鑄造工藝學(xué) 第2版 課件 第1章 金屬與鑄型的相互作用

第1章

金屬與鑄型的相互作用第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.1概述

普通型砂是由原砂、黏土和水等按一定比例混制成的。圖1-1型砂結(jié)構(gòu)示意圖1-原砂2-黏結(jié)劑3-附加物4-孔隙

原砂是型砂的骨架，黏土是黏結(jié)劑，它被水潤濕后，在砂粒表面形成一層黏土薄膜，把松散的砂粒黏結(jié)在一起，使型砂具有一定的工藝性能。在被黏土膜包圍的砂粒之間，有一定的孔隙，它使型砂具有一定的透氣性。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

砂型是一種微孔-多孔隙體系，或者毛細(xì)管-多孔隙體系。

液體金屬在澆注、凝固、冷卻過程中會(huì)和鑄型發(fā)生熱的、機(jī)械的、化學(xué)和物理化學(xué)的相互作用。圖1-1型砂結(jié)構(gòu)示意圖1-原砂2-黏結(jié)劑3-附加物4-孔隙第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

這三方面的作用是緊密聯(lián)系、互相促進(jìn)的。其中熱作用是其它兩方面作用的基礎(chǔ)，且它們的作用是隨熱作用的劇烈程度而變化的，如果金屬對鑄型的加熱越劇烈，則其它兩方面的作用就越嚴(yán)重。

還會(huì)在鑄型中產(chǎn)生各種伴生現(xiàn)象。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

在熱作用下，型腔表面層的水分向鑄型里層遷移；有機(jī)物質(zhì)燃燒或升華；化合物分解(如硼酸受熱后，經(jīng)過幾次脫水，最后分解為硼酐)；石英砂粒的同質(zhì)異構(gòu)轉(zhuǎn)變；型壁的膨脹與收縮；型壁強(qiáng)度的變化等。

在機(jī)械作用下，液體金屬對鑄型沖擊、沖刷，使型腔脹大，砂芯變形等。

在化學(xué)和物理化學(xué)作用下，金屬的氧化與燃燒；鑄型材料與金屬或金屬氧化物化學(xué)反應(yīng)、黏結(jié)，造型材料發(fā)氣等。

不利情況下

這些伴生現(xiàn)象

使鑄件產(chǎn)生各類缺陷?。。〉?章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2金屬與鑄型的熱作用1.2.1金屬對鑄型的加熱及鑄件的冷卻圖1-2鑄型的加熱與鑄件的冷卻曲線1-鑄件；2-鑄型。

研究在不同時(shí)間內(nèi)鑄型各點(diǎn)溫度變化的情況，以及鑄型在不同時(shí)間內(nèi)所吸收的熱量，其方法有解析計(jì)算法、模擬法(電模擬和水力模擬)和實(shí)驗(yàn)法等。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

1.解析計(jì)算法

鑄件與鑄型的熱交換是屬于不穩(wěn)定的導(dǎo)熱問題。因此，運(yùn)用解析計(jì)算法研究鑄型溫度場時(shí)，一般作了下列的假設(shè)：(1)鑄型與鑄件的接觸面是一個(gè)平面；(2)鑄型與鑄件在界面上的溫度是相同的；(3)鑄型與鑄件平面都是無限大的，即只考慮一維方向的熱傳導(dǎo)；

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

1.解析計(jì)算法

鑄件與鑄型的熱交換是屬于不穩(wěn)定的導(dǎo)熱問題。因此，運(yùn)用解析計(jì)算法研究鑄型溫度場時(shí)，一般作了下列的假設(shè)：(4)在整個(gè)過程中，鑄型材料的各熱物理參數(shù)不隨溫度變化；

(5)不論在鑄件或鑄型中都不發(fā)生吸熱及放熱反應(yīng);(6)澆注時(shí)，液體金屬對型腔中空氣的加熱以及因?qū)α鳠醾鲗?dǎo)造成的熱量損失，不予考慮。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.試驗(yàn)法

直接測溫方法：在距型腔表面不同距離的砂型中安置熱電偶，液體金屬注入型腔后，就能立刻測量和記錄鑄型各點(diǎn)溫度變化的情況。圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時(shí)溫度變化曲線圖1-3和圖1-4分別為在干型和濕型中澆注含銅30％的鋁合金；直徑為127mm的鑄件時(shí)，鑄型中各點(diǎn)的溫度變化曲線。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)從圖中可看出：(1)澆注后，鑄型內(nèi)表面溫度迅速地接近液體金屬的溫度，但此時(shí)，鑄型其它部分仍然處于相當(dāng)?shù)偷臏囟?。圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時(shí)溫度變化曲線第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時(shí)溫度變化曲線(2)砂型不同深度的各點(diǎn)在同一時(shí)刻有很大的溫度差，越靠近型腔表面，溫度越高，而離開型腔表面越遠(yuǎn)，溫度越低，溫差隨時(shí)間逐漸減小。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時(shí)溫度變化曲線(3)干型表面層的溫度比濕型高。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.2鑄型濕分的遷移和強(qiáng)度變化1.濕分遷移：

濕分是水分和水蒸汽的總稱。濕分遷移是指鑄型中水分和水蒸汽從型腔表面層向鑄型內(nèi)部遷移的現(xiàn)象。2.濕分遷移的方向：

當(dāng)澆注時(shí)，鑄型被迅速加熱，加熱的程度隨著距型腔表面遠(yuǎn)近而不同，表面層溫度高，里層溫度低，水分及水蒸氣除部分變成蒸汽從冒口、冒氣孔逸出外，其余大部分都向鑄型里層遷移。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.濕分遷移導(dǎo)致鑄型濕度與溫度變化圖1-5澆注后某一瞬間砂型水分的分布I-完全烘干區(qū)；II-水分飽和凝聚區(qū)；III-水分不飽和凝聚區(qū)；IV-正常區(qū)

第一區(qū)域—干燥區(qū)，又叫完全烘干區(qū)。型腔表面至100℃處，T>100℃；水分蒸發(fā)較多：全部自由水、大部分吸附水和部分結(jié)構(gòu)水；有機(jī)物燃燒，化合物分解，產(chǎn)生大量氣體，又叫“發(fā)氣區(qū)”，有可能導(dǎo)致氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.濕分遷移導(dǎo)致鑄型濕度與溫度變化

干燥區(qū)厚度與鑄件尺寸，澆注溫度、澆注后時(shí)間有關(guān)；一般鋁鎂合金鑄件，澆注1分鐘后，干燥區(qū)厚度約3~6mm。特點(diǎn)是“三高一少”，即溫度高、強(qiáng)度高、水蒸汽壓高，水分少。圖1-5澆注后某一瞬間砂型水分的分布I-完全烘干區(qū)；II-水分飽和凝聚區(qū)；III-水分不飽和凝聚區(qū)；IV-正常區(qū)第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)第二區(qū)域—水分飽和凝聚區(qū)。溫度100℃區(qū)域蒸發(fā)界面型內(nèi)的水分蒸騰或蒸發(fā)在干燥區(qū)和本區(qū)的界面上發(fā)生，此界面稱為蒸發(fā)界面。水分飽和凝聚區(qū)的擴(kuò)大含水量約10~15%，為正常水分的2~3倍，出現(xiàn)自由水；熱濕拉強(qiáng)度比常溫抗拉強(qiáng)度低得多（正常區(qū)的1/3~1/10），第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)第二區(qū)域—水分飽和凝聚區(qū)。砂型容易產(chǎn)生表層與里層脫離的現(xiàn)象，產(chǎn)生夾砂缺陷。凝聚的水容易堵塞孔隙，導(dǎo)致排氣不暢，易產(chǎn)生氣孔特點(diǎn)是“一高兩低”：濕分高、強(qiáng)度低、透氣性低。

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第三區(qū)域—水分不飽和凝聚區(qū)，又叫過渡區(qū)。100℃至室溫的區(qū)域，由不正常向正常過渡。

凝聚界面-水分飽和凝聚區(qū)與水分不飽和凝聚區(qū)的界面，叫做凝聚界面。

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飽和凝聚區(qū)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是隨著鑄件凝固，其位置和厚度依蒸發(fā)界面和凝聚界面的變化而變化。由于凝聚界面的移動(dòng)速度比蒸發(fā)界面的移動(dòng)速度大，故水分飽和凝聚區(qū)將隨著它離開型腔表面而不斷加厚。表面干燥區(qū)亦不斷加厚。

第四區(qū)域—正常區(qū)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)4.根據(jù)濕分遷移的理論，在鑄型工藝方面應(yīng)注意以下幾個(gè)問題：(1)扎通氣孔

深度應(yīng)透過水分凝聚區(qū)，即快到模型表面，又要防止扎壞模型的工作表面，通氣孔直徑5~8mm。(2)采用面砂和背砂面砂采用含水量少、強(qiáng)度高、顆粒較細(xì)的型砂，背砂采用顆粒較粗、透氣性較好的型砂。(3)在鑄造大型鑄件肘，可采用干型或表面干型

先將鑄型于350~400℃進(jìn)行烘干，可使干強(qiáng)度比濕強(qiáng)度提高5~10倍，透氣率提高50%。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.3鑄型體積的變化1.原砂的膨脹

受熱后，原砂的體積將發(fā)生膨脹。其原因主要有兩個(gè)方面：一是因溫度升高而產(chǎn)生熱膨脹，為受熱均勻膨脹；二是因溫度升高發(fā)生相變（β石英發(fā)生同質(zhì)異構(gòu)變化）而產(chǎn)生的體積膨脹。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-6硅氧四面體和β石英四面體的連接(a)硅氧四面體

(b)β石英四面體的連接第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-7石英的同質(zhì)異構(gòu)變化

橫向的轉(zhuǎn)變?yōu)橥夀D(zhuǎn)變，即在不同類型晶型間發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變必須使硅氧骨架中Si-O-Si鍵斷開后重新鍵合，轉(zhuǎn)變過程需很大能量，速度也慢，又叫慢轉(zhuǎn)變，亦稱重建轉(zhuǎn)變。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-7石英的同質(zhì)異構(gòu)變化

縱向轉(zhuǎn)變?yōu)橥愞D(zhuǎn)變，即在同一類型晶型中，在高低溫晶型間發(fā)生的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變不必?cái)嚅_和重新鍵合硅氧鍵，只需將原來骨架上的硅氧四面體稍作扭動(dòng)，作一些位移，即可完成。這種轉(zhuǎn)變需要的能量低，速度也較快，故稱為快轉(zhuǎn)變，又稱位移轉(zhuǎn)變。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

在澆注時(shí)，鑄型被加熱的時(shí)間較短，整個(gè)鑄型的溫度也不高，同時(shí)又缺乏礦化劑。因此，由α石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣流[石英和α方石英是難以進(jìn)行的。

對鑄造生產(chǎn)來說，必須考慮的是在573℃，由β石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣潦r(shí)的體積膨脹問題，它是快轉(zhuǎn)變。一旦加入到573℃，相變立即發(fā)生，同時(shí)伴有體積膨脹，體積膨脹為0.82%。

雖然這時(shí)的體積膨脹不到1％，但由于這個(gè)轉(zhuǎn)變是突然產(chǎn)生的，因此，它將影響鑄件的尺寸精度，并可能使鑄件產(chǎn)生夾砂、脹砂等缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)水分在黏土中的存在形式有以下幾種：

（1）礦物組成水包括結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水和晶層水等三種。結(jié)構(gòu)水是以H+和OH-離子的形式存在于礦物的結(jié)晶格架的一定位置上，它有一定的數(shù)量。結(jié)晶水是以水分子H2O的形式存在于礦物結(jié)晶格架的一定位置上，也有一定的數(shù)量。晶層水是以水分子H2O的形式存在于晶層之間，其數(shù)量不定。(2)吸附水

一般指黏土膠團(tuán)中的外吸附層和擴(kuò)散層中的水。它被吸附在黏土質(zhì)點(diǎn)表面上，而不進(jìn)入晶格中，吸附水與黏土質(zhì)點(diǎn)的結(jié)合不像礦物組成水那樣牢固。(3)自由水一般指遠(yuǎn)離黏土質(zhì)點(diǎn)而機(jī)械混入的水。2.黏土的干縮第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

黏土加熱到100℃以上就失去全部自由水。隨著水分的去除，黏土質(zhì)點(diǎn)相互靠近，出現(xiàn)收縮。由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，高嶺石和蒙脫石的含水形式、數(shù)量有較大差異。其收縮的特點(diǎn)也大不一樣。

高嶺石在低溫加熱時(shí)因脫水較少，收縮并不顯著，在400~700℃失去結(jié)構(gòu)水，體積出現(xiàn)收縮。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)蒙脫石在低溫加熱時(shí)脫水多，收縮顯著。尤其是在100~200℃左右肘，失去了大量的吸附水和晶層水，因此產(chǎn)生了顯著的收縮。繼續(xù)加熱到550~750℃左右，失去結(jié)構(gòu)水，而這時(shí)的體積變化并不最顯著。蒙脫石與高嶺石在加熱過程中，其體積變化有明顯的不同。高嶺石的主要收縮發(fā)生在較高的溫度范圍；而蒙脫石的主要收縮則發(fā)生在較低的溫度(100~200℃)范圍內(nèi)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

總的來看，型砂在加熱時(shí)的膨脹可分為兩個(gè)階段。

當(dāng)石英砂的膨脹能被黏土的收縮所抵消，或者說當(dāng)石英砂粒間的相互移動(dòng)的阻力小于砂型外部的阻力時(shí)，僅減少砂粒之間的空隙，并不引起鑄型尺寸的變化，這個(gè)階段稱為顯微膨脹。

當(dāng)砂粒間的間隙難以減小，或者砂粒間的相互移動(dòng)的阻力大于砂型外部的阻力時(shí)，將引起鑄型尺寸發(fā)生變化，這個(gè)階段稱為宏觀膨脹。鑄件的很多缺陷，如裂紋、夾砂和尺寸不符等主要是由型砂的宏觀膨脹造成的。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.4夾砂

夾砂又叫包砂、結(jié)疤和鼠尾等，是鑄件常見的一類表面缺陷，特別是用濕型鑄造厚大的平板類鑄件時(shí)，更常出現(xiàn)。一般將夾砂分兩種形式。圖1-8夾砂的形成(a)夾砂；(b)鼠尾(1)夾砂結(jié)疤：它是金屬液進(jìn)入裂紋把拱起的砂型表層包在鑄件內(nèi)，就成為夾砂結(jié)疤；它的特點(diǎn)是：在鑄件表面上有局部凸出的形狀不規(guī)則的金屬瘤狀或片狀物，在它的下面有一層型砂。如圖1-8(a)所示。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.4夾砂

夾砂又叫包砂、結(jié)疤和鼠尾等，是鑄件常見的一類表面缺陷，特別是用濕型鑄造厚大的平板類鑄件時(shí)，更常出現(xiàn)。一般將夾砂分兩種形式。(2)鼠尾：型腔下表面層在金屬液熱作用下發(fā)生翹起，特點(diǎn)是：在鑄件表面上出現(xiàn)淺的方向性凹槽或不規(guī)則的折痕，無金屬瘤狀物，形狀似老鼠尾巴，故稱鼠尾，通常沿下型內(nèi)澆口正前方產(chǎn)生，如圖1-8(b)所示。圖1-8夾砂的形成(a)夾砂；(b)鼠尾第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1．夾砂的形成機(jī)理及影響因素（1）砂型表面層因熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力超出了水分凝聚區(qū)的強(qiáng)度，圖1-9為夾砂形成過程的示意圖。圖1-9夾砂形成示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

有人對產(chǎn)生夾砂時(shí)，型腔表面層拱起的力學(xué)條件，設(shè)想如圖1-10所示。

在上砂箱的A、B間的砂型部分，表面層的熱應(yīng)力F1為A，B兩端的阻力F2和表面層與里層之間的摩擦阻力F3所平衡。當(dāng)F1>F2+F3時(shí)，表面層將拱起并開裂，使鑄件產(chǎn)生夾砂缺陷。圖1-10上箱砂型表面層產(chǎn)生夾砂時(shí)應(yīng)力示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（2）1976年日本片島等人提出了由水分凝聚區(qū)引起的夾砂結(jié)疤缺陷的機(jī)理圖1-11夾砂發(fā)生時(shí)砂型內(nèi)的狀態(tài)(D)完全烘干區(qū)；(M)水分凝聚區(qū)完全烘干區(qū)D、水分凝聚區(qū)M和水分未受影響的原來濕砂型區(qū)G等。其中M區(qū)溫度為100?C以下，比D區(qū)溫度低，因此熱膨脹可以忽略，而G區(qū)仍保持室溫，沒有變化。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.防止夾砂類缺陷的措施

從夾砂的形成機(jī)理看，預(yù)防夾砂產(chǎn)生的途徑主要有：減少型砂受熱引起的膨脹，提高型砂的熱濕拉強(qiáng)度和防止型砂表面拱起與開裂。具體如下：(1)造型材料方面：

正確選用和配制型砂是防止夾砂的主要措施。

選用SiO2含量少的石英-長石砂作原砂。

重、大鑄件采用如鉻礦石、鎂砂、鋯砂、電熔剛玉、石墨等。

選用粒度分散的原砂(最好分布在相鄰的五個(gè)篩上)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

選用熱濕拉強(qiáng)度高、熱壓應(yīng)力低的膨潤土，盡量采用鈉基膨潤土或經(jīng)活化處理的鈣基膨潤土。

澆注鑄鐵時(shí)，在型砂中加入煤粉、重油、木屑等能減少熱壓應(yīng)力，提高熱濕拉強(qiáng)度，還可防止黏砂。因煤粉在300~380℃會(huì)軟化。

盡可能降低型砂的含水量，保證一定的混砂時(shí)間，混好的型砂經(jīng)過調(diào)勻和松砂，對提高型砂熱濕拉強(qiáng)度有利。

當(dāng)然，采用水玻璃砂、石灰石水玻璃砂、樹脂砂，都能有效地防止夾砂。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)(2)鑄造工藝方面：

舂砂應(yīng)力求均勻，避免局部過硬或過松；過硬使砂粒間隙小，熱應(yīng)力大；太松會(huì)造成黏砂、沖砂。

在上型表面、澆口附近等易產(chǎn)生夾砂的地方應(yīng)多扎氣眼減少氣體壓力，使水分凝聚區(qū)向里，且區(qū)域較大，水分凝聚不集中；砂型表面烘干，提高表面強(qiáng)度。

避免大平面在水平位置澆注，應(yīng)將其垂直或傾斜澆注。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

(3)鑄件結(jié)構(gòu)方面：

盡量避免大平面，鑄造圓角要合適。不同形狀的型腔，其抗夾砂的能力是不同的。凹面形狀抗夾砂能力最好，平面形狀次之、凸面形狀最差，工藝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對凸面形狀的型腔采取必要的措施，凸出部分盡量放置在下部，或插釘子加固，以防止夾砂的產(chǎn)生。

澆注系統(tǒng)應(yīng)能使金屬液平穩(wěn)進(jìn)入型腔；內(nèi)澆口應(yīng)均勻分布，防止局部過熱，澆口阻流面積適當(dāng)增大。適當(dāng)降低澆注溫度，提高澆注速度，有足夠的型內(nèi)液面上升速度。澆注時(shí)間應(yīng)小于砂型臨界受熱時(shí)間。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.3金屬與鑄型的機(jī)械作用1.3.1金屬液對鑄型表面的沖刷作用1.3.2金屬液對鑄型表面的動(dòng)壓力和靜壓力1.3.3鑄型的機(jī)械阻礙應(yīng)力

金屬全部凝固并冷卻至彈性狀態(tài)以后，仍然繼續(xù)收縮。如受到鑄型或砂芯等的阻礙，就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力，它是一種臨時(shí)應(yīng)力。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

當(dāng)砂芯的退讓性極好時(shí)，K=ε，則σ=0，鑄件收縮不受阻礙，是自由收縮，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械阻礙應(yīng)力。

當(dāng)砂芯的退讓性很差時(shí)，K=0，則σ=E?ε，達(dá)到最大值，鑄件將產(chǎn)生機(jī)械阻礙應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機(jī)械阻礙應(yīng)力三者的代數(shù)和。這三者有時(shí)互相抵消，有時(shí)互相疊加。當(dāng)機(jī)械阻礙應(yīng)力與熱應(yīng)力同時(shí)作用并超過當(dāng)時(shí)金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，便產(chǎn)生冷裂缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4金屬與鑄型的物理化學(xué)作用金屬與鑄型表面的物理化學(xué)作用有：（1）金屬液與鑄型中的氣體或鑄型材料發(fā)生化學(xué)作用

如鋁、鎂合金與鑄型的化學(xué)作用，鎂合金的燃燒等。（2）造型材料融入鑄件表面

鑄造合金與砂粒間隙中的氧結(jié)合，在液態(tài)金屬表面形成一薄層熔融的氧化膜，這層金屬氧化物與砂粒、黏土互相化合，在鑄件表面形成“黏砂”層。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

金屬液與鑄型的物理化學(xué)作用，在不利的情況下，鑄型會(huì)產(chǎn)生燃燒、氣孔、黏砂等缺陷。但也可以利用鑄型表面涂料中的合金元素，使鑄件表面合金化，提高鑄件表面質(zhì)量。（3）造型材料發(fā)氣

氣體侵入金屬液形成氣孔，金屬液從鑄型中吸收氣體。（4）金屬液滲入砂粒間隙，形成機(jī)械黏砂。（5）造型材料的熔解及鑄件表面合金化。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4.1燃燒

燃燒是鎂合金鑄件常見的缺陷之一。含鎂量高的鋁合金鑄件有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)。1.燃燒缺陷產(chǎn)生的機(jī)理

鎂的化學(xué)性質(zhì)很活潑，僅次于K、Na、Ca，在常溫下就能和氧反應(yīng)，與H2、N2、H2O等作用，但不劇烈。而液態(tài)的鎂及其合金能和02、H20、N2、SiO2產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)：第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

由于生成的MgO是一種導(dǎo)熱性能差、內(nèi)部疏松的氧化物，它覆蓋在鎂合金表面，使反應(yīng)時(shí)釋放出來的大量熱量，不能迅速地散發(fā)出去，使反應(yīng)界面上的溫度迅速提高。

溫度的提高又加速鎂的氧化，加劇鎂的燃燒，使反應(yīng)界面上的溫度越來越高，最終還會(huì)燃燒，最高可達(dá)2850?C，并發(fā)出閃耀的白光和彌漫的濃煙。

有時(shí)還因?yàn)樗滞蝗黄?，體積膨脹幾千倍，同時(shí)因反應(yīng)所放出的H2與O2迅速起反應(yīng)，導(dǎo)致猛烈的爆炸。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.燃燒缺陷的特征(1)鑄件表面上有分散的或成群的孔穴。在吹砂、氧化處理之前，孔穴內(nèi)填滿灰色的氧化鎂粉末，在吹砂、氧化處理后，孔穴呈清潔而粗糙的表面。(2)鑄件表面上有黑色或灰色的連續(xù)的氧化皺紋，并帶有氧化鎂粉末的白色斑點(diǎn)，吹砂、氧化處理后，呈灰褐色。(3)鑄件表面上出現(xiàn)大小不同的金屬燃燒產(chǎn)物的菌狀瘤疤。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

燃燒缺陷的部位

燃燒缺陷常發(fā)生在鑄件受熱嚴(yán)重、保護(hù)劑燒損比較厲害的地方，經(jīng)常發(fā)生的部位有：i)鑄件上的厚大部位；ii)內(nèi)澆道附近，特別是內(nèi)澆道的對面；iii)冒口根部。

燃燒缺陷出現(xiàn)的部位附近，往往出現(xiàn)疏松缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.防止燃燒的措施

產(chǎn)生燃燒的內(nèi)在原因是由于液態(tài)的鎂合金易與02、N2、H20等發(fā)生劇烈的反應(yīng)；而外界原因是在澆注、凝固過程中給燃燒提供了條件，防止燃燒主要是斷絕鎂與空氣、H20和N2的接觸。在實(shí)際生產(chǎn)中常采取以下措施：(1)降低型砂含水量，一般<5.5%，對于中大件，采用表面干型，型砂中不得有草根、煤屑等有機(jī)物。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)(2)在型砂中加入必要的防燃附加物，目前一般是加入3～4％的烷基磺酸鈉(含烷基磺酸鈉28％的水溶液)，并加入1.5～2.5％的硼酸。(3)造型時(shí)，增加透氣性；在容易燃燒部位開冷卻筋，放置冷鐵；增加內(nèi)澆道數(shù)量，避免熱量集中。(4)熔化時(shí)，給合金液中加入少量的鈹(0.001～0.002％)，以減少鎂合金的燃燒傾向。在澆注時(shí)，適當(dāng)降低澆注溫度，縮短澆注時(shí)間。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4.2黏砂

黏砂是鑄鋼、鑄鐵件生產(chǎn)中常見的鑄造缺陷之一。鑄件部分或整個(gè)表面黏著一層型砂或型砂與金屬氧化物形成的化合物稱為黏砂。

黏砂大多發(fā)生在鑄件的厚壁部分、澆冒口附近、內(nèi)角、凹槽、小的鑄孔等部位，通常鑄鋼比鑄鐵件黏砂嚴(yán)重，濕型鑄造比干型嚴(yán)重。

黏砂清理困難，嚴(yán)重時(shí)用風(fēng)鏟清除，甚至使鑄件報(bào)廢。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

根據(jù)砂層黏結(jié)在鑄件表面的黏結(jié)物質(zhì)的性質(zhì)，黏砂可分為：

機(jī)械黏砂-金屬滲入到砂粒間孔隙，將砂粒固定在鑄件表面；

化學(xué)黏砂-金屬或金屬氧化物和造型材料形成化合物，將砂層黏結(jié)在鑄件表面。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.機(jī)械黏砂（金屬滲入）

如金屬滲入深度小于砂粒半徑，并不發(fā)生黏砂，只是表面過于粗糙。當(dāng)金屬滲入深度大于砂粒半徑，便發(fā)生機(jī)械黏砂。滲入深度越深，清理就越困難。（1）機(jī)械黏砂的形成機(jī)理

液態(tài)金屬滲入砂粒間隙的過程和一般液體在毛細(xì)管中上升或下降相似，但過程要更復(fù)雜，原因有，金屬液隨溫度降低而黏度增大，金屬液與孔隙中的氣體發(fā)生反應(yīng)而使?jié)櫇駰l件發(fā)生變化等。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

金屬液滲入砂粒間孔隙就會(huì)形成機(jī)械黏砂，金屬液滲入砂粒間孔隙的條件為P金≥P氣-P毛-P型

(1-18)式中P金-鑄型中金屬液的壓力(包括靜壓力和動(dòng)壓力)；P氣-砂型孔隙中氣體的反壓力；P型-型腔內(nèi)氣體的壓力；P毛-毛細(xì)壓力，從有關(guān)物理知識(shí)可知

σ-液態(tài)金屬的表面張力；r-砂?？紫兜陌霃?；θ-液態(tài)金屬對砂?？紫兜臐櫇窠?。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（2）影響機(jī)械黏砂的因素1)金屬液的靜壓力和動(dòng)壓力始終是促使液體金屬向砂粒間的孔隙滲入的。在金屬液潤濕砂粒的情況下，P金越大，滲入深度越大，機(jī)械黏砂越嚴(yán)重。因此高大鑄件下部容易形成機(jī)械黏砂。2)P氣是孔隙中氣體對金屬液的反壓力，始終阻礙金屬液的滲入。但生產(chǎn)中很少用提高P氣來防止機(jī)械黏砂。

在大多數(shù)情況下，鑄件有明冒口或出氣冒口，P型的影響可以忽略不計(jì)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3)金屬液與造型材料的潤濕性對金屬滲入有很大影響。

如金屬液能潤濕造型材料，潤濕角θ<90?，cosθ為正值，P毛為正值，則毛細(xì)壓力促使液體金屬滲入砂粒間隙。

如金屬液不潤濕造型材料，θ>90?，cosθ為負(fù)值，P毛為負(fù)值，則毛細(xì)壓力阻止金屬液滲入砂粒間隙。第一章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)4)砂型表面砂粒孔隙的大小對金屬液滲入有很大影響，減小砂粒間孔隙半徑，可減小金屬滲入。5)影響金屬液保持液態(tài)的時(shí)間和流動(dòng)能力的因素，如：金屬液的密度、比熱容、凝固潛熱和黏度，鑄型的蓄熱能力等。保持液態(tài)時(shí)間長和黏度小，導(dǎo)致黏砂嚴(yán)重。鑄型蓄熱系數(shù)高，則不易黏砂。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（3）防止機(jī)械黏砂的措施1)采用細(xì)砂，提高鑄型緊實(shí)度，鑄型表面刷涂料，使孔隙小，毛細(xì)阻力大，金屬液滲入難，有利于防止黏砂。2)鑄鐵件型砂中采用煤粉砂。煤粉在400?C以上發(fā)生裂解、升華，析出光亮碳層。光亮碳包覆在砂粒表面，由于光亮碳不被金屬及金屬氧化物濕潤，對防黏砂有突出作用。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（3）防止機(jī)械黏砂的措施3)降低澆注溫度。4)加入重油。重油是石油加工產(chǎn)品的殘?jiān)?，使用時(shí)用柴油1:1或3:2稀釋。它能形成碳膜，包圍砂粒，并堵塞孔隙，防止金屬液滲入。5)采用非石英質(zhì)原砂或涂料。如鉻鐵礦砂、鎂砂、鋯砂等，蓄熱系數(shù)高，與金屬液潤濕性差，但價(jià)格貴，常制成涂料使用。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.化學(xué)黏砂

化學(xué)黏砂主要發(fā)生在鑄鋼和鑄鐵件上

黏結(jié)物質(zhì)為金屬氧化物和造型材料形成的化合物

黏砂層的厚度比機(jī)械黏砂大。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.化學(xué)黏砂

化學(xué)黏砂層去除的難易程度，主要決定于黏砂層的性質(zhì)以及黏砂層與鑄件表面的結(jié)合強(qiáng)度，與黏砂層厚度的關(guān)系不大。有時(shí)化學(xué)黏砂層很厚，卻很容易清理，甚至在鑄件冷卻時(shí)能自動(dòng)剝落。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（1）形成機(jī)理1)化學(xué)黏砂層的形成：鋼水或鐵水在澆注時(shí)與鑄型氣體中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生化學(xué)作用生成氧化鐵。

在高溫和氧不足的情況下，F(xiàn)eO是穩(wěn)定的，其與SiO2潤濕角θ=21?（<90?）。在鑄鋼澆注溫度下FeO為液態(tài)并能潤濕石英，并滲入砂粒間隙，與砂或黏土中的SiO2相作用生成液態(tài)硅酸亞鐵。2FeO+SiO2=Fe2SiO4

（硅酸亞鐵）第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2FeO+SiO2=Fe2SiO4

（硅酸亞鐵）

硅酸亞鐵，其熔點(diǎn)為1205℃，常稱為低熔點(diǎn)化合物。FeO與Fe2SiO4的共晶溫度為1177℃。

熔融的硅酸鹽及其共晶物也潤濕石英砂，在毛細(xì)壓力的作用下，能滲入砂粒間隙，增加了金屬滲入深度，形成黏砂層。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-12黏砂層斷面示意圖2)化學(xué)黏砂層與鑄件表面熔接：分析黏砂層斷面的化學(xué)成分，得知緊靠鑄件表面的是一薄層金屬氧化物，其后為低熔點(diǎn)化合物(圖1-12)

當(dāng)氧化物層的厚度達(dá)到或超過某一個(gè)臨界值時(shí)，黏砂層就容易從鑄件上清除，反之就不易清除。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-12黏砂層斷面示意圖這個(gè)臨界值亦即氧化物薄層的臨界厚度。其大小約為100μm。因此，為了防止化學(xué)黏砂，應(yīng)增加氧化物厚度，使之超過臨界厚度。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

而硅酸亞鐵等低熔點(diǎn)化合物，在一定條件下會(huì)牢固地黏附著金屬氧化物，使鑄件產(chǎn)生化學(xué)黏砂，當(dāng)?shù)腿埸c(diǎn)化合物冷凝后是結(jié)晶體，使結(jié)合力增大，難以清理。圖1-12黏砂層斷面示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)有的資料認(rèn)為，當(dāng)黏砂層中含有15％～20％的玻璃體物后，就可以避免化學(xué)黏砂。圖1-12黏砂層斷面示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（2）防止措施

可從防止形成黏砂層和降低黏砂層與鑄件表面的結(jié)合力兩方面入手。1）防止形成化學(xué)黏砂層：防止金屬氧化，避免金屬氧化物與型砂起化學(xué)作用。具體措施有：將金屬液脫氧，適當(dāng)降低澆注溫度；在型砂中加入能很快形成還原性氣氛的加入物如煤粉、重油、瀝青、有機(jī)黏結(jié)劑等；采用涂料；采用高質(zhì)量的石英砂（SiO2>98%）和膨潤土；第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

生產(chǎn)耐熱鋼、不銹鋼等高合金鋼鑄件和大型鑄件時(shí)，采用鋯砂、鎂砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特殊耐火材料作型砂或涂料。2）降低化學(xué)黏砂層與鑄件表面的結(jié)合力：在型砂中加入適量(3～5％)氧化鐵粉；注意選用合適的原砂。某些原砂，如鄭庵砂、六合紅砂等能得到表面光潔的鑄鐵件，鑄件表面容易清理。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4.3侵入性氣孔

氣孔是鑄型或金屬液中的氣體在金屬液中形成的氣泡，未能浮出而留在鑄件內(nèi)的一種常見的鑄造缺陷。

由于氣體的來源和形成過程不同，鑄件的氣孔可分為析出氣孔、反應(yīng)氣孔和侵入性氣孔三種。前兩種氣孔，分別在材料成形原理和合金熔煉課程中作詳細(xì)介紹，此處不再贅述。本課程主要討論侵入性氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.侵入性氣孔的特征

侵入性氣孔是濕型鑄造時(shí)最常發(fā)生的缺陷之一，其特征：①侵入性氣孔的體積較大；②呈梨形、圓形、扁圓形；③常在鑄件皮下、澆注位置的上部發(fā)現(xiàn)；④氣孔的內(nèi)壁光滑，表面有金屬或氧化皮膜的光色澤，與砂眼、渣孔等缺陷很容易區(qū)別。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.侵入性氣孔的特征

主要由砂型、砂芯在澆注時(shí)產(chǎn)生的氣體侵入金屬液造成。

鋁合金鑄件的侵入性氣孔，在噴砂后進(jìn)行外觀檢查時(shí)即可發(fā)現(xiàn)。鎂合金鑄件則往往需在氧化處理后方可發(fā)現(xiàn)。隱藏在鑄件內(nèi)部的氣孔，只有通過X光檢查，以及在鑄件進(jìn)行機(jī)械加工時(shí)才能發(fā)現(xiàn)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-13金屬液和砂型界面上氣體侵入金屬液的條件2.侵入性氣孔的形成機(jī)理

砂型在金屬液熱作用下發(fā)生水分蒸發(fā)，有機(jī)物燃燒或揮發(fā)，碳酸鹽分解，金屬液與砂型產(chǎn)生化學(xué)作用，均可使金屬液和鑄型界面上氣體的壓力增加。當(dāng)氣體的壓力大于在金屬液中形成氣泡所必須克服的阻力后，氣體就侵入金屬液形成氣泡(見圖1-13)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

在均勻的金屬液中，氣泡體積變化所做的功和表面能的增量平衡P·dV=σ·dS(1-19)式中：P=P氣-P靜-P型P氣-氣泡內(nèi)氣體壓力；P靜-作用在氣泡表面的金屬靜壓力；P型-作用在液面上的型內(nèi)氣體壓力；dV-氣泡體積的增量。設(shè)氣泡為球形

r-氣泡的半徑；σ-金屬液的表面張力；dS-氣泡表面積的增量

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)(2)P靜：在金屬液與鑄型表面接觸到形成氣泡核心的這段時(shí)間內(nèi)，型內(nèi)金屬液已上升了一定高度h，P靜=γh=ρgh。在澆注時(shí)P靜隨金屬液在型內(nèi)的上升高度而變化，澆注終了時(shí)h等于氣泡至澆口杯液面的高度。(3)P型：作用在金屬液面上的型內(nèi)氣體壓力，在有明冒口時(shí)P型為大氣壓力。(4)P氣：砂型表面層的發(fā)氣量大、發(fā)氣速度高、砂型透氣性低、水分飽和凝聚區(qū)離鑄件表面近、砂型出氣孔位置不當(dāng)和數(shù)量少等，都使界面的氣體壓力P氣增高。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)(a)砂型發(fā)氣速度較快時(shí)(b)砂型發(fā)氣速度較慢時(shí)

圖1-14型砂發(fā)氣量和發(fā)氣速度對形成侵入性氣孔的影響P氣值不僅與型砂發(fā)氣物質(zhì)的總發(fā)氣量有關(guān)，更重要的還與發(fā)氣溫度及發(fā)氣速度有關(guān)。因此P氣最大值的出現(xiàn)時(shí)間不同，數(shù)值不同，后果也就相應(yīng)不同。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

氣泡侵入金屬液后，溶解在金屬液中的氣體會(huì)向內(nèi)擴(kuò)散而使氣泡長大。

如氣泡沒有上浮就已凝固，就在侵入處形成梨形氣孔。

小孔端的位置表明氣體的來源。

在金屬液溫度高和黏度小的情況下，氣泡能從金屬液內(nèi)逸出或浮入冒口，則鑄件并不產(chǎn)生氣孔。

如鑄件表面的凝固殼強(qiáng)度很低，表面氣泡雖不能侵入，但使鑄件表面發(fā)生局部變形而留下凹坑，就出現(xiàn)表面氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.