淺談鑄造中造型材料的配制

崔永廣

河南科技學(xué)院高職學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453600

鑄造是指將金屬通過(guò)加熱使其融化，而后澆注型腔，從而形成具有一定形狀和性能的鑄件的一種成型方法。

鑄造的方法很多，一般我們將鑄造分為兩大類(lèi)砂型鑄造和特種鑄造，其中砂型鑄造是通過(guò)用沙子做成型腔和型芯，加工鑄件的方法，因?yàn)樯白颖容^便宜，所以該種方法成本上比較低，因而砂型鑄造在實(shí)際應(yīng)用中更為廣泛。例如，在企業(yè)中的重型設(shè)備和金屬切削機(jī)床的殼體都是鑄件，通常能夠占所有鑄件總重量的70%-90%；還有通過(guò)砂型鑄造生產(chǎn)的汽車(chē)零部件占汽車(chē)零部件總量的30%-70%。在砂型鑄造中，砂子形成的砂型和砂芯對(duì)鑄件的質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生直接的影響，如果砂子質(zhì)量不好很可能造成鑄件砂眼、氣孔和夾砂等缺陷，因而在實(shí)際應(yīng)用中我們一定要對(duì)該成分的質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)[1]。

1 造型材料的基本性能要求

造型材料一般可以分為型砂和芯砂兩種，用于制造鑄件外形的材料通常我們稱(chēng)之為型砂；而用于制造鑄件內(nèi)部形狀的材料稱(chēng)為芯砂。型砂和芯砂的性能對(duì)鑄件的質(zhì)量有很大的影響，如果選用不當(dāng)很可能造成如砂眼、夾砂、氣孔、裂紋等鑄造缺陷，而決定質(zhì)量好壞主要是其性能，其性能包括強(qiáng)度、可塑性、透氣性、耐火性和退讓性等。

1.1 濕壓強(qiáng)度

濕壓強(qiáng)度是指型砂和芯砂在潮濕情況下的強(qiáng)度，其濕壓強(qiáng)度對(duì)造型材料有非常大的影響，如果太軟，會(huì)在金屬液體澆注的過(guò)程中，造成型砂和芯砂沖散，從而會(huì)影響鑄件質(zhì)量；反過(guò)來(lái)如果強(qiáng)度太大，由于液態(tài)金屬在凝固過(guò)程中會(huì)伴隨著熱脹冷縮，而其高強(qiáng)度會(huì)阻礙鑄件的變形，從而直接導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生應(yīng)力集中甚至?xí)?dǎo)致鑄件裂紋等缺陷。

1.2 可塑性

型砂和芯砂的可塑性是指在原來(lái)的外力下變形，當(dāng)撤去外力后能很好的維持現(xiàn)有形狀的性能，當(dāng)型砂有好的可塑性時(shí)可以使鑄件易于鑄造成型，而且該成型的精度也會(huì)非常理想，當(dāng)時(shí)型砂和芯砂的可塑性與砂子的顆粒度和黏土量等都有很大的關(guān)系，一般情況下砂子的顆粒度越大，黏土比重越大，該砂型的可塑性就越好。

1.3 透氣性

液態(tài)金屬澆注型腔的時(shí)候溫度很高，型腔中的水分會(huì)瞬間氣化，為了保證鑄件的質(zhì)量，需要將該氣體排出，而該氣體排出去能力就是透氣性，芯砂的透氣性與砂子的顆粒度、黏土量和水分都有著非常大的關(guān)系，如果透氣性差，將導(dǎo)致氣體排不出去，這個(gè)時(shí)候鑄件就會(huì)出現(xiàn)澆不足或者氣孔大等缺陷。通常情況下顆粒度越大，型砂和芯砂的透氣性是越好的，黏土量越大，通常情況下型砂和芯砂的透氣性就會(huì)有所下降，同時(shí)我們還要合理選擇水分的量，因?yàn)闀?huì)存在某一個(gè)量值將會(huì)使型砂和芯砂的透氣性最好[2]。

1.4 耐火性

型砂的耐火性是指當(dāng)澆注液態(tài)金屬時(shí)，砂型和砂芯在承受高溫時(shí)能否依然保持自己的原有狀態(tài)的能力，如果型砂和芯砂的耐火性不好，將會(huì)使型腔出現(xiàn)缺陷，從而直接影響鑄件的質(zhì)量。一般情況下型砂和芯砂的耐火性與型砂和芯砂中的SiO2有著直接的關(guān)系，如果型砂和芯砂中的SiO2含量高，則型砂和芯砂的耐火性也就越好。砂子的顆粒度也會(huì)對(duì)耐火性形成影響，通常顆粒度越大則型砂的耐火性也將越好。

1.5 退讓性

通常鑄件在凝固時(shí)，型砂和芯砂可以被壓縮的能力成為型砂和芯砂的退讓性。如果型砂和芯砂的退讓性不好，將直接阻礙鑄件的熱脹冷縮，這個(gè)時(shí)候阻礙了鑄件的變形，從而也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，甚至嚴(yán)重的話會(huì)產(chǎn)生裂紋。

除了以上的性能，型砂還應(yīng)該具備良好的復(fù)用性，否則將造成材料的嚴(yán)重浪費(fèi)，從而也將直接導(dǎo)致成本的提高。

在澆注的過(guò)程中因?yàn)樾旧疤幱谧顑?nèi)部，它四周都被金屬液體所包圍，從而它的四周的溫度就會(huì)急劇上升，這個(gè)時(shí)候?qū)π旧暗目简?yàn)相對(duì)于型砂也更為嚴(yán)峻，因此通常情況下，在選擇砂芯材料時(shí)，我們也提出了更高的要求，我們不僅要保證芯砂的塑性、透氣性、濕壓強(qiáng)度和退讓性要好，還要保證它的耐火性也要好，只有這樣我們才能保證芯砂在鑄造的過(guò)程中不出問(wèn)題。相反的，在型砂的選擇上我們可以適當(dāng)降低要求，這樣也在一定意義上降低了生產(chǎn)成本。

由上可知，型砂和芯砂的質(zhì)量對(duì)鑄件的質(zhì)量有著非常直接的影響，因而通常情況下我們都不是直接將型砂和芯砂進(jìn)行砂型和砂芯的制造，而是通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定沒(méi)有問(wèn)題了，才用其進(jìn)行砂型和砂芯的制造，因而在實(shí)際的生產(chǎn)車(chē)間里，通常企業(yè)都會(huì)設(shè)置相應(yīng)的型砂和芯砂測(cè)量實(shí)驗(yàn)室，專(zhuān)門(mén)通過(guò)專(zhuān)用設(shè)備對(duì)型砂和芯砂的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格后我們才會(huì)將其投入使用。當(dāng)然在很多小型的加工場(chǎng)合顯然我們是不具備這種條件的，比如學(xué)校里的實(shí)訓(xùn)車(chē)間和小的鑄造企業(yè)作坊，這個(gè)時(shí)候我們通?？梢酝ㄟ^(guò)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定型砂和芯砂的質(zhì)量的好壞，我們通常用手緊握一把型砂或者芯砂，而后松開(kāi)手，如果砂型既不粘手，同時(shí)也沒(méi)有松散開(kāi)，而且砂型的為表面也有清晰的手掌紋路，而后我們?cè)儆脙墒謱⑵潢?，斷面整齊，如果上述條件型砂和芯砂都能達(dá)到的話，就證明該砂子的質(zhì)量是沒(méi)有問(wèn)題的，可以滿(mǎn)足我們一般的對(duì)鑄件質(zhì)量的要求。

2 造型（芯）材料的組成

型砂和芯砂一般由原砂、黏結(jié)劑、附加物和水按一定的比例混制而成，因?yàn)橹挥型ㄟ^(guò)這樣的方式我們才能保證它的性能是符合規(guī)定的，也就是說(shuō)在該條件下，我們才能保證鑄件的質(zhì)量。常用的鑄鐵件中，通常新砂占10%-20%，舊砂占80%-90%，膨潤(rùn)土占2%-3%，水占4%-5%。

2.1 原砂

原砂是型砂的主要組成部分，按成分不同一般可分為三類(lèi)：①黏土含量在2%-5%之間的黏土性砂，一般可用于澆注像鋁合金、鎂合金等有色合金，其中鋁合金的澆注溫度為700℃左右。②SiO2含量在90%-97%之間的石英砂，一般用于澆注鑄鋼件，其中鑄鋼件的澆注溫度為1570℃左右；③SiO2含量在85%-90%之間的長(zhǎng)石砂，一般用于澆注鑄鐵件，其中澆注溫度在鐵熔點(diǎn)（1538℃）以上的某個(gè)溫度區(qū)間，根據(jù)產(chǎn)物不同，我們會(huì)選擇不同的溫度。

2.2 黏結(jié)劑

如圖1為黏土砂結(jié)構(gòu)，黏土劑的作用是將型砂和芯砂進(jìn)行粘結(jié)而使其具有一定的強(qiáng)度和塑形，而后才能保證鑄件的質(zhì)量，通常根據(jù)鑄件類(lèi)型不同，我們也會(huì)選擇不同的粘結(jié)劑，因?yàn)轲ね恋某杀鞠鄬?duì)低廉，因而在一般的砂型鑄造中我們?cè)诤芏嗲闆r下會(huì)選擇黏土作為黏結(jié)劑。

圖1 黏土砂結(jié)構(gòu)

2.3 附加物

附加物為了改善型（芯）砂的性能而加入的其他物質(zhì)。型砂中加入煤粉能提高型砂的耐火性，從而避免鑄件外表面粘上砂子，也可以提高鑄件的表面的光潔度，讓其質(zhì)量更高；型砂中加入木屑能使型砂和芯砂的退讓性和透氣性得到提高，可以有效地避免鑄件產(chǎn)生裂紋、氣孔、氣窩等缺陷。

2.4 水

水能使原砂與黏土混成一體，并保持一定的強(qiáng)度和透氣性。但水分含量要適當(dāng)，過(guò)多或過(guò)少都會(huì)給鑄件質(zhì)量帶來(lái)不利的影響。如果過(guò)少會(huì)使原砂與黏土混合不充分，從而影響砂型和砂芯的強(qiáng)度，直接導(dǎo)致鑄件的質(zhì)量下降；反之，如果水分過(guò)多會(huì)使砂型和砂芯的透氣性下降，從而會(huì)影響鑄件的質(zhì)量。一般情況下我們常用的濕型砂（以鑄鐵件型砂為例）中水的含量能占到4%-5%。

2.5 涂料

為防止液態(tài)金屬與砂型表面相互作用產(chǎn)生粘砂等缺陷，在型腔表面涂覆一薄層涂料。常用的涂料是石墨粉。石墨粉熔點(diǎn)大于3000℃，在高溫下與少量氧氣化合而燃燒產(chǎn)生氣體，使液態(tài)金屬與砂型不直接接觸。同時(shí)，在型砂內(nèi)需混入一些煤粉，澆注時(shí)，煤粉燃燒產(chǎn)生的氣層可防止鑄件粘砂[3]。

2.6 判斷型砂的干濕程度有以下幾種方法

（1）水分。水分指定量的型砂試樣在105-110°C下烘干至恒重，能去除的水分含量（%）。當(dāng)型砂中含有大量吸水的粉塵類(lèi)材料時(shí)，雖然水分很高，但是型砂仍然顯得既干又脆。因?yàn)檫_(dá)到最適宜干濕程度的水分隨型砂組成的不同而不同，故這種方法不很準(zhǔn)確。

（2）手感。用手攥一把型砂，感到潮濕但不粘手，柔軟易變形，印在砂團(tuán)上的手指痕跡清楚，砂團(tuán)掰斷時(shí)斷面不粉碎，說(shuō)明型砂的干濕程度適宜、性能合格。這種方法簡(jiǎn)單易行，但需憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，因人而異，也不準(zhǔn)確。

（3）緊實(shí)率。緊實(shí)率是指一定體積的松散型砂試樣緊實(shí)前后的體積變化率，以試樣緊實(shí)后減小的體積與原體積的百分比表示。過(guò)干的型砂自由流入試樣筒時(shí)，砂粒堆積得較密實(shí)，緊實(shí)后體積變化較小，則緊實(shí)率小。這種型砂雖流動(dòng)性好，但韌性差，起模時(shí)易掉砂，鑄件易出現(xiàn)砂眼、沖砂等缺陷。過(guò)濕的型砂易結(jié)成小團(tuán)，自由堆積時(shí)較疏松，緊實(shí)后體積減小較多，則緊實(shí)率大。這種型砂濕壓強(qiáng)度和透氣性很差，砂型硬度不均勻，鑄件易產(chǎn)生氣孔、脹砂、夾砂結(jié)疤和表面粗糙等缺陷。緊實(shí)率是能較科學(xué)地表示濕型砂的水分和干濕程度的方法。對(duì)手工造型和一般機(jī)器造型的型砂，要求緊實(shí)率保持在45%-50%，對(duì)高密度型砂則要求為35%-40%。