3.2 造型材料与工艺装备

铸造生产中的铸型是用来容纳金属熔液，使金属液按照它的型腔形状凝固成形，从而获得与其型腔形状一致的铸件。常用的铸型，按造型材料的不同可分为砂型和金属型。砂型铸造是用型砂制成铸型并进行浇铸而生产出铸件的铸造方法。

3.2.1 型砂和芯砂

砂型铸造的造型材料由原砂、粘结剂、附加物等按一定比例和制备工艺混合而成，它具有一定的物理性能，能满足造型的需要。制造铸型的造型材料称为型砂，制造型芯的造型材料称为芯砂。型砂和芯砂性能的优劣直接关系到铸件质量的好坏和成本的高低。

1）型砂和芯砂的组成

（1）原砂

只有符合一定的技术要求的天然矿砂才能作为铸造用砂，这种天然矿砂称为原砂。天然硅砂因资源丰富，价格便宜，是铸造生产中应用最广的原砂，它含有85％以上的SiO ₂ 和少量其他物质等。原砂的粒度一般为50目到140目。

（2）粘结剂

砂粒之间是松散的，且没有粘结力，显然不能形成具有一定形状的整体。在铸造生产过程中，须用粘结剂把砂粒粘结在一起，制成砂型或型芯。铸造用粘结剂种类较多，按其组成可分为有机粘结剂（如植物油类、合脂类、合成树脂类粘结剂等）和无机粘结剂（如粘土、水玻璃、水泥等）两大类。粘土是最常用的一种粘结剂，它价廉而丰富，具有一定的粘结强度，可重复使用。用合成树脂作为粘结剂的型（芯）砂，具有硬化快、生产效率高、硬化强度高、砂型（芯）尺寸精度高、表面光洁、退让性和溃散性好等优点，但由于成本较高，应用还不普遍。用粘土作为粘结剂的型（芯）砂称为粘土砂，用其他粘结剂的型（芯）砂则分别称为水玻璃砂、油砂、合脂砂和树脂砂等。

（3）涂料

对于砂型和型芯，常把一些防粘砂材料（如石墨粉、石英粉等）制成悬浊液，涂刷在型腔或型芯的表面上，以提高铸件表面质量，这称之为上涂料。涂料最常使用的溶剂是水，而快干涂料常用煤油、酒精等作溶剂。对于湿型砂，可直接把涂料粉（如石墨粉）喷洒在砂型或型芯表面上，同样起涂料作用。

铸型所用材料除了原砂、粘结剂、涂料外，还加入某些附加物，如煤粉、重油、锯木屑等，以增加砂型或型芯的透气性和提高铸件的表面质量。图3-2为粘土砂结构示意图。

2）型砂和芯砂的性能要求

（1）强度

型（芯）砂抵抗外力破坏的能力称为强度。如果型（芯）砂的强度不够，则在生产过程中铸型（芯）易损坏，会使铸件产生砂眼、冲砂、夹砂等缺陷。但强度过高，则会使型（芯）砂的透气性和退让性降低。型砂中粘土的含量越高，型砂的紧实度越高，砂粒越细，则强度就越高。含水量对强度也有很大影响，过多或过少均使强度降低。

（2）透气性

型（芯）砂具备让气体通过和使气体顺利逸出的能力称为透气性。型砂透气性不好，则易在铸件内形成气孔，甚至引起浇不足现象。砂粒愈粗大、均匀，且为圆形，砂粒间孔隙就愈大，透气性就愈好。随着粘土含量的增加，型砂的透气性通常会降低；但粘土含量对透气性的影响与水分的含量密切相关，只有含适量的水分时，型砂的透气性才能达到最大值。型砂紧实度增大，砂粒间孔隙就愈少，型砂透气性降低。

（3）耐火性

型砂在高温作用下不熔化、不烧结、不软化、保持原有性能的能力称为耐火性。耐火性差的型砂易被高温熔化而破坏，产生粘砂等缺陷。原砂中的SiO ₂ 含量愈高，杂质愈少，则耐火性愈好。砂粒愈粗，其耐火性愈好，圆形砂粒的耐火性比较好。

（4）退让性

在铸件冷却收缩时，型砂能相应地被压缩变形，而不阻碍铸件收缩的性能称为型砂的退让性。型砂的退让性差，易使铸件产生内应力、变形或裂纹等缺陷。使用无机粘结剂的型砂，高温时发生烧结，退让性差；使用有机粘结剂的型砂退让性较好。为提高型砂的退让性，可加入少量木屑等附加物。

此外，型（芯）砂还应具有较好的可塑性、流动性、耐用性等。

芯砂在浇注后处于金属液的包围中，工作条件差，除应具有上述性能外，必须有较低的吸湿性、较小的发气性、良好的溃散性（也称落砂性）等。

3）型砂的处理和制备

铸造生产用的型砂是由新砂、旧砂、粘结剂、附加物和水按一定工艺配制而成的。在配制前，这些材料需经一定的处理。新砂中常混有水、泥土以及其他杂物，须烘干并筛去固体杂质。旧砂因浇注后会烧结成很多大块的砂团，需经破碎后才能使用。旧砂中含有铁钉、木块等杂物，需拣出或经筛分后除去。一般，生产小型铸件的型砂配比是：旧砂90％左右，新砂10％左右，粘土占新旧砂总和的5％～10％，水占新旧砂总和的3％～8％，其余附加物如木屑、煤粉占新旧砂总和的2％～5％。

按一定比例选择好的制砂材料一定要混合得均匀，才能使型砂和芯砂具有良好的强度、透气性和可塑性等性能。一般情况下，混砂工作是在混砂机中进行。

在粘土砂混砂过程中，加料顺序是：旧砂→新砂→粘结剂→附加物→水。为使混砂均匀，混砂时间不宜太短，否则会影响型砂的使用性能。一般在加水前先干混2～3 min，再加水湿混约10 min。

型（芯）砂混制处理好后，应放置一段时间，使水分分布更加均匀，这一过程叫调匀。使用型砂前，还需经过松散处理。型砂性能一般需用专门仪器检测，若没有检测仪器，也可凭手捏的感觉对某些性能作粗略的判断，如图3-3所示。

3.2.2 模样、芯盒与砂箱

模样、芯盒与砂箱是砂型铸造中造型时用到的主要工艺装备。

1）模样

模样是与铸件外形及尺寸相似并且在造型时形成铸型型腔的工艺装备。模样的结构应便于制作加工，具有足够的刚度和强度，表面光滑，尺寸精确。模样的尺寸和形状是由零件图和铸造工艺参数得出的。图3-4（a）是零件图，图3-4（b）是考虑铸造工艺参数而得出的工艺图，图3-4（c）是铸件，图3-4（d）是模样。

设计模样时，要考虑的铸造工艺参数主要有：

（1）收缩率

金属在铸型内凝固冷却时要收缩，因此模样的尺寸应比铸件尺寸大一些。其大小主要取决于所用铸造合金的种类。

（2）加工余量

铸件的加工表面必须留有适当的加工余量，机械加工时，切去这层加工余量，才能使零件达到图样要求的尺寸和表面质量。

（3）起模斜度

为使模样从铸型中顺利取出，在平行于起模方向的模样壁上留出的向着分型面逐渐增大的斜度称为起模斜度。

（4）铸造圆角

为了便于金属熔液充满型腔和防止铸件产生裂纹，把铸件转角处设计为过渡圆角。

（5）芯座

造型时，在型腔中留出用于安放芯头以支撑型芯的孔洞称为芯座。

根据制造模样材料的不同，常用的模样分为：

（1）木模

用木材制成的模样称为木模，木模是铸造生产中用得最广泛的一种。它具有价廉、质轻和易于加工成形等优点。其缺点是强度和硬度较低，容易变形和损坏，使用寿命短。一般适用于单件小批量生产。

（2）金属模

用金属材料制造的模样，具有强度高、刚性大、表面光洁、尺寸精确、使用寿命长等特点，适用于大批量生产。但它的制造难度大、周期长，成本也高。金属模样一般是在工艺方案确定后，并经试验成熟的情况下再进行设计和制造的。制造金属模的常用材料是铝合金、铜合金、铸铁、铸钢等。

此外，还有塑料模、石膏模等。

2）芯盒

铸件的孔及内腔是由型芯形成的，型芯又是由芯盒制成的。应以铸造工艺图、生产批量和现有设备为依据确定芯盒的材质和结构尺寸。大批量生产应选用经久耐用的金属芯盒，单件小批量生产则可选用使用寿命短的木质芯盒。

从芯盒的分型面和内腔结构来看，芯盒的常用结构形式有分开式、整体式和可拆式，如图3-5所示。整体式芯盒一般用于制作形状简单、尺寸不太大和容易脱模的型芯，它的四壁不能拆开，芯盒出口朝下即可倒出型芯。可拆式芯盒结构较复杂，它由内盒和外盒组成。起芯时，型芯和内盒从外盒倒出，然后从几个不同方向把内盒与型芯分离。这种芯盒适用于制造形状复杂的中、大型型芯。

3）砂箱

砂箱是铸造生产常用的工装，造型时，用来容纳和支承砂型；浇注时，砂箱对砂型起固定作用。图3-6为小型砂箱和造型工具，用于浇注尺寸较小的铸件。另外，还有大型砂箱，用于浇注尺寸较大的铸件。合理选用砂箱可以提高铸件质量和劳动生产率，减轻劳动强度。