铸造工艺与技术

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第1章 基础知识

第1节 铸铁

铸铁是一种含碳量在2.0%以上的铁碳合金。碳、硅、锰、磷、硫是铸铁的主要合金元素，通常称之为铸铁的五大元素。此外，铸铁中还含有多种微量元素，如：钛、钒、铬、铜、砷、铝、铅、镁、铋、锡等。 1．铸铁的分类、特征及用途 1）分类

根据碳在铸铁中存在的形式和断口特征，可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁。根据石墨的形状，灰口铸铁又可分为普通灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。

根据使用性能，铸铁可分为灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁、冷硬铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。

根据化学成分，铸铁可分为普通铸铁和合金铸铁。按照合金元素的含量不同，合金铸铁又可分为低合金铸铁（合金元素含量小于3%）、中合金铸铁（合金元素含量3～10%）和高合金铸铁（合金元素含量大于10%）。 2）特征及用途

铸铁的特征及主要用途见表7.1.1。

表7.1.1 序号 名称 特征 主要用途 1. 灰铸铁 碳主要以片状石墨形式出用于要求抗拉强度100～现的铸铁，断口呈灰色 300MPa，对延伸率，耐磨性没有特殊要求的机械零件，是适合用途广泛的金属材料 2 球墨铸铁 铁液经球化处理，使石墨用于要求抗拉强度400～大部分或全部呈球状，有900MPa，对延伸率和耐磨性有一时少量为团絮状的铸铁 定要求的机械零件，如汽缸、轴承座、打桩锤等 3 蠕墨铸铁 铁液经蠕化处理，使石墨用于要求抗拉强度350～大部分呈蠕虫状的铸铁 400MPa，对导热性和耐热疲劳性有一定要求的机械零件，如大功率柴油机气缸盖、排气管等 4 可锻铸铁 白口铸铁通过石墨化或氧用于要求抗拉强度300～（马铁） 化脱碳可锻化处理，改变450MPa，对塑性和韧性具有一定其金相组织和成分而获得要求的机械零件，如铁路零件，的有较高韧性的铸铁，其汽车后桥等 石墨呈团絮状 5 白口铸铁 碳主要以游离碳形式出现用于高耐磨性的机械零件，如：的铸铁，断口呈银白色 耐磨机内衬板和磨球等 2．铸铁的凝固

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1）碳当量

碳当量表示铸铁中硅和磷对铁碳共晶综合影响的指标，用来估计某一铸铁成分在一定冷却速度时接近共晶的程度。

CE=C+1/3（Si+P）

式中CE——碳当量（%）； C——总碳含量（%）； Si——硅含量（%）； P——含磷量（%）。

2）共晶度 普通铸铁中含碳量与共晶点含碳量的比值。反映铸铁成分接近共晶的程度。

Sc=C/[4.26-1/3（Si+P）] Sc——共晶度； C——总碳含量（%）； Si——硅含量（%）； P——含磷量（%）。 3）铸铁冷却曲线

冷却曲线反映铸铁合金的凝固结晶情况，是快速测定铸铁碳当量和碳、硅含量的依据。典型的铸铁冷却曲线见图7.1.1。

图7.1.1 铸铁的冷却曲线

4）铸铁的凝固结晶过程及其组织

根据碳当量或共晶度，铸铁可分为CE＜4.26%或Sc＜1为亚共晶铸铁、CE=4.26%或Sc=1为共晶铸铁、CE＞4.26%或Sc＞1为过共晶铸铁。

表7.1.2 铸铁的组织 铸铁类别 按稳定系结晶 按介质稳定系结晶 共晶铸铁 F+G（G共晶+CⅡ+G共析） P+Le+ CⅡ+G共析 亚共晶铸铁 过共晶铸铁 F+G（G共晶+CⅡ+G共析） F+G（GⅠ+G共晶+CⅡ+G共析） P+Le+ CⅡ+G共析 P+Le+ CⅡ+G共析 注：1. Le（莱氏体）=A共晶+C共晶。 2.F为铁素体，G为石墨，P为珠光体，C为渗碳体。

3．影响铸铁组织和性能的因素

灰铸铁金相组织包括石墨与金属基体两个部分。

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1）铸铁中石墨的形状、分布、大小和数量对铸铁机械性能有着重要影响。

表7.1.3 铸铁的石墨形状与其抗拉强度的关系 石墨形状 抗拉强度（MPa） 延长率（%） 片状石墨铸铁（灰铸铁） 100～300 ～0.5 蠕虫状石墨铸铁 350～400 ～1.0 絮状石墨铸铁（可锻铸铁） 350～450 2～10 球状石墨铸铁 400～900 2～12 在石墨均匀分布的条件下，石墨尺寸越大，铸铁的性能越差。细小分布的石墨可有效地提高铸铁的力学性能。此外，铸铁中石墨的数量对力学性能亦产生一定影响，通常石墨数量越多，机械性能越差。

2）灰铸铁的基体可分为铁素体基体、铁素体和珠光体混合基体、珠光体基体等三类。以铁素体为基体的铸铁机械性能强度差、硬度和塑性亦较差。铁素体和珠光体混合基体灰铸铁强度和硬度随着珠光体数量的增多而提高。以珠光体为基体的灰铸铁强度和硬度均较高，并且随着珠光体的细化而明显提高。

铸铁中磷共晶若呈网状存在时，其强度大大降低，脆性增加。因此磷共晶在铸铁中以分散孤立分布为好。

铸铁基体中如果出现碳化物和自由渗碳体，则使铸铁性能恶化，强度降低，脆性增加，硬度剧增，切削加工性能也变坏。因此对铸铁中的自由渗碳体和碳化物要严加限制。

3）化学元素对组织与性能的影响见表7.1.4。

表7.1.4 化学元素 对金相组织的影响 对力学性能的影响 铸铁中碳、硅量增加，石墨粗大，铸铁的强度和硬度低组织疏松。数量增加，基体中铁素体增加、当碳、硅量恰当，使铸件得到均碳、硅 珠光体减少。碳、硅量过低，铸匀分布的石墨和珠光体时，力学铁中出现E型石墨，甚至出现麻性能提高。碳、硅量过低，强度口、白口组织。 下降、硬度升高。 当铸铁中锰量较低时，硫形成共硫在铸铁中恶化铸造性能，如降晶体以及其他富铁硫化物。当锰低流动性，增加铸件裂纹倾向。硫、锰 量高时，则能形成高熔点MnS存铸铁中锰与硫生产MnS后剩余的在于铸铁中。过量的锰可增加铸锰能显著提高铸铁的强度和硬铁中的珠光体和化合碳。 度。 在铸铁中形成二元或三元磷共晶 磷共晶本身硬而脆。铸铁的硬度磷 随着含磷量增加而提高，而韧性则随之降低。 阻碍珠光体分解，可使珠光体数能提高铸铁强度和硬度，又能防铜、镍 量增多和细化，强化铁素体 止白口的产生 具有细化石墨和强化基体的作能有效地提高铸铁的强度和硬铬、钼、用，使铸件得到细小均匀分布的度。但碳当量低而Cr、Mo、V等矾 珠光体基体 元素含量过高，促使铸铁产生白口 第 3 页 共 29页

钛 在铸件中多形成特殊碳化物。钛能提高铸铁的强度和耐磨性 可促使高碳当量铸铁石墨细化 4）铸件冷却速度对铸铁组织与性能的影响:

在保证析出石墨的冷却速度范围内，冷却速度慢，过冷度小，石墨粗大；反之石墨细化。冷却速度过快，过冷度大，则形成细小的过冷石墨。

影响铸件冷却速度的因素很多，主要有： （1） 铸件壁厚的影响

表7.1.5 铸件壁厚 冷却速度 金相组织 力学性能 石墨细小，基体中珠光体数量增强度和硬度均有减少 增加 加，铁素体量减少 所提高 过薄 局部或全部出现白口（渗碳体+珠脆性和硬度增加，加剧 光体） 而韧性下降 厚大 石墨粗大，组织疏松，基体中铁强度和硬度均降很低 素体数量增加 低 （2）浇注温度的影响 浇注温度高，冷却速度慢，铸件石墨粗大，铁素体量增加，铸件的强度和和硬度降低。反之，浇注温度低，铸件冷却速度快，促进石墨细化，增加珠光体数量，提高铸件强度和硬度。 （3）铸型材料的影响

不同的铸型材料与冷却速度的关系见表7.1.6。

表7.1.6铸型材料与冷却速度的关系 平均冷却速度（℃/mm） 试样直径（mm） 湿砂型 干砂型 预热型 金属型 30 20.5 12.0 9.1 35 300 1.7 1.2 0.5 2.3 （4）浇注系统的影响

铁液经直浇道、横浇道和内浇道进入型腔，浇道附近的铸件被加热，降低了铸件的冷却速度，从而使该部分铸件晶粒粗大，铁素体量增加。冒口附近亦如此。

4．普通铸铁件常见缺陷和防止方法 1）常见的缺陷：

气孔、疏松、针孔、表面气泡；冷隔、接缝、起皮；铁豆；粗晶组织； 缩孔：外缩孔、内缩孔、缩松；热裂、冷裂；材质硬化，如局部硬化、白口化、反白口；浇不足、冷疤；夹杂物；夹渣滓、包砂、夹砂、结疤；石墨漂浮；化学粘砂、机械粘砂；表面粗糙等。 2）产生原因与防止方法： （1）气孔

气孔产生的原因：

铁水中产生气体的主要原因是熔化过程中铁水的氧化，铁水的氧化取决于所用的原材料及熔化气氛中带入的氧气，以及浇包未烘干、冷铁表面状态不适

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当（如有铁锈、大气中凝结的水分）等。

气孔防止方法：

获得纯净的铁水可减少气体含量；使用无锈和无粘附杂物的干净原材料。 在熔化时还要根据熔化时设备采取适当的防止方法。冲天炉熔化时关键在于避免过量的送风，并保证有适当的底焦高度。电炉熔化时存在着铁水与大气接触的问题，提高熔化温度是必不可少的措施。

保持铸型内适宜的水分。

使铸型中产生的气体能够从铸型中直接排出，设计铸造工艺时提高铸型的透气性，开设透气孔。 （2）疏松

呈分散状态分布，每个空洞的尺寸较小。疏松不一定出现在铸件的表层，铸件内部同样存在。形成疏松的原因与气孔相同，因此其防止方法与气孔一样。 （3）针孔

针孔是一种在铸件表面局部区域存在，像针尖扎过的细小空洞的缺陷，往往出现于铸件的表层或皮下。产生原因与气孔和疏松一样，主要由铁水中的氧化物与碳反应生成的一氧化碳，或铁水与型砂接触而产生的气体，以及铸型中的水分等引起的，它特别容易出现于薄壁铸件。此外，在加入的孕育剂（硅铁合金等）未充分干燥，铝等特殊元素含量较多或浇注在强还原性气氛中熔化的铁水等情况下，也较易产生针孔。

防止方法首先必须获得纯净的铁水，适当地降低浇注温度，并尽可能地缩短浇注时间。其次采用水分少的造型材料，以及避免在型砂中混入有机物等材料，是防止产生针孔的好方法。 （4）缩孔

铸件的缺陷中，缩孔的产生比例最高。由于金属从开始凝固直至冷却到室温的过程中，一般都产生体积收缩，但是对凝固过程中析出石墨的铸铁来说，由于石墨的析出会引起一定的体积膨胀。因而与其他金属相比，铸铁产生的倾向要小得多。但也有难以避免的情况。

防止方法：

设计铸件时，尽可能减少壁厚差。

设置足够的冒口以补偿厚壁部分的凝固收缩。但是过量的冒口不仅不经济，而且还会引起其它缺陷。

为加速厚壁部分的冷却，可使用冷铁等。

在可能的范围内提高碳硅含量，以促进石墨化。 使用不含阻碍石墨化的杂质元素的优质材料。

为更有效地发挥冒口的作用，使用发热保温剂、冒口搅拌法以及补浇高温铁水等方法。

（5）粗晶组织（缩松）

在厚壁处由于冷却缓慢，石墨得到了很好的成长，形成粗大组织，有时即使用肉眼也能看出断口颜色和光泽的差别。稍微粗点的组织并不是一种缺陷，但在壁厚极厚的铸件中，如果化学成分调整不当，碳硅过多时，往往呈现出极端粗大组织。如果此时再切断凝固收缩时的铁水补给，就会形成粗晶组织或缩松的缺陷。

缩松的形成机理与缩孔一样，它的特点是在局部凝固迟的部位汇集了铁水中低熔点的物质，而这些物质收宿时已无法再得到铁水的补给。

防止方法与缩孔完全相同，但特别要注意含碳量。

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（6）浇不足，冷疤

浇入铸型的铁水不能完全浇到铸型的每个角落，而使边缘成圆角的情况称为浇不足。

最有效的防止方法是提高浇注温度。此外，提高浇注速度、抑制型砂和涂料等产生气体，以及使型内的气体顺利排出型外等也很重要。 （7）热裂、冷裂

热裂和冷裂的产生条件完全相同，都是由于铁水在凝固和冷却过程中存在着不均匀的冷却，使铸件的某一部分在膨胀、收缩阶段变形，产生内应力，当铸件经受不住这个应力时，便产生热裂和冷裂。

热裂是铸件在达到室温前冷却过程中产生的裂纹，它的断口呈茶褐色或紫红色。冷裂是冷却后形成的裂纹，其断口一般呈灰色。

防止方法

设计铸件时，尽量减少壁厚差。

设计铸造工艺时，考虑壁厚不同时如何使整个铸件均匀冷却，如在厚壁处设置冷铁等。

在同一条件下，由于碳当量越高收缩越少，因此在允许范围内，也可考虑选用碳当量高的铁水。

铸型的强度不必过高，使铸型能顺利地适应铸件的收缩。 （8）其他缺陷

因型砂性能而产生的缺陷有包砂、夹砂、机械粘砂和表面粗糙等。其主要因素有：

砂子的耐火度不够。

砂子粒度不恰当而引起的透气性差或表面粗糙。 粘结剂过多而使透气性不足。 水分过多而造成强度不够。

过分紧实后铸型强度过高而引起的透气性不足。 为防止由型砂引起的这些缺陷，可改善型砂本身的性能或改善造型条件等，同时结合型砂性能选用铸造工艺是最有效的措施。

第2节 铸钢

1．铸钢的分类及组织特征

含碳量低于2.0%的铁-碳二元合金称。

铸钢可按化学成分分为：碳素铸钢和合金铸钢。碳素铸钢按碳含量分为：C≤0.20%为低碳铸钢；C0.2～0.5%为中碳钢；C≥0.5%为高碳钢。合金钢按合金元素含量分为：低合金钢（一般合金元素总量在8%以下）和高合金钢（一般合金元素总量在8%以上）。

铸钢按用途可分为：结构铸钢、耐磨铸钢、不锈铸钢、耐热铸钢及工具铸钢等。

铸钢按组织分为：珠光体类铸钢、铁素体类铸钢、马氏体类铸钢和奥氏体类铸钢等。

2．铸钢的凝固特性和凝固方式的控制 1）钢液的流动性

液体金属的铸造性能，即液体金属充填铸型的能力好坏（称为流动性），决定着铸件生产的难易程度。液体金属的流动性受到粘性、表面张力及成分的影响，但主要取决于浇注温度至凝固温度之间的温度差和浇注开始至凝固结束的

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时间。温差越大，时间越长，则流动性越好。

由于铸钢凝固开始的温度（液相线温度）比铸铁高，所以相同温度铸铁的流动性比铸钢好。为使铸钢流动性良好，需过热到较高的温度，但这不仅会增加钢水的吸气量，而且也促使氧化，同时从铸型材料的耐火度等方面也存在问题。所以浇注温度应不超过液相线以上约50℃为好。另外，铸钢也容易产生各种各样的缺陷，因此不能制造壁厚极薄的铸件。 2）凝固组织与收缩量、缩孔

浇入铸型内的钢水，由于铸型的热传导而散失热量，并从与铸型相接触的表面层开始顺序凝固并冷却。铸钢件的凝固组织由最外层无方向性的细等轴晶，里层垂直于铸型壁并具有方向性的柱状晶（树枝状晶）及铸件中心部分无方向性的粗等轴晶所组成。各结晶的大小取决于凝固时的冷却速度（随铸件壁厚及化学成分而变化）。

铸钢在冷却过程中体积会发生变化。铸型内铸件的收缩分为液态时由于温度下降而产生的液态收缩；钢水凝固时所产生的凝固收缩；以及凝固后冷却过程中所产生的固体收缩。铸钢的收缩显然比铸铁要大得多。其中，固态收缩可在制造模型时由工艺设计人员根据实际情况用缩尺加以补正，而液态收缩和固态收缩必须用冒口来进行补缩。

为提高冒口的补缩效果，最好是从离冒口最远处向冒口方向顺序凝固，冒口在最后凝固。这时凝固前沿始终保持有从冒口中流出来的钢水，对凝固收缩充分进行补缩，从而可以制得无缩孔的铸件。这种使凝固向冒口方向进行的过程称作为方向性顺序凝固，它是铸钢工艺人员在进行铸件工艺设计时最基本、最重要的思路。 3）凝固组织与裂纹

铸型中的钢水，由于凝固和冷却产生收缩。当铸件形状复杂且强度较大时，自由收缩如受到阻碍便产生裂纹。因此希望铸件形状尽可能简单，凹凸和壁厚的变化也尽可能少些。例如：铸件壁交叉成“T”型，交叉处圆角半径小时，该部分铸型层突出的形状，铸型散热少，凝固也缓慢。结果该部分铸件表面层的细等轴晶和柱状晶壁其他部分薄弱。冷却收缩而引起的拉应力大，圆角处就产生裂纹。为防止裂纹，加大圆处的曲率半径，但曲率半径过大，增加此处的断面积，使中心部分的冷却缓慢。这样虽然防止了表面裂纹，结果却在内部形成了缩孔。所以此时应在铸造工艺上下工夫，利用冷铁、加强筋、局部采用高耐火度的型砂等以使该部分方向性顺序凝固良好。 4）凝固组织与偏析

处于熔融状态的钢水成分是均匀的，由铁-碳状态图可知，凝固开始时，碳等溶质元素少的结晶优先析出，剩下的是富化了的溶质元素的钢液。所以，从微观方面看，结晶与结晶之间的成分存在差别；从宏观方面看，铸件早凝固部分与晚凝固部分之间也存在着成分差别。这种现象任何铸件都会发生，小型铸件由于整体凝固速度快，因而不显著，铸件越大则越显著。所以对于大型铸件，特别是不能有偏析的部分，应局部使用冷铁，让该部分凝固速度加快，从而减轻偏析。尽可能减少硫、磷等杂质元素的含量，也是减轻偏析的有效方法。 5）凝固与变形、残余应力

铸件凝固后要产生固态收缩。由于铸件壁后不同，或者部位不同造成冷却速度差，缓慢冷却部分产生拉应力，快速冷却部分产生压应力。这种应力待铸件完全冷却后残留下来，所以称为残余应力。由于这种残余应力的作用，在受压应力侧产生弯曲等变形，而对于大型铸钢件来说，严重时会造成裂纹等缺陷。

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另外，在铸件同一断面内部，冷却速度快的表面层，与冷却速度慢的中心部位之间也会产生残余应力。

凝固后冷却速度慢的部分结晶晶粒粗大，强度也低。在残余应力大的情况下，外观上虽然没有裂纹产生，但在壁厚均匀化方面有困难时，可采用冷铁与加强筋来缓和冷却速度的不均匀性，或者提早开箱，将处于高温状态的铸件移入加热炉中缓慢冷却。另外，也可采用估计变形情况来制造相应的铸型。但当存在残余应力时，在机械加工及长期使用过程中会继续变形，所以对于铸钢件来说，需要进行充分消除应力的退火热处理。 3．铸钢件常见缺陷和防止方法

铸造具有将复杂形状零件简单成型的优点，但由于生产方式是将材料从高温液态急剧冷却到室温，而且是浇入用天然砂制成的铸型中，所以要完全防止产生铸造缺陷是困难的。因此在使用铸钢件时，应了解铸件的特性，切不可盲目要求铸件无缺陷，并且适当确定铸件缺陷的允许范围。

当然，另一方面在铸造生产过程中，也应当努力探求缺陷的产生原因，以建立防止产生缺陷的措施。这样除了可以提高质量外，还可以取得提高工效和降低成本等方面的效果。 1）铸钢件缺陷的分类

按照缺陷产生的位置进行分类见表7.1.7。

表7.1.7 分类 缺陷的种类 内部缺陷 缩孔、粗晶组织、显微缩孔 表面缺陷 高温裂纹、低温裂纹 气体缺陷 夹砂、夹渣、包砂、冲砂 粘砂、结疤、起格子 冷隔、铁豆、表面粗糙 形状不良 涨箱、壁厚不均、掉砂、飞边

2)铸造缺陷的特征、产生原因及防止方法 (1)高温裂纹（热裂）

高温裂纹又称热裂,是危害性最大的缺陷之一。

产生高温裂纹的位置和特征:高温裂纹产生在铸件的热节部分。所谓热节乃是指铸件中长期保持高温状态,并最后凝固和冷却的部位。

图7.1.2 形成热节的位置

图7.1.2中箭头所示为按照形状容易形成热节的位置,铸件转角处和壁厚相交的地方都容易产生高温裂纹。另外,热节是随铸件各部分的凝固和冷却速度的相对差别而变化的，因此当并列使用冷铁时,冷铁间也容易产生裂纹。这是因

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为与放置冷铁的位置相比，砂型部分成为热节的缘故。

高温裂纹的断口形状,全部由小球状的凹凸面所组成。这些小球状凹凸面即是凝固时树枝状晶的端部,而热裂则是在凝固过程处于液膜状态时产生的。

如将沿裂纹深度方向上的断面研磨腐蚀后进行观察的话,则可看到脉状偏析,而且高温裂纹的端部与脉状偏析相连。这是因为凝固时在液膜期由于受到收缩而引起的拉应力作用,使结晶间分离和扩张,而成分浓缩的低熔点钢液向扩张处流去,在这种状态下凝固,在浓缩钢液不能充分补给的地方便形成高温裂纹。

产生高温裂纹通常有以下三个必要条件：

铸件受到由于体积收缩而产生的拉应力作用； 铸件中存在热节； 钢水补缩不充分。

铸件凝固冷却时产生收缩,如受到铸型形状的影响而不能自由收缩时,即产生拉应力,热节部分则由于受到应力集中的作用而产生高温裂纹。此时,如果浓缩钢液能够补缩裂纹则形成脉状偏析,如果不能充分补缩则形成高温裂纹。

因此,作为防止高温裂纹的措施,应是使铸型具有良好的退让性,以减轻拉应力。具体的说,就是采用高温下能燃烧分解的有机物作粘结剂或附加材料。其次是减轻热节,常使用冷铁和加强筋以加快热节的冷却。 （2）低温裂纹（冷裂）

在铸件冷却不均匀和收缩不充分的情况下,当冷却到常温附近时,即产生很大的内应力。因此,在到达常温附近的低温时,就以存在于拉应力作用部位的切口为起点,产生脆性开裂。这种脆性开裂称作低温裂纹，或称为冷裂,容易造成严重事故。冷裂纹的形状为一根长直线形龟裂,很少有分枝,断面大都象个劈开面,与高温裂纹不一样,很容易识别。

防止低温裂纹的根本措施,是采用可减小内应力的冷却方法。然而,实际中有很多困难,因此在可能产生低温裂纹的场合,在落砂时在铸件完全冷却到常温前就再加热,可缓和内应力并改善组织。 （3）气体缺陷

气体缺陷包括气孔、针孔和皮下气孔等各种名称的缺陷。在所有情况下,气孔的形状都带圆形，并且是具有光滑内表面的孔穴。这些气体缺陷在铸件所有部位都可能产生,但在铸件薄壁部分的表皮下面更容易产生。另外,在使用不干净的外冷铁和内冷铁的地方也容易产生气孔。

气体缺陷带有圆形的事实,表明了气体缺陷是在钢处于熔融状态时形成的。铸件凝固时,由于钢中氢、氧和氮的溶解度减少而析出,形成的气泡如不能上浮分离,便留在铸件内部形成铸钢件的气体缺陷。

气体的来源有存在于钢水中的气体,浇注过程中吸入的气体以及铸型内产生的气体。

因此,防止气体缺陷的基本措施是,在熔化精炼过程中进行脱气,并充分进行脱氧。浇注过程中吸入的气体，可以通过改善浇注系统来减少浇注时的涡流加以避免。最成问题的是铸型内产生的气体被钢水吸收的问题。其防止措施,主要是铸型透气性要好,使产生的气体尽快逸出铸型。

发气量特别大的铸型是湿型和有机粘结剂铸型。对于湿型重要的是控制浇注时的铸型水分。有机粘结剂常温自硬铸型中的钢水吸氢量比干型要大得多，但在铬铁矿砂铸型中钢水的吸氢量可减少到接近于干型。 （4）夹砂和夹渣

钢中的非金属夹杂物有脱氧产物和由外来夹杂物所造成的夹砂和夹渣等。

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脱氧产物形状细小，所以在铸钢中的问题不大。而夹砂和夹渣,一般比较大而且形状不规则。其产生的位置与气体相同，大都在铸件上表面的表皮下。

砂子的来源为,铸型局部开裂和受到冲刷而掉落下来的砂子，以及掉到浇道内的面纱和涂料等。熔渣则来源于钢包中与钢水一起浇入铸型中的熔渣,和浇道砖熔化下来的熔渣等。

防止的措施是设置浇注系统方案，彻底清扫浇道以及提高浇道砖的质量等,这样就可防止砂子和熔渣从浇注系统进入铸型。改善铸型质量,防止浇注过程中型砂的剥落也是有必要的。但是，对于无法防止进入铸型的砂子，则应在内浇口的位置上下工夫,使其集中到冒口中去，以避免残留在铸件本体中。 （5）包砂和冲砂

包砂和冲砂是铸型高温性能和浇注系统工艺不当所造成的表面缺陷。铸型表面由于热膨胀而突起，使铸件表面缺陷。有时相反，一部分铸型剥落，使铸件表面形状凸出，这类缺陷名称很多,即使是同一种现象也有不同名称,这点必须注意。

图7.1.3 包砂系缺陷的模式图

包砂缺陷的模式如图7.1.3所示。因中(a)称作鼠尾,它是由于钢水的流动作用,铸型受热膨胀,一部分型砂被推向铸件而形成的缺陷。在铸件表面呈不规则的细小线条。图中(b)称作鼠尾或膨胀型包砂,其产生原因与鼠尾基本相同,铸型表面的型砂剥离开来,但仍然和铸型连在一起而没有脱落,钢水钻入到开口的下面所形成的包砂。图中(c)称为包砂或冲砂。铸型膨胀开裂而剥落下来的砂子被冲到其他地方而形成的包砂，或冲砂和由浇入的钢水冲刷铸型而带走的型砂所形成的包砂两种,后者又叫作冲刷包砂。

为了防止产生这些缺陷,主要是减少铸型的热膨胀或热应力。石英砂在574℃发生相变,膨胀很大,如果添加可以在574℃以下燃烧并产生空隙的可燃物,则可减少铸型的热膨胀。这方面的附加物有木屑、淀粉、糊精、煤粉和沥青等。

此外,由于包砂是型砂从温度上升到100℃左右的铸型表面层的脆弱层剥落下来而形成的现象,因此提高该层的连接强度也是有效的防止方法。 (6)粘砂

一般把型砂粘附在铸件表面,造成清砂困难的现象称作粘砂。根据粘砂产生的原因,可按表7.1.8所示进行分类。

表7.1.8粘砂的分类 按 形 态 分 类 按 形 成 原 因 分 类 渗透型粘砂 钢水渗入铸型而形成的粘砂 化学反应而形成的粘砂 非渗透型粘砂 型砂烧结而形成的粘砂 渗透型粘砂:粘砂中最严重的就是渗透型粘砂。可以说这都是钢水渗透的结果，钢水渗透铸型内的砂粒间隙，然后凝固，这时钢和砂呈混合状态，牢固地

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粘附在铸件表面上，形成渗透粘砂。渗透型粘砂又称机械粘砂。

当钢水静压力超过下式临界渗透压力时即产生渗透：

2cospr

式中：p为临界渗透压力（达因/厘米2）；σ为钢水的表面张力（达因/厘米）；θ为钢水与铸型的润湿角；r为砂粒间有效空隙半径（厘米）。这些因素中可以自由变动的只有r，如果变小，则P增大，渗透就变得困难。减小r的方法有，造型时充分紧实和加入细粉以减小砂粒间隙。因此在干型等中配入大量细粉，或者使用锆砂也可以防止渗透。

但是，使用有机粘结剂的铸型，例如常温自硬铸型，当铸型与钢水接触而被加热时，粘结剂便分解燃烧而失去强度，即热强度显著降低。对于这类铸型即使配入细粉也不能起到防止渗透的效果。而使用铬铁矿砂则是最有效的防止渗透办法，这是因为铬铁矿砂如在1100～1300℃的温度范围内短时间加热，将由于固相反应而烧结，可以得到很高的热强度。

非渗透型粘砂:非渗透型粘砂的起因有化学反应引起的和由型砂熔融烧结引起的两种。前者是由于铸件表面形成的氧化铁和氧化锰与型砂即石英砂产生反应，生成硅酸铁等，牢固地烧结而形成的粘砂。后者是在型砂耐火度低及大量配用水玻璃等低熔点粘结剂的情况下，仅仅是由于受到加热引起熔融烧结而形成的粘砂。这些粘砂即使没有金属的渗透也会发生，但也有人认为这是渗透型和非渗透型粘砂复合的结果。 (7)起格子

起格子为铸件表面呈条状隆起，是由钢水流入铸型裂缝而产生的。铸型平坦部分也会产生起格子，但主要容易产生在铸型转角处。形成起格子的原因是砂的热膨胀量大，因此硅砂常温自硬铸型用于大型铸件时明显出现起格子。

加氧化铁可有效防止起格子。另外,如果使用铬铁矿砂,则可以完全防止起格子。

(8)冷隔和浇注不足

冷隔和浇注不足都是钢水流动性不足时产生的铸造缺陷。冷隔在铸件表面呈不规则线状,有壁厚部分分离的情况,也有壁厚全部都分离开的情况。另外,冷隔附近常密集着非金属夹杂物。造成这种现象的原因是浇入铸型内的钢水温度降低,钢水表面生成氧化膜之故。为了防止冷隔,应提高浇注温度并加大浇注速度。

浇注不足是指浇入的钢水没有完全充满铸型就凝固的一种缺陷,薄壁铸件容易产生浇注不足。 (9)缩孔

关于缩孔的产生原因及其防止方法,前面已作了详细叙述。它主要是冒口不能按照要求充分补缩时就产生缩孔,应特别注意铸件壁厚交叉的部分。 (10)显微缩孔

钢水凝固时形成树枝状晶，其主干凝固较快,而树枝状晶间由于溶质元素浓化，成为最后局部凝固的部分，因而形成微小的缩孔（显微缩孔），俗称缩松。普通铸钢件中,显微缩孔对铸件质量影响不大,但在要求铸件气密性的场合则应注意。这种缺陷与凝固特性有关，要完全防止是很困难的,但局部的使用冷铁,加快冷却速度则可以减轻缩松。

第4节 安全生产和职业卫生

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铸造行业是一门古老的、传统的热加工制造业，作业环境很恶劣，如：粉尘、噪音、高温等。如果作业环境不符合相关标准，易得职业病。需要经常了解国家和地方政在职业卫生和健康和环境保护方面的法律法规，平时要注意以下几点：

1．作业环境应配有防尘设备。

2．进入作业环境应穿戴规定的劳防用品：如工作服（鞋）、安全帽、口罩、噪音超标处应带防噪音耳塞等。

3．夏天配备高温休息室，做好防署降温工作。 4．定期给员工进行体格检查。

第2章 生产能力和设备

第1节 铸铁的生产能力和设备 1．熔炼设备

冲天炉、工频感应电炉、电弧炉、高频电炉、反射炉、回转炉等，我公司铸铁分厂的设备有：冲天炉、无芯感应熔炼炉、中频无芯感应熔炼炉、中频电炉、铝合金坩埚炉、铝合金时效电炉、铝合金淬火电炉、回转熔铜炉等。 2．造型设备

混砂机、送砂机、抛砂机、涂料搅拌机、振动落砂机、搅腊机等。

第2节 铸钢 1．熔炼设备

碱性电弧炉5吨、8吨各一台。 2．造型设备

混砂机、送砂机、抛砂机、涂料搅拌机、振动落砂机。 3．清理设备

多用碳弧气刨割焊机、火焰切割机、抛砂机、喷砂机、水力清砂机、直流电焊机、交流电焊机、氩弧焊机等。 4．检测设备

1）超声波探伤设备。

2）线探伤设备：同位素放射源Ir192，移动式X光机，便携式X光机，穿透能力可达0～100mm。 3）磁粉探伤设备。

第3章 技术准备及生产流程 第1节 铸件的技术准备 1．图样会审

1）结构合理性：考虑凝固特性；铸件的最小壁厚；最小铸出孔；铸件的铸槽等。

2）技术要求：材料要求（牌号、化学成分、性能指标等）；检测要求（内外质量等级，检验方法）等。

3）公司生产能力：根据公司现有生产能力，提出自制还是部分工序外协或采购。

2．工艺设计

依据：先阅读合同、技术协议、图纸及相关标准等，了解铸件的质量要求。 步骤：

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1） 分型面的确定 2） 加工面余量的确定 3） 冒口设计 4） 冷铁设计

5） 浇注系统设计 6） 缩尺的确定

7） 毛坯面工艺补正量的确定 第2节 生产流程

1． 铸件生产一般流程

配 料 装 炉 熔 炼

制 模 合 箱

配 料 混 砂 造型、芯 浇 注 开 箱 落 砂 清 理 热处理 检 验 出 厂

2． 本公司生产流程 1）铸铁分厂 （1）砂模铸造 配 料 装 炉 熔 炼

制 模

配 料 混 砂 造型、芯 合 箱

浇 注 开 箱 落 砂 清 理 去除浇冒口

表面清理 检 验 缺陷补焊 检 验

热处理 交 库

（2）熔模铸造

压型制造 熔模组合 制模及浇注系统 压型设计

重复数次

上涂料及撒砂 模壳硬化及干燥 熔化熔模（脱蜡） 第 13 页 共 29页

合金熔化 炉料准备 模料回收

模壳焙烧 浇 注 脱 壳 去除浇冒口 清 理 检 验 缺陷补焊 热处理 抛 丸

检 验 入 库

2）铸钢

（1）大型或重要件（需要二次加工） 配 料 装 炉 熔 炼 浇 注 制 模 混 砂 造型、芯 合 箱 开 箱 清 理 去除浇冒口等 （退 火） 合格 性能热处理 初加工 UT、MT尺寸检查 去除缺陷 不合格 不合格 不合格 MT 焊补（缺陷、尺寸偏差） 除应力 UT、MT 不合格 合格 尺寸检查 交库、进入精加工 合格

（2）实心阀壳

配 料 装 炉 熔 炼 制 模 混 砂 造型、芯 合 箱 开 箱 清 理 去除浇冒口等 合格 初加工 热处理 UT、MT、尺寸检 浇 注 退 火 去除缺陷 不合格 不合格 MT 焊补（缺陷、尺寸偏差） 除应力 UT、MT 第 14 页 共 29页

不合格 合格

尺寸检查 交库、进入精加工

合格

（3）小型或非重要件 配 料 装 炉 熔 炼 浇 注 制 模 混 砂 造型、芯 合 箱 合格 开 箱 清 理 去除浇冒口等 热处理 不合格 MT VT或UT或 MT、尺寸检查 去除缺陷

焊补（缺陷、尺寸偏差） 除应力 UT、MT 尺寸检查 进入加工

第4章 典型零件工艺介绍

铸造工艺方案的确定受多方面因素的影响，如铸件结构、重量、尺寸、使用要求、材质以及各厂家生产条件等。因而必须指明，本章所介绍的是我公司生产条件下的铸造工艺，仅供参考。

我公司铸件工作时一般都要承受高温高压，产量属于单件、小批量生产，由于其生产过程复杂，周期长，花费人力物力大。因此铸造工艺要特别细致、严格、妥当。

对重要的铸钢件铸造工艺应特别注重控制铸件的凝固、浇注系统的合理配置、冒口冷铁的相互配合、铸型与砂型的排气、砂箱的制作等。在操作方面也应严格按照“三按”生产。这些对保证质量、降低成本具有重要的意义。

对重要的铸铁件铸造工艺方案中的浇注位置和分型面的确定是根据零件的结构特点、技术要求、生产批量、车间的生产条件等因素来确定的。这对保证铸件质量有重大的影响，而且与模型、芯盒和砂箱等工艺装备的结构、砂芯的数量、浇注系统的开设以及造型和合箱操作工序等都有十分密切的关系。因此浇注位置和分型面的确定，应该在对具体的零件进行综合分析的基础上，灵活应用，当产生矛盾时，应按其中的主要矛盾来确定。

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1．半环类

工艺方案有二种： 1）平做平浇 名 称 隔板 材 质 ZG230-450 缩 尺 10～20‰ 冒 口 明冒口3只 其 他 防变形拉棒一根

2）平做竖浇 冒口拉棒冒口浇注系统上名 称 材 质 缩 尺 冒 口 其 他 隔板 ZG230-450 10～20‰ 明冒口2只 防变形拉棒一根 下 第5章 造型材料

造型材料是铸造生产的基本要素，也是铸造生产中影响铸件质量及其生产成本的最重要因素之一，一直都是铸造工作者所关心的热点。铸造的基本特点是将液态金属注入有特定形状内腔的铸型，待其凝固并冷却后，即得到形状与铸型内腔相同的金属铸件。

所有用于制造铸型的材料都可称之为造型材料。在现代铸造生产中，用砂型制造的铸件约占铸件总产量的90%，本章造型材料介绍的仅是砂型铸造。 1．造用原砂 1）硅砂

（1）硅砂的来源及分类

铸造用硅砂是指二氧化硅（SiO2）含量大于或等于75%，粒径在0.053~3.35mm之间的石英颗粒。石英密度为2.65g/cm3，莫氏硬度7级，纯石

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英的熔化温度为1713℃。我国铸造生产中使用的硅砂根据其来源和加工方式可分为天然硅砂和人工硅砂两大类。

天然硅砂是由火成岩经过风化或变质作用，逐渐破碎、细化，然后经水流或风力的搬运沉积而形成的砂矿。

人工硅砂是将石英岩或石英砂岩经人工破碎筛选而成，其二氧化硅含量比天然硅砂高，但粒形不佳，多为尖角形。 （2）硅砂的性能和技术条件

硅砂的主要矿物成分为石英。石英在加热和冷却过程中发生同质异构结晶结构的变化，如图7.5.1所示。铸型在浇注条件下，当铸型温度上升到573℃时，发生β石英向α石英的转变，体积膨胀出0.45%；870℃时， 发生α石英向α

870℃1470℃1713℃α-石英 α-鳞石英 α-方石英 溶液（石英熔体）5.1%1.05%573℃0.45%β-石英163℃0.06%β-鳞石英117℃0.27%γ-鳞石英180~270℃1.05%β-方石英急冷石英玻璃鳞石英的转变，体积膨胀出5.1%。 图7.5.1 石英的相变温度及线膨胀率

硅砂中的杂质主要为长石、云母、铁的氧化物、碳酸盐及碱金属和碱土金属的氧化物等。它们的存在降低了砂子的耐火度和耐用性。 （3）硅砂的分级

铸铁件用硅砂见表7.5.1, 铸钢件用硅砂见表7.5.2。

表7.5.1 铸铁件用硅砂等级

项 目 二氧化硅含量（%） 指 标 优等砂 ≥93 一等砂 ≥90 合格砂 ≥85 第 17 页 共 29页

含泥量（%） 角形系数

≤0.1 ≤1.3 ≤0.3 ≤1.45 ≤0.7 ---- 表7.5.2 铸钢件用硅砂等级

项 目 二氧化硅含量（%） 含泥量（%） 角形系数 （4）铸造用硅砂的牌号 X X-X X X/X X X（X X X）平均细度值主要粒度组成尾筛号主要粒度组成首筛号SiO 分组代号2铸造用硅砂(铸、硅、砂的汉语拼音第一字母)指 标 优等砂 ≥98 ≤0.2 ≤1.3 一等砂 ≥97 ≤0.5 ≤1.45 合格砂 ≥96 ≤1.0 ---- 2）特种砂（非硅质砂） 特种砂相对于硅砂而言，又称非硅质砂。一般都具有很高的耐火度和热化学稳定性，适用于大型铸铁件、铸钢件和合金钢铸件。 （1）锆英砂 锆英砂的主要矿物组成为硅酸锆（ZrSiO4）。锆英砂具有很高密度和高的导热性，其良好的激冷效果可用来产生较大的热梯度，促进定向凝固，得到致密铸件。锆英砂的热膨胀系数非常低，可消除膨胀方面引起的缺陷。锆英砂比硅砂的耐火度高，而且它不与氧化铁发生反应，从而可避免粘砂类缺陷。 （2）铬铁矿砂

铬铁矿砂的主要矿物成分为FeO.Cr2O3，其有害杂质为CaCO3、MgCO3等。铬铁矿砂的密度大且导热性高，因而具有明显的激冷效果。它的抗粘砂能力要比锆英砂强，但酸耗值稍大些，因此用于呋喃树脂所需酸硬化剂量就要大一些。

铬铁矿砂中不能混入硅砂，否则造成耐火度明显下降，再生也困难。

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（3）刚玉砂

从高锆钒土中精选出较纯的Al2O3，再经高温（2000℃）电熔，使Al2O3再结晶成α- Al2O3晶体，称为刚玉。铸造用的刚玉砂有白刚玉和棕刚玉，其Al2O3含量前者≥97%，后者≥92.5%。刚玉砂的导热性好，高温时体积稳定且不易龟裂破坏，是一种中性耐火材料。 （4）橄榄石砂

橄榄石砂是由橄榄石矿石经破碎、煅烧等加工而成，主要矿物组成为镁橄榄石（Mg2SiO4）与铁橄榄石（Fe2SiO4）的固溶矿物（Mg，Fe）2SiO4。镁橄榄石含量愈高，其耐火度愈高。橄榄石砂主要用于生产锰钢铸件（这种铸件能同硅砂及其它砂子发生反应而造成严重的化学粘砂缺陷）。橄榄石砂的酸耗值非常高，不适用于酸固化的树脂粘结剂。 表7.5.3 常用特种砂的物理性能 特种砂名称 硅砂 锆英砂 铬铁矿砂 橄榄石砂 刚玉砂

2．造用粘结剂 1）粘土

美国陶瓷学会给粘土的定义是：粘土是细粒的岩矿，将其粉碎以后，加水润湿，即呈可塑状态；将这种可塑状态的含水物质烘干，则成为硬的块状物，将其脱水后的块子在高温下烧结，则成为坚实的岩石样块状物。

按此定义，可称为粘土矿物的品种有：膨润土、耐火粘土、伊利土、硅镁铝上等。 2）膨润土

膨润土的主要矿物相是蒙脱石，此外为伴生的杂质。蒙脱石是三层结构的片状晶体，晶体单元间的连接不坚固，所以膨润土吸水能力强，吸水后体积膨胀大，湿态粘结性能也较好。铸造膨润土按其主要交换阳离子种类可分为：钠基膨润土、钙基膨润土、钠钙基膨润土、钙钠基膨润土。

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物 理 性 能 密度（g/cm3） 2.65 4.66 4.52 3.30 3.80 耐火度(℃) ＞1690 ＞1700 ＞1900 ＞1910 2000~2500 莫氏硬度（级） 热膨胀率(%) 7 7~8 5.5~6 6~7 9 1.9 0.45 0.6 1.1 —

3）耐火粘土

耐火粘土主要组分是高岭石类矿物。高岭石是二层结构的片状晶体。由于晶体单元间的连接紧固，耐火粘土的吸水能力弱，吸水而致的体积膨胀不大，湿态粘结性能也较差。不过由于耐火粘土Al2O3/SiO2的比值较高，它的熔点和软化点比膨润土高得多，所以称为耐火粘土。 4）铸造用水玻璃

水玻璃是一种可溶于水的硅酸盐，别名泡化碱。铸造生产所用的水玻璃一般指钠水玻璃，其化学式为Na2O·mSiO2·nH2O。水玻璃的硬化方法有以下几种：加弱酸法（CO2气体或有机酯）、加粉法（硅酸二钙、硬石膏等）、脱水法。其中用CO2气体和液体有机酯硬化剂是水玻璃砂最广泛使用的硬化工艺。水玻璃粘结剂无味，对健康无害，但其粘结强度不如树脂砂高，而且由于是无机粘结剂，受热不会烧掉，所以浇注以后型（芯）砂的溃散性成为问题。 5）油类粘结剂

植物油粘结剂应用最多的是桐油和亚麻油。它们都属于干性油，这些干性油与空气接触和受热时产生聚合而固化，制成的油砂芯经浇注后，溃散性非常好，故特别适用于制作薄、细和形状复杂的砂芯，且能获得光洁内腔的铸件。 6）铸造用合成树脂粘结剂

合成树脂是以尿素、甲醛、苯酚及糠醇等为主要化工原料，在一定催化剂作用下，经过缩聚而成的高分子量的化合物，如呋喃树脂、酚醛树脂等。合成树脂按其加热后的变化情况可分为热固性树脂和热塑性树脂两大类。同时可按树脂的化学结构将其划分为：呋喃树脂、酚醛树脂和酚脲烷系树脂三大类。 （1）自硬法用树脂粘结剂

自硬法用树脂是在常温下加入固化剂能自行硬化的合成树脂粘结剂。根据使用固化剂种类不同，这种树脂又可分为三类：酸固化的呋喃树脂、酯固化的碱性酚醛树脂和酚脲烷系树脂。 （2） 酸固化呋喃树脂及其固化剂

呋喃树脂一般由糠醇和尿醛或酚醛树脂按一定比例缩聚而成。固化剂多用磺酸类。

（3）酯固化碱性酚醛树脂及其固化剂

碱性酚醛树脂一般由苯酚和甲醛，在KOH或NaOH碱性物质催化作用下，缩聚而成，具有低气味、低毒性、铸件热裂倾向小等一系列优点。固化剂通常

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采用有机酯，如甘油醋酸酯等。 （4）酚脲烷系自硬树脂

该树脂系统由三组份组成。组分I为聚苯醚酚醛树脂、组分II为聚酚异氰酸，组分III为胺类催化剂。 （5）壳型（芯）覆膜砂用树脂

该树脂是由苯酚和甲醛，以酸为催化剂合成的高分子化合物。是一种热塑性固体酚醛树脂。覆膜砂的覆膜有热法和温法两种。热法覆膜是将砂子加热到130℃左右后，加入到间歇式混砂机里，把固态树脂颗粒加入，砂子的热量使树脂溶化，使之包覆在砂粒上。再加入六亚甲基四胺水溶液和硬脂酸钙润滑剂，使砂子冷却到树脂熔点之下。把覆膜砂破碎到砂粒大小，最后冷却至室温。温法覆膜是将砂子加热到50℃，把六亚甲基四胺和润滑剂一起加入到间歇式混砂机里，把溶于酒精中的树脂加入并向混砂机吹入温空气使溶剂挥发，砂子上均匀地覆上一层树脂膜。把砂块破碎并冷却，覆膜砂就可使用。

壳型法：将覆膜砂倾入在预热到240~290℃的模板上或芯盒中，在经过一定时间硬化后，通常大约为2min，把模板翻过来把未硬化的砂子倒回砂斗，留下一个20~25mm厚的壳型，从模板上顶下来。冷却后，把两个半型用热熔性粘合剂胶连起来。

（6）热芯盒法用树脂及固化剂

热芯盒法用树脂有糠醇改性的尿醛树脂或酚醛改性的尿醛树脂。固化剂常用酸类或酸性盐。

热芯盒法：将砂子同粘结剂和固化剂混合，射入到加热至250~300℃的芯盒里，热量使酸蒸汽从固化剂中释发出来，促使树脂迅速硬化。砂芯从芯盒中取出来以后继续硬化，直到完全硬化。 （7）冷芯盒用树脂及固化剂

冷芯盒用树脂有两组份系统组成，第一组分为聚苄醚酚醛树脂，其中加有溶剂以使粘度降低而便于混砂，第2组份是聚异氰酸酯，一般采用4，4’二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）。固化剂通常采用易挥发的三乙胺（TEA）或二甲基乙胺（DMEA），这两种胺在常温下都是液体，需用蒸发器使其成为蒸汽，然后再将与载体气体混合，作为硬化气体，导入芯盒。载体气体目前多用CO2或氮。 3．型（芯）砂

型（芯）砂又称造型混合料，是将原砂、粘结剂和附加物混合而成的混合

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物。 1）粘土砂

粘土砂制成的铸型，如不经烘干在湿态下浇注金属液，称为粘土砂湿型，一般适用于中小型铸件。如经烘干后再浇注，则称为粘土砂干型，适用于大型或厚重的铸件。

（1）粘土湿型砂（简称湿型砂）

砂粒之间原本是松散的，需要加入粘结剂将其粘结起来，使其具有强度才能用以制造铸型（芯）。湿型砂所用粘结剂以粘土为主（多为膨润土），在此基础上加入不同的辅料，以适应不同要求。用粘土作粘结剂时，水是一个重要因素，因为单是粘土并不能使型砂具有强度，只有在它和水混合成粘稠的粘土膏后，才具有粘结能力。

湿型砂的旧砂可反复使用，每次补加一些水、新粘土、煤粉之类的辅助物，再进行混辗，便可恢复其原来性能。但随着旧砂的反复使用，含泥量增加，砂粒破碎，烧结的煤粉、死粘土粘附在砂粒表面，这些都会影响到湿型砂性能，故对旧砂的一些指标必须定期检测。 （2）粘土湿型砂的调制

要想使粘土湿型砂具有最佳性能，混砂这个环节非常重要。湿型砂中的粘土膏的粘度比油、水玻璃、树脂等铸造用粘结剂高得多，混砂机必须兼有混合和辗压作用，才能使各种混合料混合均匀，每颗砂粒表面均匀包覆一层粘结剂膜。

合理的加料顺序，不但能减少混砂所需要能量，而且能明显缩短混砂时间，且能同样达到最佳强度。我们混砂时习惯先加干料（砂和粘土），干混一定时间，然后加水混匀。这样在混干料时易使粉尘飞扬，同时需要较长混砂时间。如果先使砂和水混匀，后加粉状粉，因为水已分散，没有水滴存在，加入粘土后只能形成大量较小的粘土球，压开这些小粘土球就比较容易，需要能量较小。也就是说，用同样混砂设备，得到质量相同的型砂，所需的混辗时间就短。

刚混好的湿型砂原则上不主张马上使用，因为在实际生产条件下，混砂时间不可能完全充分，这就需要进行“回性”处理，也就是说把刚混好的型砂，将其送到具有一定容积的容积斗中，让粘土自行再吸水膨胀完成充分调制过程，这样的型砂才具有最佳性能。 （3）粘土湿型砂的强度

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粘土湿型砂中起粘结作用的是粘土经水调制而成的粘土膏，水分的增加有利于粘土膏的形成，型砂的强度也随之提高。到水分刚能完全浸润粘土时，全部的粘土都成为粘稠的粘土膏涂覆在砂粒表面上时，型砂的强度达到峰值。超过这一极限以后，再增加水分，粘土膏变稀，粘度下降，型砂的强度也急剧下降。

用膨润土配制湿型砂时，不管膨润土加入量如何，型砂抗压强度的峰值，都出现在粘土膏的水分为25%。

用耐火粘土作型砂的粘结剂时，因吸水能力低，要达到型砂峰值强度所对应的粘土膏水分约为15~17%。 （4）粘土砂干型

粘土砂干型由于烘干后提高了强度和透气性，减少了发气量，对于预防砂眼、胀砂和气孔等缺陷非常有利，但由于生产周期长，退让性和溃散性差，又由于需进窑烘干，恶化了生产条件和环境，故现已基本上被各种化学粘结剂砂所取代，并逐渐被淘汰的趋势。

2）化学粘结砂

造型（芯）用的化学粘结剂有各式各样，主要是各种有机合成树脂或水玻璃，还有一些其它无机粘结剂，例如：水泥，是最早使用的粘结剂；硅酸乙酯，用于熔模铸造；硅溶胶，也用于熔模铸造。 （1）化学粘结剂的硬化方式 a. 自硬砂法（亦称不烘干或冷硬法）

用化学粘结剂砂制成铸型（芯）后，通过硬化剂的作用，化学粘结剂发生不可逆的交联反应而硬化，从而赋予铸型（芯）必要的强度。

由于粘结剂和固化剂，一接触就开始反应，混好的型砂应有有限的工作时间，即称为可使用时间。在这个时间内必须完成制作型（芯）的工作。如果超过这个可使用时间，型（芯）的终强度就会降低。

可使用时间通常定义为型砂混合料的抗压强度达到0.1Mpa之前的这段时间。可使用时间通常约为脱模时间的1/3~1/4，可以通过控制硬化剂的种类和加入量进行调节。

脱模时间通常定义为混合后的型砂达到抗压强度为0.35Mpa的这段时间，达到这个强度值时，大部分铸型（芯）都可以起模，不会损坏或出现变形的危险。

终强度（最高强度）通常定义为完全硬化后的型砂所能达到的抗压强度。

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铸型（芯）通常不必取得最高强度之后进行浇注，通常达到最高强度80%的时候就可以浇注。 b. 加热硬化法

混砂时加入的粘结剂和在常温下不起作用或作用微弱的潜硬化剂，用此种混合料制成铸型（芯）后，一经加热，潜硬化剂就起作用，从而使粘结剂硬化。 c. 吹气（雾）硬化法

砂子和粘对剂先混合，造型（芯）后，吹入气态固化剂或雾化于气体介质中的液态硬化剂，使其弥散于铸型（芯）中，从而使粘结剂发生硬化反应。硬化是在几秒钟之内进行的。 （2）树脂砂 a. 呋喃树脂自硬砂

呋喃树脂自硬砂是采用呋喃树脂和酸硬化剂。树脂有尿醛酚醛和酚尿醛，均加入糠醇改性。硬化速度由使用的酸硬化剂加入量和酸的浓度来控制。树脂加入量通常为0.8~1.5%，固化剂的加入量为树脂的30~60%，前者取决于砂子的质量，后者取决于砂温和对固化速度的要求。 b. 酯硬化碱性酚醛树脂砂

碱性酚醛树脂是一种低粘度、高碱性甲阶酚醛树脂，硬化剂为液态有机酯。砂子同硬化剂和树脂通常在连续式混砂机内进行混合。树脂加入量通常为1.2~2.0%，硬化剂为树脂加入量的20~30%。固化速度取决于所使用酯的种类。 c. 尿烷树脂自硬砂

这类粘结剂由三部分组成，组分1是含羟基的酚醛树脂；组分2为聚异氰酸酯；组分3为液态胺（固化剂）。组分1和组分2在组分3催化作用下，胺就会使树脂和聚异氰酸酯发生反应，生产出尿烷粘对剂，从而使型砂混合料很快发生固化。由于树脂反应过程中不产生任何低分子物质，因而不会出现砂型（芯）内外硬化速度不同的现象，硬透性非常好。树脂的总加入量（两组分之和）通常为砂子的1~2%，第一组分与第二组分之比为55:45或60:40，固化剂的加入量为第一组分的0.4~0.8%。 d. 水玻璃砂

水玻璃是一种可溶于水的硅酸盐。水玻璃的硬化方法有以下几种：加弱酸法（CO2气体或有机酯）、加粉法（硅酸二钙、硬石膏等）或脱水法。其中用CO2气体和液态有机酯硬化剂是水玻璃砂最广泛使用的硬化工艺。

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吹CO2硬化水玻璃砂：把砂子和水玻璃混合，把混合好的型砂射入或舂入芯盒或模样周围，将CO2气体吹入紧实的铸型（芯）使之硬化。吹CO2硬化水玻璃砂所用水玻璃都为中低模数，模数为2.2~2.5，密度1.4~1.6g/cm3。水玻璃加入量通常为5~7%，吹CO2气体压力控制在0.1~0.15Mpa，吹气时间通常为10~60S。

真空置换硬化法（VRH）水玻璃砂：把砂子和水玻璃混合，并制成铸型（芯），送入真空容器内，进行抽真空脱水硬化，然后再向容器内吹入CO2气体，进行化学硬化。这种双重硬化提高了水玻璃粘结强度，可大幅度降低水玻璃加入量，节约CO2气体，从根本上改善了水玻璃砂的溃散性，有利于旧砂的再生和回用。水玻璃加入量一般为2.5~3.5%，吹气压力控制在20~30Kpa，吹气时间常用为30~40S。

酯硬化水玻璃砂：砂子同水玻璃和10~12%（按水玻璃量）液体有机酯硬化剂进行混合。酯水解后析出的酸同水玻璃反应并使之胶凝，将砂子粘结硬化速度取决于有机酯种类，通常水玻璃加入量为2.5~3.5%。有机酯硬化剂通常是：二醋酸甘油酯（快速）、二醋酸乙二醇（中速）、三醋酸甘油酯（慢速），也可以根据生产实际情况，把以上三种不同硬化速度的有机酯按一定比例互相渗合，配制出特殊需要的有机酯硬化剂。 3）油砂

油砂是干性或半干性植物油，例如桐油，亚麻油作为粘结剂配制而成的芯砂。这些干性或半干性油与空气接触和受热时产生聚合而固化。砂子同干性油或半干性油和为提高湿强度而加入的粘土、糠浆、糊精等，水相混合，混好的油砂即可装填到芯盒里。油砂芯经高温浇注后，溃散性相当好，故特别适用于制作薄、细和形状复杂的型芯，以获得具有光洁内腔的铸件。 4．旧砂的再生

采用砂型铸造工艺，型砂消耗量是很大的。一般情况下砂铁比为5~10:1，也就是说，型（芯）砂的消耗重量为浇注金属的5~10倍，这样大量的型砂，如经一次浇注之后就扔掉，不仅浪费材料，增加生产成本，而且对废砂的处置，势必造成严重的环境污染。所以对旧砂的再利用，历来是铸造工作者所必需考虑的一个重要课题。

铸造生产中，旧砂的利用基本上有两种方式，那就是回用和再生。 粘土旧砂中大部分粘结剂没有发生不可逆变化，只要除去混进的杂质，经

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过冷却，再经混砂机调制，就可以恢复原来的性能，这种处理方式称做旧砂回用。到目前为止，只有粘土粘结的型砂才能回用。

用化学方式硬化的型（芯）砂的旧砂，不能用机械方法使其中粘结剂恢复到原来的状态，必须把砂粒表面已硬化的粘结膜除掉，脱除到再加粘结剂时对型砂性能没有不利影响的状态，这种处理称做旧砂的再生。各种树脂砂、水玻璃砂等属于必须再生处理。 1）机械磨擦法再生（干法再生）

其原理是先将旧砂块破碎，经磁选后将金属和砂子分开，再将砂块破碎至单个砂粒大小。再进行机械磨擦，尽可能除掉残存在砂粒上的粘结剂膜，同时还尽可能避免砂粒破碎。接下去进行风选，以除去粉尘、细砂和粘结剂膜，将砂子冷却到室温，进入储砂库备用。可以说这种再生方法成本较低且比较实用。 2）湿法再生

其原理是将旧砂块破碎，经磁选再破碎成单个砂粒，用机械搅动进行水洗，然后进行砂子和水的分离，最后将砂子烘干、冷却进入储砂库。将污水经处理后才能排放。湿法再生特点是再生设备复杂，费用高，占地面积大，对水玻璃砂来讲，有较好的再生效果。 3）热法再生

其原理是将已破碎成单个砂粒的旧砂在氧化气氛窑中加热到约800℃，并保持一定时间，把残余粘结剂全部烧掉，然后进行冷却分级。这种再生方法可以使有机粘结剂的型砂得到100%的再生，由于加热需要大量热能，因此热法再生的成本很高。 （1）再生的应用典型

呋喃树脂自硬砂旧砂的再生：呋喃树脂自硬砂旧砂可采用机械磨擦法使90%以上的得到再生回用。只有磺酸类硬化剂固化的砂子才可以再生。使用再生砂可使粘结剂减少0.15~0.20%的加入量，并且相应减少硬化剂比例用量。

酯硬化水玻璃砂的再生：酯硬化水玻璃砂旧砂可以用机械磨擦法再生，但其再生率很低，不到50%，热法再生效果也不好，但可用湿法再生，其效果可达到80%以上。近年来，改性水玻璃砂的应用，使水玻璃加入量明显降低，据报道可降至2.0%左右的低水平，这样的话，水玻璃砂的残留强度明显改善，再生效果也有不同程度提高。目前，常用再生方法是采用机械磨擦法同时，增加一套加热装置，也就是说干法再生和热法再生结合起来，这使得再生效果可达

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到85%以上。

酯硬化酚醛树脂砂的再生：酯硬化碱性酚醛树脂砂旧砂一般采用机械磨擦法再生，其再生效果在70%左右，如果在再生砂中钾含量超过0.15%，就会造成再生砂的可使用时间缩短和强度降低，而无法使用。 5．铸造涂料

铸造涂料是涂覆于铸型（芯）表面上的涂料，是提高铸件表面质量的重要手段。铸型涂料的用量约占型（芯）砂总重的1.0~2.0%。 1）铸造涂料应具备的性能

较高耐火度和热化学稳定性。

良好悬浮性、涂刷性、流平性、渗透性。 良好的表面强度及抗裂性。

发气量少，对人体无害，不污染环境。 2）铸造涂料的组成及分类

涂料组成部分应含有：耐火骨料、粘结剂、载体、悬浮稳定剂、活性剂等。铸造涂料按涂料中载体可将其分为水基涂料。醇基涂料和有机溶剂自干涂料。 3）铸造涂料的使用方法

铸型（芯）上涂料的主要方法有：浸涂法、刷涂法、喷涂法、流涂法等。 4）铸造涂料层厚度的确定

涂料层在脱除载体以后会有很大的体积收缩，由于载体的密度比耐火骨料小得多，体积收缩将会有30~50%，并全部反映在涂料层厚度方面。

涂料层厚度的选取：薄壁铸件0.15~0.30mm，中型铸件0.30~0.75mm、厚壁铸件0.75~1.0mm、特厚铸件1.0~2.0mm。

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序号 1 2 3 4 5 6适用范围附表1 钢铁铸件典型型（芯）砂配比与性能及配制工艺配比（按重量百分比）钠钙粘耐基基硅土火膨膨砂旧粘润润砂土土土1285~707.0~7.54.0~6.07.05.0 性能要求粒度要求湿压强度干压干剪180强度℃*1hMpa20/407.00.065≥≥~~2000.148.00.08510.0≥~8011.57.0~8.0≥200.028≥~0.300.0400.03~0.04≥0.35配制工艺24h抗按配比成分的编号简述混砂工压艺强度型砂名称桐油糖浆鳞呋酚片水硬喃醛石玻化树树墨璃剂脂脂粉89101112硅烷水湿分透%气343.0~5.056713粘土砂桐油砂钢锭模砂酯硬化水玻璃砂呋喃树脂自硬砂酯硬化碱性酚醛树脂砂铸铁件铸钢件铸铁件铸铁件钢铁铸件钢铁铸件钢铁铸件15~30100混1~2分混8~10分①②④水卸砂①③⑤7水卸砂①④⑧②混6分混45分⑥水卸砂①②④⑤混1~2分7.0~7.53.50.520/40混1分混8~12分混1~3分1001.50.550/10060401.03.5~4.00.8~1.220/406.50.067≥~~4007.50.087≥150⑦混10~12分水卸砂1000.35~0.4540/70或50/100≥4.0≥45~75秒0.20⑨混卸砂①⑿混45~75秒1000.2~3.30~5040/700(占树或(占树50/100脂)脂)1.5~2.020(占树脂)40/70或50/100≥150混45~75秒≥①⑿≥4.00.20混45~75秒⑩卸砂混45~75秒≥①⑿≥4.00.20混45~75秒⑩卸砂100≥150第 28 页 共 29页

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