材料液态成型工艺学A1-3-2015

DalianUniversityofTechnology大连理工大学张兴国材料成型工艺及设备材料科学与工程学院第五章型砂材料种类及特点5-1湿型造型后不需烘干而直接浇注金属的砂型叫湿型。1.湿型铸造的特点湿型铸造因铸型不需烘干，与干型相比具有许多优点。但是，湿型铸造在金属与铸型的界面作用过程中反应比较激烈，铸件容易出现一些缺陷，如：1)湿型的水分一般为3.5～5.5%，比干型高很多，与高温的金属液相遇更容易产生大量的气体，有可能产生气孔缺陷。2)湿型表面的水分受金属液的高温烘烤而迁移形成水分凝聚层，较易造成铸件表面夹砂、结疤和鼠尾缺陷。5-1湿型3)粘土砂的湿态强度比干态强度低，大约只有干态强度的1/5～1/10，在外力作用下较易掉落而造成铸件砂眼，或在金属液流的冲击下造成铸件多肉的缺陷。4)湿型的硬度和刚度比干型低，在金属液的压力作用下容易退让变形而造成型壁移动，使铸件尺寸公差增大，而且促成铸件内部产生缩孔和缩松缺陷。2.湿型砂湿型砂按其在砂型中的位置分为面砂、背砂和单一砂。面砂就是指覆盖在模样表面上构成型腔表面层的型砂。背砂就是在面砂背后用来充填加固的型砂。一般中小件造型时，往往只用一种型砂，称为单一砂。5-1湿型--湿型砂砂型铸造采用最多的就是粘土砂，原因是：优点：1）适应性强（1）适合于各种合金：铸铁、铸钢、有色合金。（2）适用于各种造型方法：手工造型、机器造型、气冲造型、高压造型。2）经济（1）价格低廉，且来源广泛；粘土：100～200元/吨，树脂：1.3～1.4万元/吨以上；（2）工序简单，设备简单，混制方便，生产周期短；（3）不需烘干，节省能源。3）回用性好，可以反复多次使用；4）无味、对人体无害、粉尘少、环境污染小；5）易于实现机械化和自动化，生产率高。缺点：1.含水量高（一般：3.5～5.5%），发气量大，铸件易产生气孔缺陷；（含水少，湿强度低；含水多，易产生气孔，溃散性差）2.湿型硬度、刚度较低，易造成型壁的移动使铸件尺寸增大，造成胀砂，铸件内部易出现缩孔、缩松；3.浇注时，产生水分凝聚区，砂型强度大大降低，易造成夹砂、结疤等缺陷。4.湿态强度低，易产生冲砂缺陷；5.回用后粘土、灰分、煤分等增多，耐火度降低；6.流动性不高，赋形能力差；7.铸件尺寸精度低。5-1湿型--湿型砂5-1湿型3．对湿型型砂的要求：1)水分、紧实率水分：为得到一定的湿态强度和韧性，粘土砂需要一定的水分。水分少，型砂干，砂型易破损，起模有困难，砂型表面强度低，易产生冲砂和砂眼等缺陷；水分多，型砂太湿，型砂流动性差，紧实度不均匀，浇注时产生大量气体，产生气孔和呛火，还增加夹砂结疤类缺陷。水分的测定：称取一定重量的型砂，放入烘干装置中使之干燥，由烘干前后的重量差计算型砂的水分。或依据手捏的感觉，或测量型砂的紧实率。紧实率：将被测型砂通过筛子和漏斗装满试样筒（筛孔直径4.8～6.4mm），刮去多余的型砂后，在锤击式试样机上打击三次，试样体积的压缩程度即为紧实率。3．对湿型型砂的要求紧实率的测定原理：较干的型砂自由流入试样筒中时，砂粒堆积的比较密实，即松散密度较高，在相同的锤击紧实力作用下，型砂体积减少较少。而较湿的型砂，在未紧实前密度较低，砂粒的堆积较松散，紧实后体积减少较多。依据体积变化的大小可判断型砂的水分。C=B/A×100%C—紧实率，A—试样筒的高度，B—型砂被紧实的距离。最适宜的紧实率：手工造型和机器造型：50%，高压和气冲造型：40～50%；挤压造型：35～40%。紧实率测定法示意图a)填满砂型b)刮去多余型砂c)紧实3．对湿型型砂的要求2)透气性：型砂能让气体透过而逸出的能力称为透气性。砂型的排气能力，一方面靠冒口和出气孔，另一方面决定于砂型的透气性。湿型砂在液体金属的热作用下产生大量的气体，其气体的来源为：(1)型砂空隙中和型腔中原有的空气受热膨胀；(2)型砂中水分（包括自由水、吸附水和晶格水等）在高温作用下汽化，产生大量蒸汽；(3)型砂中各种附加物和杂质受热分解，产生大量气体。透气性测定仪示意图1—气体2—水筒3—三通阀4—橡皮试样座5—试样筒6—标准试样7—压力计8—水箱透气性的测定：先称取一定量的型砂放入圆筒形标准试样筒中，在锤击式试样机上锤击三次，制成标准圆柱试样，然后放在透气性测定仪上，测出气钟内空气在一定压力下通过试样的时间，计算透气性。标准法：假设试样前、后压力差为P=P1--P2,气体通过高度为H的试样的速度V为：V=KP/H，K--比例系数。设Q为气体体积（cm3），通过试样截面积A（cm2）的时间为t(min)，则气体通过试样的平均速度可表示为：V=Q/At，Q/At=KP/H，Q=KPAt/H上式表明，通过试样的气体量Q与气压P、试样的截面积A和气体通过的时间t成正比，与试样高度H成反比。由此变换得：K=QH/PAtQ-气体的体积；H-试样高度；P-气体压力；A-试样截面积；t-时间。透气性若将实验条件设定为：2000cm3的气体通过Ф50×50mm(±1mm)的标准试样，即Q=2000cm3,H=5cm,A=19.635cm2,则K=509.3/Pt，一般地，钟罩的标准压力为500Pa或1000Pa,所以，只要记录体积为Q的气体通过试样的时间t，即可求得透气率K。透气性并非越高越好，透气性在未涂涂料时很高，但砂粒间孔隙过大，易造成表面粗糙和粘砂缺陷。对厚大铸件，砂型表面采用透气性低的面砂，用透气性高的背砂充填，并扎透气孔，既防粘砂，又不出气孔缺陷。K=QH/PAt透气性的测定透气性测定仪示意图1—气体2—水筒3—三通阀4—橡皮试样座5—试样筒6—标准试样7—压力计8—水箱3．对湿型型砂的要求3)湿态强度：砂型必须有一定的强度，以承受各种外力的作用。型砂的强度用型砂标准试样在受外力作用下遭到破坏时的应力值表示。(60～200Kpa)强度不足：造型、起模时型砂易破损塌落，浇注时也经不住金属液的冲刷；但是，强度高：透气性和退让性不好，落砂、混砂和紧实都困难。湿型砂强度测试：湿态抗压、抗拉强度、抗剪强度。干型砂强度测试：抗压、抗拉强度、抗剪、抗弯强度。型砂强度试验方法示意图4)流动性：型砂在外力或本身重力作用下，砂粒间相互移动的能力称为流动性。流动性好的型砂可形成紧实度均匀，无局部疏松、轮廓清晰、表面光洁的型腔，有助于防止机械粘砂，获得光洁的铸件，流动性好也能减轻造型紧实型砂的劳动强度，提高生产效率。紧实度：砂型各部位的紧实程度，通常指砂型的密度。也可以用硬度来评价。流动性的检验方法：(1)测定标准试样两端硬度的差别：硬度的差别越小，流动性越好，紧实度越均匀。流动性的测定流动性检验—阶梯试样4）流动性例如：170g的型砂，放在冲样器上冲击三次，用下述参数来表征流动性：KS=H下/H上×100%H下—试样下表面硬度；H上—试样上表面硬度(2)测定阶梯式试样两平面的硬度值差别(3)测定在底侧有环型空腔型砂试样筒中冲击成的试样高度。砂型中模样各部位的硬度分布a)单纯震击紧实10sb)预震击10s，再微震压实10s5)起模性、变形量、韧性和破碎指数(1)起模性：表示起模时砂型的棱角和吊砂是否容易破碎或摔落的性能。(2)变形量：用起模时砂型的变形大小来衡量，表征型砂是否易被损坏。一般地，测量抗压强度时测量变形量，需要精度较高的强度实验机。(3)韧性：使砂型破坏需做的功。一般认为起模性与型砂的韧性有很大的关系。韧性可以评价起模性和强度。3．对湿型型砂的要求(4)破损指数：反映起模性、韧性和流动性的综合指标，破损指数高，则起模性好，韧性好，但是流动性差。实验方法：用50mm的钢球，放置在1米的高度，自由下落后撞击在型砂试样上，然后，用标准筛分别测量称取大小块的体积，其比值就代表破碎指数。破碎指数=（留在筛子上的型砂重量/试样重）×100%3．对湿型型砂的要求破碎指数试验方法示意图3．对湿型型砂的要求6)抗变形、夹砂结疤类缺陷能力湿型铸造时在铸件表面常出现夹砂、结疤和鼠尾等缺陷，在生产厚大铸件时情况更为严重，成为扩大湿型铸造法应用的主要障碍之一。热湿拉强度试验：为模拟金属液注入砂型过程中砂型表面的传热情况，将湿型试样(Φ50mm×50mm)的一端加热使之形成5mm左右的干砂层及其后的水分凝聚区，然后测出试样在水分凝聚区的热湿拉强度。热湿拉强度试验方法示意图6）抗变形、夹砂结疤类缺陷能力热压应力试验法：在试样筒中用火焰加热试样的凹面，型砂受热膨胀所产生的压应力将托着试样凸面的活塞向下推动，根据推力大小可计算出作用于试样周边的热压应力；激热试验：采用直径为Φ135mm的圆饼形型砂试样，表面上有V型沟槽。在激热试验炉中受到13000C辐射板自下而上的高温烘烤。通过炉门观察型砂试样上沟槽尖角的脱皮现象，开始脱皮时间表示型砂抗夹砂、结疤类缺陷的能力。激热试验型砂试样热压应力试验方法示意图激热和表面强度试验激热试验炉简图型砂表面强度试验试验方法示意图5-1湿型4．湿型砂用原材料湿型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定比例混制而成。经过混碾后，粘土、附加物和水混合成浆，包覆在砂粒表面形成一层粘结膜。粘结膜的粘结力决定了型砂的强度、韧性、流动性，砂粒间的孔隙决定了型砂的透气性。因此，为了制备性能符合铸造生产要求的型砂，必须考虑以下三方面的因素：1)原材料选择：选用高质量的原材料是能否制成高质量型砂的先决条件；2)型砂配方：各种材料之间有一个合理的配合比例；3)混制工艺：使各种材料分布均匀，并使粘土膜完整地包覆在砂粒的表面上。4．湿型砂用原材料原砂：铸造生产中使用的原砂一般是以石英为主要矿物成分的天然硅砂。天然硅砂资源丰富，分布极广，易于开采，成本低廉，能满足一般铸造条件下对型砂性能的要求。除石英砂外，铸造生产中还采用下列材料作原砂：1)镁砂：MgO；2)镁橄榄石砂：Mg2SiO4；3)锆砂：ZrSiO4；4)铬铁矿砂：FeCrO4、(Fe,Mg)Cr2O45)熟料：在1200-15000C高温焙烧过的硬质粘土称为熟料，主要成分为莫来石3Al2O3·2SiO26)碳素砂：炭渣、石墨；7)石灰石砂：CaCO38)刚玉：Al2O34．湿型砂用原材料对原砂的要求：1)原砂的含泥量：指原砂中直径小于20µm的小质点的含量（尽量控制在0.2~0.3%）。含泥量影响：透气性、水分、起模性和脆性。2)原砂的颗粒组成：砂粒的粗细程度和砂粒粗细的分布集中程度【目：1英寸上的筛孔数目（美国标准）】。（45目-筛孔尺寸0.4mm，75目-0.2mm，100目-0.154mm，200目-0.074mm）。3)原砂的颗粒形状：圆形和多角形、尖角形；原砂的粒形越圆，型砂就越容易紧实，标准试样的重量越大，透气性越低，砂粒越靠近，强度越高。原砂的矿物组成和化学成分：mAl2O3·nSiO2·xH2O4．湿型砂用原材料粘土（分普通粘土和膨润土）：粘土主要是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料。各种粘土矿物主要是含水的铝硅酸盐（mAl2O3·nSiO2·xH2O)。普通粘土：主要含有高岭石或依利石类矿物；膨润土：主要由蒙脱石组矿物组成（主要是3Al2O3·2SiO2）。膨润土具有很强的吸湿性，能吸附相当于自身体积8～20倍的水而膨胀至30倍，在水介质中呈胶体悬浮液，具有一定的粘滞性和润滑性，与型砂混合具有可塑性和粘结性。附加物：加入附加物的目的是使型砂具有特定的性能，改善铸件的表面质量。铸造生产中填加的附加物主要有：1)煤粉：铸铁用湿型砂中加入煤粉，可防止铸件表面产生粘砂缺陷，并能改善铸铁件的表面光洁度。煤粉的作用主要有：产生大量还原性气体，防止金属液氧化，使铁水表面的氧化铁还原，减小金属氧化物与造型材料进行化学反应的可能性。4．湿型砂用原材料加入煤粉的缺点：(1)煤粉虽然能提高型砂的抗塑性，但是因充填砂粒间的缝隙，导致型砂的透气性降低；(2)湿压强度提高；(3)使水分提高，韧性下降。煤粉加入量：3~8%2)渣油：又名燃料油或重油，是石油加工产品的残渣或中间产品。为深褐色粘稠膏状物，混砂时难以混碾均匀，一般用轻柴油稀释成粘度合适的渣油液，使加料和混碾更为方便