材料成形工艺学液态金属与砂型的物理作用.ppt

1、三、 砂型的工作条件（环境）,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,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,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）,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

2、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物化反应 铸件产生 粘砂、表面成分改变、气孔,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（环境）下。,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。,1. 金属与砂

3、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,影响传热的因素：,体系温度 砂型热物性 几何条件 合金性能,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。,（1）确定砂型温度场的方法,实验法 解析计算法 数值模拟法,（2）砂型温度场的特点,近界面处（型壁处）升温快，型外部温

4、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。,（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,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。,（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：,M区是高湿度、低强度区：,（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：,4. 热膨胀和热应

5、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。,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,影响砂型膨胀量的因素：,砂型紧实度大 原砂粒度大、粒度集中 热变化率大,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。,引起的问题： 应力,注意：

6、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。,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、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,（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,（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

7、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。,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）,凸起 开裂 折断,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：,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,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：,二、 膨胀类缺陷,由于铸型受热膨胀而