鑄造工藝學(xué) 第2版 課件 余歡 第0、1章 緒論、金屬與鑄型的相互作用

鑄造工藝學(xué)鑄造工藝學(xué)鑄造工藝學(xué)4緒論1235第1章金屬與鑄型的相互作用第2章黏土型砂第3章有機黏結(jié)劑砂第4章澆注系統(tǒng)第5章冒口及冷鐵67第6章鑄造工藝設(shè)計鑄造工藝學(xué)緒論緒論鑄造工藝學(xué)

鑄造是將金屬或合金熔化，在大氣、特殊氣體保護或真空等環(huán)境下，通過重力、壓力、離心力、電磁力等外場單獨或耦合作用，將金屬熔體充填預(yù)先制備好的鑄型型腔中，凝固后獲得具有一定形狀、尺寸和性能鑄件的方法。鑄造成形本質(zhì)屬液態(tài)金屬材料質(zhì)量不變的成形過程。0.1鑄造生產(chǎn)的概念、特點及其重要性緒論鑄造工藝學(xué)從合金種類、壁厚和長度(輪廓)尺寸、重量到形狀復(fù)雜程度都有很強的適應(yīng)性。一般比鍛件、焊接件尺寸精確，可節(jié)約大量金屬材料和機械加工工時。鑄件在一般機器生產(chǎn)中約占總質(zhì)量的40％～80％，而成本只占機器總成本的25％～30％。

優(yōu)勢適應(yīng)范圍廣尺寸精度較高成本低廉鑄造生產(chǎn)的特點：緒論鑄造工藝學(xué)形狀尺寸合金種類重量適應(yīng)范圍廣復(fù)雜程度原則上不受限制壁厚：0.2mm—1m長度：幾毫米---十多米可用合金種類十分廣泛

幾克-------500噸形狀合金重量尺寸緒論鑄造工藝學(xué)

可供鑄造用的金屬(合金)種類十分廣泛。常用的有:鑄鐵、鑄鋼、鋁、鎂、銅、鋅合金，還有鈦、鎳、鈷等合金。

最新研究表明，陶瓷材料不能接受塑性加工和機械加工的非金屬也能用鑄造的方法液態(tài)成形。緒論鑄造工藝學(xué)幾乎適用于所有材料鎂合金手機外殼及發(fā)動機機匣、導(dǎo)彈殼體緒論鑄造工藝學(xué)形狀尺寸合金種類重量適應(yīng)范圍廣復(fù)雜程度原則上不受限制壁厚：0.2mm—1m長度：幾毫米---十多米可用合金種類十分廣泛

幾克-------500噸形狀合金重量尺寸緒論鑄造工藝學(xué)從合金種類、壁厚和長度(輪廓)尺寸、重量到形狀復(fù)雜程度都有很強的適應(yīng)性。一般比鍛件、焊接件尺寸精確，可節(jié)約大量金屬材料和機械加工工時。鑄件在一般機器生產(chǎn)中約占總質(zhì)量的40％～80％，而成本只占機器總成本的25％～30％。

優(yōu)勢適應(yīng)范圍廣尺寸精度較高成本低廉鑄造生產(chǎn)的特點：緒論鑄造工藝學(xué)

因此鑄造在工業(yè)生產(chǎn)中占有極為重要的地位：

機床、內(nèi)燃機風(fēng)機、壓縮機拖拉機農(nóng)業(yè)機械汽車0%20%40%60%80%100%18.5%60~80%50~70%40~70%20~30%70~90%

在現(xiàn)代工業(yè)中也有很大程度應(yīng)用，如計算機，摩托車，家用電器，國防工業(yè)，甚至玩具中都有廣泛應(yīng)用。緒論鑄造工藝學(xué)

砂型鑄造在航空工業(yè)中的比重沒有上述那么大，但仍是航空工業(yè)毛坯生產(chǎn)的一種重要方法，飛機上很多零件如：機匣（傳動、壓縮、尾部）、框架、輪轂、艙門等都是砂型鑄件。緒論鑄造工藝學(xué)缺點不足生產(chǎn)率低內(nèi)部質(zhì)量不如鍛件尺寸均一性差材料利用率低工作環(huán)境差鑄件尺寸均一性差:

鑄件尺寸精度普遍比發(fā)達國家低1～3級，表面粗糙度也比發(fā)達國家差1～2級，如發(fā)動機鑄鐵材質(zhì)缸體的粗糙度，我國為25～100μm，國外為12.5～25μm；緒論鑄造工藝學(xué)缺點不足生產(chǎn)率低內(nèi)部質(zhì)量不如鍛件尺寸均一性差材料利用率低工作環(huán)境差緒論鑄造工藝學(xué)

工作環(huán)境差，粉塵多，溫度高，勞動強度大，能耗高；

我國鑄造行業(yè)的能耗占機械工業(yè)總耗能的25%～30%，能源平均利用率為17%，能耗約為鑄造發(fā)達國家的2倍；我國每生產(chǎn)1t合格鑄鐵件的能耗為550～700kg標準煤，國外水平為300～400kg標準煤，鑄件生產(chǎn)過程中材料和能源的投入約占產(chǎn)值的55%～70%。緒論鑄造工藝學(xué)缺點不足生產(chǎn)率低內(nèi)部質(zhì)量不如鍛件尺寸均一性差材料利用率低工作環(huán)境差緒論鑄造工藝學(xué)人類進程鐵器時代青銅器時代新石器時代舊石器時代合金材料化學(xué)材料復(fù)合材料納米材料0.2我國鑄造技術(shù)的發(fā)展緒論鑄造工藝學(xué)人類使用石器幾乎經(jīng)歷了300萬年，進步很慢。自從掌握了金屬熔煉和鑄造技術(shù)后，只用了幾千年便改變了人類的歷史面貌。6000年2.后2000多年是以鑄鐵為主。1.前3000多年是以青銅鑄造為主緒論鑄造工藝學(xué)⑴青銅鑄造

我國的鑄造技術(shù)開始于夏朝初期，即偃師二里頭文化早期，到了晚商和西周，青銅鑄造得到蓬勃發(fā)展，此時為青銅器鼎盛時期，工藝上已達到相當高的水平，鑄造出許多有名的鑄件。緒論鑄造工藝學(xué)1978年湖北省隨縣出土的曾候乙墓青銅器重達10多噸，是青銅鑄件的代表作。其中64件的一套編鐘，分八組，包括輔件在內(nèi)用銅達５噸。緒論鑄造工藝學(xué)永樂大鐘鑄于明代永樂19年（公元1421年）錫青銅，高6.9米，外徑3.3米，內(nèi)徑2.9米，重46.5tωCu=80.54%,ωSn=16.4%,ωPb=1.12%及微量的Zn、Fe、Si、Mg、Ca等。緒論鑄造工藝學(xué)可鍛鑄鐵球墨鑄鐵我國在公元前6世紀就發(fā)明了生鐵和鑄鐵技術(shù)，比歐州早1800多年，并完成了由低溫固態(tài)還原法(塊煉法)向高溫液態(tài)冶煉的過渡。由于生鐵工具的大量需要，發(fā)明了鐵范法。由于具有快速冷卻的特點而容易獲得白口鑄鐵組織，鑄件經(jīng)過石墨化退火或脫碳退火就可制成黑心可鍛鑄鐵或白心可鍛鑄鐵，1957年和1975年分別在長沙出土的戰(zhàn)國鐵鏟和在洛陽出土的空首鐵镈，經(jīng)金相鑒定，其石墨呈團絮狀，前者是典型的黑心可鍛鑄鐵，后者是白心可鍛鑄鐵。過去人們都認為可鍛鑄鐵是法國人萊翁繆爾于1722年發(fā)明的。在1978年河南鞏縣發(fā)現(xiàn)的西漢鐵?（镢）具有球狀石墨的組織。經(jīng)檢定，球化率相當于機械部部頒標準一類A級,在偏光下具有典型的放射狀組織。現(xiàn)代球狀是對鐵水進行球化處理后直接獲得鑄態(tài)球狀石墨的。這項技術(shù)于1947年由英國人莫洛研制成功。。我國2500多年之前(公元前513年)就鑄出270kg的鑄鐵刑鼎。到戰(zhàn)國中期，在農(nóng)具、兵器等方面，鑄鐵逐漸代替了青銅。鑄鐵（2）鑄鐵技術(shù)緒論鑄造工藝學(xué)河北滄州的大鐵獅，高5米多，長近6米，重19.3噸,是公元9世紀五代后周時期鑄造的。緒論鑄造工藝學(xué)當陽鐵塔，由13層疊成，高17.9米，重38噸，鑄于北宋淳熙年間。緒論鑄造工藝學(xué)

我國鑄造歷史悠久，燦爛的鑄造技術(shù)對文化、經(jīng)濟的發(fā)展有重大影響，日常用語中的許多詞匯如“模范”、“范圍”、“就范”、“陶冶”、“陶鑄”、“鑄成大錯”、“大器晚成”等，也都來自古代鑄造術(shù)語。

現(xiàn)在，鑄造已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)三大支柱之一的材料科學(xué)的一個重要組成部分。近代科學(xué)技術(shù)在各個領(lǐng)域的突破，促進了鑄造技術(shù)的飛速發(fā)展。鑄造技術(shù)也越來越與其他工業(yè)技術(shù)相互滲透和結(jié)合，新工藝和新方法不斷出現(xiàn)。緒論鑄造工藝學(xué)0.3砂型鑄造方法的分類及發(fā)展根據(jù)不同分類標準可分：1.按鑄造合金的種類分：鑄鋼、鑄鐵、鋁合金、鎂合金、銅合金鑄造等。2.按型砂的濕分來分：濕型、干型、表面干型等。3.按維持鑄型的方法分：砂箱造型和地坑造型

砂箱造型又可分為：單箱造型、兩箱造型、三箱造型、多箱造型、脫箱造型。緒論鑄造工藝學(xué)地坑造型緒論鑄造工藝學(xué)大型鑄件的干砂型鑄造（地坑造型）緒論鑄造工藝學(xué)脫箱造型緒論鑄造工藝學(xué)

實物造型

分開模造型一般整體模造型鑄造整體模造型挖砂造型

假箱造型活塊造型

模型造型車板造型刮板造型導(dǎo)向刮板造型骨架模造型漏模造型組芯造型

4.按獲得鑄型型腔的方法分：緒論鑄造工藝學(xué)兩箱分開模造型緒論鑄造工藝學(xué)一般整體模造型緒論鑄造工藝學(xué)挖砂造型緒論鑄造工藝學(xué)假箱造型緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)活塊造型緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)車板造型緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)導(dǎo)向刮板造型緒論鑄造工藝學(xué)骨架模造型緒論鑄造工藝學(xué)漏模造型緒論鑄造工藝學(xué)組芯造型緒論鑄造工藝學(xué)三箱造型5.按澆注時鑄型重疊數(shù)量分：單箱造型、兩箱造型、三箱造型、疊箱造型、劈箱造型等。緒論鑄造工藝學(xué)疊箱造型緒論鑄造工藝學(xué)劈箱造型緒論鑄造工藝學(xué)6.按形成鑄型的方法分普通黏土砂造型（第一代）

物理方法造型（第三代）化學(xué)方法造型（第二代）分為手工造型高壓造型機器造型射壓造型

氣沖造型

演變歷程1958年實型鑄造（F法）1968年磁型鑄造（M法）真空密封造型（V法）1973年實型真空密封造型（FV法）

演變歷程水玻璃砂樹脂砂CO2硬化殼型（芯）流態(tài)熱芯（溫芯）自硬冷芯（自硬）緒論鑄造工藝學(xué)①普通黏土砂造型（第一代）

最早是手工造型，20世紀40~50年代出現(xiàn)了普通機器造型，并很快在發(fā)達國家普及。60~80年代，為進一步提高勞動生產(chǎn)率，逐步向自動化和半自動化發(fā)展，廣泛采用高壓造型、射壓造型。機器造型新發(fā)展，擺脫傳統(tǒng)的機械壓實、震實、或拋砂等緊實方式，利用氣體壓力，以正壓直接作用在型砂上進行緊實，如氣沖造型：一次緊實，無需補壓、緊實均勻、型腔表面緊實度可達95。緒論鑄造工藝學(xué)壓實造型緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)

震擊式造型緒論鑄造工藝學(xué)震動緊實造型機緒論鑄造工藝學(xué)微震－壓實造型緒論鑄造工藝學(xué)射壓造型過程緒論鑄造工藝學(xué)氣流沖擊造型機的原理1.一次壓縮空氣室2.二次壓縮空氣室3.快開閥盤4.砂箱5.墊板緒論鑄造工藝學(xué)氣沖造型機緒論鑄造工藝學(xué)②化學(xué)方法造型（第二代）

黏土砂強度低，水分高，有時不得不烘干。為此，到上世紀40年代末出現(xiàn)了化學(xué)法造型。最早采用水玻璃砂，用水玻璃代替黏土，吹入CO2氣體，使鑄型硬化，不用烘干，節(jié)省能源，改善勞動條件。我國50年代開始推廣，以后又發(fā)展了流態(tài)砂和自硬砂，但水玻璃砂潰散性差，難以清理。后又發(fā)展了樹脂砂，開始為殼芯，后又有熱芯、冷芯、溫芯等。優(yōu)點：鑄型質(zhì)量好、節(jié)約能源。缺點：成本高、環(huán)境污染。CO2硬化殼型（芯）水玻璃流態(tài)樹脂砂熱芯（溫芯）

自硬冷芯（自硬）緒論鑄造工藝學(xué)③物理方法造型（第三代）?。嵭丸T造（F法）：1958年，美國發(fā)明了利用聚苯乙烯泡沫塑料模（氣化模）造型的實型造型法（FullMold）。優(yōu)點：造型過程簡單，無需拔模和分模分型，鑄件尺寸偏差小。缺點：模樣只使用一次即被消耗，污染空氣、鑄件表面粗糙度大。舂砂時模樣有可能發(fā)生變形。緒論鑄造工藝學(xué)③物理方法造型（第三代）ⅱ）磁型鑄造（M法）：1968年，當時的西德出現(xiàn)了磁型鑄造。造型時，采用鐵丸代替原砂，采用泡沫聚苯乙烯塑料模，利用磁場力緊實鑄型，澆注凝固后，斷電，鐵丸散開。優(yōu)點：除具有F法的優(yōu)點外，還具有下列優(yōu)點：無硅塵危害；造型材料稍加處理即可即可復(fù)用，因此占地面積小；勞動強度減輕。1975年有人提出“翻砂不用砂”。

實際后來未大量使用，主要是因為M法除具有F法的缺點外，還有以下缺點：復(fù)雜件難以成形；鐵丸易生銹，灰塵毒性更大；需專門的磁型機且需固定位置，靈活性差。緒論鑄造工藝學(xué)ⅲ）真空密封造型（V法）

該法是將模板改成具有抽氣箱和抽氣孔的結(jié)構(gòu)，實心變空心，在模樣表面鋪一層EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物塑料）膜（預(yù)熱到50~60攝氏度），抽氣、放置砂箱（與模板之間橡膠密封）、填砂、造型抽真空、氣模澆注。優(yōu)點：不用任何黏結(jié)劑和水，原砂可回用，污染少，砂處理設(shè)備簡化。缺點：造型操作較復(fù)雜，造型機械要求高，塑料薄膜成形性和延伸率有限。緒論鑄造工藝學(xué)緒論鑄造工藝學(xué)ⅳ）實型真空密封造型（FV法）1973年出現(xiàn)，實為F法與V法結(jié)合，F(xiàn)V法吸取了F、M、V三種方法的長處。氣化模產(chǎn)生的煙氣、粉塵被抽走，凈化了車間空氣，改善了勞動條件，容易組成機械化流水線，投資小。但不能用于大型鑄件的生產(chǎn)。緒論鑄造工藝學(xué)

后來又發(fā)展了干型氣化模鑄造，只需將干砂填在鑄型中，將氣化模包裹住即可，經(jīng)一種三維微震造型機振實后，即可澆注。再振松鑄型，取出鑄件，干砂可回用。1989年在德國杜塞爾多夫進行的第56屆國際鑄造年會上受到好評。

從總的趨勢看，第一代造型法已由手工造型發(fā)展為機器造型、高壓造型；第二代造型法中，冷硬樹脂砂已有較大發(fā)展，且仍有很大潛力；第三代造型法，競相爭艷，層出不窮，仍有發(fā)展空間。緒論鑄造工藝學(xué)0.4本課程的內(nèi)容及要求

鑄造工藝學(xué)是主要專業(yè)課之一，學(xué)習(xí)本課程時應(yīng)特別注意理論聯(lián)系實際，以便為今后開發(fā)新的造型材料，研究新的鑄造工藝方法和擬定合理的鑄造工藝方案，奠定良好的基礎(chǔ)。

本課程主要內(nèi)容：1)金屬-鑄型界面相互作用的基本機理和規(guī)律及其對鑄件質(zhì)量的影響。2)型(芯)砂用原材料的基本性能及其對型(芯)砂性能的影響，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)鑄造工藝及工裝設(shè)計中重點講述鑄造工藝方案的確定，澆注系統(tǒng)和冒口的設(shè)計、計算，

鑄造工藝設(shè)計的基本知識。緒論鑄造工藝學(xué)

鑄造工藝學(xué)是鑄造專業(yè)的一門主要專業(yè)課、其基本要求為：1）了解金屬-鑄型界面相互作用的機理和基本規(guī)律；掌握由于金屬-鑄型界面作用形成的鑄件主要缺陷的產(chǎn)生機理和防止途徑，初步具備分析、解決這類缺陷問題的能力。2）熟悉黏土型砂必須具備的性能要求，原材料的基本規(guī)格及其作用；了解主要化學(xué)黏結(jié)劑型(芯)砂的特點、硬化機理、應(yīng)用范圍及存在問題的基本解決途徑。3)掌握型(芯)砂基本性能檢測的技能，初步具備分析和解決型砂有關(guān)問題的能力。緒論鑄造工藝學(xué)

鑄造工藝學(xué)是鑄造專業(yè)的一門主要專業(yè)課、其基本要求為：4)基本掌握澆冒口的作用及其原理，具有正確設(shè)計澆冒口系統(tǒng)的初步能力。5）熟悉鑄造工藝設(shè)計的基本內(nèi)容、原則、方法和步驟；掌握鑄造工藝設(shè)計的基本技能。緒論鑄造工藝學(xué)參考書1.王文清李魁盛主編鑄造工藝學(xué)機械工業(yè)出版社2002.10（2011.6重?。?.曲衛(wèi)濤主編鑄造工藝學(xué)西北工業(yè)大學(xué)出版社1994.33.孟爽芬主編造型材料哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社1992.34.石德全主編造型材料北京大學(xué)出版社2009.95.李弘英編著實用鑄造應(yīng)用技術(shù)與實踐化學(xué)工業(yè)出版社2015.11教材余歡編鑄造工藝學(xué)機械工業(yè)出版社2019.3第1章

金屬與鑄型的相互作用第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)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。圖1-1型砂結(jié)構(gòu)示意圖1-原砂2-黏結(jié)劑3-附加物4-孔隙

原砂是型砂的骨架，黏土是黏結(jié)劑，它被水潤濕后，在砂粒表面形成一層黏土薄膜，把松散的砂粒黏結(jié)在一起，使型砂具有一定的工藝性能。在被黏土膜包圍的砂粒之間，有一定的孔隙，它使型砂具有一定的透氣性。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

砂型是一種微孔-多孔隙體系，或者毛細管-多孔隙體系。

液體金屬在澆注、凝固、冷卻過程中會和鑄型發(fā)生熱的、機械的、化學(xué)和物理化學(xué)的相互作用。圖1-1型砂結(jié)構(gòu)示意圖1-原砂2-黏結(jié)劑3-附加物4-孔隙第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

這三方面的作用是緊密聯(lián)系、互相促進的。其中熱作用是其它兩方面作用的基礎(chǔ)，且它們的作用是隨熱作用的劇烈程度而變化的，如果金屬對鑄型的加熱越劇烈，則其它兩方面的作用就越嚴重。

還會在鑄型中產(chǎn)生各種伴生現(xiàn)象。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

在熱作用下，型腔表面層的水分向鑄型里層遷移；有機物質(zhì)燃燒或升華；化合物分解(如硼酸受熱后，經(jīng)過幾次脫水，最后分解為硼酐)；石英砂粒的同質(zhì)異構(gòu)轉(zhuǎn)變；型壁的膨脹與收縮；型壁強度的變化等。

在機械作用下，液體金屬對鑄型沖擊、沖刷，使型腔脹大，砂芯變形等。

在化學(xué)和物理化學(xué)作用下，金屬的氧化與燃燒；鑄型材料與金屬或金屬氧化物化學(xué)反應(yīng)、黏結(jié)，造型材料發(fā)氣等。

不利情況下

這些伴生現(xiàn)象

使鑄件產(chǎn)生各類缺陷！！！第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2金屬與鑄型的熱作用1.2.1金屬對鑄型的加熱及鑄件的冷卻圖1-2鑄型的加熱與鑄件的冷卻曲線1-鑄件；2-鑄型。

研究在不同時間內(nèi)鑄型各點溫度變化的情況，以及鑄型在不同時間內(nèi)所吸收的熱量，其方法有解析計算法、模擬法(電模擬和水力模擬)和實驗法等。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

1.解析計算法

鑄件與鑄型的熱交換是屬于不穩(wěn)定的導(dǎo)熱問題。因此，運用解析計算法研究鑄型溫度場時，一般作了下列的假設(shè)：(1)鑄型與鑄件的接觸面是一個平面；(2)鑄型與鑄件在界面上的溫度是相同的；(3)鑄型與鑄件平面都是無限大的，即只考慮一維方向的熱傳導(dǎo)；

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

1.解析計算法

鑄件與鑄型的熱交換是屬于不穩(wěn)定的導(dǎo)熱問題。因此，運用解析計算法研究鑄型溫度場時，一般作了下列的假設(shè)：(4)在整個過程中，鑄型材料的各熱物理參數(shù)不隨溫度變化；

(5)不論在鑄件或鑄型中都不發(fā)生吸熱及放熱反應(yīng);(6)澆注時，液體金屬對型腔中空氣的加熱以及因?qū)α鳠醾鲗?dǎo)造成的熱量損失，不予考慮。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.試驗法

直接測溫方法：在距型腔表面不同距離的砂型中安置熱電偶，液體金屬注入型腔后，就能立刻測量和記錄鑄型各點溫度變化的情況。圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線圖1-3和圖1-4分別為在干型和濕型中澆注含銅30％的鋁合金；直徑為127mm的鑄件時，鑄型中各點的溫度變化曲線。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)從圖中可看出：(1)澆注后，鑄型內(nèi)表面溫度迅速地接近液體金屬的溫度，但此時，鑄型其它部分仍然處于相當?shù)偷臏囟取D1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線(2)砂型不同深度的各點在同一時刻有很大的溫度差，越靠近型腔表面，溫度越高，而離開型腔表面越遠，溫度越低，溫差隨時間逐漸減小。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線(3)干型表面層的溫度比濕型高。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.2鑄型濕分的遷移和強度變化1.濕分遷移：

濕分是水分和水蒸汽的總稱。濕分遷移是指鑄型中水分和水蒸汽從型腔表面層向鑄型內(nèi)部遷移的現(xiàn)象。2.濕分遷移的方向：

當澆注時，鑄型被迅速加熱，加熱的程度隨著距型腔表面遠近而不同，表面層溫度高，里層溫度低，水分及水蒸氣除部分變成蒸汽從冒口、冒氣孔逸出外，其余大部分都向鑄型里層遷移。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.濕分遷移導(dǎo)致鑄型濕度與溫度變化圖1-5澆注后某一瞬間砂型水分的分布I-完全烘干區(qū)；II-水分飽和凝聚區(qū)；III-水分不飽和凝聚區(qū)；IV-正常區(qū)

第一區(qū)域—干燥區(qū)，又叫完全烘干區(qū)。型腔表面至100℃處，T>100℃；水分蒸發(fā)較多：全部自由水、大部分吸附水和部分結(jié)構(gòu)水；有機物燃燒，化合物分解，產(chǎn)生大量氣體，又叫“發(fā)氣區(qū)”，有可能導(dǎo)致氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.濕分遷移導(dǎo)致鑄型濕度與溫度變化

干燥區(qū)厚度與鑄件尺寸，澆注溫度、澆注后時間有關(guān)；一般鋁鎂合金鑄件，澆注1分鐘后，干燥區(qū)厚度約3~6mm。特點是“三高一少”，即溫度高、強度高、水蒸汽壓高，水分少。圖1-5澆注后某一瞬間砂型水分的分布I-完全烘干區(qū)；II-水分飽和凝聚區(qū)；III-水分不飽和凝聚區(qū)；IV-正常區(qū)第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)第二區(qū)域—水分飽和凝聚區(qū)。溫度100℃區(qū)域蒸發(fā)界面型內(nèi)的水分蒸騰或蒸發(fā)在干燥區(qū)和本區(qū)的界面上發(fā)生，此界面稱為蒸發(fā)界面。水分飽和凝聚區(qū)的擴大含水量約10~15%，為正常水分的2~3倍，出現(xiàn)自由水；熱濕拉強度比常溫抗拉強度低得多（正常區(qū)的1/3~1/10），第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)第二區(qū)域—水分飽和凝聚區(qū)。砂型容易產(chǎn)生表層與里層脫離的現(xiàn)象，產(chǎn)生夾砂缺陷。凝聚的水容易堵塞孔隙，導(dǎo)致排氣不暢，易產(chǎn)生氣孔特點是“一高兩低”：濕分高、強度低、透氣性低。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第三區(qū)域—水分不飽和凝聚區(qū)，又叫過渡區(qū)。100℃至室溫的區(qū)域，由不正常向正常過渡。

凝聚界面-水分飽和凝聚區(qū)與水分不飽和凝聚區(qū)的界面，叫做凝聚界面。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

飽和凝聚區(qū)的一個顯著特點是隨著鑄件凝固，其位置和厚度依蒸發(fā)界面和凝聚界面的變化而變化。由于凝聚界面的移動速度比蒸發(fā)界面的移動速度大，故水分飽和凝聚區(qū)將隨著它離開型腔表面而不斷加厚。表面干燥區(qū)亦不斷加厚。

第四區(qū)域—正常區(qū)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)4.根據(jù)濕分遷移的理論，在鑄型工藝方面應(yīng)注意以下幾個問題：(1)扎通氣孔

深度應(yīng)透過水分凝聚區(qū)，即快到模型表面，又要防止扎壞模型的工作表面，通氣孔直徑5~8mm。(2)采用面砂和背砂面砂采用含水量少、強度高、顆粒較細的型砂，背砂采用顆粒較粗、透氣性較好的型砂。(3)在鑄造大型鑄件肘，可采用干型或表面干型

先將鑄型于350~400℃進行烘干，可使干強度比濕強度提高5~10倍，透氣率提高50%。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.3鑄型體積的變化1.原砂的膨脹

受熱后，原砂的體積將發(fā)生膨脹。其原因主要有兩個方面：一是因溫度升高而產(chǎn)生熱膨脹，為受熱均勻膨脹；二是因溫度升高發(fā)生相變（β石英發(fā)生同質(zhì)異構(gòu)變化）而產(chǎn)生的體積膨脹。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-6硅氧四面體和β石英四面體的連接(a)硅氧四面體

(b)β石英四面體的連接第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-7石英的同質(zhì)異構(gòu)變化

橫向的轉(zhuǎn)變?yōu)橥夀D(zhuǎn)變，即在不同類型晶型間發(fā)生轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變必須使硅氧骨架中Si-O-Si鍵斷開后重新鍵合，轉(zhuǎn)變過程需很大能量，速度也慢，又叫慢轉(zhuǎn)變，亦稱重建轉(zhuǎn)變。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-7石英的同質(zhì)異構(gòu)變化

縱向轉(zhuǎn)變?yōu)橥愞D(zhuǎn)變，即在同一類型晶型中，在高低溫晶型間發(fā)生的轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變不必斷開和重新鍵合硅氧鍵，只需將原來骨架上的硅氧四面體稍作扭動，作一些位移，即可完成。這種轉(zhuǎn)變需要的能量低，速度也較快，故稱為快轉(zhuǎn)變，又稱位移轉(zhuǎn)變。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

在澆注時，鑄型被加熱的時間較短，整個鑄型的溫度也不高，同時又缺乏礦化劑。因此，由α石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣流[石英和α方石英是難以進行的。

對鑄造生產(chǎn)來說，必須考慮的是在573℃，由β石英轉(zhuǎn)變?yōu)棣潦r的體積膨脹問題，它是快轉(zhuǎn)變。一旦加入到573℃，相變立即發(fā)生，同時伴有體積膨脹，體積膨脹為0.82%。

雖然這時的體積膨脹不到1％，但由于這個轉(zhuǎn)變是突然產(chǎn)生的，因此，它將影響鑄件的尺寸精度，并可能使鑄件產(chǎn)生夾砂、脹砂等缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)水分在黏土中的存在形式有以下幾種：

（1）礦物組成水包括結(jié)構(gòu)水、結(jié)晶水和晶層水等三種。結(jié)構(gòu)水是以H+和OH-離子的形式存在于礦物的結(jié)晶格架的一定位置上，它有一定的數(shù)量。結(jié)晶水是以水分子H2O的形式存在于礦物結(jié)晶格架的一定位置上，也有一定的數(shù)量。晶層水是以水分子H2O的形式存在于晶層之間，其數(shù)量不定。(2)吸附水

一般指黏土膠團中的外吸附層和擴散層中的水。它被吸附在黏土質(zhì)點表面上，而不進入晶格中，吸附水與黏土質(zhì)點的結(jié)合不像礦物組成水那樣牢固。(3)自由水一般指遠離黏土質(zhì)點而機械混入的水。2.黏土的干縮第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

黏土加熱到100℃以上就失去全部自由水。隨著水分的去除，黏土質(zhì)點相互靠近，出現(xiàn)收縮。由于晶體結(jié)構(gòu)的差異，高嶺石和蒙脫石的含水形式、數(shù)量有較大差異。其收縮的特點也大不一樣。

高嶺石在低溫加熱時因脫水較少，收縮并不顯著，在400~700℃失去結(jié)構(gòu)水，體積出現(xiàn)收縮。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)蒙脫石在低溫加熱時脫水多，收縮顯著。尤其是在100~200℃左右肘，失去了大量的吸附水和晶層水，因此產(chǎn)生了顯著的收縮。繼續(xù)加熱到550~750℃左右，失去結(jié)構(gòu)水，而這時的體積變化并不最顯著。蒙脫石與高嶺石在加熱過程中，其體積變化有明顯的不同。高嶺石的主要收縮發(fā)生在較高的溫度范圍；而蒙脫石的主要收縮則發(fā)生在較低的溫度(100~200℃)范圍內(nèi)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

總的來看，型砂在加熱時的膨脹可分為兩個階段。

當石英砂的膨脹能被黏土的收縮所抵消，或者說當石英砂粒間的相互移動的阻力小于砂型外部的阻力時，僅減少砂粒之間的空隙，并不引起鑄型尺寸的變化，這個階段稱為顯微膨脹。

當砂粒間的間隙難以減小，或者砂粒間的相互移動的阻力大于砂型外部的阻力時，將引起鑄型尺寸發(fā)生變化，這個階段稱為宏觀膨脹。鑄件的很多缺陷，如裂紋、夾砂和尺寸不符等主要是由型砂的宏觀膨脹造成的。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.4夾砂

夾砂又叫包砂、結(jié)疤和鼠尾等，是鑄件常見的一類表面缺陷，特別是用濕型鑄造厚大的平板類鑄件時，更常出現(xiàn)。一般將夾砂分兩種形式。圖1-8夾砂的形成(a)夾砂；(b)鼠尾(1)夾砂結(jié)疤：它是金屬液進入裂紋把拱起的砂型表層包在鑄件內(nèi)，就成為夾砂結(jié)疤；它的特點是：在鑄件表面上有局部凸出的形狀不規(guī)則的金屬瘤狀或片狀物，在它的下面有一層型砂。如圖1-8(a)所示。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.2.4夾砂

夾砂又叫包砂、結(jié)疤和鼠尾等，是鑄件常見的一類表面缺陷，特別是用濕型鑄造厚大的平板類鑄件時，更常出現(xiàn)。一般將夾砂分兩種形式。(2)鼠尾：型腔下表面層在金屬液熱作用下發(fā)生翹起，特點是：在鑄件表面上出現(xiàn)淺的方向性凹槽或不規(guī)則的折痕，無金屬瘤狀物，形狀似老鼠尾巴，故稱鼠尾，通常沿下型內(nèi)澆口正前方產(chǎn)生，如圖1-8(b)所示。圖1-8夾砂的形成(a)夾砂；(b)鼠尾第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1．夾砂的形成機理及影響因素（1）砂型表面層因熱膨脹產(chǎn)生的熱應(yīng)力超出了水分凝聚區(qū)的強度，圖1-9為夾砂形成過程的示意圖。圖1-9夾砂形成示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

有人對產(chǎn)生夾砂時，型腔表面層拱起的力學(xué)條件，設(shè)想如圖1-10所示。

在上砂箱的A、B間的砂型部分，表面層的熱應(yīng)力F1為A，B兩端的阻力F2和表面層與里層之間的摩擦阻力F3所平衡。當F1>F2+F3時，表面層將拱起并開裂，使鑄件產(chǎn)生夾砂缺陷。圖1-10上箱砂型表面層產(chǎn)生夾砂時應(yīng)力示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（2）1976年日本片島等人提出了由水分凝聚區(qū)引起的夾砂結(jié)疤缺陷的機理圖1-11夾砂發(fā)生時砂型內(nèi)的狀態(tài)(D)完全烘干區(qū)；(M)水分凝聚區(qū)完全烘干區(qū)D、水分凝聚區(qū)M和水分未受影響的原來濕砂型區(qū)G等。其中M區(qū)溫度為100?C以下，比D區(qū)溫度低，因此熱膨脹可以忽略，而G區(qū)仍保持室溫，沒有變化。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.防止夾砂類缺陷的措施

從夾砂的形成機理看，預(yù)防夾砂產(chǎn)生的途徑主要有：減少型砂受熱引起的膨脹，提高型砂的熱濕拉強度和防止型砂表面拱起與開裂。具體如下：(1)造型材料方面：

正確選用和配制型砂是防止夾砂的主要措施。

選用SiO2含量少的石英-長石砂作原砂。

重、大鑄件采用如鉻礦石、鎂砂、鋯砂、電熔剛玉、石墨等。

選用粒度分散的原砂(最好分布在相鄰的五個篩上)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

選用熱濕拉強度高、熱壓應(yīng)力低的膨潤土，盡量采用鈉基膨潤土或經(jīng)活化處理的鈣基膨潤土。

澆注鑄鐵時，在型砂中加入煤粉、重油、木屑等能減少熱壓應(yīng)力，提高熱濕拉強度，還可防止黏砂。因煤粉在300~380℃會軟化。

盡可能降低型砂的含水量，保證一定的混砂時間，混好的型砂經(jīng)過調(diào)勻和松砂，對提高型砂熱濕拉強度有利。

當然，采用水玻璃砂、石灰石水玻璃砂、樹脂砂，都能有效地防止夾砂。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)(2)鑄造工藝方面：

舂砂應(yīng)力求均勻，避免局部過硬或過松；過硬使砂粒間隙小，熱應(yīng)力大；太松會造成黏砂、沖砂。

在上型表面、澆口附近等易產(chǎn)生夾砂的地方應(yīng)多扎氣眼減少氣體壓力，使水分凝聚區(qū)向里，且區(qū)域較大，水分凝聚不集中；砂型表面烘干，提高表面強度。

避免大平面在水平位置澆注，應(yīng)將其垂直或傾斜澆注。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

(3)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，其抗夾砂的能力是不同的。凹面形狀抗夾砂能力最好，平面形狀次之、凸面形狀最差，工藝設(shè)計時，應(yīng)對凸面形狀的型腔采取必要的措施，凸出部分盡量放置在下部，或插釘子加固，以防止夾砂的產(chǎn)生。

澆注系統(tǒng)應(yīng)能使金屬液平穩(wěn)進入型腔；內(nèi)澆口應(yīng)均勻分布，防止局部過熱，澆口阻流面積適當增大。適當降低澆注溫度，提高澆注速度，有足夠的型內(nèi)液面上升速度。澆注時間應(yīng)小于砂型臨界受熱時間。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.3金屬與鑄型的機械作用1.3.1金屬液對鑄型表面的沖刷作用1.3.2金屬液對鑄型表面的動壓力和靜壓力1.3.3鑄型的機械阻礙應(yīng)力

金屬全部凝固并冷卻至彈性狀態(tài)以后，仍然繼續(xù)收縮。如受到鑄型或砂芯等的阻礙，就會產(chǎn)生應(yīng)力。這種應(yīng)力稱為機械阻礙應(yīng)力，它是一種臨時應(yīng)力。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

當砂芯的退讓性極好時，K=ε，則σ=0，鑄件收縮不受阻礙，是自由收縮，不會產(chǎn)生機械阻礙應(yīng)力。

當砂芯的退讓性很差時，K=0，則σ=E?ε，達到最大值，鑄件將產(chǎn)生機械阻礙應(yīng)力。

鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、相變應(yīng)力和機械阻礙應(yīng)力三者的代數(shù)和。這三者有時互相抵消，有時互相疊加。當機械阻礙應(yīng)力與熱應(yīng)力同時作用并超過當時金屬的強度極限時，便產(chǎn)生冷裂缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4金屬與鑄型的物理化學(xué)作用金屬與鑄型表面的物理化學(xué)作用有：（1）金屬液與鑄型中的氣體或鑄型材料發(fā)生化學(xué)作用

如鋁、鎂合金與鑄型的化學(xué)作用，鎂合金的燃燒等。（2）造型材料融入鑄件表面

鑄造合金與砂粒間隙中的氧結(jié)合，在液態(tài)金屬表面形成一薄層熔融的氧化膜，這層金屬氧化物與砂粒、黏土互相化合，在鑄件表面形成“黏砂”層。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

金屬液與鑄型的物理化學(xué)作用，在不利的情況下，鑄型會產(chǎn)生燃燒、氣孔、黏砂等缺陷。但也可以利用鑄型表面涂料中的合金元素，使鑄件表面合金化，提高鑄件表面質(zhì)量。（3）造型材料發(fā)氣

氣體侵入金屬液形成氣孔，金屬液從鑄型中吸收氣體。（4）金屬液滲入砂粒間隙，形成機械黏砂。（5）造型材料的熔解及鑄件表面合金化。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4.1燃燒

燃燒是鎂合金鑄件常見的缺陷之一。含鎂量高的鋁合金鑄件有時也會出現(xiàn)。1.燃燒缺陷產(chǎn)生的機理

鎂的化學(xué)性質(zhì)很活潑，僅次于K、Na、Ca，在常溫下就能和氧反應(yīng)，與H2、N2、H2O等作用，但不劇烈。而液態(tài)的鎂及其合金能和02、H20、N2、SiO2產(chǎn)生劇烈的反應(yīng)：第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

由于生成的MgO是一種導(dǎo)熱性能差、內(nèi)部疏松的氧化物，它覆蓋在鎂合金表面，使反應(yīng)時釋放出來的大量熱量，不能迅速地散發(fā)出去，使反應(yīng)界面上的溫度迅速提高。

溫度的提高又加速鎂的氧化，加劇鎂的燃燒，使反應(yīng)界面上的溫度越來越高，最終還會燃燒，最高可達2850?C，并發(fā)出閃耀的白光和彌漫的濃煙。

有時還因為水分突然汽化，體積膨脹幾千倍，同時因反應(yīng)所放出的H2與O2迅速起反應(yīng)，導(dǎo)致猛烈的爆炸。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.燃燒缺陷的特征(1)鑄件表面上有分散的或成群的孔穴。在吹砂、氧化處理之前，孔穴內(nèi)填滿灰色的氧化鎂粉末，在吹砂、氧化處理后，孔穴呈清潔而粗糙的表面。(2)鑄件表面上有黑色或灰色的連續(xù)的氧化皺紋，并帶有氧化鎂粉末的白色斑點，吹砂、氧化處理后，呈灰褐色。(3)鑄件表面上出現(xiàn)大小不同的金屬燃燒產(chǎn)物的菌狀瘤疤。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

燃燒缺陷的部位

燃燒缺陷常發(fā)生在鑄件受熱嚴重、保護劑燒損比較厲害的地方，經(jīng)常發(fā)生的部位有：i)鑄件上的厚大部位；ii)內(nèi)澆道附近，特別是內(nèi)澆道的對面；iii)冒口根部。

燃燒缺陷出現(xiàn)的部位附近，往往出現(xiàn)疏松缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3.防止燃燒的措施

產(chǎn)生燃燒的內(nèi)在原因是由于液態(tài)的鎂合金易與02、N2、H20等發(fā)生劇烈的反應(yīng)；而外界原因是在澆注、凝固過程中給燃燒提供了條件，防止燃燒主要是斷絕鎂與空氣、H20和N2的接觸。在實際生產(chǎn)中常采取以下措施：(1)降低型砂含水量，一般<5.5%，對于中大件，采用表面干型，型砂中不得有草根、煤屑等有機物。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)(2)在型砂中加入必要的防燃附加物，目前一般是加入3～4％的烷基磺酸鈉(含烷基磺酸鈉28％的水溶液)，并加入1.5～2.5％的硼酸。(3)造型時，增加透氣性；在容易燃燒部位開冷卻筋，放置冷鐵；增加內(nèi)澆道數(shù)量，避免熱量集中。(4)熔化時，給合金液中加入少量的鈹(0.001～0.002％)，以減少鎂合金的燃燒傾向。在澆注時，適當降低澆注溫度，縮短澆注時間。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4.2黏砂

黏砂是鑄鋼、鑄鐵件生產(chǎn)中常見的鑄造缺陷之一。鑄件部分或整個表面黏著一層型砂或型砂與金屬氧化物形成的化合物稱為黏砂。

黏砂大多發(fā)生在鑄件的厚壁部分、澆冒口附近、內(nèi)角、凹槽、小的鑄孔等部位，通常鑄鋼比鑄鐵件黏砂嚴重，濕型鑄造比干型嚴重。

黏砂清理困難，嚴重時用風(fēng)鏟清除，甚至使鑄件報廢。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

根據(jù)砂層黏結(jié)在鑄件表面的黏結(jié)物質(zhì)的性質(zhì)，黏砂可分為：

機械黏砂-金屬滲入到砂粒間孔隙，將砂粒固定在鑄件表面；

化學(xué)黏砂-金屬或金屬氧化物和造型材料形成化合物，將砂層黏結(jié)在鑄件表面。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.機械黏砂（金屬滲入）

如金屬滲入深度小于砂粒半徑，并不發(fā)生黏砂，只是表面過于粗糙。當金屬滲入深度大于砂粒半徑，便發(fā)生機械黏砂。滲入深度越深，清理就越困難。（1）機械黏砂的形成機理

液態(tài)金屬滲入砂粒間隙的過程和一般液體在毛細管中上升或下降相似，但過程要更復(fù)雜，原因有，金屬液隨溫度降低而黏度增大，金屬液與孔隙中的氣體發(fā)生反應(yīng)而使?jié)櫇駰l件發(fā)生變化等。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

金屬液滲入砂粒間孔隙就會形成機械黏砂，金屬液滲入砂粒間孔隙的條件為P金≥P氣-P毛-P型

(1-18)式中P金-鑄型中金屬液的壓力(包括靜壓力和動壓力)；P氣-砂型孔隙中氣體的反壓力；P型-型腔內(nèi)氣體的壓力；P毛-毛細壓力，從有關(guān)物理知識可知

σ-液態(tài)金屬的表面張力；r-砂粒孔隙的半徑；θ-液態(tài)金屬對砂粒孔隙的潤濕角。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（2）影響機械黏砂的因素1)金屬液的靜壓力和動壓力始終是促使液體金屬向砂粒間的孔隙滲入的。在金屬液潤濕砂粒的情況下，P金越大，滲入深度越大，機械黏砂越嚴重。因此高大鑄件下部容易形成機械黏砂。2)P氣是孔隙中氣體對金屬液的反壓力，始終阻礙金屬液的滲入。但生產(chǎn)中很少用提高P氣來防止機械黏砂。

在大多數(shù)情況下，鑄件有明冒口或出氣冒口，P型的影響可以忽略不計。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)3)金屬液與造型材料的潤濕性對金屬滲入有很大影響。

如金屬液能潤濕造型材料，潤濕角θ<90?，cosθ為正值，P毛為正值，則毛細壓力促使液體金屬滲入砂粒間隙。

如金屬液不潤濕造型材料，θ>90?，cosθ為負值，P毛為負值，則毛細壓力阻止金屬液滲入砂粒間隙。第一章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)4)砂型表面砂?？紫兜拇笮饘僖簼B入有很大影響，減小砂粒間孔隙半徑，可減小金屬滲入。5)影響金屬液保持液態(tài)的時間和流動能力的因素，如：金屬液的密度、比熱容、凝固潛熱和黏度，鑄型的蓄熱能力等。保持液態(tài)時間長和黏度小，導(dǎo)致黏砂嚴重。鑄型蓄熱系數(shù)高，則不易黏砂。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（3）防止機械黏砂的措施1)采用細砂，提高鑄型緊實度，鑄型表面刷涂料，使孔隙小，毛細阻力大，金屬液滲入難，有利于防止黏砂。2)鑄鐵件型砂中采用煤粉砂。煤粉在400?C以上發(fā)生裂解、升華，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，對防黏砂有突出作用。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（3）防止機械黏砂的措施3)降低澆注溫度。4)加入重油。重油是石油加工產(chǎn)品的殘渣，使用時用柴油1:1或3:2稀釋。它能形成碳膜，包圍砂粒，并堵塞孔隙，防止金屬液滲入。5)采用非石英質(zhì)原砂或涂料。如鉻鐵礦砂、鎂砂、鋯砂等，蓄熱系數(shù)高，與金屬液潤濕性差，但價格貴，常制成涂料使用。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.化學(xué)黏砂

化學(xué)黏砂主要發(fā)生在鑄鋼和鑄鐵件上

黏結(jié)物質(zhì)為金屬氧化物和造型材料形成的化合物

黏砂層的厚度比機械黏砂大。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2.化學(xué)黏砂

化學(xué)黏砂層去除的難易程度，主要決定于黏砂層的性質(zhì)以及黏砂層與鑄件表面的結(jié)合強度，與黏砂層厚度的關(guān)系不大。有時化學(xué)黏砂層很厚，卻很容易清理，甚至在鑄件冷卻時能自動剝落。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（1）形成機理1)化學(xué)黏砂層的形成：鋼水或鐵水在澆注時與鑄型氣體中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發(fā)生化學(xué)作用生成氧化鐵。

在高溫和氧不足的情況下，F(xiàn)eO是穩(wěn)定的，其與SiO2潤濕角θ=21?（<90?）。在鑄鋼澆注溫度下FeO為液態(tài)并能潤濕石英，并滲入砂粒間隙，與砂或黏土中的SiO2相作用生成液態(tài)硅酸亞鐵。2FeO+SiO2=Fe2SiO4

（硅酸亞鐵）第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)2FeO+SiO2=Fe2SiO4

（硅酸亞鐵）

硅酸亞鐵，其熔點為1205℃，常稱為低熔點化合物。FeO與Fe2SiO4的共晶溫度為1177℃。

熔融的硅酸鹽及其共晶物也潤濕石英砂，在毛細壓力的作用下，能滲入砂粒間隙，增加了金屬滲入深度，形成黏砂層。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-12黏砂層斷面示意圖2)化學(xué)黏砂層與鑄件表面熔接：分析黏砂層斷面的化學(xué)成分，得知緊靠鑄件表面的是一薄層金屬氧化物，其后為低熔點化合物(圖1-12)

當氧化物層的厚度達到或超過某一個臨界值時，黏砂層就容易從鑄件上清除，反之就不易清除。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-12黏砂層斷面示意圖這個臨界值亦即氧化物薄層的臨界厚度。其大小約為100μm。因此，為了防止化學(xué)黏砂，應(yīng)增加氧化物厚度，使之超過臨界厚度。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

而硅酸亞鐵等低熔點化合物，在一定條件下會牢固地黏附著金屬氧化物，使鑄件產(chǎn)生化學(xué)黏砂，當?shù)腿埸c化合物冷凝后是結(jié)晶體，使結(jié)合力增大，難以清理。圖1-12黏砂層斷面示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)有的資料認為，當黏砂層中含有15％～20％的玻璃體物后，就可以避免化學(xué)黏砂。圖1-12黏砂層斷面示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)（2）防止措施

可從防止形成黏砂層和降低黏砂層與鑄件表面的結(jié)合力兩方面入手。1）防止形成化學(xué)黏砂層：防止金屬氧化，避免金屬氧化物與型砂起化學(xué)作用。具體措施有：將金屬液脫氧，適當降低澆注溫度；在型砂中加入能很快形成還原性氣氛的加入物如煤粉、重油、瀝青、有機黏結(jié)劑等；采用涂料；采用高質(zhì)量的石英砂（SiO2>98%）和膨潤土；第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

生產(chǎn)耐熱鋼、不銹鋼等高合金鋼鑄件和大型鑄件時，采用鋯砂、鎂砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特殊耐火材料作型砂或涂料。2）降低化學(xué)黏砂層與鑄件表面的結(jié)合力：在型砂中加入適量(3～5％)氧化鐵粉；注意選用合適的原砂。某些原砂，如鄭庵砂、六合紅砂等能得到表面光潔的鑄鐵件，鑄件表面容易清理。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.4.3侵入性氣孔

氣孔是鑄型或金屬液中的氣體在金屬液中形成的氣泡，未能浮出而留在鑄件內(nèi)的一種常見的鑄造缺陷。

由于氣體的來源和形成過程不同，鑄件的氣孔可分為析出氣孔、反應(yīng)氣孔和侵入性氣孔三種。前兩種氣孔，分別在材料成形原理和合金熔煉課程中作詳細介紹，此處不再贅述。本課程主要討論侵入性氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.侵入性氣孔的特征

侵入性氣孔是濕型鑄造時最常發(fā)生的缺陷之一，其特征：①侵入性氣孔的體積較大；②呈梨形、圓形、扁圓形；③常在鑄件皮下、澆注位置的上部發(fā)現(xiàn)；④氣孔的內(nèi)壁光滑，表面有金屬或氧化皮膜的光色澤，與砂眼、渣孔等缺陷很容易區(qū)別。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)1.侵入性氣孔的特征

主要由砂型、砂芯在澆注時產(chǎn)生的氣體侵入金屬液造成。

鋁合金鑄件的侵入性氣孔，在噴砂后進行外觀檢查時即可發(fā)現(xiàn)。鎂合金鑄件則往往需在氧化處理后方可發(fā)現(xiàn)。隱藏在鑄件內(nèi)部的氣孔，只有通過X光檢查，以及在鑄件進行機械加工時才能發(fā)現(xiàn)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)圖1-13金屬液和砂型界面上氣體侵入金屬液的條件2.侵入性氣孔的形成機理

砂型在金屬液熱作用下發(fā)生水分蒸發(fā)，有機物燃燒或揮發(fā)，碳酸鹽分解，金屬液與砂型產(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。當氣體的壓力大于在金屬液中形成氣泡所必須克服的阻力后，氣體就侵入金屬液形成氣泡(見圖1-13)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

在均勻的金屬液中，氣泡體積變化所做的功和表面能的增量平衡P·dV=σ·dS(1-19)式中：P=P氣-P靜-P型P氣-氣泡內(nèi)氣體壓力；P靜-作用在氣泡表面的金屬靜壓力；P型-作用在液面上的型內(nèi)氣體壓力；dV-氣泡體積的增量。設(shè)氣泡為球形

r-氣泡的半徑；σ-金屬液的表面張力；dS-氣泡表面積的增量

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(xué)

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝