砂型和砂芯的制造.ppt

1、铸造工艺学,编者：王文清、李魁盛 讲授：杨思一,第二篇 砂型和砂芯的制造 重点：型砂水分、透气性、强度； 难点：型砂变形量的测试。 型砂的分类 按粘接剂的类型：粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。 按粘结力产生机理不同：如图2-0-1,物理固结：不含粘结剂，用物理学原理。例如磁型铸造、V法造型。 化学粘结：在造型（芯）时依靠粘结剂物理化学作用达到硬化，建立强度，使砂粒结合牢固。 机械粘结：以粘土作粘结剂,第1章 湿 型 第1节 湿型铸造特点 1.1 粘土砂类型 （1）按砂型在合箱和浇注时的状态 湿砂型、湿型：不烘干。 湿型使用最广泛、最简便，但是对于大件、厚件不适合，容易产生铸造缺陷。 干砂型、

2、干型：合箱前烘干。 干型强度高，气体少，退让性差，成本高，周期长。 表面干型：在浇注前对型腔表层烘干，厚度5-10mm，大件大于20mm,2）按造型时的使用情况 面砂：特殊配制，覆盖在模样表面。 背砂：填充砂箱用。 单一砂：用于中小件，简化生产管理和操作,1.2 湿型铸造的特点 （1）优点 不需要烘干，简化、灵活、生产周期短。 成本低、生产率高、易于实现机械化。 砂箱寿命长。 （2）缺点 易产生铸造缺陷，如气孔、夹砂、砂眼等。 （3）湿型铸造的发展 砂处理设备：湿型砂检测、质量保证程度提高。 特别适用于机械化铸造，如高压、高密度造型，能生产高尺寸精度和好的表面质量的铸件，见表2-1-1 。 获

3、得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精度高、内在质量好的铸件，必须保证型砂质量，从型砂的配方、混制、储运等方面必须始终保持优良性能,第2节 湿型砂的性能要求、检测原理及检测方法 对湿型砂的性能要求取决于铸造条件（包括：合金、浇注温度、模样、造型方法、铸件结构）。 湿型砂的主要性能：水分、透气性、强度、紧实率、变形量、破碎指数、流动性、含泥量、颗粒组成、发气性、附加物含量、抗夹砂性、抗粘砂性等。 检测方法 在线检测：偏重造型性能，如紧实率、水分、抗压强度等，可及时反映现场砂处理情况，适用于流水线。 线外检测：在实验室中检测，周期长、效率低，不能实时控制，适用于手工造型、单件小批生产,2.1 水分、最适宜干

4、湿程度和紧实率 （1）水分 表示型砂中所含水的质量百分数。 测定原理：称取50g型砂，在红外线烘干器中烘干， 105-110，4-8min烘至恒重，称量烘干前后的质量变化。 X=（G-G1）/G100% 局限性：只表达水的绝对数量，不代表型砂的干湿程度。如砂中含有大量的吸水性粉尘、型砂成分不同，最适宜干湿程度的水分不同。 （2） 手捏感觉 型砂是否容易成团、是否沾手。 易于成团，不沾手，且有柔和感觉，砂团上的手指痕迹清晰。 局限性：凭经验、不够准确稳定，不能定量，欠科学,3）紧实率 方法：如图2-1-1，用1MPa的压力紧实，测量紧实前后高度的变化率。已列入国家标准GB2684-81。 紧实率

5、=（筒高-紧实距离）/筒高100,依据：较干的型砂自由流入试样筒时，砂粒堆得比较密实。在相同的紧实力作用下，型砂体积减小较少，紧实率高。这种砂发脆、韧性差，起模容易损坏，砂型转角处容易破碎，铸件容易产生冲砂、砂眼缺陷；而较湿的型砂流动性差，未被紧实前砂粒堆积疏松，紧实后体积减少较多，紧实率低。使用这种砂浇注时急速产生大量气体，铸件可能产生气孔、胀砂、夹砂、表面粗糙。 因此，根据紧实率大小的变化，就可以检查出型砂水分是否合适，克服了主观因素。 应用：加水量根据紧实率范围控制，称为最适宜水分。如：手工造型用型砂，在最适宜干湿状态下的紧实率接近50%，高压造型为35-45%，挤压造型为35-40,2

6、.2 透气性 （1）概念：紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力，用透气率表示。 对铸造的影响：过低会产生气孔、呛火、浇不足；过高表明砂粒间空隙较大，金属液易渗入，造成表面粗糙、粘砂。 影响透气性的因素：砂粒大小、分布、粒形、含泥量、粘结剂及加入量、紧实度。 （2） 测量方法 原理：通过在一定条件下气体流过式样时所受到的阻力的大小来间接反映。用在单位压力下通过单位面积和单位长度试样的气体量来度量,测量方法 标准法：如图2-1-2，在水封钟罩内吸入2000cm3空气，造成10g/cm2的压力条件，用秒表测出在该压力下2000cm3空气通过试样流出的时间t，并记下气压计读数（p,透气率 k=VH/Sp

7、t 式中: V-通过式样的空气体积，2000cm3； p-试样前压力（mmH2O）； H-试样高度； S-式样截面积； t-2000cm3空气通过式样的时间,2.3 湿态强度 （1） 对铸造过程的影响：承受工序中的机械力、浇注时的冲刷、静压力。 过低：塌箱、砂眼、胀砂、跑火。 过高：增加粘土和最适宜含水量，降低透气性；提高成本；增加混砂、紧实、落砂困难。 （2） 测量：用标准式样在外力作用下遭到破坏时的应力值表示。MPa、KPa。 指标：湿态抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、劈裂强度,湿态抗压强度表示起模后砂型（芯）自身及受外力作用时能保持型腔（或砂芯）形状的能力。 普通机器造型控制在0.06-0

8、.12MPa， 高密度造型控制在0.09-0.20MPa。 许多情况下，砂型破坏是由拉应力引起的。当型砂中粉尘和死粘土含量高时，虽然湿态抗压强度高，但是湿拉强度和变形量很低，可塑性差，很容易破坏，使造型操作困难，并引起铸造缺陷。 单纯地用湿态抗压强度衡量型砂性能并不太合适，引入劈裂强度的概念,劈裂强度（如图2-1-3所示） 在标准圆柱试样的径向加栽，使试样沿其轴向平面断裂。劈裂强度可以按照下式计算： sF=2F/dL sF型砂湿态劈裂强度（MPa） F劈裂载荷（N）； d试样直径，为50mm； L试样高，为50mm。 劈裂强度可以更正确、更可靠地说明型砂中粘土的粘结作用,注意：型砂强度是指整体

9、强度，反映表面强度常用表面硬度计,2.4 流动性 （1） 概念：型砂在自重或外力作用下，沿模样或砂粒间移动的能力。 （2） 对造型（芯）的影响：均匀性、光滑性、紧实力、生产率。 （3） 测量（无统一标准,阶梯试样硬度差法 测量A、B点的硬度，对比两点的硬度差。差值小说明型砂的流动性好，差值大说明流动性差。 流动性对紧实度的影响,侧孔法 拔出柱塞，顶出试样，称量被挤出的型砂多少，数量越大流动性越好。 型砂受力后，向侧面、凹槽处流动的能力。对均匀性、轮廓有意义，多用于吹射型（芯）砂的测定,环形空腔法 冲击3次后看h的大小， h越小进入圆环中的型砂越多，流动性越好。 检测有凹槽、窄缝模样，及要求轮廓

10、非常清晰的砂型（芯,4）影响流动性的因素：原砂的形状、大小、表面状态，粘结剂的性质、混砂质量。形态圆、粒度大而集中的砂粒流动性好,2.5 起模性、变形量、韧性和破碎指数 起模性：表示起模时模样或模板与砂型分离时是否容易损坏（开裂、掉砂）。起模性的好坏与型砂的湿态抗压强度是两种绝然不同的特性。 影响因素：拉应力、受力破碎前的变形量。 变形量：在测定型砂抗拉强度时，试样破碎前的变形，一般很小。 韧性：型砂的湿压强度（MPa）乘变形量（cm）再乘1000的乘积。它表示了型砂由于塑性变形而能吸收能量的性质,韧性的测定 落球法：见图2-1-6。标准抗压试样、50mm，510克钢球，12.7mm的筛。 在

11、冲击条件下的韧性用破碎指数表示 破碎指数：留在筛网上的大块型砂的质量占试样原质量的比值。 破碎指数高，表示型砂的起模性好，但破碎指数过高时型砂的流动性差，使砂型表面不够致密。 跌碎法：试样从1.8米的高度直接坠落到铁砧上,其它新方法 我国新研制的型砂压力变形曲线测试仪（图2-1-7,湿型砂试样加压过程中的压力-变形（F- ）曲线 1）OA段，压力与变形成线性关系，反映了砂样的粘弹性特征。 2）AB段，过度阶段，非线性关系，粘塑性变形。压力到达极限抗力Fm后，砂样内部的砂粒间将会产生滑移，应力开始下降,3）C点以后，砂样属于破裂阶段。 K1体现了型砂的弹性现象，近似于弹性模量E，单位N/mm。

12、Fm抗压强度,2.6 抗夹砂结疤缺陷的能力 （1） 夹砂类缺陷产生的原因 水分迁移：使凝聚区的热湿拉强度降低，控制热湿拉强度是控制夹砂结疤类缺陷的关键。 热压应力：石英573急热相变出现较大的热膨胀受到阻抑后产生应力，导致膨胀变形、破裂，控制热应力,2）测量 测热湿拉强度 见图2-1-9。模拟金属浇入铸型后型砂的受热情况。湿型砂试样50mm50mm，加热板温度32010，紧贴20-30s，形成5mm左右的干砂层及水分凝聚区，测定热湿拉强度,测型砂热压应力 模拟型砂表面受到急热后石英573相变出现较大的热膨胀受到阻抑后产生多大的应力，如图2-1-10。 球冠形圆盘试样，凹面用氧-乙炔焰加热，托架

13、置于水中保持恒温，受热产生的压力通过可动托架测量。可反映出使用的湿型砂是否易于产生膨胀缺陷,3）其它方法 激热性能试验验法（图2-1-11、12） 圆饼形型砂试样，开V形槽，在13000C，的高温下烘烤。观测型砂表面开始脱落的时间,2.7 发气量和有效煤粉含量（铸铁用湿型砂） （1）目的：防止机械粘砂 （2）煤粉及附加物可防止机械粘砂的机理： 浇注后高温烘烤产生大量挥发分高温下进行气相反应砂粒表面沉积形成光泽碳防止机械粘砂，提高表面光洁度。 （3）测量 方法一：采用测定型砂发气性的办法，将定量待测样品在密闭系统中加热，测定气体的容积或压力，或称量残留物的质量，判断发气量大小,方法二：如图2-1

14、-13所示，称取经过干燥的型砂盛入小舟推入850的管式加热炉加热产生的气体经冷凝进入带刻度的玻璃管中测量大气压力下型砂的发气体积,小 结 1 了解湿型铸造的特点； 2 掌握型砂的七个方面的性能； 3 熟悉型砂性能对铸造质量的影响； 4 了解型砂性能的测试方法。 对于各种性能的要求必须适量，许多性能之间是互相联系的，对于某一种性能要求过分就会导致另外一种性能变差。各种性能的具体控制范围要根据具体生产条件以及操作习惯等因素的不同而定,第3节 湿型砂用原材料及其质量要求 湿型砂的组成：原砂（新砂和旧砂）+粘土+附加物+水 影响型砂性能的三大因素：原材料的选择 型砂的配比 混制工艺,3.1 石英质原砂

15、 （1）种类：天然硅砂、人造砂 天然硅砂：由火成岩风化形成 山砂：风化后就地储集。泥多、粒形不规则。六合、唐山 海砂、湖砂、河砂：经过水利搬运。颗粒圆整，大小较均匀。 海砂：北戴河、广东新会、福建东山、山东 湖砂：江西都昌、星子 河砂：上海吴淞、河南郑庵 风积砂：经风力搬运，颗粒更圆整、均匀。内蒙古。 人造砂： 石英砂岩：沉积的石英颗粒被胶体二氧化硅或氧化铁、碳酸钙等胶结成块状，质地疏松，易加工破碎，颗粒大多呈现多角状。 石英岩：沉积的石英砂粒在地质高温高压作用下，经过变质而形成坚固、整体的岩石。SiO2含量高、质地坚硬，破碎后呈尖角状,2）对石英质原砂的一些质量要求： a 含泥量 含泥量：原

16、砂或型砂中直径小于20m的细小颗粒的含量。既有粘土，也有极细的砂子和其它非粘土质点。含量取决于形成条件，差别很大。 含泥量对型砂性能的影响 （a） 透气性 （b） 湿态抗压强度、最适宜干湿状态的含水量提高。 （c） 泥分中若无粘土，则使型砂变脆 （d） 消耗化学粘结剂（水洗、降泥0.2-0.3,含泥量的测定 原理：不同颗粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，符合司托克司公式（见材料成型原理P12）： V=d2（r-r1）g/18 式中：V质点下沉速度 d质点直径cm r下沉物的密度，2.62g/cm3(砂与粘土的密度大致相同) r1水的密度 水的粘度0.010g/cm.s(在20时) g重力加速度

17、980cm/s2,直径为0.002cm的石英砂质点，在20时，在水中的下降速度V=0.0426cm/s=2.5cm/min。5min后下沉深度为2.55=12.5cm。因此，将原砂和水充分搅拌，使砂和泥悬浮与水中，然后静置5分钟，则2.5cm以上的水中悬浮物都是泥分。既可用虹吸管将它吸去。清洗几次至上部水清为止。 含泥量 X=（G-G1）/G100% 式中：G洗砂前质量 G1洗砂后的质量,b 原砂的颗粒组成 颗粒组成：包括砂粒的粗细程度和粗细分布的集中程度。 检测方法：筛分法。用一套（11个）筛孔尺寸自大而小的铸造用试验筛筛分洗去泥分的干砂样。见表2-1-2，ISO565-1983R20、我国

18、专业标准ZBJ31004-88、美国ASTME11-70。 表明颗粒组成的方法 符号表示法：国标GB9442-88：对比筛分后各筛子上的砂子质量，选出余留量为最大值的相邻三筛，用相邻三筛的中间筛孔尺寸mm后的两位数作为粒度代号（表2-1-3）在主要粒度组成部分中，如果前筛余留量大于后筛，则在粒度代号后面用Q表示，反之用H表示,计曲线表示法（德国铸造协会）：见表2-1-4及图2-1-14 美国铸造协会平均细度（AFS grain fineness number）。 用砂粒平均尺寸,c 原砂的颗粒形状和表面状况 颗粒形状（见图2-1-15,按表面情况分六种：尖角形、角形、半角形、半圆形、圆形、很圆

19、整 按圆球度分三级：高球形砂、半球形砂、少球形砂。 湿型砂一般用圆形砂 我国的分类： JB435-63；JB2488-78：圆形、多角形、尖角形 GB9442-88铸造用硅砂：用角形系数表示 角形系数E 定义：单位质量原砂的实测表面积（即实际比表面积Sth）与单位质量同样粗细等直径假想圆球的表面积（即理论比表面积Sw）的比值。比值为1时砂粒为圆球形，比值大于1，砂粒的形状越偏向尖角形，可表示形状平均偏离圆球形的程度,用通气法测定砂粒实际比表面积：其原理为：空气通过砂柱时受到的阻力不仅与砂柱紧实程度有关，而且与砂粒的实际表面积有关，亦即砂粒的比表面积是砂柱孔隙率和透气率的函数。用以下经验公式表示

20、： 式中：-原砂的密度2.65g/cm3； K-常数,取5； -砂柱的孔隙率； -空气动力粘度，20时1810-6g/（cm.s）； A -砂柱的截面积； P-砂柱两端空气的压力差； g -重力加速度981cm/s2； t -通气时间s； V- 通过的空气量； L -砂柱的高度,测定仪器见图2-1-16、17,测定值：孔隙率由A、L及算出。 砂柱两端的空气压力差 式中 -煤油或其它低粘度矿物油的密度。 h1-M2到M3之间的距离。 h2 -M3到M4之间的距离的2倍,计算理论比表面积：采用筛孔直径平均值法 dm=（dp+dr）/2 dp通过筛的筛孔直径 dr停留筛的筛孔直径 Sth1= Sth

21、1筛孔直径平均值法理论比表面积 dm筛孔直径平均值 砂样密度,还可采用等粒数圆球直径法：称量一定质量的单筛砂，数出个数 Sth2= Sth2等粒数圆球直径法理论比表面积 W砂样质量 N质量为W的砂样颗粒数,计算角形系数： E1=Sw/ Sth1 E2=Sw /Sth2 粒形对型砂性能的影响：粘结效率、流动性（易紧实、高的湿态强度、透气率） 原砂的表面状况：通过SEM观测，主要对粘结剂的效果及消耗量有影响,d 原砂的矿物组成、化学成分及烧结点 硅砂的矿物组成 需用专门的岩相分析技术和设备。主要成分是石英，其次为长石、云母、铁的氧化物、碳酸盐、硫化物。石英和长石、云母的特征见表2-1-8。 硅砂的

22、化学成分 主要化验石英的含量 铸造用硅砂根据GB9442-88，按SiO2的含量可以分为七级（见表2-1-9） 选用：浇注温度高，选用石英含量高的原砂，如铸钢。铸铁浇注温度低，可选用石英含量低的原砂，由于表面烧结可防止机械粘砂，同时膨胀量小可防止夹砂类缺陷。 原砂的烧结点 烧结点是指原砂颗粒表面或砂粒间混合物开始熔化的温度，是原砂各种组合成分耐火性能的综合反映。推测SiO2含量。 硅砂的化学成分对铸件质量的影响：SiO2质量分数每降低5%，硅砂的烧结点下降约50。 O,3.2 非石英质原砂 石英质原砂的缺陷：膨胀系数大、热性能差、化学稳定性差，劳动条件差。 （1） 镁砂（magnesite）

23、主要成分 主要成分为MgO，（菱镁矿）MgCO2MgO+CO2。菱镁矿高温煅烧（1500-1650）使MgO重结晶、烧结、破碎、分选。 性能：熔点高、蓄热系数高（是石英砂的一倍半）、热膨胀率比石英小，无相变引起的体积膨胀、化学性能稳定，不与MnO、FeO反应，用于锰钢可防止粘砂。 规格：见表2-1-10，按MgO的含量，有两种规格,2） 橄榄石砂（olivine sand） 矿物组成及化学成分：（Mg，Fe）2SiO4是由含Mg2SiO4高的橄榄石制成。见图2-1-18。铸造用橄榄石常含有5-10%的铁橄榄石。 性能：熔点1600-1760 、热膨胀率比石英小而且均匀（见图1-2-10），不易

24、发生夹砂类缺陷。烧结点低1200，但不为金属润湿，具有化学惰性。与钢液接触形成致密层防止粘砂。同时，由于无晶型转变，热膨胀率低，故不易产生夹砂类缺陷。 规格：根据中国造型公司企业标准XQ/ZQS-4-86，按物理化学性能分两级，按粒度分两组（见表2-1-11、12）。生产中通过破碎、细磨、分级、水洗。 应用：用于高锰钢铸件可防止铸件粘砂，也可防止对人体的危害,3） 锆砂（zircon sand） 矿物组成：四方晶系的锆英石ZrSiO4。 性能：密度4.4-4.7g/cm3、莫氏硬度7-8、熔点2038-2420，随杂质而不同、烧结点1540。热膨胀率比其它原砂都小，可避免夹砂类缺陷，热导率、蓄

25、热系数、密度都比石英高，所以冷却能力强，化学稳定性高，不被金属或金属氧化物润湿，不易产生粘砂缺陷。其缺点是难以获得粗砂、有放射性、价格昂贵。 规格：根据国家专业标准铸造用锆砂ZBJ31005-88按化学成分分四等级；按粒度分三组，有中细砂、细砂、特细砂。见表2-1-14 应用：合金钢及大型铸钢件的面砂、磨粉制成抗粘砂涂料、涂膏,4） 铬铁矿砂（chromite sand） 矿物组成及化学成分：主要矿物组成为铬铁矿、镁铬铁矿、铝镁铬铁矿，其中主要化学成分为Cr2O3，其它有MgO、FeO、AI2O3、少量SiO2及杂质。 性能：密度4.0-4.8g/cm3、莫氏硬度5.5-6、耐火度大于1900

26、、化学性能稳定，抗碱性渣比镁砂更好、1700以前无相变，体积稳定，热导率比石英大数倍，激冷能力强、有固相烧结，抗钢液渗透能力比锆砂强。其缺陷为热膨胀率大（2倍于锆砂）、粒形不圆、偏碱性，耗酸值大，用树脂砂时要多加硬化剂。 应用：厚大铸钢件、合金钢铸件、局部热结处面砂，涂料。 性能分级及粒度分组：按中国造型公司企业标准,5） 石灰石砂（limestone sand） 矿物组成与化学成分 三种矿物组成：石灰石型、白云石型、大理石型 主要化学成分：CaCO3 性能 优势：与石英砂相比，有如下优势： a 无硅尘危害 b 铸件表面光洁，清砂容易 c 钢液流动性好，铸钢棱角清晰。 d 铸件致密，因石灰石分

27、解吸热，表层冷却速度比石英砂快。 E 资源丰富。 缺陷： a 硬度较低，故在混砂和造型时易破碎，恶化型砂性能。 b 浇注时分解并与钢液作用，导致缩沉、气孔 c 对工人技术要求高 应用：铸钢件的水玻璃砂铸造 规格： 按大小可分为五组：15、21、30、42、60 按化学成分可分四级,另外: 熟料砂: 热稳定性好 碳素砂: 导热好 刚玉砂: 耐火度高 钛铁矿砂,3.3 粘土（clay） 简介：粘结性、可塑性、干强度、复用性。资源丰富，价格低廉。 （1） 粘土的矿物组成 粘土是各种铝硅酸盐矿物经过长期风化、热液蚀变或沉积变质作用而生成。 按晶体结构分：高岭石组、蒙脱石组、伊利石组。各种矿物主要是含水

28、的铝硅酸盐，化学式可简写为mAI2O3nSiO2xH2O，粘土在沉积过程中常混杂一些非粘土矿物，如石英、长石、云母。只有粘土矿物才产生粘结能力。 粘土的分类。按矿物组成： 普通粘土，主要含高岭石、伊利石，用于修炉、干型砂 沈阳、无锡、唐山、巩县、昌邑 膨润粘土，主要含蒙脱石，用于湿型砂 淳化、宣化、信阳、潍坊、凌源、黑山、怀德、长春 （2） 粘土的结晶特征 结构不同，性能不同。两种基本结构单元，按不同的晶层排列,a 硅氧四面体晶片（图2-1-19） b 铝氧八面体晶片（图2-1-20,高岭石的结晶特征 一个单位晶层为1：1型两层结构的粘土矿物；四面体顶端指向八面体，并共占有一个氧（见图2-1-

29、21）；单位晶层在垂直方向层层叠起，层间为氢键紧密结合，因此，高岭石结晶在水中不易分解，颗粒较粗，吸水膨润现象及吸水率较小,蒙脱石的结晶特征,单位晶层为2：1型三层结构。一个单位晶层是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体，四面体的顶氧与八面体共有。垂直方向层层叠置（见图2-1-22）。两相邻单位晶层靠O-O分子间力结合，结合力较弱，水分子和水溶液中的离子或其它极性分子容易进入单位晶层之间，使晶格沿c轴膨胀，所以蒙脱石的单位晶层厚度可变，有时可以分离成单位晶层，故这类粘土矿物的晶粒特别细小。吸水能力强。 形态 在电子显微镜下：高岭土为六角鳞片状，轮廓清晰；蒙脱石为不规则的薄片,3） 粘土表面的电

30、荷和交换性阳离子 粘土颗粒表面带负电荷 a 破键 AI-O、Si-O离子键断裂，是高岭石类普通粘土带电的主要原因 b 晶体内离子置换造成正电荷不足，是蒙脱石和伊利石类矿物粒子带电的主要原因 c 粘土颗粒表面外露的OH-基上H+的置换，对高岭石十分重要,交换性阳离子：粘土中能被其它阳离子交换出来的吸附的阳离子。 粘土表面为了平衡负电荷，而从周围介质吸附的一些阳离子Ca+、Mg+、Na+、K+也可能被其他阳离子置换。高岭石主要靠晶格边缘的破键吸附阳离子，其颗粒又较大，故可交换阳离子的数量小。而蒙脱石颗粒小，所以破键多，更主要的是成矿过程中晶内置换使负电性大，可交换的吸附性阳离子大多位于晶层与晶层之

31、间的层面处，可交换阳离子数量大得多,阳离子交换容量：粘土中所含交换性阳离子的数量为阳离子交换容量。阳离子交换容量高意味着负电性强，颗粒细，湿粘结性较高。对膨润土还意味着有效的粘土矿物蒙脱石含量高。 量度：用氯化铵溶液处理粘土，粘土中可以交换的阳离子与交换液中的铵离子进行等量交换，测定所消耗的铵离子量，即可计算出粘土中的阳离子容量。以100g粘土可与多少毫摩尔的铵离子相交换来度量,钠基与钙基膨润土：根据国家专业标准铸造用膨润土和粘土ZBJ31009-90规定： 若钠交换阳离子容量占大于50%，则称其为纳基膨润土Pna，钙交换阳离子容量占大于50%，则称其为钙基膨润土PCa 。钠基膨润土的吸水膨胀

32、能力比钙基膨润土要高，具有较高的粘结性能和抗夹砂能力。 而我国开采的膨润土几乎都属钙膨润土，所以要进行适当的活化处理 活化处理 原理：Ca2+-蒙脱石+Na2CO3=Na2+蒙脱石+CaCO3 方法：三种方法 混砂时加入干粉、混砂时加入水溶液、采矿时加入,4） 粘土的吸附水分 粘土在湿润状态下含有三种水分 吸湿水： 在105即可烘去。 层间吸附水：水分子呈层状分布于矿物的晶体结构层之间，数量可变。大约3-10个水分子数量级。在物理状态上与自由液态水不同。其密度大、热容量小、冰点低，有很大的粘滞性。 晶格水：所谓结构水，就是以OH-、H+等离子形式存在于矿物晶格结构中的“水”，在晶格中有一定的位

33、置而且数量固定。因此，非在高温结构遭受破坏的情况下，是不会结合成水分子逸出的,交换阳离子对结合水量的影响 阳离子以水化离子（水分子在离子周围按一定方向排列起来）形式存在于粘土单位晶层底面附近，带负电的粘土颗粒吸附水化阳离子形成双电层（水化膜）。在粘土胶核的表面负电量相同的情况下，吸附低价离子（如Na+）时，在胶粒表面外吸附层中被平衡的电荷少，粘土胶粒的电动电位较高，并且其电动电位随距颗粒表面距离缓慢下降，可以延伸到较远的地方。因此可吸引更多层的水分子，水化膜较厚(如图)。这一点对粘土的粘结性有很大影响,5） 粘土的粘结机理 粘土的湿态粘结性 a 桥联结：按胶体化学理论，粘土在水中形成水-粘土胶

34、体。带负电的粘土颗粒将极性水分子吸引在自己周围，形成胶团的水化膜（如图2-1-25a），依靠粘土间的公共水化膜，通过其中的水化阳离子所起的桥或键的作用，使粘土颗粒相互连接起来，产生湿态粘结性。如图2-1-25b。 公共水化膜就是粘土胶粒间的公共扩散层，在公共扩散层中阳离子的吸引作用下，相邻的粘土颗粒互相结合起来。粘土胶粒的扩散层越薄，这种吸引力越强。而扩散层的厚薄直接与加入的水量有关，若水分过低，则不能形成完整的水化膜；若水分过高，就会出现自由水，在这两种情况下，湿态粘结力都不大。另外，粘土颗粒越小，表面的吸附作用越强，粘结力越大,b 表面联结：直接吸附在粘土颗粒表面的极性水分子彼此连成六角网

35、格结构，增加水分，逐渐发展成接二连三的水分子层，粘土颗粒就靠这种网格水分子彼此连接，从而产生湿态粘结力。联结力的大小主要受含水量的影响。如图2-1-26,桥联结的强弱受离子种类、粘土与水的质量比例影响。实际上，粘土吸附阳离子的表面只占整个表面很少的一部分，所以由于桥联结而产生的粘结力是较小的，而表面联结是形成粘结力的主要原因。 实验表明： 型砂的最适宜干湿状态相当于 粘土：水=10：4； 而依靠表面联结的最大强度的 粘土：水=10：3.7； 依靠桥联结的最大强度为 粘土：水= 10：12。 如图2-1-24,c 解释钠膨润土的热湿拉强度 （图2-1-27） 粘土颗粒与砂粒间的粘结（湿态强度）

36、当砂、水、粘土按一定比例混合组成型砂时，在砂粒周围包有一层粘土膜，靠粘土膜把砂粒互相连接起来，而粘土膜中的粘土颗粒又是通过吸附的水膜相互连接，使型砂具有一定的湿强度。 砂粒因自然破碎极其在混碾过程中产生新的破碎而面带微弱负电，也能使极性水分子在其周围规则地定向排列，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作用，产生湿态强度（如图,在水分凝聚层内，型砂的水分含量是最适宜水分的2-3倍，桥联结对产生粘结力具有重要的影响。此外，随着型砂的温度升高，水分子是活动自由度增大，因而强度下降。在100时，表面联结的水分子沸腾，而阳离子吸附的水分子仍保持联结状态。因此，在水分凝聚层内，钠离子形成的

37、桥联结使粘土产生较高的热湿粘结力,粘土型砂的干态粘结机理 烘干过程中砂型逐步失水，使砂粒和粘土之间相互靠近，紧密接触而产生附着作用。从胶体化学的观点看，带同类电荷的粘土胶粒间的公共水化膜，尤其是公共扩散层，在烘干过程中水分逐渐失去，使其扩散层变薄，由于其中带异号电荷的离子（如Ca+、Na+）的吸引，粘土颗粒间，粘土砂粒间就紧紧结合起来，烘干继续进行，粘土颗粒的水化膜进一步变薄，将粘土和砂粒紧紧拉在一起而产生干强度。假如在较高温度下长时烘烤，使粘土间水完全除去，则粘土颗粒不再呈电性，颗粒间的静电斥力也同时消失，此时使粘土和砂粒联结在一起的力是分子间的引力,6 ）粘土受热后的变化 脱水、体积收缩、

38、矿物分解 热重分析（TGA）的结果 见图2-1-28。三种粘土矿物脱水曲线不同。 蒙脱石 20-140，逸出14-17%的吸附水 400-500，脱水2% 500-600，结构水迅速脱失。 800基本脱完，4-5%。 高岭石 100，逸出6%的吸附水 400-600，脱失10-14%的结构水,差热分析（DTA） 原理：利用矿物在一定温度下由于析出水分而吸热，或者由于结构变化而伴随发生热效应（吸热、放热）等特征来鉴别粘土矿物。吸热效应在差热分析记录曲线中记成负的谷形（吸热谷），放热效应记成正的谷形，无热效应则记成一条直线。 特征：见图2-1-29,高岭石：400-700迅速析出结构水，出现尖锐的

39、吸热谷，950-1050出现相变放热谷。 蒙脱石：三个吸热谷和一个放热谷 熔化特征 复水性：粘土加热以后是否仍能吸水的性质。 膨胀收缩性能：高岭土的收缩出现在较高温度，而蒙脱石在100-200的低温下便出现急剧的收缩。见图2-1-30,7） 粘土属性的鉴别方法 X射线衍射分析 差热分析 阳离子交换容量分析 分析各种阳离子含量，判断膨润土类别。 以上方法需要较高的实验技术和昂贵的实验仪器，铸造车间一般用以下两种方法： 吸水率和吸水比,吸水率：粘土吸收水分后质量增加的百分数。 E=D（Vt-V0）/P100% 一般两小时后：高岭土100%；钙基膨润土200%；钠基碰润土600-700%。 吸水比：

40、指膨润土前10分钟吸水率和2小时吸水率的比值。钙基75%快，钠基60%慢。由此来判断膨润土的属性。 利用粘土浆粘度的比较 取粘土：水=1：3，加入4-5%Na2CO3粉搅拌均匀。观察： 原为稀汤状，加入Na2CO3后不变稠，为高岭土（普通粘土） 原为稀糊状，加入Na2CO3后变稠，为钙基膨润土 原为膏状，加入Na2CO3后基本不变，钠基膨润土,8） 粘土对型砂性能的影响 a 对湿压强度的影响,水分适当时，湿压强度随粘土含量提高而增加，但到一定值后会使混碾困难，形成团块，使强度不再增加。如图2-1-32、33、34。 粘土量一定时，湿压强度随含水量呈曲线变化（见图2-1-3235）。钙膨润土在含

41、水量高时强度下降幅度比钠膨润土快（对比图2-1-32、33）。 粘土一定时，膨润土砂的湿压强度比普通粘土砂高。对比图2-1-32、33、34,b 对透气性的影响 在保持型砂的水分为最适宜状态时， 对膨润土：透气性随粘土量的增加而增大，如图2-1-36 对普通粘土：随含量的增加而降低。如图2-1-37 透气性与水分的关系 见图2-1-35 c 对干强度的影响 钠膨润土高于钙膨润土 随型砂原有水分的提高，型砂的烘干强度不断提高。 如图2-1-38、39、40,d 对热湿拉强度的影响 粘土的加入量 粘土的品种，如表2-1-19 活化剂的加入量 如图2-1-41,9） 粘土的质量和检验 湿型砂用膨润土

42、的质量取决于粘结力的优劣；粘结力包括三种状态：湿态粘结力、热湿态粘结力、焙烧后的粘结力。 a 膨润土的湿态粘结力 用工艺试样强度直接说明粘结力。 按ZBJ31009-90，标准砂2000g、粘土试样200g。普通粘土砂控制水分（加水200ml）；膨润土砂样控制试样紧实率（45%）左右，含水量在混砂过程中调整。然后测定湿压强度,用吸蓝量法间接反映膨润土的湿态粘结力。 原理：蒙脱石具有强烈的吸附亚甲基蓝和其它色素的能力，而其它矿物组成的吸附能力很差。由吸蓝量可以反映膨润土的纯度，也可以检验型砂中有效膨润土的含量。 方法：用滴定法。称取一定质量的试样，在含有焦磷酸钠的水溶液中充分分散，然后逐渐滴加亚

43、甲基蓝溶液并均匀搅拌使膨润土中的蒙脱石吸附亚甲基蓝，直到饱和。即可计算出吸蓝量（g/100g土）。 实验表明，膨润土的湿压强度与吸蓝量大体呈直线关系。另外，还可根据吸蓝量鉴别膨润土和普通粘土,b 膨润土的热湿态粘结力 用工艺试样的热湿拉强度（P75），大部分在2.5Mpa以上。 以膨润土的膨润值估算 原理：称取膨润土粉3g，置入100ml量筒中，加氯化铵溶液和水，使之悬浮并静置一昼夜后，量筒中沉淀的体积即为膨润值。 结果：见图2-1-42。说明两者都与交换性钠离子在阳离子交换容量中的比例有关,c 焙烧后的粘结力 概念：指经过反复加热焙烧的膨润土加水后仍然具有湿态粘结性的性能，又称膨润土的复用性

44、或热稳定性。 意义：成本、性能。 浇注实验的方法 多次浇注，不补充新的粘土，浇注后记录每次型型砂湿压强度的下降量 工艺试样法 将膨润土在几种温度下焙烧后，混砂和测定工艺试样的湿压强度。画出强度与焙烧温度的关系曲线，由粘结力的下降趋势判断膨润土复用性的好坏。见图2-1-44,吸蓝量法 测定膨润土经500焙烧后吸蓝量下降的百分比，与工艺式样湿压强度的下降密切相关。 差热分析法 差热分析曲线中第二个吸热谷代表晶体失去结构水而破坏的温度。 （10 ）粘土的应用 铸造、冶金、化工 在铸造上的应用：钠基膨润土具有较高的热湿拉强度和焙烧后的粘结力。但钙基膨润土型砂流动性好、易混碾、落砂容易，旧砂中团块少,3

45、4 附加物 加入目的：获得特殊性能，改善表面质量 （1） 煤粉（coal dust） 目的：防止粘砂、提高表面光洁度。 煤粉的性能 挥发分：3336%，粒度不应太细。 否则增加水量，降低透气性。 灰分5% 固定碳5054% S1% Cl0.03% 光亮碳析出能力7-12% 专业标准 ZBJ3100288 按挥发分含量：SMF-35、-30、-25三个牌号，SMF意为湿型用铸造煤粉，后面的数字表明挥发物含量的下限，指标比国外偏低,煤粉的主要作用 （a）高温下热分解产生还原性气氛：防止金属液被氧化，在砂型空隙中形成压力 （b）煤粉受热产生焦渣物填塞表面颗粒防止金属液渗入。焦渣特征4-5级时表面光洁

46、。 （c）受热变为胶质体具有可塑性可以缓冲石英颗粒受热而形成的膨胀压力 （d）煤粉受热时产生的碳氢化物挥发分在650-1000高温下，于还原性气氛中发生气相热解而析出光亮碳防止机械粘砂的最主要作用。 加入量：38% 缺陷：增加型砂的灰分和适宜水分 降低透气性、流动性和韧性，造成气孔、浇不足。 恶化环境,2） 渣油（fuel oil） 渣油一般为粘稠膏状，混砂时难以混碾均匀，所以一般用轻柴油稀释。 作用： （a）分解还原性气体，析出光亮碳能力比煤粉高，而且快。所以与煤粉互相配合使用增加防粘砂效果。 （b）减轻型砂对模样的粘砂现象，改善起模性，并减少由于加入煤粉造成的型砂泥分，提高韧性。 （c）增

47、加型砂变形量，改变韧性，提高表面抗风干性和表面强度 劣势：轻柴油浇注后极易挥发，形成光亮碳的效果小；浇注后产生大量烟气，恶化劳动条件，并可能使薄壁件浇不足,3） 淀粉（cereal binder） 目的：减少夹砂及冲蚀类缺陷，提高型砂变形量、韧性及可塑性，降低模样与砂型的摩擦阻力，提高起模性；减少表面风干和强度下降而引起的缺陷。 种类：冻胶化淀粉（或淀粉）、糊精。 糊精：显著提高型砂的表面强度、韧性和热湿拉强度，但使湿压强度和流动性降低。 冻胶化淀粉：可使湿压强度不下降。 加入量：铸铁面砂中0.5%左右，铸钢面砂中0.5-1%左右。 O,第4节 湿型砂制备及质量控制 配砂的依据 a 铸造合金

48、b 铸件结构 c 造型条件 4.1 铸造条件对湿型砂的性能要求和配方特点 （1） 铸铁件湿型砂 性能要求 a 手工与震压式机器造型用砂的紧实率50%，由于泥分多（如煤粉及失效煤粉），故含水5-6%。 b 透气率，要求表面光洁，透气率不可过高。 c 有效煤粉含量可通过铸件的表面情况判断。用发气量测定有效煤粉含量在5-8%，薄壁件只须3-4%。 d 湿压强度：60-100kpa e 热湿拉强度：1-1.5kpa，急热开裂时间15s左右；对大中型铸件或易产生夹砂类缺陷的铸件，要求型砂的热湿拉强度大于2.5Kpa，急热开裂时间大于30s,原材料的选择 a 原砂 一般铸铁件多用15Q砂，SiO2 92%

49、左右。表面质量要求特别高的薄壁件用10Q。 b 粘结剂 较小的铸件用钙质膨润土，对韧性有特殊要求的须用天然钠土或活化膨润土。 c 附加物 煤粉：5-8%透气率在100以下。 渣油液、冻胶化淀粉：提高韧性。破碎指数可达70-80,2） 铸钢件湿型砂 铸钢的铸造特点 a 浇注温度高，对型砂的热作用时间长。 b 漏包浇注，开放式浇注系统，易氧化，对铸型的冲刷力大。 c 钢液易氧化，促进反应，引起粘砂。 d 气体在铸钢中的溶解度较大，易产生气孔。 铸钢湿型砂的特点 a 原砂：采用耐火度较高的石英砂。SiO2 % 95%，耐火度1580，烧结点1350。另外，由于含泥量较低，用粒度15Q的细硅砂。 b

50、为防铸件增碳，不含煤粉。在相同的紧实率下含水较低（4-5%） c 粘结剂：采用活化膨润土或天然钠基膨润土。以防夹砂。 d 附加物：渣油液、淀粉、表面喷涂糖浆、废纸浆液等,3） 有色合金用湿型砂 有色金属的铸造及用砂特点 a 浇注温度低，对耐火度、强度要求低 b 收缩率大，要求砂型有良好的塑性和退让性 c 极易氧化，要控制砂型含水量 d 型腔轮廓要求清晰，需用细砂，一般为10Q,4） 高密度造型型砂（high density molding） a 高密度造型的特点 概念：是指提高造型紧实力制得较高紧实程度或较高密度砂型的造型方法。以“B”型硬度计测定时，具有均匀的、最小读数超过85的铸型。 包括

51、 高压造型（high pressure molding），压实比压0.7Mpa 冲击造型：包括机械动力冲击和气流冲击造型。 高压造型的特点 优点： （a） 尺寸精度高（5-7），表面粗糙度低。 （b）铸件更加致密，力学性能高（铸型蓄热系数高，凝固速度高）。 （c） 加工余量小，铸件质量减轻（10%）、均匀，节省金属和加工工时。 （d） 劳动条件改善，生产率高,高压造型的缺点： （a） 一次投资费用高 （b） 内部强度分布不合理： 合理的强度分布：型背较低透气性好，落砂性好；型腔高表面质量好。比较（图2-1-46） （c）透气性（砂型）比较低（见图2-1-47b） （d）比压过高有回弹变脆现象型

52、壁移动，起模性变差（见图2-1-47c） （e）有可能引起水爆炸表面粗糙，粘砂、气孔。由于高密度砂型的热导率较高，先渗入到砂粒空隙的金属迅速冷却凝固，堵塞了砂粒间的空隙，结果使砂粒间蒸发的水分排不出去而进入金属液，被加热产生急剧体积膨胀后产生瞬间压力波,冲击造型的特点 概念：用冲击力将填入砂箱的松散型砂突然加速，利用型砂被加速到模板时受阻产生的强烈冲击力是型砂坚实成型。分气冲和动力冲击两类。 优点： （a）在冲击状态下由于冲击力大于粘结膜的屈服值，使粘度大大降低，流动性提高，能获得更均匀更高的紧实度和强度。 （b）强度分布合理（图2-1-46 中1、2线）； （c）动力冲击可提高起模后砂型尺寸

53、精度,b 高密度造型型砂的特点 湿强度高高硬度避免塌箱和破损， 二汽：120-140kpa；国外：150-200kpa 加入膨润土6.0-10.0% 紧实率404% 含水量3-4%，水分多流动性低，残留强度高（落砂困难）、易产生气孔。 透气性：要求稍高，但过高易粘砂， 原砂粒度稍粗、圆整、泥分低。一般在100-120 抗夹砂结疤能力要求高选用混合钙、钠或优质钠或活化膨润土提高热湿拉强度。 抗机械粘砂能力强，可降低有效煤粉的含量（3-6%）。 流动性 （5） 型砂性能和配方实例 见表2-1-20、2-1-21,42 旧砂的特性及其处理 （1 ）砂处理的目的 经济 环境 资源 （2 ）砂处理的基本

54、工艺路线 见图2-1-52,3 ）旧砂的特征 a 产生鲕化。表层部分粘土在高温作用下失效（约占型砂的2-5%），一部分烧结于砂粒表面 不能用水洗掉形成多孔性惰性膜。使密度、烧结点下降，SiO2含量降低。造成铸件表面不光洁。 b 粘土失效。 c 煤粉及其他附加物烧结，挥发分、S凝聚在型砂中反活化，使热湿拉强度显著降低。 d 金属及团块物,e 热砂问题 型砂温度高于室温10以上。 影响：水分蒸发、紧实率不易控制。 水蒸气蒸发造成运送过程中粘砂和起模困难。并降低表面光洁度。 水蒸气会凝聚在砂芯和冷铁上造成气孔。 砂型（芯）表面脱水造成冲砂和砂眼缺陷。 解决：加强砂处理过程中的通风 根据旧砂温度自动调

55、节增湿量，然后用沸腾、冷却提升，搅拌等冷却装置降温。 增大砂铁比，减少型砂的周转次数。 加热模板，减少温差，避免水汽凝结在模板上,4） 常用的旧砂质量检验项目 含泥量 颗粒组成 有效膨润土含量 有效煤粉含量 4.3 新材料的准备 新砂 粘土 附加物 一般是单独供应，有时做成混合料或浆料,4.4 湿型砂的混制工艺 混制目的：型砂混制的任务是使按比例配合好的各种原材料混合均匀，使粘结剂成为均匀的薄膜包在砂粒表面上。 （1） 混砂机的类型,碾轮式混砂机：混合、揉搓作用好，质量高。但效率低，一般用于混制面砂和单一砂,摆轮式混砂机：生产率高，可通风冷却，但混制质量不及碾轮式。用于机械化程度很高的车间混制

56、单一砂和背砂。 叶片式混砂机：是一种连续式混砂机。仅有混合作用而无搓揉作用，故只用于混制背砂和粘土含量低的单一砂。 （2） 混制工艺 加料顺序：干混（新砂、回用砂、粘土、煤粉）加水加重油 混砂时间： 碾轮式：背砂 3min 单一砂 3-5min 面砂 5-8min 摆轮式：背砂 0.5-1min 面砂 2-3min 调匀和松砂,45 型砂的质量检验和控制 （1） 型砂检验制度 确定：根据车间的生产性质。机械化流水线生产比小批量生产检验次数多。 项目：见表2-1-22 取样：在造型工部。 （2） 试验结果的综合分析 须由多次试验数据和多项试验结果判断型砂的性能。 铸造缺陷与型砂性能之间的关系。见

57、表2-1-23 例1 例2,3） 型砂的宏观控制 目的：跟踪型砂在长期使用过程中的倾向性变化。动态控制。 方法：控制图法(图2-1-54) 本章重点 型砂的基本组成 基本性能要求及检测方法 石英砂及其质量指标 粘土的主要矿物组成、化学成分、分类 粘土的鉴别 粘土对型砂质量的影响 常见附加物（煤粉、重油、淀粉）的作用 常用湿型砂的特点 混制工艺,第2章 无机化学粘结剂 概念：通过物理化学反应而达到硬化 种类：见图2-2-1,第1 节 钠水玻璃及钠水玻璃砂的硬化机理 1.1 玻璃及其质量要求 水玻璃：各种聚硅酸盐水溶液，铸造常用钠水玻璃Na2OmSiO2，商品名泡花碱，在一定条件下可以从液态转化为

58、凝胶。 制备 干法：将纯碱和石英粉按一定比例混合，在反射炉内于1300-1500的高温下进行反应： 熔融后的产物经冷却凝固得到似玻璃体的块状产物。然后溶解、过滤和加热浓缩等工序，制成带有粘性的液体。 湿法：将石英粉与烧碱溶液混合，在压力作用下加热： 分类：玻璃态 SiO2基本单元无规则排列 结晶态 SiO2基本单元规则排列,组成及性能（见图） 钠水玻璃的分子式Na2OmSiO2nH2O,硅酸钠的成分是可变的，只有在某些一定的成分下才为单一的化合物，对每一种单一化合物，SiO2和Na2O比值一定。但水玻璃的组成多数是由几种化合物组成。N2S型为原硅酸钠，NS型为偏硅酸钠、NS2为二硅酸钠。 根据

59、SiO2和Na2O的比例和结晶水分类： 原硅酸钠、一水、二水、五水原硅酸三钠； 偏硅酸钠、一水、五水、六水、八水、九水合偏硅酸钠,钠水玻璃的几个重要参数 模数 概念：钠水玻璃中的SiO2和Na2O摩尔数之比，用M表示。 M= 模数对硬化的影响 模数的大小只表示SiO2和Na2O的比值，并不表示硅酸钠的质量分数。但模数的大小直接影响硅酸阴离子的聚合度。模数大则聚合度大，硬化速度大，达到最高强度的时间也越短。但模数过高型砂的保存性差，粘模，同时强度不高。CO2硬化水玻璃一般为2。自硬法一般用模数较高的水玻璃,水玻璃模数的调整： 降低模数：加入适量的NaOH，以提高水玻璃中Na2O的含量。 mSiO

60、2+2NaOHNa2OmSiO2+H2O 例 设原水玻璃砂中SiO2的含量为a%，Na2O的含量为b%，则每100克水玻璃，调节到所需要是模数M时，应加固体NaOH的克数为GNaOH，则 整理上式 GNaOH= （克,问题 有一水玻璃，其模数3.1，成分为SiO2 18%，Na2O 6%，如要将其模数降低到2.5，则每公斤水玻璃需加入固体NaOH多少克？ 提高模数：加入盐酸或氯化氨，中和部分Na2O Na2OmSiO2nH2O+HClmSiO2nH2O+2Na2Cl+H2O 例：设原水玻璃中SiO2含量为a%，Na2O的含量为b%，则每100公斤水玻璃，调节到所需要的模数M时，须加入HCl的公