材料成型工艺学第三章1

1、u 砂型铸造是铸造生产的最重要生产方式砂型铸造是铸造生产的最重要生产方式 他的铸件产量占全部铸件的他的铸件产量占全部铸件的 80 90 %。u 研究砂型铸造工艺，对提高铸造生产水平和研究砂型铸造工艺，对提高铸造生产水平和铸件质量非常重要。铸件质量非常重要。第三章第三章 金属液态砂型成形工艺金属液态砂型成形工艺1. 液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷液态金属与铸型的界面作用及伴生缺陷u 研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理u 可能引起的铸造缺陷及防止方法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金属液态砂型成形工艺的主要内容金属液态砂型成形

2、工艺的主要内容金属液态砂型成形工艺的主要内容2. 造型材料造型材料u 作为材料作为材料，它包括两层内容，它包括两层内容：l 型、芯、涂料等所用的原材料型、芯、涂料等所用的原材料l 原材料的混合料原材料的混合料u 作为科学作为科学，它研究下列内容，它研究下列内容：l 混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法；混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法；l 原材料、混合料的性能与铸件质量的关系；原材料、混合料的性能与铸件质量的关系； l 开发新的造型方法和造型材料；开发新的造型方法和造型材料； l 旧砂再生工艺和设备。旧砂再生工艺和设备。 耐火骨料耐火骨料粘结剂、固化剂粘结剂、固

3、化剂附加物附加物 型砂型砂芯砂芯砂涂料涂料 3. 金属液态成形工艺设计基础金属液态成形工艺设计基础u 液态金属充填铸型的方法和原理；液态金属充填铸型的方法和原理；u 液态金属补缩铸件的方法和原理；液态金属补缩铸件的方法和原理；u 液态成形工艺对铸件质量的影响。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）（如尺寸精度、表面质量、内部质量）液态成形工艺设计：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。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、工艺卡铸造工艺图、铸型装配图、模板

4、装配图、芯盒装配图、工艺卡等。 重点研究：重点研究：金属液态砂型成形工艺的主要内容金属液态砂型成形工艺的主要内容3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法原砂（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）。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）的工利用机械设备把型砂（或芯砂）制成砂型（或砂芯）的工艺过程称为艺过程称为造型制芯造型制芯。 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

5、实度或密度而成为砂型（或砂芯）定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯） 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法砂砂 型型 型砂型砂在外力作用下而成型的物体，具有一定的在外力作用下而成型的物体，具有一定的紧实度紧实度。紧实度紧实度 砂型的密度。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：在砂型制造过程中，外力的大小影响砂型的紧实度：粘土砂粘土砂砂斗中砂斗中普通造型机普通造型机高压造型机高压造型机紧实度紧实度1.15 1.25约约1.651.73.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂

6、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：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：手工造型：机器造型：机器造型：利用简单的器械进行砂型（芯）的制作利用简单的器械进行砂型（芯）的制作 利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作利用造型机和制芯机进行砂型（芯）的制作 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法手工造型的特点：手工造型的特点：u 操作方便灵活，适应性强操作方便灵活，适应性强u 生产率低生产率低u 劳动强度大劳动强度大u 铸件质量不易保证铸件质量不易保证 适用于单件小批量生产适用于单件小批量生产 3

7、.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 一、一、 砂型成形方法砂型成形方法机器造型的特点：机器造型的特点：u 生产效率高生产效率高u 劳动条件好劳动条件好u 劳动强度低劳动强度低u 铸件的表面质量好、尺寸精度高铸件的表面质量好、尺寸精度高适用于成批大量生产适用于成批大量生产 3.1 3.1 砂型成形方法和工作条件砂型成形方法和工作条件 二、二、 砂型的特点砂型的特点砂型中微孔的物理特性决定了砂型的特点。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具有一定强度的微孔多孔隙体系。多孔隙体系。砂型的结构砂型的结构 孔隙率孔隙率n 反映微孔的数量反映微孔的数量物理特性：

8、物理特性：l 颗粒形状：圆形、多角形、尖角形颗粒形状：圆形、多角形、尖角形l 堆积方式：立方体、菱柱、角锥堆积方式：立方体、菱柱、角锥砂型的砂型的容重、导热性、热膨胀、透气性容重、导热性、热膨胀、透气性与与n有关。有关。 物理特性：物理特性： 微孔尺寸微孔尺寸 反映微孔的大小反映微孔的大小影响砂型的影响砂型的抗渗透能力抗渗透能力 u 颗粒大小颗粒大小u 颗粒形状颗粒形状u 堆积方式堆积方式 影响因素：影响因素：三、三、 砂型的工作条件砂型的工作条件时间段为：液态金属充型和凝固阶段。时间段为：液态金属充型和凝固阶段。1. 工作条件工作条件 液态金属充满型腔前：液态金属充满型腔前： 热作用、冲击、

9、冲刷热作用、冲击、冲刷 液态金属充满型腔后：液态金属充满型腔后： 热作用、压力、物化反应热作用、压力、物化反应 铸件表层结壳：铸件表层结壳： 界面产生气隙、阻碍铸件收缩界面产生气隙、阻碍铸件收缩2. 界面作用界面作用 热作用热作用传热、传质传热、传质l 在金属和砂型间有热交换、水分和气体迁移、砂型膨胀在金属和砂型间有热交换、水分和气体迁移、砂型膨胀铸件产生铸件产生 夹砂结疤夹砂结疤2. 界面作用界面作用 机械作用机械作用冲击、冲刷、静压力冲击、冲刷、静压力l 如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁如果砂型表层强度不够，金属液将冲坏型壁 铸件产生铸件产生 表面缺陷表面缺陷 l 如果砂型整体强度不

10、够，型壁在金属液静压力作用下发生移动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 铸件产生铸件产生 尺寸误差缺陷尺寸误差缺陷（胀箱、肥大）（胀箱、肥大）2. 界面作用界面作用 化学和物理化学作用化学和物理化学作用造型材料本身、造型材料与液造型材料本身、造型材料与液态金属发生化学和物理化学反应态金属发生化学和物理化学反应 l 造型材料自身的分解和化学反应，可改变界面气氛和压力造型材料自身的分解和化学反应，可改变界面气氛和压力 铸件产生铸件产生 气孔气孔l 金属液与造型材料起化学和物化反应金属液与造型材料起化学和物化反应 铸件产生铸件产生 粘砂、表面成分改变、气孔粘砂、表面成分改变、气孔

11、 l 如果条件不利，就会影响液态金属的充填和凝固，使铸如果条件不利，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，件产生缺陷，影响铸件质量。所以，铸型要具备一定的工铸型要具备一定的工艺性能艺性能，以适应界面上的各种作用。，以适应界面上的各种作用。l 研究铸件铸型界面作用发生的原理、过程及效果，对于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。提高铸件质量非常重要。在浇注和凝固过程中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铸型处于传热、传质、传力及化学反应的工作条件下。条件下。3.2 3.2 液态金属与砂型的物理作用液态金属与砂型的

12、物理作用 一、一、 传热与传质现象传热与传质现象传传 热热 物体间的热量交换物体间的热量交换传传 质质 物体间的物质交换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。在砂型铸造中，传热与传质相互影响，其过程比较复杂。 1. 金属与砂型的传热金属与砂型的传热u热流方向：热流方向： 铸件铸件 铸型铸型 大气大气 u传热方式：传热方式： 对流、辐射、导热对流、辐射、导热u关键部位：关键部位： 界面界面 u关键数值：关键数值：研究金属与砂型的传热 l 铸件铸件/砂型砂型l 铸件铸件/砂芯砂芯 l 铸件铸件/冷铁冷铁l 铸型铸型/大气大气l 材料热物性参数材料热物性参数l 边界条件边

13、界条件影响传热的因素：影响传热的因素： 体系温度体系温度 砂型热物性砂型热物性 几何条件几何条件 合金性能合金性能l 金属液浇注温度金属液浇注温度l 砂型初始温度砂型初始温度 l 环境温度环境温度l 铸件的形状与壁厚铸件的形状与壁厚l 涂料层厚度涂料层厚度 l 砂型厚度砂型厚度l 合金热物性合金热物性l 相变与相变潜热相变与相变潜热2. 砂型温度场砂型温度场 砂型受热后将发生一系砂型受热后将发生一系列的变化，这些变化对铸件质列的变化，这些变化对铸件质量影响很大。量影响很大。 所以，人们对砂型温度所以，人们对砂型温度场进行研究，借助场进行研究，借助 砂型温度砂型温度场场 来分析金属对砂型的加热来

14、分析金属对砂型的加热过程及产生伴生缺陷的可能性，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，合理控制型砂性能和浇注工艺，防止产生铸造缺陷。防止产生铸造缺陷。 （1）确定砂型温度场的方法）确定砂型温度场的方法u 实验法实验法u 解析计算法解析计算法u 数值模拟法数值模拟法（2）砂型温度场的特点）砂型温度场的特点 近界面处近界面处（型壁处）（型壁处）升温快，型外部温升温快，型外部温度低。度低。 砂型内各层初期温砂型内各层初期温度梯度大，随时间度梯度大，随时间增加温度梯度逐渐增加温度梯度逐渐变小。变小。（3）影响砂型温度场的主要因素）影响砂型温度场的主要因素u 金属浇注量和浇注温度金属浇

15、注量和浇注温度u 砂型热物性值砂型热物性值u 型腔结构型腔结构3. 水分迁移（传质）水分迁移（传质）水分迁移水分迁移 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。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（高，几乎不含水分；但距表面一定距离（25mm）的砂层，水分）的砂层，水分特别多，强度很低。这就是水分迁移造成的结果。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）砂型的区域划分水分迁移后，根据

16、砂型中各层水分含量将砂型划分成水分迁移后，根据砂型中各层水分含量将砂型划分成4个区域：个区域： 名名 称称温温 度度水水 分分强强 度度界界 面面干砂区（烘干区）干砂区（烘干区） D 100 极少极少高高-蒸发蒸发-凝聚凝聚水分饱和凝聚区水分饱和凝聚区 M约约100 多多很低很低水分未饱和凝聚区水分未饱和凝聚区 U 100 较多较多较低较低未受影响区（正常区）未受影响区（正常区）G常温常温适宜适宜正常正常M区是高湿度、低强度区：区是高湿度、低强度区：l 抗拉强度低时，使抗拉强度低时，使D区脱离砂型区脱离砂型l 抗压强度低时，使抗压强度低时，使D区向里推移区向里推移（2）水分迁移过程）水分迁移过

17、程铸型浇注时，铸件铸型浇注时，铸件/铸型界面处的砂型在热作用下形成温度场：铸型界面处的砂型在热作用下形成温度场： 4. 热膨胀和热应力热膨胀和热应力热膨胀热膨胀材料受热后发生体积膨胀的现象。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。砂型受热后，造型材料的体积将发生变化。 （1）热膨胀）热膨胀u石英砂的热膨胀量最大石英砂的热膨胀量最大u锆英砂的热膨胀量最小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。所以石英砂铸型易产生膨胀类缺陷。对于粘土砂：对于粘土砂：体积变化体积变化石英砂石英砂粘粘 土土膨胀膨胀 （点阵拉长和相变）（点阵拉长和相变）收缩收缩 （失水）（失水）砂型膨胀砂型膨胀砂多土少砂多土少膨胀量愈大膨胀量愈大u砂型温度愈高砂型温度愈高u热变化率愈大热变化率愈大影响砂型膨胀量的因素：影响砂型膨胀量的因素：u砂型紧实度大砂型紧实度大u原砂粒度大、粒度集中原砂粒度大、粒度集中u热变化率大热变化率大膨胀量大膨胀量大热应力热应力材料由于受热而引起的应力。材料由于受热而引起的应力。 （2）热应力）热应力u砂箱的阻碍砂箱的阻碍u铸件结构的阻碍铸件结构的阻碍热压应力热压应