金屬材料成形工藝及控制課件 2.1 鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象

第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.1砂型的結構特點幾個概念：緊實度(degreeofcompaction)：單位體積內型砂的質量。反映型砂的緊實程度顆粒組成(grainsizeanddistribution)：砂粒的粗細程度和粗細分布的集中程度孔隙率(holeratio)n：多孔物體的一個重要的物理性能。指的是微孔的容積占物體總容積的比率。一、砂型的特點砂型是一個毛細管(capillary)

－多孔隙的體系，或微孔－多孔隙的體系。第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.1砂型的結構特點圖2.1型砂結構示意圖1－原砂砂粒；2－粘結劑；3－附加物；4－微孔二、微孔的特征總的孔隙率、微孔尺寸及微孔按尺寸的分布三、影響n、r的因素①砂子的顆粒組成②緊實度③澆注溫度t不同，熔化或燒失的程度不同，n、r變大或變小不定。2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.1砂型的結構特點熱擴散率（導溫系數）α—表示鑄型內部溫度場均勻化的能力。α越大，溫度場越均勻。

α=λ/（ρc）

ρ為鑄型密度；c為比熱容

2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能λ—熱導率（導熱系數）：沿著導熱方向的單位長度上，溫度改變1℃，所容許導過的比熱流量。λ表示物體導熱能力的大小。λ越大，表示鑄型從金屬吸收的熱量能很快從溫度較高的鑄型內表面?zhèn)鲗У綔囟容^低的“后方”，鑄型內表面溫升較慢，而保持繼續(xù)吸熱的能力。2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能蓄熱系數b—表示鑄型從金屬中吸取熱量并儲存在其中的能力。

b=（ρcλ）1/2實效熱物理特性值：不考慮鑄型在熱作用下發(fā)生的化學反應、相變等對熱量的蓄積和遷移的影響，而測得的熱物理特性值。如實效λ、c等。2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能傳熱的三種形式：傳導、對流和輻射對流：即熱對流，指流體內部各部分發(fā)生相對位移而引起的熱量轉移現(xiàn)象。如在暖氣片上吸熱后上升的熱空氣，把熱量帶到房間其它地方。對流只能發(fā)生在流體內部。流體掠過物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱為對流換熱或簡稱放熱。如暖氣片外壁與房間內空氣之間的對流換熱。2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能圖2.2溫度對以硅砂和非石英質砂為基的型砂的熱導率的影響1~4－分別為傳導、對流、輻射和累加的實效熱導率曲線2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能圖2.3溫度對膨潤土型砂的熱導率的影響型砂緊實度：1－1.3g/cm3；2－1.4g/cm3；3－1.5g/cm32.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能2.1.3砂型的受熱過程圖2.4樹脂砂型及鑄件溫度場和它的最高到達溫度與距界面距離的關系A~G－分別為離界面距離為0、2.0、7.5、17.5、27.5、42.5、47.5mm時鑄型的溫度；H、I－分別為鑄件中心及離界面2.0mm處的鑄件溫度；Tmax－鑄型內最高到達溫度與離界面距離的關系曲線2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.3砂型的受熱過程圖2.6濕態(tài)砂-粘土鑄型的溫度場（30mm平板鑄鐵件）和鑄件凝固時鑄型中的溫度曲線1、濕度曲線2和強度曲線3的分布示意圖干砂區(qū)D（drysand)飽和凝聚區(qū)（saturatedcondensationzone)不飽和凝聚區(qū)（unsaturatedcondensationzone)濕型砂區(qū)（未受影響區(qū)）（greensandzone)2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.4傳質現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移傳質：一種物質在另一種媒介物質中的傳遞圖2.7澆注時濕型中的水分分布示意圖D－干砂區(qū)(100℃以上)；M－凝聚區(qū)(100℃)；U－不飽和凝聚區(qū)(100℃~室溫)；G－未受影響區(qū)；→熱源1－鑄型-金屬界面；2－蒸發(fā)界面；3－凝聚界面濕型中出現(xiàn)水分遷移時，熱通過兩種方式傳遞：①通過溫度梯度進行導熱，未被干砂區(qū)吸收的熱傳導至蒸發(fā)界面使水分汽化②靠蒸氣相遷移傳遞熱。蒸氣相的遷移依賴于蒸汽的壓力梯度對流：即熱對流，指流體內部各部分發(fā)生相對位移而引起的熱量轉移現(xiàn)象。如在暖氣片上吸熱后上升的熱空氣，把熱量帶到房間其它地方。對流只能發(fā)生在流體內部。流體掠過物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱為對流換熱或簡稱放熱。如暖氣片外壁與房間內空氣之間的對流換熱。2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.4傳質現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移影響M區(qū)水分的因素：熱濕拉強度2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象2.1.4傳質現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移圖2.8濕型受熱時不同時間的界面位置（天然石英砂，濕型水分8.7％，38mm厚鋁板鑄件）1－蒸發(fā)界面；2－凝聚界面；d1及d2－分別為1min時間里干砂區(qū)和飽和凝聚區(qū)移動的距離★砂型受熱時的膨脹砂型受熱時各組分的體積變化石英砂受熱膨脹：一般的熱膨脹（隨溫度升高而均勻膨脹）相變膨脹（加熱到575℃時由β石英變?yōu)棣潦ⅲ?.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象圖2.9石英的低溫型-高溫型轉變砂型受熱時各組分的體積變化2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象★砂型受熱時的膨脹圖2.10幾種材料的熱膨脹的比較砂型受熱時各組分的體積變化粘土：粘土膜受熱失水收縮煤粉：有機物與無機物的混合物。在隔空氣（或在鑄型的封閉環(huán)境中）加熱至300~600℃時析出氣體和焦油，軟化熔融，有塑性，吸收型砂膨脹。2.1鑄型中的傳熱與傳質現(xiàn)象★砂型受熱時的膨脹砂型受熱時各組分的體積變化砂型受熱時的膨脹微觀膨脹：砂粒的膨脹被濕粘土膜的收縮抵消，或砂粒間相互移動的力小于砂型外部阻力以致僅減小砂粒間空隙，并不引起砂型外部尺寸變化。宏觀膨脹：砂粒間空隙已難以再減小，或者使砂粒間相