘干，砂箱寿命长。（6）缺点：操作不当，易产生一些铸造缺陷：夹砂结疤，鼠尾，砂眼，胀砂，粘砂等。2．粘土湿型所用的主要原材料粘土湿型的配方为：原砂（或旧砂）100，粘土（膨润土）1～5％，煤粉～8％，水～6％，以及其它附加物。（1）原砂－石英砂其砂子是火成岩中稳定的部分，主要成分为二氧化硅（SiO2）和少量的杂质（Na,k,Ca,Fe等氧化物）。含SiO2极高的砂子称石英砂，有高的熔点，1700℃，摩氏硬度7级（一般将材料分为10级，其中滑石为1级，金刚石为10级），随夹杂物含量的增加，其耐火度下降，SiO2含量高，砂子的颜色接近无色透明，一般用石英砂色白并略带灰色。铸造生产所用的石英砂与建筑用砂不同，它有其特殊的要求，主要有：含泥量；颗粒组成；原砂颗粒形状及表面状况；原砂的矿物组成和化学成分等。生产中通常根据铸件的合金种类、质量、壁厚的不同来选定原砂的化学成分和矿物组成。例如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的强还原性气氛，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Si02含量应较高，有害杂质亦应严格控制。铸钢件的浇注温度愈高，壁厚愈厚，则对原砂中Si02含量的要求就愈高。铸铁的浇注温度一般在1400℃以下，铁液中含有较多碳分，湿型浇注时型砂中加入有煤等附加物，能产生大量还原性气氛，在与铸型相接触的界面上金属基本不氧化，实际上湿型铸铁件无化学粘砂现象。烧结点指的是原砂颗粒表面或砂粒间混合物开始熔化的温度。它是原砂各种组合成分耐火性能的综合反应。所以，有时采用测定原砂烧结点的办法能更直观地说明原砂做为耐火材料的性能，而且可用来推测原砂中SiO2含量高低和杂质多少。长石、云母及其杂质中所含有的碱金属氧化物(Na20、K20)、碱土金3属氧化物(CaO、MgO)等能与Si02和氧化铁生成易熔物质。例如Si02与NaO的质量比为73：27的混合物，其熔点仅793℃．K2O与SiO2可形成熔点仅525℃低熔物,烧结点低。（2）原砂－非石英质原砂硅砂缺点：热膨胀系数比较大，而且在573℃时会因相变而产生突然膨胀-----铸件若裂；热扩散率比较低；容易与铁的氧化物起作用等。这些都会对铸型与金属的界面反应起不良影响。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。非石英质原砂是指矿物组成中不含或只含少量游离Si02的原砂。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化学粘结剂型砂、芯砂或涂料。这些材料与硅砂相比，大多数都具有较高的耐火度、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等优点，能得到表面质量高的铸件并改善清砂劳动条件。但这些材料中有的价格较高，比较稀缺，故应当合理选用。目前可用的非石英质原砂有橄榄石砂、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、钛铁矿砂、铝矾土砂等。真正广泛使用的仍为石英砂。（3）粘土----膨润土粘土的矿物成分粘土是湿型砂的主要粘结剂。粘土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。粘土主要是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料。粘土矿物的种类很多，按晶体结构可分为高岭石和蒙脱石等。通常根据所含粘土矿物种类不同将所采用的粘土分为铸造用粘土(fireclay)和铸造用膨润土(bentonite)两类。膨润土主要是由蒙脱石组矿物组成的，主要用于湿型铸造的型砂粘结剂。根据国家专业标准《铸造用膨润土和粘土》(JBlT9227—1999)的规定，膨润土中如果某一交换性阳离子量占阳离子交换容量的≥50％时，称其为主要交换性阳离子，如果为钠离子则称为钠膨润土，以PNa表示(P是膨润土代号)；如果为钙离子，则称为钙膨润土，以PCa表示。我国钙基膨润土资源较多，开采和供应比较方便。有时要根据粘土的阳离子交换特性，对钙土进行处理，使之转变为钠基膨润土。这种离子交换过程，通常称为膨润土的活化处理，最常用的活化剂为碳酸钠。这一过程的化学反应机理简单示意如下Ca2+一蒙脱石+Na2C03一-Na+一蒙脱石+CaC03+。（4）粘土的粘结机理粘土在水中形成的粘土-水体系是胶体，带负电的粘土颗粒将极性水分子吸引在自己的周围，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所起的“桥”或键的作用，使粘土颗粒相互结合起来，在水化膜中处在吸附层的水分子被粘土质点表面吸附得很紧，而处于扩散层中的水分子较松，公共水化膜就是粘土胶粒间的公共扩散层。粘土和水量比例适宜时，才能获得最佳的湿态粘结力（图）。一般说来，粘土颗粒所带电荷愈多或粘土颗粒愈细小，比表面积愈大，则湿粘结力愈大。关于粘土颗粒与砂粒之间的粘结则被解释为：砂粒因自然破碎及其在混碾过程中产生新的破碎面而带微弱负电，也能使极性水分子在其周围规则地定向排列。这样，粘土颗粒与砂粒之间的公共水化膜，通过其中水化阳离子的“桥’’或键的作用，使粘土砂获得湿态强度。（5）附加物3．湿型砂的混制工艺及旧砂的处理生产中常用的混砂机有碾轮式(verticalwheelsandmuller)、摆轮式(horizontalwheelsandmuller，speedmuller)、叶片式(blademixer)等。各有优缺点。生产1t铸件约需要5-10t湿型型砂，配制型砂时都尽量回用旧砂(即重复使用过的型砂)，即经济也是保护环境的需要。但简单地重复使用旧砂，会使型砂性能变坏，铸件质量下降。必须了解旧砂的特性，掌4握其性能变化的规律，采取必要措施，才能保证和稳定型砂的性能。混砂时还需向旧砂中补充加入新砂、膨润土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。4．粘土湿型的紧实工艺（1）对型(芯)砂紧实度的要求1）紧实度对铸型性能的影响型砂需要紧实才能成为整体的砂型。型砂的紧实程度常用紧实度(密度)和孔隙度表示。紧实度影响着铸型的强度和透气性。紧实度越大，铸型强度越大，透气性越差。紧实度高，蓄热系数也高，加快了金属的凝固冷却速度，改善了铸件的内在质量，组织更为致密，铸件尺寸精确，力学性能有所提高。对高压造型法的研究表明，铸型紧实度高，浇注时型壁移动量小，铸件尺寸精确，表面光洁。因此，铸件可以做得更薄，进而减轻铸件机器重量。2）型砂紧实度的要求要求铸型紧实度高且均匀。高压造型法由于铸型紧实度高，其铸型性能和铸件质量普遍好于中低压造型。高压造型法的目的就在于制出均匀的高紧实度铸型。理论和实验研究证明其压实方法和压头形式对紧实度有很大的影响。对湿型而言，通常有震击紧实、震压紧实、压实、微震压实和高压紧实等，下面简单介绍其紧实方法。（2）震击紧实和震压紧实震击紧实用震击造型机来完成。多以压缩空气为动力，利用震击动能和惯性使型砂紧实如图2-3所示。将砂箱1放在模板2上，型板固定于震击工作台，与震击活塞3相连，4为震击气缸。砂箱内装满型砂后，打开进气阀，使压缩空气进入震击气缸，推动活塞上升。活塞升高超过排气孔时，压缩空气由排气孔逸出，气缸中的压力突然下降，此时震击活塞连同砂箱模板下落，与震击气缸发生撞击，砂箱中的型砂由于惯性力的作用而互相紧实。而后因出气孔堵住，进气孔进入的压缩空气压力超过砂箱型板活塞等的重量，使工作台上升，如此连续震击，使型砂得以紧实。震击高度一般为30~60mm，震击次数30~50/min次为宜，一般不超过80次。震击紧实适用于大砂箱，砂箱高度不低于150mm，否则紧实效果不好。其型砂紧实度沿砂箱高度是上松下紧，顶部型砂紧实度几乎与震前一样。为了克服震击紧实砂箱上部型砂紧实度太松的缺点，可以先震击使底部型砂紧实，再对顶部型砂补充压实。这种经震击后再加压的造型机叫做震压造型机。震压紧实型砂的紧实度分布好，特别是在砂箱不太高的情况下，压实的影响可以达到分型面，这样可以大大减