第十章金屬和鑄型的相互作用

1、 ) 11 ()( 2 2 2 2 2 2 z t y t x t a t 研究液體金屬對(duì)鑄型的加熱，主要是研究在不同時(shí)間內(nèi)鑄型各點(diǎn)不同時(shí)間內(nèi)鑄型各點(diǎn) 溫度變化溫度變化的情況，以及鑄型在不同時(shí)間內(nèi)所吸收的熱量鑄型在不同時(shí)間內(nèi)所吸收的熱量。研究的方法 有數(shù)學(xué)分析法、模擬法（電模擬和水力模擬）以及實(shí)測(cè)法等。 用數(shù)學(xué)分析法數(shù)學(xué)分析法研究熱作用可以明顯地反映鑄型溫度場(chǎng)的變化明顯地反映鑄型溫度場(chǎng)的變化 規(guī)律規(guī)律。金屬和鑄型的傳熱過(guò)程是非常復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱過(guò)程。 可用傅立葉導(dǎo)熱微分方程表示： 在假定鑄件和鑄型均為無(wú)限大平板，材質(zhì)是均勻的，熱物理常數(shù) 不隨溫度變化，金屬液澆入鑄型后溫度一致，并沒(méi)有對(duì)流等條件

2、下， 將三維的導(dǎo)熱微分方程簡(jiǎn)化為一維的導(dǎo)熱微分方程： )21 ( 2 2 x t a t 由此方程的通解和單值條件，可得到鑄型的溫度場(chǎng)方程式鑄型的溫度場(chǎng)方程式為： ) 31 ( 4 1 00 a x erftttt K x 鑄型中某點(diǎn)到界面的距離（m） t 鑄型中距型腔表面為x處的溫度（） t0 鑄型的初始溫度（） tK 金屬的初始溫度（） 鑄型被加熱的時(shí)間（h） c a a 鑄型的熱擴(kuò)散 率 鑄型材料的密度（kg/m3） 式中式中: 用直接測(cè)溫法直接測(cè)溫法研究熱作用的規(guī)律是目前應(yīng)用最廣泛的方法。其方法是 在鑄型中距界面不同距離的地方安置熱電偶以測(cè)量液體金屬澆入型腔后鑄在鑄型中距界面不同距離的

3、地方安置熱電偶以測(cè)量液體金屬澆入型腔后鑄 型中各點(diǎn)的溫度變化情況型中各點(diǎn)的溫度變化情況；并進(jìn)而根據(jù)溫度變化曲線得出溫度分布曲線。 圖11和圖12分別為在干態(tài)砂型和濕砂型中澆注Al30Cu合金鑄件時(shí)， 鑄型中各點(diǎn)的溫度變化曲線。圖13和圖14分別為澆注鋁合金時(shí)干型和 濕型的溫度分布曲線，從圖中可以看出如下特點(diǎn)： (1) 澆注后鑄型表面層的溫度迅速地接近液體金屬的溫度澆注后鑄型表面層的溫度迅速地接近液體金屬的溫度，而鑄型其它部分 仍處于相當(dāng)?shù)偷臏囟?。鑄型表層的熱作用比較劇烈，必須予以足夠重視。 (2) 干砂型的溫度分布曲線和金屬型相似干砂型的溫度分布曲線和金屬型相似，趨近于拋物線，和公式(11)的

4、 數(shù)值比較符合，而濕型的溫度變化曲線和溫度分布曲線上都呈現(xiàn)出平臺(tái)部 分，這是由于濕型內(nèi)水分的相變和遷移形成的。 (3) 砂質(zhì)鑄型熱導(dǎo)率比金屬型低砂質(zhì)鑄型熱導(dǎo)率比金屬型低，受熱后不能迅速地把熱量從型腔表面層傳遞 給里層，表層和里層之間存在著很大的溫度差。 (4) 干型表面層的溫度比濕型高干型表面層的溫度比濕型高。濕型的熱容量比干型大1.52倍。由于水分 蒸發(fā)時(shí)還產(chǎn)生了較大的蒸汽壓力，增加了鑄型熱導(dǎo)率，能較迅速地傳遞熱量。 濕型被金屬液急劇加熱時(shí)，濕型被金屬液急劇加熱時(shí)， 砂型中的水分會(huì)從高溫的表面層砂型中的水分會(huì)從高溫的表面層 向低溫的里層遷移，向低溫的里層遷移，水分遷移的水分遷移的 原因原因是

5、是砂型表面層中的水分受熱砂型表面層中的水分受熱 蒸發(fā)變成水蒸氣、水蒸氣通過(guò)砂蒸發(fā)變成水蒸氣、水蒸氣通過(guò)砂 粒間的孔隙流向砂型內(nèi)層，進(jìn)而粒間的孔隙流向砂型內(nèi)層，進(jìn)而 凝聚成水凝聚成水；另外急熱時(shí)砂粒間孔；另外急熱時(shí)砂粒間孔 隙中的水在壓力差和表面張力的隙中的水在壓力差和表面張力的 作用下也由溫度高處向溫度低處作用下也由溫度高處向溫度低處 移動(dòng)移動(dòng)。 由于水分遷移的結(jié)果，在濕型中出現(xiàn)四個(gè)區(qū)域由于水分遷移的結(jié)果，在濕型中出現(xiàn)四個(gè)區(qū)域(見(jiàn)見(jiàn)上上圖圖)。 它是從金屬與鑄型的界面到溫度為它是從金屬與鑄型的界面到溫度為100的地方。的地方。 該區(qū)的溫度高該區(qū)的溫度高100，自由水分都被蒸發(fā)，因而水分含量很少

6、。水分蒸發(fā)產(chǎn)，自由水分都被蒸發(fā)，因而水分含量很少。水分蒸發(fā)產(chǎn) 生大量氣體，所以又稱(chēng)發(fā)氣區(qū)，在不利的條件下，氣體可能侵入液體金屬生大量氣體，所以又稱(chēng)發(fā)氣區(qū)，在不利的條件下，氣體可能侵入液體金屬 中，產(chǎn)生侵入性氣孔缺陷。該區(qū)域透氣性好，強(qiáng)度高。中，產(chǎn)生侵入性氣孔缺陷。該區(qū)域透氣性好，強(qiáng)度高。 鑄型中溫度為鑄型中溫度為100的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的區(qū)域。這個(gè)區(qū)域 的水分含量高達(dá)的水分含量高達(dá)1015、為正常水分的、為正常水分的23倍。這些水分是干燥區(qū)產(chǎn)生的倍。這些水分是干燥區(qū)產(chǎn)生的 水蒸氣在這兒凝聚起來(lái)的，但水分到一定程度后會(huì)達(dá)到飽和，水蒸氣則流向水蒸氣在這兒凝聚起來(lái)的，但水分到一定程度后會(huì)達(dá)到飽和，水蒸

7、氣則流向 更里層的水分凝聚區(qū)凝結(jié)，所以該區(qū)域稱(chēng)水分飽和凝聚區(qū)。更里層的水分凝聚區(qū)凝結(jié)，所以該區(qū)域稱(chēng)水分飽和凝聚區(qū)。 也叫水分不飽和凝聚區(qū)。它是從鑄型中溫度為也叫水分不飽和凝聚區(qū)。它是從鑄型中溫度為 lOO至室溫的區(qū)域。干燥區(qū)來(lái)的水蒸氣在此區(qū)域凝結(jié)。故這個(gè)區(qū)域的水至室溫的區(qū)域。干燥區(qū)來(lái)的水蒸氣在此區(qū)域凝結(jié)。故這個(gè)區(qū)域的水 分含量比正常區(qū)的稍高，但其分布是不均勻的，隨著至型腔表面距離的增分含量比正常區(qū)的稍高，但其分布是不均勻的，隨著至型腔表面距離的增 加而減少，直至趨向正常的水分，因此稱(chēng)為過(guò)渡區(qū)。水分飽和凝聚區(qū)和過(guò)加而減少，直至趨向正常的水分，因此稱(chēng)為過(guò)渡區(qū)。水分飽和凝聚區(qū)和過(guò) 渡區(qū)總稱(chēng)為水分凝聚

8、區(qū)。渡區(qū)總稱(chēng)為水分凝聚區(qū)。 它是從鑄型溫度為室溫至砂箱壁處。該區(qū)域未受液它是從鑄型溫度為室溫至砂箱壁處。該區(qū)域未受液 體金屬熱作用的影響，其溫度、水分、強(qiáng)度和透氣性都保持正常的狀態(tài)。體金屬熱作用的影響，其溫度、水分、強(qiáng)度和透氣性都保持正常的狀態(tài)。 第一區(qū)域第一區(qū)域干燥區(qū)。干燥區(qū)。 第二區(qū)域第二區(qū)域水分飽和凝聚區(qū)。水分飽和凝聚區(qū)。 第三區(qū)域第三區(qū)域過(guò)渡區(qū)。過(guò)渡區(qū)。 第四區(qū)域第四區(qū)域正常區(qū)。正常區(qū)。 砂型呈多孔性，它在加熱時(shí)的膨脹可分為顯微膨脹顯微膨脹 和宏觀膨脹宏觀膨脹兩個(gè)階段。在砂粒的膨脹能被粘土膜的收縮 抵消，或砂粒相互移動(dòng)的阻力小于砂型外部的阻力時(shí)， 僅減少砂粒間的孔隙，并不引起砂型尺寸的

9、變化，這個(gè) 階段稱(chēng)為顯微膨脹階段。在砂粒間的孔隙已不能再減小， 或砂粒間相互移動(dòng)的阻力大于砂型外部的阻力時(shí)，砂型 的外部尺寸才發(fā)生變化，這個(gè)階段稱(chēng)為宏觀膨脹階段。 砂型在加熱時(shí)的膨脹，不僅與砂粒材料的膨脹系數(shù)與特砂粒材料的膨脹系數(shù)與特 性性、粘結(jié)劑和加入物的性質(zhì)及加入量粘結(jié)劑和加入物的性質(zhì)及加入量等有關(guān)，還和砂型砂型 的緊實(shí)度的緊實(shí)度、加熱溫度加熱溫度、加熱速度加熱速度、膨脹條件膨脹條件等因素有關(guān)有關(guān)。 夾砂夾砂是鑄件常見(jiàn)的一類(lèi)是鑄件常見(jiàn)的一類(lèi)表面缺陷表面缺陷，是在鑄件表面還沒(méi)有凝固是在鑄件表面還沒(méi)有凝固 或凝固殼強(qiáng)度很低時(shí)，因砂型表面層膨脹發(fā)生拱起和裂紋而造成或凝固殼強(qiáng)度很低時(shí)，因砂型表面層

10、膨脹發(fā)生拱起和裂紋而造成 的的。分為夾砂結(jié)疤和鼠尾兩類(lèi)。金屬液進(jìn)入裂紋把拱起的砂型表。分為夾砂結(jié)疤和鼠尾兩類(lèi)。金屬液進(jìn)入裂紋把拱起的砂型表 層包在鑄件內(nèi)，就成為層包在鑄件內(nèi)，就成為夾砂結(jié)疤缺陷夾砂結(jié)疤缺陷(亦稱(chēng)包砂亦稱(chēng)包砂)，如圖，如圖16(a)所所 示，砂型表面只拱起而未斷開(kāi)，就造成示，砂型表面只拱起而未斷開(kāi)，就造成鼠尾缺陷鼠尾缺陷(亦叫溝槽亦叫溝槽)，如，如 圖圖16(b)所示。所示。 夾砂的夾砂的形成機(jī)理形成機(jī)理，有幾種不同的理論見(jiàn)解。，有幾種不同的理論見(jiàn)解。 (1) 砂型表面層因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力超出了水分飽和凝砂型表面層因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力超出了水分飽和凝 聚區(qū)的強(qiáng)度聚區(qū)的強(qiáng)度：澆注時(shí)，

11、砂型表面層和內(nèi)層之間因溫度：澆注時(shí)，砂型表面層和內(nèi)層之間因溫度 不同、膨脹量不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。不同、膨脹量不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。 (2) 型砂的熱膨脹超過(guò)熱應(yīng)變型砂的熱膨脹超過(guò)熱應(yīng)變：砂型在澆注時(shí)受熱發(fā)：砂型在澆注時(shí)受熱發(fā) 生膨脹，如果熱膨脹值超過(guò)了熱應(yīng)變，砂型表面將生膨脹，如果熱膨脹值超過(guò)了熱應(yīng)變，砂型表面將 破裂，引起夾砂。破裂，引起夾砂。 (3) 干燥層的熱應(yīng)力超出水分凝聚區(qū)的強(qiáng)度，熱膨脹大干燥層的熱應(yīng)力超出水分凝聚區(qū)的強(qiáng)度，熱膨脹大 于凝聚區(qū)的熱應(yīng)變于凝聚區(qū)的熱應(yīng)變。 根據(jù)夾砂形成機(jī)理，可從以下幾方面來(lái)根據(jù)夾砂形成機(jī)理，可從以下幾方面來(lái)防止夾砂的產(chǎn)生防止夾砂的產(chǎn)生： (1) 造型材料方面造

12、型材料方面：正確選用和配制型砂是防止夾 砂的主要措施。 (2) 鑄造工藝方面鑄造工藝方面：避免大平面在水平位置澆注。：避免大平面在水平位置澆注。 (3) 鑄件結(jié)構(gòu)方面鑄件結(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，其抗夾砂能力是不同的。 金金屬液沿鑄型表面流動(dòng)時(shí)對(duì)鑄型表面有摩擦力屬液沿鑄型表面流動(dòng)時(shí)對(duì)鑄型表面有摩擦力，如摩擦力超，如摩擦力超 出砂型表面層砂粒間在澆注溫度下的粘結(jié)力，砂粒將被沖下，出砂型表面層砂粒間在澆注溫度下的粘結(jié)力，砂粒將被沖下， 造成鑄件表面局部粗糙、沖砂、砂眼等缺陷。造成鑄件表面局部粗糙、沖砂、砂眼等缺陷。 金金屬液對(duì)鑄型表面的屬液對(duì)鑄型表面的沖刷作用沖刷

13、作用，主要，主要取決于取決于金屬的澆注溫度、金屬的澆注溫度、 鑄型的表面強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度鑄型的表面強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。澆注溫度越高，則沖刷作用越嚴(yán)重。澆注溫度越高，則沖刷作用越嚴(yán)重。 如果澆注溫度低，液體金屬與鑄型表面接觸后，很快形成硬殼，如果澆注溫度低，液體金屬與鑄型表面接觸后，很快形成硬殼， 金屬液在殼內(nèi)流動(dòng)不與砂型接觸，故能減輕沖刷作用。鑄型的表金屬液在殼內(nèi)流動(dòng)不與砂型接觸，故能減輕沖刷作用。鑄型的表 面強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度越高，則抗沖刷作用的性能就越好。面強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度越高，則抗沖刷作用的性能就越好。提高砂型提高砂型 的的緊實(shí)度緊實(shí)度、表面強(qiáng)度表面強(qiáng)度，采用表面干型采用表面干型、水玻璃砂型水玻璃砂

14、型、樹(shù)脂砂型樹(shù)脂砂型， 采用涂料采用涂料等，都能等，都能提高鑄型表面的抗沖刷作用提高鑄型表面的抗沖刷作用。 液體金屬澆入鑄型中，在鑄件沒(méi)有凝成足夠的硬殼前，型 壁受到金屬液的靜壓強(qiáng)靜壓強(qiáng)為： ) 41 ( ghp 靜 P靜 靜 隨 隨h增大而增大，增大而增大，h在澆注終了時(shí)達(dá)到最大值在澆注終了時(shí)達(dá)到最大值。 澆注時(shí)，型壁表面受到金屬液的動(dòng)壓力動(dòng)壓力： ) 51 ( 2 FvvFvP 動(dòng) 2 v F P p 動(dòng) 動(dòng) 在忽略金屬流動(dòng)阻力的條件下， ghv2 2 ) 61 (22 靜動(dòng) pghp 式中：式中：P動(dòng) 金屬液對(duì)鑄型表面的動(dòng)壓力； F 金屬液截面積； V 金屬液的流速； p動(dòng) 金屬液對(duì)鑄型

15、表面的動(dòng)壓強(qiáng)。 從公式（1-6）可以看出，在金屬壓頭相同金屬壓頭相同的條件下，P動(dòng) 動(dòng) 約 約 為為P靜 靜的 的2倍倍。 在在開(kāi)始澆注時(shí)直澆口的底部、對(duì)著內(nèi)澆口的型開(kāi)始澆注時(shí)直澆口的底部、對(duì)著內(nèi)澆口的型(芯芯)壁、澆壁、澆 注終了時(shí)的型腔表面等處常受到金屬液的動(dòng)壓力注終了時(shí)的型腔表面等處常受到金屬液的動(dòng)壓力。如金屬液。如金屬液 的動(dòng)壓強(qiáng)超出砂型的表面強(qiáng)度，砂型表面將被沖壞，使鑄件的動(dòng)壓強(qiáng)超出砂型的表面強(qiáng)度，砂型表面將被沖壞，使鑄件 造成砂眼、多肉等缺陷。造成砂眼、多肉等缺陷。 在液在液體金屬的靜壓力和動(dòng)壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生型壁移動(dòng)、體金屬的靜壓力和動(dòng)壓力的作用下，會(huì)產(chǎn)生型壁移動(dòng)、 蓋箱抬起、

16、砂芯漂浮，從而使鑄件產(chǎn)生脹砂、多肉、披縫等鑄蓋箱抬起、砂芯漂浮，從而使鑄件產(chǎn)生脹砂、多肉、披縫等鑄 造缺陷。如果產(chǎn)生的浮力過(guò)大、砂芯會(huì)發(fā)生變形和破壞，使鑄造缺陷。如果產(chǎn)生的浮力過(guò)大、砂芯會(huì)發(fā)生變形和破壞，使鑄 件偏心以至報(bào)廢。件偏心以至報(bào)廢。 在在鋁合金、鎂合金鑄造中，靜壓力和動(dòng)壓力較小鋁合金、鎂合金鑄造中，靜壓力和動(dòng)壓力較小。而在黑色。而在黑色 金屬大中型鑄件生產(chǎn)中，靜壓力和動(dòng)壓力所產(chǎn)生的型壁移動(dòng)、蓋金屬大中型鑄件生產(chǎn)中，靜壓力和動(dòng)壓力所產(chǎn)生的型壁移動(dòng)、蓋 箱抬起等現(xiàn)象則比較嚴(yán)重，鑄造生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠重視。箱抬起等現(xiàn)象則比較嚴(yán)重，鑄造生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠重視。 析出氣孔析出氣孔 反應(yīng)氣孔反應(yīng)氣孔

17、 侵入氣孔侵入氣孔 氣氣 孔孔 侵侵入性氣孔入性氣孔是濕型鑄造時(shí)是濕型鑄造時(shí)最常發(fā)生的缺陷之一最常發(fā)生的缺陷之一，侵，侵 入氣孔的入氣孔的體積較大體積較大，呈梨形、圓形、扁圓形，常在鑄，呈梨形、圓形、扁圓形，常在鑄 件澆注位置的上部發(fā)現(xiàn)，主要由砂型、砂芯在澆注時(shí)件澆注位置的上部發(fā)現(xiàn)，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。產(chǎn)生的氣體侵入金屬液造成。 鑄型在金屬液熱作用下發(fā)生水分蒸發(fā)，有機(jī)物燃燒或鑄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)，金屬液與鑄型產(chǎn)生化學(xué)作用，均可使金屬液和鑄揮發(fā)，金屬液與鑄型產(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

18、屬液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壓力后，氣體就侵入金屬液形中形成氣泡所必須克服的壓力后，氣體就侵入金屬液形 成氣泡成氣泡。 主要從減少P氣、增大氣體侵入金屬液的阻力，使氣 泡能從鑄件金屬液中浮出等方面著手。 (1) 減少減少P氣 氣：減少型(芯)的發(fā)氣量、發(fā)氣速度和使氣體 容易排出。 (2) 增大氣體侵入金屬液的阻力增大氣體侵入金屬液的阻力。 (3) 使氣泡能從金屬液中浮出使氣泡能從金屬液中浮出：適當(dāng)提高澆注溫度和澆注 速度，避免澆注時(shí)型腔中有大的水平面，設(shè)置冒口等。 粘砂粘砂是鑄鋼鑄鋼、鑄鐵件生產(chǎn)中常見(jiàn)的鑄造缺陷之一鑄鐵件生產(chǎn)中常見(jiàn)的鑄造缺陷之一。

19、 鑄件部分或整個(gè)表面粘著一層型砂與金屬氧化物形成鑄件部分或整個(gè)表面粘著一層型砂與金屬氧化物形成 的化合物的化合物稱(chēng)為粘砂粘砂。粘砂大多發(fā)生在鑄件的厚壁部分、 澆冒口附近等部位，通常鑄鋼比鑄鐵件粘砂嚴(yán)重，濕 型鑄造比干型嚴(yán)重。 機(jī)械粘砂機(jī)械粘砂 金屬滲入到砂粒間空隙，將砂粒固定在 鑄件表面； 化學(xué)粘砂化學(xué)粘砂 金屬或金屬氧化物和造型材料形成化 合物，將砂層粘結(jié)在鑄件表面。 金金屬液滲入砂粒間孔隙就會(huì)形成機(jī)械粘砂屬液滲入砂粒間孔隙就會(huì)形成機(jī)械粘砂，金屬液滲入砂 粒間空隙的條件條件為 )131 ( 型毛氣金 PPPP 式中：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 砂型空隙中氣

20、體的壓力； P型 型腔內(nèi)氣體的壓力； P毛 毛細(xì)壓力 (1) 采用細(xì)砂、提高鑄型緊實(shí)度、鑄型表面刷涂料，采用細(xì)砂、提高鑄型緊實(shí)度、鑄型表面刷涂料， 有利于防止粘砂有利于防止粘砂。 (2) 鑄鐵件型砂中采用煤粉砂鑄鐵件型砂中采用煤粉砂。煤粉在400以上發(fā) 生裂解，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(rùn)，對(duì)防粘砂 有突出作用。 (3) 降低澆注溫度降低澆注溫度。 (1) 化學(xué)粘砂層的形成化學(xué)粘砂層的形成 產(chǎn)產(chǎn)生化學(xué)粘砂生化學(xué)粘砂的的先決條件先決條件是是金屬氧化金屬氧化。影響化學(xué)粘砂的因影響化學(xué)粘砂的因 素素主要是主要是金屬氧化物的數(shù)量以及與型砂之間的作用程度金屬氧化物的數(shù)量以及與型砂之間的作用程度，后，后 者主要取決于熱作用的情況。熱作用越大，則形成易熔物的者主要取決于熱作用