东北大材料成型工艺学（上）课件03-2金属液态砂型成形工艺（二）

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（2～5mm）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：

名称温度水分强度界面干砂区（烘干区）D>100℃极少高Ⅰ-Ⅱ蒸发Ⅱ-Ⅲ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（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膨胀量大热应力——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。

愈小愈小愈好愈弱引起的问题：应力注意：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。

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）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）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↓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