金属液态砂型成形工艺

关于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

研究液态金属与铸型界面作用的现象和机理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第2页,共81页，2024年2月25日，星期天金属液态砂型成形工艺的主要内容2.造型材料

作为材料，它包括两层内容：型、芯、涂料等所用的原材料原材料的混合料作为科学，它研究下列内容：混合料的组成、配比、制备工艺、工艺性能及其测试方法；原材料、混合料的性能与铸件质量的关系；开发新的造型方法和造型材料；旧砂再生工艺和设备。

耐火骨料粘结剂、固化剂附加物

型砂芯砂涂料

第3页,共81页，2024年2月25日，星期天3.金属液态成形工艺设计基础液态金属充填铸型的方法和原理；液态金属补缩铸件的方法和原理；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）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。如铸造工艺图、铸型装配图、模板装配图、芯盒装配图、工艺卡等。重点研究：金属液态砂型成形工艺的主要内容第4页,共81页，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作条件

一、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）的工艺过程称为造型制芯。

造型制芯过程中，型（芯）砂在外力作用下成型并达到一定的紧实度或密度而成为砂型（或砂芯）第5页,共81页，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作条件

一、砂型成形方法砂型——

型砂在外力作用下而成型的物体，具有一定的紧实度。紧实度——

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：粘土砂砂斗中普通造型机高压造型机紧实度1.15~1.25约1.65〉1.7第6页,共81页，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作条件

一、砂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：手工造型：机器造型：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

第7页,共81页，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作条件

一、砂型成形方法手工造型的特点：

操作方便灵活，适应性强生产率低劳动强度大铸件质量不易保证

适用于单件小批量生产

第8页,共81页，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作条件

一、砂型成形方法机器造型的特点：

生产效率高劳动条件好劳动强度低铸件的表面质量好、尺寸精度高适用于成批大量生产

第9页,共81页，2024年2月25日，星期天§3.1砂型成形方法和工作条件

二、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——多孔隙体系。砂型的结构第10页,共81页，2024年2月25日，星期天

孔隙率n反映微孔的数量物理特性：

颗粒形状：圆形、多角形、尖角形堆积方式：立方体、菱柱、角锥砂型的容重、导热性、热膨胀、透气性与n有关。

第11页,共81页，2024年2月25日，星期天物理特性：

微孔尺寸反映微孔的大小影响砂型的抗渗透能力

颗粒大小颗粒形状堆积方式

影响因素：第12页,共81页，2024年2月25日，星期天三、砂型的工作条件时间段为：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、阻碍铸件收缩第13页,共81页，2024年2月25日，星期天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第14页,共81页，2024年2月25日，星期天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）第15页,共81页，2024年2月25日，星期天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

第16页,共81页，2024年2月25日，星期天

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下。第17页,共81页，2024年2月25日，星期天§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。

第18页,共81页，2024年2月25日，星期天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第19页,共81页，2024年2月25日，星期天影响传热的因素：

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第20页,共81页，2024年2月25日，星期天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。

第21页,共81页，2024年2月25日，星期天（1）确定砂型温度场的方法

实验法解析计算法数值模拟法第22页,共81页，2024年2月25日，星期天（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。第23页,共81页，2024年2月25日，星期天（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第24页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第25页,共81页，2024年2月25日，星期天（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区向里推移第26页,共81页，2024年2月25日，星期天（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：

第27页,共81页，2024年2月25日，星期天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。第28页,共81页，2024年2月25日，星期天对于粘土砂：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第29页,共81页，2024年2月25日，星期天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第30页,共81页，2024年2月25日，星期天热应力——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。

愈小愈小愈好愈弱第31页,共81页，2024年2月25日，星期天注意：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。

第32页,共81页，2024年2月25日，星期天二、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、浇冒口附近第33页,共81页，2024年2月25日，星期天（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

第34页,共81页，2024年2月25日，星期天（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。第35页,共81页，2024年2月25日，星期天砂型受热（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）第36页,共81页，2024年2月25日，星期天出发点：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↓第37页,共81页，2024年2月25日，星期天出发点：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：第38页,共81页，2024年2月25日，星期天二、膨胀类缺陷由于铸型受热膨胀而引起的铸件缺陷主要有：

夹砂结疤、鼠尾、毛翅2.毛翅树脂砂中最常发生的缺陷。

金属液渗入到由热应力引起的砂型（芯）表面层裂纹中而形成的表面缺陷。

第39页,共81页，2024年2月25日，星期天三、金属液对铸型的机械作用

1.金属液对砂型表面的冲刷和冲击作用浇注时的冲刷和冲击凝固前的静压力。流动金属对型壁的摩擦力。

（1）冲刷铸型表面高温强度低铸型激冷作用弱合金浇注温度高抗冲刷能力差第40页,共81页，2024年2月25日，星期天金属液对型壁表面的作用力为：

（2）冲击铸型表面高温强度低合金浇注速度快流动方向正抗冲击能力差当铸型表面的抗冲刷冲击能力差时，型壁表面就可能被破坏。第41页,共81页，2024年2月25日，星期天2.砂眼——铸件表面或内部充塞着型砂的空洞，也称砂孔。

这是湿型铸造的常见缺陷表面质量差（1）对铸件质量的影响铸件渗漏应力集中第42页,共81页，2024年2月25日，星期天2.砂眼——铸件表面或内部充塞着型砂的空洞，也称砂孔。

这是湿型铸造的常见缺陷散落砂冲砂（2）形成原因未排除砂眼第43页,共81页，2024年2月25日，星期天2.砂眼——铸件表面或内部充塞着型砂的空洞，也称砂孔。

这是湿型铸造的常见缺陷提高铸型表面强度：型砂配方合理、刷涂料（3）防止措施合理设置浇冒口：底注、缓流、排渣冒口严格执行操作规程：注意清理散落砂第44页,共81页，2024年2月25日，星期天3.型壁移动——型壁在液态金属压力的作用下发生退让（位移）的现象。第45页,共81页，2024年2月25日，星期天四、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第46页,共81页，2024年2月25日，星期天（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

为主第47页,共81页，2024年2月25日，星期天（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：

第48页,共81页，2024年2月25日，星期天2.侵入性气孔第49页,共81页，2024年2月25日，星期天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、圆形第50页,共81页，2024年2月25日，星期天（2）形成机理气孔形成条件式中：2.侵入性气孔第51页,共81页，2024年2月25日，星期天关于四种压力在浇注过程中的变化见下图：第52页,共81页，2024年2月25日，星期天关于四种压力在浇注过程中的变化见下图：第53页,共81页，2024年2月25日，星期天铸型的发气性、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易产生气孔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：浇注温度、浇注位置、冒口设置第54页,共81页，2024年2月25日，星期天（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第55页,共81页，2024年2月25日，星期天§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。第56页,共81页，2024年2月25日，星期天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1～3mm处。所以也称皮下气孔。

H2

CON2第57页,共81页，2024年2月25日，星期天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。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。第58页,共81页，2024年2月25日，星期天二、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。第59页,共81页，2024年2月25日，星期天二、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第60页,共81页，2024年2月25日，星期天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）鉴别部位方法机械粘砂化学粘砂铸件表面肉眼观察白色毛刺灰黑蜂窝状金相观察分清砂与金属分不清粘砂层测电阻小大化学法剩单个砂粒剩连体物第61页,共81页，2024年2月25日，星期天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。

渗入深度<半层砂粒<两层砂粒>两层砂粒粘砂程度表面粗糙轻度粘砂严重粘砂第62页,共81页，2024年2月25日，星期天（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：

第63页,共81页，2024年2月25日，星期天力的平衡：金属液能够渗入砂型微孔的临界压力为：渗入条件：第64页,共81页，2024年2月25日，星期天渗入条件：第65页,共81页，2024年2月25日，星期天工业纯铁对有关材料的润湿角：氧化性气氛弱氧化性气氛中性气氛石英砂52°83°110°镁砂92°107°113°第66页,共81页，2024年2月25日，星期天（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第67页,共81页，2024年2月25日，星期天（3）防治措施缩小砂型孔隙缩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）第68页,共81页，2024年2月25日，星期天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Fe3O4Fe2O3FeO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。第69页,共81页，2024年2月25日，星期天三种氧化铁的性能：

氧化物熔点℃组织对石英的润湿性结晶时体积变化FeO1370致密润湿小Fe3O41590疏松不润湿大Fe2O3>1600疏松不润湿大第70页,共81页，2024年2月25日，星期天正硅酸铁（2FeO.SiO2）晶体粘砂层=金属氧化层+烧结层（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