（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(芯)方法

按机械化程度可分为手工造型(芯)和机器造型(芯)两大类。选择合适的造型(芯)方法和正确的造型(芯)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(芯)  手工造型(芯)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(芯)仍占很大比重。在航空、航天、航海领域应用广泛。手工造型(芯)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）机器造型（芯）

用机器完成全部或部分造型工序，称为机器造型，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。机器造型（芯）主要适用于黑色金属铸件的大批量生产。

在制造各砂型、芯的过程中，根据其本身建立强度时其粘结机理的不同，通常可分为三大类：

（3）物理固结----指用物理学原理产生的力将不含粘结剂的原砂固结在一起，磁型铸造法、负压造型法或真实密封造型法或薄膜负压造型法，以及消失模造型法。

（二）粘土湿型

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。

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。

(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。

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。

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。

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’OHRCOO-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。

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