2金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制

金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制第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(zhì)現(xiàn)象2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)幾個(gè)概念：緊實(shí)度(degreeofcompaction)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)型砂的質(zhì)量。反映型砂的緊實(shí)程度顆粒組成(grainsizeanddistribution)：砂粒的粗細(xì)程度和粗細(xì)分布的集中程度孔隙率(holeratio)n：多孔物體的一個(gè)重要的物理性能。指的是微孔的容積占物體總?cè)莘e的比率。一、砂型的特點(diǎn)砂型是一個(gè)毛細(xì)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(zhì)現(xiàn)象2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖2.1型砂結(jié)構(gòu)示意圖1－原砂砂粒；2－粘結(jié)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(yōu)、r的因素①砂子的顆粒組成②緊實(shí)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(zhì)現(xiàn)象2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）α—表示鑄型內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻化的能力。α越大，溫度場(chǎng)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(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能λ—熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）：沿著導(dǎo)熱方向的單位長(zhǎng)度上，溫度改變1℃，所容許導(dǎo)過(guò)的比熱流量。λ表示物體導(dǎo)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(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到溫度較低的“后方”，鑄型內(nèi)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(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能蓄熱系數(shù)b—表示鑄型從金屬中吸取熱量并儲(chǔ)存在其中的能力。

b=（ρcλ）1/2實(shí)效熱物理特性值：不考慮鑄型在熱作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、相變等對(duì)熱量的蓄積和遷移的影響，而測(cè)得的熱物理特性值。如實(shí)效λ、c等。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)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(zhì)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(dǎo)、對(duì)流和輻射對(duì)流：即熱對(duì)流，指流體內(nèi)部各部分發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量轉(zhuǎn)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(duì)流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。流體掠過(guò)物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱(chēng)為對(duì)流換熱或簡(jiǎn)稱(chēng)放熱。如暖氣片外壁與房間內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能圖2.2溫度對(duì)以硅砂和非石英質(zhì)砂為基的型砂的熱導(dǎo)率的影響1~4－分別為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和累加的實(shí)效熱導(dǎo)率曲線(xiàn)2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能圖2.3溫度對(duì)膨潤(rùn)土型砂的熱導(dǎo)率的影響型砂緊實(shí)度：1－1.3g/cm3；2－1.4g/cm3；3－1.5g/cm32.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)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(guò)程圖2.4樹(shù)脂砂型及鑄件溫度場(chǎng)和它的最高到達(dá)溫度與距界面距離的關(guān)系A(chǔ)~G－分別為離界面距離為0、2.0、7.5、17.5、27.5、42.5、47.5mm時(shí)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(nèi)最高到達(dá)溫度與離界面距離的關(guān)系曲線(xiàn)2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.3砂型的受熱過(guò)程圖2.6濕態(tài)砂-粘土鑄型的溫度場(chǎng)（30mm平板鑄鐵件）和鑄件凝固時(shí)鑄型中的溫度曲線(xiàn)1、濕度曲線(xiàn)2和強(qiáng)度曲線(xiàn)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(zhì)現(xiàn)象2.1.4傳質(zhì)現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移傳質(zhì)：一種物質(zhì)在另一種媒介物質(zhì)中的傳遞圖2.7澆注時(shí)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(shí)，熱通過(guò)兩種方式傳遞：①通過(guò)溫度梯度進(jìn)行導(dǎo)熱，未被干砂區(qū)吸收的熱傳導(dǎo)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(lài)于蒸汽的壓力梯度對(duì)流：即熱對(duì)流，指流體內(nèi)部各部分發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量轉(zhuǎn)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(duì)流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。流體掠過(guò)物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱(chēng)為對(duì)流換熱或簡(jiǎn)稱(chēng)放熱。如暖氣片外壁與房間內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.4傳質(zhì)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(qiáng)度2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.4傳質(zhì)現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移圖2.8濕型受熱時(shí)不同時(shí)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(shí)間里干砂區(qū)和飽和凝聚區(qū)移動(dòng)的距離★砂型受熱時(shí)的膨脹砂型受熱時(shí)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(shí)由β石英變?yōu)棣潦ⅲ?.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象圖2.9石英的低溫型-高溫型轉(zhuǎn)變砂型受熱時(shí)各組分的體積變化2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象★砂型受熱時(shí)的膨脹圖2.10幾種材料的熱膨脹的比較砂型受熱時(shí)各組分的體積變化粘土：粘土膜受熱失水收縮煤粉：有機(jī)物與無(wú)機(jī)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(shí)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(zhì)現(xiàn)象★砂型受熱時(shí)的膨脹砂型受熱時(shí)各組分的體積變化砂型受熱時(shí)的膨脹微觀(guān)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(dòng)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(guān)膨脹：砂粒間空隙已難以再減小，或者使砂粒間相互移動(dòng)的力大于砂型外部阻力時(shí)，砂型外部尺寸發(fā)生變化。膨脹→應(yīng)力→變形→破壞2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象★砂型受熱時(shí)的膨脹2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象★砂型受熱時(shí)的膨脹2.1.3砂型的受熱過(guò)程2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)第2章金屬－鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

夾砂結(jié)疤、鼠尾的定義鼠尾：鑄件表面有淺的直的凹槽或不規(guī)則的折痕。1.夾砂結(jié)疤、鼠尾的定義

夾砂：鑄件表面有局部凸出的長(zhǎng)條疤痕，其邊緣與鑄件本體分離，邊緣下面夾有一薄層砂或涂料層。結(jié)疤：金屬液在鑄件表面沖去了一塊砂的地方出現(xiàn)了一塊凸出的疤痕，脫落的砂夾在疤塊中或在鑄件其它部位中。第2章金屬－鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

§1-2-2

膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤，鼠尾，毛翅

1.夾砂結(jié)疤、鼠尾的定義

2.夾砂結(jié)疤、鼠尾的形成第2章金屬－鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

圖2.12熱作用于鑄型時(shí)的應(yīng)力σ變化的各階段△x2－離型腔表面的距離

1.夾砂結(jié)疤、鼠尾的定義

2.夾砂結(jié)疤、鼠尾的形成2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

圖2.13鼠尾和夾砂結(jié)疤形成過(guò)程示意圖M―水分凝聚區(qū)；A－金屬（e鼠尾）

1.夾砂結(jié)疤、鼠尾的定義

2.夾砂結(jié)疤、鼠尾的形成夾砂結(jié)疤、鼠尾的產(chǎn)生的原因：由于鑄型表面（型腔表層）受到金屬液的熱作用，產(chǎn)生膨脹，當(dāng)膨脹壓應(yīng)力較大，而飽和凝聚區(qū)抵抗拉應(yīng)力的能力（熱濕拉強(qiáng)度）較低時(shí)，鑄型表面干砂層拱起，甚至破裂，導(dǎo)致這類(lèi)缺陷。如果金屬液充滿(mǎn)型腔，壓著鑄型，則不會(huì)拱起，因此這類(lèi)缺陷一般發(fā)生在未充滿(mǎn)時(shí)，且大多在鑄件上表面。2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

①造型材料方面：減少型砂受熱后的膨脹，如采用膨脹量小的砂子；增加鑄型強(qiáng)度，如采用膨潤(rùn)土。②工藝方面：縮短澆注時(shí)間；平板件采用斜澆；金屬液平穩(wěn)充型而沖力不大，內(nèi)澆口分散避免鑄型局部過(guò)熱，金屬液盡快覆蓋住下型表面；鑄型上扎排氣孔以利于水蒸氣及其它氣體的排除，使M區(qū)后移、降低其中水分以及減少氣體壓力對(duì)表面拱起所起的促進(jìn)作用等。2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

2.夾砂結(jié)疤、鼠尾的形成3.防止夾砂類(lèi)缺陷的措施

1.夾砂結(jié)疤、鼠尾的定義

2.夾砂結(jié)疤、鼠尾的形成

3.防止夾砂類(lèi)缺陷的措施

4.毛翅：金屬液滲入到鑄型表面層中的由熱應(yīng)力引起的裂微中形成的。2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

圖2.14用砂芯形成的鑄孔內(nèi)出現(xiàn)的毛翅及砂芯與鑄件的溫度場(chǎng)1－砂芯中心；2－砂芯/金屬界面；3－鑄件中心毛刺分兩階段產(chǎn)生：首先是基于砂型(芯)的本性，在熱作用下砂型(芯)表面層發(fā)生裂紋，其次是裂紋擴(kuò)展到某一所必需的寬度時(shí)，金屬液進(jìn)入裂紋內(nèi)形成毛刺。裂紋的產(chǎn)生，是由于金屬液將砂型(芯)表層加熱到573℃相變溫度時(shí)，硅砂顆粒迅速膨脹和重新排列，隨著砂型溫度的升高，次表層也達(dá)到573℃相變溫度，使該層砂粒急劇膨脹，給表面層施加拉伸應(yīng)力，如果此時(shí)表層的強(qiáng)度和塑性不夠，這個(gè)拉伸應(yīng)力就會(huì)使砂型表面層開(kāi)裂。裂縫寬至一定尺寸，則金屬液滲入形成毛翅。2.2膨脹缺陷：夾砂結(jié)疤(scab)

、鼠尾(rattail)和毛刺(veining)

產(chǎn)生原因：由于金屬液沿砂型表面流動(dòng)產(chǎn)生的摩檫力、沖刷力大于砂型表層某處的高溫強(qiáng)度，將砂?；蛏皦K沖下，或者在造型、合箱操作中落入型腔中的砂粒（塊）來(lái)不及浮入橫澆道或冒口頂部從而造成砂眼。砂眼：鑄件內(nèi)部或表面充塞著有型砂的孔眼結(jié)疤與砂眼：結(jié)疤：一定有疤塊；長(zhǎng)時(shí)間烘烤又不被金屬液覆蓋的地方。砂眼：不一定有疤塊（多肉）；受金屬液沖擊力大的部位。2.5砂眼(sandinclusions)及型壁移動(dòng)砂眼防止措施：提高砂型的表面強(qiáng)度。如提高砂型（芯）緊實(shí)度，砂型（芯）表面烘烤等。2.正確設(shè)置澆注系統(tǒng)。如不使剩余壓頭過(guò)高，不使流股直接沖擊型芯。3.仔細(xì)進(jìn)行造型，合箱，澆注等操作。2.5砂眼(sandinclusions)及型壁移動(dòng)產(chǎn)生原因：澆注剛開(kāi)始，砂型表層膨脹，造成型壁向內(nèi)移動(dòng)；隨后，由于M區(qū)的形成，其強(qiáng)度很低，在金屬液動(dòng)、靜壓力及石墨化膨脹力作用下，砂型被進(jìn)一步緊實(shí)，并最終造成型壁向外移動(dòng)。

型壁移動(dòng)：金屬液澆入鑄型后，鑄型壁發(fā)生位移的現(xiàn)象。2.5砂眼(sandinclusions)及型壁移動(dòng)2.5砂眼(sandinclusions)及型壁移動(dòng)圖2.20濕型中澆入共晶灰鑄鐵時(shí)的位移－時(shí)間曲線(xiàn)1－砂型壁位移曲線(xiàn)；2－鑄件壁位移曲線(xiàn)型砂配方：硅砂100％；活化膨潤(rùn)土±6％；煤粉3％；水3％型壁移動(dòng)的結(jié)果：型腔脹大，可能使鑄件脹大；產(chǎn)生縮孔和縮松。防止措施：降低金屬液靜壓頭；提高砂型的硬度和密度；選用耐火度高和導(dǎo)熱性好的原砂；降低砂型中的水分等2.5砂眼(sandinclusions)及型壁移動(dòng)第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.3粘砂現(xiàn)象粘砂：鑄件的部分表面或整個(gè)表面上夾持有型砂或粘附有一層難以清除的含砂物質(zhì)。粘砂的多發(fā)部位：型芯表面受熱作用強(qiáng)烈的部位，如厚壁表面、熱節(jié)處等。粘砂分：機(jī)械粘砂：金屬液在動(dòng)、靜壓力作用下，滲入型腔表面微孔中，即滲入砂粒之間包住砂子形成的化學(xué)粘砂：金屬氧化物與造型材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的化學(xué)粘砂層1.機(jī)械粘砂的形成條件毛細(xì)現(xiàn)象：潤(rùn)濕：毛細(xì)壓力促使液體上升不潤(rùn)濕：毛細(xì)壓力阻礙液體上升一、機(jī)械粘砂(滲透粘砂metalpenetration)第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.3粘砂現(xiàn)象圖2.15毛細(xì)現(xiàn)象1－容器；2－毛細(xì)管；3－溶液1.機(jī)械粘砂的形成條件P（金）P（腔）P（毛）P（氣）P（金）≥P（毛）+P（氣）-P（腔）P（金）-金屬液的動(dòng)、靜壓力P（毛）-毛細(xì)壓力P（氣）-砂型內(nèi)間隙中的氣體壓力P（腔）-型腔內(nèi)氣體壓力第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.3粘砂現(xiàn)象機(jī)械粘砂的形成條件影響因素P（金）P（腔）P（毛）P（氣）第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.3粘砂現(xiàn)象圖2.16L、T、X、Y形熱節(jié)內(nèi)接圓直徑和金屬液滲入深度的關(guān)系影響因素3.防止措施①采用細(xì)砂、粒度分散的砂②增加鑄型的緊實(shí)度③刷涂料（減小r，增加P（毛））④對(duì)特種件采用特種砂（b及α較大）⑤型砂中加入能產(chǎn)生光澤碳的碳質(zhì)材料第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.3粘砂現(xiàn)象2.3粘砂現(xiàn)象二、化學(xué)粘砂（燒結(jié)粘砂burnon）化學(xué)粘砂多發(fā)生在鑄鋼件上，某些大的鑄鐵件也可能發(fā)生。形成條件：①化學(xué)反應(yīng)生成層（粘砂層）；②粘砂層剝離的難易程度2.化學(xué)粘砂層的形成及其與鑄件的粘接

金屬液澆入鑄型后，在其高溫作用下，其表面被空氣或水蒸汽等氧化，生成FeO。黑色金屬Fe一般不潤(rùn)濕鑄型，而FeO潤(rùn)濕鑄型，且熔點(diǎn)低于鋼的凝固溫度，因而就滲入鑄型孔隙中，與型砂中的SiO2反應(yīng)：2FeO（液）＋SiO2（固）＝Fe2SiO4（液）（鐵橄欖石）

生成的低熔點(diǎn)硅酸亞鐵溶液也能潤(rùn)濕石英砂，故在毛細(xì)壓力作用下繼續(xù)滲入砂型中，包住砂子。FeO與SiO2的反應(yīng)又使得砂型表面間隙增大。又因金屬液對(duì)FeO

和Fe2SiO4潤(rùn)濕，因而隨著它們滲入鑄型。這些低熔點(diǎn)化合物與金屬液凝固后就包著砂粒一起粘在鑄件表面上。研究表明，粘砂層與鑄件的粘接主要靠氧化物薄層（氧化物膜）與鑄件粘附在一起，氧化物膜中有FeO、Fe3O4、Fe2O3等，其中與鑄鋼件直接接觸的主要是FeO，對(duì)鑄鐵件還有Fe3O4。當(dāng)粘砂殼內(nèi)鐵的氧化物膜達(dá)到一定厚度時(shí)，它就成為易剝離的。在易剝離的粘砂層中的FeO比難剝離的粘砂層中的FeO含量多，有時(shí)甚至多10～20倍。也就是說(shuō)，金屬和粘砂層的結(jié)合強(qiáng)度取決于鐵的氧化物膜的厚度和特性。

2.3粘砂現(xiàn)象二、化學(xué)粘砂化學(xué)粘砂的防止措施：1.采用特種砂（如鉻鐵礦砂、鉻鎂石砂等堿性或中性砂粒，以及高純度硅砂。2.刷涂料3.采用高耐火度低燒結(jié)溫度的粘土第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.4氣體和侵入性氣孔一、鑄型中的氣體及氣孔種類(lèi)氣體主要組成：H2，CO以及CO2，甲烷，N2，O2等，對(duì)濕型還有水蒸汽。根據(jù)氣孔的形成條件將氣孔分兩類(lèi)：反應(yīng)性氣孔—由金屬-鑄型界面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的氣孔侵入性氣孔—濕型中氣體在氣壓作用下直接侵入金屬液形成的氣孔二、侵入性氣孔

1.形成條件P（氣）＞P（靜）+P（腔）+

P（阻）P（腔）P（靜）P（阻）P（氣）P（氣）-界面上氣泡所在處的過(guò)剩壓力（界面處的局部氣壓）P（靜）-ρghP（腔）-型腔內(nèi)氣體壓力P（阻）-氣體進(jìn)入金屬液內(nèi)所需克服的阻力，取決于金屬液的表面張力、凝固的程度及粘度等。第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.4氣體和侵入性氣孔一、鑄型中的氣體及氣孔種類(lèi)二、侵入性氣孔1.形成條件2.形成機(jī)理

第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.4氣體和侵入性氣孔二、侵入性氣孔3.防止措施①減少砂型（芯）在澆注時(shí)的發(fā)氣量②增加鑄型透氣性。如扎出氣孔，使用空心或中間填焦炭塊的砂芯，適當(dāng)提高澆注溫度同時(shí)注意引氣等。③提高氣體進(jìn)入金屬液的阻力。如保證直澆道高度和金屬液面上升速度，避免大平面水平澆注，型芯表面刷涂料等。

第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.4氣體和侵入性氣孔2.6鑄件表面合金化鑄件表面合金化（鑄滲現(xiàn)象）：是利用金屬－鑄型間的相互作用使鑄型表面涂料層中的合金元素滲入到鑄件表面形成一層合金層。作用：根據(jù)滲入合金的特性，這層合金層可以改善鑄件的耐磨、耐熱、耐蝕及其它性能，并從而提高鑄件的使用壽命。鑄件表面合金化的獲