《材料成型工艺学 上》教学课件：4 气体和侵入性气孔

1、四、气体和侵入性气孔,1. 砂型中的气体,（1）气体来源,型腔、微孔中的空气 浇注时卷进的空气 热作用下砂型产生的气体： H2O、 H2、CO、CO2、N2、CH4 金属凝固析出的气体,（2）界面气氛,根据浇注时产生的各种气体含量的不同，金属与砂型的界面可有三种气氛：,界面气氛影响着金属与铸型的界面作用。,还原性气氛CO, H2 为主 氧化性气氛CO2, O2 为主 中性气氛 N2 为主,（3）气孔分类,析出性气孔金属液在凝固时由于溶解度的降低析出气体而形成的气孔。 反应性气孔金属液的某些成分之间或金属液与造型材料、冷铁、熔渣进行化学反应产生气体而形成的气孔。 侵入性气孔造型材料在热作用下产生

2、的气体以及空气侵入金属液中而形成的气孔。,根据气孔中气体的来源将气孔分为三类：,2. 侵入性气孔,2. 侵入性气孔,（1）气孔特点,形成部位 气体来源 特征,浇注位置的上表面 靠近砂芯的表面,型、芯产生的气体 卷入的气体,数量少，容积大 孔壁光滑，表面氧化 呈梨形、椭圆形、圆形,（2）形成机理,气孔形成条件,式中：,2. 侵入性气孔,关于四种压力在浇注过程中的变化见下图：,关于四种压力在浇注过程中的变化见下图：,铸型的发气性、透气性对气孔的产生影响很大 ：,发气速度 快 发气量 大 发气温度 低,气孔形成的影响因素 ：,铸型特性： 发气性、透气性 金属液特性： 粘度、表面张力、润湿角 浇注条件

3、： 浇注温度、浇注位置、冒口设置,（3）防止措施,控制铸型发气性 增加铸型透气性 降低浇注温度,减少发气物质 降低发气速度 提高发气温度,扎气眼 使用透气性好的背砂,3.3 液态金属与铸型的化学和物理化学作用,一、 反应性气孔,反应性气孔是由于液体金属与铸型界面的物质发生气体反应造成的。 通常发生在铸钢件和球墨铸铁件中，树脂砂生产的铸件也易产生。,1. 气孔特点,形成部位 孔中气体成分 特征,分布均匀、致密，空洞细长 孔壁光滑，表面未氧化,铸件表皮下13mm处。所以也称皮下气孔。,H2 CO N2,2. 形成机理,金属液与界面气体反应形成气泡核心，金属液中的气体向气泡核心扩散使其长大形成气泡。

4、 根据形核气体的不同，气孔形成机理分为：,CO 学说 H 学说 N 学说,各种学说适合各自的合金材质和造型材料。,Fe + H2O FeO + 2H (HH2),FeO + C Fe + CO,二、 粘砂现象,粘砂铸件表面上粘附着一层难以清除的砂粒或含砂物质。,二、 粘砂现象,粘砂铸件表面上粘附着一层难以清除的砂粒或含砂物质。,降低表面质量 增加清理难度 不利机械加工,对铸件质量的影响,铸件厚壁处 浇冒口附近 凹槽 小芯表面,形成部位,热作用剧烈或时间长,1. 粘砂的类型及鉴别,（1） 类型,机械粘砂金属渗入砂型微孔中，将砂粒钩联下来。 化学粘砂金属氧化物渗入砂型微孔中并与砂粒起反应。,（2）

5、 鉴别,2. 机械粘砂,也称渗透粘砂、物理粘砂,粘砂程度的评价：用金属渗入到砂型微孔中的深度来评价。,（1） 形成机理,毛细理论： 机械粘砂是金属液与型砂微孔的毛细现象引起的。,金属液在静压力、动压力和砂型毛细管作用下，向砂型微孔中深入，这时界面存在着下列力：,力的平衡：,金属液能够渗入砂型微孔的临界压力为 ：,渗入条件：,渗入条件：,工业纯铁对有关材料的润湿角：,（2） 影响因素,金属液凝固时间 砂型特点 界面特性 金属液静压力,浇注温度高 铸件热节大,激冷能力差，发气量小 微孔尺寸大,表面张力 界面润湿性,热作用时间长 易粘砂,易粘砂,铸件高度 浇注位置,（3） 防治措施,缩小砂型孔隙 缩

6、短热作用时间 加附加物 调整金属液静压力,使用细砂 提高紧实度 刷涂料,控制浇注温度 铸型表面使用激冷材料,改善界面润湿条件 适当增加发气量,煤粉、重油、煤泥（铸铁件）,3. 化学粘砂,化学粘砂是铸钢件和大型铸铁件容易产生的铸造缺陷，一般分为易剥离型和难剥离型。,（1） 粘砂层结构,Fe3O4 Fe2O3 FeO,粘砂层 = 金属氧化层 + 烧结层（低熔点化合物）,金属氧化层,在不同的浇注条件下（铸件材质、铸型种类），各种氧化铁的相对含量不同。 如果界面氧化性气氛很强，则由低价转化为高价氧化铁的量就多 。,三种氧化铁的性能：,正硅酸铁（2FeO.SiO2） 晶体,粘砂层 = 金属氧化层 + 烧

7、结层（低熔点化合物）,烧结层,硅酸铁,FeO与造型材料发生反应，可生成：,其它尚有MnO、Na2O与硅酸铁形成的多元化合物。,上述各种硅酸铁的含量与铸件冷却速度有关。,（1） 粘砂层结构,偏硅酸铁（FeO.2SiO2） 晶体,玻璃状硅酸铁（mFeO.nSiO2） 玻璃体,化学粘砂的形成包括两部分： 1 粘砂层的形成；2 粘砂层与铸件的结合,金属液的表面氧化,（2） 形成机理,金属氧化物易于向砂型空隙中渗透，并与砂粒、粘结剂反应形成化合物：,粘砂层的形成,粘砂层的形成,粘砂层与铸件的结合,粘砂层的结合部位有两处: 铸件与氧化层， 氧化层与烧结层,氧化层的作用,可将氧化层分为三层：,薄（氧化气氛弱）II、III层薄 厚（氧化气氛强） II、III层厚,h临为粘砂的临界厚度（约为100 m）,氧化层与金属的连接强度与下列因素有关：,氧化层厚度 氧化层密度 氧化层化学成分, h临：粘砂层（烧结层）易清除 （II、III层断开） h临：粘砂层（烧结层）不易清除,烧结层的作用,所以，即使氧化层很薄，但低熔点化合物（烧结层）冷却后形成玻璃体，也可使化学粘砂层清理掉，获得光滑表面的铸件。,（3） 防治措施,控制金属氧化层,减少氧化： 促进氧化：,加形成还原性气氛的附加物 （煤粉、