特征：使用型砂構(gòu)成鑄型并進(jìn)行澆注的方法，通常指在重力作用下的砂型鑄造過程。

　　名詞：

　　型砂——將原砂或再生砂+粘結(jié)劑+其它附加物等所混制成的混合物;

　　鑄型——形成鑄件外觀輪廓的用型砂制成的空腔稱為鑄型;

　　砂芯——形成鑄件內(nèi)腔的用芯砂制成的實(shí)體(用于制做砂芯的型砂稱為芯砂);

　　造型——制造砂型的工藝過程;

　　制芯——制造砂芯的工藝過程。

　　造型(芯)方法按機(jī)械化程度可分為手工造型(芯)和機(jī)器造型(芯)兩大類。

　　選擇合適的造型(芯)方法和正確的造型(芯)工藝操作，對提高鑄件質(zhì)量、降低成本、提高生產(chǎn)率有極重要的意義。

　　(1)手工造型(芯) 手工造型(芯)是最基本的方法，這種方法適應(yīng)范圍廣，不需要復(fù)雜設(shè)備，而且造型質(zhì)量一般能夠滿足工藝要求，所以，到目前為止，在單件、小批生產(chǎn)的鑄造車間中，手工造型(芯)仍占很大比重。在航空、航天、航海領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。手工造型(芯)勞動強(qiáng)度大，生產(chǎn)率低，鑄件質(zhì)量不易穩(wěn)定，在很大程度上取決于工人的技術(shù)水平和熟練程度。手工造型方法很多，如模樣造型、刮板造型、地坑造型，各種造型方法有不同的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。

　　(2)機(jī)器造型(芯) 用機(jī)器完成全部或部分造型工序，稱為機(jī)器造型。和手工造型相比，機(jī)器造型生產(chǎn)率高，質(zhì)量穩(wěn)定，勞動強(qiáng)度低，對工人的技術(shù)要求不像手工造型那樣高。但設(shè)備和工藝裝備費(fèi)用較高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時間長，一般適用于一個分型面的兩箱造型。機(jī)器造型(芯)主要適用于黑色金屬鑄件的大批量生產(chǎn)。

　　2. 砂型/芯制造方法分類

　　在制造各砂型、芯的過程中，根據(jù)其本身建立強(qiáng)度時其粘結(jié)機(jī)理的不同，通?？煞譃槿箢悾?/p>

　　(1)機(jī)械粘結(jié)劑型芯----以粘土為粘結(jié)劑的粘土型芯砂所產(chǎn)生的粘結(jié);

　　(2)化學(xué)粘結(jié)劑型芯----型芯砂在造型、芯過程中，依靠其粘結(jié)劑本身發(fā)生物理、化學(xué)反應(yīng)達(dá)到硬化，從而建立強(qiáng)度，使砂粒牢固地粘結(jié)為一個整體。有機(jī)、無機(jī)粘結(jié)劑，其中無機(jī)粘結(jié)劑包括鈉水玻璃及硅溶膠，而有機(jī)粘結(jié)劑則包括熱硬、自硬和氣硬樹脂砂型(芯);

　　(3)物理固結(jié)----指用物理學(xué)原理產(chǎn)生的力將不含粘結(jié)劑的原砂固結(jié)在一起，磁型鑄造法、負(fù)壓造型法或真實(shí)密封造型法或薄膜負(fù)壓造型法，以及消失模造型法。

　　(二)粘土濕型

　　1.濕型及其特點(diǎn)

　　(1)生產(chǎn)靈活性大，適用面廣，既可手工，又可機(jī)器、以及流水線生產(chǎn)，既可生產(chǎn)大件，也可生產(chǎn)小件，可鑄鋼(中小件)，也可鑄鐵，有色合金等。

　　(2)生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)周期短，便于流水線生產(chǎn)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動化，汽車，柴油機(jī)，搶拖拉機(jī)行業(yè)應(yīng)用最廣(300～500kg鑄鐵薄裂件)。(汽車缸體圖)(或生產(chǎn)車間全貌圖)

　　(3)原材料成本低，來源廣。

　　(4)節(jié)省能源、烘干設(shè)備和車間生產(chǎn)場地面積。

　　(5)因不需烘干，砂箱壽命長。

　　(6)缺點(diǎn)：操作不當(dāng)，易產(chǎn)生一些鑄造缺陷：夾砂結(jié)疤，鼠尾，砂眼，脹砂，粘砂等。

　　2.粘土濕型所用的主要原材料

　　粘土濕型的配方為：原砂(或舊砂)100，粘土(膨潤土)1～5%，煤粉～8%，水～6%，以及其它附加物。

　　(1)原砂-石英砂

　　其砂子是火成巖中穩(wěn)定的部分，主要成分為二氧化硅(SiO2)和少量的雜質(zhì)(Na,k,Ca,Fe等氧化物)。含SiO2極高的砂子稱石英砂，有高的熔點(diǎn)，1700℃，摩氏硬度7級(一般將材料分為10級，其中滑石為1級，金剛石為10級)，隨夾雜物含量的增加，其耐火度下降，SiO2含量高，砂子的顏色接近無色透明，一般用石英砂色白并略帶灰色。

　　鑄造生產(chǎn)所用的石英砂與建筑用砂不同，它有其特殊的要求，主要有：含泥量;顆粒組成;原砂顆粒形狀及表面狀況;原砂的礦物組成和化學(xué)成分等。

　　生產(chǎn)中通常根據(jù)鑄件的合金種類、質(zhì)量、壁厚的不同來選定原砂的化學(xué)成分和礦物組成。例如鑄鋼的澆注溫度高達(dá)1500℃左右，鋼液含碳量較低，型腔中缺乏能防止金屬氧化的強(qiáng)還原性氣氛，與鑄型相接觸的界面上金屬容易氧化生成FeO和其它金屬氧化物，因而較易與型砂中的雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而造成化學(xué)粘砂。所以要求原砂中Si02含量應(yīng)較高，有害雜質(zhì)亦應(yīng)嚴(yán)格控制。鑄鋼件的澆注溫度愈高，壁厚愈厚，則對原砂中Si02含量的要求就愈高。

　　鑄鐵的澆注溫度一般在1400℃以下，鐵液中含有較多碳分，濕型澆注時型砂中加入有煤等附加物，能產(chǎn)生大量還原性氣氛，在與鑄型相接觸的界面上金屬基本不氧化，實(shí)際上濕型鑄鐵件無化學(xué)粘砂現(xiàn)象。

　　燒結(jié)點(diǎn)指的是原砂顆粒表面或砂粒間混合物開始熔化的溫度。它是原砂各種組合成分耐火性能的綜合反應(yīng)。所以，有時采用測定原砂燒結(jié)點(diǎn)的辦法能更直觀地說明原砂做為耐火材料的性能，而且可用來推測原砂中SiO2含量高低和雜質(zhì)多少。長石、云母及其雜質(zhì)中所含有的堿金屬氧化物(Na20、K20)、堿土金屬氧化物(CaO、MgO)等能與Si02和氧化鐵生成易熔物質(zhì)。例如Si02與NaO的質(zhì)量比為73：27的混合物，其熔點(diǎn)僅793℃.K2O與SiO2可形成熔點(diǎn)僅525℃低熔物, 燒結(jié)點(diǎn)低。

　　( 2)原砂-非石英質(zhì)原砂

　　硅砂缺點(diǎn)：熱膨脹系數(shù)比較大，而且在573℃時會因相變而產(chǎn)生突然膨脹-----鑄件若裂;熱擴(kuò)散率比較低;容易與鐵的氧化物起作用等。這些都會對鑄型與金屬的界面反應(yīng)起不良影響。在生產(chǎn)高合金鋼鑄件或大型鑄鋼件時，使用硅砂配制的型砂，鑄件容易發(fā)生粘砂缺陷，使鑄件的清砂十分困難。

　　非石英質(zhì)原砂是指礦物組成中不含或只含少量游離Si02的原砂。在鑄鋼生產(chǎn)中已逐漸采用一些非石英質(zhì)原砂來配制無機(jī)和有機(jī)化學(xué)粘結(jié)劑型砂、芯砂或涂料。這些材料與硅砂相比，大多數(shù)都具有較高的耐火度、熱導(dǎo)率、熱擴(kuò)散率和蓄熱系數(shù)，熱膨脹系數(shù)低而且膨脹均勻，無體積突變，與金屬氧化物的反應(yīng)能力低等優(yōu)點(diǎn)，能得到表面質(zhì)量高的鑄件并改善清砂勞動條件。但這些材料中有的價格較高，比較稀缺，故應(yīng)當(dāng)合理選用。

　　目前可用的非石英質(zhì)原砂有橄欖石砂、鋯砂、鉻鐵礦砂、石灰石砂、鎂砂、剛玉砂、鈦鐵礦砂、鋁礬土砂等。真正廣泛使用的仍為石英砂。

　　(3)粘土----膨潤土

　　粘土的礦物成分粘土是濕型砂的主要粘結(jié)劑。粘土被水濕潤后具有粘結(jié)性和可塑性;烘干后硬結(jié)，具有干強(qiáng)度，而硬結(jié)的粘土加水后又能恢復(fù)粘結(jié)性和可塑性。粘土主要是由細(xì)小結(jié)晶質(zhì)的粘土礦物所組成的土狀材料。

　　粘土礦物的種類很多，按晶體結(jié)構(gòu)可分為高嶺石和蒙脫石等。通常根據(jù)所含粘土礦物種類不同將所采用的粘土分為鑄造用粘土(fireclay)和鑄造用膨潤土(bentonite)兩類。膨潤土主要是由蒙脫石組礦物組成的，主要用于濕型鑄造的型砂粘結(jié)劑。

　　根據(jù)國家專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鑄造用膨潤土和粘土》(JBlT 9227—1999)的規(guī)定，膨潤土中如果某一交換性陽離子量占陽離子交換容量的≥50%時，稱其為主要交換性陽離子，如果為鈉離子則稱為鈉膨潤土，以PNa表示(P是膨潤土代號);如果為鈣離子，則稱為鈣膨潤土，以PCa表示。我國鈣基膨潤土資源較多，開采和供應(yīng)比較方便。有時要根據(jù)粘土的陽離子交換特性，對鈣土進(jìn)行處理，使之轉(zhuǎn)變?yōu)殁c基膨潤土。這種離子交換過程，通常稱為膨潤土的活化處理，最常用的活化劑為碳酸鈉。這一過程的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理簡單示意如下

　　Ca2+一蒙脫石+Na2C03一-Na+一蒙脫石+CaC03+。

　　(4)粘土的粘結(jié)機(jī)理

　　粘土在水中形成的粘土-水體系是膠體，帶負(fù)電的粘土顆粒將極性水分子吸引在自己的周圍，形成膠團(tuán)的水化膜，依靠粘土顆粒間的公共水化膜，通過其中的水化陽離子所起的“橋”或鍵的作用，使粘土顆粒相互結(jié)合起來，在水化膜中處在吸附層的水分子被粘土質(zhì)點(diǎn)表面吸附得很緊，而處于擴(kuò)散層中的水分子較松，公共水化膜就是粘土膠粒間的公共擴(kuò)散層。粘土和水量比例適宜時，才能獲得最佳的濕態(tài)粘結(jié)力(圖)。一般說來，粘土顆粒所帶電荷愈多或粘土顆粒愈細(xì)小，比表面積愈大，則濕粘結(jié)力愈大。

　　關(guān)于粘土顆粒與砂粒之間的粘結(jié)則被解釋為：砂粒因自然破碎及其在混碾過程中產(chǎn)生新的破碎面而帶微弱負(fù)電，也能使極性水分子在其周圍規(guī)則地定向排列。這樣，粘土顆粒與砂粒之間的公共水化膜，通過其中水化陽離子的“橋’’或鍵的作用，使粘土砂獲得濕態(tài)強(qiáng)度。

　　(5)附加物

　　3.濕型砂的混制工藝及舊砂的處理

　　生產(chǎn)中常用的混砂機(jī)有碾輪式(vertical wheel sand muller)、擺輪式(horizontal wheel sand muller，speed muller)、葉片式(blade mixer)等。各有優(yōu)缺點(diǎn)。

　　生產(chǎn)1t鑄件約需要5-10t濕型型砂，配制型砂時都盡量回用舊砂(即重復(fù)使用過的型砂)，即經(jīng)濟(jì)也是保護(hù)環(huán)境的需要。但簡單地重復(fù)使用舊砂，會使型砂性能變壞，鑄件質(zhì)量下降。必須了解舊砂的特性，掌握其性能變化的規(guī)律，采取必要措施，才能保證和穩(wěn)定型砂的性能。混砂時還需向舊砂中補(bǔ)充加入新砂、膨潤土、煤粉和水等材料，才能使混制出的型砂性能符合要求。

　　4.粘土濕型的緊實(shí)工藝

　　(1)對型(芯)砂緊實(shí)度的要求

　　1)緊實(shí)度對鑄型性能的影響 型砂需要緊實(shí)才能成為整體的砂型。型砂的緊實(shí)程度常用緊實(shí)度(密度)和孔隙度表示。緊實(shí)度影響著鑄型的強(qiáng)度和透氣性。緊實(shí)度越大，鑄型強(qiáng)度越大，透氣性越差。緊實(shí)度高，蓄熱系數(shù)也高，加快了金屬的凝固冷卻速度，改善了鑄件的內(nèi)在質(zhì)量，組織更為致密，鑄件尺寸精確，力學(xué)性能有所提高。對高壓造型法的研究表明，鑄型緊實(shí)度高，澆注時型壁移動量小，鑄件尺寸精確，表面光潔。因此，鑄件可以做得更薄，進(jìn)而減輕鑄件機(jī)器重量。

　　2)型砂緊實(shí)度的要求 要求鑄型緊實(shí)度高且均勻。高壓造型法由于鑄型緊實(shí)度高，其鑄型性能和鑄件質(zhì)量普遍好于中低壓造型。高壓造型法的目的就在于制出均勻的高緊實(shí)度鑄型。理論和實(shí)驗(yàn)研究證明其壓實(shí)方法和壓頭形式對緊實(shí)度有很大的影響。對濕型而言，通常有震擊緊實(shí)、震壓緊實(shí)、壓實(shí)、微震壓實(shí)和高壓緊實(shí)等，下面簡單介紹其緊實(shí)方法。

　　(2)震擊緊實(shí)和震壓緊實(shí) 震擊緊實(shí)用震擊造型機(jī)來完成。多以壓縮空氣為動力，利用震擊動能和慣性使型砂緊實(shí)如圖2-3所示。將砂箱1放在模板2上，型板固定于震擊工作臺，與震擊活塞3相連，4為震擊氣缸。砂箱內(nèi)裝滿型砂后，打開進(jìn)氣閥，使壓縮空氣進(jìn)入震擊氣缸，推動活塞上升?；钊叱^排氣孔時，壓縮空氣由排氣孔逸出，氣缸中的壓力突然下降，此時震擊活塞連同砂箱模板下落，與震擊氣缸發(fā)生撞擊，砂箱中的型砂由于慣性力的作用而互相緊實(shí)。而后因出氣孔堵住，進(jìn)氣孔進(jìn)入的壓縮空氣壓力超過砂箱型板活塞等的重量，使工作臺上升，如此連續(xù)震擊，使型砂得以緊實(shí)。震擊高度一般為30~60mm，震擊次數(shù)30~50/min次為宜，一般不超過80次。震擊緊實(shí)適用于大砂箱，砂箱高度不低于150mm，否則緊實(shí)效果不好。其型砂緊實(shí)度沿砂箱高度是上松下緊，頂部型砂緊實(shí)度幾乎與震前一樣。

　　為了克服震擊緊實(shí)砂箱上部型砂緊實(shí)度太松的缺點(diǎn)，可以先震擊使底部型砂緊實(shí)，再對頂部型砂補(bǔ)充壓實(shí)。這種經(jīng)震擊后再加壓的造型機(jī)叫做震壓造型機(jī)。震壓緊實(shí)型砂的緊實(shí)度分布好，特別是在砂箱不太高的情況下，壓實(shí)的影響可以達(dá)到分型面，這樣可以大大減少震擊次數(shù)，從而提高勞動生產(chǎn)率，節(jié)約能耗。但由于補(bǔ)加壓實(shí)以壓縮空氣為動力，比壓較低，故多用于中小砂箱的型砂緊實(shí)。震擊造型機(jī)和震壓造型機(jī)的結(jié)構(gòu)都比較簡單，操作維修方便，適用性強(qiáng)，一般中小型鑄件都適用。但是震擊式造型機(jī)工作時噪音太大，強(qiáng)烈的震動也對廠房建筑提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)。

　　(3)壓實(shí)、微震壓實(shí)和高壓緊實(shí) 壓實(shí)緊實(shí)是通過壓實(shí)造型機(jī)來完成的，多以壓縮空氣為動力對型砂壓實(shí)緊實(shí)，其工作原理如圖2-4所示。打開進(jìn)氣閥，壓縮空氣由進(jìn)氣孔進(jìn)入壓實(shí)氣缸4，將活塞3舉起，當(dāng)砂箱2內(nèi)的型砂碰到壓頭1時，就發(fā)生壓實(shí)作用。型砂壓實(shí)后，打開排氣閥，氣缸中的壓縮空氣排出，活塞立即下降，壓實(shí)工作完成。這種緊實(shí)較震擊緊實(shí)的效率高，噪音很小，機(jī)器結(jié)構(gòu)也很簡單。缺點(diǎn)是型砂緊實(shí)度不均勻，上緊下松。適用于砂箱高度不超過150mm而底面積一般不超過800×600mm的鑄型。

　　微震壓實(shí)造型是在型砂受壓的同時，模板、砂箱和型砂作高頻小振幅(10-13Hz，3-8mm，普通震擊造型的震擊頻率和振幅分別為1.1-3.3Hz，30-80mm)的一種造型方法，其原理如圖2-5所示。當(dāng)壓縮空氣經(jīng)過工作臺的進(jìn)氣孔進(jìn)入微震氣缸后(圖a)，在壓縮空氣的壓力作用下，微震活塞與固定在工作臺上的模板、砂箱上升;同時壓縮空氣的壓力還使微震氣缸向下運(yùn)動，壓縮微壓氣缸下的彈簧(圖b);當(dāng)微震活塞上升至打開排氣孔時(排氣孔面積是進(jìn)氣孔的6~7倍)，缸內(nèi)氣壓迅速降低，工作臺等靠自重下落，而微震氣缸受彈簧作用上升，二者發(fā)生撞擊(圖c)，使砂箱內(nèi)的型砂獲得一次緊實(shí)。這樣多次重復(fù)，型砂就能較為迅速地達(dá)到預(yù)定的緊實(shí)度要求。

　　微震壓實(shí)造型比單純壓實(shí)效果好，在相同壓力下，能獲得更高的緊實(shí)度，相當(dāng)于提高比壓30~50%，而且砂型的緊實(shí)度分布比較均勻;生產(chǎn)率高，每小時可達(dá)120箱以上，鑄件質(zhì)量較好;震擊噪音小，勞動條件好，并可降低對廠房基礎(chǔ)的要求;機(jī)器使用可靠，維修方便，價格也比較低廉。其主要缺點(diǎn)是仍有一定的噪音。微震壓實(shí)造型在中小鑄件的生產(chǎn)中已得到較為廣泛的應(yīng)用。 (圖2-5 氣動微震造型工作原理)

　　上述壓實(shí)造型是中低壓壓實(shí)，其壓實(shí)比壓為0.4MPa左右。近年來，國內(nèi)外大量發(fā)展和采用高壓壓實(shí)造型機(jī)。用高壓造型機(jī)造型時，由于壓實(shí)比壓提高到0.7Mpa以上，砂型硬度、緊實(shí)度和強(qiáng)度都大為提高，沿砂箱高度方向的緊實(shí)度分布得到有所改善，砂型輪廓清晰，可以得到尺寸比較準(zhǔn)確的鑄件(可達(dá)CT7~8級)，表面光潔(Ramax=3.2~2.5μm);由于鑄型緊實(shí)度高，蓄熱系數(shù)也高，加快了金屬凝固、冷卻速度，改善了鑄件內(nèi)部質(zhì)量，提高了力學(xué)性能;節(jié)約金屬，減少加工余量及費(fèi)用;壓實(shí)緊砂工藝簡單、生產(chǎn)率高(200~300箱砂型/h)，易于機(jī)械化，噪音小，勞動強(qiáng)度低;適應(yīng)性強(qiáng)，能制造復(fù)雜、較大的鑄件。其缺點(diǎn)是機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)線投資大;要求工藝裝備精度高，剛性大;要求有較高的設(shè)備維修保養(yǎng)能力。高壓造型適用于成批大量生產(chǎn)、砂箱尺寸較大、鑄件較復(fù)雜及要求較小的尺寸公差和表面粗糙度低的鑄件的生產(chǎn)。

　　(4)氣流沖砂緊實(shí) 氣流沖擊緊實(shí)造型是將壓力為0.4~0.6MPa的壓縮空氣以均勻的氣流沖擊型砂表面，使型砂緊實(shí)的造型新方法(圖2-6)。鑄型的緊實(shí)機(jī)構(gòu)采用脈沖發(fā)生器(沖擊頭)，其結(jié)構(gòu)似儲氣罐(圖2-6a)，內(nèi)有一小室3，室內(nèi)壓縮空氣壓力通常為0.4~0.6MPa，稱為過剩壓力。小室外部壓縮空氣壓力通常比室內(nèi)空氣壓力低0.1MPa，稱為儲氣罐壓力。砂箱7和輔助框6充滿型砂，移到?jīng)_擊頭下邊并被壓緊后，打開單向快開閥2，室內(nèi)壓縮空氣的過剩壓力驟然下降，強(qiáng)制打開隔膜閥5，使壓縮空氣迅速加速而產(chǎn)生氣流沖擊，繼而由于空氣急劇膨脹而形成壓力波，其速度可達(dá)800m/s以上;壓力波在若干毫秒內(nèi)穿透整個砂型，使砂型緊實(shí)。

　　氣流沖擊造型的主要優(yōu)點(diǎn)是：砂型緊實(shí)度均勻，砂型硬度高，鑄件尺寸精度和光潔程度都得到提高;造型機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，噪音小;生產(chǎn)率高，勞動條件好;砂型充填性好，吃砂量少，可節(jié)約型砂及混砂能耗;適應(yīng)性強(qiáng)，既可利用高壓造型型砂，也可利用普通機(jī)器造型型砂。缺點(diǎn)是仍然有一定的噪音;砂箱或芯盒必須有足夠的強(qiáng)度和剛度。