造型材料1

铸造造型材料主讲：杨少锋绪论英文名称：moldingmaterial定义：制造铸型用的各种材料。砂型铸造中指制造铸型（芯）用的材料。包括砂、有机或无机黏结剂和其他附加物。针对铸造生产中砂型铸造的特点，系统地介绍了现代铸造生产中常用的造型材料制造砂型的材料称为造型材料，用于制造砂型的材料习惯上称为型砂，用于制造砂芯的造型材料称为芯砂。型砂是由原砂、粘结剂和水按一定比例混合而成，有时还加入少量如煤粉、植物油、木屑等附加物。原沙是骨干材料，其主要作用是：一方面为型砂（芯）提供必要的耐高温性能和热物理性能，有助高温金属顺利充型，以及是金属也在铸型中冷却、凝固并得到所要求形状和性能的铸件。另一方面原砂砂粒能为砂型（芯）提供众多孔隙，保证型、芯具有一定透气性。粘结剂起粘结砂粒的作用，使型砂具有必要的强度和韧性；附加物是为了改善型（芯）砂所需要的性能，或为了抑制型砂不希望有的性能而加入的物质。型砂和芯砂的质量直接影响铸件的质量，型砂质量不好会使铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷。砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法。由于其造型材料来源广泛，成本低廉，是最常用的铸造方法，目前我国砂型铸件约占铸件产量的80%。砂型铸造的工艺砂型铸造生产工艺流程造型车间制造铸型用的材料称为造型材料。造型材料包括型砂和芯砂。型砂和芯砂应具备如下性能：具有一定的强度；具有一定的透气性；具有较高的耐火性；具有一定的容让性等。1、造型材料(1)型（芯）砂的种类根据所处的位置不同面砂、背砂（填充砂）和单一砂根据适用的铸造合金不同铸铁用砂、铸钢用砂和有色金属用砂；根据在浇注前是否烘干干型砂（烘模砂）和湿型砂（潮模砂）(2)型砂和芯砂的成分组成型（芯）砂的原材料:㈠原砂为主要成分，常用石英砂、石英-长砂石、粘土砂等。㈡粘结剂常用的粘结剂有粘土、油类（矿物油和植物油）、合脂和水玻璃等。㈢辅助材料常用的辅助材料有锯木屑、煤粉、石墨粉和煤油等。用型砂及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型时，用模样形成铸型的型腔，用型腔形成铸件的外部轮廓。造型方法分为手工造型和机器造型两大类。2、造型方法(1)手工造型全部用手工或手动工具完成造型过程的造型方法称为手工造型。手工造型方法有以下几种：①整模造型图7-2所示②分模造型图7-3所示③挖砂造型图7-4所示④假箱造型图7-5所示⑤活块造型图7-6所示⑥三箱造型图7-7所示⑦刮板造型图7-8所示图7-2整模造型图7-3分模造型图7-4手轮铸件的挖砂造型过程图7-5假箱造型图7-6活块造型图7-7三箱造型图7-8刮板造型1、整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。图7-9整模造型模型图2、分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。图7-10分模造型模型图3、挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。图7-11挖砂造型模型图4、活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。图7-12活块造型模型图5、刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。图7-13活板造型模型图6、假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。图7-14假箱造型模型图(2)机器造型指用机器完成全部或至少完成紧砂操作的造型方法。实质就是机器代替人完成手工紧砂和起模过程，它是现代化铸造车间的基本造型方法。特点：生产率高，铸件尺寸精度高，表面质量好，改善了工人劳动条件，适用于成批和大量生产。常用的紧砂方法：震实、压实、震压、抛砂、射压等几种型式，其中震压式紧砂方法应用最广。目前应用广泛的起模方法：顶箱、漏模、翻转三种。图7-15震压造型机的工作过程型芯用来获得铸件的内腔，有时也可作为铸件难以起模部分的局部铸型。制造型芯的过程称为造芯。与型砂相比，芯砂必须具有更高的强度、耐火性、透气性、退让性和溃散性。造芯方法分为手工造芯和机器造芯。手工造芯时，主要采用芯盒造芯，如图所示，它可以造出形状比较复杂的型芯。单件、小批生产大中型回转体型芯时，可采用刮板造芯。3、造芯图7-16芯盒造芯1－型芯，2－芯盒，3－定位销，4－夹钳在造芯过程中，应注意：为了提高型芯的刚度和强度，需在型芯中放入芯骨；为了提高型芯的透气性，需在型芯的内部制作通气孔；为了提高型芯的强度和透气性，一般型芯需烘干使用。为了使金属液进入型腔而开设在铸型中的一系列通道称为浇注系统。浇注系统设计得不合理，铸件易产生夹砂、砂眼、夹渣、浇不足、气孔和缩孔等缺陷。浇注系统由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成，如图所示。4、浇注系统浇注系统的组成1－浇口杯，2－直浇道，3－横浇道，4－内浇道铸铁的熔炼是用铸造生铁和铸造车间的回炉料（浇、冒口和废品等），经过配料计算后在化铁炉中进行的。熔炼的要求是：金属液的化学成分合格；金属液的温度合格；熔炼效率高；能耗低；无污染。常用的熔炼设备有：冲天炉（适于熔炼铸铁）、电弧炉(适于熔炼铸钢)、坩埚炉（适于熔炼有色金属）、感应加热炉（适于熔炼铸钢和铸铁等）。5、熔炼(1)合箱浇注将铸型的各个组元（如上型、下型、型芯、浇口杯等）组合成一个完整铸型的操作过程称为合箱。合箱后要保证铸型型腔几何形状、尺寸的准确性和型芯的稳定性。将金属液由浇包注入铸型的操作称为浇注。6、合箱浇注、落砂清理和检验浇注时应选择合适的浇注温度、合适的浇注速度。一般薄壁件宜用快速浇注，厚壁件宜用慢-快-慢的方式浇注。浇注时，为防止铸型中的CO爆炸以及逸出时工人中毒，必须在冒口和排气口上点火，使CO燃烧；为防止熔渣进入铸型，应做好挡渣工作。浇注时，若浇注温度过低，就会产生浇不足、冷隔、夹渣等缺陷；浇注时，若浇注温度过高，则金属液吸气多，液体收缩大，又容易产生气孔、缩孔、缩松以及裂纹，同时会使晶粒变粗，铸件机械性能因而下降。浇注时，若速度快，金属液易充满型腔，同时可减少氧化。浇注时，速度过快，金属液对铸型的冲击加剧，会因此造成型（芯）砂冲落的现象，即冲砂。(2)落砂清理用手工或机械使铸件和铸型、型芯（芯砂）、砂箱分离的操作过程称为落砂。清除铸件表面的型砂，内部砂芯，飞边毛刺，浇、冒口以及修补缺陷一等系列工作，叫铸件的清理。人工清理时劳动强度大，卫生条件差，费工、费时。目前，有很多清理工作已由机械来完成。(3)检验铸件的质量检验方法分为外部检验和内部检验。通过眼睛观察，找出铸件的表面缺陷，如铸件外形尺寸不合格、砂眼、粘砂缩孔、浇不足、冷隔等，称为外部检验。利用一定设备找出铸件的内部缺陷，如气孔、缩松、渣眼、裂纹等，称为内部检验。常用的内部检验方法有化学成分检验、金相检验、力学性能检验、耐压试验、超声波探伤等。我国铸造行业造型材料的现状2007年，中国的铸件产量超过了3000万t，占全球铸件产量的1/3,是名符其实的铸造大国。其中砂型铸造是铸造工艺的主要方法，约占整个铸件生产的80%。相对于特种铸造方法，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染最为严重。因此实现砂型铸造的绿色清洁生产，对实现绿色铸造具有重要的意义。我国是铸造大国但不是铸造强国。现有水平与铸造强国要求目前水平强国要求生产效益8.4吨/人·年4万元/人·年60~80吨/人·年30万元/人·年铸件质量废品率10~15%加工余量20%5%10%铸件出口占总产量10%（技术含量低产品）30%（高档产品）铸件品种铝合金5%球铁14%合金钢25%10%25%40%煤耗500~700kg/吨铸件400kg/吨铸件废弃物回收率10%30%砂型铸造，如按粘结剂材料分类，有粘土砂型铸造、树脂砂型铸造和水玻璃砂型铸造三大类在我国，按铸造产量计算，粘土砂型铸造约占整个砂型铸造80%（占整个铸造产量的70%左右）树脂砂型（芯）通常是由原砂、合成树脂粘结剂和固化剂等按一定的比例混合组成，混好的型（芯）砂经紧实后，在一定工艺条件下固化成铸型和砂芯。开发并采用高性能、低毒性和低成本且能够满足树脂砂铸造工艺要求的新型酚醛树脂是今后努力的方向。与另外两大型砂（粘土砂、树脂砂）比较，水玻璃砂具有明显的优势，也有其明显的缺点。具有型砂流动性好、易紧实、劳动强度低、操作简便、能耗低、劳动条件好、型（芯）尺寸精度高、铸件质量好，以及铸件缺陷少等许多优点;生产现场无毒、无味水玻璃砂的主要缺点：旧砂溃散性差，落砂清理困难，旧砂再生回用性差，以及旧砂废弃容易造成环境污染等。机械制造工业是国民经济的基础，铸造工业是机械制造业中不可缺少的重要组成部分。绿色制造、发展循环经济是21世纪国家关注的重点，我国发展绿色铸造技术与材料迫在眉睫。砂型铸造是铸造工艺的主要方法，占整个铸件生产的70%~80%。相对于特种铸造方法，由砂型铸造的造型材料带来的粉尘污染、空气污染及固体污染最为严重。因此，采用高性能、低毒性、低成本及少污染的造型材料，对实现砂型铸造的绿色清洁生产具有重要意义本课程的主要内容熟悉造型材料生产工艺和相关技术，了解造型材料的质量控制；了解常用造型方法，熟悉粘土砂型、水玻璃粘结剂砂型、热芯盒和冷芯盒等生产中砂型和砂芯的主要制备技术；熟悉不同类型的型砂和芯砂的性能要求及生产工艺，掌握型砂性能及其原材料性能的基本实验方法，并对实验结果的准确性进行分析。第一章粘土型砂（湿型）第一节湿型铸造特点1.1粘土砂型类别粘土砂型可分为湿型、干砂型和表面烘干砂型。三者之间的主要差别在于：湿型是造好的砂型不经烘干，直接浇入高温金属液体；干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型送入窑中烘干；表面烘干砂型只在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度（一般5～10mm，大件20mm以上）。目前，湿型砂是使用最广泛的、最方便的造型方法，大约占所有砂型使用量的60～70％，但是这种方法还不适合很大或很厚实的铸件。表面烘干型与干型比，可节省烘炉，节约燃料和电力，缩短生产周期，所以曾在中型和较大型铸铁件的生产中推广过。通常采用较粗砂粒（使有高的透气性），加入较多粘土和水分，有时还在型砂中加1～2％的木屑（提高抗夹砂结疤能力），其型腔表面必须涂敷涂料。干型主要用于重型铸铁件和某些铸钢件，为了防止烘干时铸型开裂，一般在加入膨润土的同时还加入普通粘土。干型主要靠涂料保证铸件表面质量。其型砂和砂型的质量比较容易控制，但是砂型生产周期长，需要专门的烘干设备，铸件尺寸精度较差，因此，近些年的干型，包括表面烘干的粘土政型已大部分被化学粘结的自硬砂型所取代。湿型铸造特点（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）。（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。汽车缸体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