金属液态砂型成形工艺PPT

1、关于金属液态砂型成形工艺第一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月1. 液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷 研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理 可能引起的铸造缺陷及防止方法金属液态砂型成形工艺的主要内容第二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月金属液态砂型成形工艺的主要内容2. 造型材料 作为材料，它包括两层内容： 型、芯、涂料等所用的原材料 原材料的混合料 作为科学，它研究下列内容： 混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法； 原材料、混合料的性能与铸件质量的关系； 开发新的造型方法和造型材料； 旧砂再生工艺和设备。 耐火骨料粘结剂、固化剂附加物 型砂芯砂涂料 第三张，

2、PPT共八十一页，创作于2022年6月3. 金属液态成形工艺设计基础液态金属充填铸型的方法和原理；液态金属补缩铸件的方法和原理；液态成形工艺对铸件质量的影响。 （如尺寸精度、表面质量、内部质量）液态成形工艺设计：根据金属液态成形工艺设计原理编制铸件生产工艺过程的技术文件。如铸造工艺图、铸型装配图、模板装配图、芯盒装配图、工艺卡等。 重点研究：金属液态砂型成形工艺的主要内容第四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.1 砂型成形方法和工作条件 一、 砂型成形方法原砂（或再生砂）、粘结剂（包括固化剂）和附加物经混制而成型砂（或芯砂）。 利用机械设备把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工艺过程

3、称为造型制芯。 造型制芯过程中，型（芯）砂在外力作用下成型并达到一定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯） 第五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.1 砂型成形方法和工作条件 一、 砂型成形方法砂 型 型砂在外力作用下而成型的物体，具有一定的紧实度。紧实度 砂型的密度。 在砂型制造过程中，外力的大小影响砂型的紧实度：粘土砂砂斗中普通造型机高压造型机紧实度1.15 1.25约1.651.7第六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.1 砂型成形方法和工作条件 一、 砂型成形方法造型制芯是金属液态砂型成形最基本的工序，通常分为：手工造型：机器造型：利用简单的器械进行砂型（芯）的制作 利

4、用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作 第七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.1 砂型成形方法和工作条件 一、 砂型成形方法手工造型的特点： 操作方便灵活，适应性强 生产率低 劳动强度大 铸件质量不易保证 适用于单件小批量生产 第八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.1 砂型成形方法和工作条件 一、 砂型成形方法机器造型的特点： 生产效率高 劳动条件好 劳动强度低 铸件的表面质量好、尺寸精度高适用于成批大量生产 第九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.1 砂型成形方法和工作条件 二、 砂型的特点砂型中微孔的物理特性决定了砂型的特点。具有一定强度的微孔多孔隙体系。砂

5、型的结构第十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 孔隙率n 反映微孔的数量物理特性： 颗粒形状：圆形、多角形、尖角形 堆积方式：立方体、菱柱、角锥砂型的容重、导热性、热膨胀、透气性与n有关。 第十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月物理特性： 微孔尺寸 反映微孔的大小影响砂型的抗渗透能力 颗粒大小 颗粒形状 堆积方式 影响因素：第十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月三、 砂型的工作条件时间段为：液态金属充型和凝固阶段。1. 工作条件液态金属充满型腔前： 热作用、冲击、冲刷液态金属充满型腔后： 热作用、压力、物化反应铸件表层结壳： 界面产生气隙、阻碍铸件收缩第十三张，PP

6、T共八十一页，创作于2022年6月2. 界面作用热作用传热、传质在金属和砂型间有热交换、水分和气体迁移、砂型膨胀铸件产生 夹砂结疤第十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 界面作用机械作用冲击、冲刷、静压力 如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁 铸件产生 表面缺陷 如果砂型整体强度不够，型壁在金属液静压力作用下发生移动 铸件产生 尺寸误差缺陷（胀箱、肥大）第十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 界面作用化学和物理化学作用造型材料本身、造型材料与液态金属发生化学和物理化学反应 造型材料自身的分解和化学反应，可改变界面气氛和压力 铸件产生 气孔 金属液与造型材料起化学和

7、物化反应 铸件产生 粘砂、表面成分改变、气孔 第十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月 如果条件不利，就会影响液态金属的充填和凝固，使铸件产生缺陷，影响铸件质量。所以，铸型要具备一定的工艺性能，以适应界面上的各种作用。 研究铸件铸型界面作用发生的原理、过程及效果，对于提高铸件质量非常重要。在浇注和凝固过程中 铸型处于传热、传质、传力及化学反应的工作条件下。第十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.2 液态金属与砂型的物理作用 一、 传热与传质现象传 热 物体间的热量交换传 质 物体间的物质交换在砂型铸造中，传热与传质相互影响，其过程比较复杂。 第十八张，PPT共八十一页，创作

8、于2022年6月1. 金属与砂型的传热热流方向： 铸件 铸型 大气 传热方式： 对流、辐射、导热关键部位： 界面 关键数值：研究金属与砂型的传热 铸件/砂型铸件/砂芯 铸件/冷铁铸型/大气材料热物性参数边界条件第十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月影响传热的因素： 体系温度 砂型热物性 几何条件 合金性能金属液浇注温度砂型初始温度 环境温度铸件的形状与壁厚涂料层厚度 砂型厚度合金热物性相变与相变潜热第二十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 砂型温度场 砂型受热后将发生一系列的变化，这些变化对铸件质量影响很大。 所以，人们对砂型温度场进行研究，借助 砂型温度场 来分析金属对

9、砂型的加热过程及产生伴生缺陷的可能性，合理控制型砂性能和浇注工艺，防止产生铸造缺陷。 第二十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（1）确定砂型温度场的方法 实验法 解析计算法 数值模拟法第二十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（2）砂型温度场的特点近界面处（型壁处）升温快，型外部温度低。砂型内各层初期温度梯度大，随时间增加温度梯度逐渐变小。第二十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（3）影响砂型温度场的主要因素 金属浇注量和浇注温度 砂型热物性值 型腔结构第二十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3. 水分迁移（传质）水分迁移 浇注时砂型在热作用下，界面处表面

10、层的水分向砂型里层迁移的过程。 湿型在浇注后开箱时常常会发现：紧贴铸件的一层砂，强度很高，几乎不含水分；但距表面一定距离（25mm）的砂层，水分特别多，强度很低。这就是水分迁移造成的结果。第二十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（1）砂型的区域划分水分迁移后，根据砂型中各层水分含量将砂型划分成4个区域： 名 称温 度水 分强 度界 面干砂区（烘干区） D 100 极少高-蒸发-凝聚水分饱和凝聚区 M约100 多很低水分未饱和凝聚区 U 100 较多较低未受影响区（正常区）G常温适宜正常M区是高湿度、低强度区：抗拉强度低时，使D区脱离砂型抗压强度低时，使D区向里推移第二十六张，PPT共

11、八十一页，创作于2022年6月（2）水分迁移过程铸型浇注时，铸件/铸型界面处的砂型在热作用下形成温度场： 第二十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月4. 热膨胀和热应力热膨胀材料受热后发生体积膨胀的现象。 砂型受热后，造型材料的体积将发生变化。 （1）热膨胀石英砂的热膨胀量最大锆英砂的热膨胀量最小所以石英砂铸型易产生膨胀类缺陷。第二十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月对于粘土砂：体积变化石英砂粘 土膨胀 （点阵拉长和相变）收缩 （失水）砂型膨胀砂多土少膨胀量愈大砂型温度愈高热变化率愈大第二十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月影响砂型膨胀量的因素：砂型紧实度大原砂粒度

12、大、粒度集中热变化率大膨胀量大第三十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月热应力材料由于受热而引起的应力。 （2）热应力砂箱的阻碍铸件结构的阻碍热压应力 = f （砂型膨胀量、砂型韧性、砂型受阻程度）型砂在热膨胀过程中如果受阻，则砂型将产生热压应力。 愈小 愈小 愈好 愈弱第三十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月注意：不是铸型受热温度愈高热压应力愈大。因为热压应力是铸型膨胀量和铸型韧性的函数，当温度升高时，虽然膨胀量大，但韧性变好，反而使压应力小于低温的。 第三十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月二、 膨胀类缺陷由于砂型受热膨胀而引起的铸件缺陷主要有： 夹砂结疤、鼠尾、

13、毛翅1. 夹砂结疤和鼠尾湿型铸造中最常发生的缺陷。 形成部位夹砂结疤鼠 尾型腔下平面、浇冒口附近型腔上平面、浇冒口附近第三十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（1）特征根据缺陷形成的不同阶段，具有下列特征： 鼠尾型壁表面呈带状翘起，但不破裂沟槽型壁表面呈带状凸起，但不破裂夹砂凸起后破裂，但不折断结疤破裂后折断 第三十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（2）形成机理在浇注过程中，砂型表层被金属液烘烤加热（主要是热辐射），使砂型里外层之间产生温度差，导致： 水分迁移形成水分凝聚区；砂型里外层膨胀量不同且受阻而形成较大的表层（烘干层）热压应力。第三十五张，PPT共八十一页，创作于

14、2022年6月砂型受热（形成温度梯度）水分迁移（形成M区）砂型膨胀（形成D区热压应力）D区M 区产生相对滑移趋势鼠尾当M 区抗拉强度低时D区凸起开裂折断沟槽夹砂结疤当D区应力 M 区剪切应力时D区边缘翘起夹砂结疤倾向D区热压应力M区抗拉强度（热湿拉强度）第三十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月出发点：提高砂型的热湿拉强度和降低热压应力。 （3）防止措施 原砂： 粒度分散，SiO2含量适当 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 油热湿拉强度少量热压强度大量第三十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月出发点：提高砂型的热

15、湿拉强度和降低热压应力。 （3）防止措施缩短浇注时间；合理设计浇注系统和选择浇注位置； （避免局部型壁烘烤时间过长和过热）铸型排气通畅铸型紧实度均匀，不宜过大 工艺方面：第三十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月二、 膨胀类缺陷由于铸型受热膨胀而引起的铸件缺陷主要有： 夹砂结疤、鼠尾、毛翅2. 毛翅树脂砂中最常发生的缺陷。 金属液渗入到由热应力引起的砂型（芯）表面层裂纹中而形成的表面缺陷。 第三十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月三、金属液对铸型的机械作用 1. 金属液对砂型表面的冲刷和冲击作用 浇注时的冲刷和冲击凝固前的静压力。流动金属对型壁的摩擦力。 （1）冲刷铸型表面高

16、温强度 低铸型激冷作用 弱合金浇注温度 高抗冲刷能力 差第四十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月金属液对型壁表面的作用力为： （2）冲击铸型表面高温强度 低合金浇注速度 快流动方向 正抗冲击能力 差当铸型表面的抗冲刷冲击能力差时，型壁表面就可能被破坏。第四十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 砂眼铸件表面或内部充塞着型砂的空洞，也称砂孔。 这是湿型铸造的常见缺陷 表面质量差（1）对铸件质量的影响铸件渗漏应力集中第四十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 砂眼铸件表面或内部充塞着型砂的空洞，也称砂孔。 这是湿型铸造的常见缺陷 散落砂冲砂（2）形成原因未排除砂眼第

17、四十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 砂眼铸件表面或内部充塞着型砂的空洞，也称砂孔。 这是湿型铸造的常见缺陷 提高铸型表面强度： 型砂配方合理、刷涂料（3）防止措施合理设置浇冒口： 底注、缓流、排渣冒口严格执行操作规程： 注意清理散落砂第四十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3. 型壁移动型壁在液态金属压力的作用下发生退让（位移）的现象。第四十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月四、气体和侵入性气孔 1. 砂型中的气体 （1）气体来源型腔、微孔中的空气浇注时卷进的空气热作用下砂型产生的气体： H2O、 H2、CO、CO2、N2、CH4金属凝固析出的气体第四十六

18、张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（2）界面气氛根据浇注时产生的各种气体含量的不同，金属与砂型的界面可有三种气氛：界面气氛影响着金属与铸型的界面作用。 还原性气氛CO, H2 为主氧化性气氛CO2, O2 为主中性气氛 N2 为主第四十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（3）气孔分类析出性气孔金属液在凝固时由于溶解度的降低析出气体而形成的气孔。 反应性气孔金属液的某些成分之间或金属液与造型材料、冷铁、熔渣进行化学反应产生气体而形成的气孔。 侵入性气孔造型材料在热作用下产生的气体以及空气侵入金属液中而形成的气孔。 根据气孔中气体的来源将气孔分为三类： 第四十八张，PPT共八十一

19、页，创作于2022年6月2. 侵入性气孔 第四十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 侵入性气孔 （1）气孔特点形成部位气体来源特征浇注位置的上表面靠近砂芯的表面型、芯产生的气体卷入的气体数量少，容积大孔壁光滑，表面氧化呈梨形、椭圆形、圆形第五十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（2）形成机理气孔形成条件式中：2. 侵入性气孔 第五十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月关于四种压力在浇注过程中的变化见下图：第五十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月关于四种压力在浇注过程中的变化见下图：第五十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月铸型的发气性、透气性对气

20、孔的产生影响很大 ： 发气速度 快发气量 大发气温度 低易产生气孔气孔形成的影响因素 ： 铸型特性： 发气性、透气性金属液特性： 粘度、表面张力、润湿角 浇注条件： 浇注温度、浇注位置、冒口设置第五十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（3）防止措施控制铸型发气性增加铸型透气性降低浇注温度减少发气物质降低发气速度提高发气温度扎气眼使用透气性好的背砂第五十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3.3 液态金属与铸型的化学和物理化学作用一、 反应性气孔反应性气孔是由于液体金属与铸型界面的物质发生气体反应造成的。通常发生在铸钢件和球墨铸铁件中，树脂砂生产的铸件也易产生。第五十六张，PP

21、T共八十一页，创作于2022年6月1. 气孔特点 形成部位孔中气体成分特征分布均匀、致密，空洞细长孔壁光滑，表面未氧化铸件表皮下13mm处。所以也称皮下气孔。 H2 CO N2第五十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 形成机理 金属液与界面气体反应形成气泡核心，金属液中的气体向气泡核心扩散使其长大形成气泡。 根据形核气体的不同，气孔形成机理分为： CO 学说 H 学说 N 学说各种学说适合各自的合金材质和造型材料。第五十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月二、 粘砂现象粘砂铸件表面上粘附着一层难以清除的砂粒或含砂物质。第五十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月二、

22、 粘砂现象粘砂铸件表面上粘附着一层难以清除的砂粒或含砂物质。降低表面质量增加清理难度不利机械加工 对铸件质量的影响铸件厚壁处浇冒口附近凹槽小芯表面 形成部位热作用剧烈或时间长第六十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月1. 粘砂的类型及鉴别 （1） 类型机械粘砂金属渗入砂型微孔中，将砂粒钩联下来。化学粘砂金属氧化物渗入砂型微孔中并与砂粒起反应。（2） 鉴别部位方法机械粘砂化学粘砂铸件表面肉眼观察白色毛刺灰黑蜂窝状金相观察分清砂与金属分不清粘砂层测电阻小大化学法剩单个砂粒剩连体物第六十一张，PPT共八十一页，创作于2022年6月2. 机械粘砂也称渗透粘砂、物理粘砂粘砂程度的评价：用金属渗入到

23、砂型微孔中的深度来评价。 渗入深度 半层砂粒 两层砂粒粘砂程度表面粗糙轻度粘砂严重粘砂第六十二张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（1） 形成机理毛细理论： 机械粘砂是金属液与型砂微孔的毛细现象引起的。 金属液在静压力、动压力和砂型毛细管作用下，向砂型微孔中深入，这时界面存在着下列力： 第六十三张，PPT共八十一页，创作于2022年6月力的平衡：金属液能够渗入砂型微孔的临界压力为 ：渗入条件：第六十四张，PPT共八十一页，创作于2022年6月渗入条件：第六十五张，PPT共八十一页，创作于2022年6月工业纯铁对有关材料的润湿角：氧化性气氛弱氧化性气氛中性气氛石英砂5283110镁 砂92

24、107113第六十六张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（2） 影响因素金属液凝固时间砂型特点界面特性金属液静压力浇注温度高铸件热节大激冷能力差，发气量小微孔尺寸大表面张力界面润湿性热作用时间长 易粘砂易粘砂铸件高度浇注位置第六十七张，PPT共八十一页，创作于2022年6月（3） 防治措施缩小砂型孔隙缩短热作用时间加附加物调整金属液静压力使用细砂提高紧实度刷涂料控制浇注温度铸型表面使用激冷材料改善界面润湿条件适当增加发气量煤粉、重油、煤泥（铸铁件）第六十八张，PPT共八十一页，创作于2022年6月3. 化学粘砂化学粘砂是铸钢件和大型铸铁件容易产生的铸造缺陷，一般分为易剥离型和难剥离型。

25、（1） 粘砂层结构Fe3O4Fe2O3FeO粘砂层 = 金属氧化层 + 烧结层（低熔点化合物） 金属氧化层在不同的浇注条件下（铸件材质、铸型种类），各种氧化铁的相对含量不同。如果界面氧化性气氛很强，则由低价转化为高价氧化铁的量就多 。第六十九张，PPT共八十一页，创作于2022年6月三种氧化铁的性能： 氧化物熔点 组织对石英的润湿性结晶时体积变化FeO1370致密润湿小Fe3O41590疏松不润湿大Fe2O3 1600疏松不润湿大第七十张，PPT共八十一页，创作于2022年6月正硅酸铁（2FeO.SiO2） 晶体 粘砂层 = 金属氧化层 + 烧结层（低熔点化合物） 烧结层硅酸铁FeO与造型材料发生反应，可生成： 其它尚有MnO、Na2O与硅酸铁形成的多元化合物。上述各种硅酸铁的含量与铸件冷却速度有关