生產(chǎn)不銹鋼鑄件的造型材料大多采用石英砂，因?yàn)樗鼉r(jià)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(shí)，見圖2-2,型砂不是由人工鏟入或用拋砂機(jī)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(shí)型砂，也可單獨(dú)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(fù)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(jìn)行混輾。

  砂型可用手動(dòng)工具造型或振壓造型、自動(dòng)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(jìn)行生產(chǎn)。不管采用哪種造型方法，砂型必須具有足夠的強(qiáng)度以抵抗液態(tài)金屬的靜壓力。在澆注時(shí)，還必須承受金屬流動(dòng)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?yàn)樗〉袅诉M(jìn)行烘干的時(shí)間和烘干的燃料消耗。濕型在大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用中，得到令人滿意的效果。濕型的濕度應(yīng)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(qiáng)度較高，而且在澆注時(shí)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(fēng)干的鑄型也具有干型的一些優(yōu)點(diǎn)。表面干燥型，僅在型腔表面用噴燈或熱空氣進(jìn)行簡單的烘烤，使表面的水分蒸發(fā)。風(fēng)干型是鑄型在澆注前讓其放置在大氣中一段較長時(shí)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(shí)能自由收縮。

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

 型芯是在芯盒中春實(shí)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(yīng)將它們黏合起來，并進(jìn)行短時(shí)間的再烘干使其粘牢。烘烤是在烘爐內(nèi)進(jìn)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(huì)產(chǎn)生有害氣體，有足夠的強(qiáng)度且在澆注后型芯被金屬包圍時(shí)具有適時(shí)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(huì)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(diǎn)。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(shí)加入有機(jī)物以改善其潰散性。芯砂在春實(shí)或吹人芯盒后，二氧化碳通過一系列通道進(jìn)入型芯。在水玻璃變?yōu)槟z時(shí)，芯砂立即黏著硬化。

  由于固化的鑄型及型芯相當(dāng)堅(jiān)硬，故在用砂充填模型及芯盒之前，應(yīng)在它們上面噴灑聚硅氧烷分型劑。因?yàn)轲そY(jié)劑較貴，故用CO2造型較用黏土砂造型費(fèi)用大，加之落砂困難，故用二氧化碳法的成本就會(huì)增加。即便如此，此法仍具有許多優(yōu)點(diǎn)：

  ①. 造型及混砂可采用一般設(shè)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(yùn)，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(shí)間內(nèi)進(jìn)行硬化。現(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(jī)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(huì)導(dǎo)致交聯(lián)鍵整個(gè)周期變長。有了催化劑則使交聯(lián)鍵的反應(yīng)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(gè)時(shí)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(yán)加控制或不用，因?yàn)樗艽偈硅T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(shí)間隨催化劑加人量、混砂溫度和混砂時(shí)間而變。這些材料在混砂機(jī)中從開始混制就進(jìn)行硬化，因此它的存放時(shí)間很短。

  熱芯盒法的混合料必須具有良好的流動(dòng)性。常采用較弱的催化劑并將混合料吹入芯盒。在芯盒中，當(dāng)芯盒溫度達(dá)到200~260℃時(shí)，便產(chǎn)生發(fā)熱硬化作用，反應(yīng)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(jī)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(shí)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(yán)格按照規(guī)定，將催化劑徹底進(jìn)行分解并通風(fēng)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(gè)單獨(dú)的型芯在地坑中進(jìn)行裝配，然后將其安放在確定位置用填充砂春實(shí)或夾緊，這個(gè)方法常被選用于那些設(shè)計(jì)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(shí)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(jìn)行仔細(xì)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(huì)輕易采用。因此，必須進(jìn)行大量試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)硬度計(jì)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(qiáng)度，通過標(biāo)準(zhǔn)儀器對型芯或干態(tài)和濕態(tài)型砂標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行測試；

  ⑤.  高濕強(qiáng)度，在可達(dá)1650℃高溫的爐中，對標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行壓力試驗(yàn)；

  ⑥. 潰散性，表示試樣在高溫負(fù)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(jìn)行試驗(yàn)；

  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(jià)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(dāng)?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(diǎn)：

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

 ②. 有較高的熔點(diǎn)，能夠防止鑄件在厚斷面處由于鑄型－金屬反應(yīng)造成的機(jī)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(huì)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(jī)械粘砂，有時(shí)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(xì)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(jìn)行烘干。多層涂料常用于厚壁鑄型處，以保護(hù)鑄型，防止機(jī)械粘砂。粘砂是由于金屬蒸氣擴(kuò)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(shè)計(jì)

 模樣的設(shè)計(jì)對生產(chǎn)合格鑄件極為重要。當(dāng)生產(chǎn)大型鑄件或少量零部件以及試驗(yàn)件時(shí)，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(shí)質(zhì)上是所生產(chǎn)的單個(gè)鑄件的復(fù)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(jī)械化的大批量生產(chǎn)。在許多實(shí)際生產(chǎn)中，用兩個(gè)分開的模樣及造型機(jī)分別生產(chǎn)上、下箱是較經(jīng)濟(jì)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(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)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(huì)遇到一些困難。當(dāng)牽涉復(fù)雜設(shè)計(jì)時(shí)，采用奧氏體 Cr-Ni牌號合金是較有利的，因?yàn)樗哂休^好的流動(dòng)性。對于需要切削加工的表面，在標(biāo)準(zhǔn)的鑄造設(shè)計(jì)中，其加工余量為3.0mm或更大些。當(dāng)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(shè)計(jì)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?yàn)槭湛s是隨不同鑄型抵抗鑄件自由收縮而變化的，故鑄造設(shè)計(jì)所提供的收縮量只能是一個(gè)簡單的平均數(shù)。當(dāng)鑄件要求尺寸的精確度較高時(shí)，一個(gè)簡單的模樣需要同時(shí)考慮幾個(gè)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(yīng)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(zhǔn)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(shí)，然后模樣必須從型腔中取出，起模時(shí)敲打或振動(dòng)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(gè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不合理，用這種方法是不能消除這一缺陷的。改變鑄件設(shè)計(jì)，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(yīng)力。當(dāng)鑄件的斷面均勻時(shí)，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(shí)的溫度梯度。設(shè)計(jì)者應(yīng)認(rèn)識到厚的斷面不可能從薄的斷面得到補(bǔ)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(gè)區(qū)為大，因此在d區(qū)中心的金屬是一個(gè)熱節(jié)，它最后凝固。通常，在熱節(jié)上面安放一個(gè)冒口是不經(jīng)濟(jì)的，因此，熱節(jié)必須與它有一定的距離，通過過橋來補(bǔ)縮。在這樣的例子中，如果過橋首選凝固，熱節(jié)就會(huì)發(fā)生收縮。由于熱節(jié)是最后凝固，強(qiáng)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(shè)計(jì)者應(yīng)使熱節(jié)的尺寸為最小。圖2-7表示在負(fù)荷應(yīng)力允許條件下，使一個(gè)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(jìn)鑄件設(shè)計(jì)。在圖2-9所示的框架形鑄件中，設(shè)計(jì)者應(yīng)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。必須注意所有連接法都應(yīng)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(shí)容易被沖刷浸蝕，所以應(yīng)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(diǎn)的凝固時(shí)間。

③. 單純從機(jī)械設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)看，圓角將大大地減少應(yīng)力集中。

L 形連接的應(yīng)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(yīng)盡可能朝冒口處傾斜。往往認(rèn)為均勻斷面是最好的設(shè)計(jì)，但這個(gè)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(shè)計(jì)，沒有考慮到定向凝固對鑄件很有利，圖2-12(b)被認(rèn)為是最好的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗暮駭嗝嫒菀诪楹侠聿贾玫拿翱谒a(bǔ)縮，且斷面連接半徑較大。