砂型鑄造濕型鑄造

砂型鍛造-濕型鍛造

1概述

粘土砂型可分為濕型、干砂型和表面烘干砂型。三者之間的重要差別在于：濕型是造好的砂型不經(jīng)烘干，直接澆入高溫金屬液體；干砂型是在合箱和澆注前將整個(gè)砂型送入窯中烘干；表面烘干砂型只在澆注前對(duì)型腔表層用適宜辦法烘干一定深度（普通5～10mm，大件20mm以上）。

現(xiàn)在，濕型砂是使用最廣泛的、最方便的造型辦法，大概占全部砂型使用量的60～70％，但是這種辦法還不適合很大或很厚實(shí)的鑄件。表面烘干型與干型比，可節(jié)省烘爐，節(jié)省燃料和電力，縮短生產(chǎn)周期，因此曾在中型和較大型鑄鐵件的生產(chǎn)中推廣過。普通采用較粗砂粒（使有高的透氣性），加入較多粘土和水分，有時(shí)還在型砂中加1～2％的木屑（提高抗夾砂結(jié)疤能力），其型腔表面必須涂敷涂料。

干型重要用于重型鑄鐵件和某些鑄鋼件，為了避免烘干時(shí)鑄型開裂，普通在加入膨潤(rùn)土的同時(shí)還加入普通粘土。干型重要靠涂料確保鑄件表面質(zhì)量。其型砂和砂型的質(zhì)量比較容易控制，但是砂型生產(chǎn)周期長(zhǎng)，需要專門的烘干設(shè)備，鑄件尺寸精度較差，因此，近些年的干型，涉及表面烘干的粘土政型已大部分被化學(xué)粘結(jié)的自硬砂型所取代。2濕型鍛造濕型鍛造特點(diǎn)

濕型鍛造法的基本特點(diǎn)是砂型（芯）無需烘干，不存在硬化過程。其重要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)靈活性大，生產(chǎn)率高，生產(chǎn)周期短，便于組織流水生產(chǎn)，易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化和自動(dòng)化；材料成本低；節(jié)省了烘干設(shè)備、燃料、電力及車間生產(chǎn)面積；延長(zhǎng)了砂箱使用壽命等。但是，采用濕型鍛造，也容易使鑄件產(chǎn)生某些鍛造缺點(diǎn)，如：夾砂、結(jié)疤、鼠尾、粘沙、氣孔、砂眼、脹砂等。隨著鍛造科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)金屬與鑄型互相作用原理的理解更加深刻；對(duì)型砂質(zhì)量的控制更為有效；加上當(dāng)代化砂解決設(shè)備使型砂質(zhì)量得到了一定確保；先進(jìn)的造型機(jī)械使型砂緊實(shí)均勻，起模平穩(wěn)，鑄型的質(zhì)量較高，增進(jìn)了濕型鍛造辦法應(yīng)用范疇的擴(kuò)大。例如汽車、拖拉機(jī)、柴油機(jī)等工業(yè)中，質(zhì)量在300～500kg下列的薄壁鑄鐵件，現(xiàn)都已成功地采用濕型鍛造。當(dāng)代化造型辦法有：普通機(jī)器造型、微震壓實(shí)造型、多觸頭高壓造型、射壓造型、沖擊造型及靜壓造型等。多個(gè)造型辦法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度值見表1。濕型砂用原材料(鍛造用砂數(shù)據(jù)查詢)

濕型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比構(gòu)成的。慣用的加料次序是先將回用砂和新砂、粘土粉、煤粉等干料混勻，再加水混至規(guī)定的水分。型砂的配方應(yīng)根據(jù)澆注合金種類、鑄件特性和規(guī)定、造型辦法和工藝、清理辦法等因素?cái)M定型砂應(yīng)含有的性能范疇，然后再根據(jù)多個(gè)造型原材料的品種和規(guī)格、砂解決辦法和設(shè)備性能、砂鐵比等因素?cái)M定。

(1)石英質(zhì)原砂(具體參數(shù)請(qǐng)查詢鍛造技術(shù)數(shù)據(jù)-鍛造技術(shù)-鍛造工藝參數(shù)-鍛造造型材料-鍛造用砂)

鍛造生產(chǎn)中使用量最大的原砂是以石英為重要礦物成分的天然硅砂。天然硅砂資源豐富，分布極廣，易于開采，價(jià)格低廉，能滿足鍛造上多數(shù)狀況的規(guī)定。生產(chǎn)中普通根據(jù)鑄件的合金種類、質(zhì)量、壁厚的不同來選定原砂的化學(xué)成分和礦物構(gòu)成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺少能避免金屬氧化的強(qiáng)還原性氛圍，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其它金屬氧化物，因而較易與型砂中雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反映而造成化學(xué)粘砂。因此規(guī)定原砂中SiO2含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制。鑄鋼件的澆注溫度越高，壁厚越厚，則對(duì)原砂中SiO2含量的規(guī)定就越高表1多個(gè)造型辦法的特點(diǎn)及所生產(chǎn)的鑄件尺寸精度和表面粗糙度造型辦法比壓/MPa硬度①砂型平均密度（）鑄件基本尺寸／mm和尺寸公差等級(jí)CT鑄件表面粗糙度Ra/um>7～63>63～100>100～160>160～250低壓造型；例如普通機(jī)器造型～60～80～8～98～98～99～1050～400中壓造型：例如微震壓實(shí)～70～90～7～97～97～98～1050～400高壓造型射壓造型>90左右～6～76～76～77～8～50～25)多觸頭高壓造型>90左右～5～66～76～77～8～50～25)沖擊造型氣流沖擊造型90左右～提高了砂型的尺寸精度、鑄件的尺寸精度低于高壓造型～50動(dòng)力（機(jī)械）沖擊造型90左右～提高了砂型的尺寸精度、鑄件的尺寸精度相稱或略優(yōu)于高壓造型～50

(2)非石英質(zhì)原砂

非石英質(zhì)原砂是指礦物構(gòu)成中不含或只會(huì)少量游離SiO2的原砂。即使硅砂來源廣，價(jià)格低，能滿足普通鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的規(guī)定而得到廣泛應(yīng)用，但是硅砂尚有某些缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，熱擴(kuò)散率比較低，蓄熱系數(shù)比較低，容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會(huì)對(duì)鑄型與金屬的界面反映起不良影響。在生產(chǎn)高合金銅鑄件或大型鑄鋼件時(shí)，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺點(diǎn)，使鑄件的清理十分困難。清砂過程中，工人長(zhǎng)久吸入硅石粉塵易患矽肺。

為了提高鑄件表面質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，在鑄鋼生產(chǎn)中已逐步采用某些非石英質(zhì)原砂來配制無機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都含有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低并且膨脹均勻，與金屬氧化物的反映能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動(dòng)條件。但這些材料中有的價(jià)格較高，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用?，F(xiàn)在可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石破、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等等。

(3)粘土(粘結(jié)劑數(shù)據(jù)查詢)

粘土是濕型砂的重要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤(rùn)后含有粘結(jié)性和可塑性，烘干后硬結(jié)，含有干強(qiáng)度。而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性，因而含有較好的復(fù)用性。粘土資源豐富，價(jià)格低廉，因此應(yīng)用廣泛。

粘土重要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所構(gòu)成的土狀材料。按晶體構(gòu)造可分為高嶺石（kaolinite）組，涉及高嶺石、珍珠陶土、地開石、埃洛石等；蒙脫石（montrillonite）組，涉及蒙脫石、貝得石、綠脫石、皂石等；伊利石（illite）組，涉及依利石、海綠石等。

鍛造工作者普通根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鍛造用粘土（fireclay）和鍛造用膨潤(rùn)土兩類。膨潤(rùn)土重要是由蒙脫石組礦物構(gòu)成的，重要用于濕型鍛造的型砂粘結(jié)劑。鍛造用粘土重要含有高嶺石或依利石類礦物。

(4)附加物(輔助材料數(shù)據(jù)查詢)

型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外，普通還加入某些附加物如煤粉、渣油、淀粉等，目的是使型砂含有特定的性能，并改善鑄件的表面質(zhì)量。

在鑄鐵及有色合金用濕型砂中加入煤粉，能夠避免鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺點(diǎn)，并能改善鑄件的表面光潔程度。濕型鑄鐵件所用型砂中煤粉的含量常在3～8％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）范疇內(nèi)，根據(jù)鑄件大小和厚薄而異。

煤粉的代用材料，涉及固體瀝青或其乳化液，渣油或煤焦油或其乳合液，膨潤(rùn)土與瀝青或其它石油衍生物的混合粉末或漿液，固態(tài)或水中分散的合成聚合物和淀粉等。鑄鐵面砂中淀粉含量（按質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）普通為％左右，鑄鋼面砂在～％左右。3濕型砂性能規(guī)定及檢測(cè)辦法

高質(zhì)量型砂應(yīng)當(dāng)含有為鍛造出高質(zhì)量鑄件所必備的多個(gè)性能。根據(jù)鑄件合金的種類，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、金屬液壓頭、砂型緊實(shí)辦法、緊實(shí)比壓、起模辦法、澆注系統(tǒng)的形狀、位置和出氣孔狀況，以及砂型表面風(fēng)干狀況等的不同，對(duì)濕型砂性能提出不同的規(guī)定。最重要的，即直接影響鑄件質(zhì)量和造型工藝的濕型性能有水分、透氣性、強(qiáng)度、緊實(shí)率、變形量、破碎指數(shù)、流動(dòng)性、含泥量、有效粘土含量、顆粒構(gòu)成、緬化物、砂溫、發(fā)氣性、有效煤粉含量、灼燒減量、抗夾砂性、抗粘砂性等。水分、最適宜濕程度和緊實(shí)率

為了得到所需要的濕態(tài)強(qiáng)度和韌性，粘土砂必須含有適量水分，太干或太濕均不適于造型，也難鍛造出合格鑄件。因此，型砂的干濕程度必須保持在一種適宜的范疇內(nèi)。

判斷型砂干濕程度有下列幾個(gè)辦法：

（l）水分也叫含水量或濕度它是表達(dá)型砂中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，這是普通工廠中擬定型砂干濕程度最慣用的傳統(tǒng)辦法。測(cè)定的原理是稱取定量的型砂，放入105～110℃烘干裝置中使之干燥，由烘干前后的質(zhì)量差別計(jì)算出型砂的水分。

（2）手捏感覺有實(shí)際操作的混砂或造型工人常根據(jù)用手捏型砂時(shí)砂與否容易成團(tuán)和與否沾手來判斷型砂的干濕程度，還根據(jù)捏緊動(dòng)作中砂與否柔軟和變形狀況來判斷型砂的可塑性；根據(jù)手指掐碎砂團(tuán)時(shí)用力大小來判斷型砂的強(qiáng)度與否適宜。

（3）緊實(shí)率是指濕型砂用1MPa的壓力壓實(shí)或者在鼓擊式制作機(jī)上打擊三次，其試樣體積在緊實(shí)前后的變化百分率，用試樣緊實(shí)前后高度變化的百分?jǐn)?shù)來表達(dá)，見圖1，即緊實(shí)率=［（筒高一緊實(shí)距離）筒高］×100%。

手工和機(jī)器造型用型砂最適干濕狀態(tài)下的緊實(shí)率靠近50％；高壓造型和氣沖造型時(shí)為35～45％；擠壓造型時(shí)為35～40％；不管型砂中有效膨潤(rùn)上、煤粉和灰分的含量有多少，只要將緊實(shí)率控制在上述范疇內(nèi)，手捏感覺的干濕程度就處在最適宜狀態(tài)。這時(shí)型砂的水分可稱為最適宜水分。圖1緊實(shí)率測(cè)定法示意圖

a)填滿型砂b)刮去多出型砂c)緊實(shí)透氣性

緊實(shí)的型砂能讓氣體通過而逸出的能力稱為透氣性。

透氣性的高低重要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘結(jié)劑種類、加入量和混砂時(shí)粘結(jié)劑在砂粒上的分布狀況以及型砂緊實(shí)度的影響。對(duì)于濕型的單一砂和面砂而言，透氣性不僅要有下限，并且必須嚴(yán)格規(guī)定其上限。

圖2為透氣性測(cè)定儀原理圖，它是測(cè)出氣鐘內(nèi)的空氣在壓力下通過試樣的時(shí)間來計(jì)算透氣性k。圖2透氣性測(cè)定儀示意圖

1一氣鐘2一木簡(jiǎn)3一三通閥4一試樣座5一試樣筒6一原則試樣7一微壓表8一阻流孔濕態(tài)強(qiáng)度

型砂必須含有一定的強(qiáng)度以承受多個(gè)外力的作用。型砂的強(qiáng)度用型砂原則試樣在外力作用下遭到破壞時(shí)的應(yīng)力值來表達(dá)。慣用計(jì)量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa)。濕型鍛造時(shí)，往往重要檢查型砂石的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度，有的也測(cè)濕態(tài)抗剪強(qiáng)度和濕態(tài)抗拉強(qiáng)度。對(duì)普通機(jī)器造型用濕型砂，普通控制濕壓強(qiáng)度為~之間，高密度造型用濕型砂，濕壓強(qiáng)度?？刂圃趡。

在生產(chǎn)中常采用表面硬度計(jì)測(cè)定硬度，以此反映型砂緊實(shí)的質(zhì)量，反映鑄型表面強(qiáng)度。流動(dòng)性

型砂在外力或自重作用下，沿模樣和砂粒之間相對(duì)移動(dòng)的能力稱為流動(dòng)性。流動(dòng)性好的型砂可形成緊實(shí)度均勻、無局部疏松、輪廓清晰、表面光潔的型腔，這有助于避免機(jī)械粘砂，獲得光潔的鑄件。另外，還能減輕造型緊實(shí)砂的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)率和便于實(shí)現(xiàn)造型、造芯過程的機(jī)械化。

現(xiàn)在測(cè)流動(dòng)性的辦法尚未統(tǒng)一，較多采用下列幾個(gè)方辦法來鑒定型砂流動(dòng)性：①用濕型硬度計(jì)測(cè)定原則試樣兩個(gè)端面硬度值的差別，硬度差別越小，指明型砂的流動(dòng)性越好；②在原則圓柱形試樣簡(jiǎn)中放置一塊高25mm的半圓形金屬塊，測(cè)定階梯試樣兩平面的硬度差值；③測(cè)定在底側(cè)有環(huán)形空腔型砂試樣筒中沖擊成的試樣的高度；④側(cè)孔法：測(cè)定在沖擊型砂試樣時(shí)圓柱形試樣簡(jiǎn)側(cè)面12mm小孔中擠出的型砂的質(zhì)量。⑤試樣質(zhì)量法：即對(duì)比測(cè)定緊實(shí)率后的試樣質(zhì)量，容積密度愈大，則流動(dòng)性好。起模性、變形量、韌性和破碎指數(shù)

型砂的起模性是表達(dá)起模時(shí)模樣或模板與砂型分離與否容易損壞，與否產(chǎn)生掉落的性能。

型砂的變形量普通是在用強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)測(cè)定型砂抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，用一種百分表測(cè)出試樣破碎前的變形量（高度減小量）。由此也可計(jì)算出型砂韌性，即將型砂濕壓強(qiáng)度(MPa)承變形量(cm)再乘1000的乘機(jī)來表達(dá)韌性.

對(duì)濕型砂而言，有人認(rèn)為韌性也可用破碎指數(shù)來代表，即測(cè)定在沖擊條件下型砂的韌性。圖3為用落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖。濕型砂原則抗壓試樣放在鐵砧上受到一種自lm高度自由落下的φ50mm、510g鋼球的沖擊，破碎的型砂，碎的通過網(wǎng)眼為（）的篩網(wǎng)，留在篩網(wǎng)上的大塊型砂的質(zhì)量占試樣原質(zhì)量的比值即為破碎指數(shù)。普通震壓造型的破碎指數(shù)控制在68～75％，高壓造型型砂的破碎指數(shù)規(guī)定在68％左右。

圖3落球法測(cè)定破碎指數(shù)示意圖

發(fā)氣量和有效煤粉含量

為了檢查鑄鐵件用濕型砂的抗機(jī)械粘砂能力和推算出型砂中有效煤粉含量，我國普遍采用的是測(cè)定型砂發(fā)氣性的方法。發(fā)氣性（發(fā)氣量）測(cè)定大都是讓待測(cè)定量樣品在密閉體系中加熱氣化，或測(cè)定所產(chǎn)憤怒體的容積（用單位質(zhì)量析出的氣體體積表達(dá)，cm／g）；或測(cè)定氣體的壓力（容積恒定，發(fā)氣量大，壓力大）；或稱量殘留物的質(zhì)量（灼燒堿量），以擬定發(fā)氣量。4濕型砂制備

在擬定型砂的配方之前，必須首先根據(jù)澆注合金種類、鑄件特性和規(guī)定、造型辦法和工藝、清理辦法等因素?cái)M定型砂應(yīng)含有的性能范疇。然后再根據(jù)多個(gè)造型原材料的品種和規(guī)格、砂解決辦法和設(shè)備性能、砂鐵比和各項(xiàng)材料燒棉比例等因素?cái)M定型砂的配方一種車間的型砂性能指標(biāo)和配方要經(jīng)長(zhǎng)久生產(chǎn)考驗(yàn)才干擬定。濕型砂的性能和配方特點(diǎn)

表2是某些工廠用型砂性能的實(shí)例。表2鑄鐵件濕型砂典型性能造型辦法水分

(%)濕壓強(qiáng)度(kPa)熱濕強(qiáng)度(kPa)緊實(shí)率

(%)透氣性有效粘土(%)揮發(fā)分

(%)灼減

(%)泥分

(%)AFS細(xì)度震壓造型3～470～100－45～5280～1005．0～～__約55高壓造型～150～200__38～4080～100～～約55氣沖造型895423132110622313211062786316461舊砂的特性及其解決

生產(chǎn)1t濕型鑄件約需要5～10t型砂，在實(shí)際生產(chǎn)中，配制型砂時(shí)都盡量回用舊砂（即重復(fù)使用過的型砂）、這不僅是經(jīng)濟(jì)上的需要，并且也是保護(hù)環(huán)境、避免公害的需要。圖4為鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過程的示意圖。能