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1、第二篇 砂型和砂芯的制造重点：重点：型砂水分、透气性、强度；型砂水分、透气性、强度；难点：难点：型砂变形量的测试。型砂变形量的测试。型砂的分类型砂的分类按粘接剂的类型：粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。按粘接剂的类型：粘土砂、树脂砂、水玻璃砂、油砂等。按粘结力产生机理不同：如图按粘结力产生机理不同：如图2-0-12-0-1。第1页/共266页物理固结：不含粘结剂，用物理学原理。例如磁型铸造、物理固结：不含粘结剂，用物理学原理。例如磁型铸造、V V法造型。法造型。化学粘结：在造型（芯）时依靠粘结剂物理化学作用达化学粘结：在造型（芯）时依靠粘结剂物理化学作用达到硬化，建立强度，使砂粒结合牢固。到硬
2、化，建立强度，使砂粒结合牢固。机械粘结：以粘土作粘结剂。机械粘结：以粘土作粘结剂。第2页/共266页第3页/共266页第4页/共266页第1章 湿 型第1节 湿型铸造特点1.1 1.1 粘土砂类型粘土砂类型（1 1）按砂型在合箱和浇注时的状态）按砂型在合箱和浇注时的状态 湿砂型、湿型：不烘干。湿砂型、湿型：不烘干。湿型使用最广泛、最简便，但是对于大件、厚件不湿型使用最广泛、最简便，但是对于大件、厚件不适合，容易产生铸造缺陷。适合，容易产生铸造缺陷。干砂型、干型：合箱前烘干。干砂型、干型：合箱前烘干。干型强度高，气体少，退让性差，成本高，周期长。干型强度高，气体少，退让性差，成本高，周期长。表面
3、干型：在浇注前对型腔表层烘干，厚度表面干型：在浇注前对型腔表层烘干，厚度5-10mm5-10mm，大件大于，大件大于20mm20mm。第5页/共266页（2 2）按造型时的使用情况）按造型时的使用情况 面砂：特殊配制，覆盖在模样表面。面砂：特殊配制，覆盖在模样表面。背砂：填充砂箱用。背砂：填充砂箱用。单一砂：用于中小件，简化生产管理和操作。单一砂：用于中小件，简化生产管理和操作。第6页/共266页1.2 1.2 湿型铸造的特点湿型铸造的特点（1 1）优点）优点 不需要烘干，简化、灵活、生产周期短。不需要烘干，简化、灵活、生产周期短。成本低、生产率高、易于实现机械化。成本低、生产率高、易于实现机
4、械化。砂箱寿命长。砂箱寿命长。（2 2）缺点）缺点 易产生铸造缺陷，如气孔、夹砂、砂眼等。易产生铸造缺陷，如气孔、夹砂、砂眼等。（3 3）湿型铸造的发展）湿型铸造的发展 砂处理设备：湿型砂检测、质量保证程度提高。砂处理设备：湿型砂检测、质量保证程度提高。特别适用于机械化铸造，如高压、高密度造型，能生特别适用于机械化铸造，如高压、高密度造型，能生产高尺寸精度和好的表面质量的铸件，见表产高尺寸精度和好的表面质量的铸件，见表2-1-1 2-1-1。获得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精度高、内在质量好获得轮廓清晰、表面光洁、尺寸精度高、内在质量好的铸件，必须保证型砂质量，从型砂的配方、混制、储的铸件，必须保
5、证型砂质量，从型砂的配方、混制、储运等方面必须始终保持优良性能。运等方面必须始终保持优良性能。第7页/共266页第2节 湿型砂的性能要求、检测原理及检测方法对湿型砂的性能要求取决于铸造条件（包括：合金、浇对湿型砂的性能要求取决于铸造条件（包括：合金、浇注温度、模样、造型方法、铸件结构）。注温度、模样、造型方法、铸件结构）。湿型砂的主要性能：湿型砂的主要性能：水分、透气性、强度、水分、透气性、强度、紧实率、变紧实率、变形量、破碎指数、流动性、含泥量、颗粒组成、发气性、形量、破碎指数、流动性、含泥量、颗粒组成、发气性、附加物含量、抗夹砂性、抗粘砂性等。附加物含量、抗夹砂性、抗粘砂性等。检测方法检测
6、方法在线检测：偏重造型性能，如紧实率、水分、抗压强度在线检测：偏重造型性能，如紧实率、水分、抗压强度等，可及时反映现场砂处理情况，适用于流水线。等，可及时反映现场砂处理情况，适用于流水线。线外检测：在实验室中检测，周期长、效率低，不能实线外检测：在实验室中检测，周期长、效率低，不能实时控制，适用于手工造型、单件小批生产。时控制，适用于手工造型、单件小批生产。第8页/共266页2.1 2.1 水分、最适宜干湿程度和紧实率水分、最适宜干湿程度和紧实率（1 1）水分）水分 表示型砂中所含水的质量百分数。表示型砂中所含水的质量百分数。测定原理：称取测定原理：称取50g50g型砂，在红外线烘干器中烘干，
7、型砂，在红外线烘干器中烘干，105-110105-110，4-8min4-8min烘至恒重，称量烘干前后的质量变烘至恒重，称量烘干前后的质量变化。化。X=X=（G-GG-G1 1）/G100%/G100%局限性：只表达水的绝对数量，不代表型砂的干湿程度。局限性：只表达水的绝对数量，不代表型砂的干湿程度。如砂中含有大量的吸水性粉尘、型砂成分不同，最适宜如砂中含有大量的吸水性粉尘、型砂成分不同，最适宜干湿程度的水分不同。干湿程度的水分不同。（2 2）手捏感觉手捏感觉 型砂是否容易成团、是否沾手。型砂是否容易成团、是否沾手。易于成团，不沾手，且有柔和感觉，砂团上的手指痕易于成团，不沾手，且有柔和感觉
8、，砂团上的手指痕迹清晰。迹清晰。局限性：凭经验、不够准确稳定，不能定量，欠科学。局限性：凭经验、不够准确稳定，不能定量，欠科学。第9页/共266页（3 3）紧实率）紧实率方法：如图方法：如图2-1-12-1-1，用，用1MPa1MPa的压力紧实，测量紧实前后的压力紧实，测量紧实前后高度的变化率。已列入国家标准高度的变化率。已列入国家标准GB2684-81GB2684-81。紧实率紧实率=（筒高（筒高-紧实距离）紧实距离）/筒高筒高100%100%第10页/共266页依据：依据：较干较干的型砂自由流入试样筒时，砂粒堆得比较的型砂自由流入试样筒时，砂粒堆得比较密密实实。在相同的紧实力作用下，型砂体
9、积减小。在相同的紧实力作用下，型砂体积减小较少，紧实较少，紧实率高率高。这种砂发脆、韧性差，起模容易损坏，砂型转角。这种砂发脆、韧性差，起模容易损坏，砂型转角处容易破碎，铸件容易产生冲砂、砂眼缺陷；而处容易破碎，铸件容易产生冲砂、砂眼缺陷；而较湿较湿的的型砂流动性差，未被紧实前砂粒堆积型砂流动性差，未被紧实前砂粒堆积疏松疏松，紧实后体积，紧实后体积减少减少较多，紧实率低较多，紧实率低。使用这种砂浇注时急速产生大量。使用这种砂浇注时急速产生大量气体，铸件可能产生气孔、胀砂、夹砂、表面粗糙。气体，铸件可能产生气孔、胀砂、夹砂、表面粗糙。因此，根据紧实率大小的变化，就可以检查出型砂水分因此，根据紧实
10、率大小的变化，就可以检查出型砂水分是否合适，是否合适，克服了主观因素克服了主观因素。应用：应用：加水量根据紧实率范围控制，称为最适宜水分。加水量根据紧实率范围控制，称为最适宜水分。如：手工造型用型砂，在最适宜干湿状态下的紧实率接如：手工造型用型砂，在最适宜干湿状态下的紧实率接近近50%50%，高压造型为，高压造型为35-45%35-45%，挤压造型为，挤压造型为35-40%35-40%。第11页/共266页2.2 2.2 透气性透气性（1 1）概念：紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力，用）概念：紧实的型砂能让气体通过而逸出的能力，用透气率表示。透气率表示。对铸造的影响：对铸造的影响：过低会产生
11、气孔、呛火、浇不足；过过低会产生气孔、呛火、浇不足；过高表明砂粒间空隙较大，金属液易渗入，造成表面粗糙、高表明砂粒间空隙较大，金属液易渗入，造成表面粗糙、粘砂。粘砂。影响透气性的因素：影响透气性的因素：砂粒大小、分布、粒形、含泥量、砂粒大小、分布、粒形、含泥量、粘结剂及加入量、紧实度。粘结剂及加入量、紧实度。（2 2）测量方法测量方法 原理：通过在一定条件下气体流过式样时所受到的阻原理：通过在一定条件下气体流过式样时所受到的阻力的大小来间接反映。用在单位压力下通过单位面积和力的大小来间接反映。用在单位压力下通过单位面积和单位长度试样的气体量来度量。单位长度试样的气体量来度量。第12页/共266
12、页测量方法测量方法标准法：如图标准法：如图2-1-22-1-2，在，在水封钟罩内吸入水封钟罩内吸入2000cm2000cm3 3空气，造成空气，造成10g/cm10g/cm2 2的压的压力条件，用秒表测出在力条件，用秒表测出在该压力下该压力下2000cm2000cm3 3空气通空气通过试样流出的时间过试样流出的时间t t，并，并记下气压计读数（记下气压计读数（p p）第13页/共266页透气率透气率 k=VH/Sptk=VH/Spt式中式中:V-:V-通过式样的空气体积，通过式样的空气体积，2000cm2000cm3 3；p-p-试样前压力（试样前压力（mmHmmH2 2O O）；）；H-H-
13、试样高度；试样高度；S-S-式样截面积；式样截面积；t-2000cmt-2000cm3 3空气通过式样的时间。空气通过式样的时间。第14页/共266页2.3 2.3 湿态强度湿态强度（1 1）对铸造过程的影响：承受工序中的机械力、浇注对铸造过程的影响：承受工序中的机械力、浇注时的冲刷、静压力。时的冲刷、静压力。过低：塌箱、砂眼、胀砂、跑火。过低：塌箱、砂眼、胀砂、跑火。过高：增加粘土和最适宜含水量，降低透气性；提高过高：增加粘土和最适宜含水量，降低透气性；提高成本；增加混砂、紧实、落砂困难。成本；增加混砂、紧实、落砂困难。（2 2）测量：用标准式样在外力作用下遭到破坏时的应测量：用标准式样在外
14、力作用下遭到破坏时的应力值表示。力值表示。MPaMPa、KPaKPa。指标：湿态抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、劈裂强指标：湿态抗压强度、抗拉强度、抗剪强度、劈裂强度度 第15页/共266页湿态抗压强度表示起模后砂型（芯）自身及受外力作用时湿态抗压强度表示起模后砂型（芯）自身及受外力作用时能保持型腔（或砂芯）形状的能力。能保持型腔（或砂芯）形状的能力。普通机器造型控制在普通机器造型控制在0.06-0.12MPa0.06-0.12MPa，高密度造型控制在高密度造型控制在0.09-0.20MPa0.09-0.20MPa。许多情况下，砂型破坏是由拉应力引起的。当型砂中粉尘许多情况下，砂型破坏是由拉应力
15、引起的。当型砂中粉尘和死粘土含量高时，虽然湿态抗压强度高，但是湿拉强度和死粘土含量高时，虽然湿态抗压强度高，但是湿拉强度和变形量很低，可塑性差，很容易破坏，使造型操作困难，和变形量很低，可塑性差，很容易破坏，使造型操作困难，并引起铸造缺陷。并引起铸造缺陷。单纯地用湿态抗压强度衡量型砂性能并不太合适，引入劈单纯地用湿态抗压强度衡量型砂性能并不太合适，引入劈裂强度的概念。裂强度的概念。第16页/共266页劈裂强度（如图劈裂强度（如图2-1-3所示）所示）在标准圆柱试样的径向加栽，使在标准圆柱试样的径向加栽，使试样沿其轴向平面断裂。劈裂强试样沿其轴向平面断裂。劈裂强度可以按照下式计算：度可以按照下式
16、计算：sFsF=2F/dL=2F/dLsFsF型砂湿态劈裂强度型砂湿态劈裂强度（MPaMPa）F F劈裂载荷（劈裂载荷（N N）；）；d d试样直径，为试样直径，为50mm50mm；L L试样高，为试样高，为50mm50mm。劈裂强度可以更正确、更可靠地劈裂强度可以更正确、更可靠地说明型砂中粘土的粘结作用。说明型砂中粘土的粘结作用。第17页/共266页注意：型砂强度是指整体强度，反映表面强度常用表面硬注意：型砂强度是指整体强度，反映表面强度常用表面硬度计。度计。第18页/共266页2.4 2.4 流动性流动性（1 1）概念：型砂在自重或外力作用下，沿模样或砂粒概念：型砂在自重或外力作用下，沿模
17、样或砂粒间移动的能力。间移动的能力。（2 2）对造型（芯）的影响：均匀性、光滑性、紧实力、对造型（芯）的影响：均匀性、光滑性、紧实力、生产率。生产率。（3 3）测量（无统一标准）测量（无统一标准）第19页/共266页阶梯试样硬度差法阶梯试样硬度差法测量测量A A、B B点的硬度，对点的硬度，对比两点的硬度差。差值比两点的硬度差。差值小说明型砂的流动性好，小说明型砂的流动性好，差值大说明流动性差。差值大说明流动性差。流动性对紧实度的影响流动性对紧实度的影响第20页/共266页侧孔法侧孔法拔出柱塞，顶出试样，称量被挤出的型砂多少，数量越大拔出柱塞，顶出试样，称量被挤出的型砂多少，数量越大流动性越好
18、。流动性越好。型砂受力后，向侧面、凹槽处流动的能力。对均匀性、轮型砂受力后，向侧面、凹槽处流动的能力。对均匀性、轮廓有意义，多用于吹射型（芯）砂的测定。廓有意义，多用于吹射型（芯）砂的测定。第21页/共266页环形空腔法环形空腔法冲击冲击3 3次后看次后看h h的大的大小，小，h h越小进入圆越小进入圆环中的型砂越多，环中的型砂越多，流动性越好。流动性越好。检测有凹槽、窄缝检测有凹槽、窄缝模样，及要求轮廓模样，及要求轮廓非常清晰的砂型非常清晰的砂型（芯）。（芯）。第22页/共266页（4 4）影响流动性的因素：原砂的形状、大小、表面状）影响流动性的因素：原砂的形状、大小、表面状态，粘结剂的性质
19、、混砂质量。形态圆、粒度大而集中态，粘结剂的性质、混砂质量。形态圆、粒度大而集中的砂粒流动性好。的砂粒流动性好。第23页/共266页2.5 2.5 起模性、变形量、韧性和破碎指数起模性、变形量、韧性和破碎指数起模性：表示起模时模样或模板与砂型分离时是否容易起模性：表示起模时模样或模板与砂型分离时是否容易损坏（开裂、掉砂）。起模性的好坏与型砂的湿态抗压损坏（开裂、掉砂）。起模性的好坏与型砂的湿态抗压强度是两种绝然不同的特性。强度是两种绝然不同的特性。影响因素：拉应力、受力破碎前的变形量。影响因素：拉应力、受力破碎前的变形量。变形量：在测定型砂抗拉强度时，试样破碎前的变形，变形量：在测定型砂抗拉强
20、度时，试样破碎前的变形，一般很小。一般很小。韧性：型砂的湿压强度（韧性：型砂的湿压强度（MPaMPa）乘变形量（）乘变形量（cmcm）再乘）再乘10001000的乘积。它表示了型砂由于塑性变形而能吸收能量的乘积。它表示了型砂由于塑性变形而能吸收能量的性质。的性质。第24页/共266页韧性的测定韧性的测定落球法：见图落球法：见图2-1-62-1-6。标准。标准抗压试样、抗压试样、50mm50mm，510510克克钢球，钢球，12.7mm12.7mm的筛。的筛。在冲击条件下的韧性在冲击条件下的韧性用破用破碎指数表示碎指数表示破碎指数：留在筛网上的大破碎指数：留在筛网上的大块型砂的质量占试样原质量块
21、型砂的质量占试样原质量的比值。的比值。破碎指数高，表示型砂的起破碎指数高，表示型砂的起模性好，但破碎指数过高时模性好，但破碎指数过高时型砂的流动性差，使砂型表型砂的流动性差，使砂型表面不够致密。面不够致密。跌碎法：试样从跌碎法：试样从1.81.8米的高米的高度直接坠落到铁砧上。度直接坠落到铁砧上。第25页/共266页其它新方法其它新方法我国新研制的型我国新研制的型砂压力砂压力变形曲变形曲线测试仪（图线测试仪（图2-2-1-71-7）第26页/共266页湿型砂试样加压过程中的压力湿型砂试样加压过程中的压力-变形（变形（F-F-）曲线）曲线1 1）OAOA段，压力段，压力与变形与变形成线性关系，反
22、映了砂样的粘弹成线性关系，反映了砂样的粘弹性特征。性特征。2 2）ABAB段，过度阶段，非线性关系，粘塑性变形。压力到达段，过度阶段，非线性关系，粘塑性变形。压力到达极限抗力极限抗力F Fm m后，砂样内部的砂粒间将会产生滑移，应力开后，砂样内部的砂粒间将会产生滑移，应力开始下降始下降 3 3）C C点以后，砂样点以后，砂样属于破裂阶段。属于破裂阶段。K K1 1体现了型砂的弹体现了型砂的弹性现象，近似于性现象，近似于弹性模量弹性模量E E，单位，单位N/mmN/mm。F Fm m抗压强度。抗压强度。第27页/共266页2.6 2.6 抗夹砂结疤缺陷的能力抗夹砂结疤缺陷的能力 （1 1）夹砂类
23、缺陷产生的原因夹砂类缺陷产生的原因水分迁移：使凝聚区的热湿拉强度降低，控制热湿拉强水分迁移：使凝聚区的热湿拉强度降低，控制热湿拉强度是控制夹砂结疤类缺陷的关键。度是控制夹砂结疤类缺陷的关键。热压应力：石英热压应力：石英573573急热相变出现较大的热膨胀受到急热相变出现较大的热膨胀受到阻抑后产生应力，导致膨胀变形、破裂，控制热应力。阻抑后产生应力，导致膨胀变形、破裂，控制热应力。第28页/共266页（2 2）测量）测量测热湿拉强度测热湿拉强度见图见图2-1-92-1-9。模拟金属浇入。模拟金属浇入铸型后型砂的受热情况。铸型后型砂的受热情况。湿型砂试样湿型砂试样50mm50mm50mm50mm，
24、加热板温度，加热板温度3201032010，紧贴紧贴20-30s20-30s，形成，形成5mm5mm左右左右的干砂层及水分凝聚区，的干砂层及水分凝聚区，测定热湿拉强度。测定热湿拉强度。第29页/共266页测型砂热压应力测型砂热压应力模拟型砂表面受到急热后石英模拟型砂表面受到急热后石英573573相变出现较大的热相变出现较大的热膨胀受到阻抑后产生多大的应力，如图膨胀受到阻抑后产生多大的应力，如图2-1-102-1-10。球冠形圆盘试样，凹面用氧球冠形圆盘试样，凹面用氧-乙炔焰加热，托架置于水乙炔焰加热，托架置于水中保持恒温，受热产生的压力通过可动托架测量。可反中保持恒温，受热产生的压力通过可动托
25、架测量。可反映出使用的湿型砂是否易于产生膨胀缺陷。映出使用的湿型砂是否易于产生膨胀缺陷。第30页/共266页（3 3）其它方法）其它方法 激热性能试验验法激热性能试验验法（图（图2-1-112-1-11、1212）圆饼形型砂试样，开圆饼形型砂试样，开V V形槽，在形槽，在130013000 0C C，的，的高温下烘烤。观测型高温下烘烤。观测型砂表面开始脱落的时砂表面开始脱落的时间。间。第31页/共266页2.7 2.7 发气量和有效煤粉含量（铸铁用湿型砂）发气量和有效煤粉含量（铸铁用湿型砂）（1 1）目的：防止机械粘砂）目的：防止机械粘砂（2 2）煤粉及附加物可防止机械粘砂的机理：）煤粉及附加
26、物可防止机械粘砂的机理：浇注后高温烘烤浇注后高温烘烤产生大量挥发分产生大量挥发分高温下进行气相反高温下进行气相反应应砂粒表面沉积形成光泽碳砂粒表面沉积形成光泽碳防止机械粘砂，提高表防止机械粘砂，提高表面光洁度。面光洁度。（3 3）测量）测量方法一：采用测定型砂发气性的办法，将定量待测样品方法一：采用测定型砂发气性的办法，将定量待测样品在在密闭系统中加热密闭系统中加热，测定气体的容积或压力，或称量残，测定气体的容积或压力，或称量残留物的质量，判断发气量大小。留物的质量，判断发气量大小。第32页/共266页方法二：如图方法二：如图2-1-132-1-13所示，称取经过干燥的型砂盛入小舟所示，称取经
27、过干燥的型砂盛入小舟推推入入850850的管式加热炉加热的管式加热炉加热产生的气体经冷凝进入带刻度的产生的气体经冷凝进入带刻度的玻璃管中玻璃管中测量大气压力下型砂的发气体积。测量大气压力下型砂的发气体积。第33页/共266页 小 结1 1 了解湿型铸造的特点；了解湿型铸造的特点；2 2 掌握型砂的七个方面的性能；掌握型砂的七个方面的性能；3 3 熟悉型砂性能对铸造质量的影响；熟悉型砂性能对铸造质量的影响；4 4 了解型砂性能的测试方法。了解型砂性能的测试方法。对于各种性能的要求必须适量，许多性能之间是互相对于各种性能的要求必须适量，许多性能之间是互相联系的，对于某一种性能要求过分就会导致另外一
28、种性能联系的，对于某一种性能要求过分就会导致另外一种性能变差。各种性能的具体控制范围要根据具体生产条件以及变差。各种性能的具体控制范围要根据具体生产条件以及操作习惯等因素的不同而定。操作习惯等因素的不同而定。第34页/共266页第3节 湿型砂用原材料及其质量要求湿型砂的组成：原砂（新砂和旧砂）+粘土+附加物+水影响型砂性能的三大因素：原材料的选择 型砂的配比 混制工艺第35页/共266页3.1 石英质原砂（1）种类：天然硅砂、人造砂天然硅砂：由火成岩风化形成山砂：风化后就地储集。泥多、粒形不规则。六合、唐山海砂、湖砂、河砂：经过水利搬运。颗粒圆整，大小较均匀。海砂：北戴河、广东新会、福建东山、
29、山东 湖砂：江西都昌、星子 河砂：上海吴淞、河南郑庵风积砂：经风力搬运，颗粒更圆整、均匀。内蒙古。人造砂：石英砂岩：沉积的石英颗粒被胶体二氧化硅或氧化铁、碳酸钙等胶结成块状，质地疏松，易加工破碎，颗粒大多呈现多角状。石英岩：沉积的石英砂粒在地质高温高压作用下，经过变质而形成坚固、整体的岩石。SiO2含量高、质地坚硬，破碎后呈尖角状。第36页/共266页（2）对石英质原砂的一些质量要求：a 含泥量含泥量：原砂或型砂中直径小于20m的细小颗粒的含量。既有粘土，也有极细的砂子和其它非粘土质点。含量取决于形成条件，差别很大。含泥量对型砂性能的影响 （a）透气性 （b）湿态抗压强度、最适宜干湿状态的含水
30、量提高。（c）泥分中若无粘土，则使型砂变脆 （d）消耗化学粘结剂（水洗、降泥0.2-0.3%）。第37页/共266页含泥量的测定 原理：不同颗粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，符合司托克司公式（见材料成型原理P12）：V=d2（r-r1）g/18式中：V质点下沉速度 d质点直径cm r下沉物的密度，2.62g/cm3(砂与粘土的密度大致相同)r1水的密度 水的粘度0.010g/cm.s(在20时)g重力加速度 980cm/s2第38页/共266页直径为0.002cm的石英砂质点，在20时，在水中的下降速度V=0.0426cm/s=2.5cm/min。5min后下沉深度为2.55=12.5cm。因
31、此，将原砂和水充分搅拌，使砂和泥悬浮与水中，然后静置5分钟，则2.5cm以上的水中悬浮物都是泥分。既可用虹吸管将它吸去。清洗几次至上部水清为止。含泥量 X=（G-G1）/G100%式中：G洗砂前质量 G1洗砂后的质量第39页/共266页b 原砂的颗粒组成颗粒组成：包括砂粒的粗细程度和粗细分布的集中程度。检测方法：筛分法。用一套（11个）筛孔尺寸自大而小的铸造用试验筛筛分洗去泥分的干砂样。见表2-1-2，ISO565-1983R20、我国专业标准ZBJ31004-88、美国ASTME11-70。表明颗粒组成的方法符号表示法：国标GB9442-88：对比筛分后各筛子上的砂子质量，选出余留量为最大值
32、的相邻三筛，用相邻三筛的中间筛孔尺寸mm后的两位数作为粒度代号（表2-1-3）在主要粒度组成部分中，如果前筛余留量大于后筛，则在粒度代号后面用Q表示，反之用H表示。第40页/共266页计曲线表示法（德国铸造协会）：见表2-1-4及图2-1-14美国铸造协会平均细度（AFS grain fineness number）。用砂粒平均尺寸第41页/共266页c 原砂的颗粒形状和表面状况颗粒形状（见图2-1-15）第42页/共266页按表面情况分六种：尖角形、角形、半角形、半圆形、圆形、很圆整按圆球度分三级：高球形砂、半球形砂、少球形砂。湿型砂一般用圆形砂我国的分类：JB435-63；JB2488-7
33、8：圆形、多角形、尖角形 GB9442-88铸造用硅砂：用角形系数表示角形系数E定义：单位质量原砂的实测表面积（即实际比表面积Sth）与单位质量同样粗细等直径假想圆球的表面积（即理论比表面积Sw）的比值。比值为1时砂粒为圆球形，比值大于1，砂粒的形状越偏向尖角形，可表示形状平均偏离圆球形的程度。第43页/共266页用通气法测定砂粒实际比表面积：其原理为：空气通过砂柱时受到的阻力不仅与砂柱紧实程度有关，而且与砂粒的实际表面积有关，亦即砂粒的比表面积是砂柱孔隙率和透气率的函数。用以下经验公式表示：式中：-原砂的密度2.65g/cm3；K-常数,取5；-砂柱的孔隙率；-空气动力粘度，20时1810-
34、6g/（cm.s）；A-砂柱的截面积；P-砂柱两端空气的压力差；g-重力加速度981cm/s2；t-通气时间s；V-通过的空气量；L-砂柱的高度。第44页/共266页测定仪器见图2-1-16、17 第45页/共266页测定值：孔隙率由A、L及算出。砂柱两端的空气压力差 式中 -煤油或其它低粘度矿物油的密度。h1-M2到M3之间的距离。h2-M3到M4之间的距离的2倍。第46页/共266页计算理论比表面积：采用筛孔直径平均值法 dm=（dp+dr）/2dp通过筛的筛孔直径dr停留筛的筛孔直径 Sth1=Sth1筛孔直径平均值法理论比表面积dm筛孔直径平均值砂样密度第47页/共266页还可采用等粒
35、数圆球直径法：称量一定质量的单筛砂，数出个数 Sth2=Sth2等粒数圆球直径法理论比表面积 W砂样质量 N质量为W的砂样颗粒数第48页/共266页 计算角形系数：E1=Sw/Sth1 E2=Sw/Sth2粒形对型砂性能的影响：粘结效率、流动性（易紧实、高的湿态强度、透气率）原砂的表面状况：通过SEM观测，主要对粘结剂的效果及消耗量有影响。第49页/共266页d 原砂的矿物组成、化学成分及烧结点硅砂的矿物组成 需用专门的岩相分析技术和设备。主要成分是石英，其次为长石、云母、铁的氧化物、碳酸盐、硫化物。石英和长石、云母的特征见表2-1-8。硅砂的化学成分主要化验石英的含量铸造用硅砂根据GB944
36、2-88，按SiO2的含量可以分为七级（见表2-1-9）选用：浇注温度高，选用石英含量高的原砂，如铸钢。铸铁浇注温度低，可选用石英含量低的原砂，由于表面烧结可防止机械粘砂，同时膨胀量小可防止夹砂类缺陷。原砂的烧结点烧结点是指原砂颗粒表面或砂粒间混合物开始熔化的温度，是原砂各种组合成分耐火性能的综合反映。推测SiO2含量。硅砂的化学成分对铸件质量的影响：SiO2质量分数每降低5%，硅砂的烧结点下降约50。O第50页/共266页3.2 非石英质原砂石英质原砂的缺陷：膨胀系数大、热性能差、化学稳定性差，劳动条件差。（1）镁砂（magnesite）主要成分主要成分为MgO，（菱镁矿）MgCO2MgO+
37、CO2。菱镁矿高温煅烧（1500-1650）使MgO重结晶、烧结、破碎、分选。性能：熔点高、蓄热系数高（是石英砂的一倍半）、热膨胀率比石英小，无相变引起的体积膨胀、化学性能稳定，不与MnO、FeO反应，用于锰钢可防止粘砂。规格：见表2-1-10，按MgO的含量，有两种规格。第51页/共266页（2）橄榄石砂（olivine sand）矿物组成及化学成分：（Mg，Fe）2SiO4是由含Mg2SiO4高的橄榄石制成。见图2-1-18。铸造用橄榄石常含有5-10%的铁橄榄石。性能：熔点1600-1760 、热膨胀率比石英小而且均匀（见图1-2-10），不易发生夹砂类缺陷。烧结点低1200，但不为金属
38、润湿，具有化学惰性。与钢液接触形成致密层防止粘砂。同时，由于无晶型转变，热膨胀率低，故不易产生夹砂类缺陷。规格：根据中国造型公司企业标准XQ/ZQS-4-86，按物理化学性能分两级，按粒度分两组（见表2-1-11、12）。生产中通过破碎、细磨、分级、水洗。应用：用于高锰钢铸件可防止铸件粘砂，也可防止对人体的危害。第52页/共266页（3）锆砂（zircon sand）矿物组成：四方晶系的锆英石ZrSiO4。性能：密度4.4-4.7g/cm3、莫氏硬度7-8、熔点2038-2420，随杂质而不同、烧结点1540。热膨胀率比其它原砂都小，可避免夹砂类缺陷，热导率、蓄热系数、密度都比石英高，所以冷却
39、能力强，化学稳定性高，不被金属或金属氧化物润湿，不易产生粘砂缺陷。其缺点是难以获得粗砂、有放射性、价格昂贵。规格：根据国家专业标准铸造用锆砂ZBJ31005-88按化学成分分四等级；按粒度分三组，有中细砂、细砂、特细砂。见表2-1-14应用：合金钢及大型铸钢件的面砂、磨粉制成抗粘砂涂料、涂膏。第53页/共266页（4）铬铁矿砂（chromite sand）矿物组成及化学成分：主要矿物组成为铬铁矿、镁铬铁矿、铝镁铬铁矿，其中主要化学成分为Cr2O3，其它有MgO、FeO、AI2O3、少量SiO2及杂质。性能：密度4.0-4.8g/cm3、莫氏硬度5.5-6、耐火度大于1900、化学性能稳定，抗碱
40、性渣比镁砂更好、1700以前无相变，体积稳定，热导率比石英大数倍，激冷能力强、有固相烧结，抗钢液渗透能力比锆砂强。其缺陷为热膨胀率大（2倍于锆砂）、粒形不圆、偏碱性，耗酸值大，用树脂砂时要多加硬化剂。应用：厚大铸钢件、合金钢铸件、局部热结处面砂，涂料。性能分级及粒度分组：按中国造型公司企业标准。第54页/共266页（5）石灰石砂（limestone sand）矿物组成与化学成分 三种矿物组成：石灰石型、白云石型、大理石型 主要化学成分：CaCO3性能 优势：与石英砂相比，有如下优势：a 无硅尘危害 b 铸件表面光洁，清砂容易 c 钢液流动性好，铸钢棱角清晰。d 铸件致密，因石灰石分解吸热，表层
41、冷却速度比石英砂快。E 资源丰富。缺陷：a 硬度较低，故在混砂和造型时易破碎，恶化型砂性能。b 浇注时分解并与钢液作用，导致缩沉、气孔 c 对工人技术要求高应用：铸钢件的水玻璃砂铸造规格：按大小可分为五组：15、21、30、42、60 按化学成分可分四级第55页/共266页另外:熟料砂:热稳定性好碳素砂:导热好刚玉砂:耐火度高钛铁矿砂第56页/共266页3.3 粘土（clay）简介：粘结性、可塑性、干强度、复用性。资源丰富，价格低廉。（1）粘土的矿物组成粘土是各种铝硅酸盐矿物经过长期风化、热液蚀变或沉积变质作用而生成。按晶体结构分：高岭石组、蒙脱石组、伊利石组。各种矿物主要是含水的铝硅酸盐，化
42、学式可简写为mAI2O3nSiO2xH2O，粘土在沉积过程中常混杂一些非粘土矿物，如石英、长石、云母。只有粘土矿物才产生粘结能力。粘土的分类。按矿物组成：普通粘土，主要含高岭石、伊利石，用于修炉、干型砂 沈阳、无锡、唐山、巩县、昌邑膨润粘土，主要含蒙脱石，用于湿型砂 淳化、宣化、信阳、潍坊、凌源、黑山、怀德、长春 （2）粘土的结晶特征结构不同，性能不同。两种基本结构单元，按不同的晶层排列，第57页/共266页a 硅氧四面体晶片（图2-1-19）b 铝氧八面体晶片（图2-1-20）第58页/共266页高岭石的结晶特征 一个单位晶层为1：1型两层结构的粘土矿物；四面体顶端指向八面体，并共占有一个氧
43、（见图2-1-21）；单位晶层在垂直方向层层叠起，层间为氢键紧密结合，因此，高岭石结晶在水中不易分解，颗粒较粗，吸水膨润现象及吸水率较小。第59页/共266页蒙脱石的结晶特征第60页/共266页单位晶层为2：1型三层结构。一个单位晶层是由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面体，四面体的顶氧与八面体共有。垂直方向层层叠置（见图2-1-22）。两相邻单位晶层靠O-O分子间力结合，结合力较弱，水分子和水溶液中的离子或其它极性分子容易进入单位晶层之间，使晶格沿c轴膨胀，所以蒙脱石的单位晶层厚度可变，有时可以分离成单位晶层，故这类粘土矿物的晶粒特别细小。吸水能力强。形态在电子显微镜下：高岭土为六角鳞片状，轮
44、廓清晰；蒙脱石为不规则的薄片。第61页/共266页（3）粘土表面的电荷和交换性阳离子 粘土颗粒表面带负电荷 a 破键 AI-O、Si-O离子键断裂，是高岭石类普通粘土带电的主要原因 b 晶体内离子置换造成正电荷不足，是蒙脱石和伊利石类矿物粒子带电的主要原因 c 粘土颗粒表面外露的OH-基上H+的置换，对高岭石十分重要。第62页/共266页交换性阳离子：粘土中能被其它阳离子交换出来的吸附的阳离子。粘土表面为了平衡负电荷，而从周围介质吸附的一些阳离子Ca+、Mg+、Na+、K+也可能被其他阳离子置换。高岭石主要靠晶格边缘的破键吸附阳离子，其颗粒又较大，故可交换阳离子的数量小。而蒙脱石颗粒小，所以破
45、键多，更主要的是成矿过程中晶内置换使负电性大，可交换的吸附性阳离子大多位于晶层与晶层之间的层面处，可交换阳离子数量大得多。第63页/共266页阳离子交换容量：粘土中所含交换性阳离子的数量为阳离子交换容量。阳离子交换容量高意味着负电性强，颗粒细，湿粘结性较高。对膨润土还意味着有效的粘土矿物蒙脱石含量高。量度：用氯化铵溶液处理粘土，粘土中可以交换的阳离子与交换液中的铵离子进行等量交换，测定所消耗的铵离子量，即可计算出粘土中的阳离子容量。以100g粘土可与多少毫摩尔的铵离子相交换来度量。第64页/共266页钠基与钙基膨润土：根据国家专业标准铸造用膨润土和粘土ZBJ31009-90规定：若钠交换阳离子
46、容量占大于50%，则称其为纳基膨润土Pna，钙交换阳离子容量占大于50%，则称其为钙基膨润土PCa。钠基膨润土的吸水膨胀能力比钙基膨润土要高，具有较高的粘结性能和抗夹砂能力。而我国开采的膨润土几乎都属钙膨润土，所以要进行适当的活化处理 活化处理 原理：Ca2+-蒙脱石+Na2CO3=Na2+蒙脱石+CaCO3 方法：三种方法 混砂时加入干粉、混砂时加入水溶液、采矿时加入。第65页/共266页（4）粘土的吸附水分粘土在湿润状态下含有三种水分 吸湿水：在105即可烘去。层间吸附水：水分子呈层状分布于矿物的晶体结构层之间，数量可变。大约3-10个水分子数量级。在物理状态上与自由液态水不同。其密度大、
47、热容量小、冰点低，有很大的粘滞性。晶格水：所谓结构水，就是以OH-、H+等离子形式存在于矿物晶格结构中的“水”，在晶格中有一定的位置而且数量固定。因此，非在高温结构遭受破坏的情况下，是不会结合成水分子逸出的。第66页/共266页交换阳离子对结合水量的影响 阳离子以水化离子（水分子在离子周围按一定方向排列起来）形式存在于粘土单位晶层底面附近，带负电的粘土颗粒吸附水化阳离子形成双电层（水化膜）。在粘土胶核的表面负电量相同的情况下，吸附低价离子（如Na+）时，在胶粒表面外吸附层中被平衡的电荷少，粘土胶粒的电动电位较高，并且其电动电位随距颗粒表面距离缓慢下降，可以延伸到较远的地方。因此可吸引更多层的水
48、分子，水化膜较厚(如图)。这一点对粘土的粘结性有很大影响。第67页/共266页第68页/共266页（5）粘土的粘结机理粘土的湿态粘结性a 桥联结：按胶体化学理论，粘土在水中形成水-粘土胶体。带负电的粘土颗粒将极性水分子吸引在自己周围，形成胶团的水化膜（如图2-1-25a），依靠粘土间的公共水化膜，通过其中的水化阳离子所起的桥或键的作用，使粘土颗粒相互连接起来，产生湿态粘结性。如图2-1-25b。公共水化膜就是粘土胶粒间的公共扩散层，在公共扩散层中阳离子的吸引作用下，相邻的粘土颗粒互相结合起来。粘土胶粒的扩散层越薄，这种吸引力越强。而扩散层的厚薄直接与加入的水量有关，若水分过低，则不能形成完整的
49、水化膜；若水分过高，就会出现自由水，在这两种情况下，湿态粘结力都不大。另外，粘土颗粒越小，表面的吸附作用越强，粘结力越大。第69页/共266页第70页/共266页b 表面联结：直接吸附在粘土颗粒表面的极性水分子彼此连成六角网格结构，增加水分，逐渐发展成接二连三的水分子层，粘土颗粒就靠这种网格水分子彼此连接，从而产生湿态粘结力。联结力的大小主要受含水量的影响。如图2-1-26第71页/共266页桥联结的强弱受离子种类、粘土与水的质量比例影响。实际上，粘土吸附阳离子的表面只占整个表面很少的一部分，所以由于桥联结而产生的粘结力是较小的，而表面联结是形成粘结力的主要原因。实验表明：型砂的最适宜干湿状态
50、相当于 粘土：水=10：4；而依靠表面联结的最大强度的 粘土：水=10：3.7；依靠桥联结的最大强度为 粘土：水=10：12。如图2-1-24第72页/共266页第73页/共266页c 解释钠膨润土的热湿拉强度 （图2-1-27）粘土颗粒与砂粒间的粘结（湿态强度）当砂、水、粘土按一定比例混合组成型砂时，在砂粒周围包有一层粘土膜，靠粘土膜把砂粒互相连接起来，而粘土膜中的粘土颗粒又是通过吸附的水膜相互连接，使型砂具有一定的湿强度。砂粒因自然破碎极其在混碾过程中产生新的破碎而面带微弱负电，也能使极性水分子在其周围规则地定向排列，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作用，产生湿态强度（