04 第四章_粘土砂.pptx

第1页：第4章粘土粘结砂

第4章粘土粘结砂

第2页：第4章 粘土粘结砂

第4章 粘土粘结砂

• 第四章粘土粘结砂粘土砂的重要性
• 历史悠久：可追溯到几千年前；应用范围广：世界各地无一处不用。
• 尽管水玻璃砂、树脂砂以及各种以金属型为基础的特种铸造方法得到了很大的发展，但粘土砂的重要地位并没有动摇。
• 铸件生产呈现“三升二降”的趋势。球铁件、有色金属铸件以及用特种方法生产的铸件上升；铸钢件、可锻铸件明显下降。据报道，美国钢铁铸件中，用粘土砂制造的占80%以上；日本钢铁铸件中，用粘土砂制造的占73%以上。这充分说明了粘土砂地位的重要性。
• 1890年震压式造型机问世，为粘土湿型砂造型作业的机械化、自动化奠定基础。近代的高压造型、射压造型、气冲造型、静压造型及无震击真空加压造型等新工艺也都是以使用粘土湿型砂为前提的，使粘土湿型砂在铸造生产中的地位更加重要。

第3页：第四章粘土粘结砂

第四章粘土粘结砂

4.1粘土砂的分类4.5粘土砂的现场控制4.3粘土砂的配制4.4粘土砂循环使用中应注意的问题4.2粘土砂的性能及影响因素4.6液态金属与铸型的相互作用4.7粘土砂中常见的铸造缺陷及预防措施

第4页：4.1粘土砂的分类

4.1粘土砂的分类

• 湿型砂
• 表面干型砂
• 干型砂
• 铸铁用型砂
• 铸钢用型砂
• 有色合金用型砂
• 面砂、背砂、单一砂是否烘烤铸型合金种类造型时的使用情况:查资料：什么叫面砂、背砂和单一砂？

第5页：湿型砂

湿型砂

• 优点：不用烘干设备和燃料，生产周期短，便于组织流水作业，落砂容易，灰尘少，劳动条件好，砂箱寿命长。
• 缺点：型砂强度较低，流动性差，含有水分，铸件容易产生砂眼、气孔、粘砂、夹砂等铸造缺陷。
• 应用：大部分中小型铸铁件，特别是汽车、拖拉机、内燃机等。原砂：天然石英砂或石英—长石砂，55/100、75/150或100/200目粘土：膨润土水：附加物：煤粉、重油、渣油或淀粉等。有的工厂将钙基膨润土活化处理使用，以获得较高湿强度和热湿拉强度，但活化膨润土砂的流动性较差，容易结团，所以在满足强度要求的情况下，也不一定要进行活化处理。防止粘砂。煤粉常与重油或渣油混合使用，除了更好的防粘砂外，还减少夹砂倾向，改善砂子流动性。组成：

第6页：湿型砂生产中经常检测和控制的内容

湿型砂生产中经常检测和控制的内容

• ：(1)死粘土含量
• 靠近铸件表面的一层型砂中的粘土受热后失去结构水成为死粘土，以烧结膜的形式包敷在砂粒周围。死粘土膜具有多孔性，吸水率大，可减少型砂的热膨胀，有利于防止夹砂的产生。
• 测定死粘土量的最简单方法：测定三锤法试样重量。当试样重量小于148克时，表明型砂中SiO2含量已降低，死粘土量增加，型砂需添加新砂及新粘土；否则，铸件将产生粘砂、气孔等缺陷。
• 死粘土严重降低型砂的塑性和韧性，但是当这样的型砂含适量水时，却能使型砂具有较大的湿压强度。生产中也可通过测定型砂的塑性或韧性间接判断型砂中死粘土是否增加。
• 旧砂中死粘土量的直接测定较复杂，经常用吸蓝量法来测定型砂中的有效粘土量（或称之为亚甲基蓝粘土量）。

第7页：湿型砂（续1）

湿型砂（续1）

• 1.湿型砂
• 受热后除了燃烧或挥发成气体之外，还以焦粒和灰分形式残存在型砂中。循环使用的旧砂中有效煤粉会逐渐减少，故必须定期检查其含量，以作为补加煤粉量的依据。
• 有效煤粉的检测可用测定型砂灼减量的方法，即用50g烘干的型砂，在980℃下焙烧1.5h，计算其中烧损的百分数，再从这个值中减去型砂中有效粘土失去结构水的百分数（膨润土为0.09×亚甲基蓝粘土百分数），就是烧损的含碳量。也可以用测定型砂发气量的方法推算出型砂中的煤粉的含量。(2)煤粉(3)补加Na2CO3的量对于活化膨润土砂，浇注后Na2CO3也会烧损。Na2CO3的加入量应根据旧砂中残存的Na2CO3量来调整。确定方法如下：

第8页：湿型砂（续2）

湿型砂（续2）

• 1.湿型砂
• 膨润土含量一定时，加入不同量的Na2CO3，型砂的pH值不同。可按不同膨润土量与不同的Na2CO3量配成型砂，分别测出其pH值，绘出Na2CO3与pH值的关系曲线。
• 旧砂中的Na2CO3可用亚甲基兰滴定法测出有效膨润土含量，再测出旧砂的pH值，就可根据pH值在上述曲线上查出旧砂的有效Na2CO3的量，由此可确定补加Na2CO3的量。(5)湿型砂的日常检测指标主要有：水分、紧实率、透气性和湿强度
• 湿强度目前大部分以检测湿压强度为主，一般在50~80kPa。湿拉及湿裂强度的测定主要用于机械化造型时作为辅助检查项目。

第9页：表面干型砂应用

表面干型砂应用

：主要用于大型铸铁件生产中特点：(1)很高的透气性。原砂粒度很粗，常用12/30，20/40和30/50的石英—长石砂，透气性不低于400，一般600~800，复杂的铸件要求达到2000。(2)较小的发气性。为此，造好型后要自然干燥或表面火焰干燥，以减少表面层和涂料的含水量。(3)较好的湿压强度。湿压强度为100~120kPa，为此，必须采用活化膨润土，加入量在6%~10%左右。24h自然干燥，强度可达500~700kPa，表面烘干时可达800kPa，这样就可防止冲砂。(4)较大的抗夹砂能力。有时还常在型砂中加入1%~2%的湿木屑，采用SiO2含量较低的原砂，以减少型砂热膨胀和热应力。(5)铸型要刷涂料，以提高抗粘砂能力。

第10页：干型砂主要用于重型铸铁件生产中强度大

干型砂主要用于重型铸铁件生产中强度大

，对防止砂眼和气孔有利，但退让性和溃散性变坏，恶化了工作环境，增加了燃料消耗。干型砂中要加入木屑或焦炭粒以改善退让性和溃散性。干型都刷涂料以提高铸件表面质量。烘干工艺应力求使砂型内外湿度迅速一致，最好内部温度高于外部温度，以加速内部水分向外层扩散，再由表层蒸发，直到烘干。所以烘干操作可分三个阶段：烘干工艺：特点：应用：(1)均热阶段。目的是砂型内外温差趋于一致。升温要慢，尽量减少表面水分蒸发，这时烟道闸门要部分关闭，使炉气几乎不循环，炉内水分能很快达到饱和，以减少表面水分蒸发，型内外温度趋于一致。(2)水分蒸发阶段。此时表面水分不断蒸发，内部水分不断向外迁移，烟道闸门全打开，并保持炉温恒定，促使炉气将水分带走。

第11页：干型砂

干型砂

(3)缓冷阶段。此时把闸门半闭，使砂型随炉冷却，利用余热进一步排除残留的少量水分，保证彻底烘干。干型的烘干温度为300~400℃，含木屑的可适当降低到300~350℃

第12页：铸钢用粘土砂铸钢件浇注温度高

铸钢用粘土砂铸钢件浇注温度高

，凝固时收缩大，易产生粘砂（特别是化学粘砂）、裂纹等缺陷。因此，要求型砂具有较高的耐火度、强度和退让性。高温钢水也使型砂有较大的发气性，故型砂透气性也应较大。要求：大部分铸钢件已用水玻璃砂等化学硬化砂来生产，但某些大件仍用粘土砂干型；而机器造型生产一些小型铸钢件，则湿型粘土砂用得较多。铸钢件粘土砂的原材料主要用含SiO2在97%以上的人造石英砂，用于干型的原砂粒度较粗，有24/45、55/100，大型铸件常用中1~3mm的大粒人造石英砂。干型都刷石英粉、锆英粉、刚玉、铬铁矿等配制的涂料，以防粘砂。湿型砂则多用75/150较细的石英砂。粘土可用耐火度较高的粘土，亦可用粘结力较高的膨润土，加入量可减少，并相应地可减少水分用量。为了提高湿型铸型表面强度，可以喷一层糖浆、纸浆废液或水玻璃等。应用：

第13页：有色金属用粘土砂

有色金属用粘土砂

• 有色合金的特点是：浇注温度低、收缩较大、极易氧化。对这些铸件要求表面光洁，轮廓清晰，以尽量节约金属。因此，型砂应有良好的可塑性和退让性，而对耐火度、强度和透气性的要求则不高。一般有色合金铸件均可用湿型铸造，一些较大的重要件也可用干型。
• 有色合金用的型砂颗粒较细，大多用100/200的天然砂或天然粘土砂。天然粘土砂中含有大量粘土，加入适量水，就具有较好塑性和强度。要求：镁合金用砂的要求：
• 镁极易氧化，还可与空气中的氮、砂中SiO2发生反应。因此，在浇注时要用硫磺粉保护液流。
• 在型砂中必须加入保护性的附加物：氟化物（由于它的腐蚀性，已经很少使用）、硫磺（产生有害气体）、硼酸、无毒混合物（硼酸、碳酸镁、烷基磺酸钠、尿素等按一定比例混合使用，使之产生B2O3、CO2或SO3等保护性物质）。

第14页：高压造型砂压实比压达到700kPa

高压造型砂压实比压达到700kPa

• 以上者称为高压造型，砂型密度可达1.5~1.6g/cm3以上，硬度在90左右。
• 粘土含量较高，水分较低，煤粉加入量也较少。
• 原砂粒度不宜过分集中，以免热膨胀引起夹砂。
• 颗粒形状为圆形和多角形，以保证在强度和硬度较高时流动性较好。
• 为了减少回弹现象，砂中常加入少量糊精和木屑。
• 湿压强度在0.1MPa左右，但更强调湿拉强度。根据经验，湿拉强度为20~25kPa。
• 强调型砂中有效粘土含量，一般在7%~10%左右，总含泥量控制在12%~16%。有效粘土量对强度影响很大，若湿压强度不低，而湿拉强度小，则型砂很脆，起模性和造型性都不好。
• 紧实率是高压造型型砂的重要指标。太高，流动性不好；太低，比较干和脆。一般在40%±5%特点：

第15页：4.2粘土砂的性能及影响因素

4.2粘土砂的性能及影响因素

• 粘土砂的水分
• 粘土砂的强度
• 粘土砂的透气性
• 粘土砂的流动性
• 粘土砂的韧性
• 粘土砂的出砂性

第16页：粘土砂的水分粘土砂中的水分对型砂性能

粘土砂的水分粘土砂中的水分对型砂性能

和铸件质量影响甚大，反应非常灵敏。水分不足时，型砂太干时，型砂强度低，韧性和可塑性差，砂型易破碎，不易起模，铸件易产生冲砂、砂眼等缺陷。水分过高时，可塑性和韧性虽好，但湿强度却较低，砂型易变形，铸件薄处可能浇不足，厚处则表面粗糙，易产生夹砂缺陷。型砂过湿，干强度和热强度则过高，会使容让性太差，铸件产生裂纹，也使落砂困难。故控制型砂适宜水分十分重要。水分的重要性：用手捏时，如果不沾手，只有潮的感觉，且容易捏成团，砂团上指纹清楚，这样的型砂，水分比较适宜。但是这种凭人的感觉来判断水分的办法没有量的标准，并且受主观因素的影响很大。目前，生产中测定型砂的水分有直接测量法，也有通过仪器来测定型砂的紧实率和过筛性的方法。测试方法：

第17页：紧实率与型砂紧实特性

紧实率与型砂紧实特性

紧实率实践表明：比较干的型砂在未紧实前，颗粒间堆积比较紧密，即松态密度高，紧实后，体积减小不多；而比较湿的型砂，未紧实前的松态密度小，紧实后，体积减小大。所以可以根据型砂在试样筒内紧实前后的体积变化（紧实率）来检查型砂的干湿状态。图4.1测定紧实率过程示意图试验时，使型砂通过3mm的筛网松散的填入直径50mm、有效高度120mm的试样筒中，将试样筒上端用刮板刮平，然后用压头给型砂施以1MPa的压力或用锤击式制样机（见图4.2）锤击3次，试样体积被压缩的程度作为其紧实率，紧实率可直接从制样机上读出或用紧实高度与试样筒高度之比来表示。

第18页：紧实率的测定方法

紧实率的测定方法

紧实率图4.2 SAC锤击式制样机

第19页：紧实率试验证明

紧实率试验证明

：粘土型砂的紧实率对水分很敏感，水分有0.2%的变化，紧实率就能反应出来。图4.3所示为水分对紧实率的影响。图4.3水分对紧实率的影响

第20页：紧实率

紧实率

图4.4混碾时间对紧实率的影响型砂混辗时间的延长，能提高紧实率

第21页：紧实率（续1）

紧实率（续1）

紧实率图4.5型砂中质点含量对紧实率的影响型砂中各种微小质点（如失效粘土、煤粉、膨润土等）对紧实率都有明显影响，当水分不变时，上述质点都使紧实率下降。

第22页：紧实率只要预先作出紧实率与水分的关系曲线

紧实率只要预先作出紧实率与水分的关系曲线

• ，作为两者间的定量关系，当水分不变的条件下，用紧实率可间接测定水分。结论：
• 一般手工造型时紧实率控制在48%~52%；
• 震压式造型时为45%±5%；
• 高压造型或垂直挤压造型时为37%~42%。实践证明：紧实率为45%左右时，型砂水分为最适宜水分。这时，型砂的透气性、湿强度、破碎指数等基本上较合适，所以，生产中用紧实率控制型砂性能是一种简单有效的方法。各种造型方法对紧实率的要求不同：

第23页：过筛性

过筛性

• 实践证明，较干的型砂比湿型砂容易通过筛网，因此，可以根据型砂通过筛子的难易程度来表示型砂中的含水多少。
• 一定量的型砂在测定过筛性的滚动筛中过筛10s，通过筛的砂重与原来重量比的百分数称为过筛性。过筛性对水分也很敏感，水分稍有变化，过筛性就会突变。不论型砂成分如何，过筛性为70%~80%，正好相当于手捏时的适宜水分。
• 根据生产条件和使用习愦，可以适当控制型砂过筛性。如果希望型砂韧性高一点，型砂水分可稍高些，过筛性可控制在60%左右；如果希望流动性好一点，过筛性可控制在80%左右。还可利用连续测量过筛性的装置，实现混砂机自动加水，达到型砂规定过筛性。

第24页：粘土砂的强度

粘土砂的强度

型砂在紧实后必须具有一定强度以承受外力作用而不致使型（芯）损坏。强度不足，会使型（芯）塌箱，浇注时会因液态金属的冲刷而产生铸造缺陷，如砂眼、胀砂、跑火等。若型（芯）强度太大，则铸件易产生裂纹，落砂也困难。强度用型砂试样受力破坏时的应力值来表示。根据试样的受力状况，强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度和抗劈裂强度等，这些参数可在液压强度试验机（见图4.6）上测得。图4.6液压强度试验机

第25页：粘土砂的强度（续1）

粘土砂的强度（续1）

2.粘土砂的强度根据试样是否干燥又可分为湿态强度与干态强度。生产条件下，湿型砂经常检测湿压强度，干型砂除了检测湿压强度外，还检查干压或干拉或干剪强度。高压造型型砂常用湿拉强度作为补充检测内容。各强度试验方法见图4.7所示。图4.7型砂强度试验方法简图

第26页：粘土砂的强度一般情况下

粘土砂的强度一般情况下

• ，湿态多是内聚破坏，干态主要是内聚与附着破坏共存，通过砂粒破坏实际上是很少的。
• 紧实后的型砂试样，在受静拉力作用下，砂粒间破坏形式可能有四种：①通过砂粒破坏；②粘结膜被拉断（内聚破坏）；③粘结膜与砂粒表面脱开而破坏（附着破坏）；④粘结膜破坏和粘结膜与砂粒表面脱开破坏两者都有，见图4.8。图4.8粘土膜破坏类型示意图
• 下面分析各强度及影响因素

第27页：湿强度及影响因素在同样紧实条件下

湿强度及影响因素在同样紧实条件下

，砂粒越细，强度越大。粒度越分散，小颗粒易于嵌入大颗粒之间，能增加砂粒间接触面积，故也使强度增加。尖角形砂一般较圆形砂强度大，这是因为尖角砂粒易互相啮合，但是尖角形砂不易紧实。(1)原砂的颗粒组成(2)紧实度紧实度越大，湿强度越大。紧实度用单位体积内型砂的重量来表示，它直接影响砂粒间接触面积和空隙的大小，因而也影响透气性。所以在测定强度和透气性的标准试样是在紧实度相同的冲样机上制成的。你知道紧实度与紧实率的区别吗？(3)水分和粘土水分和粘土对湿强度的影响见图4.9。

第28页：湿强度及影响因素

湿强度及影响因素

图4.9水分和粘土对湿压强度的影响在粘土用量一定时，随着水分的变化，强度有一个峰值。水量不足时，粘土不能形成完整水化膜，故粘结力不够。水分过多时，粘土胶粒间出现自由水，粘结力显著下降。

第29页：湿强度及影响因素（续1）

湿强度及影响因素（续1）

湿强度及影响因素强度还与粘土的种类有关，各地的粘土质量不相同，在相同粘土用量时，达到强度峰值的最佳含水量也不一样，见图4.10。图4.10不同膨润土型砂的湿压强度与水分的关系随着对粘土砂认识的不断深入，人们已经注意到粘土砂在各种受力情况下，其湿态强度与粘土、水分含量间有着内在联系。Boenisch研究了粘土、水分含量与比率和各种湿态强度的关系，得到了图4.11和图4.12所示的结果

第30页：湿强度及影响因素（续2）

湿强度及影响因素（续2）

湿强度及影响因素图4.11水土含量和比率对湿压强度及试样密度的影响图4.12水/（水+土）与膨润土含量对各种湿强度的影响不同粘土量的湿压强度最大值，均在水/(水+土)=20%时出现，强度的临界转变点都在恒定的水/(水+土)比值时发生。

第31页：湿强度及影响因素（续3）

湿强度及影响因素（续3）

• 湿强度及影响因素
• 湿压强度只是在造型起模后使砂型能保持一定形状，而铸型的破坏往往是由于型砂的湿拉强度不够引起的。如起模时，型砂就受到拉力，上箱的吊砂受自身重量引起的拉力等。
• 湿压强度大，型砂的湿拉强度不一定大。旧砂中的失效粘土，总是越积累越多，当有足够水分时，湿压强度可以很大，但是，夹砂、砂眼等铸造缺陷却难以避免。
• 因此单纯用湿压强度作为型砂的强度指标是不够的。必须用湿拉强度作为检测型砂的补充指标，但是湿拉强度值一般较小，需要用专门的灵敏度高的仪器来测定，故现在国内外已注意使用普通的抗压强度测定仪和标准圆柱形试样来测定型砂的湿裂强度。湿裂强度的计算如下：P——试样破坏时的力（N）；d——圆柱形试样的直径（m）;L——圆柱形试样的高度（m）。

第32页：湿强度及影响因素（续4）

湿强度及影响因素（续4）

湿强度及影响因素图4.13给出了死粘土含量对各种强度的影响。试验结果表明，随着死粘土量的增加，除了湿压强度外，湿拉强度、湿裂强度和热湿拉强度均直线下降。所以，湿裂强度能敏感地反应型砂中死粘土含量。图4.13死粘土量对型砂湿压强度、湿裂强度、湿拉强度和热湿拉强度的影响

第33页：干强度及影响因素

干强度及影响因素

• 粘土砂在干燥以后，也有一定的干强度。造好的铸型，在等待浇注的过程中，其表面上可能失去一部分水分。如果型砂的干强度太差，失去水以后表面就会发脆，容易被熔融金属冲坏。相反，型砂的干强度太高，铸型的落砂性差，铸件易产生应力和裂纹。而最理想的是提高表面层的干强度而不提高背层的干强度。
• 粘土砂的干强度不是很大，故常测其抗压强度。
• 粘土砂的干强度除了受紧实率和粘土本身粘结能力影响外，干强度还受粘土加入量和水分的影响。粘土含量越高。干强度也越高。粘土含量一定时，水分对型砂干强度的影响与对湿强度的影响大不相同。型砂水分越高，其最终的干强度也越高，在常用的水分范围内，见不到干强度的峰值。图4.14为用几种不同粘土配制的型砂的干抗压强度与水分之间的关系。

第34页：干强度及影响因素（续1）

干强度及影响因素（续1）

干强度及影响因素图4.14水分对粘土砂干强度的影响不管用什么粘土，不管粘土加入量多少，型砂的水分愈高，它的干强度也愈高。原因是：粘土中的水分越高，它的粘度就越小，在舂实型砂的过程中，粘土颗粒容易更紧密排列，所以烘干后聚合强度较高。

第35页：热强度和保留强度粘土砂被加热时

热强度和保留强度粘土砂被加热时

，粘土的粘结作用不会破坏，型砂在一很宽的范围内都有很好的强度。图4.15中的曲线1是型砂加热到不同温度时的抗压强度。图4.15粘土砂在加热和冷却时的强度在缓慢加热的情况下，粘土型砂有一个热强度峰值。出现峰值强度的温度，不同的粘土是各不相同的。一般说来，粘土的熔点愈高，出现峰值强度的温度也愈高。膨润土粘结的型砂，大约在1000℃左右有峰值强度；耐火粘土粘结的型砂，出现峰值强度的温度就高一些，约1100~1200℃。

第36页：热强度和保留强度

热强度和保留强度

图4.15粘土砂在加热和冷却时的强度对曲线1：型砂加热到700℃左右，粘土结构发生变化，一些耐火度最低的成分开始熔化，形成玻璃状的粘结膜，故其强度显著增加。出现峰值强度以后，继续提高温度，因为粘土软化的缘故，型砂的强度就很快下降。将熔融金属浇到铸型中，和金属贴近的型砂以极高的速率加热。在这样快速加热的情况下，热强度的峰值不如缓慢加热时那么高，但仍有足够的强度，可以保证铸件的形状和尺寸不致有太大的偏差。曲线2是型砂加热到1000℃以后冷却时，不同温度下测得的型砂强度。可见，冷却到300℃以下，保留强度很低。曲线3是加热到800℃以后冷却时，测得的型砂强度，它的保留强度也很低。这是因为粘土型砂在加热时，粘土逐步熔化成为玻璃状的粘结膜。在冷却过程中，型砂的基体石英砂中发生-石英→-石英的转变，而这种转变伴随着很大的体积改变。结果，使在高温下形成的玻璃状粘结膜破裂，型砂的强度也就很低。

第37页：表面强度

表面强度

• 表面强度低，铸件易产生冲砂、砂眼等缺陷。它决定了于粘土膜的粘结力与砂粒间互相啮合的情况。
• 多角形和尖角形的砂、粒度分散的砂，表面强度较高。
• 在粘土砂中加入纸浆废液、糖浆等可提高表面强度，在型的表面喷一层这类粘结剂也可提高表面强度。

第38页：粘土砂的透气性

粘土砂的透气性

• 铸型壁砂粒间孔隙透过气体的能力称为透气性。
• 浇注后，铸型在液体金属热作用下产生大量气体，其主要原因在于：型砂内水分在高温下汽化，型砂中附加物受热分解及型砂型腔中原有气体受热膨胀。因此，必须使这些气体穿过型壁或从冒口中逸出，否则会使铸件产生气孔、浇不足或在浇注时发生金属喷溅，故透气性是型砂重要的性能指标之一。对于不刷涂料的型芯砂透气性不宜过大，否则，铸件表面粗糙，甚至粘砂。
• 凡是减少砂粒间孔隙的因素都降低型砂透气性。这些因素主要有：(1)砂子的颗粒组成和颗粒形状粗砂，粒度集中的砂透气性好；细砂、粒度分散的原砂透气性差。圆形砂透气性好。

第39页：粘土砂的透气性（续1）

粘土砂的透气性（续1）

3.粘土砂的透气性(2)紧实度紧实度越高，砂粒排列越紧密，透气性越差。(3)混制工艺对透气性的影响主要表现在加料顺序和混砂时间上，混砂的目的在于使粘土膜能均匀的包围砂粒。值得注意的是，在使用活化处理的膨润土时，可能使型砂结块硬化，从而影响透气性，因此，混砂时间不可过长。(4)粘土粘土在型砂中占据一定空隙，阻碍气体流动，在含水量适宜的前提下，随着粘土含量增加透气性下降。此外，透气性还与粘土种类有关，采用同种原砂时，膨润土透气性比耐火粘土透气性好，钙基膨润土的透气性比钠基膨润土透气性好，型砂中死粘土含量增多时，明显降低透气性。

第40页：粘土砂的透气性（续2）

粘土砂的透气性（续2）

3.粘土砂的透气性(5)水分图4.16型砂的湿压强度、透气性、标准试样重量与水分的关系

第41页：粘土砂的透气性（续3）

粘土砂的透气性（续3）

• 3.粘土砂的透气性
• 当水分较低时，粘土未被充分润湿，砂粒间孔隙充满粘土，故透气性不高。
• 当水分达到一定值，粘土的粘结力得到充分发挥，砂、土粒间滑移阻力增大，在一定的紧实试样条件下，试样的紧实度低（即砂粒排列疏松），透气性就增大。
• 透气性的峰值与试样密度的谷值是一致的。当水分超过一定值后，水膜变厚，粘结力下降，透气性下降。
• 粘土砂湿压强度的峰值与透气性峰值并不是出现在同一个含水量下。当水分增加时，粘土逐渐达到粘结力最大值。水分再增加，则因粘土的粘结作用超过了粘土膜对砂粒间的滑移作用的影响，滑移阻力增大，试样不易紧实，故砂粒间孔隙增大，这时，强度有所下降，但透气性反而提高。

第42页：透气性测定方法

透气性测定方法

根据GB/T2684-1981，型砂的透气率在透气性测定仪上测定。测定前，应先检查仪器的准确度。湿透气性测定方法如下：①称取一定量的粘土放入圆柱形标准试样筒中；②在锤击式制样机上冲击3次，制成Φ50mm×(50mm±1mm)的标准试样；③当试样的透气性≥50时，应采用Φ1.5mm的大阻流孔；试样的透气性＜50时，应采用Φ0.5mm的小阻流孔；④提起直读式透气性测定仪的气钟，将带有试样的试样筒放到直读式透气性测定仪试样座上，并使两者密合；⑤再将三通阀转至“工作”位置，放下气钟，靠气钟的自动下落可产生100mm水柱的恒压气源。直读式透气性测定仪见图4.17和图4.18。

第43页：透气性测定方法

透气性测定方法

1-气钟；2-水筒；3-三通阀；4-试样座；5-试样筒；6-标准砂样；7-阻流孔；8-微压表图4.17 STZ型直读式透气性测定仪原理图图4.18 STZ型直读式透气性测定仪实物图

第44页：粘土砂的流动性

粘土砂的流动性

• 型砂在外力或自重作用下砂粒间互相移动的能力称为流动性。
• 型砂具有良好的流动性才能保证紧实度均匀，得到轮廓清晰、表面光洁的型腔，也有利于防止机械粘砂、获得表面光洁的铸件。流动性对于机械化造型，特别是对于高压、射压造型更有意义，它可以使型砂很容易紧实，复制出模样的形状，从而减轻劳动强度，提高生产率。
• 流动性的测定方法目前很不统一，往往由于使用的粘结剂种类不同，紧实型砂的方法不同，而采用不同的方法，下面介绍三种：

第45页：粘土砂流动性测试方法

粘土砂流动性测试方法

• (1)阶梯硬度法如图4.19，在圆柱形湿压强度标准试样筒中，放置一个半圆形金属凸台，将110~120g的型砂放入试样筒中，用锤击式制样机舂打或在专用的压实机上压实。然后翻转试样筒，测量A处硬度HA，再将试样从试样筒中顶出少许，使试样的阶梯处与试样筒边平齐，取下半圆形金属凸台，用条形刀片削去突出的砂块部分，再测试样B处的硬度HB。试样A、B两处的硬度值差别越小。说明型砂的流动性越好，其流动性可用下式计算：图4.19阶梯硬度法示意图
• 目前该法在高压造型工艺中应用较多。

第46页：粘土砂流动性测试方法（续1）

粘土砂流动性测试方法（续1）

• 粘土砂流动性测试方法(2)侧孔质量法图4.20侧孔质量法装置简图如图4.20，在圆柱形标准试样筒的侧面开有一个小孔，直径为12mm，先用塞柱塞紧，称量185克试样并倒入试样筒中，再将它放在锤击式制样机上，拔出塞舂击10次，用顶样柱将试样顶出。把留在小孔中的砂子刮下来，连同被挤出的砂子一起进行称量，以它占试样的质量分数作为型砂的流动性指标。
• 该项试验基本上能反映出型砂充填铸型轮廓、凹槽的能力及它的吹射性。

第47页：粘土砂流动性测试方法（续2）

粘土砂流动性测试方法（续2）

• 粘土砂流动性测试方法(3)环形空腔法图4.21环形空腔法装置简图在锤击式制样机上先舂一个圆柱形标准试样，并称其质量；再称同样质量的型砂，填入图4.21所示的特制试样筒中，该试样筒的下端有环形空腔。在锤击式制样机上舂打三次，测量试样高度。型砂的流动性用下式表示：H0为当型砂流动性为零时试样的高度，h0=50mm；h1为当型砂流动性为100%时试样的高度，h1=35mm；h为实际试样高度。
• 此法能反映出型砂受力后各个方向移动的能力。

第48页：粘土砂的韧性

粘土砂的韧性

• 可塑性是指型砂在外力作用下变形，当外力撤去后能完整地保持所产生的变形的能力。
• 韧性为材料抵抗脆性破坏的性质，即塑性材料在破坏时，需作较大的功并有较大的塑性变形。
• 近年来国内外用韧性间接地表示型砂的可塑性。韧性用落球法测出的破碎指数来表示。破碎指数高，表明型砂韧性好。
• 实践表明：当型砂比较干时，虽然湿强度很高，但起模时容易开裂，这说明型砂韧性差。而稍加水后，起模就不易损坏砂型，这主要是型砂加水后变得柔软，容易变形，提高了韧性。高韧性的适宜水分与高湿拉强度水分更接近。当型砂中死粘土过多时，湿压强度可以很高，但型砂韧性很差，在生产中反映出来就是起模性很坏，故生产中常用测定型砂湿拉强度的方法来作为判断失效粘土的补充手段。
• 粘土和水对型砂应变（以变形量表示）的影响见图4.23。

第49页：粘土砂的韧性

粘土砂的韧性

图4.23粘土、水分与变形量的关系随着水分增加，变形量显著提高；但水分到达一定值后，变形量增加就比较缓慢了。粘土量的增加，并伴以足够的水分，变形量也随之增加。由此可以看出，只有高湿度才能获得高韧性，而且获得高韧性的水分值已经超过高湿压强度的水分值。凡是影响湿压强度和应变的因素都影响韧性

第50页：粘土砂的出砂性

粘土砂的出砂性

• 铸件冷却后，将型砂和铸件内腔的型砂从铸件上清除下来的性能称为出砂性。
• 出砂性好的型砂，当铸件凝固后呈松散的状态，很容易从铸件内脱落；而出砂性差的型砂则当铸件冷却后烧结在一起，很难从铸件中取出，使铸件落砂十分困难，降低了生产效率。
• 出砂性是由型砂加热冷却过程中的残留强度决定的。残留强度低，易于出砂。如型砂在高温时烧结或是粘结剂在高温熔融又凝固，将型砂粘成大块时，则出砂性很差。

第51页：4.3 粘土砂的配制

4.3 粘土砂的配制

4.3粘土砂的配制粘土砂中，以粘土湿型砂造型是生产铸件，特别是中小型铸件的主要生产方法，包括手工造型和机器造型两大类工艺。当前，大量流水生产的造型设备多采用造型速度很高的震压、射压、高压、气冲和静压造型，它们要求与之匹配的砂处理设备也应确保生产率高、型砂混制质量好。对粘土砂处理设备的要求：①混砂机应能使原砂、水分和辅料三者间有效混合，使砂粒表面覆盖均匀的粘土层，从而使型砂有充分的水分浸透且具有高的强度和韧性；②能通过混砂过程的在线检测来控制型砂的紧实率和强度等关键质量指标，实现型砂质量的自动控制；③能将旧砂中的粗杂物（芯块、砂团等）去除；④能将进入混砂机的高于50℃的热旧砂冷却到50℃以下；⑤能通过多道磁选去除混入旧砂中的残铁；⑥能根据不同造型需要，方便的改变型砂中各种加入物料配比，以满足不同型砂工艺的要求。

第52页：型砂的配比

型砂的配比

• 在拟定型砂配比之前，必须首先根据浇注的合金种类、铸件特征和要求、造型方法和工艺及清理方法等因素确定型砂应具有的性能范围，然后再根据各种原料的品种和规格、砂处理方法、设备、砂铁比及各项材料烧烧比例等因素拟定型砂的配比。
• 一个新的型砂系统通常在开始使用前，先参考类似工厂中比较成功的型砂系统的经验，再结合本厂的具体情况，初步拟定出型砂的技术指标和配比，进行实验室配砂，并调整配比，使性能符合指标要求；然后进行小批混制，造型浇注，对型砂的技术指标及配比进行反复修改，直到试验合格才可投入正式生产。
• 一个车间的型砂技术指标和配比要经过长期生产验证才能确定。
• 铸铁件用的湿型砂配比：旧砂为50%~80%，添加新砂为5%~20%，活性膨润土为6%~10%，有效煤粉为2%~7%，还可以加入1%左右的重油或渣油作防粘砂的附加物。

第53页：型砂的配比（续1）

型砂的配比（续1）

• 型砂的配比
• 铸钢件用的型砂中，新砂所占比例较大，膨润土加入量也相应增多。为提高型砂性能，常加入少量有机亲水性粘结剂性（如糊精、淀粉）及氧化铁粉等附加物。
• 铸造非铁合金（铜合金、铝合金、镁合金）要求型砂能防止液态金属渗入砂型，使铸件表面光滑、清晰、美观及尺寸比较精确。因此，原砂粒度一般较细，含水量较低，以减少型砂的发气量和提高流动性。
• 高压造型用的型砂中加入0.5%~1.0%的淀粉：①提高型砂的破碎指数，增加韧性，减少型砂与模样之间的摩擦力，改善起模性能；②提高型砂的热湿拉强度，减小热压应力，延长型砂表面激热开裂时间，提高抗夹砂能力；③提高砂型表面强度和风干后的表面强度，加强抗冲蚀能力，减少冲砂等缺陷。特别是在应用钙基膨润土的型砂中加淀粉，能使型砂的热湿拉强度剧增，韧性明显提高。

第54页：混砂工艺——加料顺序

混砂工艺——加料顺序

混砂过程的作用有两方面：一是使砂、粘土、水分及其它附加物混合均匀；二是揉搓各种材料，使粘土膜均匀包在砂粒周围。影响混砂质量的因素除了混砂设备外，还有混砂工艺有关，其中包括加料顺序和混砂时间。(1)加料顺序先混干料（新砂、旧砂、膨润土和煤粉等），再加水湿混后出砂。缺点①混干料时粉尘飞扬，污染环境；②在混匀了的干料中加水，即使水加得很分散，也是一滴一滴地落在干料中。原因：粘土是亲水的，加上水滴表面张力的作用，水滴附近的粘土很快就聚集到水滴上，形成较大的粘土球，而将这些粘土球压碎并使它涂于砂粒表面上是比较困难的，需要的能量也比较大，因此，混砂时间也较长。因此，要先把砂和水混匀，后加粉状粘土。

第55页：混砂工艺——加料顺序（续1）

表4-1：下表列出相关数据。

混砂工艺——加料顺序（续1）

• 混砂工艺——加料顺序当使用大量返回旧砂时，在混砂时，应该先对旧砂预加水湿混一段时间后，再加入其它他附加物。也可采用在旧砂皮带上喷水的方法，使旧砂的干粘土膜预先吸水。原因：由于旧砂表面一般包裹着被烤干但还未失效的粘土，如果加入旧砂前进行预加水，旧砂表面包裹的干附加物可先吸收一些水分，使这些活性粘土充分发挥作用，产生粘结力；然后再加入新砂、膨润土、煤粉等附加物继续加水湿混，达到所规定的型砂紧实率后出碾，混碾效果较好，同时也可以减少附加物的添加量。
• 某铸造厂针对75%旧砂、25%新砂、2%膨润土、1.5%煤粉的型砂，采用S1118型碾轮混砂机做了加料顺序对粘土球形成及型砂性能的对比实验，试验记录如表4-1。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——混砂工艺——加料顺序当使用大量返回旧砂时，在混砂时，应该先对旧砂预加水湿混一段时间后，再加入其它他附加物。也可采用在旧砂皮带上喷水的方法，使旧砂的干粘土膜预先吸水。原因：由于旧砂表面一般包裹着被烤干但还未失效的粘土，如果加入旧砂前进行预加水，旧砂表面包裹的干附加物可先吸收一些水分，使这些活性粘土充分发挥作用，产生粘结力；然后再加入新砂、膨润土、煤粉等附加物继续加水湿混，达到所规定的型砂紧实率后出碾，混碾效果较好，同时也可以减少附加物的添加量。某铸造厂针对75%旧砂、25%新砂、2%膨润土、1.5%煤粉的型砂，采用S1118型碾轮混砂机做了加料顺序对粘土球形成及型砂性能的对比实验，试验记录如表4-1。

第56页：混砂工艺——加料顺序（续2）

表4-1：下表列出相关数据。

混砂工艺——加料顺序（续2）

混砂工艺——加料顺序表4-1不同混碾顺序对型砂性能的影响密度(g/cm3)水分(%)湿压强度(MPa)透气性紧实率(%)混碾方法混碾时间(min)1.456.00.11016554I101.436.00.09516651II1.446.00.10514650I81.436.00.09415450II1.446.00.10215853I61.436.00.09216052II注：I代表先加水湿混2min后，再加粉料混碾的混砂方法；II代表先加砂干混2min后，加粉料再加水混碾的混砂方法。

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——混砂工艺——加料顺序表4-1不同混碾顺序对型砂性能的影响密度(g/cm3)水分(%)湿压强度(MPa)透气性紧实率(%)混碾方法混碾时间(min)1.456.00.11016554I101.436.00.09516651II1.446.00.10514650I81.436.00.09415450II1.446.00.10215853I61.436.00.09216052II注：I代表先加水湿混2min后，再加粉料混碾的混砂方法；II代表先加砂干混2min后，加粉料再加水混碾的混砂方法。

第57页：混砂工艺——混碾时间A-砂粒间距

混砂工艺——混碾时间A-砂粒间距

；K-粘土膜宽度图4.24混砂时间与型砂性能的关系(a)粘土粘结桥的形成过程；(b)型砂性能变化曲线混碾时间不够，粘土和附加物不能很好的包裹在砂粒表面，粘结桥的宽度不够，图4.24(a)中的1和2，型砂的强度和韧性低；只有足够的混碾时间才能使砂粒之间的粘结桥具有足够的宽度和厚度，图4.24(a)中的3和4，达到良好的型砂性能，图4.24(b)；混碾时间过长，粘结桥的厚度又变薄，图4.24(a)中的5，型砂性能反而变差。

第58页：混砂工艺——混碾时间

混砂工艺——混碾时间

• 碾轮式混砂机，面砂一般混碾6~12min，背砂混碾年3min左右；
• 离心式摆轮混砂机，面砂一般混碾2~3min，背砂混碾年1min左右；
• 转子式混砂机的混碾时间为1~2min。混砂时间应根据混砂机的类型和型砂中粘土的含量决定。随着混砂时间的延长，湿强度度和透气性上升，但过长的混砂时间，型砂因摩擦而发热，故应控制混砂时间。

第59页：4.4粘土砂循环使用中应注意的问题

4.4粘土砂循环使用中应注意的问题

粘土砂在浇注后经过落砂、磁选、过筛、冷却和除尘后，大部分(90%~95%)旧砂又回到混砂机上方的砂斗中，然后又补充一定量的新材料（膨润土、煤粉、水等），进行混制达到所要求的型砂性能就可以输送到造型机上方砂斗进行造型，如图4.25。图4.25铸铁湿型单一砂循环过程示意图

第60页：粘土砂循环使用中的问题（续）

粘土砂循环使用中的问题（续）

• 4.4粘土砂循环使用中应注意的问题
• 在上述铸造过程中都需要砂芯，特别是发动机气缸体、气缸盖之类的铸件（见图4.26），砂芯所占的比例很高，甚至接近或超过型砂的用量。这些砂芯落砂后，会进入旧砂循环系统，所以必须将破碎不了的砂芯块筛出扔掉。此外，砂芯和砂型上的涂料落砂后也一起进入旧砂循环系统。
• 在大量流水生产的铸造厂，旧砂在一天里就反复使用多次，每浇注一次液态金属、铸件在砂型中凝固、冷却，将金属的热量传给了型砂和芯砂，使型砂温度不断升高。
• 同时型砂和芯砂中的粘结剂、附加物等材料灼烧后形成的粉尘也会使型砂性能变坏。因此，必须随时注意旧砂循环使用过程中出现的问题，采取恰当的措施，使砂系统一直处于良好的状态。
• 旧砂循环系统中经常出现的主要问题有热砂、粉尘积累和砂粒表面烧结层形成、新砂的加入与芯砂的混入等。图4.26发动机气缸体和气缸盖

第61页：热砂

热砂

①随着砂温的提高，标准试样的重量和湿压强度等性能都会下降；②型砂水分很容易蒸发，混砂机出口处型砂的紧实率和水的质量分数与造型机所用型砂有明显变化；③热砂蒸发出来的水蒸气凝结在冷的运输带、砂斗和模板表面上，而使其粘附一层型砂。粘附在输送带上的浮砂会掉落地面而污染作业环境；粘附在砂斗内壁的砂会越聚越厚；粘附在模板上的型砂会造成起模困难；④砂型表面的热砂容易脱水变干，使砂型棱角易碎，不耐液态金属冲刷，容易造成冲蚀和砂眼缺陷；⑤热砂的水蒸气凝结在冷铁和砂芯上，使铸件产生气孔缺馅；⑥由于旧砂温度高、含水量少，运输过程中粉尘会随着空气流和烟气向外散发，影响环境卫生。热型砂的不良影响有：

第62页：热砂（续1）

热砂（续1）

• 热砂
• 一般造型时砂温高于室温10℃，可认为存在热砂问题。
• 解决热砂的最有效措施是旧砂采用增湿通风冷却处理。有时，为防止热砂粘附模样，有的造型机装有模板加热装置，以减少型砂与模样的温度差。
• 旧砂的冷却设备常用双盘冷却器、振动沸腾冷却床（参见阅读材料4-3）和冷却滚筒。
• 降温原理是通过水分蒸发带走型砂中的热量。据计算，每蒸发1%的水分，砂温降低将近25℃。
• 为了取得良好的增湿降温效果，一般需要配有测温、测湿和自动加水控制系统。除在冷却器内喷水外，当旧砂温度高于100℃时，还可在旧砂输送带上同时喷水，降温效果会更好些。

第63页：粉尘积累和型砂表面烧结层形成

粉尘积累和型砂表面烧结层形成

①砂型浇注后，膨润土在600℃左右失去结晶水，成为失去粘结力的死粘土，这是微粉的主体；②在金属/铸型界面上反应而形成FeO、MnO等氧化物，由其生成的FeO∙MnO∙SiO2系硅酸盐，这也是微粉的一种；③混砂及造型时的机械力造成部分型砂微粉化，添加新砂或混入溃散砂芯时也会导致微份量增加。型砂反复使用后，型砂中的微粉（粒径小于0.075mm）增加。型砂中的微粉产生和增加的主要原因有：试验表明：200筛号以下的微粉量超出1.1%时，型砂的紧实率、水分增加，湿压强度、韧性下降，从而造成铸件砂孔、气孔、粘砂等废品的增加。然而，微粉量过少，使得包覆在砂粒表面的积层薄，型砂膨胀时得不到充分的缓冲，又容易产生夹砂等膨胀性缺陷。所以，型砂中微粉以适量为好。

第64页：粉尘积累与型砂表面烧结层

粉尘积累与型砂表面烧结层

粉尘积累和型砂表面烧结层形成控制微粉，先要减少悬浮粉尘。显然，旧砂再生系统排气管道的清扫很重要，特别要注意振动落砂工序之后的洒水冷却、砂团分离、松砂等及皮带输送机转接处发生的粉尘。它们将随着水蒸汽而散发，并附着或凝结在管道壁上，使管道的有效排气量明显减小。为减小微粉，管道的风速一般控制在1~2m/s或3m/s，为此，推荐采用直径200~300mm的大径管道。附着于砂粒上的死粘土，不可能直接用除尘机去除。避免砂粒上的包覆层过多或过少的方法有：①保持膨润土和新砂加入量平衡；②混制型砂中至少保持1%~2%的新砂；③保证足够混砂时间以充分混砂。上述最重要的是混制型砂中始终至少含有1%~2%的新砂；其次是避免膨润土过量加入。

第65页：新砂的加入与芯砂的混入加入新砂的作用

新砂的加入与芯砂的混入加入新砂的作用

• ：①补充因排出废砂而造成的砂粒损失；②调整粗粒芯砂流入而造成的砂粒粗化；③冲淡浇注热量造成的失效膨润土和失效煤粉等灰分。新砂的加入最好在混砂时每碾按比例加入，一定不要好多天（如10~15天）不加一点新砂，而集中在几天里突击大量加入，这样会造成型砂性能大的波动，引起产生相关的铸件缺陷。加入新砂的原则：
• 混入的溃散砂芯可以代替部分或全部新砂，用来弥补型砂的砂粒损失，并可冲淡回用砂中的灰分。
• 树脂芯砂的残留树脂膜具有防止铸铁件表面粘砂和改善表面光洁程度的作用，能够减少煤粉加入量。芯砂的混入

第66页：新砂的加入与芯砂的混入

新砂的加入与芯砂的混入

• 有人认为：芯砂粘结剂的凝聚物会使湿型砂的大部分性能受到不同程度的损害；
• 还有研究表明：热芯盒砂和冷芯盒砂对湿型砂性能只有轻微影响，稍微延长混砂时间和增多膨润土加入量就能抵消混入芯砂的不良影响。（芯砂混入对粘土砂的影响参见阅读材料4-4）
• 芯砂混入的另一问题是：粒度的变化。
• 有些铸造厂使用高密度造型方法，芯砂粒度与型砂基本相近，都是100/150，溃碎成散粒的砂芯混入，不存在使型砂变粗的问题。
• 但是有些铸造厂湿型砂的粒度是70/140，而树脂砂芯粒度是用50/100或70/140，散粒的砂芯混入过多就会使旧砂的粒度变粗，需要加入细粒度新砂来纠正。

第67页：4.5粘土砂的现场控制砂处理系统的控制

4.5粘土砂的现场控制砂处理系统的控制

，首先是控制型砂的组分，包括原砂、含水量、粘土含量、煤粉等，而水分的准确检测和控制最为重要。此外，型砂的其它性能，如紧实率、湿强度、透气性、韧性的检测和控制也是十分必要的。要控制型砂的水分，首先必须测量型砂和旧砂中的水分，然后根据需要向型砂中加入适量的水。在线检测时水分的检测方法通常有电阻法、电容法和成型性法。电阻法测量水分原理：将插在混砂机型砂中的测试棒作为一极，以混砂机的底板和侧壁作为另一极，或直接插入型砂中两根电极。然后在电路上加上电压，测量两极之间的电压。当型砂所含水分少时电阻值大，所含水分多时电阻值小。根据这个原理，可以测得电阻值随水分变化的情况。这个电阻值的变化可以通过电路转换成电压的变化，计算机里的信号采集卡将这个电压信号与事先储存在计算机里的型砂电压-水分关系曲线进行对比，就可以得到型砂的水分含量值。

第68页：粘土砂的现场控制

粘土砂的现场控制

电容法测量型砂水分一般在混砂机上方的旧砂斗里进行。将探头作为一极插入型砂中，砂斗壁作为另一极，由这两极组成一个电容，型砂作为电容两极间的介质。根据介质对电容量的影响，即型砂含水量低电容量大，可以根据事先测得的电容——水分对照曲线，计算出旧砂的含水量；然后根据混砂性能的要求相混砂机里补加水。成型性控制法是一种安装在混砂机上，自动取样、检测并反馈的自动装置。在型砂混碾周期内，连续的取样，监测它的成型性，从而自动控制加水量。当型砂含水量小时，它能容易通过一定尺寸的缝隙；当含水量增加时，型砂之间的粘结力大，它的通过能力就逐渐减小；当型砂达到规定的成型性时，就不再通过缝隙，加水也就自动停止。型砂成型性的装置见图4.27。

第69页：粘土砂的现场控制

粘土砂的现场控制

1-振动器；2-集砂槽；3-光电管；4-继电放大器；5-电磁水阀；6-微振器图4.27型砂成型性水分控制仪示意图它是一个三层的振动筛。第一层接受取样器自混砂机取出的砂样，并使砂样沿振动槽均匀移动；第二层有两条缝隙，第一条是窄缝，用来控制粗加水，第二条是宽缝，用来控制精加水；第三层是集砂槽，收集从第二层的缝隙中落下的型砂。在集砂槽的侧壁上，相对宽、窄缝开有四个孔，其中两孔为光源，另两孔中安有光电管，从而通过光电控制电磁阀加水。

第70页：粘土砂的现场控制（续1）

粘土砂的现场控制（续1）

• 粘土砂的现场控制
• 为获得较好的流动性和较高的湿强度，型砂的水分为：高度造型：3.2%~4.5%；普通机器造型：4.5%~5.5%；手工造型：5.0%~6.0%。
• 粘土砂中粘土加入量，并不是根据所要求的强度确定的。考虑型砂的抗膨胀缺陷能力，或在高压造型时为减少型砂的回弹量，都得加相当多的膨润土。
• 从排气的角度，希望透气性要高些；但从降低铸件表面粗糙度的角度则希望透气性不要过高。根据不同的情况，面砂的透气性：40~100，背砂：100~200，单一砂：100~150。（如果只考虑砂的强度，加4%左右的膨润土就足够，实际上粘土含量往往比得到足够强度所需的量多一倍，甚至更多一些。粘土加到一定数量以后，砂粒表面上涂布的粘土膏已相当厚，再补加粘土并不能使强度增长，反而可能下降。）

第71页：4.6液态金属与铸型的相互作用

4.6液态金属与铸型的相互作用

• 液态金属对铸型的机械作用
• 液态金属对铸型的热作用
• 液态金属与铸型的物理化学作用

第72页：4.6.1液态金属对铸型的机械作用

4.6.1液态金属对铸型的机械作用

液态金属对铸型的机械作用有：①对铸型的冲刷和冲击作用；②对型壁的压力作用；③对上型的抬箱作用迅速流动的液态金属对砂型表面有摩擦力，当摩擦力大于砂型表层砂粒间的粘结力时，则砂粒被冲下。也就是说，如果金属液的冲击力超出砂型的高温表面强度，砂型表面将被冲坏，使铸件产生砂眼。有人用放射性同位素W185研究了这种冲刷现象，得到以下结论：液态金属对砂型表面的冲刷作用主要决定于液态金属的浇注温度和砂型的表面强度。液态金属的浇注温度越高，冲刷越严重，浇注温度低，易结壳，液态金属在壳中流动，可减少冲刷。造型材料的高温强度高，则耐冲刷。①对铸型的冲刷和冲击作用

第73页：液态金属对铸型的机械作用

液态金属对铸型的机械作用

②对型壁的压力作用液态金属浇注后,在型腔中凝成有足够强度的硬壳前，型壁受到液态金属的静压力Ps的作用，而型壁单位面积受到的液态金属静压力随液柱的增高而增加。当型壁上某处受到的静压力大于该处的高温强度时，型壁滑移，型腔扩大，使铸件形状和尺寸不符设计要求。液态金属作用于上型工作面上的抬箱力Pt为：在实际运算中，为了简便取h为浇口杯液面到上型型腔表面中心点的距离，而为型腔工作面的水平投影，上式可改写为：③对上型的抬箱作用

第74页：液态金属对铸型的机械作用（续1）

液态金属对铸型的机械作用（续1）

液态金属对铸型的机械作用在计算液态金属对上箱的总抬力时，还需考虑型芯受到的浮力Pf，它是通过型芯传递给上型的，因此，液态金属作用于上型的总抬力PT应为：总抬箱力如果超过上箱重量，上箱就被抬起，造成跑火、抬箱等缺陷。为避免上箱被抬起，应加压铁。压铁重量G可用下式求出：为防止抬箱，可以用压铁、箱卡、增加上箱的重量（高压造型线有时采用）等措施。

第75页：4.6.2液态金属对铸型的热作用

4.6.2液态金属对铸型的热作用

液态金属对铸型的加热作用有：①液态金属对铸型的加热；②水分迁移；③砂型受热时的膨胀和热应力①液态金属对铸型的加热研究铸型的加热主要是解决以下两个问题：①铸型内某处，经过多少时间被加热到什么温度；②在同一时间内，相邻两层的温度差有多大。目前有许多种方法可解决铸型的加热问题，其中实验法和解析计算法较实用，现简述如下。实验法：在铸型中不同深度的各层上，分别插入热电偶。浇注后，立即测出各点的温度。以后每隔一定时间，分别测出各点温度，然后绘出铸型各层温度随时间的变化曲线，见图4.28。

第76页：液态金属对铸型的热作用

液态金属对铸型的热作用

图4.28实验法测得的铸型表面层和内层的温度变化①浇注后，铸型内壳表面迅速达到与液态金属相近的温度，但此时铸型其它部分还处于相当低的温度；②浇注后，砂型不同深度的各层在同一时间内有很大的温差。实验法定性地解决了砂型加热的普遍特征，它只能在浇注后进行，因而没有预见性。

第77页：液态金属对铸型的热作用（续1）

液态金属对铸型的热作用（续1）

液态金属对铸型的热作用目前的解析计算法以贝尔格公式较实用。假设条件如下：①铸型和铸件的接触面是一个平面；②在接触面金属与铸型温度相同；③铸型与铸件平面是无限大，即只考虑单方向的热传导；④在一开始时，铸件与铸型中均无温度差；⑤在整个过程中热物理常数不随温度变化；⑥不考虑浇注时加热型腔中空气的热量损失及对流热传导。按照上述假设得到的边界条件，根据热传导微分方程式可得到计算砂型温度的公式：x——砂层到砂型与铸件接触面的距离（m）；T——距界面为x这一层的温度（℃）；T0——砂型与铸件接触面上的温度（℃）；TH——砂型原始温度（℃）；τ——时间（s）;a——换热系数（w/m3℃）。只有当τ值很小时，计算值较接近于实际。

第78页：水分迁移

水分迁移

②水分迁移铸型（尤其是湿型）被液态金属剧烈加热，铸型表面层在瞬间被完全烘干，产生的水蒸气向铸型深处逸散。由于铸型导热性很差，深层温度尚低于100℃，水蒸气在砂粒间隙（可看作毛细管）凝聚，凝聚到一定程度，达到饱和。在砂粒间隙凝聚的水分在表面张力作用下，按照雷科夫原则移动。由于水分饱和凝聚区中的水分和温度都比更深层高，故水分是背着热源和水分饱和凝聚区，逐渐向更深层迁移，直到水分正常时为止，这种现象称水分的迁移。按照浇注后某一瞬间砂型中水分的分布，可把型壁分成四个区域，见图4.29。

第79页：水分迁移（续1）

水分迁移（续1）

水分迁移图4.29浇注后某一瞬间砂型中水分的分布I-完全烘干区；II-水分饱和凝聚区；III-水分不饱和凝聚区；IV-正常区I区为完全烘干区：在此区内砂型被完全烘干，强度随温度的升高而上升，到粘土结晶构造被破坏的温度，强度达到最高值。此外还产生大量的气体。II区为水分饱和凝聚区：此区水分已达饱和，故强度比较低。水分饱和凝聚区向远离金属和铸型界面的方向移动，金属的浇注温度越高，移动的速度越快。此区的厚度则随距砂型表面的距离的增加而增加。水分饱和凝聚区聚集着大量水分，堵塞了砂粒间的空隙，降低了透气性，阻碍完全烘干区产生的气体向外逸散，因此提高了气体压力。此区温度始终稳定在100℃左右。III区为水分不饱和凝聚区：该区为水分饱和凝聚区与正常区的过渡区，温度也在它们之间，即20~100℃。.IV区为温度正常区：水分含量无变化，强度也无变化

第80页：水分迁移（续2）

水分迁移（续2）

水分迁移以上因水分迁移形成的各区的界限随着砂型型壁中温度的升高而不断地向远离界面方向移动，型砂的含水量、粘土的种类和加入量、紧实度等对水分迁移也有很大影响。型砂的含水量越高，则水分饱和凝聚区出现得越早（即离开交界面越近），饱和凝聚区的水分也越高。在含水量相同时，用膨润土代替耐火粘土可推迟饱和凝聚区的出现。

第81页：砂型受热时的膨胀和热应力

砂型受热时的膨胀和热应力

砂粒受热膨胀引发砂型膨胀粘土受热失水，体积收缩粘土的煅烧线收缩在7%~13%在573℃石英转变为石英，最大膨胀量1.5%砂型受热后体积仍是膨胀粘土的加入量只占砂粒的百分之几，粘土的收缩，只能补偿砂粒膨胀的一部分。型砂受热膨胀率与加热温度、加热时间和加热速度有关，分别见图4.30、图4.31和图4.32。

第82页：砂型受热时的膨胀和热应力（续1）

砂型受热时的膨胀和热应力（续1）

砂型受热时的膨胀和热应力图4.30急热膨胀率与时间的关系图4.31缓热膨胀率与温度的关系急热自由膨胀率比缓热自由膨胀率高。实际生产中的铸型，由于浇注的液态金属温度较高，铸型急速加热，其膨胀率与急热膨胀率相近

第83页：砂型受热时的膨胀和热应力（续2）

砂型受热时的膨胀和热应力（续2）

砂型受热时的膨胀和热应力图4.32合成砂的急热膨胀曲线加热温度越高，膨胀速度越大，膨胀量也越大。此外，从不同种类的型砂来看，合成砂（石英砂与粘土的混合物）比山砂（自然界砂粒与粘土共存的型砂）膨胀大；粘土的种类不同，型砂的膨胀量也各异。

第84页：砂型受热时的膨胀和热应力（续3）

砂型受热时的膨胀和热应力（续3）

• 砂型受热时的膨胀和热应力
• 型砂在高温时产生膨胀，然而实际的砂型并不一定产生这种膨胀。砂型一般使用砂箱（或箱套），而且砂型不能全部加热到所定的温度，膨胀是受限制的，因而在砂型中产生应力。
• 为测量膨胀力的大小，把砂试样在石英管内捣紧，对它急剧加热，限制住在x、y方向的膨胀，在z方向加载荷，使其尺寸一直不变。试样单位面积所加载荷，即为在该温度下的热应力。加热温度与热应力的关系如图4.33。

第85页：砂型受热时的膨胀和热应力（续4）

砂型受热时的膨胀和热应力（续4）

砂型受热时的膨胀和热应力图4.33加热温度与热应力的关系在500℃、800℃等比较低的温度下，虽然膨胀量不那么大，但却显示出较大的应力。与此相反，在具有大膨胀量的高温下，产生的应力小。在低温时，由于铸型的刚体性质，不能吸收膨胀，产生的热应力就大，而在高温时，由于铸型显示出粘弹性的性质，在某种程度上可以吸收膨胀，所以应力小。

第86页：4.6.3液态金属与铸型的物理化学作用

4.6.3液态金属与铸型的物理化学作用

液态金属与砂型的物理化学作用主要包括：①砂型内壳的熔化；②造型材料的发气；③造型材料的熔解及铸件表面合金化。纯金属（尤其是铁碳合金）很少与造型材料形成直接的化和物，但大多数铸造合金容易与砂粒间隙中的氧化合，在液态金属表面形成一薄层熔融的氧化膜。这层金属氧化物易与砂粒、粘土化合，在铸件表面形成粘砂层。①砂型内壳的熔化②造型材料的发气由于液态金属对砂型的热作用，致使砂型的某些组成物燃烧、分解、升华而产生大量气体，这些气体可以被液态金属吸收，或直接卷入液态金属，冷却后在铸件中形成各种气孔。

第87页：液态金属与铸型的物理化学作用

液态金属与铸型的物理化学作用

有时也利用这种化学过程来防止液态金属与造型材料发生直接的化学反应，其中镁合金和砂型工作面的相互物理化学作用就是最典型的实例。镁合金和砂型中的水分、空气中的氧和氮以及石英砂粒都能起化学反应。化学反应所放出的大量热和反应产物（氧化物、非金属夹杂）都会导至金属过热和使铸件质量恶化。为了避免以上不良后果，镁合金湿型铸造时，在型砂中要加入保护性的附加物，常加50%的硫黄和50%的硼酸粉的混合物。硫黄粉的作用是形成SO2保护性气体；硼酸粉的作用是在铸件上形成保护性薄膜，防止继续氧化。

第88页：液态金属与铸型的物理化学作用（续1）

液态金属与铸型的物理化学作用（续1）

液态金属与铸型的物理化学作用③造型材料的熔解及铸件表面合金化砂型中的某些物质能很好地溶解在液态金属中，所以铸件表面有可能被砂型表面层的某些物质所饱和，因而改变铸件表面的化学成分，同时也改变了铸件的表面性能。利用这种相互作用的特点来改变铸件表面性质的方法称为表面合金化。铸件表面合金化的过程，一般认为主要是在浇注时的热作用下，涂料中的合金元素熔入液态金属，这个过程比固体扩散过程快得多，因而能在较短时间内得到较大的渗入深度。如：在金属型中浇注薄壁的灰口铁铸件，经常采用含有大量粉状的硅铁合金的涂料，以防止铸件表面产生白口；冷硬车轮的砂型涂以含碲的涂料，可使轮辋表面生成白口，增加耐磨性。使用含碲的涂料，不仅可以使灰口铁表面成白口，从而提高耐磨性，而且可以防止缩松，还能防止可锻铸铁件白口毛坯的截面厚大处出现麻口。

第89页：4.7 粘土砂常见缺陷及预防措施

4.7 粘土砂常见缺陷及预防措施

4.7粘土砂中常见的铸造缺陷及预防措施在粘土砂型铸造中，由于各方面的原因，经常造成一些铸件缺陷。其中与砂型密切相关的铸件缺陷主要有胀砂、粘砂、夹砂、砂眼、气孔及裂纹等。

第90页：粘土砂铸造缺陷——胀砂铸件内

粘土砂铸造缺陷——胀砂铸件内

、外表面局部胀大，形成不规期的瘤状金属突起物，见图4.34，胀砂影响到铸件的精确度，增加了金属的消耗和切削加工。定义：图4.34铸件胀砂缺陷示意图产生的原因：胀砂是由于浇注时液态金属对型壁的压力作用使铸型壁移动，从而使得铸件胀大的结果。对于粘土砂来说，胀砂主要发生在水分过高和湿态强度不足的铸型上；当水水分过高时，在液态金属作用下由于水分迁移而造成高湿度的薄弱区，削弱了它对铸型表面的支持力，因而容易引起铸型型壁移动。在球墨铸铁中由于析出石墨时体积膨胀，有利于进一步促进胀砂，同时还往往伴随着出现缩孔缺陷。

第91页：粘土砂铸造缺陷——胀砂

粘土砂铸造缺陷——胀砂

• 主要应严格控制型砂的水分，并适当提高粘土加入量，调整型砂配方，以提高型砂的湿强度。
• 当铸件厚大而使胀砂严重时，可考虑使用表干型或干型。
• 此外，还应从造型工艺方面加强预防措施，如提高铸型的紧实度和表面硬度，提高砂箱的刚度，并力求降低浇注温度，以使液态金属在铸型表面尽快结壳，降低液态金属对铸型的压力。预防措施：

第92页：粘土砂铸造缺陷——粘砂

粘土砂铸造缺陷——粘砂

• 铸件表面粘附着一层难以清除的砂粒称为粘砂。
• 粘砂不仅影响铸件的外观，而且会影响及其的工作寿命。如泵或发动机等机器的零件中若有粘砂，则将影响流体（液体、燃料油、气体、润滑油和冷却水等）的流动，并会沾污和磨损整个机器。为了清理铸件表面的粘砂往往要耗费大量的时间和劳力，不得不对铸件多次进行热处理，粘砂还使得切削困难，加快了刀具的磨损。定义和对铸件的影响：粘砂的类型：一般把粘砂分为机械粘砂和化学粘砂两种类型。液态金属钻入砂型表面孔隙中，凝固后将砂粒机械地粘连在铸件表面上，称为机械粘砂；液态金属表面被氧化，生成的氧化铁等金属氧化物与型砂中的SiO2反应，生成低熔点的铁硅酸盐渣液，凝固后与砂粒一起牢固地粘附在铸件表面上，称为化学粘砂。中小型铸铁件大多出现的是机械粘砂；大型铸钢件或合金钢铸件常出现化学粘砂或化学粘砂与机械粘砂混杂。

第93页：粘砂类型的鉴别

粘砂类型的鉴别

(1)肉眼观察法(2)显微观察法(3)电测法(4)化学鉴别法机械粘砂：可看到粘砂层中夹有完整的单个砂粒，并被一些金属毛刺粘附在铸件上，用锤打击时，可看到金属光泽；化学粘砂：看不到单个的砂粒，而是一片连续的蜂窝状物质。机械粘砂：很清楚的看到砂粒是单个的夹在金属毛刺之间，且金属毛刺与砂粒间有明显的分界线；化学粘砂：看到连成一片的渣子，分不清砂粒与金属毛刺的边界，且有新生成相将铸件和砂粒粘连。机械粘砂：砂粒间的连结物是金属，具有良好的导电能力，测得的电阻值小；化学粘砂：粘结物是不导电的硅酸盐。测得的电阻值无穷大。根据粘砂层物质与酸的作用不同来鉴别粘砂的种类。将铸件表面粘砂层放在盐酸中，若是机械粘砂，可看到酸液中不断产生气泡，液体变色；若是化学粘砂，产生气泡很少，没有变色。

第94页：机械粘砂砂粒间的孔隙可看成是直径细小

表4-8：下表列出相关数据。

机械粘砂砂粒间的孔隙可看成是直径细小

的毛细管，液态金属浇入铸型后，在静压力的作用下，有可能渗入到这些毛细管中，形成机械粘砂。熔融的液态金属渗入毛细管越深，金属毛刺就越牢固地包围住砂粒，清理就越困难。因此，可以用液态金属渗入的深度来衡量机械粘砂的程度，用液态金属渗入的深度来评价粘砂程度的基准见表4-8。粘砂清理方法铸件表面情况液态金属深入深度（mm）序号完全能从铸件上震落光洁<0.1271仍能从铸件上震落稍微粗糙0.127~0.382采用喷砂处理才能去掉粘砂0.38~0.633必须用砂轮才能去掉粘砂较严重0.63~0.884去除粘砂层非常困难粘砂严重>0.885

说明：本页源表格数据存在粘连，未作切分还原，原文数据如下——机械粘砂砂粒间的孔隙可看成是直径细小的毛细管，液态金属浇入铸型后，在静压力的作用下，有可能渗入到这些毛细管中，形成机械粘砂。熔融的液态金属渗入毛细管越深，金属毛刺就越牢固地包围住砂粒，清理就越困难。因此，可以用液态金属渗入的深度来衡量机械粘砂的程度，用液态金属渗入的深度来评价粘砂程度的基准见表4-8。粘砂清理方法铸件表面情况液态金属深入深度（mm）序号完全能从铸件上震落光洁<0.1271仍能从铸件上震落稍微粗糙0.127~0.382采用喷砂处理才能去掉粘砂0.38~0.633必须用砂轮才能去掉粘砂较严重0.63~0.884去除粘砂层非常困难粘砂严重>0.885

第95页：影响机械粘砂的因素

影响机械粘砂的因素

(1)铸件表面处于液体状态的时间(2)静压力和临界渗入压力(3)气体压力(4)砂粒大小和砂型紧实度

第96页：影响机械粘砂的因素（续1）

影响机械粘砂的因素（续1）

• 影响机械粘砂的因素
• 此时间的长短是决定渗入深度大小的最基本的因素，铸件表面处于液态的时间越长，就意味着长期剧烈地加热铸型，可使型壁较深的地方接近或达到金属凝固点以上的温度，所以渗入深度较深。
• 此时间由铸型的蓄热系数、合金的过热度及铸件壁厚决定。
• 铸型的蓄热系数高，液态金属达到凝固点的时间短，很快失去流动能力，铸件表面凝固的硬壳也较厚，因此，采用蓄热系数高的原砂可减轻粘砂程度。
• 液态金属过热度高，铸件壁厚，能把铸型加热到更高温度，使铸件表面处于液态的时间较长。此外，过热度高，液态金属粘度小，流动性好，可以渗入到更深的砂粒间隙中。(1)铸件表面处于液体状态的时间

第97页：影响机械粘砂的因素（续2）

影响机械粘砂的因素（续2）

• 影响机械粘砂的因素(2)静压力和临界渗入压力
• 铸型受到液态金属的静压力始终都是促使液态金属向砂粒间隙渗入的。液态金属静压力越高，机械粘砂越严重。
• 当液态金属浇入铸型后，在一定的静压力作用下，处于液体状态的金属能否渗入铸型与临界渗入压力的大小有关。当静压力大于临界渗入压力时，液态金属容易渗入铸型；相反，静压力小于临界渗入压力时，液态金属难以渗入铸型。型砂之间的空隙可看成毛细管。根据毛细管的特性，液态金属的表面张力将产生附加压力，因此，临界渗入压力的大小可表示为：

第98页：影响机械粘砂的因素（续3）

影响机械粘砂的因素（续3）

影响机械粘砂的因素Pg为浇注后在铸型中产生的气体所形成的压力，其作用方向始终是阻碍金属液渗入砂型孔隙的；Pb为金属液在砂型孔隙中产生的毛细压力；θ为金属液对砂型的润湿角。若金属液不润湿铸型(金属液一般不润湿石英砂粒)，即θ>90°，Pb为负值，其作用方向与静压力方向相反，而与Pg方向相同，即也是阻碍金属液渗入砂粒间隙的。对固定成分的金属和铸型来说，表面张力和润湿角是一定的，只能改变r，用以提高防止机械粘砂。当金属液润湿铸型（金属液被氧化后的金属氧化物是润湿石英砂粒的），即θ<90°，Pb的方向与静压力方向一致，促进金属液向砂粒间隙渗入，使机械粘砂严重。

第99页：影响机械粘砂的因素（续4）

影响机械粘砂的因素（续4）

• 影响机械粘砂的因素
• 润湿性主要决定于金属和造型材料的性质、周围气氛的性质、液态金属的成分、氧化程度等。如在氧化性、弱氧化性、中性气氛中，工业纯铁与石英砂的润湿角分别为52°、83°和111°；工业纯铁与镁砂的润湿角分别为90°、107°和113°。即：中性气氛中工业纯铁对石英砂和镁砂都不润湿，但是在氧化性气氛中对石英砂润湿，而对镁砂仍不润湿，因此，在氧化气氛中石英砂比镁砂容易产生粘砂。
• 金属成分对润湿角也有很大影响。钢水含碳量低，含氧量较高，在冶炼时若脱氧不良，当浇注后与铸型相互作用时又被氧化，则润湿角大大减小，极易渗入砂粒间隙，形成机械粘砂。而铁水含碳量较高，含氧量较低，又不易被氧化，润湿角大，因此，机械粘砂倾向比铸钢件小。在钢水中，随着含锰的增高，润润角也随着减小，这是高锰钢铸件容易产生机械粘砂的主要原因。

第100页：影响机械粘砂的因素（续5）

影响机械粘砂的因素（续5）

影响机械粘砂的因素(3)气体压力从前面分析可知：产生的气体对金属液的渗透起到一定阻碍作用。但在高压紧实的砂型中有时由于水汽的积聚产生水爆炸，又会加强金属的渗透。水爆炸原理如下：浇注时，金属液在很高的速度下冲击型腔的表面形成相当高的接触压力，使金属液渗入型砂的孔隙中。由于砂型的热传导，使先渗入的金属凝固。此时，被金属包覆的砂粒上的水分爆炸性蒸发，因孔隙被堵塞蒸气排不出去，在金属液中形成气泡。爆炸性蒸气产生的压力波对金属液面产生压力，迫使金属液又钻入邻近部位的砂型孔隙中。开始时形成的分散性气泡逐渐集中成为大气泡，形成气孔，见图。实践证明，型砂中的含水量高，煤粉类附加物多都能增加水爆炸粘砂的趋势。(a)渗透进入砂型；(b)在空隙中凝固；(c)进一步渗入型壁，气泡集中

第101页：影响机械粘砂的因素（续6）

影响机械粘砂的因素（续6）

• 影响机械粘砂的因素(4)砂粒大小和砂型紧实度
• 在一般情况下，减小铸型表面的孔隙可减小金属液的渗入深度，因此采用细粒砂和提高砂型的紧实度均可减少机械粘砂。
• 随着砂粒空隙的减小，型砂的透气性会下降，因此，也有人认为为了减少机械粘砂，应当采用具有低进气性的细粒砂。
• 但是，在浇注温度较高的情况下，有时在金属液渗入深度上细砂反比粗砂大。这是由于浇注温度提高到一定程度后细砂先被烧结而使空隙变大的缘故。当浇注温度更高时，粗砂也被烧结，此时金属液渗入深度比烧结后的细砂更大。

第102页：化学粘砂

化学粘砂

图4.36示出了化学粘砂的形成过程。图4.36化学粘砂的形成过程示意图(a)浇注后瞬间；(b)金属表面氧化及与砂型发生化学反应；(c)凝固状态

第103页：化学粘砂当金属液浇入铸型后

化学粘砂当金属液浇入铸型后

• ，金属液极易与铸型中的空气及水蒸气作用，生成氧化铁。因氧化铁与石英砂润湿，因而不断渗入砂粒间隙，并与砂或粘土发生化学反应，生成低熔点化合物。由于它的流动性好，易于渗入铸型的孔隙内，从而将金属与铸型连成一体；同时熔融硅酸盐也润湿石英砂，在毛细压力的作用下，能渗入砂粒间隙，增加了金属渗入的深度，其结果便扩大了氧化铁与型砂的作用面积，促使化学粘砂加剧。
• 产生化学粘砂的先决条件是金属表面的氧化。
• 影响化学粘砂的主要因素是金属氧化物的数量及金属氧化物与型砂间的作用程度，后者主要取决于热作用情况。
• 型砂的耐火度不足，则在高温金属的作用下发生熔化，将促使化学作用加剧，形成严重的化学粘砂。
• 由于金属氧化物渗入铸型孔隙后促进了金属氧化物与铸型之间化学作用的进行。因此，凡是影响机械粘砂的因素也间接的影响化学粘砂。

第104页：化学粘砂在生产实际中常常遇到这种情况

化学粘砂在生产实际中常常遇到这种情况

，有时形成的化学粘砂层很容易从铸件表面剥落，而有的粘砂层和铸件表面则熔结得很牢固，极难清理。为什么？图4.39砂层中氧化物的结构示意图分析粘砂层断面的化学成分得知：紧靠铸件表面的是金属氧化物，其后为低熔点化合物。如图4.39，氧化物由Fe3O4和Fe2O3组成。Fe3O4层中又可以分为三层：第I层是紧贴铸件表面的极薄层，不超过10um，在α-Fe上结晶长大，就好象是α-Fe晶格的廷续；第II层是由α-Fe晶格的氧化物过渡到正常氧化物晶格的过渡区域，这一层也很薄。第III层为正常晶格的氧化物区域，即具有正常结晶晶格的Fe3O4区域。铸件表面氧化物层是靠很薄的氧化物层I和过渡区域层Ⅱ牢固地连接在铸件上，这两层都可以看作是α-Fe结晶的延续。因此，当氧化物极薄，氧化物层中就可能仅存在着I和II两层，而低熔点化合物又和氧化物紧密连接时，就会使粘砂层牢固地粘附在铸件上形成化学粘砂。相反，当氧化物层增厚，超过临界厚度后，在氧化物中存在着正常的Fe3O4和Fe2O3层，因它们在结晶时体积膨胀较大，所以粘砂层就可沿这些氧化物层从铸件上清除下来。

第105页：化学粘砂（续1）

化学粘砂（续1）

• 化学粘砂
• 如果低熔点化合物冷凝后是结晶体，其晶格常数与金属氧化物相接近，又近似于砂粒时，结晶体就可能在金属氧化物和砂粒的晶格上长大，使粘砂层与铸件表面的结合力增大，而把它们连接起来，形成粘有砂粒的难于清除的粘砂层。
• 即使金属氧化物能牢固地粘附在铸件表面，但是如果低熔点化合物冷凝后是玻璃体而不是结晶体，由于其性质与金属氧化物和砂粒晶体相差很远，也不会同铸件表面的氧化物粘连而发生粘砂。也就是说粘砂层中如有一定数量的玻璃体低熔点化合物，铸件就不易粘砂，可以获得光洁的铸件。
• 得到玻璃体应注意两个因素：①粘砂层的化学成分。粘砂层中应有一定量的MgO、FeO、MnO、Na2O等，它们能降低型砂的耐火度，使砂粒间较早出现硅酸盐相，并使硅酸盐接近共晶成分，易过冷而获得玻璃体硅酸盐。②粘砂层的冷却速度。粘砂层冷却速度大，容易使液态硅酸盐过冷形成玻璃体，同时也可以阻止金属液的渗入。

第106页：预防粘砂的措施为了防止粘砂

预防粘砂的措施为了防止粘砂

，主要从型砂和造型工艺方面着手，常用的措施有：(1)减小铸型的孔隙使用细砂和提高铸型的紧实度都可以减小铸型的孔隙图4.40型砂粒度与金属液渗入深度的关系图4.41砂型硬度与金属液渗入深度的关系

第107页：预防粘砂的措施

预防粘砂的措施

(2)型砂中加入煤粉和重油等附加物，以避免或减少金属的氧化，并造成光亮碳膜。在湿砂型中加入煤粉防止铸铁件的粘砂，效果很显著。(3)尽可能的降低浇注温度液态金属过热度高，处于液态的时间长，与铸型的热交换激烈，因此液态金属能渗入到更深处，使粘砂更为严重。(4)采用蓄热系数高的原砂或在砂型（型芯）表面涂覆涂料使液态金属的温度降低幅度较大，而使砂型温度升高较小，并且这些原砂不易被金属氧化物所润湿，也不会形成低熔点化合物。(5)在型砂中加入氧化铁，氧化锰等，以加剧金属的氧化和促使低熔点化合物的形成；采用钠基或活化的钙基膨润土，加快冷却速度，以防止化学粘砂。

第108页：夹砂夹砂分类

夹砂夹砂分类

(1)鼠尾(2)沟槽(3)夹砂(4)结疤也叫脉状夹砂，是一种轻微的夹砂形态，具有方向性的浅沟，一般小于5mm。如将铸型取下观察时，则可看到在型面上对应这些浅沟有线状垄存在。在铸件表面产生的较深（>5mm）、边缘光滑的V形凹痕，V形的底部经常存在一条金属线。这种缺陷有时也称为严重鼠尾。由砂和金属的混合层构成。铸型表面的砂层大部分剥离，但仍有一小部分与铸型本体相连，液态金属潜入剥离的砂层下面，并在那儿凝固。砂型表面的一部分脱落，液态金属充填于此处，脱落的砂块移动至其它地方形成砂孔，此处稍许凸出一些，由砂和金属的混合物构成图4.42铸件表面缺陷的形式(a)鼠尾；(b)夹砂；(c)结疤

第109页：夹砂产生的原因必须指出

夹砂产生的原因必须指出

• ：目前没有被公认而确定下来的产生夹砂的理论，但观点已趋一致。原因如下：
• 往砂型中浇注金属液时，砂型表面温度急剧上升，因而表面层膨胀；
• 自砂型表面层产生的水蒸气通过砂型内部时，被冷却而形成水滴，凝聚在表面干燥层下面，成为水分饱和凝聚的薄层，此层的热湿强度很低，仅为正常状态下湿强度的几分之一。
• 在形成高湿度低强度的水分饱和凝聚区的同时，若表面干燥层受热至600℃左右，由于石英突然膨胀，表面砂层产生较大的膨胀压应力，迫使表面层有沿着水分凝聚层滑动脱离本体而拱起的趋势。
• 若型砂的膨胀压应力较小，或者热湿强度较大，就能够防止表面层拱起；否则拱起的表面层开裂，铁水从破裂处侵入，冷却凝固后即形成夹砂。
• 若拱起开裂的表层进一步破碎，或受金属液冲刷断裂，铸件表面形成疤状凸起，脱落的砂块夹在疤块中或被冲到其它部位，冷却凝固后即为结疤。
• 如果砂型表面只局部拱起而不开裂时，则铸件形成鼠尾。

第110页：预防夹砂的措施（续）

预防夹砂的措施（续）

预防夹砂的措施为了预防夹砂，主要可以从减小型砂的热压应力和提高型砂的热湿拉强度两方面入手。造型材料方面：①合理选用原砂②采用钠基膨润土或增加粘土加入量③控制型砂水分④使用附加物原砂膨胀的大小主要取绝于SiO2含量。SiO2含量越小，则形成夹砂的倾向越小。粗砂比细砂的夹砂倾向小，粒度分散的比粒度集中的好。钠基膨润土的热湿拉强度高于钙基，在湿型砂中采用钠基对于防止夹砂效果最为显著，也可采用经活化处理的钙基膨润土。控制有效粘土的含量，使其不过低，灰分和死粘土量不应增多。煤粉可提高它的热湿拉强度，同时降低型砂的热应力。渣油可大大降低热应力，故对防止夹砂有明显效果。木屑和糊精等纤维物质增大了铸型的变形量。一般在型砂中加入煤粉3%~8%、渣油小于2%或木屑0.5%~2.0%就可有效防止夹砂。

第111页：预防夹砂的措施工艺操作和工艺设计方面

预防夹砂的措施工艺操作和工艺设计方面

：①型砂紧实度要均匀，不宜太紧。②扎通气孔不仅对防止气孔有作用，而且对防止夹砂也有作用。通气孔要扎得穿过水分凝聚区，但不得穿透铸型。③在铸型表面插钉子以加固铸型表层。④设计浇注系统时要使内浇口不要过分集中，以避免局部强烈过热。⑤一些容易产生夹砂的平板类铸件采用低温和快速的倾斜式浇注，减小金属液对铸型的热作用，从而减小铸型的体积变化，以防止夹砂。

第112页：砂眼砂眼是在铸件表面或内部有充塞着砂

砂眼砂眼是在铸件表面或内部有充塞着砂

• 粒或砂块的孔洞，可使铸件报废。砂眼形成的原因
• 金属液充填铸型的冲击力和紊流冲刷是造成砂眼的主要原因。
• 砂型的紧实度和砂粒间的结合力差也是形成砂眼的重要条件。砂型的紧实度不足，砂粒间的孔隙大，金属液就易于钻入；砂粒间结合力弱，钻入砂粒间的金属液就会把砂粒挤出来形成砂眼。在流动的金属液冲刷力作用下，砂粒间结合力弱，砂粒也会被冲刷下来。具体的原因如下：①砂型的表面强度越差。②与金属液流垂直的砂型型壁所承受的冲击力大，其上的砂粒易被剥落。③受金属液流冲击最厉害的地方是直浇道根部垂直于液流方向的型壁。④合金熔点越高，浇注温度也越高，热作用就越剧烈，越容易产生砂眼。⑤修型及合箱操作不当，散落砂子未清理干净。

第113页：预防砂眼的措施

预防砂眼的措施

• 主要是严格控制型砂质量，特别要控制粘土量和水分。
• 提高有效粘土含量可以提高型砂的表面强度。在粘土砂中加入糖浆、纸浆废液，或在铸型表面喷一层糖浆或纸浆废液，均可提高表面强度。
• 加强造型、合箱、浇注等工艺规程的管理和执行，以减少由于操作疏忽造成的砂眼等缺陷。

第114页：气孔气孔是气泡在金属液结壳之前未及逸出

气孔气孔是气泡在金属液结壳之前未及逸出

，而在铸件内生成的孔洞类缺陷。根据形成气孔的气体来源，可大致把气孔分成析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔等三种类型。(1)析出性气孔在熔炼过程中溶入液态金属中的气体，当液态金属冷却凝固时由于其溶解度降低而从金属中析出形成的气孔称为析出性气孔。析出气孔中的气体大都为氢和氮，呈分散的麻点状圆孔，表面光亮，常布满于整个铸件断面，而且同一炉浇注的铸件往往会同时出现。铝合金铸造中常见的氢针孔便属于析出气孔之列。其次，析出气孔在铸钢中也比较常见。析出性气孔较多的铸件中冒口缩孔较小，并有不同程度的冒口上涨现象。灰铸铁中有时也可能析出氢气孔，大都在靠近热节处呈狭长裂缝状或圆形，表面光洁，内腔常常有一层石墨薄膜。

第115页：气孔的类型

气孔的类型

(2)反应性气孔铸型与金属之间，金属与渣滓之间或金属中某些成分之间发生化学反应而生成的出气孔称为反应性气孔。在铸铁和铸钢中，这类气孔中的气体大都是一氧化碳和氢气；球铁件粘土砂造型时则为硫化氢气体、镁蒸气和氢气等，大都均匀分布于铸件皮下，因而又称为皮下气孔。这类气孔在同炉浇注的同类铸件中往往成片出现，大都是针状或蝌蚪状，与铸型表面垂直，位于距铸件表面不深处。(3)侵入性气孔侵入性气孔是气体从外部侵入金属液中，不能排出而形成的气孔。气体来源有型砂、型腔和冷轶等多方面。另外，在浇注时也可能卷入气体。侵入气孔大都呈圆形或椭圆形，有的呈喇叭形或梨形。多分布在铸件上部，靠近型砂和砂芯的表面处。

第116页：反应性气孔

反应性气孔

的成因铸钢件反应性气孔在铸型透气性不足的情况下会向钢水中扩散或溶解，使钢水中的含氢量过饱和，形成氢皮下气孔。生成的CO给氢提供气泡核心或者直接形成CO气泡。这种气泡在钢水凝固期间最容易产生。球铁件的反应性皮下气孔主要是由于钢水中逸出的镁和铁水表面的硫化镁与来自型砂中的水蒸气发生反应生成的氢、氧化镁及硫化氢等气体，在铁水与铸型的界面上产生较大的压力。当砂型的透气性不足时，则气体便会穿进铁水表层而侵入铸件，形成皮下气孔。

第117页：反应性气孔（续1）

反应性气孔（续1）

反应性气孔的预防措施为了预防反应性气孔，在金属熔炼和处理过程中要采取措施，如钢水熔炼时必须保证充分去气和脱氧，球铁处理中要限制残留镁量，而在型砂和工艺方面可采取下列措施：①尽量减少型砂中的水分，必要时可采用表干型或干型；②提高型砂的透气性，以利于反应生成的气体外逸；③对于球铁，可加入煤粉、渣油或沥青类附加物。由于这类附加物能产生还原性气体，防止铁水氧化，并在铸型与金属接触的界面生成薄层碳膜，使铸型与金属之间的化学反应难以进行；④球铁浇注温度应适当提高，以延长铁水的凝固时间；⑤球铁的浇注系统要保证铁水迅速而平稳地充填铸型，一般宜采用开放式浇注系统。

第118页：侵入性气孔的成因在金属液的热作用下

侵入性气孔的成因在金属液的热作用下

，型砂中生成的气体是侵入性气孔的主要来源。实验表明：当金属液接触铸型后，短时间内铸型中气体陡增，又迅速减少，好似一个气浪。随着温度的增加，气浪也增大，随后又出现第二个较弱的气浪，见图4.44。在出现第一个气浪时形成气孔的危险性最大，因为此时金属表面尚未形成硬壳。图4.44金属热作用下铸型表面发生气体的情况

第119页：侵入性气孔的成因

侵入性气孔的成因

砂型内产生的气体因剧烈膨胀向四周扩散，但在气体通过砂型的过程中遇到一定的阻力，从而使砂型表面保持一定的气体剩余压力。如果气体的剩余压力超过来自金属方面的阻力，则满足下列条件时，气体便有可能侵入金属液中。为在砂型表面的气体剩余压力；为金属液的静压力；为形成气泡时需克服的阻力，取决于金属液的表面张力；为型腔中金属液面的气体压力。随着金属液浇入量的增加而增大，到浇满时最大；虽也随着浇注时间增长和气量增多而增大，但值不仅与型砂发气物质的总发气量有关，更重要的还与发气温度和发气速度有关。因此，最大值的出现时间不同，数值不同，后果也就相应不同。图4.45是型砂发气量和发气速度对侵入气孔形成影响的示意图。

第120页：侵入性气孔的成因（续1）

侵入性气孔的成因（续1）

侵入性气孔的成因图4.45型砂发气量和发气速度对形成侵入气孔的影响(a)砂型发起速度较快时；(b)砂型发起速度较慢时由图4.45(a)可见，水分稍多时就出现形成侵入气孔的危险区，此时；。在图4.45(b)中由于水分正常，煤粉发气较慢，发气量较少，从浇注开始到铸件表面凝固结壳的整个过程中，所以不形成侵入气孔。

第121页：侵入性气孔的成因（续2）

侵入性气孔的成因（续2）

侵入性气孔的成因图4.46是侵入金属液的气泡形成过程。在金属液浇注温度高、粘度小的条件下侵入的气泡能上浮。若金属液面已凝固，气泡不能浮出而留在铸件内，即形成圆形或扁圆形的气孔。若气泡侵入金属液后没有上浮，则在侵入时便形成梨形气孔。若铸件表面已凝固，则气泡不能侵入，但因刚开始凝固成的硬皮强度很低，气泡有可能使硬皮发生局部变形而留下凹坑，在铸件表面出现表面气孔。图4.46侵入气孔形成过程示意图

第122页：侵入性气孔的防止措施

侵入性气孔的防止措施

侵入性气孔的成防防止措施为了防止气孔，应满足的条件。由此，可以增大、、或减小。要增加，可以采用快速浇注的方法，或者增加上砂箱的高度。但增加浇注速度和上箱高度往往会带来其他一些问题，受到其他工艺条件的限制。而和更不可能用来防止气体侵入金属。实际上可以用来防止气体侵入金属的决定性条件是减小气体的剩余压力，其主要措施是提高型砂的透气牲和减小型砂的发气性。具体措施如下：(1)提高型砂的透气性；(2)减少型砂的发气性；(3)合理安排出气冒口；(4)适当提高浇注温度。

第123页：本章小结

本章小结

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• 粘土砂是铸造生产中应用最广的型砂。按是否烘烤铸型可分为湿型砂、表干型砂和干型砂；按合金种类可分为铸铁用型砂、铸钢用型砂和有色合金用型砂。
• 粘土砂的水分对型砂性能和铸件质量影响较大，生产中可直接测量，也可通过仪器来测定型砂的紧实率和过筛性，间接表征水分的多少。
• 粘土砂必须具有一定的强度，才能耐住金属液的冲刷和冲击。粘土砂的强度包括湿强度、干强度、热强度和保留强度以及表面强度等。此外，粘土砂还必须具有合适的透气性、流动性、韧性和出砂性。
• 粘土砂的流动性可用阶梯硬度法、侧孔质量法、环形空腔法来测量。
• 因铸件种类的不同，粘土砂的配比可能有差异。如铸铁件用的粘土砂，一般旧砂为50%~80%，新砂为5%~20%，活性膨润土为6%~10%，有效煤粉为2%~7%。而铸钢件用的粘土砂中，新砂所占比例则较大，膨润土加入量也相应增多。

第124页：本章小结

本章小结

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• 粘土砂在混制过程中，在保证足够混碾时间的前提下，要注意加料顺序不同带来的差异。当使用大量的返回旧砂时，应该先对旧砂预加水湿混一段时间后，再加入其它他附加物，并使其充分混碾；也可采用在旧砂皮带上喷水的方法，使旧砂的干粘土膜预先吸水。而后者是自动化生产线上常采用的方法。
• 旧砂在循环使用过程中，砂温升高、水分蒸发、粉尘积累、芯砂混入，从而使得粘土砂的组成发生改变，因此，必须设置增湿降温系统，同时，适时的追加新的粘结剂和新砂，将粘土砂的成分控制在要求范围内。
• 当液态金属浇入铸型时，一方面，液态金属将对铸型产生机械作用和热作用；另一方面，铸型和液态金属间存在相互的物理化学作用。机械作用包括对铸型的冲刷和冲击作用、对型臂的压力作用和对上型的抬箱作用。热作用包括对铸型的加热，进而导致铸型内的水分迁移和

第125页：本章小结

本章小结

• 】铸型受热时膨胀。物理化学作用包括砂型内科、壳的熔化、发气、溶解及对铸件表面的合金化。这些作用对于分析粘土砂中常见铸造缺陷产生的原因和采取相应的预防措施提供了理论基础。
• 粘土砂中常见的铸造缺陷有胀砂、粘砂、夹砂、砂眼和气孔等。

第126页：课程结束致谢页

课程结束致谢页

谢谢！