金屬材料成形工藝及控制課件 2.1 鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象

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)幾個概念：緊實(shí)度(degreeofcompaction)：單位體積內(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、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)部溫度場均勻化的能力。α越大，溫度場越均勻。

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)熱方向的單位長度上，溫度改變1℃，所容許導(dǎo)過的比熱流量。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)、相變等對熱量的蓄積和遷移的影響，而測得的熱物理特性值。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)、對流和輻射對流：即熱對流，指流體內(nèi)部各部分發(fā)生相對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。對流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。流體掠過物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱為對流換熱或簡稱放熱。如暖氣片外壁與房間內(nèi)空氣之間的對流換熱。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)、對流、輻射和累加的實(shí)效熱導(dǎo)率曲線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溫度對膨潤土型砂的熱導(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砂型的受熱過程圖2.4樹脂砂型及鑄件溫度場和它的最高到達(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2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.3砂型的受熱過程圖2.6濕態(tài)砂-粘土鑄型的溫度場（30mm平板鑄鐵件）和鑄件凝固時鑄型中的溫度曲線1、濕度曲線2和強(qiáng)度曲線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，熱通過兩種方式傳遞：①通過溫度梯度進(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。蒸氣相的遷移依賴于蒸汽的壓力梯度對流：即熱對流，指流體內(nèi)部各部分發(fā)生相對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。對流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。流體掠過物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱為對流換熱或簡稱放熱。如暖氣片外壁與房間內(nèi)空氣之間的對流換熱。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濕型受熱時不同時間的界面位置（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時間里干砂區(qū)和飽和凝聚區(qū)移動的距離★砂型受熱時的膨脹砂型受熱時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★砂型受熱時的膨脹圖2.10幾種材料的熱膨脹的比較砂型受熱時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★砂型受熱時的膨脹砂型受熱時各組分的體積變化砂型受熱時的膨脹微觀膨脹：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。宏觀膨脹：砂粒間空隙已難以再減小，或者使砂粒間相