濕砂型鑄造基本材料

砂型制造砂型的基本原材料是鑄造砂和型砂粘結(jié)劑。最常用的鑄造砂是硅質(zhì)砂。硅砂的高溫性能不能滿足使用要求時(shí)則使用鋯英砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特種砂。為使制成的砂型和型芯具有一定的強(qiáng)度，在搬運(yùn)、合型及澆注液態(tài)金屬時(shí)不致變形或損壞，一般要在鑄造中加入型砂粘結(jié)劑，將松散的砂粒粘結(jié)起來成為型砂。應(yīng)用最廣的型砂粘結(jié)劑是粘土，也可采用各種干性油或半干性油、水溶性硅酸鹽或磷酸鹽和各種合成樹脂作型砂粘結(jié)劑。砂型鑄造中所用的外砂型按型砂所用的粘結(jié)劑及其建立強(qiáng)度的方式不同分為粘土濕砂型、粘土干砂型和化學(xué)硬化砂型3種。

粘土濕砂型以粘土和適量的水為型砂的主要粘結(jié)劑，制成砂型后直接在濕態(tài)下合型和澆注。濕型鑄造歷史悠久，應(yīng)用較廣。濕型砂的強(qiáng)度取決于粘土和水按一定比例混合而成的粘土漿。型砂一經(jīng)混好即具有一定的強(qiáng)度，經(jīng)舂實(shí)制成砂型后，即可滿足合型和澆注的要求。因此型砂中的粘土量和水分是十分重要的工藝因素。

粘土濕砂型鑄造的優(yōu)點(diǎn)是：①粘土的資源豐富、價(jià)格便宜。②使用過的粘土濕砂經(jīng)適當(dāng)?shù)纳疤幚砗螅^大部分均可回收再用。③制造鑄型的周期短、工效高。④混好的型砂可使用的時(shí)間長(zhǎng)。⑤砂型舂實(shí)以后仍可容受少量變形而不致破壞，對(duì)拔模和下芯都非常有利。缺點(diǎn)是：①混砂時(shí)要將粘稠的粘土漿涂布在砂粒表面上，需要使用有搓揉作用的高功率混砂設(shè)備，否則不可能得到質(zhì)量良好的型砂。②由于型砂混好后即具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,造型時(shí)型砂不易流動(dòng)，難以舂實(shí),手工造型時(shí)既費(fèi)力又需一定的技巧，用機(jī)器造型時(shí)則設(shè)備復(fù)雜而龐大。③鑄型的剛度不高，鑄件的尺寸精度較差。④鑄件易于產(chǎn)生沖砂、夾砂、氣孔等缺陷。

20世紀(jì)初鑄造業(yè)開始采用輾輪式混砂機(jī)混砂，使粘土濕型砂的質(zhì)量大為改善。新型大功率混砂機(jī)可使混砂工作達(dá)到高效率、高質(zhì)量。以震實(shí)為主的震擊壓實(shí)式造型機(jī)的出現(xiàn)，又顯著提高了鑄型的緊實(shí)度和均勻性。隨著對(duì)鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量要求的提高，又出現(xiàn)了以壓實(shí)為主的高壓造型機(jī)。用高壓造型機(jī)制造粘土濕砂型，不但可使鑄件尺寸精度提高，表面質(zhì)量改善，而且使緊實(shí)鑄型的動(dòng)作簡(jiǎn)化、周期縮短，使造型、合型全工序?qū)崿F(xiàn)高速化和自動(dòng)化。氣體沖擊加壓的新型造型機(jī)，利用粘土漿的觸變性,可由瞬時(shí)施以0.5兆帕的壓力而得到非常緊密的鑄型。這些進(jìn)展是粘土濕砂型鑄造能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)要求的重要條件。因而這種傳統(tǒng)的工藝方法一直被用來生產(chǎn)大量?jī)?yōu)質(zhì)鑄件。

粘土干砂型制造這種砂型用的型砂濕態(tài)水分略高于濕型用的型砂。砂型制好以后，型腔表面要涂以耐火涂料，再置于烘爐中烘干，待其冷卻后即可合型和澆注。烘干粘土砂型需很長(zhǎng)時(shí)間，要耗用大量燃料，而且砂型在烘干過程中易產(chǎn)生變形，使鑄件精度受到影響。粘土干砂型一般用于制造鑄鋼件和較大的鑄鐵件。自化學(xué)硬化砂得到廣泛采用后，干砂型已趨于淘汰。

化學(xué)硬化砂型這種砂型所用的型砂稱為化學(xué)硬化砂。其粘結(jié)劑一般都是在硬化劑作用下能發(fā)生分子聚合進(jìn)而成為立體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，常用的有各種合成樹脂和水玻璃。化學(xué)硬化基本上有3種方式。

①自硬:粘結(jié)劑和硬化劑都在混砂時(shí)加入。制成砂型或型芯后，粘結(jié)劑在硬化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致砂型或型芯自行硬化。自硬法主要用于造型，但也用于制造較大的型芯或生產(chǎn)批量不大的型芯。

②氣霧硬化:混砂時(shí)加入粘結(jié)劑和其他輔加物，先不加硬化劑。造型或制芯后，吹入氣態(tài)硬化劑或吹入在氣態(tài)載體中霧化了的液態(tài)硬化劑，使其彌散于砂型或型芯中，導(dǎo)致砂型硬化。氣霧硬化法主要用于制芯，有時(shí)也用于制造小型砂型。

③加熱硬化:混砂時(shí)加入粘結(jié)劑和常溫下不起作用的潛硬化劑。制成砂型或型芯后，將其加熱，這時(shí)潛硬化劑和粘結(jié)劑中的某些成分發(fā)生反應(yīng)，生成能使粘結(jié)劑硬化的有效硬化劑，從而使砂型或型芯硬化。加熱硬化法除用于制造小型薄殼砂型外，主要用于制芯。

化學(xué)硬化砂型鑄造工藝的特點(diǎn)是：①化學(xué)硬化砂型的強(qiáng)度比粘土砂型高得多，而且制成砂型后在硬化到具有相當(dāng)高的強(qiáng)度后脫膜，不需要修型。因而，鑄型能較準(zhǔn)確地反映模樣的尺寸和輪廓形狀，在以后的工藝過程中也不易變形。制得的鑄件尺寸精度較高。②由于所用粘結(jié)劑和硬化劑的粘度都不高，很易與砂?；靹?，混砂設(shè)備結(jié)構(gòu)輕巧、功率小而生產(chǎn)率高，砂處理工作部分可簡(jiǎn)化。③混好的型砂在硬化之前有很好的流動(dòng)性，造型時(shí)型砂很易舂實(shí)，因而不需要龐大而復(fù)雜的造型機(jī)。④用化學(xué)硬化砂造型時(shí),可根據(jù)生產(chǎn)要求選用模樣材料,如木、塑料和金屬。⑤化學(xué)硬化砂中粘結(jié)劑的含量比粘土砂低得多,其中又不存在粉末狀輔料,如采用粒度相同的原砂，砂粒之間的間隙要比粘土砂大得多。為避免鑄造時(shí)金屬滲入砂粒之間，砂型或型芯表面應(yīng)涂以質(zhì)量?jī)?yōu)良的涂料。⑥用水玻璃作粘結(jié)劑的化學(xué)硬化砂成本低、使用中工作環(huán)境無氣味。但這種鑄型澆注金屬以后型砂不易潰散；用過的舊砂不能直接回收使用，須經(jīng)再生處理，而水玻璃砂的再生又比較困難。⑦用樹脂作粘結(jié)劑的化學(xué)硬化砂成本較高,但澆注以后鑄件易于和型砂分離,鑄件清理的工作量減少，而且用過的大部分砂子可再生回收使用。

型芯為了保證鑄件的質(zhì)量，砂型鑄造中所用的型芯一般為干態(tài)型芯。根據(jù)型芯所用的粘結(jié)劑不同，型芯分為粘土砂芯、油砂芯和樹脂砂芯幾種。

粘土砂芯用粘土砂制造的簡(jiǎn)單的型芯。

油砂芯用干性油或半干性油作粘結(jié)劑的芯砂所制作的型芯，應(yīng)用較廣。油類的粘度低，混好的芯砂流動(dòng)性好，制芯時(shí)很易緊實(shí)。但剛制成的型芯強(qiáng)度很低，一般都要用仿形的托芯板承接，然后在200～300℃的烘爐內(nèi)烘數(shù)小時(shí)，借空氣將油氧化而使其硬化。這種造芯方法的缺點(diǎn)是：型芯在脫模、搬運(yùn)及烘烤過程中容易變形，導(dǎo)致鑄件尺寸精度降低；烘烤時(shí)間長(zhǎng)，耗能多。

樹脂砂芯用樹脂砂制造的各種型芯。型芯在芯盒內(nèi)硬化后再將其取出，能保證型芯的形狀和尺寸的正確。根據(jù)硬化方法不同，樹脂砂芯的制造一般分為熱芯盒制芯和冷芯盒制芯兩種方法。①熱芯盒法制芯：50年代末期出現(xiàn)。通常以呋喃樹脂為芯砂粘結(jié)劑，其中還加入潛硬化劑(如氯化銨)。制芯時(shí)，使芯盒保持在200～300℃，芯砂射入芯盒中后，氯化銨在較高的溫度下與樹脂中的游離甲醛反應(yīng)生成酸，從而使型芯很快硬化。建立脫模強(qiáng)度約需10～100秒鐘。用熱芯盒法制芯,型芯的尺寸精度比較高，但工藝裝置復(fù)雜而昂貴，能耗多，排出有刺激性的氣體，工人的勞動(dòng)條件也很差。②冷芯盒法制芯：60年代末出現(xiàn)。用尿烷樹脂作為芯砂粘結(jié)劑。用此法制芯時(shí),芯盒不加熱,向其中吹入胺蒸汽幾秒鐘就可使型芯硬化。這種方法在能源、環(huán)境、生產(chǎn)效率等方面均優(yōu)于熱芯盒法。70年代中期又出現(xiàn)吹二氧化硫硬化的呋喃樹脂冷芯盒法。其硬化機(jī)理完全不同于尿烷冷芯盒法，但工藝方面的特點(diǎn)，如硬化快、型芯強(qiáng)度高等，則與尿烷冷芯盒法大致相同。

由于砂型鑄造所用的造型材料價(jià)廉易得，鑄型制造簡(jiǎn)便，對(duì)鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)，長(zhǎng)期以來，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝。

砂型鑄造所用鑄型一般由外砂型和型芯組合而成。為了提高鑄件的表面質(zhì)量，常在砂型和型芯表面刷一層涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高溫化學(xué)穩(wěn)定性好的粉狀材料和粘結(jié)劑，另外還加有便于施涂的載體（水或其他溶劑）和各種附加物。

濕砂型鑄造是以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，液態(tài)金屬在重力下充填鑄型來生產(chǎn)鑄件的鑄造方法。鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。

鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件

粘土濕砂型以粘土和適量的水為型砂的主要粘結(jié)劑，制成砂型后直接在濕態(tài)下合型和澆注。濕型鑄造歷史悠久，應(yīng)用較廣。濕型砂的強(qiáng)度取決于粘土和水按一定比例混合而成的粘土漿。型砂一經(jīng)混好即具有一定的強(qiáng)度，經(jīng)舂實(shí)制成砂型后，即可滿足合型和澆注的要求。因此型砂中的粘土量和水分是十分重要的工藝因素。

粘土濕砂型鑄造的優(yōu)點(diǎn)是：①粘土的資源豐富、價(jià)格便宜。②使用過的粘土濕砂經(jīng)適當(dāng)?shù)纳疤幚砗?，絕大部分均可回收再用。③制造鑄型的周期短、工效高。④混好的型砂可使用的時(shí)間長(zhǎng)。⑤砂型舂實(shí)以后仍可容受少量變形而不致破壞，對(duì)拔模和下芯都非常有利。缺點(diǎn)是：①混砂時(shí)要將粘稠的粘土漿涂布在砂粒表面上，需要使用有搓揉作用的高功率混砂設(shè)備，否則不可能得到質(zhì)量良好的型砂。②由于型砂混好后即具有相當(dāng)高的強(qiáng)度,造型時(shí)型砂不易流動(dòng)，難以舂實(shí),手工造型時(shí)既費(fèi)力又需一定的技巧，用機(jī)器造型時(shí)則設(shè)備復(fù)雜而龐大。③鑄型的剛度不高，鑄件的尺寸精度較差。④鑄件易于產(chǎn)生沖砂、夾砂、氣孔等缺陷。

20世紀(jì)初鑄造業(yè)開始采用輾輪式混砂機(jī)混砂，使粘土濕型砂的質(zhì)量大為改善。新型大功率混砂機(jī)可使混砂工作達(dá)到高效率、高質(zhì)量。以震實(shí)為主的震擊壓實(shí)式造型機(jī)的出現(xiàn)，又顯著提高了鑄型的緊實(shí)度和均勻性。隨著對(duì)鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量要求的提高，又出現(xiàn)了以壓實(shí)為主的高壓造型機(jī)。用高壓造型機(jī)制造粘土濕砂型，不但可使鑄件尺寸精度提高，表面質(zhì)量改善，而且使緊實(shí)鑄型的動(dòng)作簡(jiǎn)化、周期縮短，使造型、合型全工序?qū)崿F(xiàn)高速化和自動(dòng)化。氣體沖擊加壓的新型造型機(jī)，利用粘土漿的觸變性,可由瞬時(shí)施以0.5兆帕的壓力而得到非常緊密的鑄型。這些進(jìn)展是粘土濕砂型鑄造能適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)要求的重要條件。因而這種傳統(tǒng)的工藝方法一直被用來生產(chǎn)大量?jī)?yōu)質(zhì)鑄件。

當(dāng)前，鑄造業(yè)仍以普通濕砂型鑄造為主，型砂質(zhì)量對(duì)鑄件有著直接和重要影響。實(shí)際生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)表明，鑄件廢品中有60%以上源于型砂及鑄型質(zhì)量問題。為了降低鑄件廢品率，提高經(jīng)濟(jì)效益，幾十年來，鑄造工作者研制出多種型砂自動(dòng)檢測(cè)裝置及型砂質(zhì)量控制系統(tǒng) 。

但是到目前為止，還有很多的型砂性能和組分仍然局限于間接和近似的檢測(cè)與控制，尚待鑄造工作者進(jìn)一步開發(fā)。因此，型砂質(zhì)量的自動(dòng)檢測(cè)與控制一直是鑄造領(lǐng)域的重要前沿研究課題之一。