液态金属与铸型的相互作用

2.3液态金属与铸型的相互作用一、液态金属与铸型的热作用二、液态金属与铸型的机械作用三、液态金属与铸型的物理化学作用当前1页，总共47页。一、液态金属与铸型的热作用（一）型砂在受热过程中的变化（二）金属与铸型在热作用时易产生的缺陷―夹砂结疤、鼠尾和沟槽

2.3液态金属与铸型的相互作用当前2页，总共47页。一、液态金属与铸型的热作用（一）型砂在受热过程中的变化1型砂在加热时的膨胀；2型砂在加热时的强度变化；3湿砂型在浇注时的水分迁移;2.3液态金属与铸型的相互作用当前3页，总共47页。

型砂呈多孔性，加热时的膨胀分为显微膨胀和宏观膨胀。在砂粒的膨胀能被粘土膜的收缩抵消，或砂粒移动的阻力小于砂型外部的阻力时，砂粒膨胀仅减小砂粒间的空隙，并不引起型砂尺寸的变化，这个阶段称为显微膨胀阶段。在砂粒间的空隙已不能再减小，或砂粒间相互移动的阻力大于砂型外部阻力时，砂型的外部尺寸发生变化，这个阶段称为宏观膨胀阶段。型砂在加热时的膨胀不仅与造型材料的膨胀系数与特性、粘结剂和附加物的性质及加入量有关，还与型砂的紧实度、加热温度、加热速度、膨胀条件等因素有关。１、型砂在加热时的膨胀2.3液态金属与铸型的相互作用一、液态金属与铸型的热作用（一）型砂在受热过程中的变化当前4页，总共47页。2、型砂在加热时的强度变化

砂型在浇注后被金属液急刷加热，砂型表面接近金属的浇注温度，所以在铸型的表面层发生粘结剂的烧失、熔化或烧结，使型砂的强度发生变化。2.3液态金属与铸型的相互作用一、液态金属与铸型的热作用（一）型砂在受热过程中的变化当前5页，总共47页。

3湿砂型在浇注时水分迁移

湿型被金属液急剧加热时，砂型中的水分分布会发生变化，砂型表面层被完全烘干，随后按次序为水分饱和凝聚区，水分不饱和凝聚区，水分来受影响区。达种现象称为水分迁移。2.3液态金属与铸型的相互作用一、液态金属与铸型的热作用（一）型砂在受热过程中的变化当前6页，总共47页。水分迁移是由于砂型表面层的水分受热蒸发，生成的水蒸气在压力差和表面张力作用下由温度高处向温度低处移动造成的。水分迁移使型砂的强度发生较为复杂的变化，靠近铸件表面处为高温区，其强度即为高温强度，水分饱和凝聚区由于含水量过高和温度高达100℃，故其强度比正常强度低，在水分不饱和凝聚区，强度则随温度和水分恢复到正常而恢复到正常的湿强度。2.3液态金属与铸型的相互作用当前7页，总共47页。（二）金属与铸型在热作用时易产生的缺陷―夹砂结疤、鼠尾和沟槽

是在铸件表面还没有凝固或凝固后型壳强度很低时，因砂型表面层受热膨胀发生拱起和裂纹而造成的。2.3液态金属与铸型的相互作用当前8页，总共47页。1夹砂类缺陷的形成机理和影响因素１）砂型表面层因热膨胀产生的热应力超出了水分凝聚区的强度；２）型砂的热膨胀超过热应变；夹砂结疤是在铸型尚未充满时，在高温铁液的冲刷和烘烤的热作用下，由于砂型表面急剧受热使砂型发生水分迁移和体积膨胀，而产生的热压应力超过了水分饱和凝聚区的热湿拉强度，使砂层表面分层、拱起和开裂，这就是夹砂结疤形成的机理。2.3液态金属与铸型的相互作用当前9页，总共47页。1夹砂类缺陷的形成机理和影响因素１）砂型表面层因热膨胀产生的热应力超出了水分凝聚区的强度；２）型砂的热膨胀超过热应变；凡是影响型砂热膨胀的因素都影响夹砂倾向，细砂夹砂倾向大于粗砂，粒度集中的夹砂倾向大于分散的。

紧实度增加时，夹砂倾向加大。当紧实度达到一定值后，再提高紧实度对夹砂倾向影响不大。金属的浇注温度提高时，夹砂倾向加大，但浇注温度超过某一值时，由于砂型表面层在高温下发生烧结使热应力减小，反而提高了抗夹砂能力。2.3液态金属与铸型的相互作用当前10页，总共47页。2、防止夹砂类缺陷的措施

1）造型材料方面：正确地选用和配制型砂是防止夹砂的主要措施。选用热膨胀系数小、粒度分散和烧结点低的石英一长石砂作原砂。重大铸件采用热膨胀系数小、热扩散率和蓄热系数高的特种砂(如铬铁矿砂、锆砂、熟料、石墨等)作原砂。选用热湿拉强度高，热压应力低的膨润土，增加膨润土的加入量，都能提高型砂的抗夹砂能力。在型砂中加入煤粉、重油、木屑等能减小热压应力。2.3液态金属与铸型的相互作用当前11页，总共47页。2）铸造工艺方面避免大平面在水平位置浇注，浇注系统应能使金属液平稳进入型腔，避免砂型有金属液流过而又露出的表面，浇口阻流面积应能保证浇注时间小于砂型的临界受热时间。3）造型操作方面舂砂应力求均匀，避免局部过硬或过松，避免用压勺来回压砂型的表面，在上型表面或浇口附近插钉，修型时尽量不刷水，多扎出气孔，涂料应渗入砂型表面一定深度，表干型应烘干到一定深度，干型等待浇注的时间不应过长。2.3液态金属与铸型的相互作用当前12页，总共47页。4）浇注方面适当降低浇注温度，浇注时间应小于砂型的临界受热时间，有足够的铸型内液面上升速度。5）铸件结构方面应避免在浇注位置上有大的水平面，铸造圆角应合适。2.3液态金属与铸型的相互作用当前13页，总共47页。浇注时铸型受到金属液的冲刷和冲击，型壁承受金属液的静压力和动压力，铸件在凝固、冷却收缩时受到铸型的阻碍而产生内应力。1．金属液对铸型表面的冲刷作用；2．金属液对砂型表面的静压力和动压力；3.型壁移动：二、液态金属与铸型的机械作用2.3液态金属与铸型的相互作用当前14页，总共47页。金属液沿砂型表面流动时对砂型表面有摩擦力，如摩擦力超出砂型表面层砂粒间在浇注温度下的粘结力，砂粒将被冲下，造成铸件表面局部粗糙、冲砂、砂眼等缺陷。液态金属对铸型表面的冲刷作用随金属液的浇注温度提高而加剧，过热温度低的金属液与砂型表面接触后很快形成硬壳，金属液在壳内流动不与砂型接触，故能减轻冲刷作用。提高砂型的紧实度、表面强度，采用表干型、干型、水玻璃砂型，采用涂料等，都能提高砂型表面的抗冲刷稳定性。1、金属液对铸型表面的冲刷作用2.3液态金属与铸型的相互作用二、液态金属与铸型的机械作用当前15页，总共47页。铸件没有凝成足够强度的硬壳前，砂型壁受到金属液的静压强P静：P静=gh，式中—金属液的密度；h—金属液压头的高度。P静随h增大而增大，h在浇注终了时达到最大值。浇注时，型壁表面受到金属液的冲击动压力。如金属流的动压强超出砂型的表面强度，砂型表面将被冲坏，使铸件造成砂眼，多肉等缺陷。浇注终了时对上型的动压力如超出上型和压铁重量，将发生抬箱。金属液的静压力和动压力亦能使型壁局部移动或使型腔扩大，造成铸件形状和尺寸不合格、胀砂、缩孔、缩松等缺陷。2、金属液对砂型表面的静压力和动压力2.3液态金属与铸型的相互作用二、液态金属与铸型的机械作用当前16页，总共47页。型壁移动的原因有：金属液压力作用下砂型被进一步紧实；金属液热作用下砂型发生热膨胀；凝固过程中因石墨析出而发生膨胀使型壁移动等等。影响型壁移动的其它因素：1）砂型的蓄热系数影响铸件结成硬壳的时间。石英砂的热膨胀系数大而蓄热系数小，故型壁移动量大。采用热膨胀系数小而蓄热系数大的锆砂、镁砂、石墨砂等特殊耐火材料时，型壁移动量小。2）浇注温度高，金属液与型壁的接触时间长，则型壁移动量大。金属液对型壁的动压力大，故型壁移动量大。浇注速度快，3）铸件的壁厚和高度影响金属液与型壁的接触时间和金属的静压力。厚壁的、高度大的铸件，型壁移动量大。

3、型壁移动2.3液态金属与铸型的相互作用当前17页，总共47页。(1)胀砂

胀砂是因型壁移动等原因使铸件产生局部胀大、增厚、增重等铸造缺陷。铸件胀大严重时会使铸件因形状、尺寸、重量与图纸和技术条件不符而报废。

(2)缩孔和缩凹

浇注时因型壁移动使型腔扩大，造成原有冒口中金属液不够补缩而在铸件上发生缩凹、冒口根部缩孔、缩松等缺陷。铸件胀砂和缩孔、缩凹常同时发生，生产中常统称为“缩沉”。缩沉在湿型铸造时较易发生，在水玻璃流态自硬砂、石灰石水玻璃C02硬化砂(七O砂)铸造时常较严重。型壁移动造成的铸件缺陷2.3液态金属与铸型的相互作用当前18页，总共47页。铸型材料熔入铸件表面，铸型的气体侵入金属液，金属液从铸型吸收气体，金属液渗入砂粒间空隙，金属液与铸型材料或铸型中气体发生化学作用生成新的化合物，铸件表面发生氧化或脱碳等。金属液与铸型间的物理化学作用，在不利的情况下，铸件将发生气孔、粘砂、铸件表面渗硫、氧化或脱碳等缺陷。但也可以利用铸型表面涂料中的合金元素，使铸件表面合金化而提高铸件表面质量。三、金属与铸型的物理化学作用2.3液态金属与铸型的相互作用当前19页，总共47页。

铸件部分或整个表面粘着一层型砂或型砂与金属氧化物形成的化合物称为粘砂。

根据粘结在铸件表面的粘结物质的性质，粘砂可分为：机械粘砂(金属渗入)——金属渗入砂粒间空隙，将砂粒固定在铸件表面；化学粘砂——金属或金属氧化物和造型材料形成化合物，将砂层粘结在铸件表面。（一）粘砂2.3液态金属与铸型的相互作用三、金属与铸型的物理化学作用当前20页，总共47页。出现机械粘砂的难易程度决定于金属渗入的深度。如金属渗入深度小于砂粒半径，铸件并不发生粘砂，只是表面过于粗糙。金属渗入深度大于砂粒半径后即发生机械粘砂。渗入深度愈大，清理就愈困难。渗入深度超过2—3倍砂粒直径，清理就很困难。1．机械粘砂(金属渗入)2.3液态金属与铸型的相互作用三、金属与铸型的物理化学作用（一）粘砂当前21页，总共47页。铸型表面砂粒间的孔隙，可以看成是直径细小的毛细管。金属液浇入铸型后，在金属液静压力作用下金属液渗入到砂粒间隙的过程可以看成一般液体在毛细管中的上升和下降一样。液体在毛细管中上升或下降的高度决定于液体对毛细管壁的润湿性、液体密度和毛细管半径。金属液渗入砂型孔隙基本上符合上述规律。机械粘砂的形成机理2.3液态金属与铸型的相互作用三、金属与铸型的物理化学作用（一）粘砂当前22页，总共47页。（1）润湿角θ：当θ>90°时，cosθ是负值，金属液不润湿砂粒间隙，毛细压力与金属液静压力方向相反，金属液静压力必须克服毛细压力才能渗入到砂粒间隙。在不润湿的条件下，毛细压力是金属渗入的阻力，提高毛细压力有助于防止机械粘砂。当θ<90°时，cosθ为正值，毛细压力的方向与金属液静压力的方向一致，促使金属液渗入到砂粒间隙，润湿角越小，机械粘砂越严重。润湿角大小主要决定于金属液和造型材料的性质。形成机械粘砂的影响因素2.3液态金属与铸型的相互作用当前23页，总共47页。（2）表面张力σ：表面张力对机械粘砂的影响取决于金属液与砂型表面的润湿性，当金属液与砂型润湿时，表面张力越大越易产生机械粘砂，当金属液与砂型不润湿时，表面张力越大越不易产生机械粘砂。（3）砂粒间隙半径r：砂粒间隙半径越大金属液越易渗入到砂粒间隙中形成机械粘砂。而砂粒半径的大小与型砂的粒度和铸型紧实度有密切的关系。型砂的粒度越分散砂粒间隙越小，越不易产生机械粘砂。影响铸型紧实度的因素主要是紧实方法和紧实力的大小，以及型砂本身是否容易被紧实。2.3液态金属与铸型的相互作用当前24页，总共47页。（4）铸件表面处于液态的时间：铸件表面处于液态的时间越长，就意味着长期剧烈地加热铸型，可使型壁中较深的地方接近或达到金属凝固点以上的温度，为金属液渗入到型壁的较深处创造了条件。砂粒间孔隙的大小会因金属液的热作用使砂粒发生烧结而变大，因此，渗入深度变大。厚壁铸件易过热的部分如凹角，小型芯，铸件冒口根部等部位，金属保持液态的时间较长，容易产生严重的机械粘砂。铸型的蓄热系数高，金属达到凝固点的时间短，金属在砂型孔隙中很快失去流动能力，铸件表面凝固的硬壳也较厚不易被熔化，因此，采用蓄热系数高的型砂时，金属液的渗入深度小。2.3液态金属与铸型的相互作用当前25页，总共47页。防止机械粘砂的措施可以从减小砂粒间隙和增加铸型的蓄热系数两方面来考虑。(1)湿型铸造铸铁件时，主要采用细的原砂(50／100，70／140)，在型砂中加入煤粉、重油等防粘砂物质，提高型砂的流动性和砂型的紧实度，在砂型表面特别是铸件内角、凹槽等不易紧实的部位，喷刷快干涂料，适当降低浇注温度。防止机械粘砂的措施2.3液态金属与铸型的相互作用当前26页，总共47页。(2)用湿型或水玻璃CO2硬化砂型铸造中、小型铸钢件时，应采用细的原砂，或在型砂中加石英粉，采用涂料，将钢水完全脱氧，适当降低浇注温度等。(3)浇注厚壁大型铸钢件时，单用涂料不能有效地防止金属渗人，须采用锆砂、刚玉、铬铁矿砂等特殊材料作面砂，以提高铸型的蓄热能力，减小金属液保持液态的时间，并同时采用优质涂料。2.3液态金属与铸型的相互作用当前27页，总共47页。(4)用树脂自硬砂型铸造大型铸件时，有时发生砂型表面层内大量渗入金属。由于粘砂层仅靠少量金属网状“桥”与铸件表面联接，故粘砂层的清理不十分困难。清理后铸件表面还比较光洁，砂型表面的涂料层也比较完整。这种特殊的粘砂，主要是由于树脂自硬砂型表面的涂料层在高温下发生了裂纹或烧结成了熔洞，金属液通过涂料层的裂纹或熔洞渗入砂型内部而造成的。防止措施：局部采用蓄热系数和热扩散率高的型砂，提高砂型紧实度，采用优质涂料，适当降低浇注温度等。2.3液态金属与铸型的相互作用当前28页，总共47页。化学粘砂主要发生在铸钢和铸铁件上，粘结物质为金属氧化物和造型材料形成的化合物，粘砂层的厚度比机械粘砂大，但化学粘砂清理的难易程度主要决定于化学粘砂层和铸件表面的结合强度，与粘砂层厚度的关系不大。2、化学粘砂2.3液态金属与铸型的相互作用当前29页，总共47页。化学粘砂的粘结物质主要为结晶的和玻璃状的硅酸铁。结晶的正硅酸铁(铁橄榄石Fe2Si04)在粘砂层的不同深度处都有发现；结晶的偏硅酸铁(铁辉石FeO·2Si02)，仅在大型铸钢件的界面处极少量发现；玻璃状的硅酸铁为成分不同的铁玻璃，含铁量随离界面的距离增大面减少，化学粘砂的形成机理是根据粘结物质的分析推断的。化学粘砂的形成机理2.3液态金属与铸型的相互作用当前30页，总共47页。1)化学粘砂层的形成钢水或铁水在浇注时与铸型气体中的氧、二氧化碳、水蒸气等发生化学作用生成氧化铁。

2Fe+O2→2FeOFe+CO2→FeO+COFe+H2O→FeO+H2在高温和氧不足的条件下，FeO是稳定的，它的熔点为1380±5℃，表面张力为0.585N／m，与SiO2的润湿角Ө=21°。在铸钢的浇注温度下FeO为液体并能够润湿石英，故渗入砂粒间空隙，并与石英发生下述反应

2FeO+SiO2=Fe2SiO4

也有人认为，正硅酸铁是由FeO与包在砂粒表面的由粘土在高温时分解成的细散的偏高岭石(Al2O3·2SiO2)在有氧的条件下作用生成的，即：

Al2O3·2SiO2+4FeO=2Fe2SiO4+Al2O2.3液态金属与铸型的相互作用当前31页，总共47页。2）化学粘砂层与铸件表面的结合力FeO组织致密，结合强度高，造成难清理的粘砂；而高价氧化铁Fe3O4、Fe2O3结晶时体积有较大的膨胀，组织疏松，与试样的结合强度低，容易清理。故型内气氛应保持强氧化性。2.3液态金属与铸型的相互作用当前32页，总共47页。防止化学粘砂的措施1）防止形成化学粘砂层将金属液完全脱氧和适当降低浇注温度；在型砂中加入能很快形成还原性气氛的加入物；采用涂料；采用高质量的硅砂和膨润土；采用特殊耐火材料做型砂和和涂料。2）降低化学粘砂层与铸件表面的结合力在型砂中加入适量的氧化铁粉；选用合适的原砂。2.3液态金属与铸型的相互作用当前33页，总共47页。气孔是铸型或金属液中的气体在金属液中形成的气泡，未能浮出而留在铸件内的一种铸造缺陷。根据气体的来源和形成过程不同，铸件的气孔分为：侵入气孔、析出气孔和反应气孔。1）侵入气孔常发生在湿型铸造中，体积较大，呈梨形、圆形、扁圆形，常在铸件浇注位置的上部。

防止：减少P气、增大气体侵入金属液的阻力、使气泡能从铸件金属液中浮出等。（二）气孔2.3液态金属与铸型的相互作用三、金属与铸型的物理化学作用当前34页，总共47页。2）析出气孔和反应气孔铸钢件的针孔：在铸件表皮1-2mm下有成片的细长针孔状孔，孔的长轴与铸件表面垂直。Fe在液态时能溶解大量氢、氮等气体，铁凝固时氢、氮溶解度显著降低儿呈过饱和状态。灰铸铁件的皮下气孔：主要是由氢气造成的；氮气孔主要是用含氮量高的呋喃脲醛树脂做粘结剂的热芯盒或树脂自硬砂芯时，铸钢、球铁、灰铁铸件常发生的气孔，主要由氮造成。2.3液态金属与铸型的相互作用当前35页，总共47页。一、铸造工艺因素与铸钢件缺陷1、浇注系统设计与铸钢件缺陷1）冒口设计与铸钢件的缺陷车轮铸件360kg，材质ZG35CrMnSi，铸造工艺如图2-25所示。原工艺冒口形状B所示，结果在冒口下的轮缘处产生缩孔。改进后的冒口形状如图2-25中的A所示，改进后缩孔得以消除。2.4、铸造工艺因素当前36页，总共47页。一、铸造工艺因素与铸钢件缺陷1、浇注系统设计与铸钢件缺陷1）冒口设计与铸钢件的缺陷2.4、铸造工艺因素

补缩作用三个基本条件:（1）冒口比铸件热节处的金属液温度高,晚凝固;（2）冒口中的金属液对铸件热节处有一定的静压力，故冒口的位置比铸件要高;（3）冒口颈应晚于铸件热节处凝固（补缩通道）当前37页，总共47页。一、铸造工艺因素与铸钢件缺陷1、浇注系统设计与铸钢件缺陷1）浇注系统设计与铸钢件缺陷2.4、铸造工艺因素越野车前桥壳铸钢件尺寸为725mm×420mm×300mm,铸件质量为87kg，材质为ZG270-500，采用潮模造型。铸件图如图26一所示。当前38页，总共47页。一、铸造工艺因素与铸钢件缺陷1、浇注系统设计与铸钢件缺陷1）浇注系统设计与铸钢件缺陷2.4、铸造工艺因素

原工艺:浇注系统呈开放式，F直:F横:F内=l:1.58:1.62。内浇道两个，分别从桥管两端的冒口引人铸型。因铸件壁厚不均匀，所以在铸件4个热节较大处，应力较大，易出现如图2-26所示的裂纹，尤以a处更易出现裂纹，最高时裂纹缺陷达60%。当前39页，总共47页。一、铸造工艺因素与铸钢件缺陷1、浇注系统设计与铸钢件缺陷1）浇注系统设计与铸钢件缺陷2.4、铸造工艺因素改进后工艺:将内浇道从两个改为四个，内浇道的总面积基本不变;在内圆φ340mm处，加设两个半圆的防裂筋，其截面为l0mm×l0mm，如图2-27所示。当前40页，总共47页。差速器是汽车后桥部件中一个零件，最大尺寸为:φ210mm×105mm，质量为6.8kg，壁厚最大为30mm，最小为11mm,材质为QT420-10。零件简图如图2-30所示先后试验三个方案，分别如图2-31、图2-32和图2-33所示2.4、铸造工艺因素二、铸造工艺因素与球墨铸铁件缺陷1、差速器壳体球墨铸铁件当前41页，总共47页。方案1:铸件加工后在A处出现缩孔、缩松，还有一些件在冒口根部出现缩孔，废品率>50%2.4、铸造工艺因素二、铸造工艺因素与球墨铸铁件缺陷1、差速器壳体球墨铸铁件

方案I的φ50mm冒口，只是溢流冒口(也称冷冒口)，其补缩能力很弱，铸件A处得不到补缩，故出现缩孔。当前42页，总共47页。方案2:在铸件最大热节处放置三块外冷铁，尺寸为30mm×25mm×120的成形冷铁。并将铸件浇注位置从大平面朝上改为朝下。此方案使缩孔、缩松大大减少，但在B平面易出现气孔和皮下气孔缺陷，且砂眼缺陷增加。2.4、铸造工艺因素二、铸造