1第一章金属和铸型的相互作用_铸造工艺学.ppt

金属液浇入铸型后，液体金属与铸型之间就发生剧烈的热交换。在金属液的热作用下，铸型温度升高，导致铸型体积膨胀、型内水分迁移等现象产生。金属和铸型间的机械作用和物理化学作用亦随温度升高而加剧。热作用、机械作用、物理化学作用三者是互相联系的，而热作用是其它两方面作用的基础。 浇注时铸型受到金属液的冲刷和冲击；型壁承受金属液的静压力和动压力；铸件在凝固、冷却收缩时受到铸型的阻碍而产生内应力。在不利的情况下，铸件将产生砂眼、冲砂，掉砂、抬箱、裂纹等缺陷。 金属与铸型表面的物理化学作用有；铸型的气体侵入金属液，金属液从铸型吸收气体，金属液渗入砂粒间空隙，金属液与铸型材料或铸型中气体发生化学作用生成新的化合物等等。因金属液和铸型的物理化学作用，在不利的情况下，铸件将发生气孔、燃烧、粘砂等缺陷,但也可以利用铸型表面涂料中的合金元素，使铸件表面合金化而提高铸件表面质量。 * * * * 研究液体金属对铸型的加热，主要是研究在不同时间内铸型各点温度变化的情况，以及铸型在不同时间内所吸收的热量。研究的方法有数学分析法、模拟法（电模拟和水力模拟）以及实测法等。 用数学分析法研究热作用可以明显地反映铸型温度场的变化规律。金属和铸型的传热过程是非常复杂的不稳定导热过程。可用傅立叶导热微分方程表示： 在假定铸件和铸型均为无限大平板，材质是均匀的，热物理常数不随温度变化，金属液浇入铸型后温度一致，并没有对流等条件下，将三维的导热微分方程简化为一维的导热微分方程： 由此方程的通解和单值条件，可得到铸型的温度场方程式为： x —— 铸型中某点到界面的距离（m） t —— 铸型中距型腔表面为x处的温度（℃） t0 —— 铸型的初始温度（℃） tK —— 金属的初始温度（℃） τ—— 铸型被加热的时间（h） a —— 铸型的热扩散率 ρ—— 铸型材料的密度（kg/m3） 式中: 用直接测温法研究热作用的规律是目前应用最广泛的方法。其方法是在铸型中距界面不同距离的地方安置热电偶以测量液体金属浇入型腔后铸型中各点的温度变化情况；并进而根据温度变化曲线得出温度分布曲线。图1－1和图1－2分别为在干态砂型和湿砂型中浇注Al－30％Cu合金铸件时，铸型中各点的温度变化曲线。图1－3和图1－4分别为浇注铝合金时干型和湿型的温度分布曲线，从图中可以看出如下特点： (1) 浇注后铸型表面层的温度迅速地接近液体金属的温度，而铸型其它部分仍处于相当低的温度。铸型表层的热作用比较剧烈，必须予以足够重视。 (2) 干砂型的温度分布曲线和金属型相似，趋近于抛物线，和公式(1—1)的数值比较符合，而湿型的温度变化曲线和温度分布曲线上都呈现出平台部分，这是由于湿型内水分的相变和迁移形成的。 (3) 砂质铸型热导率比金属型低，受热后不能迅速地把热量从型腔表面层传递给里层，表层和里层之间存在着很大的温度差。 (4) 干型表面层的温度比湿型高。湿型的热容量比干型大1.5～2倍。由于水分蒸发时还产生了较大的蒸汽压力，增加了铸型的热导率，能够比较迅速地传递热量。 湿型被金属液急剧加热时，砂型中的水分会从高温的表面层向低温的里层迁移，水分迁移的原因是砂型表面层中的水分受热蒸发变成水蒸气、水蒸气通过砂粒间的孔隙流向砂型内层，进而凝聚成水；另外急热时砂粒间孔隙中的水在压力差和表面张力的作用下也由温度高处向温度低处移动。 由于水分迁移的结果，在湿型中出现四个区域(见右图)。 它是从金属与铸型的界面到温度为100℃的地方。该区的温度高100℃，自由水分都被蒸发，因而水分含量很少。水分蒸发产生大量气体，所以又称发气区，在不利的条件下，气体可能侵入液体金属中，产生侵入性气孔缺陷。该区域透气性好，强度高。 铸型中温度为100℃的区域。这个区域的水分含量高达10～15％、为正常水分的2～3倍。这些水分是干燥区产生的水蒸气在这儿凝聚起来的，但水分到一定程度后会达到饱和，水蒸气则流向更里层的水分凝聚区凝结，所以该区域称水分饱和凝聚区。 也叫水分不饱和凝聚区。它是从铸型中温度为lOO℃至室温的区域。干燥区来的水蒸气在此区域凝结。故这个区域的水分含量比正常区的稍高，但其分布是不均匀的，随着至型腔表面距离的增加而减少，直至趋向正常的水分，因此称为过渡区。水分