砂型铸造――黏土砂型

第6章砂型铸造•黏土砂型•无机化学黏结剂砂型（芯）•有机化学黏结剂砂型（芯）•造型及砂处理设备•铸造工艺方案•浇注系统设计•冒口设计•铸造工艺装备设计6.1黏土砂型6.1.1黏土砂型铸造特点1.定义：采用钻土作粘结剂制成的砂型。2.黏土砂型类别——根据在合箱和浇注时的状态不同可分为（1）湿型(简称湿型)：造好的砂型不经烘干，直接浇人高温金属液体;（2）干砂型(简称干型)：在合箱和浇注前将整个砂型送入窑中烘干;（3）表面烘干砂型(简称表干型)：在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度(一般5一lOmm，大件20mm)。6.1黏土砂型6.1.1黏土砂型铸造特点1）湿型(简称湿型)：造好的砂型不经烘干，直接浇人高温金属液体;（1）面砂：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。（2）背砂:是在面砂背后，填充砂箱用的型砂。（3）单一砂：一般中小件造型时，往往不分面砂与背砂而只用一种型砂，称为单一砂。湿型是使用最广泛、最方便的造型方法，但是这种方法不适合很大或很厚实的铸件。6.1黏土砂型6.1.1黏土砂型铸造特点2）干砂型(简称干型)：在合箱和浇注前将整个砂型送入窑中烘干;(1)主要用于重型铸铁件和铸钢件。(2)强度高，退让性差，对于形状复杂的砂芯或对收缩阻碍较大的砂芯(型)部位，应在型砂中加人适量可以改善退让性和溃散性的附加物如术屑等，以防止铸件出现裂纹缺陷和有利出砂。(3)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。6.1黏土砂型6.1.1黏土砂型铸造特点3）表面烘干砂型(简称表干型)：在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度(一般5一lOmm，大件20mm)。与干型比，可节省烘炉，节约燃料和电力，缩短生产周期。近年来，干型和表干型已大部分被化学粘结的自硬砂型所取代。6.1黏土砂型6.1.1黏土砂型铸造特点3.湿型铸造特点1）基本特点：砂型(芯)无须烘干，不存在硬化过程。2）主要优点：（1）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;（2）材料成本低，节省烘干设备、燃料、电力及车间生产面积;（3）延长砂箱使用寿命等。3）缺点：容易产生如夹砂结疤、鼠尾、黏砂、气孔、砂眼、胀砂等铸造缺陷。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求1.水分和紧实率1)水分—含水量：是表示型砂中所含水分的质量百分数。（1）测定的原理：称取定量的型砂，放入105~110℃烘干装置中使之干燥，由烘干前后的质量差异计算出型砂的水分。（2）一般手工造型水分为4.5%~5.5%，机器造型的水分为3%~4%。这种参数并不完全反映型砂的干湿程度。型砂的成分不同，达到最适宜干湿程度的水分一也不同。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求1.水分和紧实率2)紧实率：湿型砂用1MPa的压力压实或者在锤击式制样机上打击3次，用试样紧实前后高度变化的百分数来表示。（1）测定方法的依据:较干的型砂自由流入试样筒中时，砂粒松散密度较高，在相同的紧实力作用下，型砂体积减小较少。（2）根据型砂紧实率大小的变化，就可以检查出型砂水分是否合适，并能较好地反映型砂的造型性能。一般情况下，混砂时的加水量应按固定的紧实率范围来控制。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求1.水分和紧实率（3）通常手工和机器造型用型砂，在最适水分状态下的紧实率接近50%;高压造型和气冲造型时为35%~45%;挤压造型时为35%~40%。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求1.水分和紧实率1)水分—含水量：是表示型砂中所含水分的质量百分数。（1）测定的原理：称取定量的型砂，放入105~110℃烘干装置中使之干燥，由烘干前后的质量差异计算出型砂的水分。（2）一般手工造型水分为4.5%~5.5%，机器造型的水分为3%一4%。这种参数并不完全反映型砂的干湿程度。型砂的成分不同，达到最适宜干湿程度的水分一也不同。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求1.水分和紧实率2)紧实率：湿型砂用1MPa的压力压实或者在锤击式制样机上打击3次，用试样紧实前后高度变化的百分数来表示。通常手工和机器造型用型砂，在最适水分状态下的紧实率接近50%;高压造型和气冲造型时为35%~45%;挤压造型时为35%~40%。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求2.透气性紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力称为透气性。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求3.湿态强度（1）砂型必须具备一定的强度以承受各种外力的作用。但是，强度也不宜过高，因为高强度的型砂需要加入更多的黏土，不但增加了最适宜的水分和降低透气性，还会使铸件的生产成本增加，而且给混砂、紧实和落砂等工序带来困难。（2）型砂的强度用型砂标准试样在外力作用下遭到破坏时的应力值来表示。常用计量单位为兆帕(MPa)或千帕(kPa)。湿型铸造时，主要检查型砂的湿态抗压强度(简称湿压强度)。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求4.流动性：型砂在外力或自重作用下，沿模样和砂粒之间相对移动的能力称为流动性。测流动性的方法:①在标准圆柱形试样筒中放置一块高25mm的半圆形金属块，测定阶梯试样两平面的硬度差值,硬度差别越小表明型砂的流动性越好;②侧孔法：称取185克型砂倒入用柱塞堵住Φ12mm小孔的试样筒中，放在制样机上，拔掉柱塞后冲击10次。用顶柱将试样顶出，然后称量留在小孔中的和被挤出的型砂质量，质量越大，说明型砂的流动性越好。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求③环形空腔法:按标准圆柱形试样的质量称取型砂，放入特制试样筒中，试样筒的下端有一环形空腔。在制样机上冲击3次，测量高度h。h愈小，表示型砂的流动性愈好。6.1黏土砂型6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求测流动性的方法:③环形空腔法:按标准圆柱形试样的质量称取型砂，放入特制试样筒中，试样筒的下端有一环形空腔。在制样机上冲击3次，测量高度h。h愈小，表示型砂流动性愈好。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求5.起模性、变形量、韧性和破碎指数1）型砂的起模性是表示起模时模样或模板与砂型分离时，砂型是否容易损坏，产生开裂或掉落的性能。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求起模性的好坏与型砂的湿态抗压强度是两种不同的特性。（1）抗压强度不仅反映了型砂的黏结力大小，还反映了砂粒受压力作用而位移时的摩擦阻力。这种摩擦阻力和起模时砂型是否易损坏没有关系。抗压强度高的型砂造的砂型起模时一也有可能容易损坏。（2）型砂的湿态抗拉强度可以代表起模性能。手工造型起模前，在围绕模样的砂型棱角上刷水的作用就是提高型砂的变形能力。虽然刷水后局部的砂型强度大为下降，但起模性能明显改善。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求2）型砂的变形量通常是在用强度试验机测定型砂抗压强度的同时，用一个百分表测出试样破碎前的变形量(高度减小量)。(1)可将型砂湿压强度(MPa)乘变形量(cm)再乘1000的积来表示韧性(MPa·cm}。(2)型砂的韧性与造型时是否容易起模有直接关系，韧性较能说明起模性好坏，也能说明砂型在受到振动和冲击时是否容易掉砂或塌落。6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求6.抗夹砂结疤类缺陷的能力1)夹砂结疤、鼠尾缺陷是扩大湿型铸造法应用范围的主要障碍之一。热湿拉强度是判断型砂抗夹砂结疤、鼠尾缺陷的主要指标。热湿拉强度越高，越不易产生夹砂结疤、鼠尾缺陷。2)热湿拉强度的测定方法如图6.2所示.6.1黏土砂型6.1黏土砂型6.1.2湿型砂性能要求7.发气量和有效煤粉含量1）型砂中的煤粉或其他有机附加物在浇注受热后，产生的挥发物在高温下进行气相分解后，在砂粒表面沉积形成光亮碳，从而可以防止铸铁件表面机械黏砂，降低铸件表面粗糙程度。2）煤粉等附加物的光亮碳含量可以用特殊装置测出，算出型砂中有效煤粉含量，我国普遍采用的是测定型砂发气性的办法。发气性测定大都是让待测定量样品在密闭体系中加热气化，或测定所产生气体的容积(用单位质量析出的气体体积表示。（m3/g)，或测定气体的压力或称量残留物的质量，以确定发气量。6.1黏土砂型6.1.3湿型砂用原材料及其质量要求湿型砂是由原砂、黏土、附加物及水按一定配比组成的。其中原砂是骨料、黏土为黏结剂。经过混碾后，黏土、附加物和水混合，包覆在砂粒表面形成一层黏结膜。为了制得性能合乎要求的型砂，必须考虑以下3方面的因素:(1)原材料的选择。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。各种材料之间要有一个合理的配合比例。(3)混制工艺。目的在于使各种材料分布均匀，并使黏土膜完整地包覆在砂粒表面上。6.1黏土砂型6.1.3湿型砂用原材料及其质量要求1.石英质原砂1)铸造生产中使用量最大的原砂是以石英为主要矿物成分的天然硅砂.天然硅砂是由火成岩风化形成的。一般说来，砂中除了主要成分石英以外，还混有一些长石、云母和钻土矿物等夹杂物.2)风化后就地储集的砂矿称为山砂，含泥分较多，粒形比较不规则;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，含泥量少，颗粒较圆，大小比较均匀;经风力搬运形成的砂称为风积砂。风积砂，其颗粒形状圆整而均匀。6.1黏土砂型6.1.3湿型砂用原材料及其质量要求3)除了细小颗粒状的天然硅砂外，还有其他两种形式存在:石英砂岩和石英岩。(1)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。(2)如果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。6.1黏土砂型对原砂提出的质量要求：1）含泥量――含泥量指原砂中直径小于0.02mm（20µm）的细小颗粒的含量（质量分数），其中既有黏土，也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20µm与直径20µm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。6.1黏土砂型对原砂提出的质量要求：含泥量对湿型砂性能的影响：（1）原砂中泥分增多，型砂的空隙直径减小，透气性下降。（2）原砂中含泥量增多，型砂的湿态抗压强度提高，达到最适宜的型砂含水量也提高。（3）如果原砂的泥分中不含黏土矿物，则原砂中含泥量增多会使型砂变脆，起模性能变坏。6.1黏土砂型对原砂提出的质量要求：2）原砂的颗粒组成（1）原砂的颗粒组成包括两个概念：砂粒的粗细程度和砂粒粗细分布的集中程度（2）采用筛分法鉴定不同原砂的颗粒组成。我国铸造用实验筛规格如表6-1。6.1黏土砂型对原砂提出的质量要求：3）原砂的颗粒形状及表面状况图6.3为铸造常用原砂的主要粒形分类法6.1黏土砂型对原砂提出的质量要求：4）原砂的矿物组成和化学成分（1）硅砂的矿物组成：主要是石英，其次是长石及少量云母，铁的氧化物、碳酸盐、硫化物等。（2）硅砂的成分：（3）原砂的烧结点：是指原砂颗粒表面或砂粒间的混杂物开始熔化的温度。它是原砂各种组合成分耐火性能的综合反映。6.1黏土砂型6.1.3湿型砂用原材料及其质量要求2.非石英质原砂:是指矿物组成中不含或只会少量游离Si02的原砂。在铸钢生产中采用非石英质原砂来配置无机和有机化学黏结剂型砂、芯砂或涂料。1)优点：较高的耐火性、热传导率和较低的蓄热系数、热膨胀系数，膨胀均匀，无体积突变，与金属氧化物的反应能力低。2）缺点：材料中某种配料价格较高。6.1黏土砂型6.1.3湿型砂用原材料及其质量要求3.黏土：湿型砂中的主要黏结剂，主要是由细小结晶质的黏土矿物所组成。根据所含黏土矿物种类不同，黏土分为：铸造用黏土和铸造用膨润土1)黏土的矿物成分：矿物的主要成分是含水的铝硅酸盐。黏土矿物按晶体结构分为：（1）高岭石组（2）蒙脱石组（3）伊利石组6.1黏土砂型6.1.3湿型砂用原材料及其质量要求2)黏土的结