第一章砂型制造

材料成形工艺

重庆文理学院张杰材料成形工艺一切用物理、化学、冶金原理制造机器零部件工程结构，并以改进相应化学成分、微观组织及性能的方法和技术。绪论

Introduction一、中国材料成形工艺的发展情况材料成形工艺—由液态金属的铸造成形、固态金属的塑性成形、金属材料的焊接成形和高分子材料成形组成。材料成形工艺是现代化工业生产的技术基础其生产能力及其工艺水平对国家的工、农、国防和科学技术的发展有重大影响。中国材料铸造成形已有6000年悠久的历史，是世界上较早掌握铸造技术文明古国之一，2500多年以前(公元前513年)就铸出270kg的铸铁刑鼎，商朝起就已创造了灿烂的青铜文化。河南安阳晚商遗址出土司母戊鼎重量：857kg外形尺寸:长×宽×高（133×78×110cm）此鼎重量是迄今为世界上最古老的大型青铜器司母戊鼎商代青铜兽商代中期兽面纹甲战国青铜驯兽人材料成形工艺（铸造和焊接）是中国在世界上应用最早的国家之一，1975年甘肃东乡林家马家窑文化遗址(约公元前3000左右)出土一件青铜刀，这是目前在中国发现的最早的青铜器，早期中国古代兵器的制造是锻和铸并存，商朝晚期双头龙蜈蚣纹戈吴越复合剑制造技术：对兵器不同部位分别制造，用铸接技术连接。春秋战国时代的青铜剑，剑身及剑锋由不同成分的青铜组成，是复合材料很好的例子梯度材料古代剑刃截面图越王勾践剑吴越青铜兵器技术三绝1、菱形纹饰：表面渗金属技术，2、剑首同心圆：精密铸造技术，3、青铜复合剑合金化技术曾侯乙编钟：编钟为公元前433年楚惠王时期的铸品，1978年出土于随州曾侯乙墓内，曾侯乙编钟由64件分8组组成，最大钟重203.6kg，最小的钟重2.4kg，全套总重约5t多，钟面铸有变体龙纹和花卉纹饰，有的细如发丝。钟上铸有镀金铭文2800多字。曾侯乙编钟编钟的钟音、音阶与现代C大调七声音阶相同全套钟音域宽度跨5个八度，十二律半音均齐，每个钟均能发正鼓音与侧鼓音，这套编钟铸造技术精湛，发音准确，雄居古编钟之首。沧洲铁狮五代后周广顺三年（公元953年）铸造，重40吨山西晋祠铁人北宋绍圣四年（公元1097年）铸造黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)中国的铸、锻成形，历史悠久，在明朝以前，处于领先水平，由于长期手工作坊，不重视科技，处于落后状态。

美国M3中型坦克炮塔为整体铸造成型，生产容易,根据炮塔的形状制作模具，将钢水浇入模具，冷却后进行必要的修整，炮塔铸造就完成了。铸造和焊接的炮塔炮塔构采用铸造，发挥整体铸造结构优势，在主迎弹面上采用焊接结构的复合装甲模块，把面、背板和复合夹层组合成整体的装甲模块组件。美国M1“艾布拉姆斯”主战坦克

中国96式和99式坦克采用了铸、焊混合结构炮塔和复合装甲改革开放以来，随着国民经济持续快速发展，铸、锻、焊生产突飞猛进，取得了辉煌成就。歼10飞机歼11飞机东风41导弹歼-20隐形战机火炮中国99型主战坦克094战略核潜艇中国预警飞机岸舰导弹潜艇发射导弹中国激光武器中国激光武器鞍钢攀钢夜景新中国的大型钢铁基地一万二千吨水压机三万吨模锻水压机中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸“神舟二号”飞船运往发射工位

“神舟”一号飞船

“神舟”一号发射成功“神舟”二号发射成功“神舟”三号发射成功“神舟”四号发射成功“神舟”三号飞船

“神舟”四号飞船杨利伟升空返回全人类共同的家园飞天返回舱天宫一号突破对接技术天宫一号的实验舱和资源舱中国是铸、锻、焊成形的大国，不是强国，存在问题:

生产效率低，技术创新能力薄弱二、材料成形工艺的作用和地位机械、石油化工、冶金、航天航空、轻工等汽车的零件有80%～90%为成形工艺生产发动机罩（钢板，冲压）前灯：透镜（玻璃）聚光罩（钢板冲压）前窗玻璃（钢化玻璃或夹层玻璃）车门（钢板，冲压）顶盖（钢板、冲压）轮胎（橡胶，压出）挡泥板（钢板，冲压）仪表板（钢板，冲压）（塑料，注射）（镁合金，铸造）激光焊接底板，及侧框与车顶横梁的固定焊接三、材料成形工艺的特点（1）、材料在热态成形浇注零件铸造成形零件锻造成形正在焊接零件高分子材料注射成型（2）、材料利用率高（3）、产品性能好（4）、产品尺寸规格一致（5）、劳动生产率高（6）、热加工精度比冷加工精度低四、材料成形工艺的分类液态金属铸造成形固态金属塑性成形金属材料连接成形高分子材料成形五、材料成形工艺的发展趋势1、精密成形工艺发展趋势：以轻代重，以薄代厚，少无切削精密化，高效自动化。如精密铸件、精密锻件、板材精密冲裁

精密铸件轴方法兰板材精密冲裁产品2、复合成形工艺复合成形工艺有：铸、锻复合；锻、焊复合；铸、焊复合。3、材料成形过程的计算机数值模拟4、模具、模型及工装的计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）美国M1“艾布拉姆斯”主战坦克

铸造和焊接混合结构的炮塔中国98式主战坦克铸、焊混合结构炮塔和复合装甲六、课程的性质:是一门从生产实践中发展起来，而又直接为生产服务的科学，是一门密切结合实际的科学，它是实践性很强的课程

七、课程的目的：1.掌握材料成形工艺的基本过程与特点2.掌握材料成形工艺设计的基本内容和思路3.掌握铸、锻、焊及高分子成形工艺（包括新技术）的原理和方法教学基本要求教学安排平时成绩(40%)，期末考试(60%)本课程学习建议1、认真听讲,作好笔记2、课后看书,完成作业第一篇铸造工艺与铸造工装设计【学习指导】

以砂型铸造与铸造工艺设计为主线。

重点掌握砂型铸造工艺设计的原则、工艺分析、工艺计算、工装设计和应用。课后能够承担中等复杂程度铸件的工艺、工装设计任务。

绪论

第一章砂型与砂芯制造

第二章铸造工艺方案的确定

第三章浇注系统的设计

第四章冒口、冷铁与铸肋

第五章铸造工艺图与实例分析

第六章铸造工艺装备设计

第一节铸件综合质量观交货期1.铸件综合质量观内在质量外观质量价格↓

第一章砂型与砂芯制造

2.铸件质量三个等级

（JB/JQ82001—1990）质量品牌一等品：铸件质量达到当代工业发达国家20

世纪80年代初水平，满足出口要求。优等品：达到国际同类铸件的当代先进水平。

合格品：铸件质量满足用户（甲方）要求；铸件生产过程中（乙方）质量稳定。3.铸造厂商三大经营准则效率优先

质量第一

成本低廉第二节铸型工作条件及其与金属的相互作用第二节铸型工作条件及其与金属的相互作用热的作用1.铸型工作条件恶劣力的作用压铁压铁化学作用2.处于恶劣工作条件的部分是砂型接触区

砂型接触区——与金属液直接接触及其受影响的薄层（面砂层），与铸件壁厚相当。3.金属与砂型接触区的相互作用

机械作用——冲击与冲刷等；

热的作用——由热交换引起；

化学作用——有机物、炭粉燃烧。

结果：1）导致铸件尺寸、形状和性能改变；

2）铸件可能出现表面夹砂、内外孔洞（气孔、砂眼）、裂纹和变形等缺陷。第三节砂型与砂芯1.型（芯）砂的性能要求

1）强度（湿态抗压强度、干态抗拉强度）

2）可塑性

3）透气性

4）对铸件收缩的退让性

5）耐火度和化学稳定性

6）出砂性（溃散性）2.常用铸铁湿型砂配料1）原砂硅砂（SiO2，熔点：1713℃）以圆形颗粒为优。按wSiO2(≥80﹪~95﹪)分成7级(GB/T9442—1998)，泥含量越少越好。硅砂主要应用于铸铁和铸造有色合金。

粘土型砂结构示意图

1-原砂粒2-孔洞

3-附加物4-粘土、水分胶体

粘土水湿后使型砂具有粘结性和可塑性。干态下具有一定强度。粘土的粘结力基于粘土质点的水化作用，形成水化膜，对原砂粒起着“桥”的作用而使之连结起来。

加入适量的苏打(Na2CO3)

水对粘土进行活化处理可提高粘土的粘结性和可塑性。

2）粘土（Al2O3-2SiO2-2H2O）与水分

粘土型砂中水分

控制原理图3）附加物（煤粉、渣油、淀粉等）作用：改善铸件表面质量。机理：在合金液的高温作用下于铸型表面产生大量还原性气体（CO）,防止金属液被氧化，使金属液表面的氧化物被还原。加入量：3﹪-8﹪（质量分数）

东风汽车公司铸造工厂湿型砂性能及成分配比实例见表一、表二。表一：东风汽车公司铸造工厂铸铁湿型砂性能用途

铸件型砂性能

W水分（﹪）紧实度（﹪）透气率湿压强度/KPaW泥分（﹪）干拉强度

/KPa

其他

高压造型单一砂

气缸体（HT250）

3.8-4.632-46≥110

130-17010-15

有效煤粉6-8有效粘土7-9

曲轴（QT700-2）3.6-4.032-40≥100120-150≤15有效煤粉4-6有效粘土7-9

桥壳（QT400-10）5.0-6.035-45≥120110-14010-13.5有效粘土

8-10

挤压造型

单一砂

灰铸铁小件3.5-4.4

36-44≥100120-150≤14有效煤粉4-6有效粘土7-9

球铁小件4.6-5.334-45≥100120-150

表二：东风汽车公司铸造工厂湿型砂配比用途

铸件型砂配比旧砂新砂粘土

煤粉

苏打

（以粘土为基）

其他

高压造型单一砂

气缸体（HT250）

965.01.321.24

水液3-4

曲轴（QT700-2）965.01.35-1.80.75-1.1

水液3

桥壳（QT400-10）95.25.51.00.8

水液3

挤压造型

单一砂

灰铸铁小件965.01.35-1.80.75-1.1

水液3

球铁小件93-955.51.0-1.50.3-0.5

水液33、铸钢用砂1)粘土砂要求：高的耐火度，好的透气性，低的容让性和低的发气性等。特点：

新砂比例大，颗粒粗，泥分少；重要的大型铸钢件用镁砂（MgO）、锆砂（ZrSiO2），尽管价格较贵；一般用干型，表面刷涂料。成分配比：见表三。

2)

水玻璃砂

用钠水玻璃（Na2O·mSiO2·nH2O）作粘结剂，以CO2快速硬化，形成CO2硬化砂。常用于铸钢件。

反应式：

Na2O·mSiO2·

(n+1)H2O+CO2=Na2CO3+mSiO2·pH2O+(n-p)H2O

水玻璃模数:

M=nSiO2/nNa2O=1.033(WSiO2/WNa2O)

水玻璃密度：水玻璃溶液中硅酸含量。一般控制在1.45-1.6g/cm2

表三：铸钢用粘土砂成分与性能

种类成分（质量比）（﹪）性能新砂旧砂膨润土粘土水分其他湿透气率湿压强度/104Pa

干拉强度

/104Pa粒度用量

湿型3020～3080～703-85-6纸浆1-1.5≥100

4.9-5.88

干型85505010-146.8-8糖浆

3≥806.37-7.84≥9.8

水玻璃砂（M=2-3）

粗100烧碱水0.74-54-5水玻璃

8-9≥1002.45-2.94≥1474、有机粘结剂砂

——主要用于芯砂配制。

分为植物油砂、合脂砂和树脂砂1）植物油砂（桐油、亚麻油、豆油等）

特性：高的干强度，低的发气量，小的吸湿性。流动性好，不粘模。但湿强度低。砂芯具有良好的容让性、透气性和溃散性。

油砂配制工艺：

选中等粒度的原砂；桐油加入量1﹪-3﹪（质量分数）；粘土量控制在1﹪左右（质量分数）；

水分控制在3﹪左右（质量分数）；烘干温度

200-250℃/1-2小时

应用：

因桐油资源宝贵，现在很少用于大量生产，主要用在小批量复杂砂芯制造中。2）合脂砂

合脂为制皂残液。经煤油或汽油稀释用作粘结剂，价格较低。稀释比为10：6～10：10。多用来制造非铁合金铸件的制芯。可适量加入纸浆、粘土和水分。烘干温度：200-240℃/1-3小时3）树脂砂（录象）

用人工合成树脂替代植物油、合脂作芯砂粘结剂是一大发明，使型芯质量和制芯效率明显提高。铸造用人工合成树脂，常用热塑性树脂。市场供应主要有酚醛树脂和呋喃Ⅰ、Ⅱ型树脂。使用时另加一定量的化学固化剂。树脂砂按制芯工艺和硬化方法不同分为：

壳芯树脂砂；

热芯盒树脂砂；

冷芯盒树脂砂。●壳芯树脂砂及其制芯

壳芯树脂砂配方实例原砂原砂粒度酚醛树脂

乌洛托品水/乌洛托品硬脂酸钙干拉强度/104Pa

应用占砂量占树脂100100.741：10.35245-343中小壳芯10021或156-7151：1245-343大型壳芯10021或156

1：10.2-0.3245-343

细长芯16

用壳芯树脂砂制芯可得到薄壳芯

壳芯树脂砂又称覆膜砂。

酚醛树脂在芯盒模壁温度200-280℃时熔化而包覆砂粒表面，起到连桥作用，形成相对坚硬的薄壳。

●

模腔中部树脂未能熔化，对众多砂粒形成不了连桥而松散，它们将随芯盒旋转、摇摆回送砂斗，可继续使用。这样能够得到薄壳中空型芯。

好处：既节约原材料，又可利于型芯排气。●用壳芯树脂砂制芯的方法

用顶吹法或底吹法将壳芯树脂砂吹入预热至200-280℃的金属芯盒中受热固化薄层。

芯盒旋转、摇摆而将砂芯内未能固化的松散树脂砂回送砂斗。

壳芯在芯盒内进一步固化后即可开模取芯。●热芯盒树脂砂及其制芯

用原砂2﹪-3﹪（质量分数）的呋喃Ⅰ、Ⅱ型树脂作粘结剂。用20﹪树脂量的氯化铵、尿素水溶液作固化剂。

氯化铵：尿素：水=1：3：3（质量配比）即可得到热芯盒树脂砂。（混砂录象）●热芯盒树脂砂制芯工艺

方法：用射芯机制芯；芯盒预热温度：180-260℃；硬化时间：

30-40秒。缺点：有少量氨气放出，污染车间环境。建议用无氮树脂，即呋喃Ⅰ、Ⅱ型树脂作粘结剂。●冷硬树脂砂制芯工艺

用冷硬树脂砂