第十章金屬和鑄型的相互作用

第十章金屬和鑄型的相互作用§10－1金屬和鑄型的熱作用§10—2金屬和鑄型的機(jī)械作用§10—3金屬與鑄型的物理化學(xué)作用

金屬液澆入鑄型后，液體金屬與鑄型之間就發(fā)生劇烈的熱交換。在金屬液的熱作用下，鑄型溫度升高，導(dǎo)致鑄型體積膨脹、型內(nèi)水分遷移等現(xiàn)象產(chǎn)生。金屬和鑄型間的機(jī)械作用和物理化學(xué)作用亦隨溫度升高而加劇。熱作用、機(jī)械作用、物理化學(xué)作用三者是互相聯(lián)系的，而熱作用是其它兩方面作用的基礎(chǔ)。§10－1金屬和鑄型的熱作用

研究液體金屬對鑄型的加熱，主要是研究在不同時間內(nèi)鑄型各點(diǎn)溫度變化的情況，以及鑄型在不同時間內(nèi)所吸收的熱量。研究的方法有數(shù)學(xué)分析法、模擬法（電模擬和水力模擬）以及實(shí)測法等。

用數(shù)學(xué)分析法研究熱作用可以明顯地反映鑄型溫度場的變化規(guī)律。金屬和鑄型的傳熱過程是非常復(fù)雜的不穩(wěn)定導(dǎo)熱過程?？捎酶盗⑷~導(dǎo)熱微分方程表示：

在假定鑄件和鑄型均為無限大平板，材質(zhì)是均勻的，熱物理常數(shù)不隨溫度變化，金屬液澆入鑄型后溫度一致，并沒有對流等條件下，將三維的導(dǎo)熱微分方程簡化為一維的導(dǎo)熱微分方程：一、鑄型的溫度場由此方程的通解和單值條件，可得到鑄型的溫度場方程式為：x——鑄型中某點(diǎn)到界面的距離（m）

t——鑄型中距型腔表面為x處的溫度（℃）

t0——鑄型的初始溫度（℃）tK——金屬的初始溫度（℃）τ——鑄型被加熱的時間（h）a——鑄型的熱擴(kuò)散率ρ——鑄型材料的密度（kg/m3）式中:

用直接測溫法研究熱作用的規(guī)律是目前應(yīng)用最廣泛的方法。其方法是在鑄型中距界面不同距離的地方安置熱電偶以測量液體金屬澆入型腔后鑄型中各點(diǎn)的溫度變化情況；并進(jìn)而根據(jù)溫度變化曲線得出溫度分布曲線。圖1－1和圖1－2分別為在干態(tài)砂型和濕砂型中澆注Al－30％Cu合金鑄件時，鑄型中各點(diǎn)的溫度變化曲線。圖1－3和圖1－4分別為澆注鋁合金時干型和濕型的溫度分布曲線，從圖中可以看出如下特點(diǎn)：(1)澆注后鑄型表面層的溫度迅速地接近液體金屬的溫度，而鑄型其它部分仍處于相當(dāng)?shù)偷臏囟?。鑄型表層的熱作用比較劇烈，必須予以足夠重視。(2)干砂型的溫度分布曲線和金屬型相似，趨近于拋物線，和公式(1—1)的數(shù)值比較符合，而濕型的溫度變化曲線和溫度分布曲線上都呈現(xiàn)出平臺部分，這是由于濕型內(nèi)水分的相變和遷移形成的。(3)砂質(zhì)鑄型熱導(dǎo)率比金屬型低，受熱后不能迅速地把熱量從型腔表面層傳遞給里層，表層和里層之間存在著很大的溫度差。(4)干型表面層的溫度比濕型高。濕型的熱容量比干型大1.5～2倍。由于水分蒸發(fā)時還產(chǎn)生了較大的蒸汽壓力，增加了鑄型熱導(dǎo)率，能較迅速地傳遞熱量。

濕型被金屬液急劇加熱時，砂型中的水分會從高溫的表面層向低溫的里層遷移，水分遷移的原因是砂型表面層中的水分受熱蒸發(fā)變成水蒸氣、水蒸氣通過砂粒間的孔隙流向砂型內(nèi)層，進(jìn)而凝聚成水；另外急熱時砂粒間孔隙中的水在壓力差和表面張力的作用下也由溫度高處向溫度低處移動。

由于水分遷移的結(jié)果，在濕型中出現(xiàn)四個區(qū)域(見上圖)。二、濕砂型在澆注時的水分遷移

它是從金屬與鑄型的界面到溫度為100℃的地方。該區(qū)的溫度高100℃，自由水分都被蒸發(fā)，因而水分含量很少。水分蒸發(fā)產(chǎn)生大量氣體，所以又稱發(fā)氣區(qū)，在不利的條件下，氣體可能侵入液體金屬中，產(chǎn)生侵入性氣孔缺陷。該區(qū)域透氣性好，強(qiáng)度高。

鑄型中溫度為100℃的區(qū)域。這個區(qū)域的水分含量高達(dá)10～15％、為正常水分的2～3倍。這些水分是干燥區(qū)產(chǎn)生的水蒸氣在這兒凝聚起來的，但水分到一定程度后會達(dá)到飽和，水蒸氣則流向更里層的水分凝聚區(qū)凝結(jié)，所以該區(qū)域稱水分飽和凝聚區(qū)。

也叫水分不飽和凝聚區(qū)。它是從鑄型中溫度為lOO℃至室溫的區(qū)域。干燥區(qū)來的水蒸氣在此區(qū)域凝結(jié)。故這個區(qū)域的水分含量比正常區(qū)的稍高，但其分布是不均勻的，隨著至型腔表面距離的增加而減少，直至趨向正常的水分，因此稱為過渡區(qū)。水分飽和凝聚區(qū)和過渡區(qū)總稱為水分凝聚區(qū)。

它是從鑄型溫度為室溫至砂箱壁處。該區(qū)域未受液體金屬熱作用的影響，其溫度、水分、強(qiáng)度和透氣性都保持正常的狀態(tài)。第一區(qū)域——干燥區(qū)。第二區(qū)域——水分飽和凝聚區(qū)。第三區(qū)域——過渡區(qū)。第四區(qū)域——正常區(qū)。

砂型呈多孔性，它在加熱時的膨脹可分為顯微膨脹和宏觀膨脹兩個階段。在砂粒的膨脹能被粘土膜的收縮抵消，或砂粒相互移動的阻力小于砂型外部的阻力時，僅減少砂粒間的孔隙，并不引起砂型尺寸的變化，這個階段稱為顯微膨脹階段。在砂粒間的孔隙已不能再減小，或砂粒間相互移動的阻力大于砂型外部的阻力時，砂型的外部尺寸才發(fā)生變化，這個階段稱為宏觀膨脹階段。砂型在加熱時的膨脹，不僅與砂粒材料的膨脹系數(shù)與特性、粘結(jié)劑和加入物的性質(zhì)及加入量等有關(guān)，還和砂型的緊實(shí)度、加熱溫度、加熱速度、膨脹條件等因素有關(guān)。三、砂型在加熱時的膨脹

夾砂是鑄件常見的一類表面缺陷，是在鑄件表面還沒有凝固或凝固殼強(qiáng)度很低時，因砂型表面層膨脹發(fā)生拱起和裂紋而造成的。分為夾砂結(jié)疤和鼠尾兩類。金屬液進(jìn)入裂紋把拱起的砂型表層包在鑄件內(nèi)，就成為夾砂結(jié)疤缺陷(亦稱包砂)，如圖1—6(a)所示，砂型表面只拱起而未斷開，就造成鼠尾缺陷(亦叫溝槽)，如圖1—6(b)所示。四、夾砂夾砂的形成機(jī)理，有幾種不同的理論見解。(1)砂型表面層因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力超出了水分飽和凝聚區(qū)的強(qiáng)度：澆注時，砂型表面層和內(nèi)層之間因溫度不同、膨脹量不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力。(2)型砂的熱膨脹超過熱應(yīng)變：砂型在澆注時受熱發(fā)生膨脹，如果熱膨脹值超過了熱應(yīng)變，砂型表面將破裂，引起夾砂。(3)干燥層的熱應(yīng)力超出水分凝聚區(qū)的強(qiáng)度，熱膨脹大于凝聚區(qū)的熱應(yīng)變。(一)夾砂的形成機(jī)理根據(jù)夾砂形成機(jī)理，可從以下幾方面來防止夾砂的產(chǎn)生：

(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。(2)鑄造工藝方面：避免大平面在水平位置澆注。(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，其抗夾砂能力是不同的。(二)防止夾砂類缺陷的措施

澆注時鑄型受到金屬液的沖刷和沖擊；型壁承受金屬液的靜壓力和動壓力；鑄件在凝固、冷卻收縮時受到鑄型的阻礙而產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在不利的情況下，鑄件將產(chǎn)生砂眼、沖砂，掉砂、抬箱、裂紋等缺陷。§10—2金屬和鑄型的機(jī)械作用

金屬液沿鑄型表面流動時對鑄型表面有摩擦力，如摩擦力超出砂型表面層砂粒間在澆注溫度下的粘結(jié)力，砂粒將被沖下，造成鑄件表面局部粗糙、沖砂、砂眼等缺陷。

金屬液對鑄型表面的沖刷作用，主要取決于金屬的澆注溫度、鑄型的表面強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。澆注溫度越高，則沖刷作用越嚴(yán)重。如果澆注溫度低，液體金屬與鑄型表面接觸后，很快形成硬殼，金屬液在殼內(nèi)流動不與砂型接觸，故能減輕沖刷作用。鑄型的表面強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度越高，則抗沖刷作用的性能就越好。提高砂型的緊實(shí)度、表面強(qiáng)度，采用表面干型、水玻璃砂型、樹脂砂型，采用涂料等，都能提高鑄型表面的抗沖刷作用。一、金屬液對鑄型表面的沖刷作用

液體金屬澆入鑄型中，在鑄件沒有凝成足夠的硬殼前，型壁受到金屬液的靜壓強(qiáng)為：P靜隨h增大而增大，h在澆注終了時達(dá)到最大值。澆注時，型壁表面受到金屬液的動壓力：二、金屬液對鑄型表面的靜壓力和動壓力

在忽略金屬流動阻力的條件下，式中：P動

――金屬液對鑄型表面的動壓力；F――金屬液截面積；V――金屬液的流速；p動――金屬液對鑄型表面的動壓強(qiáng)。

從公式（1-6）可以看出，在金屬壓頭相同的條件下，P動約為P靜的2倍。

在開始澆注時直澆口的底部、對著內(nèi)澆口的型(芯)壁、澆注終了時的型腔表面等處常受到金屬液的動壓力。如金屬液的動壓強(qiáng)超出砂型的表面強(qiáng)度，砂型表面將被沖壞，使鑄件造成砂眼、多肉等缺陷。

在液體金屬的靜壓力和動壓力的作用下，會產(chǎn)生型壁移動、蓋箱抬起、砂芯漂浮，從而使鑄件產(chǎn)生脹砂、多肉、披縫等鑄造缺陷。如果產(chǎn)生的浮力過大、砂芯會發(fā)生變形和破壞，使鑄件偏心以至報廢。

在鋁合金、鎂合金鑄造中，靜壓力和動壓力較小。而在黑色金屬大中型鑄件生產(chǎn)中，靜壓力和動壓力所產(chǎn)生的型壁移動、蓋箱抬起等現(xiàn)象則比較嚴(yán)重，鑄造生產(chǎn)中應(yīng)引起足夠重視。

金屬與鑄型表面的物理化學(xué)作用有；鑄型的氣體侵入金屬液，金屬液從鑄型吸收氣體，金屬液滲入砂粒間空隙，金屬液與鑄型材料或鑄型中氣體發(fā)生化學(xué)作用生成新的化合物等等。因金屬液和鑄型的物理化學(xué)作用，在不利的情況下，鑄件將發(fā)生氣孔、燃燒、粘砂等缺陷,但也可以利用鑄型表面涂料中的合金元素，使鑄件表面合金化而提高鑄件表面質(zhì)量?！?0—3金屬與鑄型的物理化學(xué)作用析出氣孔反應(yīng)氣孔侵入氣孔氣孔—、氣孔

侵入性氣孔是濕型鑄造時最常發(fā)生的缺陷之一，侵入氣孔的體積較大，呈梨形、圓形、扁圓形，常在鑄件澆注位置的上部發(fā)現(xiàn)，主要由砂型、砂芯在澆注時產(chǎn)生的氣體侵入金屬液造成。

鑄型在金屬液熱作用下發(fā)生水分蒸發(fā)，有機(jī)物燃燒或揮發(fā)，金屬液與鑄型產(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(dāng)氣體的壓力大于在金屬液中形成氣泡所必須克服的壓力后，氣體就侵入金屬液形成氣泡。(一)侵入氣孔的特征(二)侵入氣孔的形成機(jī)理

主要從減少P氣、增大氣體侵入金屬液的阻力，使氣泡能從鑄件金屬液中浮出等方面著手。(1)減少P氣：減少型(芯)的發(fā)氣量、發(fā)氣速度和使氣體容易排出。(2)增大氣體侵入金屬液的阻力。(3)使氣泡能從金屬液中浮出：適當(dāng)提高澆注溫度和澆注速度，避免澆注時型腔中有大的水平面，設(shè)置冒口等。(三)防止侵入氣孔的措施

粘砂是鑄鋼、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粘著一層型砂與金屬氧化物形成的化合物稱為粘砂。粘砂大多發(fā)生在鑄件的厚壁部分、澆冒口附近等部位，通常鑄鋼比鑄鐵件粘砂嚴(yán)重，濕型鑄造比干型嚴(yán)重。機(jī)械粘砂

――金屬滲入到砂粒間空隙，將砂粒固定在鑄件表面；化學(xué)粘砂

――金屬或金屬氧化物和造型材料形成化合物，將砂層粘結(jié)在鑄件表面。

二、粘砂

金屬液滲入砂粒間孔隙就會形成機(jī)械粘砂，金屬液滲入砂粒間空隙的條件為式中：P金——鑄型中金屬液的壓力(包括靜壓力和動壓力)；P氣——砂型空隙中氣體的壓力；P型——型腔內(nèi)氣體的壓力；P毛——毛細(xì)壓力(一)機(jī)械粘砂1．機(jī)械粘砂的形成機(jī)理(1)采用細(xì)砂、提高鑄型緊實(shí)度、鑄型表面刷涂料，有利于防止粘砂。(2)鑄鐵件型砂中采用煤粉砂。煤粉在400℃以上發(fā)生裂解，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，對防粘砂有突出作用。(3)降低澆注溫度。2.防止機(jī)械粘砂的措施(1)化學(xué)粘砂層的形成

產(chǎn)生化學(xué)粘砂的先決條件是金屬氧化。影響化學(xué)粘砂的因素主要是金屬氧化物的數(shù)量以及與型砂之間的作用程度，后者主要取決于熱作用的情況。熱作用越大，則形成易熔物的作用越劇烈。由于鋼水在高溫時易氧化，澆注溫度又高，故鑄鋼件粘砂層厚度比鑄鐵大。(2)粘砂層與鑄件表面的結(jié)合力

FeO的組織致密，能阻礙繼續(xù)氧化，造成難清理的粘砂；而高價氧化鐵Fe304、Fe203結(jié)晶時體積有較大膨脹，組