2015河南科技大学《造型材料》_课本习题答案.doc 11页

'2015河南科技大学《造型材料》_课本习题答案第2章一、填空题1.硅砂非硅质砂2.石英鳞石英方石英横向转变纵向转变横向转变3.砂颗粒的粒度粒度分布颗粒形状表面性状4.水洗法擦洗法浮选法5.氧化镁6.Cr2O37.镁橄榄石二、选择题1.B2.A3.A三、简答题1.ZGS96-40/70(52)表示该牌号硅砂的二氧化硅为96级，主要粒度组成为三筛，其首筛筛号为40，尾筛筛号为70，其粒度的平均细度值为52。2.原砂需要根据合金种类、铸件的大小和结构、铸型种类(湿型或干型)、粘结剂种类和造型方法(手工或机器)，在保证铸件质量的前提下，就地就近选用。铸钢件因浇注温度高，所以原砂中SiO2含量应高；铸铁件的浇注温度较铸钢件低，原砂耐火度可低一些；铜、铝铸件的砂，一般要求颗粒较细，对SiO2含量要求并不一定高；对于油类、树脂、水玻璃粘结剂要求用含泥量小的圆形砂。对于酸硬化的树脂砂还要控制原砂中碱金属及碱土金属氧化物的含量。3.pH测定方法如下：取待测原砂25g，置于250mL的烧杯中，加蒸馏水100mL，在磁力搅拌器上用包有聚四氟乙烯的搅拌棒搅拌，用酸度计测定悬浮液的pH值，每30s读取一次数据，直到数值恒定为止，此时的值就是原砂的pH值。需酸量的测定方法如下：称取待测原砂50g，置于250mL的烧杯中，加pH值为7的蒸馏水50mL在磁力搅拌器上用包有聚四氟乙烯的搅拌棒搅拌；再往烧杯中加入0.1mol的盐酸50mL，并搅拌5min，然后放入测pH值的电极，用0.1mol的NaOH溶液滴定，在pH值为3.0、4.0、5.0或其他预定值时，读取耗用的NaOH溶液的毫升数。原加盐酸的毫升数（50mL）减去NaOH溶液的毫升数，就是到预定pH值时原砂的需酸量。4.AFS细度的求法如下：称取原砂50g左右，用冲洗法除去泥分，烘干后进行筛分。称取留在每一筛上的砂粒的重量，并算出每一筛上的砂占原砂(未去泥分以前)的百分数。将这些结果各乘以相应的乘数。将所有的乘积相加，并将乘积的总和除以各筛上砂粒的百分数的和，所得结果就是AFS细度。[例子详见表2-7]5.对于粘土粘结砂，原砂中含泥量的影响并不明显；对于不用粘土为粘结剂的型、芯砂，如水玻璃砂，树脂砂、油砂等，含泥量对性能的影响很大。一方面是使降低其干强度和透气性；另一方面，泥分中往往含有碱或碳酸性盐或碱性氧化物，使原砂的需酸量增大，影响树脂砂硬化。6.原砂在擦洗过程中，在高速叶片搅拌器造成的强力摩擦下，水介质与砂粒间不断摩擦，处理后，砂粒表面的微观污染被更多的脱除。所以，擦洗砂的质量一般要比水洗砂好。四、名词解释1.含泥量是指原砂中泥分的百分含量，凡是直径小于0.022mm的微粒，不论它是什么矿物成分，只要能用常规搅拌或冲洗法分离都为泥分。2.原砂的pH值是指示某种溶液或悬浮液的酸度或碱度。原砂的pH值是其中含有的能溶于水的碱性或酸性物质的表征，并不全面地反映原砂的碱性3.原砂的需酸量是原砂中含有与酸反应的物质的表征，它表明用酸硬化剂时，原砂本身所需的酸的多少。4.目数是在平行于网丝方向，每1英寸（即25.4mm）长度上包含筛孔的数目。五、思考题1.[答案要点]非硅质砂具有耐火度高浇注时不熔化；热化学稳定性好，不与钢液及其氧化物反应；蓄热系数较高，导热性好，能加速铸件表面凝固；没有相变引起的剧烈膨胀，热膨胀系数小；具有固相烧结特性等优点，因而可以提高铸件表面质量，预防矽肺病。 锆砂用于大型铸钢件及合金钢件的芯砂或砂型的面砂，或将其粉料用作涂料。镁砂用于高锰钢铸件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料。铬铁矿砂用于大型或特殊铸钢件的面砂、芯砂，其粉料可用作涂料。橄榄石砂用于铸铁件、有色合金铸件以及高锰钢铸件的型砂和芯砂。1.[答案要点]①热稳定性差，在570℃左右发生相变，伴有较大的体积膨胀，是铸件产生膨胀缺陷的根源；②在高温条件下化学稳定性差，容易与FeO作用生成易熔的铁橄榄石，而导致铸件表面粘砂；③破碎时产生的粉尘会使工作人员患矽肺病；④废弃物多，随着环保要求的日益提高，垃圾处理费用越来越大。【案例分析】1.实验一说明铸型吃砂量偏小，紧实度大是造成缺陷的原因之一。实验二说明由于浇注系统为封闭式，必须要有足够长的浇注时间，否则可能造成缺陷的产生。2.金属液进入型腔后，型腔表面层温度急剧升高，SiO2颗粒发生多晶形转变，因而发生膨胀。而铁水在型腔内上升缓慢，当型腔高温烘烤时间超过一定时间时，石英砂达到最大膨胀量。如果砂型紧实度高、砂粒粗和粒度集中、粉尘含量高、加热速度快，则型砂的微观膨胀减小，而相应的宏观膨胀增大。而型腔外部、为厚大的圆型砂箱，阻碍砂粒间力的施放，其受力方向只有向砂性型腔内壁转移，表面层直至开裂而产生脉纹毛刺。当采用铝矾土砂造型时，铝矾土砂的膨胀量远小于石英砂，因而，可以防止脉纹毛刺的出现。3.从(1)和(2)的分析可知：石英砂的高膨胀量是导致脉纹毛刺的根本原因。第3章一、填空题1.膨润土耐火粘土2.硅氧四面体铝氧八面体3.负钠基膨润土钙基膨润土4.粘结力耐火度耐用性抗夹砂能力5.Na2OSiO2干法湿法6.氧化物的百分含量硅酸三钙硅酸二钙铝酸三钙铁铝酸四钙7.缓凝剂速凝剂减水剂8.桐油、亚麻油改性米糠油9.碘价酸值皂化值10.不溶物脂肪酸混合物不皂化物二、名词解释1.基交换能力：由于粘土矿物带有负电荷，因此它将吸附阳离子，而粘土吸附的阳离子称为可交换基，可交换基的多少称为基交换能力，它用每100g粘土中含有多少毫克当量来表示。2.水玻璃的模数：硅酸钠中SiO2和Na2O的摩尔分子数的比称为模数，用M来表示，模数代表了SiO2在硅酸钠中所占的比例。3.硅碱比：水玻璃中SiO2的质量分数和Na2O的质量分数之比称为硅碱比。4.碘价是指100g植物油所能吸收的碘的数量（g），根据碘价的大小，可以衡量植物油不饱和程度的大小。5.酸值指中和1g植物油中游离脂肪酸所需的氢氧化钾的毫克数，它表征油脂中所含有的游离脂肪酸的数量。6.皂化值是指中和1g试料所含全部游离酸和化合酸需用的氢氧化钾毫克数，它表征植物油中游离的脂肪酸和与甘油结合的化合态脂肪酸总量的多少。三、简答题1.粘结剂的分类方法很多。根据粘结剂的来源可天然的和人造的；根据对水的亲和力可分为憎水粘结剂和亲水粘结剂；根据化学组成可分为无机类粘结剂和有机类粘结剂；根据硬化特性可分为物理硬化类和化学硬化类；此外，粘结剂还可根据型芯的比强度分类。2.耐火粘土的主要矿物是高岭石，膨润土的主要矿物是蒙脱石。高岭石的两个单位晶层之间是氧和氢氧离子构成相邻的平面，它们之间可以形成氢键，从而产生较大的结合力。所以高岭石的结晶不易分散，颗粒较粗，与水混合时水分子不易进入单位晶层之间，吸水膨胀性和粘结力都较小。蒙脱石的相邻单元之是氧面与氧面相连接，没有氢键，是分子结合，故蒙脱石单位晶层之间结合力相当弱，容易破碎成极细的颗粒，与水混合时，水分子不但能够浸润晶体表面，而且很容易进入晶体内部各晶体单元之间，吸水膨胀性和粘结力都较大。3.粘土表面负电荷产生的原因有以下几方面：①晶层边缘的破键；②晶层内部存在离子交换，从而形成电荷不平衡；③Si-O四面体中，每一个O2-只以一个负电荷与Si4+相联接，在晶层的边缘氧离子有剩余的负电荷。 1.由于钙基膨润土的许多性能不及钠基膨润土，所以要进行活化处理。可采用适当的弱酸钠盐（如碳酸钠）对钙基膨润土进行活化处理。2.水泥的硬化过程大致分为溶解期、胶化期和结晶期三个阶段。在溶解期，水泥颗粒的表面层和水进行反应，成为凝胶状态；在胶化期，凝胶体逐渐变稠，水泥浆逐渐失去塑性，表现为水泥的凝结，但这时水泥还不具有强度；在结晶期，凝胶体逐渐脱水而紧密，同时，析出晶体，并相互交织在一起，填充在凝胶体内，使水泥产生强度。影响水泥硬化的因素有：水泥的矿物组成、水泥的粒度、温度和湿度、水泥和水的比及添加剂。3.憎水粘结剂：植物油、合脂、沥青、渣油、松香、塔油。亲水粘结剂：膨润土、水玻璃、纸浆废液、糊精、糖浆、羧甲基纤维素钠、聚乙烯醇4.见P70表3-11（略）。四、计算题五、思考题1.[答案要点]植物油粘结剂的硬化过程是氧化聚合的过程，而合脂粘结剂的硬化过程是缩聚与氧化聚合的过程。2.[答案要点]植物油砂的最佳烘干温度一般为200~220℃，最高不能超过250℃，烘干时间应根据砂芯的厚度决定。植物油砂烘干后的冷却速度很重要，若冷却速度过快，油膜会产生应力而开裂，破坏油膜的完整性而使干强度降低。因此，植物油砂应随炉冷却。合脂砂的烘干温范围比油砂宽些，可以在180~240℃之间，但最适宜的烘干温度仍然是在200~240℃之间，烘干时间主要与型芯大小、厚薄、合脂加入量和选择的烘干温度有关。烘干过程中，应注意通风和排烟。影响性能的因素都包括粘结剂加入量、粘结剂的粘度、附件粘结剂和水，具体影响规律略。3.(略)【案例分析】1.从表1的数据中可以得到：(1)改性粘结剂MBl、MB2和MB3的干拉强度比植物油沥青粘结剂高；(2)两者的干拉强度和发气总量都随温度的升高而降低，最佳烘干温度为220~230℃。改性粘结剂的烘干温度范围宽（200~270℃），为了得到最低的发气量，改性粘结剂可以在较高的温度下烘干，仍保持有实用的干拉强度和较高的表面稳定性，而植物油沥青粘结剂在250℃时就烧枯了，表面稳定性差，失去了应用价值。2.改性粘结剂的干拉强度比植物油沥青粘结剂高是由于改性植物油粘结剂在高温下部分非共轭双键发生共轭化，然后与双键发生聚合作用，聚合和部分双键被氧化形成的氧桥使稠度增加，并且在氧化不足之处有-OH产生，与-COOH酯化，使产品的干拉强度进一步得到提高。3.由表2数据可得，聚酯废弃物改性铸造用植物油沥青粘结剂的综合性能优于植物油沥青粘结剂、合脂油粘结剂和桐油粘结剂3种粘结剂的综合性能。第4章一、选择题1.B2.B3.D4.A5.A6.B7.A二、判断题1.√2.×3.×4.×5.×6.√7.√8.×9.√10.×三、简答题1.粘土砂按是否烘烤铸型可分为湿型砂、干型砂和表干型砂三类。湿型砂的优点是不用烘干设备和燃料，生产周期短，便于组织流水作业，落砂容易，灰尘少，劳动条件好，砂箱寿命长。其缺点是型砂强度较低，流动性差，含有水分，铸件容易产生砂眼、气孔、粘砂、夹砂等铸造缺陷。 干型砂需要经过烘干，因此干型砂的湿强度可以稍低一些，含水量可以稍高一些，以达到较高的干强度。对原砂的化学成分和耐火度要求不高，可以使用粒度较粗的原砂，在不加煤粉等抗粘砂附加物时，可以有较高的透气性。表干型砂兼有湿型砂和干型砂的有点。与湿型砂相比，具有表面层强度高、湿度小的特点，因而不易产生气孔、粘砂、夹砂、冲砂等缺陷。1.铸钢件湿型砂具有以下特点：①为了防止铸件增碳，型砂中不含煤粉，因而含泥量要比铸铁湿型砂低，需水量少，水分一般在4%~5.5%之间；②使用粒度较细的原砂，多用75/150较细的石英砂；③为防止铸件产生粘砂，原砂的二氧化硅含量大多在97%以上，采用活化膨润土或天然钠膨润土来提高型砂的热湿拉强度和抗夹砂能力；④为了提高型砂的韧性和表面风干强度，型砂中可加入适量的淀粉类材料。了提高铸型表面强度，可以喷一层糖浆、纸浆废液或水玻璃等。2.①由于紧实率对水分非常敏感，水分有0.2%的变化时，紧实率就能够反映出来，因此，紧实率数据能够判断水分含量是否适合于造型；②紧实率可以反映型砂吸水物质的变化，当紧实率不变，而水分变化时，则反映出型砂中吸水物质的变化；③紧实率与湿压强度和水分一起考虑，可推测出粘土含量、有效粘土含量和混砂效率，因此，生产中用紧实率控制型砂性能是一种简单而迅速的方法。3.影响粘土砂强度和透气性的因素有如下几点：①原砂颗粒大小和颗粒尺寸分散度。粗砂的透气性比细砂高，砂粒尺寸分散度大，越不均匀，则透气性越低，强度越高。②粘土含量。水分适当时，粘土含量增加，透气性下降，湿强度升高，但审稿到一定值时不再升高。③水分。粘土含量一定时，随水分的增加，强度先增加后逐渐降低，透气性降低。④混砂时间。必须有充足的混砂时间才能保证足够的强度，但时间过长或过短都会降低型砂的透气性。⑤紧实度。紧实度越高，透气性越低，强度越高，但有一定的限度。4.铸铁件用的湿型砂配比中，一般旧砂为50%~80%，添加新砂为5%~20%，活性膨润土为6%~10%，有效煤粉为2%~7%，还可以加入1%左右的重油或渣油作防粘砂的附加物。铸钢件用的型砂中，新砂所占比例较大，膨润土加入量也相应增多。为提高型砂性能常加入少量有机亲水性粘结剂性（如糊精、淀粉）及氧化铁粉等附加物。铸造非铁合金（铜合金、铝合金、镁合金）主要要求型砂能防止液态金属渗入砂型，使铸件表面光滑、清晰、美观及尺寸比较精确。因此，原砂粒度一般较细，含水量较低，以减少型砂的发气量和提高流动性。5.旧砂温度过高的不良影响有：①随着砂温的提高，标准试样的重量和湿压强度等性能都会下降；②型砂水分很容易蒸发，混砂机出口处型砂的紧实率和水的质量分数与造型机所用型砂有明显变化；③热砂蒸发出来的水蒸气凝结在冷的运输带、砂斗和模板表面上，而使其粘附一层型砂。粘附在输送带上的浮砂会掉落地面而污染作业环境；粘附在砂斗内壁的砂会越聚越厚；粘附在模板上的型砂会造成起模困难；④砂型表面的热砂容易脱水变干，使砂型棱角易碎，不耐液态金属冲刷，容易造成冲蚀和砂眼缺陷；⑤热砂的水蒸气凝结在冷铁和砂芯上，使铸件产生气孔缺馅；⑥由于旧砂温度高、含水量少，运输过程中粉尘会随着空气流和烟气向外散发，影响环境卫生。解决热砂的最有效措施是旧砂采用增湿通风冷却处理。为了取得良好的增湿降温效果，一般需要配有测温、测湿和自动加水控制系统。除在冷却器内喷水外，当旧砂温度高于100℃时，还可以在旧砂输送带上同时喷水，降温效果会更好些。6.形成4个不同的区。I区为完全烘干区：在此区内砂型被完全烘干，强度随温度的升高而上升，到粘土结晶构造被破坏的温度，强度达到最高值。此外还产生大量的气体。II区为水分饱和凝聚区：由于水分的迁移和水蒸气的凝聚，此区水分已达饱和，故强度比较低。水分饱和凝聚区向远离金属和铸型界面的方向移动，金属的浇注温度越高，移动的速度越快。此区的厚度则随距砂型表面的距离的增加而增加。此区温度始终稳定在100℃左右。III区为水分不饱和凝聚区：该区为水分饱和凝聚区与正常区的过渡区，温度也在它们之间，即20~100℃。IV区为温度正常区：水分含量无变化，强度也无变化。7. 产生化学粘砂的先决条件是金属表面的氧化。影响化学粘砂的因素主要是金属氧化物的数量及金属氧化物与型砂之间的作用程度，后者主要取决于热作用的情况，如铸件大小和壁厚、浇注温度等。热作用对化学粘砂有很大的影响。热作用越大，则化学作用越剧烈。型砂的耐火度不足，则在高温金属的作用下发生熔化，将促使化学作用加剧，形成严重的化学粘砂。由于金属氧化物渗入铸型孔隙后促进了金属氧化物与铸型之间化学作用的进行。因此，凡是影响机械粘砂的因素也间接的影响化学粘砂。1.一般认为夹砂的成因如下：往砂型中浇注液态金属时，由于与液态金属的接触或辐射，砂型表面温度急剧上升，因而表面层膨胀，另一方面，自砂型表面层产生的水蒸气通过砂型内部时，被冷却而形成水滴，凝聚在表面干燥层下面，成为水分饱和凝聚的薄层，此层的热湿强度很低，仅为正常状态下湿强度的几分之一。在形成高湿度低强度的水分饱和凝聚区的同时，若表面干燥层受热至600℃左右，由于石英突然膨胀，表面砂层产生较大的膨胀压应力，迫使表面层有沿着水分凝聚层滑动脱离本体而拱起的趋势。如果型砂的膨胀压应力较小，或者热湿强度较大，就能够防止表面层拱起；否则拱起的表面层开裂，铁水从破裂处侵入，冷却凝固后即形成夹砂。2.析出性气孔是溶解在金属液中的气体，在冷却和凝固过程中，由于溶解度降低而析出形成的孔洞。其特征是：数量多、尺寸小，形状呈圆形、椭圆形和针状。在铸件断面呈大面积均匀分布。五、思考题[答案要点]液态金属对铸型有三种基本作用：机械作用、热作用及相互的物理化学作用。液态金属对铸型的机械作用有：浇注时砂型受到液态金属的冲刷和冲击；液态金属在型腔中尚未凝固成有足够强度的硬壳前，砂型受到的动、静压力。在不利的情况下，将产生砂眼、胀砂和炮火现象。液态金属对铸型的热作用包括液态金属对铸型的加热、铸型内水分的迁移和砂型受到的热膨胀和热应力。液态金属与砂型的物理化学作用主要有包括砂型内壳的熔化、造型材料的发气和造型材料的熔解及铸件表面合金化等。【案例分析】1.前两个厂家产生的铸件产生粘砂的原因是煤粉品质太差，或者是型砂中有效煤粉量不足。江苏某外资工厂产生粘砂的原因是砂粒太粗，因此透气性过高，金属液容易钻入砂粒间孔隙，使铸件表面粗糙，或将砂粒包裹固定在表面上，从而产生粘砂。2.该厂应当改用优质膨润土和煤粉；还应使用旧砂除尘设备，将旧砂含泥量控制在型砂含泥量要求范围内；将型砂破碎指数提升。在造型处的型砂紧实率也应提高为。这样就能提高型砂韧性和减少砂孔缺陷。3.材料三说明了型砂的原材料对铸件缺陷的产生具有巨大的影响。江西的厂家直接将耐火粘土当做膨润土使用，从而大大降低了铸型的强度，容易出现夹砂。天津的铸造厂虽然采用了活化膨润土，但由于使用了含钠、镁、氯离子较多的水，对活化膨润土起了强烈的反活化作用，也造成夹砂的出现。4.山东生产厂家铸件上的气孔为侵入气，而山西厂的为反应性气孔。冷芯盒砂芯长时间放置在相对湿度极高的砂型中很容易吸潮。浇注时不仅粘结剂发气，而且砂芯吸收的水分也发出大量水汽，进入铁液中造成的侵入气孔。因为铝、钛与水反应放出极易溶入铁液层中的原子态[H]，该层凝固时，氢的溶解度降低而以分子态气相析出和长大成氢气泡，从而形成反应性气孔。第5章一、填空题1.物理脱水硬化化学硬化2.CO2压力吹气时间残留水分3.强度保存性粘膜性4.硅铁粉水玻璃自硬砂硅酸二钙水玻璃自硬砂水玻璃流态自硬砂有机酯水玻璃自硬砂5.粘砂严重溃散性差吸湿性强旧砂再生和回用困难6.湿法再生干法再生脱除的Na2O占型砂中原Na2O含量的百分数二、选择题1.B2.C3.C4.B5.A三、简答题1.水玻璃砂的主要优点是：①水玻璃砂流动性好，易于紧实；②硬化快，简化造型和制芯工艺，缩短生产周期，提高劳动生产率；③铸造缺陷少，提高了铸件质量；④ 可以硬化后再起模，型芯尺寸较准确，提高铸件的尺寸精度；⑤可不用干燥炉，节约能源，改善车间劳动条件。水玻璃砂的缺点是：①落砂困难。②旧砂回用再生困难。③吸湿性较大，水玻璃砂对环境相对湿度非常敏感，制造的型芯容易吸湿而导致强度下降。1.解决的方法如下：①控制型砂水分不要偏高；②吹CO2时间不宜过长；③型芯不要久放；④在钠水玻璃砂中加入1%左右，密度为1.3g/cm3的糖浆可有效防止表面粉化。2.采取以下措施提高抗吸湿性：①在钠水玻璃中加入锂水玻璃或在钠水玻璃中加入LiOH、CaCO3、ZnCO3等无机附加物，由于能形成相对不溶的碳酸盐和硅酸盐，并可减少游离的钠离子，因而可改善钠水玻璃粘结剂的抗吸湿性；②在钠水玻璃中加入少量有机材料或加入具有表面活性剂作用的有机物，粘结剂硬化时，钠水玻璃凝胶内亲水的Na+和OH-离子或为有机憎水基取代，或相互结合，从而改善吸湿性。③提高水玻璃的模数。④在钠水玻璃中加入淀粉水解液，更好的方法是采用淀粉水解液对钠水玻璃改性。3.VRH法的主要特点：①水玻璃加入量少。②显著改善砂型的溃散性。尽管VRH法型砂比树脂砂的溃散性差些，但溃散性及旧砂再生性能比直接吹CO2法水玻璃砂均有明显改善，干法再生也比较容易，再生回收率甚至可达80%左右。③铸件质量高。VRH法实行先硬化后起模的工序。而且由于水玻璃加入量少，砂型（芯）在高温下变形减少，有利于提高铸件尺寸精度，同时硬化后的砂型（芯）水分含量低，铸件的气孔、针孔等缺陷相应减少。④降低造型材料的费用，提高经济效益。⑤缺点是设备投资大，固定尺寸的真空室不能适应过大或过小的砂箱或芯盒。工艺过程：①抽真空。要求真空度至少在5kPa以下，最好在2.6kPa以下，但低于1.0kPa时型砂强度反而下降。②往真空室导入CO2。VRH法水玻璃砂型（芯）吹CO2是在真空室内进行的，与水玻璃反应快而均匀。CO2通气压力视真空室剩余空间的大小决定，一般在40kPa左右。③打开真空室。导入CO2一段时间后，即可打开真空室导入空气，然后砂型（芯）即可浇注。4.湿法再生的特点如下：①旧砂中的Na2O去除率高，一般可达达80%以上，有的甚至可超过90%；②再生砂回用率高，可达9%％以上；③再生砂可作为造型的面砂和单一砂使用；④对于酯硬化水玻璃旧砂，能有效去除残留酯，延长再生砂混砂后的可使用时间。不足是：再生工艺和设备系统较复杂，湿砂需脱水烘干，热砂需冷却，湿法再生的污水需经处理后循环回用或无害排放。水玻璃旧砂干法再生系统的优点是设备的结构和系统布置较简单，投资较少，二次污染较易解决。干法再生的缺点是Na2O的去除率低，一般不超过30%，采取增加撞击次数或摩擦时间的办法可提高Na2O去除率，但砂粒容易破碎和粉化。采用加热旧砂的办法，同样存在增加设备投资和能源消耗，以及热砂冷却等问题。5.有机酯水玻璃自硬砂的硬化可分为如下三个阶段：第一阶段，有机酯在碱性水溶液中发生水解，生成有机酸或醇。第二阶段，有机酯和水玻璃反应，使水玻璃模数升高，且整个反应过程为失水反应，当反应时水玻璃的粘度超过临界值，型砂便失去流动性而固化。第三阶段，水玻璃进一步失水强化。四、思考题水玻璃无色、无臭、无毒，沾于皮肤和衣服后用水冲洗即可，但必须避免溅入眼中。水玻璃在混砂、造型、硬化和浇注过程中都没有刺激性或有害气体释出，没有黑色和酸性污染。但若工艺不当，水玻璃加入过多，水玻璃砂的溃散性便不好，清砂时粉尘飞扬，也会造成污染。同时，旧砂再生困难，废砂的排放造成对环境的碱性污染。如果能克服这两个问题，水玻璃砂便可成为基本没有废砂排放的环保型型砂。解决这两个问题的根本措施是：将水玻璃的加入量降到2%以下，基本上可以振动落砂。当水玻璃加入量减少，旧砂中的残留Na2O也减少，使用比较简易的干法再生，有可能将循环砂中残留的Na2O维持在0.25%以下。此再生砂可满足中小型铸钢件单一型砂的应用要求。【案例分析】1.作图略。水玻璃加入量为1％时，强度随时间先上升，在60s达到峰值后下降；加入量为1.5％时，强度随时间平缓上升；加入量为2% 时，强度随时间先缓慢上升，后急剧上升。较短微波加热时间内(<60s)，随着水玻璃加入量的增加，水玻璃砂型的抗压强度减小；在较长的加热时间(60~120s)里，随着水玻璃加入量的增加，水玻璃砂型的抗压强度增加。水玻璃砂的强度取决于砂粒之间粘结桥的数量，当水玻璃模数一定，水玻璃加入量少的水玻璃砂水分也较少，在相同微波功率下，硅酸钠固化形成粘结桥的时间也相应较短，反之亦然。所以在较短的加热时间内(<60s)，占主导优势的是形成粘结桥的速度，水玻璃加入量较少的水玻璃砂形成粘结桥的过程更迅速，从而相同加热时间里的抗压强度较大；但在较长的加热时间里(60~120s)，各种水玻璃加入量的型砂都已形成粘结桥，此时占主导优势的是粘结桥的数量，所以水玻璃加入量大的型砂粘结桥数量多，其抗压强度也相应增大。1.在相同水玻璃加入量，同一加热时间(0~120s)条件下，采用3种不同功率加热时，水玻璃砂强度随着加热功率的增加而增大，这是由于微波加热过程中水玻璃在吸收微波能后，砂型内硅酸分子和水分子同时高速振荡，温度迅速上升，胶粒热运动加剧，发生凝聚，使硅酸缩合，迅速形成胶粒紧密细小、大小均匀的玻璃状硅酸钠网状结构。微波加热功率越高，砂型吸收的能量越多，形成的网状结构就越致密，从而砂型强度就会增大。2.水玻璃加入量为1%时，残留强度为0.01~0.02MPa；水玻璃加入量为1.5%时，残留强度为0.02~0.03MPa；水玻璃加入量为2%时，残留强度为0.06~0.07MPa。由此可见，微波加热功率和微波加热时间对水玻璃砂的残留强度几乎没有影响，水玻璃砂残留强度只与水玻璃的加入量有关，残留强度随着水玻璃的加入量增加而增大。3.因为微波硬化水玻璃砂试样吸水量与试样Na+含量，环境湿度有关。水玻璃加入量增加，则亲水离子Na+含量增加，吸水量自然增加。当相同水玻璃加入量时Na+含量相同，湿度95%~97%大于82%~85%，根据扩散原理，湿度越大，环境水汽浓度越高，水分子向试样内部扩散的势能越大，试样吸水越容易。第6章一、填空题1.硬化水化物的化合水（或结晶水）水化物凝胶体的吸附水所有毛细孔和孔隙中所包含的自由水2.促使水泥早凝早硬，并能改善型砂的出砂性能和造型性能3.Ca(OH)24.氟铝酸钙二、简答题1.各种配比的水泥砂，它们的高温强度曲线形式是相同的。在250℃时都出现强度的最高峰，且其强度的最高值与室温强度值的比例基本相近，这是由于水泥凝胶脱水与部分氢氧化钙产生加速结晶，起了增进密度的作用，因而引起强度提高。升高温度则强度开始下降，在400~500℃时，强度恢复到室温强度，这是水化硅酸钙和水化铝酸钙脱水引起的。在400~800℃之间，除水化物分解外，还有石英砂受热膨胀的影响，会引起颗粒间的相对移动，使水泥粘结强度受到破坏。当温度达到1000℃时，水化物全部分解，水泥的粘结作用受到完全破坏，强度达到最低点。在1100℃时，曲线稍有提高趋势，可能是水泥中氧化铁和氧化钙熔融生成的类似玻璃体物质而引起一定的强化。到1300℃时形成的玻璃体又被熔化，其强度又下降。2.在实际应用中矾土水泥自硬砂存在两个问题：①矾土水泥水化时需水量很大，一般的水灰比要在0.9~1.2左右，如水灰比过小则铸型表面性能很差。因此，其残留水分还是相当高，影响铸件质量。②水泥的凝结时间长，需要几小时以后才达到起模强度。为了解决以上问题，可采用阴离子型减水剂来降低矾土水泥的水灰比，同时也降低了水泥的使用量。3.与普通水泥作比较，这种水泥能在2~30min内凝结，而普通水泥则需2~8h才能凝结。普通水泥需要28天才能达到的强度，这种水泥在9~24h内就可达到。正因为双快水泥具有这种早凝早硬的特性，在铸造生产中才常采用双快水泥，而不用普通硅酸盐水泥做粘结剂。4.为了获得良好性能的双快水泥自硬砂，主要从水灰比、添加剂和温度方面进行控制。① 水灰比。对双快水泥来说控制水灰比，主要是为了控制残余水分。为了保证铸件质量，在一般情况下把水灰比控制在0.7~0.9之间较好，水泥砂含水量在6%左右时，24h以后的残留水量还可能在3%以上，对生产重要铸件时，这个含水量尚不够理想。②添加剂。双快水泥的凝结时间比较短促，且又对很多添加剂非常敏感。微量化合物的渗杂就足以大幅度的影响其反应速度，甚至使水泥砂根本不存在可使用时间，因此使用添加剂时应慎重，通过实验后再进行。还应注意，添加剂用量的多少可以产生完全不同的结果。③温度。由于水灰比对双快水泥的强度影响较小，故可以用改变含水量的办法来抵偿温度的影响，因而可认为温度对双快水泥砂的影响关系不大。实际上，当对水灰比严加控制时，温度的影响就可表现出来，因此，在实际生产中仍应重视温度的变化，并采取相应的措施。第7章一、填空题1.加热硬化吹气（雾）硬化自硬2.甲阶酚醛树脂诺沃腊克型酚醛树脂诺沃腊克型酚醛树脂甲阶酚醛树脂3.贮存稳定性不佳4.糠醇树脂酚醛呋喃树脂脲醛呋喃树脂甲醛呋喃树脂5.脲醛呋喃树脂酚醛呋喃树脂6.含羟基的树脂聚异氰酸酯胺7.诺沃腊克型酚醛树脂六亚甲基四胺8.氯化铵水溶液六亚甲基四胺9.低氮、低水分、低游离甲醛、无游离酚的高糠醇树脂铜盐的水溶液或醇溶液10.尿烷树脂（聚苄醚酚醛树脂和聚异氰酸酯）无氮、低糠醇树脂11.洗涤塔8%~10%的稀硫酸液5%~10%的NaOH溶液12.磷酸溶液硫酸乙酯有机磺酸有机磺酸13.原砂硬化剂温度湿度14.游离硫酸含量较低的有机磺酸15.占树脂的百分数二、判断题1.√2.√3.×4.×5.√6.×7.×8.√9.×10.×11.√12.√三、简答题1.①制芯工艺过程简化，便于实现机械化和自动化；②型芯可直接在芯盒里（加热或不加热）硬化，不需进炉烘干，可取消烘炉；③型芯是硬化后取出的，变形小，精度高，提高了铸件的尺寸精确度，可以减少加工余量；④硬化反应快，只需几分钟甚至几十秒钟即可完成，大大提高了生产效率。2.壳芯工艺的优点：①固化后强度很高，比油砂大2~3倍，也比热芯盒砂强度高。②壳芯是中空的，具有良好的透气性和出砂性，故可用较细的原砂获得表面光洁的铸件，芯砂消耗量也很小。③壳芯砂在室温下一般不发生固化反应，能保存几个月。④固化后的型芯吸湿性很小，可长期存放。⑤壳芯砂在固化前是松散的干态混合料，流动性特别好，能吹制形状很复杂的型芯。缺点：大型芯质量不够稳定，大壁厚的铸钢件表面粗糙，带有很多皱纹和凹坑，热芯盒工艺的优点：与壳芯工艺相比，①其制芯工艺过程简单，硬化周期更短，而且型芯从芯盒中取出后，利用余热自身能继续硬化，因此具有更高的生产率；②热芯盒工艺用树脂粘结剂比壳芯用的树脂粘结剂来源丰富，成本低，用量少；③热芯盒树脂砂的混制工艺也较简单。缺点：热芯盒工艺的能耗相当高，在使用过程中产生有刺激性的烟气。温芯盒工艺优点：与热芯盒工艺相比，①生产效率高；②散发的游离甲醛少得多；③没有游离酚；④芯子抗吸湿能力强，能贮存较长的时间；⑤能耗低；⑥芯盒不易变形，寿命较高。主要缺点：成本高。3.相同之处：硬化剂都不参与树脂的硬化反应，只起催化作用。不同之处：①甲阶酚醛树脂对酸不敏感，因此，混砂时，可先加树脂后加硬化剂，也可先加硬化剂后加树脂。而呋喃树脂自硬砂必须先加硬化剂，后加树脂，顺序不可颠倒。②甲阶酚醛树脂自硬砂中的树脂加入量增加，自硬砂硬化时对硬化剂的稀释作用加强，因而不得不增加硬化剂的加入量。所以，对于甲阶酚醛树脂自硬砂，硬化剂的加入量应以占树脂的百分数计算较为适宜。而呋喃树脂自硬砂则以占自硬砂的百分数计算。4.三乙胺法硬化工艺优点：①对不同原砂适用性十分广泛，对耗酸值没有要求，石英砂、锆砂和石灰石砂均可使用；②型芯硬化迅速，几秒钟就可硬化，硬化后强度高，几乎可以立即浇注；③可以制造复杂程度不同、大小不等的型芯；④浇注后的型芯落砂性很好；⑤制好的型芯可以长期储存。此法的主要缺点：①粘结剂和硬化剂都易燃，需要妥善储存；②催化剂有毒，不能直接与皮肤接触。SO2法硬化工艺优点：①热强度高，使铸件表面粗糙度和尺寸精度高于三乙胺法；② 出砂性优良，对铝镁合金也极易出砂；③树脂砂有效期特别长，混好的砂不接触SO2气体决不会硬化；④发气量是有机粘结剂中最低的，约为三乙胺法的50%，浇注时烟雾气味小；⑤强度增加快，脱模强度为终强度的75%~90%。SO2法的缺点：①腐蚀性大，虽然所有的工程材料都可作为芯盒材料，但都要涂漆防护；②树脂粘结剂不能直接与任何酸催化剂混合，否则易燃烧；③过氧化物为强氧化剂，易燃烧，要妥善保管；④SO2气体有臭味，空气中含量为1ppm时即可感到，要严格检查系统的密封性，以防泄漏；⑤过氧化物、SO2气体及洗涤塔中的NaOH溶液对人都有害。1.①合理选用混砂机。虽然原则上任何一种混砂机都可以用来混拌树脂砂，但是最好不要使用会使砂子因强烈摩擦而发热的混砂机。②正确的加料顺序。基本原则是先使硬化剂在砂中分散以后再加入树脂。如果先加入树脂，则加硬化剂时，在它还未分散以前浓度很高，会使附近的树脂发生强烈的反应而失效。③恰当的混砂时间。混砂时间的确定应以催化剂能均匀的覆盖砂粒表面所需的时间为准。太短了混不匀；太长了使砂温升高。2.影响：自硬砂是在不加热的条件下硬化的，其交联反应的速度在很大的程度上取决于砂的温度。一般情况下，砂温升高10℃，则反应速度将提高一倍。因此，必须充分重视原砂的温度，最合适的砂温是25~30℃，在此条件下，硬化剂的用量可减到最少，树脂砂的流动性也很好。砂温超过40℃，则硬化太快，会导致铸型或型芯表面脆化，铸件上容易产生冲砂、粘砂及脉状纹等缺陷。砂温太低，则硬化太慢，脱模时间明显增长，影响生产节拍。控制措施：①在大批量生产的条件下，应设有砂温控制装置，这包括加热和冷却两个方面，大量使用再生砂时，砂冷却装置尤为重要。②在小批量生产或只用自硬砂制芯的条件下，常常不进行砂的再生，因而没有热砂冷却的问题，只要考虑冬季加热砂即可。如果原砂加热的条件不具备，则不能仅靠调整硬化剂用量解决冬季生产的问题，应改变硬化剂的品种。③模具表面的温度也要控制。3.大多数呋喃树脂都含有氮，如果其含量和浇注的金属及铸件的特征不相适应，就可能导致氮针孔。浇注时树脂分解出的氮气，相当的一部分会被熔融金属所吸收。金属凝固期间，氮的溶解度急剧下降，就会析出氮而形成氮针孔或裂隙样的分散气孔。具体措施如下：①选用含氮量低的树脂，但树脂氮量降低，则树脂砂硬化缓慢；②尽量降低树脂加入量，并加以严格的控制；③选用含氮量低的涂料且涂料应彻底干透；④根据再生砂中的含氮量，限定再生砂的用量；⑤改进浇注系统，以求缩短浇注时间并消除热节；⑥避免浇注温度过高；⑦往铁水中加钛，以抵消氮的影响；⑧避免使用含氮的增碳剂；⑨用无氮的酚醛呋喃树脂配面砂，用价格梗宜的高氮树脂配背砂。4.用树脂砂作造型材料时，应考虑以下各种氮源：①树脂及硬化剂产生的氮；②再生砂中积累的氮；③浇注之前金属液原有的氮；④型砂中的含氮附加物和涂料中的氮。四、名词解释1.壳芯工艺：将砂料倾注在预热到250~300℃的模板上或芯盒中，经一时间（15~50s）后，靠近模板或芯盒壁处的型砂受热，树脂熔化而将砂粒粘结在一起，沿模板或芯盒内腔形成具有一定厚度的壳，然后将模板或芯翻转，将未反应的砂料倒出，积聚加热一定时间（30~90s），开启模板或芯盒，把壳芯顶出，即得到薄壳状的铸型或型芯。2.热芯盒工艺：用射芯机以5×105~7×105Pa的压缩空气，将湿态树脂砂射入加热至一定温度（180~260℃）的芯盒内，经几十秒至几分钟即可从热芯盒中取出具有足够强度的型芯。该种工艺称为热芯盒工艺。3.可使用时间是树脂砂可用于造型和制芯的一段时间。它有两种表示方法：一种是型砂抗压强度达到7kPa所经历的一段时间称为可使用时间；另一种是将混制好的树脂砂每隔一段时间制备几个标准的试样，如果测得的抗压强度为刚混好的型砂制成试样强度的70%时所经历的时间称为可使用时间。4.脱模时间是指试样抗压强度达到0.14Mpa时所经历的一段时间。五、思考题1.下面以树脂砂中常见的铸造缺陷及它们的特征。缺陷特征 气孔多在皮下，为皮下气孔、针孔，表面较光滑但形状不规则；有单个存在，也有两个或多个存在一起；形状有圆形、椭圆形、梨形、蠕虫形、棉花形等，也有裂隙孔。粘砂以机械粘砂为主，在铸件表面粘附着难以清除的砂粒。铁毛刺常产生在铸件表面的内圆角处（有时也发生在平面部分）和高温热节处，大多呈条状，其形状和走向均不规则，严重时呈网状分布。裂纹裂口外形曲折不规则，表面被严重氧化，无金属光泽，近似黑色；外裂纹表面宽而内部窄，呈撕裂状；内裂纹一般分布在最后凝固区，有时出现在缩松下部。渗碳树脂热分解产物为CO、CO2及CH4等，向铸钢件扩散，使铸件表面增碳。皱皮铸件表面有皱纹和凹坑，或出现类似冷隔的表面皱皮或裂痕。1.[答案要点]①了解树脂砂的特性，考虑各种树脂的性能、价格和市场供应条件。②充分认识原砂的重要性，对原砂的化学成分、颗粒形状、粒度组成、表面特征和需酸量等有切实的认识。③加强工艺管理，保证原材料与辅料质量的一致性，保证定量准确、严格控制砂温和环境温度。④考虑工业环境和环保的问题。【案例分析】1.由于冷芯盒树脂砂中组分II中的氰酸根（—NCO）与水中的—OH根发生水解反应。随着原砂中含水量的增加，组分II水解倾向增加，树脂的粘度强度下降，进而导致砂芯的强度下降。2.树脂砂的抗拉强度随着树脂加入总量的增加而增加。这是由于砂粒之间的树脂膜厚度增加。但随着树脂加入量增多，生产成本必然增加，且砂芯发气量也随着增大，故不能盲目的增大树脂加入量。应根据生产需要，在保证树脂砂强度的前提下适量加入。3.采用树脂配比55:45。4.随着吹胺时间的增长，砂芯强度增大；但是当吹胺时间到了0.8s以后，砂芯即时强度几乎没有增加，终强度的增加幅度也不大。因此，在要求砂芯即时强度时，吹胺时间应≥0.8s，考虑三乙胺强烈的刺激性气味，可取吹胺时间为0.8s。第8章一、填空题1.耐火骨料载体粘结剂悬浮稳定剂2.骨料的熔点或软化点骨料的高温化学稳定性3.氧化镁粉4.焦炭粉石墨粉石英粉锆英粉刚玉粉高铝熟料粉滑石粉（选任三种）水基涂料醇基涂料氯代烃基涂料5.膨润土羧甲基纤维素钠海藻酸钠聚丙烯酰胺6.有机膨润土7.触变性8.刷涂蘸涂抹涂淋涂流涂9.无气喷枪低压热空气喷涂装置10.涂料层的厚度需涂覆的面积二、简答题1.铸造生产中，砂型（芯）上的涂料具有十分重要的作用，它可以使铸件表面光洁、防止粘砂等。在不同场合下，铸造涂料分别具有以下作用：①提高铸件表面粗糙度，使铸件表面光洁。②保证铸件表面合金成分符合技术要求。③提高铸件表面性能及内在质量。④控制铸件的冷却速度。⑤使铸件表面合金化。⑥为铸件提供变形层，从而减少铸件的开裂。⑦可降低对原砂的要求，而用铸造涂料弥补其不足。基于以上，在铸造生产中，铸造涂料被广泛使用。2.在实际的铸造生产中，铸造涂料应满足如下要求：①较高的触变性及覆盖性，即在上涂料时能变稀，易涂刷，刷完后，涂料能很好地粘附于垂直的型壁上，不往下流淌，刷痕可自动平复。②较好的悬浮稳定性及分散性。③适宜的渗透性。④足够的耐急热性和高温稳定性，浇注后涂料虽被急剧加热，但能经受住热应力的作用，涂料层不开裂，并有一定的强度。⑤各种原材料资源丰富，成本低廉，且对人体无害。3.假塑性流体和触变性流体都有明显的剪切稀释特性，即结构触变性。在剪切作用下，粘度明显下降，剪切作用力越强，粘度下降越多。但是，这两种流体的时间触变性是完全不同的。触变性流体具有时间触变性，在剪切速率不变时，粘度会随剪切时间的延长而进一步下降，到某一极限后才趋于稳定。停止剪切后，粘度的恢复也经过一段时间逐步完成。有时间触变特性的涂料，流平性好，刷痕产生的凹凸不平可在一定程度上消失，但是抗流淌性差。假塑性流体不具有时间触变性，一经剪切，粘度立即下降。匀速剪切时，粘度是定值，不因剪切时间而变化。停止剪切，粘度立即恢复。有假塑性特性的涂料，施涂以后粘度立即恢复，刷痕不可避免，但不会有流淌的问题。 1.涂料流变性能主要从剪切稀释特性和时间相关性来判断。如涂料有剪切稀释特性而且又时间相关，则认定其具有触变性。如涂料有剪切稀释特性但非时间相关，则认定其具有假塑性特性。2.对铸造涂料的耐火骨料的要求：①耐火性。具有高的耐火度和烧结温度，良好的化学稳定性，在浇注温度下不发生化学反应。②颗粒尺寸及分布。一般而言，骨料越细，则涂料悬浮稳定越好，涂料烧结性能也好，容易得到光滑、细腻、渗透性强的涂层。但骨料越细，则需粘结剂越多，涂层也易开裂。因此，希望骨料的颗粒排列致密，粗细颗粒相互镶嵌。3.低强度的粘土砂干型决定了所用的涂料也是低强度的。如果强度太高，涂料层就易于开裂、翘起、乃至剥落。但是，由于粘土砂干型的强度低，总希望通过上涂料能使铸型的表面强度有所增强。因此，粘土砂干型所用的涂料，应能渗入砂型的表层以下，最好是涉及3~4个砂粒。用于化学粘结砂的水基涂料与粘土砂干型所用的涂料大不相同，主要表现在三个方面：①要求涂料的固体含量要高，作为载体的水要尽量减少，从而使带到砂型上去的水很少。②涂料渗入应少，以不超过一个砂粒为好。③涂料层的强度要高，应与砂型的强度匹配，使涂料层附着牢固。三、思考题[答案要点]浸涂（或蘸涂）涂料要求具有假塑性流体特征：在剪切力作用下，涂料的粘度急剧下降。实际上是将砂芯进入涂料中，给涂料剪切力，使其粘度下降，而砂芯表面覆盖上一层涂料，随后将砂芯取出，覆盖在砂芯上的涂料粘度快速上升恢复，使得涂料的流淌停止。流涂涂料和喷涂涂料与浸涂涂料的要求有相似之处，即为假塑性流体。刷涂涂料要求具有触变性流体特征：刷子饱蘸涂料在砂型（芯）上移动时，涂料粘度缓慢下降；当刷子离开砂型后，粘附在砂型上的涂料又以一定速度铸件恢复，使涂料的刷痕逐渐消失。刷涂涂料要求时间触变性要适中。浸涂、流涂和喷涂涂料要求时间触变性尽量低。【案例分析】1.从图中可以看出，涂料3常温和高温透气性都明显高于涂料1和涂料2。这三种涂料配方的唯一差别在于他们的耐火骨料的粒度不同，从表8-9中可以看出，涂料1和涂料2使用的石英粉1和石英粉2的粒度分散，且底盘粉含量较高。以他们配成的涂料，粗细不同的石英粉相互嵌入，涂料间的孔隙直径小，这样涂料1和涂料2的透气性就低。相反，涂料3使用的石英粉3粒度集中，细分含量低，涂料间的孔隙大，涂料的透气性高。2.在耐火骨料粒形外貌相同时，粒度分布越集中，涂料的透气性越高，粘度也越高。粒度越分散，涂料结构越致密，透气性越低，粘度也越低。'