鑄造工程基礎(chǔ)教學(xué)課件6-9章

6.1濕砂型6.2無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑砂型（芯）6.3有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑砂型（芯）6.4造型及砂處理設(shè)備6.5鑄造工藝方案設(shè)計(jì)6.6澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.7冒□的設(shè)計(jì)6.8鑄造工藝裝備設(shè)計(jì)第6章砂型鑄造第6章砂型鑄造砂型或砂芯的成型過(guò)程中，根據(jù)其結(jié)合力產(chǎn)生的機(jī)制不同可以分為三種類(lèi)型：物理固結(jié)、化學(xué)粘結(jié)和機(jī)械粘結(jié)。物理固結(jié)是指用物理原理產(chǎn)生的力將不含粘結(jié)劑的原砂固結(jié)在一起成為砂型（芯）（砂型形成鑄件外部形狀；砂芯形成鑄件內(nèi)腔形狀）。物理固結(jié)方法有磁型鑄造、真空密封造型?；瘜W(xué)粘結(jié)是指依靠化學(xué)粘結(jié)劑本身發(fā)生的物理－化學(xué)反應(yīng)，將砂粒相互結(jié)合形成砂型（芯）。機(jī)械粘結(jié)是指以粘土作粘結(jié)劑而形成的砂型（芯）。由于自然界中粘土資源豐富，價(jià)格低廉，砂型制作工藝簡(jiǎn)單，舊砂回用處理容易，機(jī)械粘結(jié)是目前運(yùn)用最廣泛的方法。6.1濕砂型6.1.1濕砂型鑄造特點(diǎn)1.粘土砂型類(lèi)別

粘土砂型根據(jù)在合箱和澆注時(shí)的狀態(tài)不同可分為濕砂型(greensandmold)、干砂型(drysandmold)和表面烘干砂型(skindriedmold)。三者之間的主要差別在于：濕型指造好的砂型不經(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)型腔表層用適當(dāng)方法烘干一定深度(一般5～10mm，大件20mm)。濕砂型用濕型砂按造型時(shí)情況可分為面砂(facingsand)、背砂(backingsand，fillersand)和單一砂(unitsand)。面砂是指特殊配制的在造型時(shí)鋪覆在模樣表面上構(gòu)成型腔表面層的型砂。2.濕砂型鑄造特點(diǎn)

濕砂型鑄造法的基本特點(diǎn)是砂型(芯)無(wú)需烘干，不存在硬化過(guò)程。其主要優(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(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化；材料成本低，節(jié)省烘干設(shè)備、燃料、電力及車(chē)間生產(chǎn)面積；延長(zhǎng)砂箱使用壽命等。但是，采用濕砂型鑄造容易產(chǎn)生一些鑄造缺陷，如夾砂結(jié)疤、鼠尾、粘砂、氣孔、砂眼、脹砂等（夾砂結(jié)疤、鼠尾是由于砂型表面的膨脹和移動(dòng)，造成部分砂塊滲入鑄件；粘砂是鑄件表面的砂不易清理；氣孔是氣體在鑄件的表面或內(nèi)部形成孔洞；砂眼是砂粒從砂型脫落，進(jìn)入鑄件形成；脹砂是砂型在金屬液的壓力下退讓?zhuān)斐设T件的腫脹）。6.1.2濕型砂性能要求根據(jù)鑄件合金的種類(lèi)，鑄件的大小、厚薄、澆注溫度、砂型緊實(shí)方法、起模方法，對(duì)濕型砂性能提出不同的要求。最主要的，即直接影響鑄件質(zhì)量和造型工藝的濕型砂性能有水分、透氣性、強(qiáng)度、緊實(shí)率、變形量、破碎指數(shù)、流動(dòng)性、有效粘土含量、發(fā)氣性、有效煤粉含量、抗夾砂性、抗粘砂性等。1.水分和緊實(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。1）水分(moisturecontent)也叫含水量

是表示型砂中所含水分的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，這是一般工廠(chǎng)中確定型砂水分含量最常用的方法。測(cè)定的原理是稱(chēng)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)量差異計(jì)算出型砂的水分。2）緊實(shí)率(compactability)是指濕型砂用1MPa的壓力壓實(shí)或者在錘擊式制樣機(jī)上打擊3次，用試樣緊實(shí)前后高度變化的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。實(shí)際上這是從手捏感覺(jué)試驗(yàn)演變而來(lái)的，但它已排除了試驗(yàn)者的主觀(guān)因素，且可定量表示。該測(cè)定方法的依據(jù)是：較干的型砂自由流入試樣筒中時(shí)，砂粒堆得比較密實(shí)，即松散密度較高，在相同的緊實(shí)力作用下，型砂體積減小較少。這種型砂發(fā)脆，韌性差，起模容易損壞，砂型轉(zhuǎn)角處容易破碎，鑄件容易產(chǎn)生沖砂、砂眼等缺陷；而較濕的型砂，流動(dòng)性差，在未被緊實(shí)前松散密度較低，砂粒的堆積比較疏松，緊實(shí)后體積減小較多。使用這種型砂，澆注時(shí)急速產(chǎn)生大量氣體，鑄件有可能出現(xiàn)氣孔、脹砂、夾砂結(jié)疤、表面粗糙等缺陷。2.透氣性

緊實(shí)的型砂能讓氣體通過(guò)而逸出的能力稱(chēng)為透氣性。在液體金屬的熱作用下鑄型產(chǎn)生大量氣體，如果砂型、砂芯不具備良好的排氣能力，澆注過(guò)程中就有可能發(fā)生嗆火，使鑄件產(chǎn)生氣孔、澆不足等缺陷（澆不足是金屬液未充滿(mǎn)鑄型，鑄件不完整）。砂型的排氣能力，一方面靠冒口和穿透或不穿透的排氣孔；另一方面決定于型砂的透氣性。而透氣性的高低主要受砂粒的大小、粒度分布、粒形、含泥量、粘結(jié)劑種類(lèi)、粘結(jié)劑加入量和混砂時(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。但是，不應(yīng)誤解為型砂透氣性越高越好，因?yàn)椴煌糠笸苛系纳靶偷耐笟庑愿撸砻魃傲ｉg孔隙直徑較大，金屬液易于滲入砂粒間孔隙中，造成鑄件表面粗糙和發(fā)生機(jī)械粘砂。3.濕態(tài)強(qiáng)度

砂型必須具備一定的強(qiáng)度以承受各種外力的作用。如果強(qiáng)度不足，在起模、搬動(dòng)砂型、下芯、合箱等過(guò)程中，鑄型有可能破損塌落；澆注時(shí)可能承受不住金屬液的沖刷和沖擊，沖壞砂型而造成砂眼缺陷，或者造成脹砂或跑火(漏鐵液)等現(xiàn)象。但是，強(qiáng)度也不宜過(guò)高，因?yàn)楦邚?qiáng)度的型砂需要加入更多的粘土，不但增加了最適宜的水分和降低透氣性，還會(huì)使鑄件的生產(chǎn)成本增加，而且給混砂、緊實(shí)和落砂等工序帶來(lái)困難。

型砂的強(qiáng)度用型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣在外力作用下遭到破壞時(shí)的應(yīng)力值來(lái)表示。常用計(jì)量單位為兆帕(MPa)或千帕(kPa)。4.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(chēng)為流動(dòng)性。流動(dòng)性好的型砂可形成緊實(shí)度均勻、輪廓清晰、表面光潔的型腔，這有助于防止機(jī)械粘砂，獲得光潔的鑄件。此外，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(guò)程的機(jī)械化。圖6.1列出了幾種測(cè)定型砂流動(dòng)性的方法的示意圖，其中環(huán)形空腔法是按標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣的質(zhì)量稱(chēng)取型砂，放入特制試樣筒中(如圖6.1c)，試樣筒的下端有一環(huán)形空腔。在制樣機(jī)上沖擊3次，測(cè)量高度h。h愈小，表示型砂的流動(dòng)性愈好。側(cè)孔法(如圖6.1b)是稱(chēng)取185g型砂倒入用柱塞堵住φ12mm小孔的試樣筒中，放在制樣機(jī)上，拔掉柱塞后沖擊10次。5.起模性、變形量、韌性和破碎指數(shù)

型砂的起模性是表示起模時(shí)模樣或模板與砂型分離時(shí)，砂型是否容易損壞，產(chǎn)生開(kāi)裂或掉落的性能。起模性的好壞與型砂的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度是兩種不同的特性。

抗壓強(qiáng)度不僅反映了型砂的粘結(jié)力大小，還反映了砂粒受壓力作用而位移時(shí)的摩擦阻力。然而這種摩擦阻力對(duì)起模時(shí)砂型是否易損壞沒(méi)有關(guān)系。抗壓強(qiáng)度高的型砂造的砂型起模時(shí)也有可能容易損壞。

型砂的濕態(tài)抗拉強(qiáng)度可以代表起模性能，其根據(jù)是起模時(shí)砂型受到的是拉應(yīng)力，但是也有人認(rèn)為型砂的起模性主要取決于型砂試樣在受力破碎前的變形量。手工造型起模前，在圍繞模樣的砂型棱角上刷水的作用就是提高型砂的變形能力。雖然刷水后局部的砂型強(qiáng)度大為下降，但起模性能明顯改善。6.抗夾砂結(jié)疤類(lèi)缺陷的能力

夾砂結(jié)疤、鼠尾、溝槽缺陷（鼠尾和溝槽是與夾砂結(jié)疤類(lèi)似的缺陷）是擴(kuò)大濕型鑄造法應(yīng)用范圍的主要障礙之一。熱濕拉強(qiáng)度的測(cè)定方法如圖6.2。為了模擬金屬液注入砂型過(guò)程中砂型表層受熱情況，將濕型砂試樣(φ50mm×50mm)的端面用已加熱到(320±10)℃的加熱板緊貼20～30s，使之形成5mm左右厚度的干砂層及水分凝聚區(qū)，然后測(cè)出試樣在水分凝聚區(qū)的熱濕拉強(qiáng)度。7.發(fā)氣量和有效煤粉含量

為了使鑄鐵用濕型砂具有良好的抗機(jī)械粘砂性能并且能制得表面光潔的鑄件，型砂除應(yīng)有適宜的透氣性以外，還應(yīng)含有煤粉或其他有機(jī)附加物(如重油、瀝青、聚苯乙烯等)。這些材料在澆注受熱后，產(chǎn)生大量揮發(fā)物，在高溫下進(jìn)行氣相分解，在砂粒表面沉積形成“光亮碳”(lustrouscarbon)，從而可以防止鑄鐵件表面機(jī)械粘砂，提高鑄件表面光潔程度。煤粉等附加物的光亮碳含量可以用特殊裝置測(cè)出，但濕型砂的光亮碳形成能力較低，很難直接測(cè)量。6.1.3濕型砂用原材料及其質(zhì)量要求濕型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定配比組成的。其中原砂是骨料、粘土為粘結(jié)劑。經(jīng)過(guò)混碾后，粘土、附加物和水混合，包覆在砂粒表面形成一層粘結(jié)膜。粘結(jié)膜的粘結(jié)力決定型砂的強(qiáng)度、韌性、流動(dòng)性，砂粒間的孔隙決定型砂的透氣性。因此，為了制得性能合乎要求的型砂，必須考慮以下3方面的因素：

（1）原材料的選擇

選用高質(zhì)量的原材料是能否制成高質(zhì)量型砂的先決條件。

（2）型砂配方

各種材料之間要有一個(gè)合理的配合比例。

（3）混制工藝

目的在于使各種材料分布均勻，并使粘土膜完整地包覆在砂粒表面上。1.石英質(zhì)原砂

鑄造生產(chǎn)中使用量最大的原砂(basesand)是以石英為主要礦物成分的天然硅砂(naturalsilicasand)。這是因?yàn)樘烊还枭百Y源豐富，分布極廣，易于開(kāi)采，價(jià)格低廉，能滿(mǎn)足多數(shù)鑄造生產(chǎn)的要求。

天然硅砂是由火成巖風(fēng)化形成的。例如火成巖中的花崗巖是由石英、長(zhǎng)石、黑云母等礦物顆粒組成的巖石，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期風(fēng)化作用后，花崗巖中的石英由于化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定和較堅(jiān)硬，風(fēng)化時(shí)成分不變，僅被破碎成細(xì)粒。而花崗巖中的長(zhǎng)石、云母，一部分通過(guò)化學(xué)風(fēng)化變成粘土，另一部分未被化學(xué)風(fēng)化，混在砂子中。所以一般說(shuō)來(lái)，砂中除了主要成分石英以外，還混有一些長(zhǎng)石、云母和粘土礦物等夾雜物。硅砂雖然分布很廣，但并不是所有的硅砂都可以供鑄造生產(chǎn)使用，對(duì)原砂提出的質(zhì)量要求如下。

1）含泥量(claycontent)含泥量對(duì)濕型砂性能的影響：

（1）原砂中泥分增多，則型砂的孔隙直徑減小，透氣性下降。如果要提高型砂的透氣性就必須選用含泥量較低的原砂。

（2）原砂的含泥量增多，則型砂的濕態(tài)抗壓強(qiáng)度提高，達(dá)到最適宜的型砂含水量也提高。（3）如果原砂的泥分中不含粘土礦物，則原砂中含泥量增多會(huì)使型砂變脆，起模性能變壞。2）原砂的顆粒組成(grainsizeanddistributionofbasesand)

原砂的顆粒組成(即粒度)包括兩個(gè)概念：砂粒的粗細(xì)程度和砂粒粗細(xì)分布的集中程度。

為檢定不同原砂的顆粒組成，通常采用篩分法，是用一套(11個(gè))篩孔尺寸自大而小的鑄造用試驗(yàn)篩來(lái)篩分已洗去泥分的干砂樣。我國(guó)國(guó)家專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的，用于測(cè)定硅砂粒度的試驗(yàn)篩的篩子序號(hào)及篩孔尺寸見(jiàn)表6－1。03號(hào)篩以上相鄰兩篩篩孔尺寸之比則為2,03號(hào)篩以下相鄰兩篩篩孔尺寸之比則為

。通稱(chēng)的篩號(hào)是引用美國(guó)的叫法，它表示每1英寸（25.4mm）長(zhǎng)的篩網(wǎng)上的篩孔數(shù)，也稱(chēng)“目”。3）原砂的顆粒形狀(grainshapeofbasesand)及表面狀況

用光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡觀(guān)察原砂的顆粒，可以清楚地看出各種砂粒的不同輪廓形狀(即“粒形”)。圖6.3為鑄造常用原砂的主要粒形分類(lèi)法。粒形從角形(angular)、半角形[subangular；不圓，但無(wú)鋸齒狀不平處(notjagged)]到圓形(rounded)分為6種，按圓球度(sphericity)分為3級(jí)。這是一種對(duì)鑄造用砂粒形較細(xì)致的分類(lèi)法。對(duì)濕型砂而言，用圓形砂有利粘結(jié)劑均勻的分布，使砂粒間能形成較好的粘結(jié)劑橋；而且，圓形砂流動(dòng)性好、易緊實(shí)，可以得到較高的濕態(tài)強(qiáng)度和適度的透氣性。對(duì)樹(shù)脂等化學(xué)粘結(jié)劑砂型和砂芯來(lái)說(shuō)，更是以圓形、半圓形較好，因?yàn)槠浔砻娣e小，可以用最少粘結(jié)劑獲取較高強(qiáng)度和透氣性。4）原砂的礦物組成和化學(xué)成分

（1）硅砂的礦物組成(mineralconstitutionsofsilicasand)硅砂的礦物組成主要是石英，其次是長(zhǎng)石及少量云母、鐵的氧化物(褐鐵礦2Fe2O3·3H2O，赤鐵礦Fe2O3，磁鐵礦Fe3O4)、碳酸鹽(石灰石CaCO3、白云石CaCO3·MgCO3、菱苦土MgCO3)、硫化物(黃鐵礦FeS2)等。

（2）硅砂的化學(xué)成分(chemicalcompositionsofsilicasand)由于檢查原砂的礦物組成需要特殊的巖相分析設(shè)備和專(zhuān)門(mén)技術(shù)，故一般工廠(chǎng)只化驗(yàn)原砂的化學(xué)成分，根據(jù)化學(xué)成分，可間接地大致估計(jì)出硅砂中各種主要礦物所占比例。2.非石英質(zhì)原砂

非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離SiO2的原砂。雖然硅砂來(lái)源廣，價(jià)格低，能滿(mǎn)足一般鑄鐵、鑄鋼和非鐵合金鑄件生產(chǎn)的要求而得到廣泛應(yīng)用，但是硅砂還有一些缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，而且在573℃時(shí)會(huì)因相變而產(chǎn)生膨脹；熱擴(kuò)散率(表示物體使其內(nèi)部各點(diǎn)的溫度趨于一致的能力。如果其值大，則物體內(nèi)各點(diǎn)的溫差小)比較低，蓄熱系數(shù)(表示原砂的冷卻能力，其值大，則加快鑄型內(nèi)部鑄件的凝固和冷卻速度)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應(yīng)起不良影響。在生產(chǎn)高合金鋼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)生粘砂缺陷，使鑄件的清砂十分困難。3.粘土

粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤(rùn)后具有粘結(jié)性和可塑性；烘干后硬結(jié)，具有干強(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，因而具有較好的復(fù)用性。但如果烘烤溫度過(guò)高，粘土被燒枯，就不能再加水恢復(fù)塑性。1)粘土的礦物成分

粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。粘土礦物的種類(lèi)很多，按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石(kaolinite)組、蒙脫石(montmorillonite)組和依利石(illite)組。各種粘土礦物主要是含水的鋁硅酸鹽，化學(xué)式可簡(jiǎn)寫(xiě)成：mAl2O3·nSiO2·xH2O。2)粘土的結(jié)晶特征

各種粘土之所以具有不同的性能，基本原因是粘土礦物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)不同。通過(guò)射線(xiàn)衍射法的研究，可以得知按照粘土礦物的晶層排列，有兩層型、三層型等不同形式。粘土礦物的晶格中都包含著兩種基本結(jié)構(gòu)單位：①硅氧四面體晶片：硅氧四面體是由一個(gè)硅離子Si4+等距離地配上4個(gè)比它大得多的氧離子O2－(或氫氧離子)構(gòu)成的。每個(gè)硅氧四面體中的三個(gè)氧位于同一平面，稱(chēng)為底氧。另一個(gè)氧帶負(fù)電荷稱(chēng)為頂氧，是活性氧。在層狀結(jié)構(gòu)中，每個(gè)四面體的三個(gè)底氧分別和相鄰的三個(gè)硅氧四面體共用組成四面體群，在二維平面上排列成六角形的網(wǎng)格，連成無(wú)限延伸的整片(如圖6.4)。②鋁氧八面體晶片：由一個(gè)鋁(或鐵、鎂)離子居于中心，6個(gè)氧或氫氧等距離排列成八面體。八面體之間共棱相連形成八面體片，如圖6.5所示。3)粘土的表面電荷和可交換性陽(yáng)離子

在電泳實(shí)驗(yàn)中，將兩根電極插人粘土漿中并接通電源，就會(huì)發(fā)現(xiàn)粘土粒子在電場(chǎng)作用下向正極移動(dòng)。這表明粘土顆粒表面帶有負(fù)電荷。

為了使負(fù)電荷得到平衡，粘土礦物通常吸附一些陽(yáng)離子，如Ca2+、Mg2+、Na+、K+等。由破鍵和外露氫氧基而吸附的陽(yáng)離子有可能被其它陽(yáng)離子交換出來(lái)。蒙脫石的晶體內(nèi)部離子置換主要發(fā)生在八面體層，所引起的電荷要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)距離才能起作用，所以束縛力較弱，所吸附的陽(yáng)離子有可能被其它的陽(yáng)離子交換出來(lái)。而依利石的內(nèi)部離子置換主要發(fā)生在四面體中，對(duì)陽(yáng)離子的束縛力較強(qiáng)，因此實(shí)際上是不可交換的。粘土中能被交換出來(lái)的吸附的陽(yáng)離子被稱(chēng)為交換性陽(yáng)離子。4)粘土的粘結(jié)機(jī)理

關(guān)于粘土的粘結(jié)機(jī)理，可由膠體化學(xué)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)解釋?zhuān)J(rèn)為粘土在水中形成的粘土－水體系是膠體，帶負(fù)電的粘土顆粒將極性水分子吸引在自己的周?chē)?，形成膠團(tuán)的水化膜，依靠粘土顆粒間的公共水化膜，通過(guò)其中的水化陽(yáng)離子所起的“橋”或鍵的作用，使粘土顆粒相互結(jié)合起來(lái)，如圖6.6所示。在水化膜中處在吸附層的水分子被粘土質(zhì)點(diǎn)表面吸附得很緊，而處于擴(kuò)散層中的水分子較松，公共水化膜就是粘土膠粒間的公共擴(kuò)散層。相鄰的粘土膠粒表面都帶有同樣的負(fù)電荷，按理應(yīng)該互相排斥，但由于存在于公共擴(kuò)散層中陽(yáng)離子的吸引作用，它們反而互相結(jié)合起來(lái)。很明顯，粘土膠粒的擴(kuò)散層愈薄，這種吸引力就愈強(qiáng)。4.附加物

型砂中除了含有原砂、粘土和水等材料以外，通常還特意加入一些材料如煤粉、渣油、淀粉等，目的是使型砂具有特定的性能，并改善鑄件的表面質(zhì)量。這

些材料統(tǒng)稱(chēng)為型砂的附加物。

1)煤粉(coaldust)在鑄造鐵合金所用的濕型砂中加入煤粉，可以防止鑄件表面產(chǎn)生粘砂缺陷，并能改善鑄件的表面光潔程度。用于型砂附加物的煤粉是用煙煤磨細(xì)制成的。優(yōu)質(zhì)的煤粉具有下述性能：揮發(fā)物含量33％～36％，灰分小于5％，固定碳50％～54％，硫小于1％，氯小于0.03％，光亮碳(1ustrouscarbon)析出能力大約為7％～12％，國(guó)外近年有些工廠(chǎng)使用的合成煤粉是煙煤與瀝青摻合后經(jīng)磨制而成的2)淀粉(cerealbinder)在濕型砂中加入淀粉類(lèi)材料，其目的是減少夾砂結(jié)疤類(lèi)缺陷和沖蝕缺陷，增加型砂變形量，提高型砂韌性和可塑性，降低起模時(shí)模樣與砂型間的摩擦阻力，減少因砂型表面風(fēng)干和強(qiáng)度下降而引起的砂孔缺陷。除鑄鐵濕型外，淀粉在鑄鋼濕型砂中應(yīng)用更加普遍。

濕型用淀粉實(shí)際上是凍膠化淀粉(pregelatinizedstarch)或α淀粉，是由玉米粉經(jīng)加熱處理制成的。凍膠化淀粉與糊精的使用效果有明顯差異。糊精能顯著提高型砂的表面強(qiáng)度、熱濕拉強(qiáng)度和韌性，但使?jié)駢簭?qiáng)度和流動(dòng)性劇烈下降。6.1.4濕型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(lèi)、鑄件特征和要求、造型方法和工藝、清理方法等因素確定型砂應(yīng)具有的性能范圍。然后再根據(jù)各種造型原材料的品種和規(guī)格、砂處理方法和設(shè)備性能、砂鐵比（生產(chǎn)每噸鑄件所用型砂重量）等因素?cái)M定型砂的配方。一個(gè)新的型砂系統(tǒng)通常在開(kāi)始使用前，先參考類(lèi)似工廠(chǎng)中生產(chǎn)比較成功的型砂系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本廠(chǎng)的具體條件，初步擬定出型砂的性能指標(biāo)和配方，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室配砂，調(diào)整配方，使性能符合指標(biāo)要求；然后到車(chē)間進(jìn)行小批混制，造型澆注，對(duì)型砂的性能指標(biāo)及配方要經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)考驗(yàn)才能確定。1.濕型砂的性能和配方特點(diǎn)1）鑄鐵件濕型砂

手工造型和震壓式機(jī)器造型用型砂的緊實(shí)率大多在50％左右。由于鑄鐵型砂中含有煤粉及失效煤粉，單一砂和面砂中又都有大量舊砂，型砂中泥分量常達(dá)12％～16％，能吸收多量水分。所以，型砂含水量通常高達(dá)4.5％～6％。2）鑄鋼件濕型砂

與鑄鐵相比，鑄鋼具有以下的特點(diǎn)：①澆注溫度高，一般碳鋼比鑄鐵約高150℃，達(dá)1450～1550℃以上，對(duì)砂型熱作用的時(shí)間長(zhǎng)。②一般用漏包澆注，對(duì)鑄型沖刷力大。③鋼液易氧化而生成氧化物，易與型砂起化學(xué)反應(yīng)，引起粘砂。④氣體在鋼液中溶解度大，鑄件易產(chǎn)生針孔或皮下氣孔。3）鑄造非鐵合金用濕型砂

生產(chǎn)中應(yīng)用最多的鑄造非鐵合金是鋁合金、銅合金和鎂合金。主要要求型砂能防止金屬液滲入鑄型和制得的鑄件表面光潔、清晰、美觀(guān)。原砂粒度大多較細(xì)，為10Q的硅砂或天然粘土砂。天然粘土砂中加入適量水后具有良好的塑性和一定的濕強(qiáng)度。

鋁合金液較輕，使用天然粘土砂時(shí)要注意控制含水量，以免由于型砂透氣性低而造成嗆火和氣孔缺陷。鋁合金的澆注溫度低，熱容量小，對(duì)砂粒和粘結(jié)劑的破壞少，型砂可反復(fù)應(yīng)用。4）高密度造型型砂

高密度造型(highdensitymolding)是指提高造型緊實(shí)力制得較高緊實(shí)程度(degreeofcompaction)或較高密度砂型的造型方法而言。與用普通方法造型相比較，高密度造型的型砂性能具有以下要求：(1)濕強(qiáng)度為提高砂型的硬度，避免澆注時(shí)型壁移動(dòng)，型砂應(yīng)當(dāng)具有高的濕強(qiáng)度，因?yàn)楦邼駨?qiáng)度是保證砂型高硬度的必要條件。此外，用多觸頭高壓造型方法生產(chǎn)較大鑄件所用砂箱都無(wú)箱帶，高強(qiáng)度型砂可避免塌型和脹型。在用垂直分型無(wú)箱擠壓造型，特別是無(wú)同步驅(qū)動(dòng)裝置情況下，砂型被頂出時(shí)要推動(dòng)整串鑄型前移，承受很大壓力，澆注時(shí)又承受金屬液的壓力作用，高強(qiáng)度型砂可防止砂型破損。2.舊砂的特性及其處理

生產(chǎn)1t鑄件約需要5～10t濕型型砂，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(guò)的型砂)，這不僅是經(jīng)濟(jì)上的需要，而且也是保護(hù)環(huán)境、防止公害的需要。但是簡(jiǎn)單地重復(fù)使用舊砂，會(huì)使型砂性能變壞，鑄件質(zhì)量下降。因此，必須深入了解舊砂的特性，掌握其性能變化的規(guī)律，采取必要的措施，才能保證和穩(wěn)定型砂的性能。圖6.7為鑄鐵濕型單一砂循環(huán)過(guò)程的示意圖?？梢钥闯?，混砂時(shí)還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤(rùn)土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。3.濕型砂的混制工藝

生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式(verticalwheelsandmuller)、擺輪式(horizontalwheelsandmuller，speedmuller)、葉片式(blademixer)等。

碾輪式混砂機(jī)在混砂時(shí)，混合和揉搓作用較好，混制的型砂質(zhì)量較高，但生產(chǎn)率低。一般工廠(chǎng)混制面砂時(shí)都用碾輪式混砂機(jī)。為了加強(qiáng)對(duì)型砂的松散和混合作用，新式的碾輪式混砂機(jī)的碾輪側(cè)面帶有數(shù)根松砂棒，或者采用單碾輪和一只松砂轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。

擺輪式混砂機(jī)生產(chǎn)效率較碾輪式混砂機(jī)高幾倍，而且在混砂機(jī)內(nèi)能鼓風(fēng)冷卻型砂，但混制的型砂質(zhì)量不如碾輪式，機(jī)械化程度較高的鑄工車(chē)間用來(lái)混制單一砂和背砂。4.型砂的質(zhì)量檢驗(yàn)

通過(guò)型砂的質(zhì)量檢驗(yàn)和宏觀(guān)控制，不但可了解型砂是否達(dá)到要求的性能，而且還可掌握型砂在使用中的變化，這樣就能及早采取措施，保證型砂符合要求和保持穩(wěn)定，保證鑄件質(zhì)量，預(yù)防缺陷產(chǎn)生。1）型砂質(zhì)量檢驗(yàn)制度

型砂質(zhì)量檢驗(yàn)的制度是根據(jù)車(chē)間情況決定的。機(jī)械化流水生產(chǎn)的型砂檢驗(yàn)制度與單件小批生產(chǎn)的有所不同。因?yàn)闄C(jī)械化流水生產(chǎn)的型砂周轉(zhuǎn)快，型砂的成分和性能變動(dòng)時(shí)，如不及時(shí)發(fā)現(xiàn)就會(huì)引起大量鑄件報(bào)廢，所以型砂性能檢驗(yàn)的次數(shù)應(yīng)多一些，這樣才能保證型砂性能穩(wěn)定。6.2無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑砂型（芯）鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用的無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑有水玻璃、水泥和磷酸鹽等，其中應(yīng)用最廣泛的無(wú)機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑是鈉水玻璃。

此類(lèi)型(芯)砂與粘土砂比較有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)型(芯)砂流動(dòng)性好，易于緊實(shí)，故造型(芯)勞動(dòng)強(qiáng)度低。(2)硬化快，硬化強(qiáng)度較高，可簡(jiǎn)化造型(芯)工藝，縮短生產(chǎn)周期，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。(3)可在型(芯)硬化后起模，型、芯尺寸精度高。(4)可取消或縮短烘烤時(shí)間，降低能耗，改善工作環(huán)境和工作條件。(5)提高鑄件質(zhì)量，減少鑄件缺陷。6.2.1鈉水玻璃及鈉水玻璃砂的硬化機(jī)理1.鈉水玻璃粘結(jié)劑

水玻璃是各種聚硅酸鹽水溶液的通稱(chēng)。因價(jià)格便宜，來(lái)源充足，鑄造上最常用的是鈉水玻璃(Sodiumsilicate，waterglass)，鈉水玻璃是硅酸鈉的商品名，干態(tài)時(shí)為白色或灰白色團(tuán)塊或粉末，溶于水時(shí)，純的鈉水玻璃外觀(guān)為無(wú)色粘稠液體，由于含鐵鹽而呈灰色或綠色，pH值一般在11～13，鈉水玻璃的化學(xué)式為Na2O·mSiO2·nH2O。

鈉水玻璃有幾個(gè)重要參數(shù)，直接影響它的化學(xué)和物理性質(zhì)，也影響鈉水玻璃砂的工藝性能，這就是鈉水玻璃的模數(shù)、密度、含固量和粘度等。2.鈉水玻璃砂的硬化機(jī)理

硅酸鈉是弱酸強(qiáng)堿鹽，在水溶液中幾乎完全電離，所以鈉水玻璃實(shí)際是部分電離的聚硅酸負(fù)離子和鈉離子在水中的分散體系。不同硅酸鹽負(fù)離子的平衡是錯(cuò)綜復(fù)雜的，它取決于pH值、模數(shù)和溫度，在若干特有的反應(yīng)過(guò)程中達(dá)到平衡。其中最有意義的反應(yīng)是硅酸鈉的鈉－氧鍵水解(hydrolysis)(向右進(jìn)行)和酸－堿反應(yīng)(向左進(jìn)行)：Na2O·mSiO2·nH2O+H2O2NaOH+mSiO2·nH2O

水解平衡強(qiáng)烈地偏向左方，因此，硅酸鈉的水解度一般只有1.58％～9.29％。水解產(chǎn)生的硅酸不穩(wěn)定，可以縮聚為多硅酸：6.2.2CO2-鈉水玻璃砂及砂型（芯）的制造工藝1.型（芯）砂

鈉水玻璃砂CO2法是鑄造車(chē)間常用的制芯和造型工藝。此法既可用于大量生產(chǎn)和單件小批生產(chǎn)，也適用于大小型、芯。目前廣泛采用的CO2－鈉水玻璃砂，大都由純凈的人造(或天然)硅砂加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.5％～8.0％的鈉水玻璃配制而成。對(duì)于幾十噸的質(zhì)量要求高的大型鑄鋼件砂型(芯)，全部面砂或局部采用鎂砂、鉻鐵礦砂、橄欖石砂、鋯砂等特種砂代替硅砂較為有利。有的要求鈉水玻璃砂具有一定濕態(tài)強(qiáng)度和可塑性，以便脫模后再吹CO2硬化，可加入1％～3％膨潤(rùn)土或3％～6％普通粘土，或加入部分粘土砂。為改善出砂性，有的芯砂中往往還加入1.5％的木屑，或加入5％的石棉粉，或加入其它附加物等。2.造型（芯）及吹CO2硬化

鈉水玻璃砂流動(dòng)性好，造芯時(shí)可用手工或靠微震緊實(shí)，也可采用吹射造芯(型)。大的砂芯為增加容讓性和便于排氣，砂芯內(nèi)部放塊度為30～40min的焦炭塊、爐渣或干砂，并在中心挖出氣孔，上部通至箱口。型和芯一般要扎通氣孔，使CO2氣體可以通過(guò)，加速硬化。

吹CO2硬化時(shí)，吹CO2的方法可根據(jù)型(芯)的大小和形狀加以選擇。要求CO2能迅速均勻進(jìn)入型(芯)的各個(gè)部分，以最少CO2消耗量達(dá)到使型、芯各部分硬化均勻，避免出現(xiàn)死角。目前應(yīng)用較多的是插管法(圖6.9)和蓋罩法(圖6.10)，也有通過(guò)模樣吹CO2硬化的方法，還開(kāi)發(fā)了真空CO2硬化和脈沖吹氣硬化等。6.2.3自硬鈉水玻璃砂自硬法為鈉水玻璃砂的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域，因?yàn)樯靶?型)是由砂內(nèi)固化劑致硬的，相對(duì)來(lái)說(shuō)，它能制出更大的砂芯(型)，并可用另外的型砂作背砂，具有較大的靈活性。

自硬鈉水玻璃砂由原砂、鈉水玻璃、粉狀或液態(tài)有機(jī)酯固化劑以及為改善砂芯(型)的保存性(shelflife)和出砂性、減少鑄件缺陷、提高鑄件表面質(zhì)量的附加物所組成。1.粉狀固化劑－鈉水玻璃砂

目前較常用的粉狀固化劑是含硅酸二鈣(2CaO·SiO2,簡(jiǎn)稱(chēng)C2S)的粉末(dicalciumsilicatepowder)。由于赤泥、鉻鐵渣、堿性電爐爐渣、熔煉鎂鋁的還原渣等殘?jiān)驈U料中存在大量的C2S，因此，實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用這類(lèi)材料作自硬鈉水玻璃砂的固化劑。其中，赤泥是用鋁礬土提取氧化鋁后的殘?jiān)?，?jīng)過(guò)水洗去堿，在800～850℃焙燒和磨細(xì)而得到的粉末，因含氧化鐵呈現(xiàn)紅色而得名。2.液態(tài)有機(jī)酯固化劑-鈉水玻璃砂這是一種在20世紀(jì)60年代后期出現(xiàn)的鈉水玻璃自硬砂工藝。液體固化劑的活度各不相同，其中甘油單醋酸酯硬化鈉水玻璃砂的反應(yīng)速度很快，但硬化性能差；甘油雙醋酯的反應(yīng)速度也快，型(芯)砂可使用時(shí)間只有3.5～4min；而甘油三醋酸酯硬化鈉水玻璃的速度相當(dāng)慢，可使用時(shí)間大于2.4h；二甘醇二醋酸酯硬化的可使用時(shí)間為1.5h(鈉水玻璃模數(shù)M=2.7～2.8)。因此，單獨(dú)使用多不適宜，通常市售的鑄造用有機(jī)酯大都是由上述酯以不同比例混合而成，以滿(mǎn)足生產(chǎn)不同的可使用時(shí)間和硬化速度的要求。酯促使鈉水玻璃砂硬化建立強(qiáng)度分為兩階段，酯使鈉水玻璃膠凝化，產(chǎn)生強(qiáng)度；最終強(qiáng)度來(lái)自硅酸鈉脫水。6.2.4鈉水玻璃砂潰散性問(wèn)題及其解決途徑

鈉水玻璃砂的主要缺點(diǎn)是潰散性差（poorbreakdownproperty，poorcollapsibility），使出砂困難，從而限制了它在鑄造上的應(yīng)用。圖6.12為CO2硬化的鈉水玻璃砂在不同混度下的抗壓強(qiáng)度、殘留強(qiáng)度和自由熱膨脹的變化值。為改善鈉水玻璃砂的出砂性，遵循的主要途徑及采取的主要措施為：1）在鈉水玻璃砂中加入附加物2）減少鈉水玻璃用量3）降低易熔融物質(zhì)的含量4）水玻璃的“改性”和“復(fù)合”(1)改性(2)復(fù)合研究發(fā)現(xiàn)，隨著水玻璃砂的多樣化，合理地開(kāi)發(fā)和使用，預(yù)期水玻璃砂的比粘結(jié)強(qiáng)度、潰散性和舊砂回用率等可達(dá)到或接近樹(shù)脂砂水平。6.3有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑砂型（芯）6.3.1殼型（芯）1.殼型（芯）的制造

鑄造生產(chǎn)中，砂型（芯）直接承受液體金屬作用的只是表面一層厚度數(shù)毫米的砂殼，其余的砂只起支承這一層砂殼的作用，這就促使鑄造工作者尋求用殼型、殼芯來(lái)制造鑄件。1940年，JohannesCroning發(fā)明用熱法制造殼型，稱(chēng)為“殼法”（shellprocess），或“殼型造型”（shellmolding）?，F(xiàn)在此法不僅可用于造型，更多的是用于制殼芯。該法用酚醛樹(shù)脂作粘結(jié)劑，配制的型（芯）砂叫覆膜砂（precoatedsand），像干砂一樣松散。其制殼的方法有兩種：翻斗法（dumpingmethod)和吹砂法（blowingmethod）。翻斗法常用于制造殼型，砍砂法多用于制造殼芯。圖6.13為翻斗法工藝流程圖。模型預(yù)熱到250～300℃，噴涂分型劑；將模板置于翻斗上并固緊，翻斗轉(zhuǎn)動(dòng)180°使覆膜砂落到模板上，保持15～50s（常稱(chēng)結(jié)殼時(shí)間）。吹砂法分頂吹法和底吹法兩種（圖6.14）。吹砂壓力一般頂吹法為0.1～0.35MPa，吹砂時(shí)間為2～6s；底吹法為0.4～0.5MPa，15～35s。頂吹法可以制造較大型復(fù)雜的砂芯；底吹法常用于小砂芯的制造，硬化時(shí)間為90s～2min，硬化時(shí)間長(zhǎng)，殼厚增加，而硬化溫度提高，對(duì)硬化速率幾乎沒(méi)有影響，使靠近芯盒或模板的砂有過(guò)硬化（over-curing）的危險(xiǎn)。2.殼法覆膜砂用原材料及覆膜砂混制工藝1)酚醛樹(shù)脂

殼法采用線(xiàn)性熱塑性（thermoplastic）酚醛樹(shù)脂。它是在苯酚過(guò)量（通常苯酚與甲醛的物質(zhì)的量之比為1：0.75～0.85）及溫度在105℃以下縮合制成的。2)原砂

殼法一般采用硅砂，對(duì)于表面質(zhì)量要求很高的鑄件，特別是壁很厚實(shí)、易產(chǎn)生粘砂的鑄鋼件，也常使用鋯砂、鉻鐵礦砂。原砂應(yīng)純凈、粒形圓整和表面無(wú)雜質(zhì)。3)附加物

為了改善覆膜砂的性能，有時(shí)在覆膜過(guò)程中加入某些附加物。例如加入硬酯酸鈣（為砂質(zhì)量的0.25%～0.35%），可防止覆膜砂存放期間結(jié)塊；增加覆膜砂的流動(dòng)性，使型、芯表面致密；制殼時(shí)易于頂出等。4)覆膜砂混制工藝

酚醛樹(shù)脂覆膜砂一般以原砂為100（質(zhì)量比），酚醛樹(shù)脂加入量為：對(duì)于殼型3.5～6.0，殼芯是1.5～4.0，另加入烏洛托品和硬脂酸鈣。覆膜砂的混制工藝可分為冷法、溫法和熱法3種。

冷法也叫冷溶法，是一種初級(jí)方法，先將粉狀樹(shù)脂、固化劑預(yù)先溶解在工業(yè)酒精、丙酮或糠醛中，再加入砂中進(jìn)行混砂，此時(shí)溶劑逐漸揮發(fā)，樹(shù)脂就在砂子上呈一層薄膜包覆，最后混合碾碎過(guò)篩即可使用。溫法（warmprocess）是將加熱到50℃的砂子連同烏洛托品和硬脂酸鈣加到間歇式混砂機(jī)中，再加液態(tài)樹(shù)脂并吹溫?zé)峥諝庾屓軇┢?，使砂粒均勻覆膜。將砂團(tuán)破碎后冷卻，供使用。6.3.2熱芯盒法所謂熱芯盒法(hot-boxprocess)和溫芯盒法(warm-boxprocess)造芯，是用液態(tài)熱固性樹(shù)脂粘結(jié)劑和催化劑配制成的芯砂，吹射入加熱到一定溫度的芯盒內(nèi)，貼近芯盒表面的砂芯受熱，其粘結(jié)劑在很短時(shí)間即可縮聚而硬化。而且只要砂芯的表層有數(shù)毫米結(jié)成硬殼即可自芯盒取出，中心部分的砂芯利用余熱和硬化反應(yīng)放出的熱量可自行硬化。熱芯盒法在20世紀(jì)60年代后陸續(xù)在歐美等國(guó)被逐步開(kāi)發(fā)應(yīng)用，其發(fā)展速度極為迅速，至今它在全世界的汽車(chē)、拖拉機(jī)及柴油機(jī)等行業(yè)廣泛應(yīng)用，熱芯盒法與殼芯(型)法相比，具有更高的生產(chǎn)率，造芯速率從幾秒至數(shù)十秒，造芯用粘結(jié)劑成本低；砂芯的混砂設(shè)備簡(jiǎn)單，投資少等優(yōu)點(diǎn)。1.熱芯盒法用粘結(jié)劑及催化劑1)熱芯盒法用粘結(jié)劑

熱芯盒用的樹(shù)脂有呋喃樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂，大多數(shù)是以尿醛、酚醛和糠醇改性為基礎(chǔ)的一些化合物，根據(jù)所使用的鑄造合金及砂芯的不同以及市場(chǎng)供應(yīng)情況進(jìn)行樹(shù)脂的選擇。熱芯盒法用的酚醛樹(shù)脂，對(duì)截面細(xì)薄的小型砂芯，常直接使用上述殼型采用的由熱塑性酚醛樹(shù)脂加烏洛托品配制的覆膜砂制成實(shí)體砂芯。為降低酚醛樹(shù)脂成本，減少砂芯脆性，可采用由脲醛改性的以酚醛為基礎(chǔ)的酚脲樹(shù)脂（PF/UF），常用的為氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)7%左右的酚脲醛樹(shù)脂。2)熱芯盒法硬化用催化劑

熱芯盒法使用的催化劑在室溫下處于潛伏狀態(tài)，一般采用在常溫下呈中性或弱酸性的鹽（這有利于混合好的樹(shù)脂砂的存放，即可使用時(shí)間長(zhǎng)），而在加熱時(shí)激活成強(qiáng)酸，促使樹(shù)脂迅速硬化。生產(chǎn)中常用的為氯化銨、硝酸銨、磷酸銨水溶液，也有采用對(duì)甲苯磺酸銅鹽或?qū)妆交撬徜@鹽。2.熱芯盒法砂的配制

熱芯盒法可以使用任何干凈、干燥的原砂。要求砂芯有較好的透氣性時(shí)，可選用稍粗的原砂；要求鑄件內(nèi)表面很光潔時(shí)，可選用較細(xì)的原砂?；熘乒に嚭?jiǎn)單，可用一般碾輪式混砂機(jī)。混砂時(shí)間不宜長(zhǎng)，均勻即可放砂，以免造成溫度升高，影響芯砂的流動(dòng)性。由于熱芯盒法造芯時(shí)要求芯砂在熱芯盒內(nèi)快速硬化成形，因此要求熱芯盒砂流動(dòng)性好，可射制出形狀復(fù)雜、緊實(shí)度均一的砂芯；硬化速度快，硬化溫度范圍寬，硬化強(qiáng)度高，以提高造芯生產(chǎn)率和使砂芯具有高的尺寸精度；可使用時(shí)間長(zhǎng)，以利于生產(chǎn)管理和減少?gòu)U砂。6.3.3自硬冷芯盒法將原砂、液態(tài)樹(shù)脂及液態(tài)催化劑混合均勻后，填充到芯盒（或砂箱）中，稍加緊實(shí)即于室溫下在芯盒（或砂箱）內(nèi)硬化成形，叫自硬冷芯盒法造芯，簡(jiǎn)稱(chēng)自硬法造芯（型）。自硬法可大致分為酸催化樹(shù)脂砂自硬法、尿烷系樹(shù)脂砂自硬法和酚醛-酯自硬法。這類(lèi)方法從20世紀(jì)50年代末起陸續(xù)問(wèn)世以來(lái)，即引起了鑄造界的重視，發(fā)展很快，主要是：①提高了鑄件的尺寸精度，降低了表面粗糙度。②節(jié)約能源，節(jié)約車(chē)間面積。③砂中的樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，由早期的3%～4%降到了0.8%～1.2%，從而降低了成本。④大大減輕了造芯、造型、落砂、清理工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。⑤舊砂可再生，有利于防止二次公害。1.酸催化樹(shù)脂自硬砂用的樹(shù)脂

常用粘結(jié)劑為呋喃樹(shù)脂和酚醛樹(shù)脂。所用呋喃樹(shù)脂除常用脲呋喃、脲-酚呋喃、酚醛呋喃這類(lèi)樹(shù)脂外，也有采用酮醛樹(shù)脂與糠醇的混合物（AR/FA）、糠醇-甲醛聚合體（FA/F）、糠醇與其它活性化合物的混合物（FA/C）?？反己吭礁撸退暮繒?huì)愈低，粘結(jié)劑的質(zhì)量也愈好，但價(jià)格也高。近年來(lái)，主要發(fā)展方向是在保持合適性能的基礎(chǔ)上，盡量少加糠醇；另一發(fā)展方向是盡量降低或盡量使呋喃樹(shù)脂不含游離甲醛和酚，并提高其反應(yīng)活性，這是因?yàn)橛坞x甲醛和游離酚污染環(huán)境；反應(yīng)活性高使樹(shù)脂的固化有可能用低硫甚至不含硫不含磷的酸催化劑。2.酸催化樹(shù)脂自硬砂用的催化劑在酸催化劑自硬法中，催化劑對(duì)硬化過(guò)程控制起者決定性作用。一種好的樹(shù)脂必須有合適的催化劑與之配合，才能充分發(fā)揮其粘結(jié)效率，獲得比較理想的工藝性能。通常自硬法用催化劑應(yīng)符合以下要求：①保證該工藝過(guò)程所規(guī)定的硬化速度和強(qiáng)度。②具有低的粘度的液體，不產(chǎn)生沉淀；長(zhǎng)期貯存時(shí)，以及溫度在0～36℃范圍內(nèi)，性能不變。③如冬季運(yùn)輸引起冷凝，隨后加熱熔化時(shí)性能可回復(fù)。④價(jià)格合理、經(jīng)濟(jì)。從呋喃系、酚醛系樹(shù)脂自硬砂用酸性催化劑看，與熱芯盒法造芯用的催化劑的主要差別是不采用潛伏型催化劑，而是采用活性催化劑，其本身就是強(qiáng)酸或中強(qiáng)酸，一般采用芳基磺酸、無(wú)機(jī)酸、以及它們的復(fù)合物。常用的無(wú)機(jī)酸為磷酸、硫酸單酯、硫酸乙酯；芳基磺酸為對(duì)甲苯磺酸（PTSA）、苯磺酸（BSA）、二甲苯磺酸、苯酚磺酸、萘磺酸、對(duì)氯苯磺酸等。其中二甲苯磺酸在我國(guó)應(yīng)用較多。從催化效果來(lái)看，強(qiáng)酸使樹(shù)脂砂硬化速度快，但終強(qiáng)度較低；弱酸硬化速度慢，但終強(qiáng)度較高。幾種不同的酸，其酸性強(qiáng)弱次序是：硫酸單酯>苯磺酸>對(duì)甲苯磺酸>磷酸。它們與芯砂強(qiáng)度、脫模時(shí)間的關(guān)系如圖6.15。3.可使用時(shí)間和脫模時(shí)間

可使用時(shí)間（workingtime）是指自硬樹(shù)脂砂（其它化學(xué)粘結(jié)劑也相同）混砂后能夠制出合格砂芯的那一段時(shí)間。脫模時(shí)間（strippingtime）是指從混砂結(jié)束開(kāi)始，在芯盒內(nèi)制的砂芯（或未脫模的砂型）硬化到能滿(mǎn)意地將砂芯從芯盒中取出（或脫模），而不致發(fā)生砂芯（或砂型）變形所需的時(shí)間間隔。這是自硬樹(shù)脂砂和所有化學(xué)粘結(jié)劑砂的很重要的性能指標(biāo)。

影響可使用時(shí)間、脫模時(shí)間的因素很多。實(shí)驗(yàn)表明，所采用的原砂、樹(shù)脂、催化劑的類(lèi)型、質(zhì)量和加入量，混砂工藝，環(huán)境溫度和濕度，均對(duì)可使用時(shí)間和脫模時(shí)間有明顯的影響，影響最大的為環(huán)境溫度和催化劑加入量。當(dāng)催化劑加入量相同，室溫不同時(shí)，溫度低時(shí)可使用時(shí)間長(zhǎng)；溫度高時(shí)可使用時(shí)間短。6.3.4氣硬冷芯盒法熱芯盒法、殼法均因耗能高；芯盒工裝的設(shè)計(jì)和制造周期長(zhǎng)，成本高；造芯時(shí)工人需在高溫及刺激氣味下操作等，從而限制了它們的應(yīng)用。采用自硬冷芯法造芯，芯砂可使用時(shí)間短，脫模時(shí)間長(zhǎng)，不利于高效大批量造芯，而氣硬冷芯盒法基本可以彌補(bǔ)它們的不足。氣硬冷芯盒法造芯是將樹(shù)脂砂填入芯盒，而后吹氣硬化制成的砂芯。根據(jù)使用的粘結(jié)劑和所吹氣體及作用的不同，分為三乙胺法、SO2法、酯硬化法、低毒和無(wú)毒氣體促硬造芯法等。1.三乙胺法

三乙胺法冷芯盒工藝，即PUCB法（ThePhenolicUrethaneAmineColdBoxProcess）由美國(guó)Ashland油脂化學(xué)公司研制成功。1968年開(kāi)始向鑄造廠(chǎng)推廣應(yīng)用的乙胺法用粘結(jié)劑由兩部分液體組成：組分Ⅰ是酚醛樹(shù)脂；組分Ⅱ是聚異氰酸酯。催化劑為液態(tài)叔胺，可用三乙胺[（C2H5）3N]（TEA）、二甲基乙胺（DMEA）、異丙基乙胺和三甲胺[（CH3）3N]（TMA）。因其價(jià)格便宜，一般用三乙胺，而對(duì)砂芯厚大或芯砂溫度、室溫較低時(shí)，最好用易汽化的二甲基乙胺（三乙胺沸點(diǎn)89℃，二甲基乙胺沸點(diǎn)35℃）。一般用干燥壓縮空氣、CO2或N2作液態(tài)胺的載體氣體，體積分?jǐn)?shù)稀釋到約5%，且常用N2。造芯時(shí)，其工藝過(guò)程如圖6.16所示。2.低（無(wú)）毒氣體硬化造芯法

采用三乙胺冷芯盒法盡管有很多優(yōu)點(diǎn)，但都會(huì)是將有毒氣體帶入了鑄造車(chē)間，加重了環(huán)境污染，因此人們迫切要求開(kāi)發(fā)無(wú)毒、無(wú)污染的新工藝和新材料。1)酚醛-酯冷芯盒法（phenolic-estercoldboxprocess）

此法在1984年才開(kāi)始用于鑄造生產(chǎn)，由于有改善環(huán)境的特點(diǎn)，并且所生產(chǎn)的鑄件質(zhì)量高，因而很快得到一定應(yīng)用。所用粘結(jié)劑由水溶性堿性甲階酚醛樹(shù)脂和易揮發(fā)形成氣霧的酯組成。酚醛樹(shù)脂與原砂混合后即可用吹或射砂法成形；將液態(tài)有機(jī)酯汽化，以氣體形式通過(guò)芯砂使砂芯硬化。由于大部分酯消耗在硬化反應(yīng)過(guò)程中，因此，殘留的酯蒸氣只需用少量?jī)粝纯諝饩涂扇サ簟２贿^(guò)，凈洗空氣也促使酯蒸氣分散到砂芯各個(gè)部分。

2)吹壓縮空氣冷芯盒法1971年，波蘭鑄造研究所研制成吹壓縮空氣硬化的所謂syncor法，其實(shí)質(zhì)是用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～10%的溶解在有機(jī)溶劑中的聚苯乙烯作粘結(jié)劑，制成砂芯后，向芯盒中吹入300～600kPa壓力的壓縮空氣，讓其溶劑揮發(fā)而達(dá)到硬化。根據(jù)砂芯的大小和形狀，吹氣時(shí)間為5～180s，粘結(jié)劑加入量3%～5%。此法的硬化，由于靠溶劑揮發(fā)，對(duì)環(huán)境仍有污染。1991年9月在波蘭召開(kāi)的第58屆世界鑄造會(huì)議是專(zhuān)門(mén)圍繞“鑄造粘結(jié)劑和環(huán)境”這一主題開(kāi)展的專(zhuān)題討論會(huì)。3)吹CO2氣體冷芯盒法(1)CO2-聚丙烯酸鈉法1982年，英國(guó)推出了以聚丙烯酸鈉為粘結(jié)劑，粉狀Ca(OH)2為固化劑，造芯后通入CO2，硬化的CO2-Polidox法。我國(guó)也開(kāi)展了這方面的類(lèi)似研究，稍有不同的是聚丙烯酸鈉粘結(jié)劑完全無(wú)氮（英國(guó)的為ωN=0.02%）；粉狀固化劑中除含有Ca(OH)2外，還含有其它金屬離子和有機(jī)復(fù)合物。以原砂質(zhì)量為100%，粘結(jié)劑加入量通常為2.8%～3.8%，固化劑為1.0%～1.4%，芯砂可使用時(shí)間不少于2.5h，吹CO2時(shí)間10～60s，吹CO2后即時(shí)抗壓強(qiáng)度為0.4～1.0Mpa，24h后為2.8～6.0MPa。CO2-聚丙烯酸鈉法的硬化主要靠粉狀固化劑中高價(jià)金屬離子如Ca2+、Mg2+等置換粘結(jié)劑中的鈉離子，促使樹(shù)脂分子交聯(lián)，6.4造型及砂處理設(shè)備6.4.1粘土砂緊實(shí)方法、原理及特點(diǎn)

造型過(guò)程是鑄造生產(chǎn)的主要工藝過(guò)程。造型過(guò)程包括填砂、緊實(shí)、起模、下芯、合箱及砂箱的運(yùn)輸。大部分造型機(jī)主要是實(shí)現(xiàn)填砂、緊實(shí)和起模，而合箱及砂箱的運(yùn)輸則由其它輔助設(shè)備來(lái)完成。目前，粘土砂型仍是鑄造生產(chǎn)中運(yùn)用最廣泛，最適合鑄件大批量流水線(xiàn)生產(chǎn)。

鑄造型(芯)砂是包覆著粘結(jié)劑膜的砂粒，由于粘結(jié)劑膜的作用，使型(芯)砂成為具有粘性、塑性和彈性的散體。鑄型(芯)就是由這些松散的型砂和芯砂經(jīng)過(guò)一定力的作用，借助模樣和芯盒而緊實(shí)成型的，被緊實(shí)的型砂必須具有一定強(qiáng)度和緊實(shí)度。1.壓實(shí)緊實(shí)

1）壓實(shí)緊實(shí)原理

壓實(shí)緊實(shí)是直接加壓的方法使型砂緊實(shí)，如圖6.17所示。壓實(shí)時(shí)壓板壓入余砂框中，砂柱高度降低，型砂緊實(shí)，緊實(shí)前后型砂的質(zhì)量不變。2）壓實(shí)緊實(shí)方法

按加壓方式的不同，壓實(shí)緊實(shí)又可分為：壓板加壓(上加式)、模底板加壓(下壓式)、對(duì)壓加壓三類(lèi)，如圖6.17、圖6.18、圖6.19所示。不同的壓實(shí)方法，型砂緊實(shí)度的分布不近相同。下面以上壓式為例，討論影響緊實(shí)度的因素。3）影響緊實(shí)度的因素

（1）砂箱位置的影響

圖6.20是平壓板采用上壓式壓實(shí)后砂型各部分緊實(shí)度的分布曲線(xiàn)(填砂高度為400mm)。圖中線(xiàn)1表示砂型中心部分，沿整個(gè)砂型的高度上，緊實(shí)度大致相同；但靠近箱壁或落箱角處的摩擦阻力較大，故砂型緊實(shí)度沿砂型高度分布嚴(yán)重不均勻(曲線(xiàn)2所示)。（2）砂箱高度的影響

砂型中心部分(沿著砂型高度)的緊實(shí)度基本均勻，是對(duì)于一定高度的砂型才適合的，當(dāng)砂箱的高度超過(guò)砂箱的寬度時(shí)就不再適合了。圖6.21是砂箱高度不同時(shí)，壓實(shí)后砂型中心部分緊實(shí)度的變化情況。（3）模樣高度的影響以上所述是砂箱中沒(méi)有模樣或模樣很矮時(shí)的情況。若砂箱內(nèi)模樣較高，情況更為復(fù)雜。如圖6.22所示，設(shè)模樣深凹處的高與寬之比，用深凹比A表示

A=H/Bmin式中，H——深凹處的高度(或深度)Bmin——深凹處窄邊寬度A越大，則深凹處底部型砂的緊實(shí)越不容易。根據(jù)試驗(yàn)，對(duì)于粘土砂，A小于0.8時(shí)，平均緊實(shí)度尚無(wú)明顯下降；若A大于0.8時(shí)，則深凹處底部的緊實(shí)度就難以得到保證。4）使壓實(shí)砂緊實(shí)度均勻的方法

壓實(shí)緊實(shí)的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、能耗低，是鑄造設(shè)備中的常用緊實(shí)方法；它的缺點(diǎn)是砂型緊實(shí)度的均勻性不夠，很多造型機(jī)針對(duì)該缺點(diǎn)，采取了不同的措施使緊實(shí)度均勻，主要措施是減少壓縮比的差別和采用模板加壓。(1)成形壓板成形壓板的形狀與模樣形狀相似，使砂型的壓縮比相同，故壓實(shí)緊實(shí)后的砂型緊實(shí)度基本均勻，如圖6.23所示。(2)多觸頭壓實(shí)整塊的平壓板不能適應(yīng)模樣上不同的壓縮比，將它分成許多小壓板，稱(chēng)為多觸頭壓頭，如圖6.24所示，每個(gè)小壓頭的后面是一個(gè)液壓缸，而所有液壓缸的油路是互相連通的。(3)壓膜造型它是用一塊彈性的橡皮膜作壓頭，壓縮空氣作用于橡皮膜內(nèi)部，對(duì)型砂進(jìn)行壓實(shí)(圖6.25)。這種橡皮膜可以看作能自動(dòng)適應(yīng)模樣形狀的成形壓頭，使各處的實(shí)砂力量相等，從而使緊實(shí)度均勻。2.震擊緊實(shí)1）普通震擊緊實(shí)

普通震擊緊實(shí)的過(guò)程如圖6.26所示，當(dāng)壓縮空氣從進(jìn)氣孔4進(jìn)入氣缸時(shí)，使震擊活塞2驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)1連同充滿(mǎn)型砂的砂箱上升進(jìn)氣行程Sj距離后，排氣孔打開(kāi)，經(jīng)過(guò)慣性行程后，震擊活塞急劇下落，砂箱中的型砂隨砂箱下落時(shí)，得到一定的運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)工作臺(tái)與機(jī)座3接觸時(shí)，此速度驟然減小到零，因此產(chǎn)生很大的慣性加速度，由于慣性力的作用，在各層型砂之間產(chǎn)生瞬時(shí)的壓力，將型砂緊實(shí)，經(jīng)過(guò)十幾次到幾十次撞擊后得到所需的型砂緊實(shí)度。

震擊時(shí)，愈下面的砂層，受到的慣性力愈大，愈易被緊實(shí)；而砂型頂部，所受的慣性趨近于零，仍是疏松狀態(tài)。圖6.27是震擊緊實(shí)時(shí)砂型中心點(diǎn)型砂緊實(shí)度沿砂型高度分布曲線(xiàn)。為了減小震擊緊實(shí)度分布不均勻的缺陷，需對(duì)上層型砂進(jìn)行補(bǔ)充緊實(shí)，常用的方法有：在震擊后用手工或風(fēng)動(dòng)搗機(jī)補(bǔ)充緊實(shí)上層型砂，或用壓實(shí)氣缸壓實(shí)(即震壓緊實(shí))。

普通震擊緊實(shí)的另一嚴(yán)重缺陷是振動(dòng)噪聲大，震擊對(duì)地基和環(huán)境產(chǎn)生干擾。為了減小震擊力對(duì)地基的影響，可采取一些減震措施，常用的減震方法如圖6.28所示。圖6.28a是在震擊氣缸下面設(shè)置一個(gè)氣墊缸，震擊氣缸和活塞先由氣墊缸升起，震擊時(shí)，氣墊缸在震擊氣缸下面形成一個(gè)空氣墊，能很好地消除震動(dòng)的影響。圖6.28b是用一個(gè)螺旋彈簧代替圖6.28a中的空氣墊，起消震作用。2）微震緊實(shí)

調(diào)整上面的彈簧墊或空氣墊的震擊機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使震擊氣缸體(又稱(chēng)為震鐵)作主要的震擊運(yùn)動(dòng)，每次震擊打擊工作臺(tái)一次；并使工作臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)幅比較小而頻率較高的微震，就成為微震緊實(shí)機(jī)構(gòu)。因此微震機(jī)構(gòu)是帶緩沖裝置的震擊機(jī)構(gòu)，其緊實(shí)質(zhì)量和效率都有提高，對(duì)地基的震動(dòng)大大減小。

微震的實(shí)際作用與震擊相仿，所得的緊實(shí)度分布曲線(xiàn)也與震擊的相似，靠近模底板處緊實(shí)度高，砂型上部較低。

微震緊實(shí)機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)：?jiǎn)渭兾⒄?、微震加壓?shí)、壓震(壓實(shí)、微震同時(shí)進(jìn)行)、預(yù)震+壓震等4種實(shí)砂方法。不同的震和壓的方法所得的緊實(shí)效果如圖6.29所示。3.射砂緊實(shí)

射砂緊實(shí)是利用壓縮空氣將型(芯)砂以高速度射入型腔或芯盒內(nèi)而得到緊實(shí)。射砂機(jī)構(gòu)如圖6.30所示。射砂緊實(shí)過(guò)程包括：加砂、射砂、排氣緊實(shí)3個(gè)工序。

（1）加砂：打開(kāi)加砂閘板6，砂斗5中的砂子加入射砂筒1中，然后關(guān)閉加砂閘板。

（2）射砂：打開(kāi)射砂閥7，貯氣包8中的壓縮空氣從射筒1的頂橫縫和周豎縫進(jìn)入筒內(nèi)，形成氣砂流射人芯盒(或砂箱)中。

（3）排氣緊實(shí)：型腔中的空氣通過(guò)排氣塞排除；高速氣砂流由于型腔壁的阻擋而被滯止，砂氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成型(芯)砂的緊實(shí)功，使型(芯)砂得到緊實(shí)。4.氣流沖擊緊實(shí)

氣流沖擊緊實(shí)是先將型砂填入砂箱內(nèi)，然后利用壓縮空氣，在很短的時(shí)間(10-20ms)內(nèi)以很高的升壓速度(dp/dt=45～22.5MPa/s)作用于砂型頂部，高速氣流沖擊將型砂緊實(shí)。

氣沖緊實(shí)過(guò)程如圖6.31所示。高速氣流作用于砂箱散砂(圖6.31a)的頂部，形成一頂緊砂層(圖6.31b)；預(yù)緊砂層快速向下運(yùn)動(dòng)且愈來(lái)愈厚，直至與模底板發(fā)生接觸(圖6.31c)，加速向下移動(dòng)的預(yù)緊實(shí)砂體，受到模底板的滯止作用，而產(chǎn)生對(duì)模底板的沖擊，最底下的砂層先得到?jīng)_擊緊實(shí)(圖6.31d)，隨后上層砂層逐層沖擊緊實(shí)，一直到達(dá)砂型頂部(圖6.31e)。6.4.2粘土砂造型設(shè)備1.震壓式造型機(jī)

以Z145型震壓式造型機(jī)為例，它是典型的以震擊為主、壓實(shí)為輔的小型造型機(jī)，廣泛用于小型機(jī)械化鑄造車(chē)間，最大砂箱尺寸為400mm×500mm，比壓為0.125MPa，單機(jī)生產(chǎn)率為60型／h。Z145型震壓造型機(jī)的總圖如圖6.32所示。機(jī)架是懸臂單立柱結(jié)構(gòu)，壓板架是轉(zhuǎn)臂式的。機(jī)架和轉(zhuǎn)臂都是箱形結(jié)構(gòu)。為了適應(yīng)不同高度的砂箱，打開(kāi)壓板機(jī)構(gòu)上的防塵罩，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，可以調(diào)整壓板在轉(zhuǎn)臂上的高度。轉(zhuǎn)臂可以繞中心軸10旋轉(zhuǎn)。由動(dòng)力缸9推動(dòng)一齒條，帶動(dòng)中心軸10上的齒輪，使轉(zhuǎn)臂搖轉(zhuǎn)。為了使轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)終了時(shí)能平穩(wěn)停止，避免沖擊，動(dòng)力缸在行程兩端都有油阻尼缸緩沖。2.多觸頭高壓微震造型機(jī)高壓造型機(jī)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的粘土砂造型機(jī)，它具有生產(chǎn)率高，所得鑄件尺寸精度高、表面租糙度低等一系列優(yōu)點(diǎn)，目前仍被廣泛采用。高壓造型機(jī)通常采用多觸頭壓頭，并與氣動(dòng)微震緊實(shí)相結(jié)合，故稱(chēng)為多觸頭高壓微震造型機(jī)。典型的多觸頭高壓微震造型機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖6.33所示。通常由機(jī)架、微震壓實(shí)機(jī)構(gòu)、多觸頭壓頭、定量加砂斗、進(jìn)出砂箱輥道等部分組成。3.垂直分型無(wú)箱射壓造型機(jī)

如果造型時(shí)不用砂箱(無(wú)箱)或者在造型后能先將砂箱脫去(脫箱)，使砂箱不進(jìn)入澆注、落砂、回送的循環(huán)，就能減少造型生產(chǎn)的工序，節(jié)省砂箱，而且可使造型生產(chǎn)線(xiàn)所需輔機(jī)減少，布線(xiàn)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。垂直分型無(wú)箱射壓造型機(jī)的造型原理可如圖6.34。造型室由造型框及正、反壓板組成。正、反壓板上有模樣，封住造型室后，由上面射砂填砂，再由正、反壓板兩面加壓，緊實(shí)成兩面有型腔的型塊(圖6.34a)。然后反壓板退出造型室并向上翻起讓出型塊通道(圖6.34b)。接著壓實(shí)板將造好的型塊從造型室推出，且一直前推，使其與前一塊型塊推合，并且還將整個(gè)型塊列向前推過(guò)一個(gè)型塊的厚度(圖6.34c)。然后壓實(shí)板退回，反壓板放下并封閉造型室，機(jī)器即進(jìn)入另一個(gè)造型循環(huán)。4.水平分型脫箱射壓造型機(jī)水平分型脫箱射壓造型是在分型面呈水平的情況下進(jìn)行射砂充填、壓實(shí)、起模、脫箱、合型和澆注的。

水平分型脫箱射壓造型機(jī)類(lèi)型很多。圖6.35是德國(guó)MBD公司出品的水平分型脫箱射壓造型機(jī)的結(jié)構(gòu)圖。中間15是裝在移動(dòng)小車(chē)上的雙面模板。15的上面是上砂箱及上射壓系統(tǒng)，下面是下砂箱及下射壓系統(tǒng)。中間是一個(gè)轉(zhuǎn)盤(pán)機(jī)構(gòu)。對(duì)于水平分型脫箱造型和垂直分型無(wú)箱造型，砂箱都沒(méi)有進(jìn)入生產(chǎn)線(xiàn)，有組成簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但與垂直分型相比，水平分型還有如下一些優(yōu)點(diǎn)：

（1）水平分型下芯和下冷鐵比較方便。

5.氣沖造型機(jī)1）氣沖裝置

氣沖裝置是氣沖造型的核心，它的關(guān)鍵在于快開(kāi)閥的結(jié)構(gòu)及其開(kāi)啟速度。國(guó)內(nèi)外的氣沖裝置很多，目前實(shí)際生產(chǎn)中使用較多的氣沖裝置有兩種：一種是GF公司的圓盤(pán)式氣沖裝置；另一種是BMD公司的液控式氣沖裝置。GF氣沖裝置如圖6.36所示。在充滿(mǎn)壓縮空氣的壓力室1內(nèi)有一個(gè)快開(kāi)閥2，其閥門(mén)3通常是處于受壓關(guān)閉狀態(tài)，一旦需要排氣時(shí)閥門(mén)3便快速打開(kāi)(開(kāi)啟時(shí)間0.01s左右)，室內(nèi)1內(nèi)的壓縮空氣迅速進(jìn)入a腔，在0.01～0.02s的時(shí)間內(nèi)達(dá)到最高壓力0.45～0.5MPa(取決于氣源壓力、閥門(mén)開(kāi)啟快慢和大小)，利用這種強(qiáng)大的氣壓沖擊作用，可使型砂得到緊實(shí)。該閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，閥門(mén)為一金屬圓盤(pán)，外層包覆一層塑料或橡膠薄膜。閥門(mén)開(kāi)啟速度快，使用壽命長(zhǎng)。使用的壓縮空氣壓力約為0.2～0.7MPa。

BMD式液控氣沖裝置如圖6.37所示。固定閥板2與活動(dòng)閥板3都作成格柵形，兩閥板的月牙形通孔相互錯(cuò)開(kāi)，當(dāng)兩閥板貼緊時(shí)完全關(guān)閉(圖6.37a)。當(dāng)液壓鎖緊機(jī)構(gòu)放開(kāi)時(shí)，在貯氣室7的氣壓作用下，活動(dòng)閥板迅速打開(kāi)，實(shí)現(xiàn)氣沖緊實(shí)(圖6.37b)。緊實(shí)后液壓缸1使活動(dòng)閥板復(fù)位，液壓鎖緊機(jī)構(gòu)再鎖緊活動(dòng)板，恢復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。貯氣室補(bǔ)充進(jìn)氣，以待再次工作。6.4.3砂處理設(shè)備在砂型鑄造生產(chǎn)過(guò)程中，砂處理是一個(gè)重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其主要任務(wù)是配制型砂和芯砂以供造型和制芯的需要。隨著機(jī)械化自動(dòng)化造型線(xiàn)的發(fā)展，型砂的需要量與運(yùn)輸量日益增大，通常每生產(chǎn)1噸合格鑄件約需5～10噸型砂。在型砂處理和運(yùn)輸過(guò)程中，不僅工作量繁重，而且還會(huì)產(chǎn)生較多灰塵、熱量以及有害氣體等，勞動(dòng)條件較差。因此砂處理過(guò)程的機(jī)械化和自動(dòng)化對(duì)提高鑄件質(zhì)量、產(chǎn)量和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度等方面都具有重要意義。1.粘土砂混砂機(jī)混砂機(jī)種類(lèi)繁多，結(jié)構(gòu)各異。按工作方式分，有間歇式和連續(xù)式兩種；按混砂裝置可分為輾輪式、轉(zhuǎn)子式、擺輪式、葉片式、逆流式等?；焐皺C(jī)對(duì)混制粘土砂的要求是：將各種成分混合均勻；使水分均勻濕潤(rùn)所有物料；使粘土膜均勻地包覆在砂粒表面；將混砂過(guò)程中產(chǎn)生的粘土團(tuán)破碎，使型砂松散。1)碾輪式混砂機(jī)碾輪式混砂機(jī)如圖6.38示。它由碾壓裝置、傳動(dòng)系統(tǒng)、刮板、出砂門(mén)與機(jī)體等部分組成。但這些措施是與碾輪的重量和尺寸相矛盾的，為解決這一問(wèn)題，人們?cè)O(shè)計(jì)了碾輪彈簧加減壓裝置，它的安裝情況如圖6.38、圖6.39所示。支架固定在十字頭上，而曲柄和支架上端鉸接著彈簧加減壓裝置，在曲柄下端的碾輪軸上裝著碾輪。彈簧加減壓裝置的優(yōu)點(diǎn)是：

（1）在減輕碾輪自重的情況下，利用彈簧加減壓裝置保證一定的碾壓力。因此可以適當(dāng)增加碾輪寬度，擴(kuò)大碾壓面積；也可以提高主軸轉(zhuǎn)速，加快混砂過(guò)程。

（2）碾壓力隨砂層厚度自動(dòng)變化，加砂量多或型砂強(qiáng)度增加，則碾壓力增加；加砂量少或在卸砂時(shí)，碾壓力也隨之降低。這不但符合混砂要求，而且可以減少功率消耗和刮板磨損。

2)碾輪轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)在碾輪式混砂機(jī)的基礎(chǔ)上，去掉一個(gè)碾輪，增加一個(gè)混砂轉(zhuǎn)子，便發(fā)展成一種碾輪轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)，如圖6.40所示。3）轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)中沒(méi)有碾輪，只有轉(zhuǎn)子。它是根據(jù)強(qiáng)烈攪拌原理設(shè)計(jì)的。這種混砂機(jī)的主要混砂機(jī)構(gòu)是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的混砂轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子式混砂機(jī)形式很多，如圖6.41是一種對(duì)流式轉(zhuǎn)子混砂機(jī)。國(guó)外稱(chēng)之為CM型混砂機(jī)，它的底盤(pán)是固定的。4)擺輪式混砂機(jī)

擺輪式混砂機(jī)的工作原理如圖6.42所示。由混砂機(jī)主軸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)上有兩個(gè)安裝高度不同的水平擺輪，以及兩個(gè)與底盤(pán)分別成45°和60°夾角的刮板。擺輪可以繞其偏心軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，刮板的夾角與擺輪的高度相對(duì)應(yīng)。圍圈的內(nèi)壁和擺輪的表面均包有橡膠。2.粘土舊砂處理設(shè)備

粘土舊砂處理設(shè)備有：磁分離設(shè)備，破碎設(shè)備，篩分設(shè)備和冷卻設(shè)備等。1）磁分離設(shè)備

磁分離的目的是將混雜在舊砂中的斷裂澆冒口、飛邊、飛翅與鐵豆等磁性物質(zhì)去除。2）破碎設(shè)備

對(duì)于高壓造型、干型粘土砂、水玻璃砂和樹(shù)脂砂的舊砂塊，需要進(jìn)行破碎。3)篩分設(shè)備

舊砂過(guò)篩主要是排除其中的雜物和大的團(tuán)塊，同時(shí)通過(guò)除塵系統(tǒng)還可排除砂中的部分粉塵。4)冷卻設(shè)備

鑄型澆注后，高溫金屬的烘烤使舊砂的溫度增高。6.5鑄造工藝方案設(shè)計(jì)鑄造工藝方案設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：鑄造工藝方法的選擇，澆注位置及分型面的選擇、型芯設(shè)計(jì)等。要想確定最佳鑄造工藝方案，首先應(yīng)對(duì)零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性進(jìn)行分析。6.5.1零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性指的是零件的結(jié)構(gòu)應(yīng)符合鑄造生產(chǎn)的要求，易于保證鑄件品質(zhì)，簡(jiǎn)化鑄造工藝過(guò)程和降低成本。

零件一旦設(shè)計(jì)成形，其結(jié)構(gòu)一般是不能修改的，在鑄造工藝上必須采取各種措施，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)對(duì)零件提出的各項(xiàng)技術(shù)要求。只有當(dāng)鑄件質(zhì)量得不到保證，或在不影響使用性能的條件下又可簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，并征得用戶(hù)同意，才能更改鑄件結(jié)構(gòu)。1.從避免缺陷方面審查鑄件結(jié)構(gòu)1）鑄件應(yīng)有合適的壁厚

為了避免澆不到、冷隔等缺陷，鑄件不應(yīng)太薄。鑄件的最小允許壁厚與鑄造合金的流動(dòng)性密切相關(guān)。合金成分、澆注溫度、鑄件尺寸和鑄型的熱物理性能等顯著地影響金屬液的充型。在砂型鑄造工藝條件下，鑄件最小允許壁厚見(jiàn)表6－3。

2）鑄件壁的聯(lián)結(jié)應(yīng)當(dāng)逐漸過(guò)渡

壁的相互聯(lián)結(jié)處往往形成熱節(jié)，成為容易出現(xiàn)收縮類(lèi)缺陷的地方。因此，為使鑄件壁厚盡可能地接近一致以達(dá)到較均勻的冷卻，應(yīng)使壁厚發(fā)生變化的地方逐漸過(guò)渡，而且交叉肋要盡可能地錯(cuò)開(kāi)布置，以避免或減少熱節(jié)。3）合適的鑄造圓角

一般情況下，鑄件轉(zhuǎn)角處都應(yīng)設(shè)計(jì)成合適的圓角，可以減少該處產(chǎn)生縮孔、縮松及裂紋等缺陷。4）防止鑄件出現(xiàn)裂紋和變形

鑄件往往由于內(nèi)應(yīng)力而發(fā)生變形或產(chǎn)生裂紋。某些壁厚比較均勻的細(xì)長(zhǎng)件、較大的平板件或某些箱體件都可能由于剛性不夠而發(fā)生變形。通常利用修改設(shè)計(jì)來(lái)減小鑄件應(yīng)力，用加強(qiáng)肋增加鑄件剛性或用反曲率的模樣來(lái)解決這類(lèi)問(wèn)題。圖6.44及圖6.45是有關(guān)的實(shí)例。2.從簡(jiǎn)化鑄造工藝方面改進(jìn)零件結(jié)構(gòu)1）改進(jìn)妨礙起模的凸臺(tái)、凸緣和肋板的結(jié)構(gòu)

鑄件側(cè)壁的凸臺(tái)、凸緣和肋板等妨礙起模，為此，機(jī)器造型中不得不增加砂芯；手工造型中也不得不把這些妨礙起模的凸臺(tái)、凸緣、助板等制成活動(dòng)模樣（活塊）?；顗K能與模樣分離，當(dāng)在模樣從鑄型中取出時(shí)，活塊仍留在砂型中，再利用模樣取出后的空間，將活塊取出。這些情況都增加造型（造芯）和模具制造的工作量。如能改進(jìn)結(jié)構(gòu)，就可避免這些缺點(diǎn)（圖6.46）。2）取消鑄件外表側(cè)凹

鑄件外側(cè)壁上有凹入部分必然妨礙起模，需要增加砂芯才能形成鑄件形狀?？缮约痈倪M(jìn)，即可避免凹入部分（圖6.47）。3）有利于砂芯的固定和排氣

砂芯的固定和排氣十分重要，否則容易導(dǎo)致偏芯或氣孔等缺陷。如圖6.48a軸承架鑄件的原結(jié)構(gòu)。2號(hào)砂芯呈懸臂式，需用芯撐固定；改進(jìn)后，懸臂砂芯2和軸孔砂芯1連成一體，變成一個(gè)砂芯。取消了芯撐（圖6.48b）。4）盡量不用或少用砂芯

鑄造生產(chǎn)中，多數(shù)含砂芯的鑄型成本比不含砂芯的鑄型成本高，其生產(chǎn)率也低。因此，盡可能地簡(jiǎn)化鑄件內(nèi)腔結(jié)構(gòu)或其中的肋條、凸塊的布置，盡可能少用或不用砂芯，或改為臺(tái)砂代替砂芯（圖6.49）。6.5.2澆注位置的選擇

鑄件的澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在鑄型中的位置。鑄件澆注位置的選擇決定于合金種類(lèi)、鑄件結(jié)構(gòu)和輪廓尺寸、鑄件表面質(zhì)量要求以及現(xiàn)有的生產(chǎn)條件。選擇鑄件澆注位置時(shí)，以保證鑄件質(zhì)量為前提，同時(shí)盡量做到簡(jiǎn)化造型和澆注工藝。確定澆注位置的主要原則有以下幾點(diǎn)：1.重要加工面應(yīng)朝下或呈直立狀態(tài)

鑄件在澆注時(shí)，朝下或垂直安放部位的質(zhì)量比朝上安放的高。經(jīng)驗(yàn)表明，氣孔、非金屬夾雜物等缺陷多出現(xiàn)在朝上的表面，而朝下的表面或側(cè)立面通常比較光潔，出現(xiàn)缺陷的可能性小。個(gè)別加工表面不得不朝上時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放大加工余量，以保證加工后不出現(xiàn)缺陷。各種機(jī)床床身的導(dǎo)軌面是關(guān)鍵表面，不允許有砂眼、氣孔、渣孔、裂紋和縮松等缺陷，而且要求組織致密、均勻，以保證硬度值在規(guī)定范圍內(nèi)。因此，盡管導(dǎo)軌面比較肥厚，對(duì)于灰鑄件而言，床身的最佳澆注位置是導(dǎo)軌面朝下。圓錐齒輪鑄件的齒坯部分質(zhì)量要求較高，因此其齒坯表面應(yīng)朝下（圖6.50）。而圓筒零件，內(nèi)外表面要求較高，一般采用立澆（圖6.51）。2.鑄件的大平面應(yīng)朝下

鑄件大平面朝下既可避免氣孔和夾渣，又可以防止在大平面上形成夾砂缺陷。在圖6.52中，如果將鑄件的平面朝上，操作上也有其方便之處，如鑄件全部在下型，上型是平的又沒(méi)有吊砂，但鑄件平面部分的質(zhì)量難以保證。因此，應(yīng)選用鑄件平面朝下的方案，而澆注時(shí)可采用傾斜澆注的方法。3.應(yīng)有利于鑄件的補(bǔ)縮

對(duì)于因合金體收縮率大或鑄件結(jié)構(gòu)厚薄不均勻而易于出現(xiàn)縮孔、縮松的鑄件，澆注位置的選擇應(yīng)優(yōu)先考慮實(shí)現(xiàn)順序凝固的條件，要便于安放冒口和發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用。厚大部分盡可能安放在上部位置，而對(duì)于中、下位置的局部厚大處采用冷鐵或側(cè)冒口等工藝措施解決其補(bǔ)縮問(wèn)題。4.應(yīng)選取合適的液態(tài)金屬導(dǎo)入位置

為了保證鑄件能充滿(mǎn)，較大而壁薄的鑄件部分應(yīng)期下、側(cè)立、或傾斜以保證金屬液的充填。澆注薄壁件時(shí)要求金屬液到達(dá)薄壁處所經(jīng)過(guò)的路程或所需的時(shí)間愈短愈好，使金屬液在靜壓力的作用下平穩(wěn)地充填好鑄型的各部分。5.應(yīng)盡量少用或不用砂芯

若需要使用砂芯時(shí)，應(yīng)注意保證砂芯定位穩(wěn)固、排氣通暢和下芯及檢驗(yàn)方便，應(yīng)盡量避免用吊砂、吊芯或懸臂式砂芯。經(jīng)驗(yàn)表明，吊砂在合型、澆注時(shí)容易塌箱。向上半型上安放吊芯很不方便。懸臂砂芯不穩(wěn)固，在金屬浮力作用下易偏斜，故應(yīng)盡力避免。此外要照顧到下芯、合型和檢驗(yàn)的方便（圖6.53）。6.5.3鑄型分型面的選擇分型面是指兩個(gè)半鑄型相互接觸的表面。分型面一般在確定澆注位置后再選擇，但分析各種分型面方案的優(yōu)劣之后，可能需要重新調(diào)整澆注位置。生產(chǎn)中，澆注位置和分型面有時(shí)是同時(shí)確定的。圖6.54所示為一簡(jiǎn)單鑄件的分型面方案。如此簡(jiǎn)單的鑄件可以找出7種不同的分型面，而每種分型方案都有各自的特點(diǎn)。a方案保證鑄件四邊和孔同心，飛翅易于去除。b方案保證內(nèi)孔和外邊平行，飛翅易去除，但很難保證邊孔同心。c方案可使孔內(nèi)起模斜度值減少50%，這使得內(nèi)孔直徑所需切削的金屬較少。如果鑄件是難于加工的材料所鑄成，則可顯出其優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是可能有錯(cuò)偏。1.應(yīng)使鑄件全部或大部分置于同一半型內(nèi)

為了保證鑄件精度，如果做不到上述要求，也應(yīng)盡可能把鑄件的加工面和加工基準(zhǔn)面放在同一半型內(nèi)。分型面主要是為了取出模樣而設(shè)置的，但對(duì)鑄件精度會(huì)造成損害。一方面會(huì)使鑄件產(chǎn)生錯(cuò)偏，這是因錯(cuò)型引起的；另一方面由于合型不嚴(yán)，在垂直分型面方向上增加鑄件尺寸。圖6.55為黃河牌汽車(chē)后輪轂的鑄造方案，加工內(nèi)孔時(shí)按φ350mm的外圓周定位（基準(zhǔn)面）。2.應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)目

分型面少，鑄件精度容易保證，且砂箱數(shù)目少。機(jī)器造型的中小件，一般選擇一個(gè)分型面，以充分發(fā)揮造型機(jī)的生產(chǎn)率。凡不能出砂的部位均采用砂芯，而不用活塊或多分型面（圖6.56a）。雖然總的原則是盡量減少分型面，但根據(jù)具體條件，有時(shí)采用多分型面是有利的。如圖6.56b所示，采用兩個(gè)分型面，對(duì)單件生產(chǎn)的手工造型是合理的，因?yàn)槟苁∪ヒ粋€(gè)芯盒的費(fèi)用。3.平直分型面和曲折分型面的選擇

要盡可能地選擇平直分型面以簡(jiǎn)化工裝結(jié)構(gòu)及其制造、加工工序及操作。但在有些情況下還必須選擇曲面分型，例如：為了有利于清理和機(jī)械加工而采用曲面分型，如圖6.57。圖6.57a中的方案，鑄件的分型面是平直的，但沿整個(gè)鑄件中線(xiàn)全都可能有披縫。這么多披縫靠砂輪來(lái)磨掉，工作量相當(dāng)大，如果打磨得不夠平整，在進(jìn)一步進(jìn)行加工時(shí)，可能會(huì)由于卡夾定位不易準(zhǔn)確而影響加工質(zhì)量，因此，圖6.57b中的方案較合理。4.選擇的分型面要有利于下芯、驗(yàn)型和合型

選擇分型面時(shí)要力求將全部砂芯或者至少將重要的砂芯放在下型內(nèi)，如圖6.58b。將砂芯固定在上型內(nèi)不僅費(fèi)工、費(fèi)時(shí)，而且容易損壞砂芯。有些工廠(chǎng)限于條件仍有采用如圖6.58a中那種吊芯的。以上簡(jiǎn)要介紹了選擇分型面的原則，這些原則有的相互矛盾和制約。一個(gè)鑄件應(yīng)以哪幾項(xiàng)原則為主來(lái)選擇分型面，這需要進(jìn)行多方案的對(duì)比，根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)來(lái)得出正確的判斷，最后選出最佳方案，付諸實(shí)施。6.6澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬進(jìn)入型腔的通道之總稱(chēng)，其基本組元有：澆口杯、直澆道、直澆道窩、橫澆道和內(nèi)澆道，如圖6.59。一般認(rèn)為，合適的流速ν和澆注時(shí)間τ是保證鑄型充填良好的最基本的條件。因此正確設(shè)計(jì)合理的澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，獲得合理的ν和τ，對(duì)保證鑄件質(zhì)量起著很重要的作用。

對(duì)澆注系統(tǒng)的基本要求主要有：1）在規(guī)定時(shí)間內(nèi)充滿(mǎn)型腔，保證鑄件輪廓、棱角清晰。2）使金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，避免嚴(yán)重紊流。防止卷入、吸收氣體和使金屬過(guò)度氧化。3）具有良好的撇渣能力，防止夾渣和氣孔缺陷。4）保證型內(nèi)金屬液面有足夠的上升