金屬液態(tài)砂型成形工藝

關(guān)于金屬液態(tài)砂型成形工藝1.液態(tài)金屬與鑄型的界面作用及伴生缺陷

研究液態(tài)金屬與鑄型界面作用的現(xiàn)象和機(jī)理可能引起的鑄造缺陷及防止方法金屬液態(tài)砂型成形工藝的主要內(nèi)容第2頁,共81頁，2024年2月25日，星期天金屬液態(tài)砂型成形工藝的主要內(nèi)容2.造型材料

作為材料，它包括兩層內(nèi)容：型、芯、涂料等所用的原材料原材料的混合料作為科學(xué)，它研究下列內(nèi)容：混合料的組成、配比、制備工藝、工藝性能及其測試方法；原材料、混合料的性能與鑄件質(zhì)量的關(guān)系；開發(fā)新的造型方法和造型材料；舊砂再生工藝和設(shè)備。

耐火骨料粘結(jié)劑、固化劑附加物

型砂芯砂涂料

第3頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3.金屬液態(tài)成形工藝設(shè)計基礎(chǔ)液態(tài)金屬充填鑄型的方法和原理；液態(tài)金屬補(bǔ)縮鑄件的方法和原理；液態(tài)成形工藝對鑄件質(zhì)量的影響。（如尺寸精度、表面質(zhì)量、內(nèi)部質(zhì)量）液態(tài)成形工藝設(shè)計：根據(jù)金屬液態(tài)成形工藝設(shè)計原理編制鑄件生產(chǎn)工藝過程的技術(shù)文件。如鑄造工藝圖、鑄型裝配圖、模板裝配圖、芯盒裝配圖、工藝卡等。重點研究：金屬液態(tài)砂型成形工藝的主要內(nèi)容第4頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作條件

一、砂型成形方法原砂（或再生砂）、粘結(jié)劑（包括固化劑）和附加物經(jīng)混制而成型砂（或芯砂）。

利用機(jī)械設(shè)備把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工藝過程稱為造型制芯。

造型制芯過程中，型（芯）砂在外力作用下成型并達(dá)到一定的緊實度或密度而成為砂型（或砂芯）第5頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作條件

一、砂型成形方法砂型——

型砂在外力作用下而成型的物體，具有一定的緊實度。緊實度——

砂型的密度。

在砂型制造過程中，外力的大小影響砂型的緊實度：粘土砂砂斗中普通造型機(jī)高壓造型機(jī)緊實度1.15~1.25約1.65〉1.7第6頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作條件

一、砂型成形方法造型制芯是金屬液態(tài)砂型成形最基本的工序，通常分為：手工造型：機(jī)器造型：利用簡單的器械進(jìn)行砂型（芯）的制作

利用造型機(jī)和制芯機(jī)進(jìn)行砂型（芯）的制作

第7頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作條件

一、砂型成形方法手工造型的特點：

操作方便靈活，適應(yīng)性強(qiáng)生產(chǎn)率低勞動強(qiáng)度大鑄件質(zhì)量不易保證

適用于單件小批量生產(chǎn)

第8頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作條件

一、砂型成形方法機(jī)器造型的特點：

生產(chǎn)效率高勞動條件好勞動強(qiáng)度低鑄件的表面質(zhì)量好、尺寸精度高適用于成批大量生產(chǎn)

第9頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作條件

二、砂型的特點砂型中微孔的物理特性決定了砂型的特點。具有一定強(qiáng)度的微孔——多孔隙體系。砂型的結(jié)構(gòu)第10頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

孔隙率n反映微孔的數(shù)量物理特性：

顆粒形狀：圓形、多角形、尖角形堆積方式：立方體、菱柱、角錐砂型的容重、導(dǎo)熱性、熱膨脹、透氣性與n有關(guān)。

第11頁,共81頁，2024年2月25日，星期天物理特性：

微孔尺寸反映微孔的大小影響砂型的抗?jié)B透能力

顆粒大小顆粒形狀堆積方式

影響因素：第12頁,共81頁，2024年2月25日，星期天三、砂型的工作條件時間段為：液態(tài)金屬充型和凝固階段。1.工作條件液態(tài)金屬充滿型腔前：熱作用、沖擊、沖刷液態(tài)金屬充滿型腔后：熱作用、壓力、物化反應(yīng)鑄件表層結(jié)殼：界面產(chǎn)生氣隙、阻礙鑄件收縮第13頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.界面作用熱作用——傳熱、傳質(zhì)在金屬和砂型間有熱交換、水分和氣體遷移、砂型膨脹鑄件產(chǎn)生夾砂結(jié)疤第14頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.界面作用機(jī)械作用——沖擊、沖刷、靜壓力

如果砂型表層強(qiáng)度不夠，金屬液將沖壞型壁鑄件產(chǎn)生表面缺陷

如果砂型整體強(qiáng)度不夠，型壁在金屬液靜壓力作用下發(fā)生移動鑄件產(chǎn)生尺寸誤差缺陷（脹箱、肥大）第15頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.界面作用化學(xué)和物理化學(xué)作用——造型材料本身、造型材料與液態(tài)金屬發(fā)生化學(xué)和物理化學(xué)反應(yīng)

造型材料自身的分解和化學(xué)反應(yīng)，可改變界面氣氛和壓力鑄件產(chǎn)生氣孔

金屬液與造型材料起化學(xué)和物化反應(yīng)鑄件產(chǎn)生粘砂、表面成分改變、氣孔

第16頁,共81頁，2024年2月25日，星期天

如果條件不利，就會影響液態(tài)金屬的充填和凝固，使鑄件產(chǎn)生缺陷，影響鑄件質(zhì)量。所以，鑄型要具備一定的工藝性能，以適應(yīng)界面上的各種作用。研究鑄件鑄型界面作用發(fā)生的原理、過程及效果，對于提高鑄件質(zhì)量非常重要。在澆注和凝固過程中

鑄型處于傳熱、傳質(zhì)、傳力及化學(xué)反應(yīng)的工作條件下。第17頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.2液態(tài)金屬與砂型的物理作用

一、傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象傳熱——物體間的熱量交換傳質(zhì)——物體間的物質(zhì)交換在砂型鑄造中，傳熱與傳質(zhì)相互影響，其過程比較復(fù)雜。

第18頁,共81頁，2024年2月25日，星期天1.金屬與砂型的傳熱熱流方向：鑄件鑄型大氣

傳熱方式：對流、輻射、導(dǎo)熱關(guān)鍵部位：界面

關(guān)鍵數(shù)值：研究金屬與砂型的傳熱

鑄件/砂型鑄件/砂芯鑄件/冷鐵鑄型/大氣材料熱物性參數(shù)邊界條件第19頁,共81頁，2024年2月25日，星期天影響傳熱的因素：

體系溫度砂型熱物性幾何條件合金性能金屬液澆注溫度砂型初始溫度環(huán)境溫度鑄件的形狀與壁厚涂料層厚度砂型厚度合金熱物性相變與相變潛熱第20頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.砂型溫度場

砂型受熱后將發(fā)生一系列的變化，這些變化對鑄件質(zhì)量影響很大。所以，人們對砂型溫度場進(jìn)行研究，借助砂型溫度場來分析金屬對砂型的加熱過程及產(chǎn)生伴生缺陷的可能性，合理控制型砂性能和澆注工藝，防止產(chǎn)生鑄造缺陷。

第21頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（1）確定砂型溫度場的方法

實驗法解析計算法數(shù)值模擬法第22頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）砂型溫度場的特點近界面處（型壁處）升溫快，型外部溫度低。砂型內(nèi)各層初期溫度梯度大，隨時間增加溫度梯度逐漸變小。第23頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（3）影響砂型溫度場的主要因素

金屬澆注量和澆注溫度砂型熱物性值型腔結(jié)構(gòu)第24頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3.水分遷移（傳質(zhì)）水分遷移——

澆注時砂型在熱作用下，界面處表面層的水分向砂型里層遷移的過程。

濕型在澆注后開箱時常常會發(fā)現(xiàn)：緊貼鑄件的一層砂，強(qiáng)度很高，幾乎不含水分；但距表面一定距離（2～5mm）的砂層，水分特別多，強(qiáng)度很低。這就是水分遷移造成的結(jié)果。第25頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（1）砂型的區(qū)域劃分水分遷移后，根據(jù)砂型中各層水分含量將砂型劃分成4個區(qū)域：

名稱溫度水分強(qiáng)度界面干砂區(qū)（烘干區(qū)）D>100℃極少高Ⅰ-Ⅱ蒸發(fā)Ⅱ-Ⅲ凝聚水分飽和凝聚區(qū)M約100℃多很低水分未飽和凝聚區(qū)U<100℃較多較低未受影響區(qū)（正常區(qū)）G常溫適宜正常M區(qū)是高濕度、低強(qiáng)度區(qū)：抗拉強(qiáng)度低時，使D區(qū)脫離砂型抗壓強(qiáng)度低時，使D區(qū)向里推移第26頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）水分遷移過程鑄型澆注時，鑄件/鑄型界面處的砂型在熱作用下形成溫度場：

第27頁,共81頁，2024年2月25日，星期天4.熱膨脹和熱應(yīng)力熱膨脹——材料受熱后發(fā)生體積膨脹的現(xiàn)象。砂型受熱后，造型材料的體積將發(fā)生變化。（1）熱膨脹石英砂的熱膨脹量最大鋯英砂的熱膨脹量最小所以石英砂鑄型易產(chǎn)生膨脹類缺陷。第28頁,共81頁，2024年2月25日，星期天對于粘土砂：體積變化石英砂粘土膨脹（點陣?yán)L和相變）收縮（失水）砂型膨脹砂多土少膨脹量愈大砂型溫度愈高熱變化率愈大第29頁,共81頁，2024年2月25日，星期天影響砂型膨脹量的因素：砂型緊實度大原砂粒度大、粒度集中熱變化率大膨脹量大第30頁,共81頁，2024年2月25日，星期天熱應(yīng)力——材料由于受熱而引起的應(yīng)力。（2）熱應(yīng)力砂箱的阻礙鑄件結(jié)構(gòu)的阻礙熱壓應(yīng)力=f（砂型膨脹量、砂型韌性、砂型受阻程度）型砂在熱膨脹過程中如果受阻，則砂型將產(chǎn)生熱壓應(yīng)力。

愈小愈小愈好愈弱第31頁,共81頁，2024年2月25日，星期天注意：不是鑄型受熱溫度愈高熱壓應(yīng)力愈大。因為熱壓應(yīng)力是鑄型膨脹量和鑄型韌性的函數(shù)，當(dāng)溫度升高時，雖然膨脹量大，但韌性變好，反而使壓應(yīng)力小于低溫的。

第32頁,共81頁，2024年2月25日，星期天二、膨脹類缺陷由于砂型受熱膨脹而引起的鑄件缺陷主要有：

夾砂結(jié)疤、鼠尾、毛翅1.夾砂結(jié)疤和鼠尾濕型鑄造中最常發(fā)生的缺陷。

形成部位夾砂結(jié)疤鼠尾型腔下平面、澆冒口附近型腔上平面、澆冒口附近第33頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（1）特征根據(jù)缺陷形成的不同階段，具有下列特征：

鼠尾——型壁表面呈帶狀翹起，但不破裂溝槽——型壁表面呈帶狀凸起，但不破裂夾砂——凸起后破裂，但不折斷結(jié)疤——破裂后折斷

第34頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）形成機(jī)理在澆注過程中，砂型表層被金屬液烘烤加熱（主要是熱輻射），使砂型里外層之間產(chǎn)生溫度差，導(dǎo)致：

水分遷移形成水分凝聚區(qū)；砂型里外層膨脹量不同且受阻而形成較大的表層（烘干層）熱壓應(yīng)力。第35頁,共81頁，2024年2月25日，星期天砂型受熱（形成溫度梯度）水分遷移（形成M區(qū)）砂型膨脹（形成D區(qū)熱壓應(yīng)力）D區(qū)M區(qū)產(chǎn)生相對滑移趨勢鼠尾當(dāng)M區(qū)抗拉強(qiáng)度低時D區(qū)凸起開裂折斷溝槽夾砂結(jié)疤當(dāng)D區(qū)應(yīng)力〉M區(qū)剪切應(yīng)力時D區(qū)邊緣翹起夾砂結(jié)疤傾向∝D區(qū)熱壓應(yīng)力M區(qū)抗拉強(qiáng)度（熱濕拉強(qiáng)度）第36頁,共81頁，2024年2月25日，星期天出發(fā)點：提高砂型的熱濕拉強(qiáng)度和降低熱壓應(yīng)力。

（3）防止措施

原砂：粒度分散，SiO2含量適當(dāng)粘土：用PNa或PCa活化附加物：水分：控制型砂含水量，降低含泥量

造型材料方面：煤粉渣油熱濕拉強(qiáng)度↑少量↓熱壓強(qiáng)度↓大量↓第37頁,共81頁，2024年2月25日，星期天出發(fā)點：提高砂型的熱濕拉強(qiáng)度和降低熱壓應(yīng)力。

（3）防止措施縮短澆注時間；合理設(shè)計澆注系統(tǒng)和選擇澆注位置；

（避免局部型壁烘烤時間過長和過熱）鑄型排氣通暢鑄型緊實度均勻，不宜過大

工藝方面：第38頁,共81頁，2024年2月25日，星期天二、膨脹類缺陷由于鑄型受熱膨脹而引起的鑄件缺陷主要有：

夾砂結(jié)疤、鼠尾、毛翅2.毛翅樹脂砂中最常發(fā)生的缺陷。

金屬液滲入到由熱應(yīng)力引起的砂型（芯）表面層裂紋中而形成的表面缺陷。

第39頁,共81頁，2024年2月25日，星期天三、金屬液對鑄型的機(jī)械作用

1.金屬液對砂型表面的沖刷和沖擊作用澆注時的沖刷和沖擊凝固前的靜壓力。流動金屬對型壁的摩擦力。

（1）沖刷鑄型表面高溫強(qiáng)度低鑄型激冷作用弱合金澆注溫度高抗沖刷能力差第40頁,共81頁，2024年2月25日，星期天金屬液對型壁表面的作用力為：

（2）沖擊鑄型表面高溫強(qiáng)度低合金澆注速度快流動方向正抗沖擊能力差當(dāng)鑄型表面的抗沖刷沖擊能力差時，型壁表面就可能被破壞。第41頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.砂眼——鑄件表面或內(nèi)部充塞著型砂的空洞，也稱砂孔。

這是濕型鑄造的常見缺陷表面質(zhì)量差（1）對鑄件質(zhì)量的影響鑄件滲漏應(yīng)力集中第42頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.砂眼——鑄件表面或內(nèi)部充塞著型砂的空洞，也稱砂孔。

這是濕型鑄造的常見缺陷散落砂沖砂（2）形成原因未排除砂眼第43頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.砂眼——鑄件表面或內(nèi)部充塞著型砂的空洞，也稱砂孔。

這是濕型鑄造的常見缺陷提高鑄型表面強(qiáng)度：型砂配方合理、刷涂料（3）防止措施合理設(shè)置澆冒口：底注、緩流、排渣冒口嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程：注意清理散落砂第44頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3.型壁移動——型壁在液態(tài)金屬壓力的作用下發(fā)生退讓（位移）的現(xiàn)象。第45頁,共81頁，2024年2月25日，星期天四、氣體和侵入性氣孔

1.砂型中的氣體（1）氣體來源型腔、微孔中的空氣澆注時卷進(jìn)的空氣熱作用下砂型產(chǎn)生的氣體：

H2O、

H2、CO、CO2、N2、CH4金屬凝固析出的氣體第46頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）界面氣氛根據(jù)澆注時產(chǎn)生的各種氣體含量的不同，金屬與砂型的界面可有三種氣氛：界面氣氛影響著金屬與鑄型的界面作用。

還原性氣氛——CO,H2

為主氧化性氣氛——CO2,O2

為主中性氣氛——N2

為主第47頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（3）氣孔分類析出性氣孔——金屬液在凝固時由于溶解度的降低析出氣體而形成的氣孔。

反應(yīng)性氣孔——金屬液的某些成分之間或金屬液與造型材料、冷鐵、熔渣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的氣孔。

侵入性氣孔——造型材料在熱作用下產(chǎn)生的氣體以及空氣侵入金屬液中而形成的氣孔。

根據(jù)氣孔中氣體的來源將氣孔分為三類：

第48頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.侵入性氣孔第49頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.侵入性氣孔（1）氣孔特點形成部位氣體來源特征澆注位置的上表面靠近砂芯的表面型、芯產(chǎn)生的氣體卷入的氣體數(shù)量少，容積大孔壁光滑，表面氧化呈梨形、橢圓形、圓形第50頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）形成機(jī)理氣孔形成條件式中：2.侵入性氣孔第51頁,共81頁，2024年2月25日，星期天關(guān)于四種壓力在澆注過程中的變化見下圖：第52頁,共81頁，2024年2月25日，星期天關(guān)于四種壓力在澆注過程中的變化見下圖：第53頁,共81頁，2024年2月25日，星期天鑄型的發(fā)氣性、透氣性對氣孔的產(chǎn)生影響很大：

發(fā)氣速度快發(fā)氣量大發(fā)氣溫度低易產(chǎn)生氣孔氣孔形成的影響因素：鑄型特性：發(fā)氣性、透氣性金屬液特性：粘度、表面張力、潤濕角澆注條件：澆注溫度、澆注位置、冒口設(shè)置第54頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（3）防止措施控制鑄型發(fā)氣性增加鑄型透氣性降低澆注溫度減少發(fā)氣物質(zhì)降低發(fā)氣速度提高發(fā)氣溫度扎氣眼使用透氣性好的背砂第55頁,共81頁，2024年2月25日，星期天§3.3液態(tài)金屬與鑄型的化學(xué)和物理化學(xué)作用一、反應(yīng)性氣孔反應(yīng)性氣孔是由于液體金屬與鑄型界面的物質(zhì)發(fā)生氣體反應(yīng)造成的。通常發(fā)生在鑄鋼件和球墨鑄鐵件中，樹脂砂生產(chǎn)的鑄件也易產(chǎn)生。第56頁,共81頁，2024年2月25日，星期天1.氣孔特點形成部位孔中氣體成分特征分布均勻、致密，空洞細(xì)長孔壁光滑，表面未氧化鑄件表皮下1～3mm處。所以也稱皮下氣孔。

H2

CON2第57頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.形成機(jī)理金屬液與界面氣體反應(yīng)形成氣泡核心，金屬液中的氣體向氣泡核心擴(kuò)散使其長大形成氣泡。根據(jù)形核氣體的不同，氣孔形成機(jī)理分為：

CO學(xué)說

H學(xué)說

N學(xué)說各種學(xué)說適合各自的合金材質(zhì)和造型材料。第58頁,共81頁，2024年2月25日，星期天二、粘砂現(xiàn)象粘砂——鑄件表面上粘附著一層難以清除的砂粒或含砂物質(zhì)。第59頁,共81頁，2024年2月25日，星期天二、粘砂現(xiàn)象粘砂——鑄件表面上粘附著一層難以清除的砂?；蚝拔镔|(zhì)。降低表面質(zhì)量增加清理難度不利機(jī)械加工

對鑄件質(zhì)量的影響鑄件厚壁處澆冒口附近凹槽小芯表面

形成部位熱作用劇烈或時間長第60頁,共81頁，2024年2月25日，星期天1.粘砂的類型及鑒別（1）類型機(jī)械粘砂——金屬滲入砂型微孔中，將砂粒鉤聯(lián)下來?；瘜W(xué)粘砂——金屬氧化物滲入砂型微孔中并與砂粒起反應(yīng)。（2）鑒別部位方法機(jī)械粘砂化學(xué)粘砂鑄件表面肉眼觀察白色毛刺灰黑蜂窩狀金相觀察分清砂與金屬分不清粘砂層測電阻小大化學(xué)法剩單個砂粒剩連體物第61頁,共81頁，2024年2月25日，星期天2.機(jī)械粘砂也稱滲透粘砂、物理粘砂粘砂程度的評價：用金屬滲入到砂型微孔中的深度來評價。

滲入深度<半層砂粒<兩層砂粒>兩層砂粒粘砂程度表面粗糙輕度粘砂嚴(yán)重粘砂第62頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（1）形成機(jī)理毛細(xì)理論：機(jī)械粘砂是金屬液與型砂微孔的毛細(xì)現(xiàn)象引起的。

金屬液在靜壓力、動壓力和砂型毛細(xì)管作用下，向砂型微孔中深入，這時界面存在著下列力：

第63頁,共81頁，2024年2月25日，星期天力的平衡：金屬液能夠滲入砂型微孔的臨界壓力為：滲入條件：第64頁,共81頁，2024年2月25日，星期天滲入條件：第65頁,共81頁，2024年2月25日，星期天工業(yè)純鐵對有關(guān)材料的潤濕角：氧化性氣氛弱氧化性氣氛中性氣氛石英砂52°83°110°鎂砂92°107°113°第66頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（2）影響因素金屬液凝固時間砂型特點界面特性金屬液靜壓力澆注溫度高鑄件熱節(jié)大激冷能力差，發(fā)氣量小微孔尺寸大表面張力界面潤濕性熱作用時間長易粘砂易粘砂鑄件高度澆注位置第67頁,共81頁，2024年2月25日，星期天（3）防治措施縮小砂型孔隙縮短熱作用時間加附加物調(diào)整金屬液靜壓力使用細(xì)砂提高緊實度刷涂料控制澆注溫度鑄型表面使用激冷材料改善界面潤濕條件適當(dāng)增加發(fā)氣量煤粉、重油、煤泥（鑄鐵件）第68頁,共81頁，2024年2月25日，星期天3.化學(xué)粘砂化學(xué)粘砂是鑄鋼件和大型鑄鐵件容易產(chǎn)生的鑄造缺陷，一般分為易剝離型和難剝離型。（1）粘砂層結(jié)構(gòu)Fe3O4Fe2O3FeO粘砂層=金屬氧化層+燒結(jié)層（低熔點化合物）

金屬氧化層在不同的澆注條件下（鑄件材質(zhì)、鑄型種類），各種氧化鐵的相對含量不同。如果界面氧化性氣氛很強(qiáng)，則由低價轉(zhuǎn)化為高價氧化鐵的量就多。第69頁,共81頁，2024年2月25日，星期天三種氧化鐵的性能：

氧化物熔點℃組織對石英的潤濕性結(jié)晶時體積變化FeO1370致密潤濕小Fe3O41590疏松不潤濕大Fe2O3>1600疏松不潤濕大第70頁,共81頁，2024年2月25日，星期天正硅酸鐵（2FeO.SiO2）晶體粘砂層=金屬氧化層+燒結(jié)層（低熔點化合物）

燒結(jié)層硅酸鐵FeO與造型材料發(fā)生反應(yīng)，可生成：

其它尚有MnO、Na2O與硅酸鐵形成的多元化合物。上述各種硅酸鐵的含量與鑄件冷卻速度有