鑄型材料基礎(chǔ)

前言

鑄造是機(jī)械行業(yè)最基礎(chǔ)的產(chǎn)業(yè)，在我國(guó)，鑄造又俗稱“翻砂”，其中“砂”即為廣義的鑄型（芯）材料，而“翻”理解為使用鑄型（芯）材料的技術(shù)。鑄型（芯）材料的主要特點(diǎn)是：①?gòu)膶W(xué)科理論來(lái)看，其開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用涉及硅酸鹽學(xué)、礦物學(xué)、陶瓷學(xué)、無(wú)機(jī)化學(xué)、高分子材料、有機(jī)合成、精細(xì)化工和鑄造工藝等諸多學(xué)科，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了鑄造專業(yè)的研究范圍，是多學(xué)科結(jié)合的產(chǎn)物。從事研究開(kāi)發(fā)及應(yīng)用的相關(guān)人員必須有較寬的知識(shí)面和合理的專業(yè)結(jié)構(gòu)。②品種及規(guī)格繁多，給生產(chǎn)、應(yīng)用、管理和質(zhì)量控制帶來(lái)了諸多問(wèn)題，從而對(duì)其提出了更高的要求。③對(duì)鑄件質(zhì)量影響大，大多數(shù)鑄造缺陷（據(jù)統(tǒng)計(jì)約70%）都與鑄型（芯）材料的質(zhì)量和選用有關(guān)。因此，鑄型（芯）材料在鑄造中的重要性不言而喻。砂型鑄造與其它鑄造方法相比，其優(yōu)點(diǎn)是：不受零件形狀、大小、復(fù)雜程度及合金種類的限制；所用材料來(lái)源廣，生產(chǎn)準(zhǔn)備周期短，成本低。砂型鑄造是鑄造生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種方法，世界各國(guó)用砂型鑄造生產(chǎn)的鑄件占總產(chǎn)量的80%～90%。為此，《鑄型材料基礎(chǔ)》以砂型鑄造為主線，首先以大量篇幅較系統(tǒng)全面地介紹各種無(wú)機(jī)和有機(jī)黏結(jié)劑砂的原材料性質(zhì)、硬化工藝原理和生產(chǎn)應(yīng)用；隨后介紹砂型（芯）涂料；最后，首次將工藝過(guò)程材料列入鑄型（芯）材料中加以介紹。作為型（芯）砂有機(jī)黏結(jié)劑，有天然的植物油和礦物油，工業(yè)副產(chǎn)物的合脂、渣油和紙漿廢液，以及人工合成的樹(shù)脂等。除了人工合成的樹(shù)脂外，其它有機(jī)黏結(jié)劑曾在我國(guó)一段時(shí)期廣泛使用，隨著人工合成的樹(shù)脂黏結(jié)劑的推廣應(yīng)用，其它有機(jī)黏結(jié)劑的缺點(diǎn)逐漸暴露，其應(yīng)用領(lǐng)域和范圍逐漸被人工合成的樹(shù)脂黏結(jié)劑所取代。為此，為節(jié)省篇幅，本書(shū)不再介紹其它有機(jī)黏結(jié)劑（對(duì)其有興趣的讀者，請(qǐng)查閱其它鑄造教科書(shū)或手冊(cè)），而主要以熱硬、自硬和氣硬的固化原理為主線，介紹人工合成的樹(shù)脂黏結(jié)劑。具體內(nèi)容如下：在第1章緒言中，介紹了砂型和砂芯的制造方法及砂芯的分級(jí)，造型材料的分類及特點(diǎn)，造型材料發(fā)展趨勢(shì)及展望等。在第2章中，較詳細(xì)地介紹了硅砂的基本性質(zhì)和性能，鑄造用硅砂的技術(shù)指標(biāo)和硅砂的處理等；對(duì)非石英質(zhì)耐火骨料，主要介紹了鋯砂、鎂砂、橄欖石砂、鉻鐵礦砂、石灰砂、碳質(zhì)砂及鋁硅系耐火骨料等。在第3章中，主要介紹了黏土濕型砂用原材料及其配方，以及黏土濕型砂的典型鑄造缺陷，同時(shí)還簡(jiǎn)單介紹了干型砂和表干型砂。在第4章中，重點(diǎn)介紹了水玻璃黏結(jié)劑砂，包括水玻璃的基本性質(zhì)和性能、水玻璃的硬化及黏結(jié)強(qiáng)度和各種水玻璃砂的硬化方法；介紹了磷酸鹽和水泥等其它無(wú)機(jī)黏結(jié)劑砂；就可溶芯黏結(jié)劑砂，重點(diǎn)介紹了水溶芯黏結(jié)劑砂的原材料、配方及其成型方法，并對(duì)可溶芯黏結(jié)劑砂的應(yīng)用前景作了展望。在第5章中，重點(diǎn)對(duì)覆膜砂用原材料、配方及其覆膜工藝、覆膜砂制芯（型）工藝和覆膜砂及殼型（芯）典型鑄造缺陷及其防止對(duì)策作了介紹；介紹了熱芯盒樹(shù)脂砂用原材料、射芯工藝和熱芯盒法存在的主要問(wèn)題及解決途徑；簡(jiǎn)要介紹了具有應(yīng)用前景的溫芯盒法。在第6章中，就酸硬化的呋喃樹(shù)脂、酯硬化的堿性酚醛樹(shù)脂和胺硬化的酚尿烷樹(shù)脂三種自硬砂，分別介紹了其黏結(jié)劑系統(tǒng)特征、硬化工藝原理和主要工藝參數(shù)，同時(shí)對(duì)其引起的典型鑄造缺陷和型（芯）砂的再生也進(jìn)行了介紹。在第7章中，重點(diǎn)介紹了目前廣泛應(yīng)用的三乙胺氣體硬化的酚尿烷冷芯盒樹(shù)脂砂工藝，包括該樹(shù)脂砂用原材料、主要工藝過(guò)程及應(yīng)用和該工藝的發(fā)展，還對(duì)酚尿烷／胺法冷芯盒芯砂及鑄件的缺陷和防止措施進(jìn)行了闡述；作為氣硬冷芯盒砂，還介紹了二氧化硫硬化的呋喃、環(huán)氧樹(shù)脂砂；最后簡(jiǎn)略介紹了幾種具有開(kāi)發(fā)前景的低毒、無(wú)毒的氣硬冷芯盒工藝。在第8章中，介紹了鑄造涂料的發(fā)展、分類與作用；鑄造涂料的主要組成及其配制、施涂和干燥；幾種典型的砂型（芯）涂料的特點(diǎn)；涂料常規(guī)性能的檢測(cè)和常見(jiàn)的缺陷及其防止措施等。在本書(shū)的最后一章——第9章，先后介紹了冒口套、覆蓋劑和過(guò)濾器用材料性質(zhì)及組成、制作配方與應(yīng)用效果。本書(shū)是在總結(jié)作者多年來(lái)從事《鑄造工藝學(xué)》和《造型材料》等課程教學(xué)和科研的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，同時(shí)吸取國(guó)內(nèi)同仁多年的教學(xué)改革成果而編寫(xiě)成的。全書(shū)介紹了造型材料的基本知識(shí)和最新應(yīng)用成果，匯集了較為翔實(shí)的技術(shù)資料、數(shù)據(jù)和圖表，可讀性和實(shí)用性較強(qiáng)。本書(shū)可作為高等院校鑄造專業(yè)本科生教材；可作為材料成型及控制工程專業(yè)本科生及研究生的教材或參考書(shū)；本書(shū)還能供從事鑄造技術(shù)管理及原輔材料生產(chǎn)、銷售工作的人員等方便地查找并選取各自所需的內(nèi)容，為相關(guān)行業(yè)的讀者在生產(chǎn)、科研和教學(xué)中提供幫助與服務(wù)。在編寫(xiě)過(guò)程中，受到編者所在單位華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)及各位同仁的支持與關(guān)心，在此表示衷心感謝。由于編者知識(shí)面及視野有限，加之時(shí)間倉(cāng)促，在學(xué)術(shù)觀點(diǎn)及內(nèi)容選取上難免有諸多不當(dāng)和疏漏之處，敬請(qǐng)讀者不吝賜教。編者于2008年10月

內(nèi)容概要

本書(shū)分為9章，較系統(tǒng)地介紹了砂型鑄造用鑄型(芯)材料的基本知識(shí)和最新信息。第1章為緒言，第2章介紹了型（芯）砂用骨干耐火材料，第3章和第4章分別介紹了黏土黏結(jié)劑型（芯）砂和水玻璃型（芯）砂及其它無(wú)機(jī)黏結(jié)劑型(芯)砂，第5～7章分別介紹了熱硬、自硬和氣硬樹(shù)脂型（芯）砂，第8章介紹了鑄造涂料，第9章介紹了包括冒口套、覆蓋劑和過(guò)濾器等的工藝過(guò)程材料。     本書(shū)可作為高等院校鑄造專業(yè)本科生教材；也可作為材料成型與控制工程專業(yè)本科生及研究生的教材或參考書(shū)；也可供從事鑄造技術(shù)管理及鑄型（芯）原輔材料生產(chǎn)、銷售工作的人員參考。

書(shū)籍目錄

第1章　緒論 　1.1　砂型和砂芯的制造方法 　1.2　砂芯的分級(jí)與黏結(jié)劑的選用 　　1.2.1　砂芯的分級(jí) 　　1.2.2　砂芯黏結(jié)劑的分類 　　1.2.3　砂芯黏結(jié)劑的選用 　1.3　鑄型（芯）材料的分類 　1.4　鑄型（芯）材料的特點(diǎn) 　1.5　鑄型（芯）材料的發(fā)展趨勢(shì)與展望 第2章　型（芯）砂用骨干耐火材料 　2.1　概述 　2.2　硅砂 　　2.2.1　硅砂的基本性質(zhì) 　　2.2.2　鑄造用硅砂的來(lái)源和篩分 　　2.2.3　鑄造硅砂的性能 　　2.2.4　鑄造用硅砂的技術(shù)指標(biāo) 　　2.2.5　原砂的預(yù)處理 　2.3　非石英質(zhì)原砂 　　2.3.1　鋯砂 　　2.3.2　鎂砂（magnesite） 　　2.3.3　橄欖石砂（olivine sand） 　　2.3.4　鉻鐵礦砂 　　2.3.5　鋁?硅系耐火骨料 　　2.3.6　碳質(zhì)耐火材料 第3章　黏土黏結(jié)劑型（芯）砂 　3.1　概述 　3.2　黏土濕型 　　3.2.1　黏土濕型用原材料 　　3.2.2　濕型砂的制備和性能控制 　　3.2.3　濕型砂的緊實(shí) 　3.3　干型（芯）砂和表面烘干型砂 　3.4　濕型砂典型的鑄造缺陷 　　3.4.1　砂眼 　　3.4.2　膨脹缺陷——夾砂結(jié)疤和鼠尾 　　3.4.3　脹砂第4章　水玻璃型（芯）砂及其它無(wú)機(jī)黏結(jié)劑型（芯）砂 　4.1　概述 　4.2　水玻璃黏結(jié)劑型（芯）砂　　4.2.1　水玻璃黏結(jié)劑的物理化學(xué)性能　　4.2.2　水玻璃的硬化及黏結(jié)強(qiáng)度　　4.2.3　CO2吹氣硬化水玻璃砂　　4.2.4　水玻璃自硬砂　　4.2.5　烘干法和微波硬化法水玻璃砂　4.3　磷酸鹽黏結(jié)劑型（芯）砂　　4.3.1　磷酸鹽黏結(jié)劑　　4.3.2　磷酸鹽黏結(jié)劑型（芯）砂配方　　4.3.3　磷酸鹽黏結(jié)劑型（芯）砂的抗吸濕性　4.4　可溶芯黏結(jié)劑砂　　4.4.1　概述　　4.4.2　水溶芯黏結(jié)劑砂　　4.4.3　非水溶性可溶芯黏結(jié)劑砂　　4.4.4　可溶芯的發(fā)展方向第5章　熱硬樹(shù)脂黏結(jié)劑型（芯）砂第6章　自硬冷芯盒樹(shù)脂型（芯）砂第7章　氣硬冷芯盒法型（芯）砂第8章　鑄造涂料第9章　工藝過(guò)程材料參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：鋯砂沒(méi)有晶相轉(zhuǎn)變狀態(tài)，膨脹率約為0.3％，與硅砂相比，鋯砂具有良好的導(dǎo)熱性。由于鋯砂的密度大、價(jià)格高、型號(hào)有限，限制了它的應(yīng)用。鋯砂因此更適用于對(duì)質(zhì)量要求高和尺寸精密性要求高的鑄造領(lǐng)域，如液壓件等。鉻鐵礦砂（Feo-CrzO3）與鋯砂一樣都不存在晶相轉(zhuǎn)變。雖然它的膨脹率約為0.6％，并且比鋯砂便宜得多。但與硅砂和鋯砂相比，鉻砂有許多缺點(diǎn)。它是一種破碎了的礦物質(zhì)，顆粒形狀不規(guī)則，而且表面化學(xué)雜質(zhì)是堿，這就導(dǎo)致了用其生產(chǎn)出的覆膜砂強(qiáng)度偏低。（2）取代硅砂和鋯砂的覆膜砂用原砂  隨著對(duì)鑄件質(zhì)量要求的日趨嚴(yán)格（比如薄壁輕量化、形狀復(fù)雜化、尺寸精度提高等），所要求的鑄型特性也日趨嚴(yán)格。比如缸體水套的水路砂芯以及液壓閥砂芯等，其形狀復(fù)雜、薄壁，硅砂原砂的覆膜砂殼芯出現(xiàn)折斷問(wèn)題，鑄件產(chǎn)生脈紋、粘砂、氣孑L以及澆注后出砂困難等問(wèn)題。為防止上述鑄造缺陷，對(duì)覆膜砂用原砂提出了更高的要求，比如：a.砂粒表面須潔凈；b.粒形應(yīng)圓整；c.具有低膨脹率；d.耐熱性好；e.硬度較高，舊砂回用性好；f.價(jià)格相對(duì)低廉等。如使用能滿足上述要求的低膨脹率和高耐熱性鋯砂等特種砂時(shí)，其原砂的價(jià)格高，來(lái)源有限，且其密度大等，因而在使用中受到限制。因此尋找能部分取代硅砂和鋯砂的原砂，是殼法覆膜砂研究的重點(diǎn)之一。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的三種原砂值得關(guān)注。①頑輝石砂頑輝石砂是熔煉鐵鎳合金的副產(chǎn)物——熔融狀態(tài)的爐渣用空氣吹散，冷卻后成為細(xì)小的球狀顆粒（粒徑在0.5mm以下），然后再在槽式磨礦機(jī)內(nèi)加水研磨而得到的一種非常適于作鑄造原砂的球形砂，日本商品名稱是“太陽(yáng)珠砂”。因?yàn)殚_(kāi)發(fā)頑輝石砂是利用廢棄物，故成品砂的價(jià)格只略高于硅砂。因煉鐵鎳合金的原礦是由含鎳的橄欖巖風(fēng)化而成的，故熔煉鐵鎳合金的爐渣，化學(xué)成分也大體上類似于天然的橄欖巖，主要組分為二氧化硅、氧化鎂、氧化鐵及氧化鈣等。其礦物組成為頑火輝石、苦土橄欖石、透輝石等。不存在游離的si02、Mgo和cao。其主要化學(xué)1成分如下：Si02 50％～55％，Mg（）27％～36％，A12 03 1.5％～2.5％，F(xiàn)e2 03 8％～16％，Ca0 O.5％～5％。

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