液态成型技术课件.ppt

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液态成型技术主讲教师：吴炜（第1版） 目录绪论第二章砂型和砂芯的制造第三章浇注系统设计 铸造生产——指用熔融的液态合金注入预先制备好的铸型中使之冷却、凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件过程，简称铸造。一、铸造生产的工艺过程、特点及在制造业中的地位绪论砂型铸造生产工艺流程图铸造生产的工艺流程铸造生产基本上由铸型制备、合金熔炼及浇注、落砂及清理等三个相对独立的工艺过程所组成。 铸造方法的分类铸造砂型铸造特种铸造湿型铸造干型铸造表干型铸造熔模铸造金属型铸造离心铸造压力铸造铸铁铸造铸钢铸造有色合金铸造 铸造方法的分类(1)砂型铸造方法:通过紧实型砂获得铸型来得到坯件的方法是最主要最传统的铸造方法(2)特种铸造方法:壳型铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、熔模铸造、离心制造、陶瓷型铸造等铸型用砂较少或不用砂，采用特殊工艺装备，可获得表面更灵活、尺寸更精确、机械性能更高的铸件 图0-2齿轮毛坯的砂型铸造砂型铸造——以铸造用型砂为主要原材料制成铸型，且液态金属完全靠重力充满整个铸型型腔形成铸件的方法称为砂型铸造。 飞轮铸件的生产过程 熔模铸造 熔模铸造产品 铸造生产具有以下特点：优点：1）使用范围广；2）能采用的材料广；3）铸件具有一定的尺寸精度；4）成本低廉、综合经济性能好；5）能源、材料消耗及成本低。缺点：1）工作环境粉尘多、温度高、劳动强度大；2）废料、废气、废水处理任务繁重。 二、铸造加工的特点铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固而成形1.优点：（1）可生产有内腔及外形复杂的毛坯（2）工艺灵活性大各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产，重量从几克到几百吨，壁厚0.5mm~1m左右。（3）铸造成本低2.不足（1）易产生内部缺陷（如组织疏松,晶粒粗大,易产生缩孔、缩松、气孔、浇不足、冷隔等缺陷）（2）铸件机械性能低(冲击韧性)（3）铸造工序多,难以精确控制,铸件质量不够稳定（4）劳动条件较差 四、我国铸造技术的发展铸造技术历史悠久.三千年前,青铜器已有应用,二千五百年前,铸造工具已经相当普通.大量历史文物显示着我国古代人民在铸造技术上的精湛创造:早在5000多年前,我们的祖先就能冶炼红铜和青铜等合金,并铸出了简单的铜斧.早在4000年以前,我们的祖先就已开始和使用瓷器,到商代已经有了高度发达的青铜冶炼和铸造技术,从河南安阳商代遗址出土的司母戊鼎提供了有力的证明；四羊方尊也是其中杰出的代表。河南安阳商遗址出土的司母戊鼎重达875kg,外形尺寸(133×78×110)cm,是迄今世界上最古老的大型青铜器. 永乐大钟，中国现存最大的青铜钟。在北京德胜门铸钟厂铸成，清雍正十一年（1733）移置觉生寺（今称大钟寺）。铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54%、锡16.40%、铝1.12%，为泥范铸造。 司母戊鼎 四羊方尊 1978年在湖北省随县曾候乙墓出土的青铜器重达10t其中有一套64件的编钟,据考证是2400年前战国初期铸造的,钟上共铸有错金铭文2800多字,标出音名,音律,每个钟发出两个音,整套编钟音域宽达五个半八度;能演奏各类名曲,音律准确和谐,音色优美动听,整套编钟铸造水平极高,是我国古代青铜器的杰出代表. 战国编钟 由青铜器过渡到铁器是生产工具的重大发展,我国从春秋战国时期(公元前770~475年)开始大量使用铁器,推动了奴隶社会向封建社会的过渡1953年在河北省兴隆县的古燕国铸冶作坊遗址的发掘中,发现距今2200~2350年的战国时期的铁范(铁质铸型)等87件,可用于铸造铁锄、铁斧、铁镰、铁凿和车具等 铁器铸造 现立于河北沧州的大铁狮,高5m多,长近6m,重19.3t是公元9世纪五代后周时铸成在兴隆战国铁器遗址中发掘出浇铸农具使用的铁模,由泥砂造型发展到铁模铸造,说明我国古代金属材料液态成型技术已经发展到相当高的水平,这比欧洲国家要早1800年左右,居世界先进行列. 二、我国铸造技术的发展铸造是世界历史上最悠久的工艺技术之一。我国古代铸造技术居世界先进行列。我国铸件年产量与美、日、德三国的对比 三峡右岸电站水轮机转轮叶片22.9T。 总重473T，10米直径 三峡右岸叶片通过鉴定，标志着三峡右岸转轮叶片铸造实现了国产化，标志着哈电机公司具备了批量生产三峡叶片的技术和能力，实现了三峡叶片国产化，扩大了大容量水电机组的国产化份额，增强了民族工业在国际上的竞争力，打破了国外大型水电铸造部件的垄断局面，为巨型水轮机转轮叶片铸造全部实现国产化奠定了坚实的基础。同时，迫使国外厂家的同类产品订货价格降低，使社会效益、经济效益显著。 当代我国铸造技术发展近几十年来,我国铸造技术发展迅速:(1)在型芯砂方面,推广了快速硬化的水玻璃砂及各类自硬砂,成功地运用树脂砂快速制造高强度砂芯(2)在铸造合金方面,发展了高强度、高韧性的球墨铸铁和各类合金铸铁,成功地用球墨铸铁件代替某些锻钢件.(3)在铸造设备方面,已建立起先进的机械化,自动化高压造型生产线(4)在新工艺新技术方面,各种各样特种铸造或精密铸造方法得到发展和应用 我国各行业用户消耗铸件的数量（单位：t）铸件用户1995年1996年1997年汽车铁道和铁道车辆拖拉机、柴油机、农业机械机床通用机械冶金矿山机械能源设备纺织机械铸铁管和管件建筑工程及其配件其它合计117800071400019400006870004260002026000374000200000183600045900014920001133200011900007002001901300664000407000200500035800012390016740004450001434785109031851274600690700193220065760041420019817003499001105001715000433500152054211080442 第二章砂型与砂芯的制造第一节砂型（芯）的制造方法第二节粘土型（芯）砂第三节黏土湿型第四节水玻璃粘结剂型（芯）砂第五节树脂砂 本章概要：1.砂型铸造中所用原材料的成分和性质；2.常用型（芯）砂的组成、配制工艺及性能控制；第二章砂型与砂芯的制造铸造工艺分类：铸型：砂型、金属型、陶瓷型、石膏型、水泥型成型力场：重力、压铸、离心、低压、真空吸铸注：砂型铸件产量占铸件总产量80-90% 基本概念：型砂、芯砂——制作砂型的混合物称为型砂，制作砂芯的混合物称为芯砂。（原砂、再生砂+粘结剂+附加物）涂料——涂敷在型腔或砂芯表面的混合物称为涂料。型砂铸造优点：造型材料来源广，生产准备周期短，成本低。型砂铸造缺点：铸件外观质量相对较差，且铸型只能使用一次，效率低。 1.型砂：原砂、再生砂+粘结剂+附加物所混制成的混合物。型砂通过外力作用制成砂型（具有一定密度、紧实度的微孔—多孔隙体系）第一节砂型（芯）的制造方法型（芯）砂的组成型（芯）砂是由骨干材料、粘结材料和附加物等原材料按一定比例配制而成。以粘土为粘结材料的粘土型（芯）砂主要由原砂、粘土、附加物和水配制而成。图1-1粘土型砂结构示意图1—砂粒2—粘土胶体3—孔隙4—附加物 造型造芯方法化学粘结机械粘结物理固结模具内热硬模具内冷硬模具外硬粘土砂法自硬法气硬法磁型铸造法，V法，EPC-V法温芯盒法热芯盒法热壳法熔模制壳 二、型（芯）砂应具备的性能（1）造型、制芯和合型阶段对型砂性能的要求。1.湿度：为了得到所需的湿态强度和韧性，粘土砂必须含有适量水分。2.流动性：型（芯）砂在外力或自重的作用下，沿模样（或芯盒表面）和砂粒间相对移动的能力称为流动性。3.强度：型砂、芯砂抵抗外力破坏的能力称为强度。4.可塑性与韧性：可塑性是指型（芯）砂在外力作用下变形，外力去除后仍保持所赋予形状的能力。5.韧性：韧性是指型砂抵抗外力破坏的性能。6.不粘模性：造型或制芯时，型（芯）砂不粘附在模样（或芯盒）表面的性质称为不粘模性。 （2）铸件浇注、冷却、落砂、清理阶段对型（芯）砂性能要求。1.耐火度：型（芯）砂抵抗高温作用的性能称为耐火度。2.透气性：紧实的型砂能让气体通过而逸出能力称为透气性。3.发气量和有效煤粉含量：型砂中煤粉或其它有机附加物（如重油、沥青等）在浇注受热后产生的气体挥发物量，称为发气量；型砂中煤粉的有效含量，成为有效煤粉含量。4.退让性：型砂随着铸件收缩而减小其体积的能力称为退让性5.溃散性：型砂和芯砂在铸件落砂清理时，容易溃散的性能称为溃散性。 3.粘结剂：起粘结砂粒的作用，使型砂具有必要的强度和韧性。分类：粘土、水玻璃、油类、合成树脂。按成膜过程性质：物理成膜粘结剂、化学成膜粘结剂。按组成分类：有机粘结剂、无机黏结剂。4.附加物：为改善型砂性能而加入的物质。常用：每份、渣油、淀粉等——改进铸件表面质量石墨粉、脱模机———改善起模性。2.原砂：铸造生产配制型砂用的沙子，是型砂的基本组成部分。特点：耐高温性能、提供空隙保证透气性分类：硅砂、特种砂。 2.2、型砂骨干材料——原砂1.石英质原砂及应用石英质原砂——以石英为主要矿物成分的天然硅砂。天然硅砂特点：资源丰富，分布极广，易于开采，价格低廉，能满足铸造上多数情况的要求。天然硅砂形成：天然硅砂是由火成岩风化形成的。α石英α鳞石英α方石英熔液α石英β鳞石英α方石英石英玻璃γ鳞石英 加热时发生的多晶转变分为两类：1.同一类型的高温α与低温β形态之间的转化过程快且可逆（纵向转变）2.不同类型的多晶转化，很难进行（横向转变）注：β石英在573℃转变为α石英，该转变为突变发生，且伴随体积膨胀，导致铸型产生较大应力与变形，产生夹砂、结疤等缺陷。火成岩组成及风化：火成岩重的花岗岩是由石英、长石、黑云母等矿物颗粒组成。火成岩经过长期风化作用后，花岗岩中的石英由于化学性质稳定和较坚硬，风化时成分不变，仅被破碎成细粒；花岗岩中的长石、云母，一部分通过化学风化变成粘土，另一部分未被化学风化，混在砂子中。 山砂——风化后的产物或就地贮集，或经过水力、风力的搬运，远离原处沉积。就地贮集的砂矿称为山砂，含泥分较多，粒形不规则，例如江苏六合红砂、河北唐山红砂等。河砂、湖砂、海砂——经过水力搬运的砂称为海砂、湖砂或河砂。河砂、湖砂、海砂经过水流的冲洗和分选，含泥量很少，颗粒较圆，粒度比较均匀，例如河北北戴河砂、广东新会砂、福建东山砂均为海砂；江西都昌砂、星子砂为湖砂；上海吴淞砂、河南郑庵砂为河砂；风沙——经风力搬运的砂称为风积砂。内蒙古通辽市大林、哲里木盟的伊胡塔、甘旗卡等处的砂子为风积砂，其颗粒形状更圆整而均匀。 石英砂岩——沉积的石英颗粒被胶体的二氧化硅或氧化铁、碳酸钙等物胶结成块状，称为石英砂岩。石英砂岩的质地比较松散，易加工破碎，颗粒大多呈多角形，例如湖南湘潭的石英砂岩。石英岩——沉积的石英砂粒在地壳高温高压作用下，经过变质而形成坚固整体的岩石则称为石英岩。这种石英岩通常含有很高的SiO2，质地极为坚硬。经过人工采矿、清洗、破碎、筛分后就可得到人工硅砂（或称为人造石英砂）。 对铸造用原砂质量要求（1）含泥量——含泥量指原砂中直径小于0.02mm（20µm）的细小颗粒的含量（质量分数），其中既有粘土，也包括极细的砂子和其它非粘土质点。原砂含泥量检测方法：利用不同颗粒尺寸的砂粒在水中下降速度不同，将原砂中颗粒直径>20µm与直径<20µm的颗粒分开。检验时，称量烘干的原砂并置入烧杯中，加入水及分散剂，煮沸及搅拌使其充分分散；然后反复按规定时间沉淀，虹吸排除浑水和冲入清水。直到水清后，由烘干的残留砂样质量即可计算出原砂含泥量。 铸造用硅砂分级：根据国家标准GB/T9442—1998的规定，铸造用硅砂按SiO2含量可分为五级。表1-1铸造用硅砂按SiO2含量分级分级代号9896939085w(SiO2)(%)≥98≥96≥93≥90≥85分级代号0.20.30.51.02.0w泥分(%)≤0.2≤0.3≤0.5≤1.0≤2.0 （2）原砂的颗粒组成原砂的颗粒组成（即粒度）——砂粒的粗细程度和砂粒粗细分布的集中程度。原砂的颗粒组成测定方法：为测定不同原砂的颗粒组成，通常采用筛分法，是用一套（11个）筛孔尺寸自大而小的铸造用试验筛来筛分已洗去泥分的干砂样。国家标准规定的铸造用试验筛筛子序号和筛孔尺寸：筛子序号0102030405060708091011筛孔尺寸3.351.700.8500.6000.4250.3000.2120.1500.1060.0750.053相当筛号行业标准JB/T9156—19996122030405070100140200270原机标JB2488—816122428455575100150200260表2-5铸造用试验筛筛子序号和筛孔尺寸(单位：mm) （3）原砂的颗粒形状用光学显微镜或扫描电子显微镜观察原砂的颗粒，可以清楚地看出各种砂粒的不同轮廓形状（即“粒形”）。铸造常用原砂的主要颗粒分类法：按粒形角分：有尖角形、角形、半角形、半圆形、圆形、很圆形六种；按圆球度分：高球形、半球形、少球形三级；按粒形分：圆形、钝角形、尖角形三种，分别用分别用符号“○”、“□”、“△”表示。 单粒砂的颗粒形状可分为多角形尖角形圆形砂 图2-2原砂粒形分类 角形因数分类角形因数——是铸造用硅砂的实际比表面积与这种理论比表面积计算出的（计算时设砂粒为球形）比表面积的比值。一般圆形砂E＝1.0~1.3，多角形砂E＞1.3~1.6，尖角形砂E＞1.6。对湿型砂而言，其它条件相同时原砂的颗粒形状越圆，型砂就越易紧实，但透气性越低；砂粒更靠近，粘结桥较多且完善，因而强度更高。对湿型砂而言，其它条件相同时原砂的颗粒形状越圆，型砂就越易紧实，但透气性越低；砂粒更靠近，粘结桥较多且完善，因而强度更高。在粘结剂加入量相同的情况下，用圆粒砂的试样紧实程度高，而且砂粒实际比表面积小，所以比尖角形砂强度高很多。 表1-5铸造用硅砂按角形因数分类铸造用硅砂牌号表示方法为：例：ZGS93-40/100（53）分类代号1530456390角形因数E≤1.15≤1.30≤1.45≤1.63＞1.63粒形符号○○-□□-○□-△△-□△ （4）硅砂的选用硅砂的选用应根据铸件质量大小、壁厚、合金种类、铸型种类（湿、干、表干型）、造型方法（手工或机器造型）的不同来考虑，另外还要考虑来源广，节约粘结剂，降低成本。铸铁件用原砂选用铸铁的浇注温度一般在1400℃左右，因而对原砂耐火度的要求较低。大件可用表1-1中的93、90号硅砂，小件可用85号硅砂。刷涂料的干型和表干型多用粒度较粗的原砂，如表干型可选用表1-3中的85、60、42号原砂，干型可选用60、42、30号原砂。湿型易用较细的原砂，对一些表面质量要求特别高的不加工小件，应选用特细原砂，可选用21、15、10号原砂。 铸钢件原砂选用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物的强还原性气氛，在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SiO2含量应较高，有害杂质应严格控制。有色金属铸件原砂选用铸铜的浇注温度约为1200℃左右，对原砂化学成分要求不高，铜合金流动性好，容易钻入砂粒间孔隙内，发生化学粘砂，因此采用较细的原砂，并要求粒度比较均匀。铝合金的浇注温度一般不超过700~800℃，对原砂化学成分无特殊要求，但这类铸件要求表面光洁，常选用10、15号的细粒砂和特细砂。 优点：硅砂来源广，价格低，能满足一般铸铁、铸钢和非铁合金铸件生产的要求而得到广泛应用，硅砂的优缺点缺点：1.热膨胀系数比较大，而且在573℃时会因相变而产生突然膨胀；2.热扩散率（表示物体使其内部各点的温度趋于一致的能力。其值大，则物体内各点的温差小）比较低；3.蓄热系数（表示原砂的冷却能力，其值大，则加快铸型内部铸件的凝固和冷却速度）比较低；4.容易与铁的氧化物发生化学反应，对铸型与金属的界面反应起不良影响；5.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；6.清砂过程中，操作人员长期吸入硅石粉尘易患矽肺病。 2.非石英质原砂为了改善劳动条件，预防矽肺病，提高铸件表面质量，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粘结剂型砂、芯砂或涂料。优点：①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。②能得到表面质量高的铸件并改善清砂劳动条件。缺点：价格较高，比较稀缺，非石英质原砂：橄榄石砂、铬铁矿砂、锆砂、石灰石砂、镁砂、刚玉砂、碳质材料、耐火熟料等。 1）锆砂特性：主要化学成分是ZrSiO4，熔点约为2400℃，莫氏硬度为7～8级，密度为4.5～4.7g/cm3，热膨胀率只有硅砂的1/6～1/3，因而可减少铸件产生夹砂缺陷。导热性极好，可加速铸件的凝固，有利于防止大型铸件粘砂。适用范围：可用作铸钢件或合金钢铸件的型砂、芯砂或涂料。2）镁砂特性：主要化学成分是MgO，熔点约为1840℃，热膨胀率小，蓄热系数大，密度约为3.5g/cm3。不与氧化铁或氧化锰作用，铸件不易产生粘砂缺陷。适用范围：用于生产锰钢铸件和其它高熔点的合金铸件，及表面质量要求较高的铸钢件。 3）橄榄石砂特性：橄榄石砂w2MgO·SiO2应不低于90%，熔点为1790℃，它不与MnO作用。热膨胀系数小，不含二氧化硅避免硅尘危害，具有抗金属氧化物侵蚀的能力。适用范围：用于铸造高锰钢铸件时，可获得较好的表面质量。4）铬铁矿砂特性：主要化学成分是Cr2O3·Fe2O3，熔点为1450～1480℃，密度4～4.8g/cm3，热导率比硅砂高几倍，热膨胀率小，能起到较好的激冷作用，不与氧化铁起化学作用。适用范围：用作大型铸钢件或合金钢铸件的面砂、芯砂或涂料。 5）石灰石砂特性：主要组成是CaCO3，含游离SiO2量不大于5%，用石灰石砂生产的铸钢件不粘砂，易清理。适用范围：用作生产铸钢件的型砂和芯砂。6）刚玉特性：化学成分是α-Al2O3，耐火度为1850～2050℃，硬度高，热导率高，热膨胀率小。结构致密，能抗酸和碱的浸蚀。适用范围：用于铸造精度高、表面粗糙度低的合金钢铸件。 7）耐火熟料特性：为多孔性材料，密度约为1.45g/cm3，热膨胀率小，耐火度高，铁及其氧化物对它的浸润性较小。适用范围：用作铸造大型碳素钢铸件涂料和熔模铸造的制壳材料。8）碳质材料特性：化学活性很低，不被金属液和金属氧化物浸润，耐火度高，导热性好，热容量大，热膨胀率很低。适用范围：用作面砂代替冷铁。 第三节粘土湿型1.粘土型砂根据在合型和浇注时的状态不同可分为：湿型（湿砂型或潮型）——湿型是造好的砂型不经烘干，直接浇入高温金属液体。干型——在合型和浇注前将整个砂型送入烘干窑中烘干。表面烘干型——在浇注前对型腔表层用适当方法烘干一定深度。2.湿型用湿型砂按造型时情况不同，可分为：背砂——指填充在面砂背面起填充作用的造型砂。单一砂——指不分面砂和背砂，只有一种类型的造型砂。面砂——指特殊配制的在造型时铺覆在模样表面上构成型腔表面层的型砂。 3.湿型铸造法基本特点：砂型（芯）无需烘干，不存在硬化过程。主要优点：生产灵活性大，生产率高，生产周期短，便于组织流水生产；易于实现生产过程的机械化和自动化；材料成本低；节省了烘干设备、燃料、电力及车间生产面积；延长了砂箱使用寿命；容易落砂等。主要缺点：采用湿型铸造，也容易使铸件产生一些铸造缺陷，例如夹砂结疤、鼠尾、粘砂、气孔、砂眼、胀砂等。应用范围：主要用于机械化流水生产和手工造型500Kg以下的铸件。 4.表干型铸造法基本特点：表面层强度高、湿度小，因而浇注质量较大的铸件时不易产生气孔、粘砂、夹砂、冲砂等缺陷。工艺规范：仅将砂型表面层烘干，烘干的深度一般为5–20㎜，或将砂型、砂芯自然干燥24–48h后再合型浇注。技术要求：要采用粗砂，型砂水分要严格控制，而且在造型、制芯、合型、浇注等方面应严格按照工艺规程操作才能稳定生产。 5.干型铸造法基本特点:将粘土砂湿型经过烘干而成。主要优点：砂型烘干后，显著提高了砂型的强度、透气性、降低发气量，使铸件减少气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷，采用涂料后铸件的表面质量亦会得到改善。主要缺点：干型铸造需要烘干设备，增加燃料消耗，增加吊车作业次数，延长生产周期，缩短砂箱使用寿命，使铸件的成本增加，生产率降低，干型落砂比较困难，还会产生大量灰尘。应用范围：粘土干型主要用于铸件表面质量要求高，或结构特别复杂的单件或小批生产及大型、重型铸件。 ①粘土矿物组成定义:粘土是由细小结晶质的粘土矿物所组成的土状材料。组成及化学式：粘土矿物主要是含水的铝硅酸盐，化学式可简写成mAl2O3·nSiO2·xH2O。形成机理：粘土是由各种含有铝硅酸盐矿物的岩石经过长期的风化、热液蚀变或沉积变质作用等生成的②粘土的性能特点铸造用粘土是型砂的一种主要粘结剂。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，因而具有较好的复用性；资源丰富，价格低廉，应用广泛。二、铸造用粘土及应用1.粘土的矿物组成、性能及分类 ③粘土的分类铸造用粘土膨润土普通粘土化学式为Al2O3·2SiO2·2H2O主要成分为高岭石类粘土矿物化学式为Al2O3·4SiO2·H2OnH2O主要成分为蒙脱石类粘土矿物膨润土用符号P表示普通粘土用符号N表示 ④高岭石和蒙脱石的晶体基本结构单位 ⑤普通粘土和膨润土性能比较（1）高岭石类粘土矿物1）晶体结构特点①单位晶层由一层硅氧四面体和一层铝氧、氢氧八面体构成②四面体的顶端都指向八面体层，并与八面体共用顶端的氧原子③单位晶层沿一个方向一层层地重叠起来，在另外两个方向无限展开2）性能特点①相邻单位晶层的结合比较牢固，晶体比较粗大，比表面积较小②水仅能进入晶层间被吸附在晶体边缘，吸水膨胀性小，粘结性较差 （2）蒙脱石类粘土矿物1）晶体结构特点①单位晶层由两层硅氧四面体中间夹着一层铝氧、氢氧八面体构成②两层四面体的顶端都指向八面体层且与八面体共用顶端的氧原子③单位晶层沿一个方向一层层重叠，在另外两个方向无限展开2）性能特点①晶层之间结合力较弱，蒙脱石的晶粒细小，比表面积大；②水能进入晶层间及晶体表面，吸水膨胀较大，粘结性好。 2.粘土的粘结性能膨润土钠膨润土钙膨润土主要交换性阳离子为钙离子主要交换性阳离子为钠离子钠膨润土用符号PNa表示钙膨润土用符号PCa表示酸性膨润土碱性膨润土用符号S表示用符号J表示①膨润土分类 ②膨润土理化特性优点：a.吸水率和膨胀倍数大，在介质中分散性好c.有较好的可塑性，较高的强度及抗加砂能力等b.热稳定性好，在较高的温度下仍能保持其膨胀性缺点：吸水速度较慢d.资源较丰富，开采和供应比较方便。活化处理——是指根据粘土的阳离子交换特性，对钙基膨润土进行处理，使之转变为钠基膨润土。活化剂：最常用的活化剂为碳酸钠，加入量一般为膨润土的4%～5%；化学反应机理：Ca2+—蒙脱石+Na2CO3→Na+—蒙脱石+CaCO3↓③膨润土的活化处理 ④粘土的粘结机理水化现象:由于粘土质点带负电荷，加水以后，水分子会定向地排列在粘土质点的周围和粘土中阳离子的周围，形成水化壳层；a.水化阳离子——吸附了水分子的阳离子称为水化阳离子。b.粘土胶团——粘土质点水化后，形成的粘土胶团。a)粘土胶团b)水化阳离子 a.机理:粘土胶团与水化阳离子接近时，相互吸引，于是水化阳离子就在粘土胶团之间起“桥”或键的作用，形成粘结力，使粘土颗粒相互结合起来。粘土粘结机理b.机理示意图： 粘土型砂的粘结机理:a.砂粒因自然破碎，以及在混碾、紧实的过程中破碎，而使破碎表面带微弱负电，也能使极性水分子定向排列在砂粒周围。b.当砂、粘土和水按一定比例混合后，粘土胶团与砂粒之间具有公共水化膜，通过水化阳离子的桥梁作用，使粘土胶团与砂粒相互结，并通过紧实使型砂具有一定的强度。机理示意图： 影响粘土粘结性的因素若水分过低，则不能形成完整的水化膜；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，只有在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，粘土颗粒所带电荷越多或粘土颗粒越细小，比表面积越大，则湿粘结力越大。（1）水分一般说来，粘土颗粒所带电荷越多或粘土颗粒越细小，比表面积越大，则湿粘结力越大。（2）粘土颗粒所带电荷（3）粘土本身的吸水性粘土吸附水性与粘土的种类有关。膨润土的吸水能力大于普通粘土，故膨润土的湿态粘结能力比普通粘土好。 高岭石的熔点大约为1650~1775℃，蒙脱石的熔点为200~1300℃，所以当加热温度过高时，粘土会熔化，铸型的强度显著降低。1.在较高温度下长时间烘烤，使粘土层间水完全除去，则粘土颗粒不再呈电性，颗粒间的静电斥力也同时消失；致使粘土和砂粒联结力仅是分子间的引力。2.蒙脱石在600～800℃失去结构水，高岭石在400～600℃失去结构水。粘土失去结构水后将导致矿物结构被破坏，成为不再具有粘结能力的失效粘土（又称为死粘土）粘土失去结构水后将导致矿物结构被破坏，成为不再具有粘结能力的失效粘土（又称为死粘土），这是型砂反复使用后性能变坏的原因之一。影响粘土失效原因（2）粘土本身的熔点（1）粘土之间水分和粘土本身结构水消失 3.粘土的应用（1）粘土的选用粘土砂湿型和表面烘干型一般选用膨润土湿型砂使用钠基膨润土可以提高其热湿粘结力和焙烧后粘结力具有大平面的铸件，为减少铸件夹砂缺陷，应选用钠基膨润土对于生产中小铸铁件，使用钙基膨润土常可以取得良好的效果；必要时可将钠基膨润土和钙基膨润土混合使用，充分发挥两类膨润土的特点，以取得较好的综合效果，也可将膨润土与普通粘土混合使用在手工造型生产大型铸纲件采用干型时，应选用耐火度高的优质普通粘土。 （2）普通粘土的性能指标1）普通粘土按耐火度、湿亚强度、干强度分级表1-6铸造用普通粘土按耐火度分级等级耐火度高的耐火度低的等级代号GD耐火度＞1580℃1530~1580℃表1-7铸造用普通粘土按湿压强度值分级等级代号532工艺试样湿压强度/kPa＞50＞30~5020~30表1-8铸造用普通粘土按干压强度值分级等级代号503020工艺试样干压强度/kPa＞500＞300~500200~300 2）普通粘土的牌号普通粘土牌号以耐火度等级和强度等级表示。3）技术要求各牌号普通粘土，其含水量不大于10%（质量分数），其质量的95%以上应能通过筛孔尺寸为0.106mm的铸造用试验筛。（3）膨润土的性能指标膨润土按热湿拉强度值分级表1-9膨润土按湿压强度值分级等级代号10753工艺试样湿压强度/kPa＞100＞70~100＞50~7030~50等级代号2520155工艺试样热湿拉强度/kPa＞2.5＞2.0~2.5＞1.5~2.00.5~1.5 三、附加物常用的附加物：煤粉、渣油、淀粉、锯末等加附加物目的：使型砂具有特定的性能，并改善铸件的表面质量。（1）煤粉煤粉是成批、大量湿型生产铸铁件用的防粘砂材料；煤粉是用烟煤磨细制成的；煤粉加入量一般为原砂的6%～8%。煤粉的作用①可防止金属液被氧化，减少金属氧化物和造型材料化学反应；②可减少砂型受热膨胀而产生的铸造缺陷；③可防止机械粘砂。 （2）淀粉铸铁面砂中淀粉含量一般为0.5%～1.0%1）淀粉的作用减少铸件夹砂结疤和冲砂缺陷；增加型砂变形量，提高型砂韧性和可塑性；降低起模时模样与砂型间的摩擦阻力；减少因砂型表面风干和强度下降而引起的砂孔缺陷。2）淀粉的加入量 （3）渣油1）渣油的作用防止化学粘砂降低铸件的表面粗糙度；有利于保持型砂中的水分；改善型砂的流动性；避免混砂时型砂结团，使型砂松散。2）渣油加入量铸铁面砂中渣油的加入量一般为0.01%～0.02%。 （4）锯末1）锯末的作用增加型砂的透气性防止化学粘砂改善型砂的流动性；避免混砂时型砂结团，使型砂松散。2）锯末的加入量铸铁面砂中渣油的加入量一般为0.01%～0.02%。 四、新砂和旧砂的处理1．原砂的处理处理的目的：清草根、贝壳和石子等杂物，降低含水量常用的方法:筛分、水漂洗、酸浸洗、精选、烘干等筛分是去除粗粒或粉粒，得到合适的粒度；水漂洗是将原砂用清水漂洗并搅动，除去泥分；酸浸洗是清洁砂粒表面，提高粘结剂的粘结力；精选是将原砂中石英与长石分离，同时除掉其中磁性杂质；烘干是降低原砂中的含水量。 2．旧砂的处理处理的目的：改善型砂性能，提高铸件质量；保护环境，降低成本旧砂的特性：经高温强烈作用，成分和性能发生很大变化；粘土失去结晶水，失去粘结力；砂粒被惰性膜包覆，直径增大，致使铸件表面粗糙；煤粉、粘土烧损，灰分增大；拟采取措施：对旧砂进行通风冷却，降低温度；经破碎、磁选、过筛，除去杂物；干法碾搓，除去包覆膜、失效粘土及灰分；按一定比例添加原砂，补加新粘土、煤粉；调整含水分量，达到型砂性能要求。 五、型砂的制备拟定配方的基本步骤：根据浇注合金种类、铸件特征和要求、造型方法和工艺、清理方法等因素，确定型砂性能范围；根据造型原材料的品种和规格、砂处理方法和设备性能、砂铁比和各项材料损耗比例等因素初定型砂配方；在实验室进行试配、调整，使其性能指标达到要求；在车间进行小批混制，造型浇注，经受生产考验，最终确定是否投入长期使用。 （一）湿型砂的性能和配方特点湿型砂按其使用特点可分为面砂、背砂和单一砂。（1）面砂面砂——是指铺覆在模样表面上构成型腔表面的型砂。湿型面砂性能特点:使用厚约15～50mm；直接与高温金属液接触，对铸件质量影响很大；应具有较高的强度、可塑性、流动性、抗粘砂性；常含有较多的新砂、粘土、防粘砂附加物；混碾时间较长。 （2）背砂背砂——是指面砂与砂箱壁之间的砂层，主要起加固和充填作用，所以又称为填充砂。背砂与面砂性能比较:强度较面砂低一些，仅在搬运和翻箱时不塌箱即可；透气性应比面砂的高，以利于排除气体；一般由旧砂和水配成，必要时加入少量粘土；混砂时间较短。背砂与面砂配合使用的效果:容易保证铸件质量；可降低原材料的消耗；减少混砂和落砂的劳动量；适用于手工造型或重大间的机器造型。 （3）单一砂单一砂——是指造型中不分面砂和背砂，所采用的单一型砂使用单一砂的目的：可简化混砂、供砂系统；减少设备投入有效提高造型机的生产率。多用于机械化造型生产线也可用于小批量、小铸件的手工造型单一砂的适用范围: （一）湿型砂的性能和配方特点1.铸铁件湿型砂配方及性能实例 2.铸钢件湿型砂性能及配方实例 1）铸铁件干型(芯)砂性能及配方实例（二）干型砂的性能和配方特点 2．铸钢件干型砂铸钢件用粘土干型（芯）砂性能及配方实例 3．砂型（芯）的烘干工艺2）铸铁件干型（芯）的烘干工艺1）烘干过程的三个阶段：均热阶段，水分迅速蒸发阶段，缓冷阶段。 （三）型砂的混制工艺1）.常用的混砂机及特点1.碾轮式混砂机：混合和揉搓作用较好，混制的型砂质量较高，但生产率低。常用于混制面砂2.摆轮式混砂机：生产效率较高，能鼓风冷却型砂，胆混砂质量较差。常用于混制单一砂和背砂。3.叶片式混砂机:仅有混合作用而无搓揉作用，常用于混制背砂或粘土含量低的单一砂。 2）.加料顺序及混砂流程加回用砂干混加水加煤粉加煤粉加原砂湿混继续湿混加适量水调整紧实率加锯末加渣油继续混碾卸砂松沙3）.混碾时间①碾轮式混砂机混砂：背砂约3min，单一砂3～5min，面砂5～8min。②摆轮式混砂机混砂：背砂约0.5～1min，面砂为2～3min。 第三节水玻璃粘结剂型（芯）砂水玻璃型（芯）砂优点：型（芯）砂流动性好，易于紧实，造型（芯）劳动强度低；硬化快，强度较高，生产周期短，劳动生产率高；可在型（芯）硬化后起模，型、芯尺寸精度高；可提高铸件质量，减少铸件缺陷；可降低能耗，改善工作环境和工作条件。水玻璃型（芯）砂缺点：铸型浇注后溃散性差；旧砂难以用摩擦法再生；硬化的型芯保存性差（尤其在寒冷潮湿的条件下）。对某些铸件，型芯硬化后的强度还不够理想。 一、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，来源充足，价格便宜；钠水玻璃的分子式为Na2O·mSiO2·nH2O；商品名称为“泡花碱”，化学名称为水溶性硅酸钠溶液；硅酸钠是弱酸强碱盐，pH值一般为11～13。钠水玻璃的参数主要有模数、密度、浓度和粘度等1.模数①模数含义：钠水玻璃中SiO2与Na2O的摩尔数之比称为水玻璃的模数。即: ③模数的调整方法：加入适量NaOH法反应式为：mSiO2＋2NaOH→Na2O·mSiO2＋H2O计算式为：②模数对性能影响：模数高，SiO2的相对含量高，此水玻璃的粘度大，硬化速度快；但模数太高，反造成铸型（芯）的硬化强度不高。铸造生产中最常用的水玻璃模数为2.0～3.0之间。 加入HCl、NH4Cl法反应式：Na2O·mSiO2·nH2O＋2HCl→mSiO2·nH2O＋H2O＋2NaClNa2O·mSiO2·nH2O＋2NH4Cl→2NaCl＋mSiO2·（n－1）H2O＋2NH3↑＋2H2O计算式： 2.浓度（密度)与粘度①浓度的含义及对性能的影响浓度反映了水玻璃中Na2O和SiO2的总体含量。当模数一定时，浓度越大，其密度也越大，固体含量高，水玻璃的粘结力增大。②浓度的调整方法浓度可以用加水稀释或浓缩的方法来调整计算式： ③水玻璃模数和浓度对粘度的影响当浓度一定时，模数越大，其粘度越大；当增加浓度时，高模数的粘度比低模数的粘度增加得更快；当模数不变时，水玻璃的浓度越大，则其粘度也越大。 ④硬化方式与钠水玻璃模数、密度的关系 2.4.3、钠水玻璃砂及砂型（芯）硬化水玻璃在一定条件下逐渐变硬的过程称为水玻璃的硬化。水玻璃的硬化方法有化学硬化法和物理硬化法两种。 1.钠水玻璃砂的物理硬化法利用烘窑、煤气燃烧或移动式烘炉加热砂型（芯）能使水分降到0.5%左右，强度可达9~10MPa烘窑加热的温度为200~250℃，烘干时间40~150min；煤气燃烧或移动式烘炉加热温度一般不超过300℃，加热时间为2~3h。1）加热硬化质量稳定，不易产生气孔、砂眼等缺陷，但劳动强度大，生产周期长，需加热设备，硬化时间长 2）自然硬化砂型停放在空气中，由于水分蒸发和自行吸收空气中的CO2而硬化硬化时间长，硬化层较浅3）综合硬化CO2和加热硬化联合使用先吹CO2使砂型（芯）建立一定的强度，起模后再加热硬化适用于湿强度较低而干强度要求较高的砂型（芯） 2.4.4.CO2吹气硬化水玻璃砂CO2硬化法——向水玻璃砂制成的砂型（芯）中吹入CO2气体，在短时间内就可以使型（芯）砂硬化；①CO2硬化原理Na2O·mSiO2+nH2O+xCO2↔(1-x)Na2O·mSiO2·nH2O+xNa2CO3Na2O·mSiO2·nH2O+2xCO2→(1-2x)Na2O·mSiO2(n-1)H2O+2xNa2HCO3常把用CO2硬化的水玻璃砂称为CO2砂，广泛应用在铸钢件的生产上。 CO2-钠水玻璃砂型（芯）砂常用于大量生产和单件小批生产造型（芯）由纯净的人造（或天然）硅砂加入4.5%~8.0%的钠水玻璃配制而成对于数十吨的质量要求高的大型铸钢件，全部或局部用镁砂、铬铁矿砂、锆砂等特种砂为提高湿态强度、可塑性和便于脱模后，可加1%~3%膨润土或3%~6%普通粘土，或部分粘土砂为改善出砂性，在芯砂中可加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硬化可用手工或靠微震紧实，也可采用吹射造型（芯）为增加容让性和便于排气，砂芯内部放置块度为30~40mm的焦碳块、炉渣或干砂型和芯一般要扎通气孔，使CO2气体可以通过，加速硬化。在中心挖出气孔，上部通至箱口。①造型（芯） 可根据芯（型）的大小和形状加以选择②CO2硬化的方法要求CO2能迅速均匀进入芯（型）的各个部分，以最少的CO2消耗量达到使型、芯各部分硬化均匀，避免出现死角常用的吹CO2的方法：插管法和盖罩法图2-15吹CO2的方法a）、b）插管硬化法c）、d）盖罩硬化法 插管硬化法的硬化深度大，适用于中大型砂型（芯）盖罩硬化法的硬化深度浅，适用于小砂型（芯）插专用管硬化法适用于成批生产的砂芯中小型芯还可采用扎气眼吹气各种硬化方法的特点及适用范围砂型经过修补的地方可用表面吹气方式 2）CO2气体压力的控制CO2气体压力越大，硬化反应越快，硬化深度越大。压力过大时，易使气体泄露，造成浪费，并可能将砂型表面吹坏。压力太低，吹气时间长，生产率低，砂型局部易造成过吹生产中吹气压力一般为0.15~0.25MPa 3）吹气时间的控制吹气时间与吹气压力大致成反比；对同一砂型，压力愈越大，吹气时间越短吹气时间过长，强度反而下降，而且CO2过量后还会导致砂型（芯）表面出现“白霜”，使砂型（芯）表面粉化，铸件易出现砂眼、夹砂等缺陷1㎡的砂箱在0.15~0.3Mpa压力下吹气时间为1~2minCO2吹气法的硬化深度一般可达20~30㎜以上 2.4.4.3真空置换硬化法特点：1、水玻璃加入的量少4、降低成本2、显著提高砂型的溃散性5、设备投资大3、提高铸件质量 1、铸件粘砂包括机械粘砂和化学粘砂。与石英砂中SiO2含量与粒度有关。钠水玻璃砂中的Na2O、SiO2等与液态金属在浇注时产生的铁的氧化物。形成低熔点的硅酸盐（非晶、晶体）。铸型表面刷醇基涂料解决，或者在水玻璃砂中加入适量煤粉或焦炭粉。2.4.4.4钠水玻璃砂的铸件缺陷及其防止措施 加入占原砂质量1%的糖浆或刷涂料后进行表面烘干不要将砂型（芯）久放，冬季尤其应注意限制水分和吹CO2的时间，特别应避免因吹气压力不足而延长吹气时间，导致表面层反应过度2）主要措施2.表面粉化及解决途径1）表面粉化——指钠水玻璃砂吹CO2硬化并放置一段时间后，在砂型或砂芯表面出现“白霜”现象（NaHCo3）NaHCo3易随水分往外迁移，使型、芯表面出现类似霜的粉状物。 3.出砂性差型砂出砂性主要取决于残留强度，水玻璃砂的残留强度随温度变化有两个峰值，200度和800度，并往往整体表现出高残留强度，清砂十分困难。 4.旧砂回收再用困难①溃散性——指型（芯）从铸型或铸件中出砂的难易程度②主要措施在钠水玻璃砂中加入附加物减少钠水玻璃用量降低易熔融物质的含量采用石灰石为原砂 四、CO2-钠水玻璃砂的原材料、配方及混制工艺1.CO2-钠水玻璃砂的原材料原砂SiO2含量应高一般采用中等粒度的硅砂含泥量（质量分数）应＜2%需经烘干，使型（芯）砂总含水量不超出规定值1）原砂 2）水玻璃小砂型（芯）可选用模数为2.7~3.2的钠水玻璃中等砂型（芯）可选用模数为2.2~2.6的钠水玻璃大砂型（芯）可选用模数为2.0~2.2的钠水玻璃水玻璃的模数越高，其浓度应相应降低 2.CO2-钠水玻璃砂的配方表CO2-钠水玻璃砂配方实例用途成分的质量配比水分（质量分数）性能人工硅砂其它硅砂膨润土普通粘土氢氧化钠溶液重油水玻璃湿透气性湿压强度/KPa铸钢型芯4组505组5030.75~1.00.5~1.074.5~5.5＞20017~23铸钢大芯30组1004~50.78~94~5＞10025~30铸铁＜1000kg砂型旧砂5021组501~24.5~5.54~6＞8025~40铸铁＜1000kg砂芯旧砂5021组501~2煤粉2~45.5~6.54~6＞8025~40 3.CO2-钠水玻璃砂混制工艺模数低时，混砂时间可稍长模数高时，尽量缩短混砂时间，以免水玻璃砂硬化出砂后放在有盖容器中，以免水分蒸发或与CO2接触而变硬 2.4.5水玻璃自硬砂自硬法为钠水玻璃砂的应用开辟了新的领域.因为砂芯（型）是由砂内硬化剂致硬的，相对来说，它能制作更大的砂芯（型），并可用另外的型砂作背砂，具有较大的灵活性。1、水玻璃固化剂（固态）——硅酸二钙（赤泥、炉渣、）硅铁粉、氟硅酸钠水玻璃消耗量大（5.5~8%），型砂溃散性较差。硅铁粉做硬化剂易生成无色无味的易爆气体氢气，最近已不那么流行了。粉状硬化剂活性不稳定受储存期间吸水、粒度、炉渣成分等因素影响，粘结强度的不到充分发挥。 2、水玻璃固化剂（液态）——有机酯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+与水玻璃的OH-结合，有利于酯水解和硅酸溶胶析出。液态硬化剂不存在粉状硬化剂的缺点。水玻璃消耗量3.0%左右。 树脂砂树脂砂——是以树脂为粘结剂配制的型（芯）砂1.树脂砂主要优点铸件表面质量好，尺寸精度高砂型（芯）的强度高，透气性好，铸件缺陷少，废品率低流动性好，易紧实溃散性好，容易落砂、清理，大大减轻了劳动强度不需要烘干，缩短了生产周期，节省了能源 2.树脂砂主要缺点对原砂粒度、粒形、SiO2含量及碱性化合物等要求高操作环境温度、湿度对硬化速度及硬化强度影响较大与无机粘结剂相比，树脂砂的发气量较大树脂和催化剂有刺激气味，要求车间内通风良好树脂的价格较高 2.5自硬冷芯盒法造型（芯）芯盒是制造砂芯用的模具，由木料、金属或塑料制成。其内腔具有砂芯所需要的形状和尺寸。芯盒结构和材料影响砂芯的质量和产量。芯盒 根据生产批量大小、型芯复杂程度，制芯方法和铸造工艺要求等，选择芯盒的材料。1)小批量生产多用木质芯盒；2)手工造芯，成批或大量生产多用铝合金芯盒；3)热芯盒和壳芯用芯盒要求热容量大，热膨胀小，变形小，耐用，故常采用铸铁或钢芯盒。 2.5.1概述将原砂、液态树脂及液态催化剂混合均匀后，填充到芯盒(或砂箱)中，稍加紧实、即室温下在芯盒(或砂箱)内硬化成型，叫自硬冷芯盒法造芯，简称自硬法造芯(型)。特点：①提高了铸件的尺寸精度，改善了表面粗糙度。②节约能源，节约车间面积;③型砂易紧实，易溃散。④砂中的树脂的质量分数降低到0.8-1.2%。 按结构不同按使用温度整体式对分式脱落式热芯盒温芯盒冷芯盒芯盒的分类普通金属芯盒的结构a)单面敞开式b)单面脱落式c)垂直对开式出d)有开口的水平对开式e)无开口的水平对开式 一、自硬呋喃树脂砂自硬呋喃树脂砂——是指常温下呋喃树脂粘结剂由于催化剂的作用发生化学反应而固化的型（芯）砂（一）呋喃树脂自硬砂原材料的选用呋喃树脂砂由原砂、呋喃树脂、催化剂、添加剂组成各种原材料的质量和性能对树脂砂的性能和铸件质量产生影响很大正确选用树脂砂的各种原材料非常重要 1．呋喃树脂（1）呋喃树脂的种类及选用1）糠醇呋喃树脂——是由糠醇单体在酸的催化作用下缩聚成线型分子的糠醇树脂2）脲醛改性呋喃树脂——是由糠醇、尿素和甲醛合成的树脂型砂性能不理想，且树脂价格贵，不单独使用综合性能好，价格便宜，硬化速度易于控制含量可在很大范围内变动，适应不同生产条件 3）酚醛改性呋喃树脂——是由苯酚、甲醛和糠醇合成的树脂树脂强度较低，型砂发脆，综合性能不理想酚醛呋喃树脂不含氮，适用于铸钢件4）脲醛、酚醛共聚呋喃树脂——是由尿素、苯酚、甲醛和糠醇四种组分缩聚而成的树脂综合性能好，应用广泛 （2）呋喃树脂技术指标的影响1）含氮量的影响：随含氮量增加，树脂砂常温强度提高，高温强度降低，铸件产生皮下气孔倾向增大2）糠醇含量的影响：随树脂中糠醇含量增加，树脂砂常温自硬强度、高温强度及残留强度均提高，溃散性变差5）甲醛改性呋喃树脂——是由糠醇和甲醛合成的树脂糠醇含量高，贮存稳定性好配制的树脂砂，常温及高温强度好，但价格贵适用于大型铸钢件及高合金钢铸件 呋喃树脂糠醇含量和氮含量对性能的影响性能糠醇含量增加氮含量增加成本提高降低硬化速度降低增加脆性在脲醛呋喃树脂中增加在酚醛呋喃树脂中减少减小硬透性增加降低溃散性降低提高热稳定性增加降低气孔倾向减小增大夹砂倾向增大减小粘砂倾向减小增大 3）粘度：低粘度有利于树脂包覆砂粒表面，提高树脂砂强度低粘度有利于混砂设备计量仪稳定性与准确度4）游离甲醛含量：游离于空气中，刺激人的眼、鼻等器官直接影响混砂和造型、制芯的工作条件要求其含量尽可能低 5）含水量：水分能使树脂粘度降低，使硬化速度和强度降低要求：无氮树脂的含水量＜2%中氮树脂含水量＜5%高氮树脂含水量＜10%6）pH值：树脂中残留的酸，使树脂缓慢硬化、变稠pH值应调整到7左右或呈弱碱性，以中和残留酸呋喃树脂的加入量，一般占原砂质量的1%~2% 3．催化剂（固化剂）（1）固化剂的种类①无机酸——常用75%~85%的磷酸水溶液优点：缺点：价格便宜用于高氮树脂时，树脂砂强度较高用于低氮树脂时，树脂砂高温强度较好型砂残留磷酸盐多，导致再生树脂砂强度下降 ②有机酸催化能力的顺序是：催化能力最小的对氯苯磺酸与磷酸相当常用的有机磺酸：苯磺酸、对甲苯磺酸、对氯苯磺酸和酚磺酸等对氯苯磺酸＜酚磺酸＜对甲苯磺酸＜苯磺酸 强酸使硬化速度加快，但树脂砂最终强度较低，弱酸使硬化速度慢，但树脂砂终强度高。酸性强弱：硫酸单酯＞硫酸乙酯＞苯磺酸＞二甲苯磺酸＞对甲苯磺酸＞磷酸硬化速度：硫酸单酯＞硫酸乙酯＞苯磺酸＞二甲苯磺酸＞对甲苯磺酸＞磷酸终强度：硫酸单酯＜硫酸乙酯＜对甲苯磺酸＜苯磺酸＜磷酸 （2）溶剂对催化剂性能的影响有机磺酸是固态的，须溶解成液态使用常用的溶剂：水、酒精和磷酸硬化速度顺序：磷酸＞酒精＞水溶剂不同，硬化速度悬殊，但树脂砂最终强度相同 （3）催化剂用量对树脂自硬砂硬化特性的影响1）催化剂用量对树脂自硬砂强度的影响减少催化剂量，树脂砂强度降低增大催化剂用量，硬化速度加快，易使粘结膜脆化，树脂砂强度反而下降为了充分发挥树脂粘结强度的潜力，应严格控制催化剂加入量，切不可为追求硬化快而过多加入催化剂的加入量，一般占树脂质量的30%左右 2）催化剂用量对树脂砂可使用时间和脱模时间的影响可使用时间——即树脂砂混砂后能制出合格砂芯的时间脱模时间——指树脂砂在芯盒硬化取出而不变形的时间可使用时间越短，则造型、芯前允许的停留时间越短脱模时间越短，硬化速度越快，制型、芯效率越高 硅烷能提高树脂的强度，主要是靠硅烷在树脂与砂粒这两种性质差异很大的材料的表面之间架一个中间桥梁”，以获得良好的结合。因此常称硅烷为偶联剂。要达到树脂与偶联剂之间以及偶联剂与砂粒之间结合，其可能的途径有:1)通过简单的溶解(分子间力粘合强度为2.-4.2kJ/mol)。2)过强度为21-42kJ/mo1的硅烷醇的氢键。3)通过强度为210-420kJ/mol的共价键桥。4.硅烷偶联剂 呋喃树脂砂混砂配比及工艺混砂配比砂(21组)100%100%100%树脂(占砂质量)0.8%~1.2%0.8%~1.2%0.8%~1.2%固化剂(占树脂质量)30%~70%20%~60%30%~70%混砂工艺先将砂子与固化剂混合,然后将树脂加入混合物中,通常混砂时间为5~60s工艺性能树脂加入量%111111111固化剂加入量(占树脂质量%)405060405060405060脱模时间min20~3515~308~1510~238~134~620~2811~176~9抗拉强度1h0.200.300.450.350.450.550.500.700.954h1.451.501.401.751.501.301.311.351.2624h1.601.401.301.601.451.501.531.401.35备注当温度在25~35℃,相对湿度为70%~80%(夏季)时，用GSO4号固化剂当温度在15~25℃,相对湿度为50%~70%(春秋季)时，用GSO3号固化剂当温度在5~15℃,相对湿度为60%~70%(冬季)时，用GSO9号固化剂注意事项当树脂与皮肤接触时。可能会对个别人产生轻微刺激作用，操作者应戴防护手套 （6）呋喃树脂自硬砂的再生回用旧砂回收和再生的任务:旧砂破碎恢复一定的粒度组成去除包覆在砂粒表面的惰性膜及焦化有机物质除去混入砂中异物杂质，微粉及残留物调节温度，保证树脂正常的固化速度旧砂再生设备包括：砂块破碎机、振动筛砂机、磁选分离机、旧砂再生机、调温装置、风选分离机、集尘器 （七）呋喃树脂自硬砂铸件常见缺陷及预防措施1．机械粘砂树脂在500℃左右热分解，砂粒间粘结桥破坏，高温强度降低，在金属液静压力作用下砂粒自由移动，孔隙增大，金属液渗入原因：措施：提高树脂耐热性，加硅烷，增加糠醇量涂敷耐火涂料及降低浇注温度加入氧化铁粉或石英粉以提高热强度采用在高温下烧结、软化的原砂 2．脉纹（脉状凸起、飞刺、飞翘）砂型（芯）表层在液态金属激热下，由表及里产生很大的温度梯度，石英受热相变膨胀，粘结桥会突然收缩而脆化破裂原因：在膨胀、收缩应力作用下表层龟裂，金属液从裂缝渗入砂层，在铸件上形成“脉纹”预防措施采用热膨胀小或粒度较分散的原砂在型（芯）砂中加入氧化铁粉降低浇注温度刷涂料 二、壳芯用酚醛树脂砂酚醛树脂是由苯酚和甲醛经聚合而成的粘结剂（一）壳芯砂的配方及制备1．壳芯砂的配方壳芯砂主要由原砂、树脂、固化剂和附加物组成。用酚醛树脂粘结剂配成的芯砂称为壳芯砂或覆膜砂 （1）原砂选用水洗砂或擦洗砂粒度为15组或10组的细砂角形系数为1.1~1.3的圆形硅砂含泥量和杂质应尽量低，一般要求含泥量＜0.2%（2）树脂加入量为原砂质量的3%~7%加热时能熔化，有可塑性，能溶于酒精等溶剂选用热塑性酚醛树脂 （3）固化剂选用乌洛托品加入量为树脂质量的10%~15%（4）附加物加2%硅砂粉，以提高壳芯的高温强度加0.3%~0.35%硬脂酸钙，增加流动性，防止结块，使型、芯表面致密，以便于顶壳加0.25%氧化铁粉，提高热塑性和防止皮下气孔 2．壳芯覆膜砂的制备覆膜砂混制工艺分为冷法、温法和热法三种（1）冷法将粉状树脂、固化剂预溶解在酒精、丙酮或糠醛再将溶后树脂、固化剂加砂混制，碾碎筛后使用（2）温法将砂加热60℃与乌洛托品和硬脂酸钙一起混制再加液态树脂并吹热气溶剂汽化，破碎冷却供用 （3）热法将砂加热到130~160℃混制，再加树脂熔化混匀砂温降到105~110℃后加乌洛托品溶液，吹风冷却再加硬脂酸钙混匀，破碎筛分后备用热法特点：不消耗溶剂，树脂加入量较小，所以成本较低覆膜效率高，型、芯质量好 （二）壳芯法制芯工艺壳芯法制芯的方法有两种：翻斗法和吹砂法翻斗法常用于制造壳型，吹砂法用于制造壳芯1．翻斗法制壳型工序模板预热到250~300℃，喷涂分型剂；翻斗转动180°使砂落到模板上，保持15~50s，砂表面树脂软化重熔，沿模板形成一定厚度壳翻斗复位，未熔结的覆膜砂落回翻斗对塑性薄壳继续加热30~90s顶出，即得壳厚为5~15㎜的壳型 图1-11壳型造型法示意图a）模板上喷涂分型剂b）模样旋转到翻斗上夹紧c）结壳d）结壳完毕复位e）壳型附模板移烘炉硬化f）脱壳、制成壳型 2．吹砂法吹砂法分顶吹法和底吹法两种顶吹法为0.1~0.35Mpa，吹砂时间为2~6s底吹法为0.4~0.5Mpa，吹砂时间为15~35s芯盒加热温度一般控制在250~300℃结壳时间取决于芯壳厚，壳厚由砂芯要求强度而定壳厚在6~8mm时，结壳时间为10~30s壳厚在10mm以上时，结壳时间为20~70s 图1-12壳芯造芯法示意图 砂芯应持续在加热的芯盒中硬化可根据砂芯的颜色来判断：硬化时间一般为结壳时间的1.5~3倍①壳芯的硬化②硬化时间的判断壳芯表面为黄褐色，断口为淡黄色，硬化时间合适若砂芯表面呈褐色甚至黑色，则说明过烧若砂芯表面呈黄色，断口为白色，则表示硬化不良◆◆◆ ③芯盒表面脱模剂常用甲基硅油乳剂配方甲基硅油8.3%，200#汽油25%，太古油0.16%，氢氧化纳0.8%，其余为水为使壳芯易顶出，制壳芯时应在芯盒面涂脱模剂每喷涂一次可制壳芯10~40次④芯盒材料芯盒材料多为铸铁，应避免使用铜或黄铜 ④壳法造型、芯工艺优缺点无需捣砂，型、芯尺寸精确；强度高，易搬运透气性好，可用细的原砂得到表面光洁铸件无需砂箱，覆膜砂消耗量小型、芯可以长期贮放但价格较贵，造型、造芯耗能较高壳型多用生产液压件、凸轮轴、曲轴及耐蚀泵件、履带板等钢铁铸件⑤用途壳芯多用于汽车、拖拉机、液压阀体等铸件 三、热芯盒用呋喃树脂砂热芯盒法制芯——是由原砂、液态热固性树脂和催化剂配制的芯砂，吹射入180~250℃的热芯盒，贴近芯盒表面芯砂受热，在短时即可缩聚而硬化（一）呋喃Ⅰ型树脂砂呋喃Ⅰ型树脂——是由糠醇与脲醛在乌洛托品催化下缩合而成，又称糠醛改性脲醛树脂具有较高的高温强度，较快的硬化速度，较好的流动性和低的发气性特点 1．呋喃Ⅰ型树脂砂的原材料及配方原材料主要有原砂、呋喃Ⅰ型树脂、催化剂和附加物（1）原砂可以使用任何干净、干燥的原砂一般选用粒度为21组的中粒砂要求砂芯有较好的透气性时，可选用稍粗的原砂铸件表面要求很光洁的，可选用较细的原砂 （2）呋喃Ⅰ型树脂加入量占砂质量的2%~3%（3）催化剂催化剂一般用氯化铵、尿素的水溶液配比为氯化铵∶尿素∶水=1∶3∶3催化剂加入量为树脂质量的20%（4）附加物加入0.3%~1.0%氧化铁粉，防止铸件产生皮下气孔、渗碳，改善芯砂导热性能加硅烷以提高强度加三氯化铁以加快在低温下的硬化速度 2．呋喃Ⅰ型树脂砂的混制工艺3．呋喃Ⅰ型树脂砂制芯工艺芯盒温度一般控制在180~230℃射砂压力一般为0.5~0.7Mpa芯盒材料大多使用铸铁小砂芯为10~30s；中等砂芯为60s；大砂芯不超过120s硬化时间：砂芯结成6~10㎜硬壳后，即可起芯 热芯盒制芯工艺过程图1-13热芯盒制芯工艺过程a）合型加热b）射芯砂c）保温d）出芯1—芯盒2—电热管3—射砂口 （二）呋喃Ⅱ型树脂砂呋喃Ⅱ型树脂——是由糠醇和酚醛缩聚而成的，故又称糠醇改性酚醛树脂。用途：主要用于生产铸钢件和球墨铸铁件原砂：选用耐火度高的精选硅砂催化剂：选用乌洛托品，配成溶液后加入树脂砂配方：原砂100%树脂占砂质量3%~4%催化剂占树脂质量10%水占树脂质量10% 混砂工艺与加料顺序呋喃Ⅱ型树脂砂属砂特点：铸件不易产生针孔和皮下气孔缺陷强度较低，硬化速度较慢溃散性和流动性较差，价格较高热芯盒制芯工艺为：芯盒温度220~250℃要获得7~8㎜硬化层需时间为1.5~2.5min 部分热芯盒树脂粘结剂的性能性能型号氮的质量分数（%）粘度/(MP.s)游离甲醛的质量分数（%）固体的质量分数（%）PH值抗拉强度/MPa3606≤9—≤4686~7≥2.83603≤9.5—≤576~786.9~7.2≥2.83705≤10—≤4≤656~7≥1.7F-101≤13.5≤2000≤5≥756.7~7≥2.8RF-20110~12500/1000≤4—6.5~7.5—RF-204≤3.720≤3—6.5~7.5—WPR-1(HA江南)6.5~7.5≤600≤4≤807.5~8.0≥3.0158（美）7.5~9.8≤900≤6.37.5~8.3≥2.8表1-21部分热芯盒树脂粘结剂的性能 四、冷芯盒用树脂砂冷芯盒制芯法——是砂芯在常温芯盒内硬化制芯的方法冷芯盒制芯工艺分为自硬冷芯盒法和扩散气体冷芯盒法自硬冷芯盒法——是指常温下将树脂砂射入芯盒后，在催化剂的作用下而固化扩散气体冷芯盒法——是指树脂砂射入芯盒后，在气体催化剂作用下使型芯硬化 1．三乙胺冷芯盒法（1）树脂砂配方（2）混制工艺（3）硬化要求2．二氧化硫（SO2）冷芯盒法（1）树脂砂配方（2）混制工艺（3）硬化要求 第四章液态金属成形过程液态金属成型过程：充型——避免缺陷（冷隔、浇不足）凝固——正确合理设计浇注系统（使金属液平稳、合理的充满型腔）浇注系统：铸型中液态金属流入型腔的通道的总称，由浇口杯、直浇道、直浇道窝、横浇道、内浇道等单元组成。 第一节液态金属充型过程的水力学特性和流动情况一、液态金属充型能力的概念1．液态金属的充型能力2．液态金属的流动性液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属的充型能力。液态金属本身的流动能力，称为“流动性” 1、粘性流动：粘度和成分有关，且η与T2、不稳定流动：热交换不稳定，流动阻力不稳定，液体流速流态不稳定3、多孔管流动：4、紊流流动：区别层流、紊流其传递热量、动量、质量的方式不同。液态金属充型的水力学特性： 二、影响充型能力的因素1．金属性质方面如合金成分、结晶潜热、金属的比热容、密度和导热率、液态金属的粘度和表面张力等。 2．铸型性质方面（1）铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取并储存在本身中的热量的能力（2）预热铸型可以减小金属液与铸型的温差，使充型能力提高3．浇注条件方面（1）浇注温度灰铸铁件的浇注温度铸件壁厚/㎜＜44~1010~2020~5050~100100~150＞150浇注温度/℃1360~14501340~14301320~14001300~13801230~13401200~13001180~1280 （2）充型压头液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力就越好（3）浇注系统结构浇注系统结构越复杂，流动阻力就越大，充型能力越低4．铸件结构方面（1）铸件的模数在铸件体积和浇注条件相同时，模数大的铸件，充型能力较好（2）铸件结构复杂，则型腔结构复杂，对金属液流动的阻力大，铸型的填充就困难 4.1.2金属液在浇注系统中的流动合理的浇注系统应满足下列基本要求：1)金属液流动的速度和方向必须保证液态金属在规定的时间内充满型腔2)保持液态金属平稳流动，尽量消除紊流，避免卷入气体使金属过分氧化以及冲刷铸型。3)浇注系统应具有良好的挡渣能力4)使液态金属流入铸型后具有理想的温度分布5)浇注系统所用的金属消耗量小，且易清理 一、金属液在砂型浇注系统中流动的特点①型壁的透气性和与金属液的润湿条件②金属液在流经浇注系统时与其型壁有强烈的机械作用和物理化学作用，使其冲蚀铸型、吸收气体并产生金属氧化夹杂物③一般金属液总含有少量夹杂和气泡，在充型过程中还可能析出晶粒及气体，所以金属液充型时属于多相流动 1、金属液在浇口杯中的流动浇口杯(pouringcup〕可用来承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，减轻液流对型腔的冲击;分离渣滓和气泡，阻止其进入型腔;增加充型压力头。只有浇口杯的结构正确，配合正当的浇注操作，才能实现上述述功能口 浇口杯分漏斗形(bush)和盆形(basin)两大类。漏斗形浇口杯挡渣效果差。但结构简单，消耗金属少。盆形浇口杯效果较好，底部设置堤坝有利于浇注操作，使金属的浇注速度达到适宜的大小后再流入直浇道。这样浇口杯内液体深度大，可阻止水平旋涡的产生而形成垂直旋涡，从而有助于分离渣滓和气泡。 注：当合金液从各个方向流入直浇道时，各向流量不均衡，某一流股的流向偏离直浇道中心就会形成水平旋涡。水平漩涡中，越靠近中心部分，压力越低，液面高度下降，易导入渣滓、空气。措施：1、使用浇口塞。2、提升浇口杯液面高度。3、浇口杯流出口制成圆角。 2、金属液在直浇道中的流动直浇道的作用是将来自浇口杯中的金属液引入横浇道，并提供足够的压力头以克服各种流动阻力而充型 液态金属在直浇道中存在两种流态:1)非充满的直浇道中（等断面柱形、上小下大锥形），金属液以重力加速度向下运动，流股呈渐缩形，流股表面压力接近大气压力，微呈正压。流股表面会带动表层气体向下运动，并能冲入型内上升的金属液内，由于流股内部和砂型表层气体之间无压力差，气体不可能被“吸人”流股，故在直浇道中气体可被金属表面所吸收和带走。2）充满式流动（上大下小锥形），直浇道入口为圆角，且圆角半径r≥d/4 直浇道窝的作用金属液对直浇道底部有强烈的冲击作用和大量氧化夹杂物等铸造缺陷二设直浇道窝并产生涡流和高度紊流区，常引起冲砂、渣孔，直浇道窝可改善金属液的流动状况，其作用如下：1.缓冲作用液流下落的动能有相当大的一部分被窝内液体吸收而转变为压力能，再由压力能转化为水平速度流向横浇道，从而减轻了对直浇道底部铸型的冲刷。2.缩短直——横拐弯处的高度紊流区3.改善内浇道的流量分布4.减小直——横浇道拐弯处的局部阻力系数和水头损失5.浮出金属液中的气泡 三、金属液在横浇道中的流动横浇道是连接直浇道与内浇道的水平通道。它的作用除了稳流和向内浇道分配金属液外，主要是起挡渣作用 1.稳流作用2.流量分配作用3.挡渣作用 横浇道是直浇道与内浇道之间的一个中间浇道、液体金属在横浇道中的流动情况与这三个浇道的断面积之比有较密切的关系。当直浇道断面积大于横浇道断面积，而横浇道断面积又大于内浇道断面积(即封闭式浇注系统)时，从直浇道下落的液流可立即把横浇道充满。相反对于铝镁合金铸造常用的开放式浇注系统，横浇道并不立即被充满，而是随着型腔中合金液面的升高而逐渐地被充满。(一)液流在横浇道中的流动状况 封闭式内/横浇道开放式内/横浇道封闭式浇注系统的横浇道应高而窄，一般取高度为宽度之2倍。内浇道宜扁而薄，以降低其吸动区。开放式浇注系统的内浇道比阻流大得多，若将内浇道置于横浇道底部，则横、内浇道都呈非充满流态，无法实现阻渣，故需把内浇道重迭在横浇道上方，用横浇道的顶面及末端延长段粘附和储留渣滓。 内浇道流量不均匀现象对铸件质量有显著影响：对大型复杂铸件和薄壁铸件易出现浇不足和冷隔缺陷在流量大的内浇道附近会引起局部过热、破坏原来所预计的铸件凝固次序，使铸件产生氧化、缩松、缩孔和裂纹等缺陷。(二)横浇道的流量分配作用 为了克服内浇道流量不均匀带来的弊病，通常采用如下方法（1）尽可能将内浇道设置在横浇道的对称位置；（2）将横浇道断面设计成顺着液流方向逐渐缩小形式；（3）采用不同断面内浇道，缩小远离直浇道的内浇道断两积；（4）设置浇口窝等。 当横浇道中的液体金属达到一定高度时，在内浇道附近的液流除了有一个沿横浇道向前速度外，还有一个向内浇道流动的速度υ内，而υ内又会影响到内浇道附近的横浇道中液流的运动，即将该处的液流“吸入”内浇道，此种现象称为“吸动”作用。(四)内浇道的“吸动”作用 (五)横浇道的结构形状圆形半圆形梯形 ①浇口比对充型的影响（S直/S横/S内）S内/S横比值越大越平稳。②内浇道的流量不均匀③内浇道断面形状，尽量采用薄的内浇道，厚度为铸件1/2—2/3。五、金属液在内浇道中的流动内浇道是将金属液直接引入型腔的通道。其作用是控制金属液的速度和方向，分配液流，调节铸型各部分的温度和铸件的凝固顺序 如果铸件高度不大而水平尺寸较大时，使合金液从厚处导入如果铸件壁厚较大而又均匀时，在铸件各区域的最后凝固处设置冒口如果铸件具有一定高度时，通常把内浇道均匀地设置在铸件的薄壁处在不破坏铸件顺序凝固的前提下，内浇道数量宜多些，内浇道与铸件的位置关系 选择内浇道开设位置和数量应考虑的原则：1)内浇道不应开设在铸件的重要部位2)内浇道应开设在铸件易打磨的地方3)尽量在分型面上开设内浇道，以方便造型4)断面应尽量薄，以减小吸动区，利于挡渣、清理5)金属液流不应正面冲击型壁及型、芯的薄弱部位6)使金属液流快速平稳充型，有利于排气和除渣7)内浇道的开设位置应尽量不阻碍铸件的收缩 一、浇注系统按各组元截面积比例关系分类浇注系统各组元截面积通常是指直浇道、横浇道、内浇道和阻流部分（即浇注系统截面最小的部分）的截面积，分别用S直、S横、S内和S阻表示。1．封闭式浇注系统封闭式浇注系统各组元中截面积最小的是内浇道，即内浇道是该系统中的阻流截面，各组元截面积的大小关系为S直>∑S横>∑S内第二节浇注系统的基本类型及选择 封闭式浇注系统可理解为正常浇注条件下，所有组元能为金属液充满的浇注系统，也称为充满式浇注系统。因全部截面上的金属液压力均高于型壁气体压力，故是有压或正压系统。封闭式浇注系统包括了以内浇道为阻流的各种浇注系统和部分扩张式的浇注系统。封闭式浇注系统有较好的阻渣能力，可防止金属液卷入气体，消耗金属少，清理方便。主要缺点是:进入型腔的金属液流速度高，易产生喷戮和冲砂，使金属氧化，使型内金属液发生扰动、涡流和不平静。因此，主要应用于不易氧化的各种铸铁件。对于容易氧化的轻合金铸件、采用漏包浇注的铸钢件和高大的铸铁件，均不宜使用。 2．开放式浇注系统这种浇注系统的特点是S直<∑S横<∑S内。即在直浇道的下端或在它附近的横浇道上设置阻流截面S阻，以保证直浇道能充满 在正常浇注条件下，金属液不能充满所有组元的浇注系统，又称为非充满式或非压力式浇注系统。完全开放式浇注系统在内浇道被淹没之前，各组元均呈非充满流态。几乎不能阻渣且会带入大量气体。开放式浇注系统的内浇道截面积比阻流面积大得多，一般s内/s阻≥3当直浇道不充满时，会使金属液高度紊流，造成氧化、卷气等，故生产中往往要求应用充满式直浇道，阻流设在直浇道下端或靠近的横浇道上。主要优点;进入型腔时金属液流速度小，充型平稳，冲刷力小，金属氧化轻。适用于轻合金铸件（铝镁）、球铁件等。 3．半封闭式浇注系统这种浇注系统的特点是∑S横>∑S直>∑S内。即阻流截面是内浇道，横浇道截面积最大，直浇道一般是上大下小的锥形，浇注时，直浇道很快充满，而横浇道充满较晚，故可降低内浇道的流速，使浇注初期充型平稳，对铸型的冲击比封闭式的小；在横浇道充满后，因其中的金属液流速较慢，所以挡渣比开放式的好，但浇注初期在横浇道充满前，挡渣效果较差。这种浇注系统在生产中得到广泛使用。对于树脂砂型，根据树脂砂的特点，浇注系统应遵循的原则是：快（大流量）、稳（防止飞溅和紊流）、顺（金属液流方向有利于气、渣排出）、活（无死角）、封闭、底注、保证压头 二、液态金属导入铸件型腔的位置分类（一）顶注（上注）式浇注系统以铸件浇注位置为基准，内浇道开设在铸件的顶部，称为顶注式浇注系统。即金属液从铸件顶部注入型腔 以浇注位置为准，金属液从铸件型腔顶部导入的浇注系统称为顶注式浇注系统。 (1)液态金属从铸型型腔顶部引入，在铸件浇注和凝固过程中，铸件上部的温度高于下部，有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用(2)在液态金属的整个充型阶段始终有一个不变压头，液流流量大，充型时间短，充型能力强。(3)造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口消耗金属少，浇注系统切割清理容易。(4)顶注式浇注系统最大的缺点是液体金属进入型腔后，从高处落下，对铸型冲击大，还容易导致液态金属的飞溅、氧化和卷入气体，形成氧化夹渣和气孔缺陷。1.顶注式浇注系统的特点 根据铸件的结构特点，还可采用以下几种类型的顶注式浇注系统：1．楔形浇道金属液通过长条楔缝可迅速充满型腔常用于锅、盆、罩、盖类薄壁器皿铸件 2．压边浇道浇道是一条窄而长的缝隙，与铸件顶部相连接，金属液经压边缝隙流入型腔多用于壁较厚的中小铸铁件及非铁合金铸件。 3．雨淋浇道内浇道是由许多均匀分布的圆孔所组成，浇注时细流如雨淋，对型腔冲击力小。主要用于质量要求较高的大中型筒型铸件，如气缸套、卷扬机等 （二）底注（下注）式浇注系统内浇道开设在铸件底部，即金属液从铸件的底部注入型腔，称为底注式浇注系统主要用于高度不大，结构不太复杂的铸件和易氧化的合金铸件，如铸钢、铝镁合金、铝青铜及黄铜等铸件1—浇口杯；2—直浇道；3—铸件；4—内浇道；5—横浇道； 内浇道设在铸件底部的称为底注式浇注系统 (1)合金液从下部充填型腔，流动平稳，不易产生冲击、飞溅、氧化和卷入气体，便于排除型腔中的气体。(2)无论浇道比多么大，横浇道基本工作在充满状态，有利于挡渣。1.底注式浇注系统的优点 (1)充型后铸件的温度分布不利于自下而上的顺序凝固，削弱了顶部冒口的补缩作用。(2)铸件底部尤其是内浇道附近容易过热，使铸件产生缩松、缩孔、晶粒粗大等缺陷。(3)充型能力较差，对大型薄壁铸件容易产生冷隔和浇不足的缺陷。(4)造型工艺复杂，金属消耗量大。2.底注式浇注系统的缺点 根据铸件结构特点，还可采用下列底注式浇注系统1．牛角浇道牛角式内浇道多用于质量要求高的小型轮类铸件1—浇口杯；2—直浇道；3—铸件；4—内浇道；5—横浇道；6—牛角浇口 2．反雨淋浇道它适用于易氧化的中小型圆套类铸件 （三）分型面（中间）注入式浇注系统金属液经过开在分型面上的横浇道和内浇道进入型腔适用于中等大小、高度适中、中等壁厚铸件1-浇口杯；2-出气冒口 （四）阶梯式浇注系统阶梯式浇注系统是具有多层内浇道的浇注系统适用于高大且结构复杂、收缩量较大或质量要求较高的铸件图4-17阶梯式浇注系统a-多直浇道；b-用塞球法控制；c-控制各组元比例的；d-带级冲直浇道的；e-带反_直浇道的 优点：上部金属液温度高于下部、有利于顺序凝固和冒口的补缩，铸件组织致密。易避免缩孔、缩松、冷隔及浇不到等铸造缺陷。利用多内浇道，可减轻内浇道附近的局部过热现象。缺点：造型复杂，有时要求几个水平分型面，要求正确的计算和结构设计，否则，容易出现上下各层内浇道同时进入金属液的“乱浇”现象，或底层进入金属液过多，形成下部温度高的不理想的温度分布。 （五）垂直缝隙式浇注系统它以片状内浇道与铸件的整个高度相连接的一种特殊浇注系统主要用于重要的铝合金铸件 对于重、大型铸件，特别是重要铸件，采用一种形式的浇注系统往往不能满足要求，可根据铸件情况同时采用两种或更多形式的复合式浇注系统 4.2.2浇注系统设计与计算铸铁件浇注系统设计与计算包括确定浇注时间、确定阻流截面积和各组元之间的比例关系等内容。 1、当充填下半型时，压力头保持不变，则在浇口杯液面与阻流截面间应用伯努利方程。一、阻流组元（或内浇道）截面积的计算及各组元之间的比例关系的确定1.流体力学计算法H0—阻流截面以上的液态金属压头V—阻流截面以上的液态金属流速g——重力加速度H总损——总的阻力损耗ε浇—浇注系统中的总的阻力系数 而充下半型金属液体的质量为ρ—金属液密度S阻—阻流截面面积g——重力加速度H总损——总的阻力损耗ε浇—浇注系统中的总的阻力系数Г——浇注时间（s）； 引入系数μ—流量系数，表示有粘度的金属液流量与理想流体流量的比值。所以：公式1 2、充填上半型时，阻流截面上液流速度随着充型压力头的变化而逐渐变小，故此时：设H均=H0-h‘ 得到公式2将公式1和公式2合并通式，就是计算浇注系统中最小截面积的公式，即著名的奥赞公式。 其中ρ—金属液密度S阻—阻流截面面积m——流经阻流截面的液体金属的总质量H均——平均计算静压力头Г——充填全部型腔的时间（s）；μ——流量系数根据Osann公式，在已知铸件质量、流量系数、浇注时间、平均计算压头等参数的前提下，可以方便计算出浇注系统的阻流截面积大小，从而根据浇注系统各组元的截面积比的经验数据，计算出整个浇注系统的尺寸。 表各种合金浇注系统组元截面之间比例关系类型åF内：åF横：F直应用范围及说明封闭式1:1.5:21:1.2:1.41:1.1:1.151:1.06:1.11大型灰铸铁件中、大型灰铸铁件中、小型灰铸铁件薄壁灰铸铁件1:1.2;1.4一般球墨铸铁件1:1.1:1.51:1.3可锻铸铁件可锻铸铁件（横浇道直接联接侧冒口）1:（1.1～1.3）:（1.2～1.6）1:1.1铸钢件（转包浇注）铸钢件（底包浇注）半封闭式1:1.4:1.21:1.5:1.11:（1.3～1.5）:（1.1～1.2）重型机械铸铁件铸铁件表面干型中、小型铸铁件0.8:（1.2～1.5）:1球墨铸铁薄壁小件1:（1.5～2.0）:1.2锡青铜阀体，内浇道处设有暗冒口开放式（1.5～4）:（2～4）:1球墨铸铁薄壁铸件（1.2～3）:（1.2～2）:1注复杂的中、大型锡青铜件，内浇道处不设暗冒口（1。5～2）：1.2:1注（3～10）：1.2:1中、大型无锡青铜及黄铜件复杂的大型无锡青铜及黄铜件（2～4）:（2～3）:1（1～1.5）:（1.5～3）:1大、中型铝合金件小型铝合金件 一般内浇道（阻流组元）的最小截面积为0.4～0.5cm直浇道的直径一般在15～100mm范围内砂型铸造中树脂砂型浇注系统总截面积比粘土砂型大50％左右当采用封闭式浇注系统时浇道截面比例可取S内：S横：S直＝1:1.25:1.25 （1）m、ρ值的确定表铸铁及铸钢的流量系数m值种类铸型阻力大中小湿型铸铁铸钢0.350.250.420.320.50.42干型铸铁铸钢0.410.300.480.380.60.5铸件确定后，ρ值即确定，铸件图上标出了铸件重量，加上冒口和浇注系统的重量即为m值。表浇冒口重量占铸件重量的比例铸件重量/㎏大量生产成批生产单件、小批生产<10020%~40%20%~30%25%~35%100~100015%~20%15%~20%20%~25%>1000—10%~15%10%~20% （2）流量系数μ的确定μ值影响因素较多，难以用数学计算方法确定，一般都按生产经验和参考实验结果选定。铸铁、铸钢件在0.25~0.5之间选择，对航空铝、镁合金所用扩张式浇注系统μ值在0.3~0.7之间。（3）浇注时间Г根据经验公式和图表选择 （4）平均压头H均的确定平均压头H均的计算公式：式中H0——内浇道以上的金属液压头，即内浇道至浇口盆液面的高度（cm）；C——浇注时铸件高度(cm)；P——内浇道以上的铸件高度(cm)。 对于封闭式浇注系统，在不同注入位置时公式有以下形式：顶注式P＝0，则底注式P＝C，则中间注入式则，注：m值为估值，且忽略了金属液从浇包嘴到浇口杯下落的动能影响，最终的计算结果还需验算、调整。 3、浇注系统其它各组元的截面积表3-8各种合金浇注系统组元截面之间比例关系类型åF内：åF横：F直应用范围及说明封闭式1:1.5:21:1.2:1.41:1.1:1.151:1.06:1.11大型灰铸铁件中、大型灰铸铁件中、小型灰铸铁件薄壁灰铸铁件1:1.2;1.4一般球墨铸铁件1:1.1:1.51:1.3可锻铸铁件可锻铸铁件（横浇道直接联接侧冒口）1:（1.1～1.3）:（1.2～1.6）1:1.1铸钢件（转包浇注）铸钢件（底包浇注）半封闭式1:1.4:1.21:1.5:1.11:（1.3～1.5）:（1.1～1.2）重型机械铸铁件铸铁件表面干型中、小型铸铁件0.8:（1.2～1.5）:1球墨铸铁薄壁小件1:（1.5～2.0）:1.2锡青铜阀体，内浇道处设有暗冒口开放式（1.5～4）:（2～4）:1球墨铸铁薄壁铸件（1.2～3）:（1.2～2）:1注复杂的中、大型锡青铜件，内浇道处不设暗冒口（1。5～2）：1.2:1注（3～10）：1.2:1中、大型无锡青铜及黄铜件复杂的大型无锡青铜及黄铜件（2～4）:（2～3）:1（1～1.5）:（1.5～3）:1大、中型铝合金件小型铝合金件注：直浇道后如设过滤网，则网孔截面积S滤的比值取0.9。 一般内浇道（阻流组元）的最小截面积为0.4～0.5cm直浇道的直径一般在15～100mm范围内砂型铸造中树脂砂型浇注系统总截面积比粘土砂型大50％左右当采用封闭式浇注系统时浇道截面比例可取S内：S横：S直＝1:1.25:1.25 4.2.3.2、阶梯式浇注系统截面尺寸的确定（1)最小控制截面S阻的计算（2)分配直浇道的截面积S阻：S直（分）＝1:(1～2)（3）内浇道截面积的计算 其它合金铸件浇注系统的特点一、球墨铸铁件浇注系统的特点碳当量较高，流动性比灰铸铁好球化孕育处理铁液温度下降多，易氧化产生渣要求铁液迅速、平稳充型浇注系统截面积通常比灰铸铁的大多采用半封闭式或开放式浇注系统多采用冒口补缩液态和凝固初期的收缩 二、可锻铸铁浇注系统的特点薄壁中小型可锻铸铁件的铸态为白口铸铁碳当量低，熔点比灰铸铁高流动性差，收缩大，铁液中熔渣较多浇注系统应有利于补缩，充型较快，且具有较强的挡渣能力常采用带暗冒口的封闭式浇注系统浇注系统截面积一般比灰铸铁的大内浇道宜从铸件厚壁处引入在内浇道与铸件之间设置暗冒口，采用滤网、阻流浇道、离心集渣包等措施增强挡渣效果 三、铸钢件浇注系统的特点熔点高，易氧化和流动性差，收缩大，易产生缩孔、缩松、热裂、变形等缺陷应按有利于补缩的方案设置浇注系统应配合使用冷铁、收缩肋，拉肋宜采用不封闭的浇注系统，其形状、结构要简单浇注系统截面积应较大，使钢水充型快而平稳中小铸件，多采用底注式浇注系统高大件则宜采用阶梯式浇注系统 二、可锻铸铁浇注系统的特点薄壁中小型可锻铸铁件的铸态为白口铸铁碳当量低，熔点比灰铸铁高流动性差，收缩大，铁液中熔渣较多浇注系统应有利于补缩，充型较快，且具有较强的挡渣能力常采用带暗冒口的封闭式浇注系统浇注系统截面积一般比灰铸铁的大内浇道宜从铸件厚壁处引入在内浇道与铸件之间设置暗冒口，采用滤网、阻流浇道、离心集渣包等措施增强挡渣效果 三、铸钢件浇注系统的特点熔点高，易氧化和流动性差，收缩大，易产生缩孔、缩松、热裂、变形等缺陷应按有利于补缩的方案设置浇注系统应配合使用冷铁、收缩肋，拉肋宜采用不封闭的浇注系统，其形状、结构要简单浇注系统截面积应较大，使钢水充型快而平稳中小铸件，多采用底注式浇注系统高大件则宜采用阶梯式浇注系统 四、铜合金铸件浇注系统特点锡青铜及磷青铜：长套筒铸件可使用顶铸式雨淋浇道短小圆筒、圆盘及轴瓦类铸件可采用压边浇道复杂件，可采用带过滤网或集渣包的浇注系统铝青铜、铝铁青铜、锰黄铜、铝黄铜：采用底注开放式，并设有滤网或集渣包浇道位置应有利于冒口补缩或使浇道通过冒口注入 五、铝合金铸件浇注系统特点要求铝合金的浇注系统充型平稳，无涡流，充型时间短，挡渣能力强，并有利于补缩高度＜10㎜不重要的小铸件可采用顶注式一般都采用底注开放式或垂直缝隙式浇注系统铝合金的特点是导热率大，流动过程中降温快易氧化吸气，且氧化膜的密度与铝液相近，若混入铝液中就难以上浮凝固收缩大，易产生缩孔、缩松