铸造成型方法

1、第二章 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

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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（300500kg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）15，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，

7、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

8、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

9、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793K2O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

10、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

11、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(JBlT 92271999)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

12、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

13、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(vertical wheel sand muller)、摆轮式(horizontal wheel sand muller，speed muller)、叶片式(blade mixer)

14、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

15、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

16、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3060mm，震击次数3050/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

17、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，这样可以大大减少震击次数，从而提高劳动生产率，节约能耗。但由于补加压实以压缩空气为动力，比压较低，故多用于中小砂箱的型砂紧实。震击造型机和震压造型机的结构都比较简单，操作维修方便，适用性强，一般中小型铸件都适用。但是震击式造型机工作时噪音太大，强烈的震动也对厂房建筑提出了较高的标准。（3）压实、微震压实和高

18、压紧实 压实紧实是通过压实造型机来完成的，多以压缩空气为动力对型砂压实紧实，其工作原理如图2-4所示。打开进气阀，压缩空气由进气孔进入压实气缸4，将活塞3举起，当砂箱2内的型砂碰到压头1时，就发生压实作用。型砂压实后，打开排气阀，气缸中的压缩空气排出，活塞立即下降，压实工作完成。这种紧实较震击紧实的效率高，噪音很小，机器结构也很简单。缺点是型砂紧实度不均匀，上紧下松。适用于砂箱高度不超过150mm而底面积一般不超过800×600mm的铸型。微震压实造型是在型砂受压的同时，模板、砂箱和型砂作高频小振幅(10-13Hz，3-8mm，普通震击造型的震击频率和振幅分别为1.1-3.3Hz，3

19、0-80mm)的一种造型方法，其原理如图2-5所示。当压缩空气经过工作台的进气孔进入微震气缸后(图a)，在压缩空气的压力作用下，微震活塞与固定在工作台上的模板、砂箱上升；同时压缩空气的压力还使微震气缸向下运动，压缩微压气缸下的弹簧(图b)；当微震活塞上升至打开排气孔时(排气孔面积是进气孔的67倍)，缸内气压迅速降低，工作台等靠自重下落，而微震气缸受弹簧作用上升，二者发生撞击(图c)，使砂箱内的型砂获得一次紧实。这样多次重复，型砂就能较为迅速地达到预定的紧实度要求。微震压实造型比单纯压实效果好，在相同压力下，能获得更高的紧实度，相当于提高比压3050%，而且砂型的紧实度分布比较均匀；生产率高，每

20、小时可达120箱以上，铸件质量较好；震击噪音小，劳动条件好，并可降低对厂房基础的要求；机器使用可靠，维修方便，价格也比较低廉。其主要缺点是仍有一定的噪音。微震压实造型在中小铸件的生产中已得到较为广泛的应用。 （图25 气动微震造型工作原理）上述压实造型是中低压压实，其压实比压为0.4MPa左右。近年来，国内外大量发展和采用高压压实造型机。用高压造型机造型时，由于压实比压提高到0.7Mpa以上，砂型硬度、紧实度和强度都大为提高，沿砂箱高度方向的紧实度分布得到有所改善，砂型轮廓清晰，可以得到尺寸比较准确的铸件（可达CT78级），表面光洁（Ramax=3.22.5m）；由于铸型紧实度高，蓄热系数也高

21、，加快了金属凝固、冷却速度，改善了铸件内部质量，提高了力学性能；节约金属，减少加工余量及费用；压实紧砂工艺简单、生产率高（200300箱砂型/h），易于机械化，噪音小，劳动强度低；适应性强，能制造复杂、较大的铸件。其缺点是机器结构复杂，生产线投资大；要求工艺装备精度高，刚性大；要求有较高的设备维修保养能力。高压造型适用于成批大量生产、砂箱尺寸较大、铸件较复杂及要求较小的尺寸公差和表面粗糙度低的铸件的生产。（4）气流冲砂紧实 气流冲击紧实造型是将压力为0.40.6MPa的压缩空气以均匀的气流冲击型砂表面，使型砂紧实的造型新方法（图2-6）。铸型的紧实机构采用脉冲发生器（冲击头），其结构似储气罐(

22、图2-6a)，内有一小室3，室内压缩空气压力通常为0.40.6MPa，称为过剩压力。小室外部压缩空气压力通常比室内空气压力低0.1MPa，称为储气罐压力。砂箱7和辅助框6充满型砂，移到冲击头下边并被压紧后，打开单向快开阀2，室内压缩空气的过剩压力骤然下降，强制打开隔膜阀5，使压缩空气迅速加速而产生气流冲击，继而由于空气急剧膨胀而形成压力波，其速度可达800m/s以上；压力波在若干毫秒内穿透整个砂型，使砂型紧实。气流冲击造型的主要优点是：砂型紧实度均匀，砂型硬度高，铸件尺寸精度和光洁程度都得到提高；造型机结构简单，噪音小；生产率高，劳动条件好；砂型充填性好，吃砂量少，可节约型砂及混砂能耗；适应性

23、强，既可利用高压造型型砂，也可利用普通机器造型型砂。缺点是仍然有一定的噪音；砂箱或芯盒必须有足够的强度和刚度。（三）钠水玻璃砂型铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是钠水玻璃。此类型芯砂与粘土砂比较，有下列优点：(1)型(芯)砂流动性好，易于紧实，故造型（芯）劳动强度低。(2)硬化快，强度较高，可简化造型（芯）工艺，缩短生产周期，提高劳动生产率。(3)可在型(芯)硬化后起模，型、芯尺寸精度高。(4)可取消或缩短烘烤时间，降低能耗，改善工作环境和工作条件。1钠水玻璃粘结剂水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称。铸造上最常用的是钠水玻璃(Sodiumsilicate water glass)，因其便宜，

24、来源充足；其次为钾水玻璃，此外还有锂水玻璃、钾钠水玻璃、季铵盐水玻璃等，分别是硅酸钠(Na20·mSi02)、硅酸钾(K20，nSi02)、硅酸锂(Li20·mSi02)、硅酸钾钠(mK20·Na20·nSi02)、季铵盐的水溶液。硅酸钠是弱酸强碱盐，干态时为白色或灰白色团块或粉末，溶于水时，纯的钠水玻璃外观为无色粘稠液体，由于含铁盐而呈灰色或绿色,pH值一般在11-13。钠水玻璃的化学式为Na20·mSi02·nH20。钠水玻璃有几个重要参数，直接影响它的化学和物理性质，也直接影响钠水玻璃砂的工艺性能，这就是钠水玻璃的模数、密度、含

25、固量和粘度等。(1)模数 钠水玻璃中Si02和Na20的摩尔数之比称为模数，用M来表示。模数的大小仅表示钠水玻璃中SiO2、Na2O的摩尔数之比，并不表示钠水玻璃中硅酸钠的质量分数。但是模数改变，钠水玻璃结构及其物理化学性质也会发生变化，因为模数的大小直接影响硅酸阴离子的聚合度，聚合度越高，模数也越大。模数越高，作为芯(型)砂粘结剂时的硬化速度也越快，达到最高强度的时间也越短。但过高的模数，将使芯(型)砂的保存性差，不适于造型和造芯。钠水玻璃模数可以通过化学的方法降低或提高。降低钠水玻璃模数可加入适量的NaOH，以提高水玻璃中Na20的质量分数，从而相对地减少Si02的质量分数。铸造生产中，吹

26、C02硬化时常用模数为2的钠水玻璃。（2）密度、含固量和粘度 钠水玻璃的密度P取决于钠水玻璃中水的质量分数，而不是它的模数，因为Na2O （62）和Si02(60)(括号中数值为相对分子质量)的相对分子质量数值很近似。密度低，水的质量分数高，含固量少，不宜用作型(芯)砂粘结剂；反之，密度过大，粘稠，也不便定量和不利与砂子混合。铸造上通常采用密度为132-168gcm3或波美度35-54的钠水玻璃。2。钠水玻璃砂的硬化机理硅酸钠是弱酸强碱盐，在水溶液中几乎完全电离，所以钠水玻璃实际是部分电离的聚硅酸负离子和钠离子在水中的分散体系。不同硅酸盐负离子的平衡是错综复杂的，它取决于pH值、模数和温度，在

27、若干特有的反应过程中达到平衡。其中最有意义的反应是硅酸钠(以=Si-0-Na表示)的钠-氧键水解(hydrolysis)(向右进行)和酸-碱反应(向左进行).，硅氧烷链(Si-0-Si(siloxane linkage)沿线性方向生长，就形成高聚物(polymcr)；当它在三维空间任意生长时，就形成凝胶(gel)，这就导致了钠水玻璃的硬化。如果没有任何胶凝作用的影响，钠水玻璃则可保存很长时间，但它对引起平衡变化的任何因素却非常敏感，这一潜在不稳定特性，通常被用来加速钠水玻璃的缩聚，以形成坚硬的三维的网状结构，使型砂粘结在一起。铸造生产中常用的一些硬化方法，都是加入能直接或间接影响上述反应平衡点

28、的气态、液态或粉状固化剂，与OH-作用，从而降低pH值，或靠失水，或靠上述二者的复合作用来达到硬化。(1)加热硬化-失水发生由液态到固态的转变凡是能去除钠水玻璃中水分的方法，如加热烘干、吹热空气或干燥的压缩空气、真空脱水、微波照射以及加入产生放热反应的化合物等都可使钠水玻璃硬化。图是Na20、Si02和H20三元系统的常温状态图。其中铸造行业所用的商品液体钠水玻璃，是图中阴影部分(区域9，M=2.03.3，p=1217gcm3)，当这种水玻璃与砂混合制成砂芯(型)时，如果用加热(或用热空气)方式硬化，会按图中带箭头虚线指示的方向，液体钠水玻璃先变成粘稠液体，接着成为半固体，再变成脱水液体。(2

29、)化学反应形成新的产物钠水玻璃在pH值大于10以上很稳定，加入适量酸性或具有潜在酸性的物质时，其pH值降低，稳定性下降，使水解和缩聚过程加速进行。图为pH值对钠水玻璃胶凝时间的影响曲线，曲线呈大写“N”字形,即著名的“N曲线”。胶凝速度最快的pH值，亦即曲线的最低点在6.8到7.1之间；钠水玻璃稳定性最好、胶凝速度非常慢的pH值，也就是曲线的最高点，在3.2-3.9和10以上。A)吹C02硬化C02与钠水玻璃中的水作用形成碳酸 ：CO2 + H20- 2H+ + C032-产生的H+使表面钠水玻璃的pH值不断降低，并达到迅速硬化。钠水玻璃同C02反应，消耗Na20，把凝胶化的水玻璃推到图的不稳

30、定液体和凝胶区域(图区域11)。这种Si02凝胶含$i02高，并使砂芯和砂型建立强度。C02是一种脱水能力相当强的气体，从砂粒周围流过，C02与粘结剂接触面积大，使钠水玻璃部分失水，因此，C02硬化既有钠水玻璃的物理脱水作用，也有化学反应，两种机理难以截然分开，通常其粘结是两种作用的结果。(哪一种作用占主导地位?)采用C02法硬化，有人认为仅发挥了钠水玻璃粘结性能的10，：因此不得不把砂中钠水玻璃加入量提高到6-7(质量分数)。图所示为C02硬化后包裹在砂粒表面的钠水玻璃膜的结构模型，膜由两层组成，表层的主要成分是硅酸胶体以及Na2C03和NaHC03结晶(粉化即白霜)，里层的主要成分是尚未反

31、应的硅酸钠胶体。B)有机酯液态硬化剂酯促使钠水玻璃砂硬化建立强度分两阶段，酯使钠水玻璃胶凝化，产生强度；最终强度来自硅酸钠脱水。用酯硬化时，酯在钠水玻璃中进行水解生成有机酸和醇，有机酸提供氢离子，其反应通式是RCOOR+H2O-RCOOH+ROHRCOO-与钠水玻璃电离的钠离子Na+发生皂化反应，生成脂肪酸钠；H+与钠水玻璃的OH-结合，均有利于酯的进一步水解和使钠水玻璃析出硅酸溶胶，并促使朝着生成大的凝聚的硅酸分子方向移动，当它在三维空间任意生长时，就形成凝胶，这就导致钠水玻璃硬化。(3)不同硬化方法所得钠水玻璃砂的强度是不同的。其原因为：所得到的粘结剂膜组织的密度和有序性排列不同，因而影响

32、强度的大小，其顺序为加热硬化、酯硬化、铬铁渣硬化、CO2硬化，相应的粘结膜的内聚强度为41MPa、29.8MPa、20.5MPa、14.9MPa；所得钠水玻璃的凝胶胶粒大小明显不同，C02硬化的胶粒直径为0.20.48µm，酯硬化的为0.07-0.18µm，真空硬化的为0.06-0.16µm，加热硬化的只有0.035-0.04µm，因而强度会明显不同。（四）其它类型的砂型还可使用硅溶胶、植物油、树脂等作为粘结剂形成不同类型的砂型。二、砂型(芯)的烘干、合箱与浇注1、砂型(芯)的烘干 1）表面烘干：为了缩短生产周期，减少燃料消耗，有利于组织流水作业，在保证

33、质量的条件下，应尽量应用表面烘干。表面烘干的方法主要有喷灯火焰烘干、移动式焦碳炉或煤气炉烘干、红外线辐射烘干以及高频干燥炉烘干和微波技术烘干。2）体烘干：大型和较重要的砂型(芯)都要进行整体烘干，一般在周期作业或连续作业的烘干炉中进行。周期式烘干炉有台车室式烘干炉和抽屉式烘干炉。前者用于大中型砂型(芯)的烘干，后者用于较小砂芯的烘干。连续式烘干炉用在批量生产的铸造车间，这种烘干炉有卧式和立式两种，后者占地面积小。炉内各部位按烘干规范的要求保持确定的温度和运行时间，使砂芯逐渐升温、保温和降温冷却。所以，烘干操作可连续地进行，效率高于周期式烘干炉。2、合箱 合箱就是把砂型和砂芯按要求组合为铸型的过

34、程。铸型的合箱是制备铸型的最后工序，合箱质量不高，铸件形状、尺寸和表面质量就得不到保证，甚至会因偏芯、错箱、抬箱跑火等原因而使铸件报废。合箱一般按以下步骤进行：1）全面检查、清扫、修理所有的砂型和砂芯，特别要注意检查砂芯的烘干程度和通气道是否畅通。不符合要求者，应进行返修或废弃。2）下芯次序依次将砂芯装入砂型，严格检查，保证铸件壁厚、砂芯固定、芯头排气和填补接缝处的间隙。无牢固支撑的砂芯，要用芯撑在上下和四周加固，防止砂芯在浇注时移动、漂浮。装在上箱的砂芯，要插栓吊紧，砂芯与砂芯之间接缝相对较大时，需使用填补料修平，并用喷灯烘干。3）仔细清除型内散砂，全面检查下芯质量，在分型面上沿型腔外围放上

35、一圈泥条或石棉绳，保证合箱后分型面密合，避免液态金属从分型面间隙流出。4）放上压铁或用螺栓、金属卡子固紧铸型。放好浇口杯、冒口圈，在分型面四周接缝处抹上砂泥，防止跑火。最后全面清理场地，以便安全方便地浇注。3、浇注1) 浇注前的准备工作 铸型合箱紧固后浇注前应做好下述浇注准备工作：了解浇注合金的种类、牌号、待浇注铸型的数量和估算所需金属液的重量；检查浇包的修理质量、烘干预热情况及其运输与倾转机构的灵活性和可靠性；熟悉各种铸型在车间所处的位置，以便确定浇注次序；检查冒口、冒口圈的安放及铸型的紧固情况；清理浇注场地，确保浇注安全。2) 浇注工艺 为了获得合格铸件，必须控制浇注温度、浇注速度，严格遵

36、守浇注操作规程。 浇注温度：应根据合金的种类、铸件结构和铸型特点确定合理的浇注温度范围。金属液由炉中注入浇包时，温度都会降低。为了减小包内降温，修好的浇包一定要充分烘干，浇注前需预热；尽量避免倒包，减少金属液在包中的停留时间和缩短运输距离；浇包壁可采用高效保温材料，金属液出炉后，在包内液面加保温集渣覆盖剂；加强测温，严格监控金属液在包内的降温情况和浇注温度。 浇注要点：浇注前需除去浇包中金属液面上的熔渣；根据规定的速度和时间范围进行浇注；浇注时应避免金属液流的飞溅和中断；开始慢浇，且不能直冲浇口，以免冲毁砂型；中间快浇，以充满浇注系统；浇口杯中应始终保持一定数量的金属液，防止渣、气进入铸型；快

37、充满时应慢浇，防止溢出和减小抬箱力。有冒口的铸型，浇注后期应进行点浇和补浇。浇注后应注意引燃从铸型排出的气体。待铸件凝固完毕，及时卸除压铁和箱卡，以减少铸件收缩阻力，避免裂纹。三、铸件的落砂、清理及后处理1、铸件的落砂 铸件凝固冷却到一定温度后，把铸件从砂箱中取出，去掉铸件表面及内腔中的型砂和芯砂，落砂通常分为人工落砂和机械落砂两种。1) 人工落砂 在一般铸造车间，由浇注场地人工就地落砂。这主要用于单件小批生产，对于有色合金铸件，基本上都采用手工落砂。2) 机械落砂 在机械化生产线上，通常采用机械化落砂。它是把铸件放在震动落砂机上通过震动使砂子下落。机械落砂效率高，但机械易损坏，维修调整困难，

38、而且噪音大。3) 清除砂芯的方法 生产中常采用下述清砂除芯方法：水力清砂除芯：它是利用高压水来切割、冲刷铸件上残留的芯砂与粘砂的一种有效方法。该法无粉尘，改善了劳动条件；生产效率高，为手工清砂的510倍。缺点是需要庞大的沉淀池和湿砂干燥设备。为了提高清砂效果，特别是清理铸钢件芯砂时，可在高压水射流中加入砂子，这种方法还可部分地用来清理铸件表面的粘砂，称为水砂清砂法。水爆清砂除芯：待铸件冷却到适当温度，从铸型中取出立即浸入水中，水迅速进入砂芯，急剧汽化膨胀，当水汽达到一定压力后便产生爆炸，使砂芯爆裂而脱离铸件。水爆清砂设备主要是水爆池和吊车，设备简单。2、铸件的清理为了提高铸件表面质量，还需进一

39、步对铸件进行清理，切除浇冒口，打磨毛刺并进行吹砂。1) 浇冒口的切除 铸件必须除去浇注系统和冒口。对于中小型铸铁件，可用锤打掉浇冒口。铸钢件一般用氧气切割或电弧切割来去掉浇冒口。不能用气割法切除浇冒口的铸钢件和大部分铝镁合金铸件，采用车床、圆盘锯及带锯等进行切割。在大批量生产中，许多定型铸铁、铸钢生产线都采用专用浇冒口切除线，甚至配备专用机器人或机械手来完成。2) 铸件的表面清理 包括去除铸件内外表面的粘砂、分型面和芯头处的披缝、毛刺、冒口切除痕迹。其方法有： 手工清理：适用于单件、小批量和形状复杂的零件； 滚筒清理：将铸件装入滚筒，利用铸件之间以及铸件与附加角铁之间的磨擦、碰撞来去除铸件表面

40、粘砂、毛刺和氧化铁皮。其设备结构简单，易于制造，清理效果较好；缺点是生产率低，噪音大。适合于中小型铸造车间； 喷、抛丸清理：喷丸清理是用4.905.88MPa的压缩空气，使弹丸从喷嘴以5070m/s的高速喷射到铸件表面，将粘附在铸件表面的型砂、氧化皮等清除掉。抛丸清理是用高速旋转的叶轮将弹丸以6080m/s的速度呈扇形扩散角抛射到铸件表面进行清理。3、铸件表面处理 有些铸件经过上述处理以后，还需进行表面处理。如镁合金铸件在吹砂后，需进行表面氧化处理，在表面生成一层致密而的薄膜，防止或减轻镁合金在使用过程中产生腐蚀。铸铁件、铸钢件在检验合格入库前，需涂上底漆，以防生锈，并作为进一步油漆的底漆。四

41、、铸件质量检验与缺陷修补铸件质量包括铸件的内在质量、外表质量、使用质量等。其具体要求，一般在零件图和有关技术文件中都有明确规定。为了保证铸件质量，铸造生产的各个环节，特别是清理后，都要进行质量检验。凡是有缺陷的铸件，经修补后能满足要求，不影响使用者均应进行修补。1、铸造缺陷的检验1)外观缺陷的检验 检查时用肉眼或借助放大镜及尖嘴锤等工具，观察寻找暴露在铸件外表的缺陷，如裂纹、表面气孔和缩孔、粘砂等缺陷；利用量具、样板和工作平台等检验铸件尺寸是否符合图纸要求，借助各种称量工具来检验铸件重量是否在允许的偏差范围内。2)表面缺陷检验 荧光探伤法：把铸件浸泡在荧光液中，由于毛细现象，荧光液渗透入铸件表

42、面缺陷处，然后取出铸件并擦净，置于紫外线(水银石英灯)照射下。利用荧光液经紫外线照射发光的原理，可判断表面裂纹等缺陷的部位，如图2-9所示。 着色法：利用液体的渗透性质，在被检铸件的表面涂上一层渗透性很好的着色液(如煤油、丙酮、颜料等的混合物)，待液体渗透入表面缺陷处，擦去面上的着色液，喷上一层锌白等白色显示粉液，这时残留在缺陷孔隙处的着色剂又被吸到表面显示粉上来，呈现出缺陷的形状。3) 内部缺陷检验 射线检验：可发现铸件内部缺陷，如气孔、缩孔、裂纹、夹杂等。图2-10所示为射线检验示意图。对重要铸件，如国防工业用I类铸件，一般都要经过100%的射线检验。常用的射线有：X射线和g射线。前者的穿

43、透力不如后者，但灵敏度高于后者，这些射线能穿透金属，使底片感光。射线穿透物体时，与物体中的原子相互作用，射线的能量不断地被吸收和散射而逐渐衰减。物体的密度越大，能量衰减越快，铸件中孔洞、夹杂等的密度远低于金属密度，射线与这些缺陷作用时，衰减较小，在底片上的能量比无缺陷部位大，因而，能在底片上显示出缺陷的形状。（图29荧光探伤示意图，图2-10 射线检验示意图） 超声波检验：也可发现铸件内部缺陷，如气孔、裂纹、夹杂、缩松等。对铸钢件，用此法可探测壁厚最大（1000mm）的一种方法。超声波检验用的工作频率常在1MHz以上。超声波从一种介质传播到另一种介质时在界面上会产生反射，特别当超声由金属传向空

44、气时差不多有99%从界面反射回去。超声波检验就是应用这一特性来发现铸件内部缺陷的。当探头在铸件上缓慢移动时，如铸件无缺陷，则在示波屏上只出现探测面上反射的T波和底面上反射形成的B波；如铸件上某部位有缺陷，则还出现因缺陷反射的F波，如图2-11所示，缺陷越大，F波的高度也越大，从而可确定铸件中缺陷的位置及严重程度。 压力试验：对高压、真空用的铸件，如泵体、阀门等，需做压力试验，以检查铸件是否存在孔洞缺陷。试验时将有一定压力的空气(或水、油等)通入被密封的铸件内腔中，如铸件有穿透的裂纹、孔洞等，就会出现渗漏，从而发现缺陷位置。试验压力通常要超过铸件工作压力的3050%，这对铸件也是一种强度考核。当

45、铸件不易构成密封空腔，从而无法进行压力试验时，可用渗透煤油的方法检验铸件的致密性。（图2-11 超声波检验示意图）2、铸件缺陷的修补铸件出现缺陷并不等于铸件报废，根据铸件的设计要求，在满足使用的情况下，能修补的要进行修补。常见的铸件修补方法有三种：用腻子和环氧树脂修补、焊接修补和浸渗修补。1）用腻子和环氧树脂修补：对铸件不十分重要但又有装饰意义的部位上发现的孔眼类缺陷，可根据铸件的颜色来配制腻子予以修补。对于铸铁件，可使用铁粉、水玻璃和水泥配制；对于铸铝件，可使用铝粉、高效粘接剂配制；对于铸件的非加工面、静止面和非主要位置上的缺陷以及油箱、油池的漏油缺陷等，可用环氧树脂粘补剂修补。2）焊接修补

46、：这是最常见的铸件修补手段。电弧焊主要用于焊补铸钢件缺陷。一般不需预热即可焊补，但铸件重要部位，或者结构很复杂，需要焊补较多的金属时，为防止和消除内应力，提高堆焊金属的塑性和降低硬度，需在焊前预热和焊后退火。气焊大多数用来焊补铸铁和有色金属铸件。铸铁较脆，为防止补焊时产生内应力和裂纹，往往需缓慢预热至500550°C，焊后缓冷至50100°C，形状复杂的铸铁件，焊后还需在700800°C下退火。铝镁合金铸件补焊时，为了防止氧化，常采用氩弧焊，并且对焊接工艺有严格的要求，否则，补焊过程中也会产生缺陷。3）浸渗补焊：浸渗是解决铸件渗漏问题的新技术。它是将呈胶状的浸渗剂

47、渗入铸件的孔隙，然后使浸渗剂硬化，与铸件孔隙内壁联成一体，从而达到堵漏目的。常用的浸渗剂有水玻璃型和合成树脂型两大类。目前，国内一般应用真空加压法对铸件进行整体修补。铸件装入专用的笼子内后放入浸渗罐内，抽真空1.52min(压力低于5KPa)，注入浸渗液淹没铸件，使浸渗剂渗入到缺陷孔隙中，然后通入0.50.7MPa的压缩空气，保压20min，进一步加强浸渗效果。取出铸件，清洗干净，待浸渗液固化即可。第2节 金属型铸造一、金属型铸造方法、特点及热规范的确定（1）成形方法 金属型铸造是利用重力将液态金属浇入金属材质的铸型中，并在重力的作用下结晶凝固而形成铸件的一种方法。（2）凝固特点 与砂型相比较

48、，金属型的导热性能要高得多，能获得很大的温度梯度，使铸件快速冷却。因此，在金属型铸造中，不仅共晶合金，甚至结晶温度间隔较宽的合金，也能得到密实的铸件。同时，冷却速度快，可使铸件晶粒细化，减轻或消除有色合金铸件的针孔。为了得到更大的冷却速度，要求用较低的金属型温度。液态金属浇入金属型的型腔后，由于型壁的直接导热，金属液会很快冷却凝结成一层硬壳，以后的散热要通过硬壳与型壁间所形成的空隙。在金属型中铸造厚大铸件时，浇入型腔中的金属液在充满型腔的一定时间后才开始凝固，特别是在金属型预热温度高和有大的砂芯时，更是如此，这些因素减缓了铸件的散热。所以，浇注厚大铸件时，应采用较低的金属型温度和浇注温度。在金

49、属型中成形较小的薄壁铸件时，金属液凝固很快，许多情况下，几乎在浇注完毕时，铸件的凝固也同时完成。对大而壁薄的铸件，为了完全充满型腔，获得轮廓清晰的铸件，要有较高的金属型温度和浇注温度。同时，还必须在型腔表面喷刷隔热涂料。此外，提高浇注温度能改善铸件的补缩条件，因为这样能使金属液容易进入已被型壁冷却的下层金属中。采用底注式时，要求金属液有更高的温度，以提高充型能力。但浇注温度也不能太高，温度太高时，会增大铸件的收缩量，降低力学性能。金属型铸造中，铸件产生裂纹的可能性比砂型要大得多，因为金属型和金属芯没有退让性，阻碍铸件收缩。另外，铸件凝固不均匀也是产生裂纹的重要原因。如果能使铸件变形在较高的温度

50、下进行，这时合金的塑性足够大，裂纹将不会产生。所以，确定温度规范时，应尽量使合金由塑性转变到弹性状态的过程中，铸件各部分的温差减到最小，并且尽量减小在合金结晶期间浇注的合金和金属型型壁之间的温度差，这就要求铸型温度较高，而浇注温度较低。（3）金属型工作温度 金属型在喷涂料及浇注之前，要均匀地加热到工作温度或接近工作温度，并且在工作过程中要保持选定的温度范围，这样才能得到内部质量和外形尺寸稳定的铸件。确定金属型的工作温度时，选择过高或过低的温度都会带来一些不良后果。金属型温度过低时，会出现下列缺点：浇入型腔的液态金属会迅速降低流动性，使铸件容易产生冷隔、浇不足、裂纹、气孔和轮廓不清晰等缺陷；型腔

51、表面受到液态金属的强烈加热，型壁内外温差大，金属型容易开裂损坏；冷的金属型上往往凝结有水汽，浇入液态金属时会引起喷溅或爆炸；有些会破坏顺序凝固的条件，这时单靠涂料调整是不行的。金属型温度过高时，会出现下列缺点：铸件结晶组织变粗，对于有色合金，还容易产生针孔和缩松；延长铸件冷却时间，降低生产率；金属型温度过高时，强度和刚度低，容易产生扭曲变形，导致过早损坏。同时，也容易和浇注合金发生熔焊现象。金属型工作温度取决于浇注合金的种类和牌号、铸件的结构形状、尺寸大小和壁厚，同时也和合金的浇注温度有关。具体的金属型工作温度可参照相关铸造手册。（4）合金的浇注温度 金属型铸造时，合金的浇注温度受下列因素的影

52、响：铸件结构：形状复杂、壁薄的大铸件，浇注温度应高些；形状简单的厚壁铸件或有较大砂芯的铸件，浇注温度应低些；铸型温度：金属型工作温度愈低，则浇注温度应愈高。为了完好地充填铸件的薄断面，提高合金浇注温度比提高铸型温度有更好的效果；浇注速度：浇注速度快时，液态金属在铸型内流动过程中热量损失少，流动性的降低也就少，因而浇注温度可低些。若由于铸件结构的要求，需缓慢浇注时，则应将浇注温度提高；浇注系统：采用顶注式浇注系统时，应该用较低的浇注温度；采用底注式浇注系统时，应该用较高的浇注温度，以便合金在温度相当高时到达顶部和冒口中；合金的种类和牌号不同，浇注温度也不同。（5）浇注过程中金属型的热平稳性 金属

53、型铸造时，生产量一般都很大，要求同一金属型成形的铸件质量应该一致。为此，要求金属型的工艺规范保持稳定。浇注温度可以由保温炉控制，因此，金属型的工作温度就成了影响热规范稳定性的主要因素。在一个浇注周期中，要想让金属型温度始终保持不变是不可能的，但要求在每次浇注时，金属型温度能稳定在所选择的温度范围内。在生产过程中，从升温到降温保持金属型的热平衡规律不变，才能保证铸造出来的铸件内、外部质量稳定。金属型热平衡的概念在设计金属型时应予以足够的重视。在复杂的金属型铸造中，有时会因砂芯组合时间过长，使铸型不能维持必要的温度，或者因型壁太厚或太薄而影响热平衡，降低铸件质量。金属型良好的热平衡对保证批生产中铸

54、件冶金质量的稳定具有十分重要的意义。小铸件因浇注周期短，容易调整热平衡，计算热平衡的价值不大。但利用金属型成形大中型铸件时，热平衡计算的意义较大，可为设计金属型壁厚提供一定的依据，同时可确定是否需要设置加热或冷却环节，具体的计算方法可参考有关资料。二、金属型结构金属型的结构形式很多，根据其分型面数、分型面方向和铸型型体的运动方式等特征，将金属型作如图212所示的分类。金属型的结构很复杂，它是由具有不同作用的许多部分组成。最典型的金属型的组成部分及作用如后：型体，内有形成铸件的型腔；底板，用来支承型体，有时也有部分型腔；型芯，包括金属芯、砂芯和壳芯；导向装置，使金属型各部分移动时位置正确，不发生

55、斜歪。当金属型安装在浇注机上时，金属型本身不设导向装置；定位装置，使金属型各部分相对位置准确；锁紧装置，使金属型型体各部分互相紧固；通气装置；加热和冷却装置；顶杆，将铸件从型腔中顶出；操作机构，有时为金属型的一部分，有时为金属型浇注机的一部分，包括开合型和抽芯机构；固定装置，将型体固定在底板上或浇注机上；搬运装置，螺纹吊环。金属型结构形式的确定取决于：铸件的形状、大小和浇注位置；分型面的方向和数目；浇注系统和冒口的形式、型芯的种类和数量；铸造合金种类；铸型中铸件的数量；生产批量的大小和采用的机械化程度。三、铸件常见缺陷及防止方法金属型铸件的常见缺陷有气孔、缩孔及缩松、渣孔、针孔、裂纹、冷隔等。

56、产生这些缺陷的原因大体上包括金属型预热温度太低、排气设计不良、涂料本身排气性不佳、金属液处理不符合要求、金属型设计存在结构或工艺方面的问题、开模时间或者浇注温度掌握不准确等。应根据出现的铸件缺陷对症下药，有针对性地解决问题。第3节 熔模铸造（重力充型铸造技术三）一、熔模铸造的原理及特点熔模铸造又称精密铸造或失蜡铸造，它是用易熔材料(蜡料及塑料等)制成精确的可熔性模型，在模型上涂以若干层耐火涂料，经过干燥、硬化成整体型壳，然后加热型壳熔失模型，再经高温焙烧而成为耐火型壳，将液体金属浇入型壳中，待冷却后即成铸件。其工艺流程如图2-13所示。模料-压蜡模-组模-修模-涂挂-撒砂-脱模-焙烧-浇注-冷

57、却-落砂-清理与其它铸造方法相比，熔模铸造的主要优点如下：铸件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可以浇注形状复杂的铸件，一般精度可达57级，粗糙度达两Ra25-6.3m；可以铸造薄壁铸件以及重量很小的铸件，熔模铸件的最小壁厚可达0.5mm，重量可以小到几克；可以铸造花纹精细的图案、文字、带有细槽和弯曲细孔的铸件；熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制，可以制造出用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂的零件，而且可以使有些组合件、焊接件在稍进行结构改进后直接铸造成整体零件，从而减轻零件重量、降低生产成本；铸造合金的类型几乎没有限制，常用来铸造合金钢件、碳钢件和耐热合金铸件；生产批量没有限制

58、，可以从单件到成批大量生产。这种铸造方法的缺点就是工艺复杂，生产周期长，不适用于生产轮廓尺寸很大的铸件。举例1：2400年随编钟出土的尊盘举世无双，精妙绝伦举例2：云南拨蜡法与航空叶片铸造技术二、模料种类及性能要求（1）模料的分类 随着熔模铸造工艺的发展，模料的种类日益繁多，组成各不相同。通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。低温模料的熔点低于60°C，我国目前广泛应用的石蜡硬脂酸各50%的模料属于这一类；高温模料的熔点高于120°C，组成为松香50%、地蜡20%、聚苯乙烯30%的模料即为较典型的高温模料。中温模料的熔点介于上述两类模料之间，现用的中温模料基本上可分为松香基和蜡基模料两种。（2）模料性能的基本要求 热物理性能：合适的熔化温度和凝固区间、较小的热膨胀和收缩、较高的耐热性（软化点）和模料在液态时应无析出物，固态时无相变；力学性能：主要有强度、硬度、塑性、柔韧性等；工艺性能：主要有粘度（或流