铸造工艺学课件第一章

有机物燃烧，化合物分 解，产生大量气体，又 叫“发气区”，有可能 导致气孔。
图1-5 浇注后某一瞬间砂型水分的分布
I-完全烘干区；II-水分饱和凝聚区；III-水分不饱和凝聚区；
IV-正常区
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第1章 金属与铸型的相互作用
3.湿分迁移导致铸型湿度与温度变化
干燥区厚度与铸件尺 寸，浇注温度、浇注后 时间有关；
有机物质燃烧或升华；化合物分解(如硼酸受热后，经过
几次脱水，最后分解为硼酐)；石英砂粒的同质异构转变；
型壁的膨胀与收缩；型壁强度的变化等。
在机械作用下，液体金属对铸型冲击、冲刷，使型
腔胀大，砂芯变形等。
在化学和物理化学作用下，金属的氧化与燃烧；铸
型材料与金属或金属氧化物化学反应、黏结，造型材料
发气等。 这些伴生现象
不利情况下
使铸件产生各类缺陷！！！
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第1章 金属与铸型的相互作用
1.2 金属与铸型的热作用 1.2.1 金属对铸型的加热及铸件的冷却
研究在不同时间内铸型各 点温度变化的情况，以及铸 型在不同时间内所吸收的热 量，其方法有解析计算法、 模拟法(电模拟和水力模拟)和 实验法等。
图1-2铸型的加热与铸件的冷却曲线 1-铸件； 2-铸型。
第四区域—正常区。
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第1章 金属与铸型的相互作用
4.根据湿分迁移的理论，在铸型工艺方面应注意以下几个问题：
(1)扎通气孔
深度应透过水分凝聚区，即快到模型表面，又要防止扎坏 模型的工作表面，通气孔直径5~8mm。
(2)采用面砂和背砂
面砂采用含水量少、强度高、颗粒较细的型砂，背砂采 用颗粒较粗、透气性较好的型砂。
图1-1 型砂结构示意图 1-原砂2-黏结剂 3-附加物 4-孔隙
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第1章 金属与铸型的相互作用
砂型是一种微孔-多孔隙体系，或者 毛细管-多孔隙体系。
液体金属在浇注、凝固、冷却过程中 会和铸型发生热的、机械的、化学和物 理化学的相互作用。
图1-1 型砂结构示意图 1-原砂2-黏结剂 3-附加物 4-孔隙
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第1章 金属与铸型的相互作用
图1-6 硅氧四面体和β石英四面体的连接 (a)硅氧四面体 (b) β石英四面体的连接
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第1章 金属与铸型的相互作用
图1-7 石英的同质异构变化
横向的转变为同级转变，即在不同类型晶型间发生转变， 这种转变必须使硅氧骨架中Si-O-Si键断开后重新键合，转变过 程需很大能量，速度也慢，又叫慢转变，亦称重建转变。
第1章 金属与铸型的相互作用
在浇注时，铸型被加热的时间较短，整个铸型的温度也
不高，同时又缺乏矿化剂。因此，由α石英转变为α鳞石英
和α方石英是难以进行的。
对铸造生产来说，必须考虑的是在573℃，由β石英转
变为α石英时的体积膨胀问题，它是快转变。一旦加入到
573℃，相变立即发生，同时伴有体积膨胀，体积膨胀为
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第1章 金属与铸型的相互作用
1.2.4 夹砂
夹砂又叫包砂、结疤和鼠尾等，是铸件常见的一类表面缺 陷，特别是用湿型铸造厚(1)夹砂结疤：它是金属液进入裂纹 把拱起的砂型表层包在铸件内，就 成为夹砂结疤；它的特点是：在铸 件表面上有局部凸出的形状不规则 的金属瘤状或片状物，在它的下面 有一层型砂。如图1-8 (a)所示。
0.82%。
虽然这时的体积膨胀不到1％，但由于这个转变是突然
产生的，因此，它将影响铸件的尺寸精度，并可能使铸件
产生夹砂、胀砂等缺陷。
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第1章 金属与铸型的相互作用
2.黏土的干缩
水分在黏土中的存在形式有以下几种： （1）矿物组成水 包括结构水、结晶水和晶层水等三种。结构水是以 H+和OH-离子的形式存在于矿物的结晶格架的一定位置上，它有一定 的数量。结晶水是以水分子H2O的形式存在于矿物结晶格架的一定位 置上，也有一定的数量。晶层水是以水分子H2O的形式存在于晶层之 间，其数量不定。
5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm
图1-4 湿型受热时温度变化曲线
从图中可看出： (1)浇注后，铸型内表面温度迅速地接近液体金属的温度， 但此时，铸型其它部分仍然处于相当低的温度。
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第1章 金属与铸型的相互作用
图1-3干型的加热曲线 1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm
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第1章 金属与铸型的相互作用
总的来看，型砂在加热时的膨胀可分为两个阶段。 当石英砂的膨胀能被黏土的收缩所抵消，或者说当 石英砂粒间的相互移动的阻力小于砂型外部的阻力时， 仅减少砂粒之间的空隙，并不引起铸型尺寸的变化，这 个阶段称为显微膨胀。 当砂粒间的间隙难以减小，或者砂粒间的相互移动 的阻力大于砂型外部的阻力时，将引起铸型尺寸发生变 化，这个阶段称为宏观膨胀。铸件的很多缺陷，如裂纹、 夹砂和尺寸不符等主要是由型砂的宏观膨胀造成的。
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第1章 金属与铸型的相互作用
1.解析计算法
铸件与铸型的热交换是属于不稳定的导热问题。 因此，运用解析计算法研究铸型温度场时，一般作了下列 的假设： (1)铸型与铸件的接触面是一个平面； (2)铸型与铸件在界面上的温度是相同的； (3)铸型与铸件平面都是无限大的，即只考虑一维方向的热 传导；
第1 章 金属与铸型的相互作用
第1章 金属与铸型的相互作用
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。
原砂是型砂的骨架，黏土是黏结剂， 它被水润湿后，在砂粒表面形成一层黏 土薄膜，把松散的砂粒黏结在一起，使 型砂具有一定的工艺性能。在被黏土膜 包围的砂粒之间，有一定的孔隙，它使 型砂具有一定的透气性。
一般铝镁合金铸件， 浇注1分钟后，干燥区 厚度约3~6mm。
特点是“三高一少”，
即温度高、强度高、水
图1-5 浇注后某一瞬间砂型水分的分布
蒸汽压高，水分少。
I-完全烘干区；II-水分饱和凝聚区；III-水分不饱和凝聚区； IV-正常区
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第1章 金属与铸型的相互作用
第二区域—水分饱和凝聚区。 温度100℃区域 蒸发界面 型内的水分蒸腾或蒸发在干 燥区和本区的界面上发生， 此界面称为蒸发界面。
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第1章 金属与铸型的相互作用
1.解析计算法
铸件与铸型的热交换是属于不稳定的导热问题。 因此，运用解析计算法研究铸型温度场时，一般作了下列 的假设： (4)在整个过程中，铸型材料的各热物理参数不随温度变化； (5)不论在铸件或铸型中都不发生吸热及放热反应; (6)浇注时，液体金属对型腔中空气的加热以及因对流热传 导造成的热量损失，不予考虑。
水分饱和凝聚区的扩大
含水量约10~15%，为正常水分的2~3倍，出现自由水；热湿拉 强度比常温抗拉强度低得多（正常区的1/3~1/10），
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第1章 金属与铸型的相互作用
第二区域—水分饱和凝 聚区。 砂型容易产生表层与里 层脱离的现象，产生夹 砂缺陷。
凝聚的水容易堵塞孔隙， 导致排气不畅，易产生 气孔
当浇注时，铸型被迅速加热，加热的程度随着距型 腔表面远近而不同，表面层温度高，里层温度低，水分 及水蒸气除部分变成蒸汽从冒口、冒气孔逸出外，其余 大部分都向铸型里层迁移。
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3.湿分迁移导致铸型湿度与温度变化
第一区域—干燥区， 又叫完全烘干区。
型腔表面至100℃处， T>100 ℃；水分蒸发较 多：全部自由水、大部 分吸附水和部分结构水；
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第1章 金属与铸型的相互作用
这三方面的作用是紧密联系、互相促进的。其中热作 用是其它两方面作用的基础，且它们的作用是随热作用的 剧烈程度而变化的，如果金属对铸型的加热越剧烈，则其 它两方面的作用就越严重。
还会在铸型中产生各种伴生现象。
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第1章 金属与铸型的相互作用
在热作用下，型腔表面层的水分向铸型里层迁移；
5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm
图1-4 湿型受热时温度变化曲线
(3)干型表面层的温度比湿型高。
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第1章 金属与铸型的相互作用
1.2.2 铸型湿分的迁移和强度变化
1.湿分迁移： 湿分是水分和水蒸汽的总称。湿分迁移是指铸型中
水分和水蒸汽从型腔表面层向铸型内部迁移的现象。 2.湿分迁移的方向：
(3)在铸造大型铸件肘，可采用干型或表面干型
先将铸型于350~400℃进行烘干，可使干强度比湿强度提
高5~10倍，透气率提高50%。
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第1章 金属与铸型的相互作用
1.2.3 铸型体积的变化 1.原砂的膨胀
受热后，原砂的体积将发生膨胀。其原因主要有两个 方面： 一是因温度升高而产生热膨胀，为受热均匀膨胀； 二是因温度升高发生相变（β石英发生同质异构变化）而产 生的体积膨胀。
图1-8 夹砂的形成 (a) 夹砂；(b)鼠尾
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1.2.4 夹砂
第1章 金属与铸型的相互作用
夹砂又叫包砂、结疤和鼠尾等，是铸件常见的一类表面缺 陷，特别是用湿型铸造厚大的平板类铸件时，更常出现。一 般将夹砂分两种形式。
(2)鼠尾：型腔下表面层在金属液热 作用下发生翘起，特点是：在铸件 表面上出现浅的方向性凹槽或不规 则的折痕，无金属瘤状物，形状似 老鼠尾巴，故称鼠尾，通常沿下型 内浇口正前方产生，如图1-8 (b)所 示。
由于晶体结构的差异，高岭石和蒙脱石的含水形式、 数量有较大差异。其收缩的特点也大不一样。
高岭石在低温加热时因脱水较少，收缩并不显著， 在400~700℃失去结构水，体积出现收缩。
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第1章 金属与铸型的相互作用
蒙脱石在低温加热时脱水多，收缩显著。 尤其是在100~200℃左右肘，失去了大量的吸附水和晶 层水，因此产生了显著的收缩。 继续加热到550~750℃左右，失去结构水，而这时的体 积变化并不最显著。 蒙脱石与高岭石在加热过程中，其体积变化有明显的不 同。高岭石的主要收缩发生在较高的温度范围；而蒙脱 石的主要收缩则发生在较低的温度(100~200℃)范围内。