铸造工艺实验指导书.doc

《铸造工艺》实验指导书

郭广思 王连琪

沈阳理工大学
2006年10月

实验一 原砂性能综合性实验

（一）实验目的
铸造生产中用来配制型砂、芯砂的原砂称为铸造用砂。原砂的含泥量、颗粒组成及形状等对型砂的性能有着重要的影响。含泥量高会使型、芯的透气性和耐火度降低。原砂的颗粒组成对型、芯砂的透气性、强度和耐火度都有影响。而原砂的颗粒形状对型、芯砂的流动性、透气性和强度也都有影响。因此，为了配制合乎生产要求的型、芯砂，并在使用中控制它们的质量，就必须掌握原砂的性能及其实验方法。
（二）实验内容
1．测定原砂的含水量；
2．测定原砂的含泥量；
3．测定原砂的粒度；
4．原砂颗粒形状及表面状况的评定。
（三）实验
1．测定原砂的含水量
（1）实验原理
试料中所含水分的百分数，即为该试料的含水量。
（2）实验步骤
试验时，称取50克（准确度达0.1克）试料，在红外线烘干器中烘干。烘干温度在105~110ºC之间，经4~8分钟烘至恒重。冷却后进行称量，记下烘干后试料的重量，准确度为0.1克。（作不同含水量的三种试样）。
按下式计算含水量：

式中：X — 含水量（%）；
G — 烘干前试料的重量（克），G = 50克；
G1 — 烘干后试料的重量（克）。
2．测定原砂的含泥量
（1）实验原理：
原砂中所含直径小于0.022毫米的部分，其百分数即为原砂的含泥量。
测定原砂含泥量通常采用冲洗法。主要是利用悬浮在水中的砂和泥分的质点大小不同，其下沉的速度也不同的原理，将砂和泥分开。
颗粒在水中下沉的速度可用如下公式计算：

式中：V — 质点下沉速度（厘米/ 秒）；
d — 质点直径（厘米）；
r — 下沉物的密度，2.62克/厘米3（砂与粘土比重大致相同）；
r1 — 水的密度（克/厘米3）；
η — 水的粘度0.0010克/厘米·秒（20ºC）；
g — 重力加速度930厘米/秒2。
直径为0.022毫米的最小砂粒在20 ºC的水中下沉速度为：

5分钟内直径为0.022毫米的砂粒在水中下沉深度约为：
2.5×5=12.5厘米。
因此，将原砂与水充分搅拌，使砂和泥悬浮于水中，然后静置5分钟，则所有的砂粒都下降到距水平12.5厘米以下，而12.5厘米以上的水中悬浮物则都是泥分，即可用虹吸管将它吸出。这时，下部的砂中可能还混有一些泥分，再清洗几次，直至上部分水清为止，这样就可能将原砂中的泥分完全洗出。取出沉淀的砂粒烘干，称重量即可算出含泥量。
（2）实验步骤
①称取烘干的原砂试样50克（精确度为0.1克）置于洗砂杯中，再加入475毫升水和25毫升浓度为1%的氢氧化钠溶液（加入氢氧化钠溶液的目的是使粘土及砂粒积压后容易自成分散的质点，以免相互粘附在一起）。
②将洗砂杯装到快速洗砂机上，升高托盘，使搅拌轴完全伸入洗砂杯中，并紧固托盘，防止水溅出。
③开动洗砂机马达，搅拌10分钟，关闭电源。取下洗砂杯，并仔细冲洗粘在搅拌轴和杯壁的泥砂。
④用玻璃棒搅拌，搅拌后静置10分钟，用虹吸管吸去上部分125毫米高度的浑水，不能将25毫米以下的砂吸去。
⑤重复第④步，直到洗砂杯中的水完全透明为止。自第二次起，每次只需静置5分钟。
⑥最后一次吸出杯中的清水后，将剩下的砂粒同水一起倒入漏斗中的滤纸上，不能倒在外面，并注意冲洗，然后将湿砂连同滤纸一起放在器皿上，在恒温箱中烘干（温度200～275ºC）。
⑦烘干后，仔细将砂粒收集起来，在天平上称重，并根据下式计算出含泥量：

式中：Q — 含泥量（%）；
G — 称取的原砂试样重量（50克）；
G1 — 洗涤烘干后试料重量（克）。
3．测定原砂的粒度
（1）实验原理
原砂的粒度是指砂粒的大小，不同颗粒大小的比例，砂粒的均匀程度。
原砂粒度的测定采用筛分法。
（2）实验步骤：
①将经过冲洗后测定含泥量的试样放在标准筛的最上面，盖子盖好后放在筛砂机上。
②开动马达，筛分10分钟后，关闭电源，取下筛子，将每一个筛子上的砂子分别到在盘中，并且将网眼中的砂粒也用毛刷刷下。
③用天平称量每个筛子上砂粒的重量（准确度为0.1克），并将重量乘2，所得结果即为该号筛上的砂粒占试样总重量的百分数。
④用砂粒最集中的三个相邻筛子的头尾筛号数表示出原砂的颗粒组成。
注意：筛子使用前先要检查每个筛子的筛号，检查排列顺序是否正确，完全排列正确后方能筛分。

4．圆砂颗粒形状的观测
（1）实验原理
原砂颗粒形状分为：圆形砂、多角形砂和尖角形砂。
圆形砂：颗粒为圆形或接近于圆形，表面光洁，没有突出的棱角，这种砂用符号“O”表示。
多角形砂：颗粒呈多角形，且多为钝角。以符号“□”表示。
尖角形砂：颗粒呈尖角形，且多为锐角。以符号“△”表示。
（2）实验步骤
将洗净的原砂的主要部分（相邻三筛的砂子）均匀混合，取少量放在放大倍数低于60倍的显微镜下进行观察，以主要的一种表示。如果有两种颗粒形状，则只要一种不超过1/3，则仍以主要颗粒表示，如果两种都超过1/3，则用两种符号表示。
观察结果评定颗粒形状是圆形、多角形还是尖角形，以符号表示之。表面状况包括砂粒的颜色、透明度、有无裂纹、粗糙程度和有没有其他杂物等。
（四）实验设备、测试仪器及所用工具
普通天平、红外线烘干箱、涡轮式洗砂机、电磁微震筛砂机、体式显微镜、火燃喷灯等。
（五）报告要求
实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用实验报告用纸书写。
（六）讨论题
1．原砂的牌号及表示方法

实验二 型砂性能综合性实验

（一）实验目的：
铸造生产中应用最广泛的是湿型铸造，特别是近代机械化生产，大量采用湿型砂，生产中合理的控制型砂的性能是保证铸件质量的关键。本实验为使同学掌握型砂性能的检验方法，熟悉影响型砂性能的主要因素，学会调整和控制型砂的性能。
（二）实验内容
1．测定型砂的透气性，湿压强度
2．测定型砂的紧实率
3. 测定型砂的流动性
3．测定砂型的表面硬度
（三）实验
1．测定型砂的透气性，湿压强度
（1）实验原理
标准工艺试样的制作：测定造型材料的透气性及强度时，应采用标准工艺试样，各种标准工艺试样的尺寸规格如表1所示。
表1 型砂试样规格
试样名称
试样形状
试样尺寸（mm）
抗压、抗剪、抗裂
圆柱形
Φ50=0.2×50±0.1
抗拉
8字形
中截面25×25
抗弯
方柱形
25×25×166.7
（2）实验步骤：
① 在混砂机上混碾不同水分加入量和活化膨润土的湿型砂，每碾为2公斤，碾好后放入塑料袋中盖好，准备试验。型砂配方如表2。
② 用天平称取约170克型砂倒入冲样筒中，在冲样机上击三下，制成标准试样。
表2 测透气性及湿压强度的型砂的配方
样号
原砂
百分含量
原砂
重量
膨润土
百分含量
膨润土
重量
水
百分含量
水
重量
NaCO3
重量
1
2
3
4
5
6
94%
94%
94%
94%
94%
94%
1880g
1880g
1880g
1880g
1880g
1880g
6%
6%
6%
6%
6%
6%
120g
120g
120g
120g
120g
120g
0.75%
1.5%
2.5%
3.5%
7.5%
7.5%
15g
30g
50g
70g
150g
150g

4.8g
③ 将标准试样连同冲样筒一起倒叩在透气率测定仪的实验座上，测出透气率，并记下数值。
④ 将标准砂样用顶柱从冲样筒中顶出，放于万能强度实验机上。测出它的湿压强度并记下数值（单位ka/cm2），每种型砂做三个标准试样，对所测数据取平均值。
⑤ 将所测数据列表填好，并根据表上的平均值分别绘出水分不同的加入量与湿强度和透气性的关系曲线。
2．测定型砂的紧实率
（1）实验原理
型砂紧实率是指型砂在被紧实前后的体积变化就绪。型砂被紧实前松态密度越小，紧实后的体积减小越多，则紧实率越高。
（2）实验步骤：
将型砂通过筛孔直径为4.8～6.4毫米的筛子松散地装入试样筒中，刮去顶端多余的型砂，用筛击制样机打三个，然后测量出打下的深度。
型砂配方如表3所示。
表3 测紧实率及流动性的型砂配方
试样号
原砂
膨润土
水
1
2
3
100%
100%
100%
6%
6%
6%
0.75%
1.0%
1.5%
用下式计算紧实率：

其中：K — 紧实率（%）；
B — 紧实距离（毫米）；
A — 砂样筒高（毫米）。
按以上方法分别测出含水量不同的三种型砂的紧实率，并比较其结果。
3．测定型砂的流动性
（1）实验原理
型砂流动性是指型砂颗粒间在自重或一定外力作用下，发生相对运动的能力，对于流动性较好的型砂。容易获得紧实度均匀的铸型，并且要获得一定的紧实度，所需要的功能比较小。
由于目前测定型砂流动性的方法没有统一，因而我们这里选择一种简单的阶梯法来测定粘土砂的流动性，并比较其结果。
（2）实验步骤：
将120克型砂置于试样筒中，筒内先放凸台，如图1示，在捶击制样机上打三下，翻转试样筒测出A面的硬度值来，再顶出少许，沿凸台把余砂刮去，测出B点的硬度，如图1所示：

图1 用阶梯式试样侧流动性

其中：KS — 型砂流动性（%）；
HA — A处硬度值；
HB — B处硬度值。
按以上方法测定出含水量相同，加与不加机油的粘土砂的区别。
配方如下表4所示。
表4 测流动性的型砂的配方
试样号
原砂
膨润土
水
机油
1
100%
6%
3%

2
100%
6%
3%
1%
4．测定砂型的表面硬度
（1）实验原理
在生产中，常用型砂表面硬度来评定型砂的紧实质量。因为硬度随紧实度的增加而增加，并且硬度检验不损坏砂型，测量方便。现在得到广泛的应用，砂型的表面硬度，用砂型硬度计测量。
目前，砂型硬度计有干型和湿型两种，共有A、B、C、D四种型号。我们实验所用的为B型硬度计。
（2）实验步骤：
将硬度计底部的平面紧压在所试验的砂型表面，然后根据小钢球压入试样的深度，直接从硬度计表盘的刻度中读出该试样或砂型的硬度值。
测定湿态试样的硬度时，应该试验三个试样，采取所得结果的算术平均值为该试样的湿态硬度值，也可以用在几个不同点所测出的结果计算其平均数。
（四）实验设备、测试仪器及所用工具
碾轮式混砂机、捶击式制样机（液压制样机）、万能强度试验机、直读式透器性测定仪、B型硬度计、筛子、钢板尺等。
（五）报告要求
实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用实验报告用纸书写。
（六）讨论题
（1）粒形对型砂性能的影响？（紧实率、透气性、强度）为什么？
（2）粘土砂的湿态粘结机理？
（3）绘出水分不同加入量型砂的强度、透气性曲线，并标出最佳配方。

实验三 浇注系统水模拟实验

（一） 实验目的
交口杯中水平漩涡，垂直漩涡的形成及影响因素
渣和气体进入直浇道的过程观察
直浇道模型中的真空吸气现象和防止方法
了解依相似原理设计模型的基本规则
（二） 实验内容
1． 浇口杯中水平漩涡，垂直漩涡的形成及影响因素
2． 渣和气体进入直浇道的过程观察
3． 直浇道模型中的“真空吸气现象”和防止方法
4． 末端延长段对阻止初期渣及冷物铁水的效果的观察。
5． 液体及渣团、气体流经几种典型浇注系统的运动规律
6． 了解依相似原理设计模型的基本规则
（三） 实验原理
为了便于观察和测定各种数据，用有机玻璃等透明材料制造浇注系统模型。而用水作金属的模拟物。要使模型中水的运动特性和高温液态金属在砂型中的运动特性相似，应满足相似原理的要求。为了使两者的运动相似（或动力相似），必须使模型与砂型浇注系统两者之间几何相似，且水在模型中流动时与液态金属在砂型中流动时的雷诺数相等。即：
（1）
式中：——液态金属在砂型中流动时的雷诺数
——水在模型中流动时的雷诺数

对于非圆形管道：

所以（1）式可表示为：
（2）
（3）
式中：—— 液流的平均流速 cm/s
—— 浇注系统的水利学半径 cm
—— 流体的运动粘度 m2/s

（四） 实验内容及步骤
1、浇口杯中流动状态的主要影响因素
取1＃模型、放入少许渣团模拟物进行下列五组实验试验，注意观察记录水平漩涡、垂直漩涡的形成及阻渣、进气情况，模型见图2。
表4 浇口杯中流动状态影响因素实验顺序表
实验序号
浇注位置
浇口杯内液面深浅
浇注流股大小
浇注方向
1
2
3
4
5
低
低
高
低
低
浅
高
高
高
高
小
小
小
大
小
逆向
逆向
逆向
逆向
侧向

比较实验1与实验2，注意观察浇口杯内液深浅对实验结果的影响。
比较实验2与实验3，注意观察浇注位置高低对实验结果的影响。
比较实验2与实验4，注意观察流股大小对实验结果的影响。
比较实验2与实验5，注意观察浇注方向对实验结果的影响。
将以上观察结果，绘图记录于实验报告中。

图2 1＃模型浇口杯中流动状态实验

2、直浇道模型中的真空吸气现象和防止方法
直浇道模型2＃（如图3所示）为两单元，即除浇口杯之外，只有直浇道。直浇道横截面积上下相等。因此，由水利学原理可知，直浇道口内各截面上将出现负压，维持浇口杯内液面呈接近充满状态，注意观察模型的直浇道上的三个小孔的吸气现象，并在图4上标出上、中、下三个小孔的吸气严重程度。若以手指逐渐堵塞直浇道下出口，使之出口面积逐步缩小，增加阻力，注意三个小孔的吸气现象有何变化，并记录之。简要说明三个小孔由吸气逐步转化为正压出流之原因。
最后，用“U”形压力计分别测出上、中、下三个小孔的负压值并记入表5中。

图3 直浇道模型2＃

表5 模型1＃直浇道内不同位置的负压值
不同位置
“h”毫米汞柱
上孔
中孔
下孔
________
________
________

3、横浇道的捕渣效果
以模型3＃进行浇注试验。该模型的特点是，当只使用1个内浇口时，为横/内控制式浇注系统，内浇口开在横浇道下侧面，其浇口比为：
F直：F横：F内＝2.54cm2 ：2.12cm2 ：1.92cm2＝1 ：2 ：0.76
当用橡皮泥堵塞2号内浇口，使用1号内浇口时，末端延长段长度为230毫米；当堵塞1号内浇口，使用2号浇口时，末端延长段长度为110毫米，在直浇口底部放入少许渣团模拟物，然后依次进行两种情况下的浇注试验。注意观察不同的末端延长段对阻止初期的渣及冷物铁水的影响。

图4 模型3＃
4、离心集渣包式浇注系统挡渣效果实验
离心集渣包式浇注系统如图5所示，其浇口比为
F直：F横1：F横2（集渣包入、出口）：F内＝2.54 ：5.12 ：5.12 ：2.56
＝1 ：2 ：2 ：1
末端延长段（普通型）大约80mm。
注意观察浇注系统的流动状态及横浇道各部位的挡渣效果。在图上示意地画出“渣团”的停留位置。（在试验中内浇口面积可以用橡皮泥加以调节，以适应所需要的交口比）

图5 模型4＃离心集渣包式浇注系统

（五） 实验设备、测试仪器及所用工具
1． 水利模拟实验台
2． 浇注系统有机玻璃模型一套
3． 液态金属模拟物——水，渣团模拟物——锯末（经过处理）、聚苯乙烯珠粒等。
4． “U”形管测压计等
5． 橡皮泥
（六） 实验报告
实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用实验报告用纸书写。
（七） 讨论题

试验四 浇注系统流量系数的水力模拟测定

（一） 实验目的
1．掌握流量系数的测定方法
2．了解多内浇道流量分布的不均匀性
3．了解浇系中流速、压力的分布特性
（二） 实验内容
（三） 实验原理
根据流量系数的定义可知：

式中：——内浇道重心至浇口杯液面的距离，厘米
——每秒钟流经内浇道的液体体积流量，厘米2/秒
——内浇道截面积，厘米2
——重力加速度，980厘米/秒
测出流量后，量出及，即可由上式算出值来。由此可见，浇注系统的流量系数，因所选截面不同而异。例如内浇道的流量系数和阻流系数可能不一致（阻流系数不是内浇道时）。
（四） 实验步骤
1．调整水柜阀门使浇口杯液面保持恒定，并记录浇口杯液面深度；
2．待水流稳定后，用一只桶接取内浇到流出水量，同时按动秒表计，计时到60秒，立即撤走测量水桶，并按动秒表，读出准确的时间t秒。
3．测出桶中水的重量w公斤。
（五） 实验用主要设备、仪器和材料
1、 水力模拟试验台
2、 有机玻璃模型3#——横/内控制浇注系统
3、 秒表一只，米尺一只
4、 磅秤一台（100公斤）
（六） 试验报告
实验报告是实验后要完成的一份书面材料。实验报告的内容一般包括实验名称、班级、实验人姓名、实验时间、实验目的、实验步骤、实验数据记录及处理、结论与讨论等多项内容。实验报告一律用实验报告用纸书写。
把上述模型测定结果分别计入表，整理并计算出值，分析并讨论误差原因。
（七） 讨论题

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