湿砂型铸造的原理?(具体详细点）

湿砂型铸造的原理?(具体详细点）
湿砂型铸造的原理?(具体详细点）

湿砂型铸造的原理?(具体详细点）
1 概述
粘土砂型可分为湿型、干砂型和表面烘干砂型.三者之间的主要差别在于：湿型是造好的砂型不经烘干,直接浇入高温金属液体；干砂型是在合箱和浇注前将整个砂型送入窑中烘干；表面烘干砂型只在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度（一般5～10mm,大件20mm以上）.
目前,湿型砂是使用最广泛的、最方便的造型方法,大约占所有砂型使用量的60～70％,但是这种方法还不适合很大或很厚实的铸件.表面烘干型与干型比,可节省烘炉,节约燃料和电力,缩短生产周期,所以曾在中型和较大型铸铁件的生产中推广过.通常采用较粗砂粒（使有高的透气性）,加入较多粘土和水分,有时还在型砂中加1～2％的木屑（提高抗夹砂结疤能力）,其型腔表面必须涂敷涂料.
干型主要用于重型铸铁件和某些铸钢件,为了防止烘干时铸型开裂,一般在加入膨润土的同时还加入普通粘土.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,因此,近些年的干型,包括表面烘干的粘土政型已大部分被化学粘结的自硬砂型所取代.
2 湿型铸造
2.1湿型铸造特点
湿型铸造法的基本特点是砂型（芯）无需烘干,不存在硬化过程.其主要优点是生产灵活性大,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；材料成本低；节省了烘干设备、燃料、电力及车间生产面积；延长了砂箱使用寿命等.但是,采用湿型铸造,也容易使铸件产生一些铸造缺陷,如：夹砂、结疤、鼠尾、粘沙、气孔、砂眼、胀砂等.随着铸造科学技术的发展,对金属与铸型相互作用原理的理解更加深刻；对型砂质量的控制更为有效；加上现代化砂处理设备使型砂质量得到了一定保证；先进的造型机械使型砂紧实均匀,起模平稳,铸型的质量较高,促进了湿型铸造方法应用范围的扩大.例如汽车、拖拉机、柴油机等工业中,质量在300～500kg以下的薄壁铸铁件,现都已成功地采用湿型铸造.现代化造型方法有：普通机器造型、微震压实造型、多触头高压造型、射压造型、冲击造型及静压造型等.各种造型方法的特点及所生产的铸件尺寸精度和表面粗糙度值见表1.
2.2 湿型砂用原材料(铸造用砂数据查询)
湿型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比组成的.常用的加料顺序是先将回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混匀,再加水混至要求的水分.型砂的配方应根据浇注合金种类、铸件特征和要求、造型方法和工艺、清理方法等因素确定型砂应具有的性能范围,然后再根据各种造型原材料的品种和规格、砂处理方法和设备性能、砂铁比等因素拟定.
(1) 石英质原砂(具体参数请查询铸造技术数据-铸造技术-铸造工艺参数-铸造造型材料-铸造用砂)
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.天然硅砂资源丰富,分布极广,易于开采,价格低廉,能满足铸造上多数情况的要求.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氛,与铸型相接触的界面上金属容易氧化生成FeO和其他金属氧化物,因而较易与型砂中杂质进行化学反应而造成化学粘砂.所以要求原砂中SiO2含量应较高,有害杂质亦应严格控制.铸钢件的浇注温度越高,壁厚越厚,则对原砂中SiO2含量的要求就越高.
(2) 非石英质原砂

非石英质原砂是指矿物组成中不含或只会少量游离SiO2的原砂.虽然硅砂来源广,价格低,能满足一般铸铁、铸钢和非铁合金铸件生产的要求而得到广泛应用,但是硅砂还有一些缺点：热膨胀系数比较大,热扩散率比较低,蓄热系数比较低,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.在生产高合金铜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,使铸件的清理十分困难.清砂过程中,工人长期吸入硅石粉尘易患矽肺.
为了提高铸件表面质量,改善劳动条件,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,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破、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、钛铁矿砂、铝矾土砂等等.
(3) 粘土(粘结剂数据查询)

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能恢复粘结性和可塑性,因而具有较好的复用性.粘土资源丰富,价格低廉,所以应用广泛.
粘土主要是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料.按晶体结构可分为高岭石（kaolinite）组,包括高岭石、珍珠陶土、地开石、埃洛石等；蒙脱石（montrillonite）组,包括蒙脱石、贝得石、绿脱石、皂石等；伊利石（illite）组,包括依利石、海绿石等.
铸造工作者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.铸造用粘土主要含有高岭石或依利石类矿物.
(4) 附加物(辅助材料数据查询)
型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外,通常还加入一些附加物如煤粉、渣油、淀粉等,目的是使型砂具有特定的性能,并改善铸件的表面质量.
在铸铁及有色合金用湿型砂中加入煤粉,可以防止铸件表面产生粘砂缺陷,并能改善铸件的表面光洁程度.湿型铸铁件所用型砂中煤粉的含量常在3～8％（质量分数）范围内,根据铸件大小和厚薄而异.
煤粉的代用材料,包括固体沥青或其乳化液,渣油或煤焦油或其乳合液,膨润土与沥青或其他石油衍生物的混合粉末或浆液,固态或水中分散的合成聚合物和淀粉等.铸铁面砂中淀粉含量（按质量分数计）一般为0.5％左右,铸钢面砂在0.5～1.0％左右.
3 湿型砂性能要求及检测方法
高质量型砂应当具有为铸造出高质量铸件所必备的各种性能.根据铸件合金的种类,铸件的大小、厚薄、浇注温度、金属液压头、砂型紧实方法、紧实比压、起模方法、浇注系统的形状、位置和出气孔情况,以及砂型表面风干情况等的不同,对湿型砂性能提出不同的要求.最主要的,即直接影响铸件质量和造型工艺的湿型性能有水分、透气性、强度、紧实率、变形量、破碎指数、流动性、含泥量、有效粘土含量、颗粒组成、缅化物、砂温、发气性、有效煤粉含量、灼烧减量、抗夹砂性、抗粘砂性等.
3.1 水分、最适宜湿程度和紧实率
为了得到所需要的湿态强度和韧性,粘土砂必须含有适量水分,太干或太湿均不适于造型,也难铸造出合格铸件.因此,型砂的干湿程度必须保持在一个适宜的范围内.
判断型砂干湿程度有以下几种方法：
（l）水分也叫含水量或湿度 它是表示型砂中所含水分的质量百分数,这是一般工厂中确定型砂干湿程度最常用的传统方法.测定的原理是称取定量的型砂,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）手捏感觉 有实际操作的混砂或造型工人常根据用手捏型砂时砂是否容易成团和是否沾手来判断型砂的干湿程度,还根据捏紧动作中砂是否柔软和变形情况来判断型砂的可塑性；根据手指掐碎砂团时用力大小来判断型砂的强度是否合适.
（3）紧实率 是指湿型砂用 1MPa的压力压实或者在鼓击式制作机上打击三次,其试样体积在紧实前后的变化百分率,用试样紧实前后高度变化的百分数来表示,见图1,即紧实率=〔（筒高一紧实距离）筒高〕×100%.
手工和机器造型用型砂最适干湿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％；不管型砂中有效膨润上、煤粉和灰分的含量有多少,只要将紧实率控制在上述范围内,手捏感觉的干湿程度就处于最适宜状态.这时型砂的水分可称为最适宜水分.
图1 紧实率测定法示意图
a)填满型砂b)刮去多余型砂c)紧实
3.2 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.
透气性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘结剂种类、加入量和混砂时粘结剂在砂粒上的分布状况以及型砂紧实度的影响.对于湿型的单一砂和面砂而言,透气性不但要有下限,而且必须严格规定其上限.
图2为透气性测定仪原理图,它是测出气钟内的空气在压力下通过试样的时间来计算透气性k.
图2透气性测定仪示意图
1 一气钟 2一木简 3一三通阀 4一试样座 5一试样筒 6一标准试样 7一微压表 8一阻流孔
3.3 湿态强度
型砂必须具备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,往往主要检查型砂石的湿态抗压强度,有的也测湿态抗剪强度和湿态抗拉强度.对普通机器造型用湿型砂,通常控制湿压强度为0.06~0.12MPa之间,高密度造型用湿型砂,湿压强度常控制在0.09~0.20MPa.
在生产中常采用表面硬度计测定硬度,以此反映型砂紧实的质量,反映铸型表面强度.
3.4 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.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,这有助于防止机械粘砂,获得光洁的铸件.此外,还能减轻造型紧实砂的劳动强度,提高生产率和便于实现造型、造芯过程的机械化.
目前测流动性的方法还未统一,较多采用以下几种方方法来判定型砂流动性：①用湿型硬度计测定标准试样两个端面硬度值的差别,硬度差别越小,指明型砂的流动性越好；②在标准圆柱形试样简中放置一块高25mm的半圆形金属块,测定阶梯试样两平面的硬度差值；③测定在底侧有环形空腔型砂试样筒中冲击成的试样的高度；④侧孔法：测定在冲击型砂试样时圆柱形试样简侧面 12mm 小孔中挤出的型砂的质量.⑤试样质量法：即对比测定紧实率后的试样质量,容积密度愈大,则流动性好.
3.5 起模性、变形量、韧性和破碎指数
型砂的起模性是表示起模时模样或模板与砂型分离是否容易损坏,是否产生掉落的性能.
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）.由此也可计算出型砂韧性,即将型砂湿压强度(MPa)承变形量(cm)再乘1000的乘机来表示韧性(MPa.cm).
对湿型砂而言,有人认为韧性也可用破碎指数来代表,即测定在冲击条件下型砂的韧性.图3为用落球法测定破碎指数示意图.湿型砂标准抗压试样放在铁砧上受到一个自 lm高度自由落下的φ50mm、510g钢球的冲击,破碎的型砂,碎的通过网眼为12.7mm（0.5in）的筛网,留在筛网上的大块型砂的质量占试样原质量的比值即为破碎指数.通常震压造型的破碎指数控制在68～75％,高压造型型砂的破碎指数要求在68％左右.
图3 落球法测定破碎指数示意图
3.6 发气量和有效煤粉含量
为了检查铸铁件用湿型砂的抗机械粘砂能力和推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（发气量）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,cm／g）；或测定气体的压力（容积恒定,发气量大,压力大）；或称量残留物的质量（灼烧碱量）,以确定发气量.
湿型砂制备
在拟定型砂的配方之前,必须首先根据浇注合金种类、铸件特征和要求、造型方法和工艺、清理方法等因素确定型砂应具有的性能范围.然后再根据各种造型原材料的品种和规格、砂处理方法和设备性能、砂铁比和各项材料烧棉比例等因素拟定型砂的配方一个车间的型砂性能指标和配方要经长期生产考验才能确定.
4.1 湿型砂的性能和配方特点
表2是一些工厂用型砂性能的实例.
表2 铸铁件湿型砂典型性能
造型方法

水分
(%)

湿压强度(kPa)

热湿强度(kPa)

紧实率
(%)

透气性

有效粘土(%)

挥发分
(%)

灼减
(%)

泥分
(%)

AFS细度

震压造型

3～4

70～100

－

45～52

80～100

5．0～5.5

2.5

7.0～7.5

__

约55

高压造型

2.5～3.2

150～200

__

38～40

80～100

6.0～10.0

2.0

6.0

9.0～15.0

约55

气冲造型

4.3

266.0

2.6

30.5

89

8.6

1.7

6.8

15.5

54

4.4

231

3.0

32

110

9.1

1.3

5.2

15.1

62

4.1

231

3.0

32

110

9.1

1.3

5.2

15.1

62

2.9

243.0

2.8

36.0

78

8.4

o.9

1.3

8.9

63

3.6

196.5

1.35

27.6

164

6.4

1.5

4.7

12.7

61

4.2 旧砂的特性及其处理
生产1t湿型铸件约需要5～10t型砂,在实际生产中,配制型砂时都尽量回用旧砂（即重复使用过的型砂）、这不仅是经济上的需要,而且也是保护环境、防止公害的需要.图4为铸铁湿型单一砂循环过程的示意图.可以看出,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.
铸件打箱后,砂中常有铁块、铁豆和砂块等杂物,因而旧砂要经过多次磁选、破碎团块及过筛去除杂物.还应该经过除尘处理,降低旧砂中的粉尘含量,然后回用.另外,还要采取一系列措施以降低旧砂温度.
图4铸铁湿型单一砂循环过程示意图
4.3 湿型砂的混制工艺
生产中常用的混砂机有碾轮式、摆轮式、叶片式等.有些大量生产的铸造工厂使用的双碾盘碾轮式混砂机,是一种高生产率的连续式混砂机.常用的加料顺序是先将回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混匀,再加水混至要求的水分.对湿型砂而言,混砂时严格控制加水量是必要的.