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技术应用

砂型铸造的种类及介绍

(一)概述

1.砂型铸造的特征及工艺流程

配制型砂—造型—合型—浇注—冷却—落砂—清理—检查—热处理—检验—获得铸件。

特征:使用型砂构成铸型并进行浇注的方法,通常指在重力作用下的砂型铸造过程。

造型方法按机械化程度可分为手工造型和机器造型两大类。

选择合适的造型方法和正确的造型工艺操作,对提高铸件质量、降低成本、提高生产率有极重要的意义。

(1)手工造型手工造型是最基本的方法,这种方法适应范围广,不需要复杂设备,而且造型质量一般能够满足工艺要求,所以,到目前为止,在单件、小批生产的铸造车间中,手工造型仍占很大比重。在航空、航天、航海领域应用广泛。手工造型劳动强度大,生产率低,铸件质量不易稳定,在很大程度上取决于工人的技术水平和熟练程度。手工造型方法很多,如模样造型、刮板造型、地坑造型,各种造型方法有不同的特点和应用范围。


(2)全自动造型用全自动造型机完成全部造型工序,称为全自动造型,与手工造型相比,机器造型生产效率高,质量稳定,劳动强度低,对工人的技术要求不像手工造型那样高,生产准备时间长,一般适用于一个分型面的两箱造型,主要以水平造型较多,方便复杂铸件下砂芯,技术也较为成熟,目前具有一定规模化的铸造企业已经装配全自动造型生产线,包括全自动砂处理,全自动浇铸。机器造型主要适用于黑色金属铸件的大批量生产。

砂铸造造型


(二)粘土湿型

1.湿型及其特点

(1)生产灵活性大,适用面广,既可手工,也可配合半自动造型机器(碰碰机)以及全自动造型机、结合流水线生产,既可生产大件,也可生产小件,可铸钢(中小件),铸铝,也可铸铁,有色合金等。

(2)生产效率高,生产周期短,便于流水线生产,可实现机械化及自动化,汽车,柴油机,抢拖拉机行业应用最广(300~500kg铸铁薄裂件)。

(3)原材料成本低,来源广。

(4)节省能源、烘干设备和车间生产场地面积。

(5)因不需烘干,砂箱寿命长。

(6)缺点:操作不当,易产生一些铸造缺陷:夹砂结疤,鼠尾,砂眼,胀砂,粘砂等。

2.粘土湿型所用的主要原材料

粘土湿型的配方为:原砂(或旧砂)100,粘土(膨润土)1~5%,煤粉~8%,水~6%,以及其它附加物。

(1)原砂-石英砂

其砂子是火成岩中稳定的部分,主要成分为二氧化硅(SiO2)和少量的杂质(Na,k,Ca,Fe等氧化物)。含SiO2极高的砂子称石英砂,有高的熔点,1700℃,摩氏硬度7级(一般将材料分为10级,其中滑石为1级,金刚石为10级),随夹杂物含量的增加,其耐火度下降,SiO2含量高,砂子的颜色接近无色透明,一般用石英砂色白并略带灰色。

铸造生产所用的石英砂与建筑用砂不同,它有其特殊的要求,主要有:含泥量;颗粒组成;原砂颗粒形状及表面状况;原砂的矿物组成和化学成分等。

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和其它金属氧化物,因而较易与型砂中的杂质进行化学反应而造成化学粘砂。所以要求原砂中Si02含量应较高,有害杂质亦应严格控制。铸钢件的浇注温度愈高,壁厚愈厚,则对原砂中Si02含量的要求就愈高。

铸铁的浇注温度一般在1400℃以下,铁液中含有较多碳分,湿型浇注时型砂中加入有煤等附加物,能产生大量还原性气氛,在与铸型相接触的界面上金属基本不氧化,实际上湿型铸铁件无化学粘砂现象。

烧结点指的是原砂颗粒表面或砂粒间混合物开始熔化的温度。它是原砂各种组合成分耐火性能的综合反应。所以,有时采用测定原砂烧结点的办法能更直观地说明原砂做为耐火材料的性能,而且可用来推测原砂中SiO2含量高低和杂质多少。长石、云母及其杂质中所含有的碱金属氧化物(Na20、K20)、碱土金属氧化物(CaO、MgO)等能与Si02和氧化铁生成易熔物质。例如Si02与NaO的质量比为73:27的混合物,其熔点仅793℃.K2O与SiO2可形成熔点仅525℃低熔物, 烧结点低。

(2)原砂-非石英质原砂

硅砂缺点:热膨胀系数比较大,而且在573℃时会因相变而产生突然膨胀-----铸件若裂;热扩散率比较低;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。在生产高合金钢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,使铸件的清砂十分困难。

非石英质原砂是指矿物组成中不含或只含少量游离Si02的原砂。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,无体积突变,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砂、锆砂、铬铁矿砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、钛铁矿砂、铝矾土砂等。真正广泛使用的仍为石英砂。

砂铸造造型模具

(3)粘土----膨润土

粘土的矿物成分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。粘土主要是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料。

粘土矿物的种类很多,按晶体结构可分为高岭石和蒙脱石等。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(bentonite)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。

(4)粘土的粘结机理

粘土在水中形成的粘土-水体系是胶体,带负电的粘土颗粒将极性水分子吸引在自己的周围,形成胶团的水化膜,依靠粘土颗粒间的公共水化膜,通过其中的水化阳离子所起的“桥”或键的作用,使粘土颗粒相互结合起来,在水化膜中处在吸附层的水分子被粘土质点表面吸附得很紧,而处于扩散层中的水分子较松,公共水化膜就是粘土胶粒间的公共扩散层。粘土和水量比例适宜时,才能获得最佳的湿态粘结力。一般说来,粘土颗粒所带电荷愈多或粘土颗粒愈细小,比表面积愈大,则湿粘结力愈大。

关于粘土颗粒与砂粒之间的粘结则被解释为:砂粒因自然破碎及其在混碾过程中产生新的破碎面而带微弱负电,也能使极性水分子在其周围规则地定向排列。这样,粘土颗粒与砂粒之间的公共水化膜,通过其中水化阳离子的“桥’’或键的作用,使粘土砂获得湿态强度。

(5)附加物

3.湿型砂的混制工艺及旧砂的处理

生产中常用的混砂机有碾轮式(vertical wheel sand muller)、摆轮式(horizontalwheel sand muller,speed muller)、叶片式(blade mixer)等。各有优缺点。

生产1t铸件约需要5-10t湿型型砂,配制型砂时都尽量回用旧砂(即重复使用过的型砂),即经济也是保护环境的需要。但简单地重复使用旧砂,会使型砂性能变坏,铸件质量下降。必须了解旧砂的特性,掌握其性能变化的规律,采取必要措施,才能保证和稳定型砂的性能。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。

4.粘土湿型的紧实工艺

(1)对型(芯)砂紧实度的要求

1)紧实度对铸型性能的影响 型砂需要紧实才能成为整体的砂型。型砂的紧实度常用紧实度(密度)和孔隙度表示,紧实度影响着铸型的强度和透气性。紧实度越大,铸型强度越大,透气性越差。紧实度高,蓄热系数也高,加快了金属的凝固冷却速度,改善了铸件的内在质量,组织更为致密,铸件尺寸精确,力学性能有所提高,对高压造型的研究表明,铸型紧实度高,浇注时型壁移动量小,铸件尺寸精确,表面光洁。因此,铸件可以做的更薄,进而减轻铸件重量。

2)型砂紧实度的要求 要求铸型紧实度高且均匀。高压造型法由于铸型紧实度高,其铸型性能和铸件质量普遍好于中低压造型。高压造型法的目的就在于制出均匀的高紧实度铸型。理论和实验研究证明其压实方法和压头形式对紧实度有很大的影响。对湿型而言,通常有震击紧实、震压紧实、压实、微震压实和高压紧实等,下面简单介绍其紧实方法。

(2)震击紧实和震压紧实 

震击紧实用震击造型机来完成。多以压缩空气为动力,利用震击动能和惯性使型砂紧实。将砂箱1放在模板2上,型板固定于震击工作台,与震击活塞3相连,4为震击气缸。砂箱内装满型砂后,打开进气阀,使压缩空气进入震击气缸,推动活塞上升。活塞升高超过排气孔时,压缩空气由排气孔逸出,气缸中的压力突然下降,此时震击活塞连同砂箱模板下落,与震击气缸发生撞击,砂箱中的型砂由于惯性力的作用而互相紧实。而后因出气孔堵住,进气孔进入的压缩空气压力超过砂箱型板活塞等的重量,使工作台上升,如此连续震击,使型砂得以紧实。震击高度一般为30~60mm,震击次数30~50/min次为宜,一般不超过80次。震击紧实适用于大砂箱,砂箱高度不低于150mm,否则紧实效果不好。其型砂紧实度沿砂箱高度是上松下紧,顶部型砂紧实度几乎与震前一样。

为了克服震击紧实砂箱上部型砂紧实度太松的缺点,可以先震击使底部型砂紧实,再对顶部型砂补充压实。这种经震击后再加压的造型机叫做震压造型机。震压紧实型砂的紧实度分布好,特别是在砂箱不太高的情况下,压实的影响可以达到分型面,这样可以大大减少震击次数,从而提高劳动生产率,节约能耗。但由于补加压实以压缩空气为动力,比压较低,故多用于中小砂箱的型砂紧实。震击造型机和震压造型机的结构都比较简单,操作维修方便,适用性强,一般中小型铸件都适用。但是震击式造型机工作时噪音太大,强烈的震动也对厂房建筑提出了较高的标准。

(3)压实、微震压实和高压紧实 

压实紧实是通过压实造型机来完成的,多以压缩空气为动力对型砂压实紧实。打开进气阀,压缩空气由进气孔进入压实气缸4,将活塞3举起,当砂箱2内的型砂碰到压头1时,就发生压实作用。型砂压实后,打开排气阀,气缸中的压缩空气排出,活塞立即下降,压实工作完成。这种紧实较震击紧实的效率高,噪音很小,机器结构也很简单。缺点是型砂紧实度不均匀,上紧下松。适用于砂箱高度不超过150mm而底面积一般不超过800×600mm的铸型。

微震压实造型是在型砂受压的同时,模板、砂箱和型砂作高频小振幅(10-13Hz,3-8mm,普通震击造型的震击频率和振幅分别为1.1-3.3Hz,30-80mm)的一种造型方法。当压缩空气经过工作台的进气孔进入微震气缸后,在压缩空气的压力作用下,微震活塞与固定在工作台上的模板、砂箱上升;同时压缩空气的压力还使微震气缸向下运动,压缩微压气缸下的弹簧;当微震活塞上升至打开排气孔时(排气孔面积是进气孔的6~7倍),缸内气压迅速降低,工作台等靠自重下落,而微震气缸受弹簧作用上升,二者发生撞击,使砂箱内的型砂获得一次紧实。这样多次重复,型砂就能较为迅速地达到预定的紧实度要求。

微震压实造型比单纯压实效果好,在相同压力下,能获得更高的紧实度,相当于提高比压30~50%,而且砂型的紧实度分布比较均匀;生产率高,每小时可达120箱以上,铸件质量较好;震击噪音小,劳动条件好,并可降低对厂房基础的要求;机器使用可靠,维修方便,价格也比较低廉。其主要缺点是仍有一定的噪音。微震压实造型在中小铸件的生产中已得到较为广泛的应用。

上述压实造型是中低压压实,其压实比压为0.4MPa左右。近年来,国内外大量发展和采用高压压实造型机。用高压造型机造型时,由于压实比压提高到0.7Mpa以上,砂型硬度、紧实度和强度都大为提高,沿砂箱高度方向的紧实度分布得到有所改善,砂型轮廓清晰,可以得到尺寸比较准确的铸件(可达CT7~8级),表面光洁(Ramax=3.2~2.5μm);由于铸型紧实度高,蓄热系数也高,加快了金属凝固、冷却速度,改善了铸件内部质量,提高了力学性能;节约金属,减少加工余量及费用;压实紧砂工艺简单、生产率高(200~300箱砂型/h),易于机械化,噪音小,劳动强度低;适应性强,能制造复杂、较大的铸件。其缺点是机器结构复杂,生产线投资大;要求工艺装备精度高,刚性大;要求有较高的设备维修保养能力。高压造型适用于成批大量生产、砂箱尺寸较大、铸件较复杂及要求较小的尺寸公差和表面粗糙度低的铸件的生产。

(4)气流冲砂紧实 

气流冲击紧实造型是将压力为0.4~0.6MPa的压缩空气以均匀的气流冲击型砂表面,使型砂紧实的造型新方法。铸型的紧实机构采用脉冲发生器(冲击头),其结构似储气罐,内有一小室3,室内压缩空气压力通常为0.4~0.6MPa,称为过剩压力。小室外部压缩空气压力通常比室内空气压力低0.1MPa,称为储气罐压力。砂箱7和辅助框6充满型砂,移到冲击头下边并被压紧后,打开单向快开阀2,室内压缩空气的过剩压力骤然下降,强制打开隔膜阀5,使压缩空气迅速加速而产生气流冲击,继而由于空气急剧膨胀而形成压力波,其速度可达800m/s以上;压力波在若干毫秒内穿透整个砂型,使砂型紧实。

气流冲击造型的主要优点是:砂型紧实度均匀,砂型硬度高,铸件尺寸精度和光洁程度都得到提高;造型机结构简单,噪音小;生产率高,劳动条件好;砂型充填性好,吃砂量少,可节约型砂及混砂能耗;适应性强,既可利用高压造型型砂,也可利用普通机器造型型砂。缺点是仍然有一定的噪音;砂箱或芯盒必须有足够的强度和刚度。

(三)钠水玻璃砂型

铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是钠水玻璃。此类型芯砂与粘土砂比较,有下列优点:

(1)型(芯)砂流动性好,易于紧实,故造型(芯)劳动强度低。

(2)硬化快,强度较高,可简化造型(芯)工艺,缩短生产周期,提高劳动生产率。

(3)可在型(芯)硬化后起模,型、芯尺寸精度高。

(4)可取消或缩短烘烤时间,降低能耗,改善工作环境和工作条件。

1.钠水玻璃粘结剂

水玻璃是各种聚硅酸盐水溶液的通称。铸造上最常用的是钠水玻璃(Sodiumsilicate water glass),因其便宜,来源充足;其次为钾水玻璃,此外还有锂水玻璃、钾钠水玻璃、季铵盐水玻璃等,分别是硅酸钠(Na20·mSi02)、硅酸钾(K20,nSi02)、硅酸锂(Li20·mSi02)、硅酸钾钠(mK20·Na20·nSi02)、季铵盐的水溶液。

硅酸钠是弱酸强碱盐,干态时为白色或灰白色团块或粉末,溶于水时,纯的钠水玻璃外观为无色粘稠液体,由于含铁盐而呈灰色或绿色,pH值一般在11-13。钠水玻璃的化学式为Na20·mSi02·nH20。

钠水玻璃有几个重要参数,直接影响它的化学和物理性质,也直接影响钠水玻璃砂的工艺性能,这就是钠水玻璃的模数、密度、含固量和粘度等。

(1)模数

钠水玻璃中Si02和Na20的摩尔数之比称为模数,用M来表示。模数的大小仅表示钠水玻璃中SiO2、Na2O的摩尔数之比,并不表示钠水玻璃中硅酸钠的质量分数。但是模数改变,钠水玻璃结构及其物理—化学性质也会发生变化,因为模数的大小直接影响硅酸阴离子的聚合度,聚合度越高,模数也越大。模数越高,作为芯(型)砂粘结剂时的硬化速度也越快,达到最高强度的时间也越短。但过高的模数,将使芯(型)砂的保存性差,不适于造型和造芯。

钠水玻璃模数可以通过化学的方法降低或提高。降低钠水玻璃模数可加入适量的NaOH,以提高水玻璃中Na20的质量分数,从而相对地减少Si02的质量分数。铸造生产中,吹C02硬化时常用模数为2的钠水玻璃。

(2)密度、含固量和粘度

钠水玻璃的密度P取决于钠水玻璃中水的质量分数,而不是它的模数,因为Na2O (62)和Si02(60)(括号中数值为相对分子质量)的相对分子质量数值很近似。密度低,水的质量分数高,含固量少,不宜用作型(芯)砂粘结剂;反之,密度过大,粘稠,也不便定量和不利与砂子混合。铸造上通常采用密度为1.32-1.68g/cm3或波美度35-54的钠水玻璃。

2。钠水玻璃砂的硬化机理

硅酸钠是弱酸强碱盐,在水溶液中几乎完全电离,所以钠水玻璃实际是部分电离的聚硅酸负离子和钠离子在水中的分散体系。不同硅酸盐负离子的平衡是错综复杂的,它取决于pH值、模数和温度,在若干特有的反应过程中达到平衡。其中最有意义的反应是硅酸钠(以=Si-0-Na表示)的钠-氧键水解(hydrolysis)(向右进行)和酸-碱反应(向左进行).,硅氧烷链(Si-0-Si(siloxanelinkage)沿线性方向生长,就形成高聚物(polymcr);当它在三维空间任意生长时,就形成凝胶(gel),这就导致了钠水玻璃的硬化。

如果没有任何胶凝作用的影响,钠水玻璃则可保存很长时间,但它对引起平衡变化的任何因素却非常敏感,这一潜在不稳定特性,通常被用来加速钠水玻璃的缩聚,以形成坚硬的三维的网状结构,使型砂粘结在一起。

铸造生产中常用的一些硬化方法,都是加入能直接或间接影响上述反应平衡点的气态、液态或粉状固化剂,与OH-作用,从而降低pH值,或靠失水,或靠上述二者的复合作用来达到硬化。

(1)加热硬化----失水发生由液态到固态的转变

凡是能去除钠水玻璃中水分的方法,如加热烘干、吹热空气或干燥的压缩空气、真空脱水、微波照射以及加入产生放热反应的化合物等都可使钠水玻璃硬化。图是Na20、Si02和H20三元系统的常温状态图。其中铸造行业所用的商品液体钠水玻璃,是图中阴影部分(区域9,M=2.0—3.3,p=1.2—1.7g/cm3),当这种水玻璃与砂混合制成砂芯(型)时,如果用加热(或用热空气)方式硬化,会按图中带箭头虚线指示的方向,液体钠水玻璃先变成粘稠液体,接着成为半固体,再变成脱水液体。

(2)化学反应形成新的产物

钠水玻璃在pH值大于10以上很稳定,加入适量酸性或具有潜在酸性的物质时,其pH值降低,稳定性下降,使水解和缩聚过程加速进行。

图为pH值对钠水玻璃胶凝时间的影响曲线,曲线呈大写“N”字形,即著名的“N曲线”。胶凝速度最快的pH值,亦即曲线的最低点在6.8到7.1之间;钠水玻璃稳定性最好、胶凝速度非常慢的pH值,也就是曲线的最高点,在3.2-3.9和10以上。

A)吹C02硬化

C02与钠水玻璃中的水作用形成碳酸 :

CO2 + H20---- 2H+ + C032-

产生的H+使表面钠水玻璃的pH值不断降低,并达到迅速硬化。

钠水玻璃同C02反应,消耗Na20,把凝胶化的水玻璃推到图的不稳定液体和凝胶区域。这种Si02凝胶含$i02高,并使砂芯和砂型建立强度。

C02是一种脱水能力相当强的气体,从砂粒周围流过,C02与粘结剂接触面积大,使钠水玻璃部分失水,因此,C02硬化既有钠水玻璃的物理脱水作用,也有化学反应,两种机理难以截然分开,通常其粘结是两种作用的结果。(哪一种作用占主导地位?)

采用C02法硬化,有人认为仅发挥了钠水玻璃粘结性能的10%,:因此不得不把砂中钠水玻璃加入量提高到6%-7%(质量分数)。图所示为C02硬化后包裹在砂粒表面的钠水玻璃膜的结构模型,膜由两层组成,表层Ι的主要成分是硅酸胶体以及Na2C03和NaHC03结晶(粉化即白霜),里层Ⅱ的主要成分是尚未反应的硅酸钠胶体。

B)有机酯液态硬化剂

酯促使钠水玻璃砂硬化建立强度分两阶段,酯使钠水玻璃胶凝化,产生强度;最终强度来自硅酸钠脱水。用酯硬化时,酯在钠水玻璃中进行水解生成有机酸和醇,有机酸提供氢离子,其反应通式是

RCOOR’+H2O-------RCOOH+R’OH

RCOO-与钠水玻璃电离的钠离子Na+发生皂化反应,生成脂肪酸钠;H+与钠水玻璃的OH-结合,均有利于酯的进一步水解和使钠水玻璃析出硅酸溶胶,并促使朝着生成大的凝聚的硅酸分子方向移动,当它在三维空间任意生长时,就形成凝胶,这就导致钠水玻璃硬化。

(3)不同硬化方法所得钠水玻璃砂的强度是不同的。

其原因为:

①所得到的粘结剂膜组织的密度和有序性排列不同,因而影响强度的大小,其顺序为加热硬化、酯硬化、铬铁渣硬化、CO2硬化,相应的粘结膜的内聚强度为41MPa、29.8MPa、20.5MPa、14.9MPa;

②所得钠水玻璃的凝胶胶粒大小明显不同,C02硬化的胶粒直径为0.2—0.48µm,酯硬化的为0.07-0.18µm,真空硬化的为0.06-0.16µm,加热硬化的只有0.035-0.04µm,因而强度会明显不同。

(四)其它类型的砂型

还可使用硅溶胶、植物油、树脂等作为粘结剂形成不同类型的砂型。












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