生產(chǎn)不銹鋼鑄件的造型材料大多采用石英砂，因為它價格便宜且有足夠的耐火性，所以適合于不銹鋼鑄造工藝。

 1. 砂型制造

  砂型的制造是在砂箱內(nèi)沿模型周圍將砂春實，見圖2-2,型砂不是由人工鏟入或用拋砂機拋入，就是從上部的斜槽落入砂箱內(nèi)。對較深的砂箱可以采取多次振擊加擠壓的方法來春實型砂，也可單獨使用振擊法。取出模型后，即可安放型芯，然后合箱送至澆注工序。模型可以重復使用，澆注完成后，砂型經(jīng)過充分冷卻便可開箱取出鑄件。

  型砂可以回收，將其加入一些新黏土及水后混輾，可使舊黏土再生。黑色金屬鑄造用型砂一般是加入6%~8%的膨潤土作黏結(jié)劑，再加入2%~3%的后水進行混輾。

  砂型可用手動工具造型或振壓造型、自動化造型、無箱造型、高壓造型、地面造型及地坑造型等方法來進行生產(chǎn)。不管采用哪種造型方法，砂型必須具有足夠的強度以抵抗液態(tài)金屬的靜壓力。在澆注時，還必須承受金屬流動的沖蝕，此外還必須具有透氣性、耐火性以及鑄件冷卻后容易落砂的性能。

  黏土砂的混合料可用于濕型造型或干型造型。濕型是在造型之后，發(fā)生明顯干燥之前立即澆注。濕型較干型用得較多，因為它省掉了進行烘干的時間和烘干的燃料消耗。濕型在大多數(shù)實際應用中，得到令人滿意的效果。濕型的濕度應控制到足以防止在金屬-鑄型界面上產(chǎn)生過多的蒸汽，并且要有夠的透氣性使蒸汽及其他氣體逸出，來防止氣孔的產(chǎn)生。

  干型是在烘爐中加熱使鑄型的水分完全除去。一般干型的硬度和強度較高，而且在澆注時鑄型的發(fā)氣量較少，所以干型鑄造的鑄件尺寸較濕型的更為精確，開裂的敏感性及氣孔也較濕型小。表面干燥和風干的鑄型也具有干型的一些優(yōu)點。表面干燥型，僅在型腔表面用噴燈或熱空氣進行簡單的烘烤，使表面的水分蒸發(fā)。風干型是鑄型在澆注前讓其放置在大氣中一段較長時間以獲得表面干燥的效果。

  型芯是用來形成鑄件的內(nèi)部形狀。圖2-3是型芯制作過程示意圖，圖2-4是手工春造型芯步驟示意圖。型芯必須具有潰散性，以允許鑄造金屬在凝固及冷卻時能自由收縮。

 型芯用的芯砂，通常用石英砂及有機黏結(jié)劑如亞麻籽油來制作。有時也加人谷類黏結(jié)劑以增加芯砂的強度。有機黏結(jié)劑制作型芯的主要優(yōu)點（與黏土比較）是，在金屬的熱作用下能失去強度（即具有潰散性），以及在落砂時易從鑄件中清除。

 型芯是在芯盒中春實或吹人芯砂制成。如若型芯是分幾部分制作，在烘干之后就應將它們黏合起來，并進行短時間的再烘干使其粘牢。烘烤是在烘爐內(nèi)進行，爐內(nèi)循環(huán)空氣的溫度大約為230℃最適宜。正確烘烤過的型芯不會產(chǎn)生有害氣體，有足夠的強度且在澆注后型芯被金屬包圍時具有適時的潰散性。

  樹脂越來越多地用來代替亞麻籽油作為型芯黏結(jié)劑。脲醛樹脂及酚醛樹脂也是兩種使用最廣泛的材料。酚醛樹脂較脲醛樹脂更適用于不銹鋼鑄造，因后者在很低的溫度下就會破裂，脲醛樹脂僅適于薄壁不銹鋼鑄件。甲醛樹脂在電介質(zhì)烘爐內(nèi)具有快速硬化的優(yōu)點。另一制芯方法一般稱為二氧化碳法。這種方法是用水玻璃作黏結(jié)劑，同時加入有機物以改善其潰散性。芯砂在春實或吹人芯盒后，二氧化碳通過一系列通道進入型芯。在水玻璃變?yōu)槟z時，芯砂立即黏著硬化。

  由于固化的鑄型及型芯相當堅硬，故在用砂充填模型及芯盒之前，應在它們上面噴灑聚硅氧烷分型劑。因為黏結(jié)劑較貴，故用CO2造型較用黏土砂造型費用大，加之落砂困難，故用二氧化碳法的成本就會增加。即便如此，此法仍具有許多優(yōu)點：

  ①. 造型及混砂可采用一般設備，取消了鑄型烘干爐和型芯干燥器；

  ②. 鑄型及型芯加工出來后，可立即使用；

  ③. 由于型芯不需在濕態(tài)下搬運，因此不需要型芯定形托板；

  ④. 與一般樹脂砂比較，由于固化后的鑄型及型芯再現(xiàn)模型及芯盒的精確度較高，故其尺寸可以得到改善。

  芯砂也可用自然硬化黏結(jié)劑或自硬黏結(jié)劑在低溫和一定時間內(nèi)進行硬化?，F(xiàn)在有不少這類黏結(jié)劑，已知的有熱芯盒或冷芯盒黏結(jié)劑。常用的有機樹脂包括甲醛、尿素及呋喃乙醇混合物，它們在催化劑如磷酸的作用下，使交聯(lián)鍵穿入固定的聚合物中。若無催化劑，呋喃乙醇將會導致交聯(lián)鍵整個周期變長。有了催化劑則使交聯(lián)鍵的反應速率大大增加。因此，這類黏結(jié)劑可通過對混合物成分的選擇，以此控制硬化的整個時間。在黑色金屬鑄造方法中，鑄型及型芯混合料中的尿素成分必須嚴加控制或不用，因為它能促使鑄件產(chǎn)生針孔縮松。

  典型的芯砂混合料含樹脂2%和催化劑0.6%~0.8%.硬化時間隨催化劑加人量、混砂溫度和混砂時間而變。這些材料在混砂機中從開始混制就進行硬化，因此它的存放時間很短。

  熱芯盒法的混合料必須具有良好的流動性。常采用較弱的催化劑并將混合料吹入芯盒。在芯盒中，當芯盒溫度達到200~260℃時，便產(chǎn)生發(fā)熱硬化作用，反應速率增加，在30s(秒）內(nèi)芯便可硬化。這種方法的缺是在芯盒回用之前型芯必須硬化。

  冷芯盒法采用一種雙成分的液體有機黏結(jié)劑。第一種成分是酚醛樹脂作為溶劑，第二種成分是多異氰酸鹽作為溶液。在懸浮空氣和三乙基胺作為催化劑的作用下，酚醛樹脂與異氰酸鹽結(jié)合形成硬的尿烷樹脂。這種雙成分黏結(jié)劑采用1:1的比例，混合后只往型砂中加入1%~2%.硬化時間僅需10~20s,這是一種簡單的高生產(chǎn)率的制芯方法。已采用過的三乙基胺，必須嚴格按照規(guī)定，將催化劑徹底進行分解并通風排氣。硬化狀態(tài)的型芯含氮量僅為黏結(jié)劑的3%，較熱芯盒法（含量10%)為少。因此，在黑色金屬鑄件中，用冷芯盒法制得的型芯，可以大大減少針孔縮松。

  有一些大型鑄件完全采用型芯制造；每個單獨的型芯在地坑中進行裝配，然后將其安放在確定位置用填充砂春實或夾緊，這個方法常被選用于那些設計出來的模型不能從鑄型中取出的場合。型芯的制作是用砂代替濕型砂春實于砂箱內(nèi)或吹入砂箱內(nèi)；這種鑄型的烘干與型芯的烘干相同。這種方法的選用條件：①. 鑄件尺寸要求特別精確；②. 所有型芯需要進行仔細的調(diào)整。在一些情況下，型芯砂型（組芯造型）用來改善鑄件表面光潔度或允許生產(chǎn)出薄壁鑄件。

  在不銹鋼鑄造中，砂型工藝不會輕易采用。因此，必須進行大量試驗以測試和控制如下性能：

  ①. 透氣性，氣體從鑄型型腔排出的能力；

  ②. 硬度，用標準硬度計測量鑄型表面抵抗變形的能力；

  ③. 濕度（含水量）；

  ④. 剪切及壓縮強度，通過標準儀器對型芯或干態(tài)和濕態(tài)型砂標準試樣進行測試；

  ⑤.  高濕強度，在可達1650℃高溫的爐中，對標準試樣進行壓力試驗；

  ⑥. 潰散性，表示試樣在高溫負荷下破壞的能力；

  ⑦. 膨脹及收縮性，用專門附件將試樣裝到同一爐內(nèi)進行試驗；

  ⑧. 顆粒大小、形狀及分布，用一般的粒度分類法或巖相分析法來決定。

  石英砂價格低廉且有足夠的耐火性。因此在鑄造工業(yè)中廣泛用于制作中等鑄型。其他耐火材料與適當?shù)酿そY(jié)劑混合也和石英砂一樣用于造型。一些耐火材料的性能和選擇見表2-1.這些材料有許多用于特殊目的，如砂型鑄造法中的鑄型鑲塊。

 鑄鋼廠中在鑄型的某些主要位置采用鋯砂（ZrO₂·SiO₂).這種材料比石英砂傳遞鑄件熱量更為迅速。此外，鋯砂與石英砂比較，還有以下優(yōu)點：

 ①. 具有低的膨脹系數(shù)，在加熱時沒有相變，因此不易引起膨脹缺陷；

 ②. 有較高的熔點，能夠防止鑄件在厚斷面處由于鑄型－金屬反應造成的機械粘砂。

  基于同樣的原因，特別是在歐洲，多將橄欖石砂［（Mg·Fe)₂SiO₂]耐火泥（燃燒的火泥）用在黑色金屬鑄件中，偶爾也用來作為面砂，以防止由于膨脹及滲透引起的缺陷。用耐火泥制造的大型鑄件，不像一般砂型那樣會產(chǎn)生結(jié)疤和砂斑缺陷。耐火泥比石英砂有較好的抗鋼液沖蝕能力，可用以制作橫澆道、型芯和鑄型。

 為了獲得表面光潔度較高的鑄件，包括較光滑表面和減少機械粘砂，有時在鑄型及型芯表面上涂以涂料。涂料由耐火材料所組成，其成分包括有石英螢石、鋯螢石或鉻鐵礦螢石。大多數(shù)鑄造廠采用鋯螢石。耐火材料為細粉末狀與水或酒精并加入少量膨潤土一起混合。涂料層可采用刷涂或噴涂的辦法。在合型之前，表面用氣體噴燈或熱空氣進行烘干。多層涂料常用于厚壁鑄型處，以保護鑄型，防止機械粘砂。粘砂是由于金屬蒸氣擴散，經(jīng)可透性鑄型，在鑄型表面下孔隙處凝聚而成。

2. 砂型鑄造設計

 模樣的設計對生產(chǎn)合格鑄件極為重要。當生產(chǎn)大型鑄件或少量零部件以及試驗件時，才考慮制作整體的木模或金屬模。組裝模型、模板或分開的上、下模樣通常用來生產(chǎn)尺寸精確及高質(zhì)量的鑄件。

 整體模實質(zhì)上是所生產(chǎn)的單個鑄件的復制品，見圖2-5(a)。分別制造上、下模樣，因此鑄型也分成上、下兩半，見圖2-5（b)。這種模樣主要用于生產(chǎn)大型鑄件。

 模板［見圖2-5(c)]是將上半模安裝在底板的一面，而將下半模安裝在該底板的另一面；澆注冒口系統(tǒng)也都安裝在底板上。模板適用于機械化的大批量生產(chǎn)。在許多實際生產(chǎn)中，用兩個分開的模樣及造型機分別生產(chǎn)上、下箱是較經(jīng)濟的。

 砂型鑄造法可生產(chǎn)的鑄件最小壁厚為5.0mm或略微厚些。選擇合適模具、合理地進行鑄件設計和選擇適宜造型方法，對于大多數(shù)合金來說，加工出薄壁鑄件是可能的。但對于鉻系合金，加工薄壁鑄件則會遇到一些困難。當牽涉復雜設計時，采用奧氏體 Cr-Ni牌號合金是較有利的，因為它具有較好的流動性。對于需要切削加工的表面，在標準的鑄造設計中，其加工余量為3.0mm或更大些。當采用特殊的型芯鑲塊或涂料，加工余量可以減少。

 鑄件的尺寸公差取決于模具、結(jié)構(gòu)設計和鑄件的大小。在大多數(shù)情況下，所有鑄件尺寸和鑄孔位置公差都控制在5.0mm/m以內(nèi)。因為收縮是隨不同鑄型抵抗鑄件自由收縮而變化的，故鑄造設計所提供的收縮量只能是一個簡單的平均數(shù)。當鑄件要求尺寸的精確度較高時，一個簡單的模樣需要同時考慮幾個不同方向的收縮量。此外，如果造型方法不同，加工同一鑄件就可能需要完全不同的模樣以適應不同的收縮量。

 鑄孔的尺寸大小取決于該孔的位置精確度及所需的公差。砂型鑄造型芯最小直徑不小于鑄件壁厚的一半或6.0mm,通常是更大些。如果鑄孔相對于基準面而言為緊配合公差，一般采用鉆孔較鑄孔為好。

 一次性砂型是在模樣上填砂舂實，然后模樣必須從型腔中取出，起模時敲打或振動模樣方能拔出，但對于所有垂直分型面的表面都需要有斜度。這個斜度稱為拔模斜度，通常在1°~1.5°之間。

 由于不銹鋼澆注溫度高，鑄件在鑄型中容易產(chǎn)生開裂或裂紋。這種缺陷是由于鑄型阻止鑄件收縮所引起的，也是由于設計不合理造成的。改善型砂的潰散性可以明顯控制鑄型的阻力。金屬鑄造者可以通過調(diào)整型砂的成分來控制鑄型的潰散性。但在很多情況下，由于鑄件設計不合理，用這種方法是不能消除這一缺陷的。改變鑄件設計，避免鑄件薄斷面的過早凝固和阻礙厚斷面的收縮，往往能減小鑄造應力。當鑄件的斷面均勻時，則不太容易產(chǎn)生裂紋，但厚斷面熱節(jié)處常常是產(chǎn)生這類缺陷的原因。

 如果要獲得合格鑄件就必須控制鑄件凝固時的溫度梯度。設計者應認識到厚的斷面不可能從薄的斷面得到補縮，如圖2-6所示的T形斷面。從所畫的圖中可以看到d區(qū)的金屬量較a、b或c這三個區(qū)為大，因此在d區(qū)中心的金屬是一個熱節(jié)，它最后凝固。通常，在熱節(jié)上面安放一個冒口是不經(jīng)濟的，因此，熱節(jié)必須與它有一定的距離，通過過橋來補縮。在這樣的例子中，如果過橋首選凝固，熱節(jié)就會發(fā)生收縮。由于熱節(jié)是最后凝固，強度低，因此金屬很可能就產(chǎn)生開裂。因此，開裂缺陷常常是與熱節(jié)的收縮聯(lián)系在一起的。很明顯設計者應使熱節(jié)的尺寸為最小。圖2-7表示在負荷應力允許條件下，使一個連接斷面壁厚盡可能薄的情況。X形連接，對鑄造來說是特別困難的；可采用位移法（見圖2-8)來改進鑄件設計。在圖2-9所示的框架形鑄件中，設計者應將X形連接改為Y形連接。圖2-10所示的是L形連接較好的設計經(jīng)驗。必須注意所有連接法都應避免尖角。用圓角代替尖角，使鑄件在許多方面的質(zhì)量得到改善。

①. 尖角處的型砂，在澆注時容易被沖刷浸蝕，所以應盡力避免。

②. 圓角增加（減少）了連接處的鑄型表面積，因此減少連接點的凝固時間。

③. 單純從機械設計的觀點看，圓角將大大地減少應力集中。

L 形連接的應力集中系數(shù)，如圖 2-11 所示。

為了控制鑄件的定向凝固，假如可能，斷面應盡可能朝冒口處傾斜。往往認為均勻斷面是最好的設計，但這個概念對鑄造工作者來說就不一定如此。如圖2-12(a)所示的閥體的設計，沒有考慮到定向凝固對鑄件很有利，圖2-12(b)被認為是最好的設計，因為它的厚斷面容易為合理布置的冒口所補縮，且斷面連接半徑較大。