鑄造工藝學第一篇第一章

我國鑄造工藝發(fā)展概況

我國在鑄造技術方面，已有6000多年的悠久歷史，是世界上應用鑄造技術最早的國家之一。中國商朝的重875公斤的司母戊方鼎，戰(zhàn)國時期的曾侯乙尊盤，西漢的透光鏡，都是古代鑄造的代表產(chǎn)品。早期的鑄件大多是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、宗教、生活等方面的工具或用具，藝術色彩濃厚。那時的鑄造工藝是與制陶工藝并行發(fā)展的，受陶器的影響很大。早期鑄造古代鑄件春秋越國君主勾踐寶劍越王勾踐劍通高55.7厘米，寬4.6米，柄長8.4厘米，重875克，1965年冬天出土于湖北省荊州市附近的望山楚墓群中，劍上用鳥篆銘文刻了八個字，“越王勾踐，自作用劍”。

戰(zhàn)國時期楚國的樂器，音質(zhì)很好，音階準確，至今仍可演奏樂曲。

編鐘

出自戰(zhàn)國時期的秦國。由3462個鑄件組成，總重量達1241公斤銅車馬

永樂大鐘它重46.5噸，通高6.75米，最大外徑3.3米。永樂大鐘距今已有500多年歷史，它是采用地坑造型、表面陶范的泥型法鑄造的。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。鑄造時，幾十座熔爐同時開爐，熔化的銅汁沿著泥做的槽道注入陶范，一次成形，工藝高超。重八十二斤

青龍偃月刀現(xiàn)代鑄件燃油機車1894年，德國研制成功了第一臺汽油內(nèi)燃機車。重約954公斤，并將它應用于鐵路運輸，開創(chuàng)了內(nèi)燃機車的新紀元。鑄造生產(chǎn)的飛船鑄造生產(chǎn)的火箭鑄造生產(chǎn)的車輛法拉利跑車軍用悍馬中國二重生產(chǎn)車間鑄造生產(chǎn)的概念、特點及重要性⑴鑄造生產(chǎn)是用液態(tài)合金形成產(chǎn)品的方法。將液態(tài)合金注入鑄型中使之冷卻、凝固、制造金屬制品的過程稱鑄造生產(chǎn)。簡稱鑄造。⑵特點：適用范圍廣；可制造各種合金鑄件；鑄件比鍛、焊件尺寸精度高；成本低廉。⑶重要性：在機床、內(nèi)燃機、重型機器中，鑄件約占70-90%；在風機、壓縮機中，約占60-80%；在拖拉機中，約占50-70%，農(nóng)業(yè)機械中，約占40-70%；汽車中約占20-30%。⑷鑄造生產(chǎn)的內(nèi)容：三個方面。鑄造生產(chǎn)的內(nèi)容鑄造合金熔煉鑄造工藝鑄造過程的機械化及自動化工藝的含義及制定原則（1）含義：使各種原材料、半成品加工成為產(chǎn)品的方法和過程。（2）原則：技術上的先進和經(jīng)濟上的合理。由于不同的工廠的設備生產(chǎn)能力、精度以及工人熟練程度等因素都大不相同，所以對于同一種產(chǎn)品而言，不同的工廠制定的工藝可能是不同的；甚至同一個工廠在不同的時期做的工藝也可能不同。可見，就某一產(chǎn)品而言，工藝并不是唯一的。有人將工藝解釋為“做工的藝術”。分類（1）砂型鑄造工藝（2）特種鑄造工藝（特種鑄造的內(nèi)容）砂型的定義及類型（1）砂型用各種無機或有機粘結劑與砂以及必要時加入的各種附加物配制的型（芯）砂在外力作用下成型并達到要求的密度（緊實度）而成為砂型。（2）砂型的種類砂型濕型水玻璃砂型各種樹脂砂型干型應用：鑄件總產(chǎn)量80%以上廣泛采用砂型鑄造。砂型鑄造企業(yè)汽車制造廠機床廠大型機器制造廠考慮鑄件質(zhì)量的因素：質(zhì)量因素作為產(chǎn)品鑄件質(zhì)量工藝過程質(zhì)量綜合質(zhì)量外在內(nèi)在工作質(zhì)量原材料生產(chǎn)過程鑄件產(chǎn)品工藝過程工藝設計質(zhì)量鑄件質(zhì)量=鑄件的交貨期+鑄件的價格+鑄件的質(zhì)量三個質(zhì)量等級：合格品、一等品、優(yōu)等品。本課程的主要內(nèi)容（1）金屬—鑄型界面相互作用的基本機理和規(guī)律及其對鑄件的影響。（2）型（芯）砂用原材料的基本性能的影響，型（芯）砂性能及其對鑄件質(zhì)量影響的基本規(guī)律，型（芯）砂的配制及其性能控制和檢測的基本原理。（3）工藝設計的基本原則和方法以及澆冒口系統(tǒng)的作用和基本原理，提高其效率的措施。第一篇金屬—鑄型的相互作用

InterfaceReactionsBetweenMetalandMould

引言

液態(tài)金屬充填鑄型的過程：傳熱和傳質(zhì)、力學和物理化學方面的過程沖刷傳熱傳質(zhì)化學作用高溫作用收縮a.沖刷：夾雜b.傳熱鑄型表層溫度內(nèi)應力表層中粘結劑燒失強度低溫蒸發(fā)造成界面處壓力揮發(fā)物質(zhì)強烈氣化、分解

c.傳質(zhì)（1）氣體在壓力場、溫度場的作用下，高水區(qū)—夾砂。水蒸氣以氣泡的形式進入液態(tài)金屬中，上浮。（2）隨金屬液靜壓頭增大，金屬液滲入鑄型面層的砂粒間隙內(nèi)產(chǎn)生粘砂、脹砂、型壁移動。d.化學作用（1）表面合金化----抗磨、耐蝕增強；（2）薄的氧化物層----金屬與鑄型氣氛反應。e.高溫作用高溫作用熱裂氣孔金屬氧化物與造型材料反應造型材料的燒結

f.收縮脫碳層滲碳層滲硫?qū)觾?nèi)應力和變形裂紋收縮第一章砂型結構及其工作條件型砂的結構砂型----造型過程中型砂在外力作用下成型并達到所要求的密度（緊實度）而成為砂型。型砂----由原砂、粘結劑、附加物等按一定比例均勻混制而成的混合物。

1-原砂砂粒2-粘結劑3-附加物4-微孔1、為砂型提供了必要的耐高溫性能和熱物理性能，有助高溫金屬順利充型，以及使金屬液在鑄型中冷卻、凝固并得到所要求形狀和性能的鑄件。2、原砂砂粒為砂型提供眾多孔隙，保證型、芯具有一定透氣性，有利于澆注時氣體的逸出。常用原砂為：石英質(zhì)硅砂。大型鑄鋼件：鉻鐵礦砂、鋯砂等非石英質(zhì)原砂。原砂的主要作用孔隙率孔隙率的決定因數(shù)（通過理論計算所證實）對于相同直徑圓球組成體系的孔隙率只取決于圓球堆壘形式，與圓球直徑大?。次⒖壮叽纾o關。堆壘呈簡單正方、簡單六方、密排六方時，孔隙率分別為47.66％，39.54％和25.95％。孔隙率還與大小顆粒的鑲嵌有關，如圖1-1-4所示。單一大球堆壘時的孔隙率為47.66％。在其中鑲嵌了小球之后的孔隙率為44.3％。這種大小顆粒的鑲嵌現(xiàn)象能降低孔隙率，從而使砂型（芯）的透氣性降低。砂型的實際孔隙率緊實造型后的型砂砂粒堆積形式很可能處于上述三種堆積形式的中間形態(tài)，在標準緊實條件下，孔隙率在30％～40％之間。在型砂澆注使用過程中，孔隙率以及微孔尺寸還會發(fā)生變化。這是由于型砂組分中有機物分解，某組分燒結，熔融等原因。大多情況下會增加鑄型表層的孔隙率和微孔尺寸。

粘接劑流變性

指在力的作用下粘接劑流動和變形的性質(zhì)。度量物質(zhì)流變性常用物理量為粘度。對型砂的影響

混砂所消耗的功率和時間，主要取決于粘結劑的流變性，具體關系有待進一步研究總結。粘接劑流變性對型砂緊實工藝也有影響。粘結劑的流變性對型砂的影響粘接劑流變學的分類如粘土懸浮液粘接劑。粘塑性流體如水玻璃粘接劑，樹脂牛頓流體,:,:*nynghtthgt+==粘接劑流變性對緊實工藝的影響

①牛頓流體粘接劑

配置的型砂為松散體系，微振緊實保證強度。

②粘塑性流體粘接劑

配置的型砂為塑性體系，需高壓高速緊實才能防止塑性恢復，保證強度。

§1-2砂型的工作條件工作條件惡劣室溫下受到搬運、合箱過程中震動、擠壓力的作用。高溫下砂型受到金屬液熱、化學、物理化學及機械方面的各種作用。鑄型接觸區(qū)

鑄型與金屬液直接相接觸及受到其影響的部分，可稱為接觸區(qū)，其余鑄型部分稱為未接觸區(qū)或一般區(qū)。鑄型（熱）接觸區(qū)深度鑄型化學作用區(qū)深度一般為0.5～0.6mm。鑄件鑄型接觸面的微觀幾何形狀三個流程圖分別對應于三個階段：

金屬液充型階段，在接觸面上形成液體金屬的“懸浮體層”；在結晶階段，接觸面重現(xiàn)鑄型型腔表面的宏觀及微觀幾何形狀；在凝固補縮的瞬間，接觸面相互滲透，非勻質(zhì)性急劇增大。鑄件接觸區(qū)指在鑄型的影響下，鑄件表面形成凝固組織的一層金屬。深度：取決于鑄型冷卻能力系數(shù)β的大小。對于碳鋼鑄件關系式近似表示為：

δ件=k’×β

式中k’--常數(shù)，決定于鑄件金屬類別。對于碳鋼（k’=0.532）第二章金屬與鑄型的物理作用金屬液澆入鑄型后，液體金屬與鑄型之間就發(fā)生劇烈的熱交換。在金屬液的熱作用下，鑄型溫度升高，導致鑄型體積膨脹、型內(nèi)水分遷移等現(xiàn)象產(chǎn)生。金屬和鑄型間的機械作用和物理化學作用亦隨溫度升高而加劇。熱作用、機械作用、物理化學作用三者是互相聯(lián)系的，而熱作用是其它兩方面作用的基礎。第一節(jié)傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象影響傳熱的因素

1、熱的不平衡程度：溫度梯度2、鑄件和鑄型熱物理性能：a,b及輻射系數(shù)。

3、幾何因數(shù)：鑄件、鑄型厚度。不同的砂型具有不同的傳熱影響因數(shù)，也就形成了不同的砂型溫度場。鑄件的溫度場金屬和鑄型的傳熱過程是非常復雜的不穩(wěn)定導熱過程?？捎酶盗⑷~導熱微分方程表示：假定鑄件和鑄型均為無限大平板，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，并沒有對流等條件下，將三維的導熱微分方程簡化為一維的導熱微分方程：由此方程的通解和單值條件，可得到鑄型的溫度場方程式為：x——鑄型中某點到界面的距離（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（℃）τ——鑄型被加熱的時間（h）a——鑄型的熱擴散率ρ——鑄型材料的密度（kg/m3）直接測溫法：在鑄型中距界面不同距離的地方安置熱電偶以測量液體金屬澆入型腔后鑄型中各點的溫度變化情況；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?shù)偷臏囟取ｈT型表層的熱作用比較劇烈，必須予以足夠重視。干砂型的溫度分布曲線趨近于拋物線，濕型的溫度變化曲線和溫度分布曲線上都呈現(xiàn)出平臺部分，這是由于濕型內(nèi)水分的相變和遷移形成的。砂型熱導率比金屬型低，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。干型表面層的溫度比濕型高。濕型的熱容量比干型大1.5～2倍。由于水分蒸發(fā)時還產(chǎn)生了較大的蒸汽壓力，增加了鑄型的熱導率，能夠比較迅速地傳遞熱量。砂型中的傳質(zhì)現(xiàn)象1、砂型中的傳質(zhì)現(xiàn)象（實例）

一種物質(zhì)在另一種媒介物中的傳遞都屬于傳質(zhì)范圍。例如：①濕砂型中的水分蒸發(fā)和遷移。②水玻璃砂中吹入的CO2及呋喃樹脂砂中吹入的SO2在型內(nèi)的擴散行為。③澆注有機粘接劑砂型時，粘接劑分解燃燒產(chǎn)生氣體的擴散行為。④鑄件表面合金化是人為強化傳質(zhì)的例子。在砂型表面涂合金化元素涂料，在澆注時的高溫條件下，合金化元素熔化擴散到鑄件表面形成合金化層。

濕型砂澆注過程的水分遷移

濕型被金屬液急劇加熱時，砂型中的水分會從高溫的表面層向低溫的里層遷移，水分遷移的原因是砂型表面層中的水分受熱蒸發(fā)變成水蒸氣、水蒸氣通過砂粒間的孔隙流向砂型內(nèi)層，進而凝聚成水；另外急熱時砂粒間孔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移動。第一區(qū)域——干燥區(qū)它是從金屬與鑄型的界面到溫度為100℃的地方。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。水分蒸發(fā)產(chǎn)生大量氣體，所以又稱發(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，強度高。第二區(qū)域——水分飽和凝聚區(qū)

鑄型中溫度為100℃的區(qū)域。這個區(qū)域的水分含量高達10～15％、為正常水分的2～3倍。這些水分是干燥區(qū)產(chǎn)生的水蒸氣在這兒凝聚起來的，但水分到一定程度后會達到飽和，水蒸氣則流向更里層的水分凝聚區(qū)凝結，所以該區(qū)域稱水分飽和凝聚區(qū)。第三區(qū)域——過渡區(qū)

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)來的水蒸氣在此區(qū)域凝結。故這個區(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加而減少，直至趨向正常的水分，因此稱為過渡區(qū)。水分飽和凝聚區(qū)和過渡區(qū)總稱為水分凝聚區(qū)。第四區(qū)域——正常區(qū)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、強度和透氣性都保持正常的狀態(tài)。砂型受熱時的膨脹鑄型發(fā)生膨脹主要原因是構成鑄型的型砂受熱發(fā)生膨脹。石英硅砂熱膨脹率較大，在575℃附近由于晶型轉(zhuǎn)變而急劇膨脹，總膨脹量為原長度的0.875％，這就容易導致各種膨脹缺陷。其它幾種非石英原砂熱膨脹率較小，不易出現(xiàn)膨脹缺陷。幾種原砂熱膨脹率比較2.2膨脹缺陷—夾砂結疤、鼠尾、溝槽和毛刺一、膨脹缺陷概念

由于硅砂膨脹形成的熱應力而引起的鑄造缺陷稱為膨脹缺陷。

夾砂結疤、鼠尾、溝槽主要發(fā)生在濕型情況下，毛刺主要發(fā)生在有機粘結劑砂型中。①鼠尾鑄件表面出現(xiàn)的較淺（＜5mm）的帶有銳角的凹痕，是一種不規(guī)則的很細小的溝紋。常出現(xiàn)在型腔下表面。②溝槽

鑄件表面產(chǎn)生較深（＞5mm）的邊緣光滑的V形凹痕；V槽底部常存在一條金屬線，這種缺陷也有人叫嚴重鼠尾或金屬線鼠尾。

鼠尾、溝槽是一種輕微的夾砂結疤形態(tài)。③夾砂結疤過去有夾砂、結疤之分，目前國內(nèi)泛稱為夾砂結疤。膨脹夾砂鑄件表面有局部凸出的長條疤痕，其邊緣與鑄件本體分離，它下面夾有一薄層砂或涂料層。常出現(xiàn)在上型表面及下型的凸臺面。沖蝕夾砂（結疤）

由于金屬液在鑄型表面沖出了一塊砂的地方或在沸騰的地方出現(xiàn)了一塊凸出的疤。分析鼠尾的形成原因

表面層型砂膨脹產(chǎn)生的壓力大于水分凝聚區(qū)的抗剪強度，使邊緣部分突出于表面之外，因而產(chǎn)生鼠尾。夾砂結疤的形成原因

砂型上表面受金屬液的熱輻射，表層受熱膨脹，拱起變形直至開裂而產(chǎn)生夾砂結疤。主要從硅砂的受熱膨脹應力及高水區(qū)強度等方面來理解其形成機理。夾砂結疤缺陷的防止措施

目標：減小型砂受熱后的膨脹應力和提高砂型強度，以免砂型表層拱起和開裂。具體為：①選用粒度分散的硅砂作原砂②對重大鑄件，用非石英質(zhì)原砂③采用熱濕強度高的膨潤土作型砂粘接劑④降低型砂含水量等⑤用水玻璃砂、樹脂砂代替濕型砂。（工藝措施）⑥澆注時間盡可能短⑦減小金屬液進入型腔的沖擊力；分散布置內(nèi)澆口，以防局部過熱⑧鑄型上扎氣眼以利于水蒸氣及其它氣體的排出，等等。毛刺毛刺的形成

它是金屬液滲入到砂型（芯）表層在熱應力而引起的裂紋中形成的，見圖1-2-25a（P29）。只在鑄件表面上的局部位置，易清除。易形成毛刺的鑄型（芯）種類一般為，有機粘接劑制成的硅砂鑄型（芯）。其它種類的鑄型（芯）較少出現(xiàn)（如，粘土濕砂型，無機粘接劑砂型）不同種類的有機粘接劑所形成的毛刺缺陷嚴重程度也不相同。見表1-2-1（P29）毛刺防止措施

①選擇合適的型砂配方使砂型（芯）表層在高溫下不開裂。②利用附加物或涂料在高溫下的易熔物堵住裂紋開口。

2.3金屬液對砂型表面沖刷及砂眼形成機理一、液體金屬對砂型表面的沖刷作用砂型表面受到的動壓力：若P動>P砂型表面強度，則砂型表面破壞，形成砂眼、多肉等缺陷;若P動>P上箱＋P壓鐵，則上箱被抬起，造成跑火；若金屬液的動壓力和靜壓力大于型砂的單位強度，則可能造成型壁局部移動或型腔擴大，從而造成鑄件形狀和尺寸不合格。降低沖刷作用的措施使金屬液在砂型表面的流動是層流流動;增高鑄型導熱能力，從而有利于形成金屬硬皮。

砂眼砂眼概念：只在鑄件內(nèi)部或表面充塞有型砂的孔眼，是一種常見鑄造缺陷。形成過程金屬液從砂型型腔表面沖下來的砂粒（塊），或者在造型、合箱操作中落入型腔中的砂粒（塊）來不及浮入橫澆道或冒口頂部，留在鑄件內(nèi)部或表面而造成的。砂眼防止措施

①提高砂型的表面強度；

②正確地設置澆冒口系統(tǒng)，減小沖擊動壓力；

③細心進行造型合箱、澆注等操作。

2.4型壁移動一、概念

金屬液澆入鑄型后砂型壁發(fā)生位移的現(xiàn)象，稱為型壁移動。它對鑄件尺寸精度、縮孔、縮松(?)等缺陷的形成有很大的影響。（型腔脹大，造成原有冒口中金屬液不夠補縮，從而產(chǎn)生縮孔、縮松）?？s沉：生產(chǎn)中把由于種種原因引起型腔脹大而使鑄件同時出現(xiàn)脹大造成的縮孔、縮陷現(xiàn)象稱為縮沉。2—鑄件壁曲線1—砂型壁曲線型腔擴大①②④縮?、墼贁U大①縮小

型腔縮小圖1-2-26c）測得的砂型壁和鑄件壁移動曲線（共晶灰鑄鐵鑄件）分析兩曲線變化原因？③型腔再擴大

1→2－0.7min2→3－4.5min②擴大二、型壁移動的原因

在金屬液的熱作用下砂型發(fā)生膨脹及濕型中形成了水分凝聚區(qū)，使型腔擴大；而起始型腔縮小可能也與金屬液的熱作用有關。砂型（芯）緊實度一定，在灰鐵件石墨化膨脹力的作用下，砂型（芯）進一步被緊實，使得型腔急劇擴大。

相同濕型條件下的型腔脹大量：金屬種類不同所引起的。球鐵最大，灰鑄鐵其次，鋼再次，白口鑄鐵最小。a）濕型移動距離大于干砂型b）隨鈉水玻璃含量的增加，型壁移動距離提高。圖1-2-27反映：a）砂型硬度高，則移動距離??；

b）附加物不同，則移動距離不同。圖1-2-28反映：例如：三、影響型壁移動大小的因數(shù)？

四、型壁移動的防止措施采用液態(tài)金屬靜壓力小的鑄造方法；提高砂型的硬度和密度（緊實度）；選用耐火度高和導熱性好的原砂；盡可能降低砂型中的水分；型砂中加入附加物以改善其性能。當然還有，選擇膨脹小的合金種類以及膨脹系數(shù)小的原砂。2.4氣體和侵入性氣孔一、鑄型中的氣體氣體來源

①型腔和型砂孔隙中的空氣（N2，O2)

②鑄型尤其是濕型中水分，熱作用下形成水蒸氣；③有機、無機粘接劑型砂、附加物分解燃燒產(chǎn)生的氣體。氣體組成

①組成

N2、H2、CO、CO2、H2O、NH3、硫化物、烷烴等。