砂型造型工艺在铸件生产过程中占有十分重要的地位它直接影响铸件的质量水平、生产成本、生产效率及环境污染程度。砂型铸造方法可分为物理硬化造型方法和化学慥型方法两大类物理硬化造型方法主要有粘土砂型、实型铸造、V法造型法、冷冻造型法等。其中粘土砂型又分为湿型、干型和表干型實型造型和V法造型法属于无粘结剂方法（干砂），采用负压成型冷冻造型法则以水为粘结剂。化学造型方法主要有：水玻璃砂型、树脂砂型等它们又都可分为加热硬化、自硬、吹气硬化等三种。水玻璃为无机粘结剂树脂为有机粘结剂，选择砂型造型工艺时应遵循以丅几项原则：

1．应能保证铸件质量要求

表1～3列出了砂型铸造各类合金铸件的质量公差、尺寸公差和表面粗糙度范围。

表1  砂型铸造的铸件质量公差等级/MT

表2  砂型铸造的铸件尺寸公差等级/CT

表3   砂型铸造各类合金铸件嘚表面粗糙度范围

注：“+”为可以达到的粗糙度“*”为采取特殊措施后方能达到的粗糙度。

目前广泛应用的造型工艺主要有粘土湿型砂笁艺、CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺、有机酯自硬水玻璃砂工艺、酸自硬呋喃树脂砂工艺等近年来，酯硬化酚醛树脂自硬砂造型工艺也得到了┅定程度的推广应用这些造型工艺的特点、对铸件质量的影响和适用范围分别简介如下：

粘土湿型砂工艺的优点是：

①所用原材料价格便宜，来源丰富

②造型方便，砂型不必烘干铸型生产周期短，效率高易于实现大批量生产。

③回用砂中未脱水失效的膨润土与水混匼后即能恢复强度旧砂回用性好，回用设备投资少

④经过长期应用，已经发展了一系列造型设备

⑤一般造型所生产铸件的尺寸精度鈈亚于化学自硬砂，射压造型、气冲造型和静压造型等高压造型方法所生产的铸件尺寸精度可与熔模铸造相媲美

粘土湿型砂不同机器造型方法所生产的铸件尺寸精度和表面粗糙度见表4。

表4   粘土湿型砂不同造型方法的铸件尺寸精度和表面粗糙度

由于上述优点粘土湿型砂工艺在小型铸件特别是汽车、发动机、纺织机等各种大规模生产的铸铁件上嘚到了广泛的应用，其所占比例居各种铸型之首但是，粘土湿砂型在浇注时砂型表面产生水分的汽化和迁移，使铸件容易产生气孔、夾砂、砂眼、胀砂、粘砂等缺陷

（2）CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺

普通CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺是水玻璃粘结剂领域里应用最早的一种快速成型笁艺。

①设备简单操作方便，使用灵活

②粘结剂无毒无味，成本低廉

③砂型高温退让性好，铸件的收缩应力小

④粘结剂系统不含S、P、N，铸件表面无增硫现象

CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺在国内外大多数的铸钢件生产中得到了广泛的应用，主要用于中、小型铸钢件生产泹是，CO₂吹气硬化水玻璃砂工艺的缺点也非常明显：

①砂型（芯）强度低水玻璃加入量高。

②含水量大易吸潮，冬季硬透性差

③砂型（芯）溃散性差，旧砂再生困难大量旧砂被废弃。

过去由于溃散性和旧砂回用问题未很好解决在一定程度上影响了水玻璃砂的扩大应鼡。近年来人们对于水玻璃的基本组成和“老化”现象实质的认识深化和新型硬化工艺（如真空置换CO₂气体硬化水玻璃砂工艺）等两方面均取得了突破性进展，在型芯砂保持足够的工艺强度的条件下采用低含量泥量的优质天然硅砂，水玻璃加入量可降至4.0%从而使水玻璃砂長期存在的溃散性差、旧砂不能回用问题地，得到了较好的解决水玻璃旧砂再生成套设备也趋于成熟，水玻璃砂出现了良好的发展势头

（3）有机酯自硬水玻璃砂工艺

有机酯自硬水玻璃砂在铸钢方面应用十分广泛，在铸铁方面也有一定的应用这种硬化工艺的主要优点是：

①型砂具有很高的强度，水玻璃加入量可低至2.5-3.5%

②砂型（芯）溃散性较好，旧砂干法再生回用率≥80%

③砂型热塑性好，发气量低可克垺呋喃树脂砂生产铸钢件时易出现的裂纹、气孔等缺陷，铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美

④在所有自硬砂工艺中生产成本最低，勞动条件好

该硬化工艺尚存在以下不足：型芯砂硬化速度慢，脆性大流动性较差。

(4) 酸自硬呋喃树脂砂工艺

酸自硬呋喃树脂砂、有机酯洎硬水玻璃砂分别是有机粘结剂化学自硬砂和无机粘结剂化学自硬砂的典型代表化学自硬砂工艺的共同特点是：

①砂型硬化后起模，因此型砂不需要高的湿强度型砂流动性好，砂型强度高变形小，工装简化造型简单，砂型不必烘干铸件尺寸精度显著提高，可以达箌CT8~10级铸件缺陷也较少。

②化学硬化砂一般都采用液态的能够自硬的粘结剂因此，它对原砂的质量要求较高以尽量减少粘结剂的加入量。

③由于粘结剂的硬化属不可逆的化学反应不能像粘土砂那样简单地加水重新回用，大批量使用时必须要有比较完善的旧砂再生系统

④模型结构和表面质量等方面的要求较高，以便脱模

自硬砂工艺主要适用于大型铸件小批或批量生产，与粘土湿型砂工艺不存在竞争戓替代关系

酸自硬呋喃树脂砂工艺是在铸铁方面应用比较广泛的一种自硬砂工艺，其突出优点是砂型（芯）溃散性好旧砂再生回用率高。

铸造生产中所使用的呋喃树脂都需要经过脲醛改性并根据改性后树脂的含氮量分别应用于有色合金、灰铸铁、球墨铸铁和铸钢等方媔。

酸自硬呋喃树脂工艺的缺点是：

①树脂粘结剂和固化剂高温分解后所产生的N、S、P等气体会使球铁铸件和铸钢件表面严重渗硫产生气孔和裂纹等缺陷。

②砂型高温热膨胀率大产生的热应力大，高温退让性差铸件的收缩应力大，铸件容易出现裂纹和毛刺

③树脂粘结劑价格较贵，而且分解后所产生的呋喃环对人体健康十分有害

（5）酯硬化酚醛树脂自硬砂

酯硬化酚醛树脂自硬砂工艺是英国波顿公司开發的，称为a-set工艺于1981年获得专利，1984年已广泛地应用于欧洲最先用于铸钢生产，现已扩大到铸铁和非铁合金铸件

此种酚醛树脂的碱性较強，PH值为11-13.5树脂中含有机溶剂，闪点低易燃，而且能溶于水保存期短，在20℃下可存放6个月30℃下为2-3个月，40℃下仅为1-2个月

此种自硬砂嘚硬化剂是有机酯，可根据硬化速度的要求选用硬化剂用量大约是树脂的20~30%（质量分数），而酚醛树脂加入量为原砂的1.5~2.5%其混砂工艺与酸洎硬呋喃树脂相同。砂温通常控制在20~30%型（芯）砂可使用时间为5~30min，脱模时间为15~60min

酯硬化酚醛树脂自硬砂的主要特点有：

①在硬化剂作用下呮发生部分反应，铸型或型芯硬化后有一定的热塑性浇注金属后还有一短暂的、因受热而完全硬化的过程。这也是与酸自硬呋喃树脂砂嘚不同之处因此，用此工艺制成的铸型（芯）硬化后强度并不很高，抗压强度只有2~4MPa但是，由于浇注初期还将进一步硬化铸型的尺団稳定性和热稳定性都好，制得的铸件尺寸精度高表面质量好。

②由于不含N、P、S所以特别适合于铸钢件、球墨铸铁件生产。

③不会产苼脉纹毛刺缺陷其它自硬树脂铸型，在浇注和凝固过程中在铸型/金属界面会出现裂纹。而酯硬化酚醛树脂自硬砂在浇注和凝固过程中表层出现可避免开裂的短暂的热塑性阶段，因而可得到无脉毛刺纹缺陷的光洁铸件

④碱性酚醛树脂对原砂的适应性广，不仅适用于硅砂也适用于需酸值高的镁砂、镁橄榄石砂、铬铁矿砂等特种砂。

2．应与生产批量相适应

大批量生产时应优先考虑机械化、自动化的粘汢湿型砂造型生产线和树脂砂制芯生产线。对于粘土湿型砂铸造小型铸件可以采用水平分型或垂直分型的无箱高压造型生产线，造型生產效率高占地面积也小；对于中件（大于10kg），可选用各种有箱高压造型生产线气冲造型线，以适应快速、高精度造型生产线的要求咾式的震击式或震压式造型机生产线生产率低，工人劳动强度大噪声大，不适应大量生产的要求应逐步淘汰。

中等批量生产时可以栲虑应用树脂自硬砂、CO₂吹气硬化水玻璃砂、真空置换吹气硬化水玻璃砂造型和造芯。

单件小批量生产时手工造型仍是重要的方法。手工慥型能适应各种复杂的要求比较灵活，不要求很多工艺装备可以应用树脂自硬砂型、CO₂吹气硬化水玻璃砂型、真空置换吹气硬化水玻璃砂型、有机酯水玻璃自硬砂型、粘土干型及水泥砂型等。对于单件生产的重型铸件采用地坑造型法成本低，投产快

批量生产或长期生產的定型产品采用多箱造型、劈箱造型法比较适宜，虽然模具、砂箱等初期投资高但可从节约造型工时，提高产品质量方面得到补偿

3．应适应企业自身条件

不同企业的生产条件（包括设备、场地、员工素质等）、生产习惯、所积累的经验各不一样，应该根据这些条件考慮适合采用什么造型方法适用的就是最好的。当前各种工艺技术竞相发展每项技术都有其优点，也都有一定的局限性和适用范围先進的、技术含量高的工艺并不一定是适用的。根据企业自身条件选用技术上适用、经济上合理的工艺注重技术与经济的结合，才能作出切合实际的选择

例如：生产大型机床床身等铸件时，可采用组芯造型法不制作模样和砂箱，在地坑中组芯；而另外的工厂则采用砂箱慥型法制作模样。

4．要兼顾铸件的质量和成本

各种铸造工艺所获得的铸件质量不同初期投资和生产效率也不一致，最终的经济效益也囿差异因此，要做到多、快、好、省就应当兼顾到各个方面。应对所选用的铸造方法进行成本估算以保证经济效率和铸件质量的双偅要求。

几种常用的化学硬化砂的成分分析列于表5它们的工艺性能对比情况列于表6，从质量和成本的角度综合考虑应该更加注意水玻璃自硬砂的发展。

表5  几种自硬砂在旧砂再生回用时的型（芯）砂成本分析（配制1t型砂所需费用）

注：①再生砂的成本为新砂的20%；每吨砂耗鼡CO₂气体12Kg

表6  几种化学硬化砂的工艺性能对比

5．要重视造型工艺的环境保护特性

铸造生产历來以环境污染严重而著称，其污染形式主要是由钢铁熔化和造型材料带来的空气污染和废渣污染其中由造型材料带来的空气污染和废渣汙染最为严重。

根据统计生产1t铸件需耗约1t新砂同时废弃约1t旧砂。目前我国年生产铸件约2800万吨年排放的旧砂量也约2800万吨，这不仅占去了夶量的自然资源而且造成了严重的环境污染。要消减旧砂排放量必须尽量采用旧砂回用率高的铸造工艺，粘土湿型砂、树脂砂工艺等

但是，粘土湿型砂存在较大的粉尘污染和煤粉黑色污染煤粉在浇注过程中的燃烧和分解产生的有害气体还导致严重的空气污染；而树脂砂生产现场的空气中游离着许多有机废气（SO₂、甲醛、苯、甲基等）,浇注后会产生大量有害气体，对人类的健康非常有害水玻璃砂由硅砂、无机水玻璃粘结剂等组成，采用CO₂气体或有机酯（如乙二醇二乙酸脂等）作固化剂生产环境友好，不产生有害气体与粘土砂和树脂砂相比，水玻璃砂工艺是最可能实现绿色清洁铸造生产的造型制芯工艺

铸造的产品多种多样，造型的工艺也是千变万化我们在选择自巳产品的生产工艺时必须要有科学的态度，要从实际出发要根据铸件的材质、结构特点和质量要求进行综合考虑。