第1章

金屬與鑄型的相互作用第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.1概述

普通型砂是由原砂、黏土和水等按一定比例混制成的。圖1-1型砂結構示意圖1-原砂2-黏結劑3-附加物4-孔隙

原砂是型砂的骨架，黏土是黏結劑，它被水潤濕后，在砂粒表面形成一層黏土薄膜，把松散的砂粒黏結在一起，使型砂具有一定的工藝性能。在被黏土膜包圍的砂粒之間，有一定的孔隙，它使型砂具有一定的透氣性。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

砂型是一種微孔-多孔隙體系，或者毛細管-多孔隙體系。

液體金屬在澆注、凝固、冷卻過程中會和鑄型發生熱的、機械的、化學和物理化學的相互作用。圖1-1型砂結構示意圖1-原砂2-黏結劑3-附加物4-孔隙第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

這三方面的作用是緊密聯系、互相促進的。其中熱作用是其它兩方面作用的基礎，且它們的作用是隨熱作用的劇烈程度而變化的，如果金屬對鑄型的加熱越劇烈，則其它兩方面的作用就越嚴重。

還會在鑄型中產生各種伴生現象。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

在熱作用下，型腔表面層的水分向鑄型里層遷移；有機物質燃燒或升華；化合物分解(如硼酸受熱后，經過幾次脫水，最后分解為硼酐)；石英砂粒的同質異構轉變；型壁的膨脹與收縮；型壁強度的變化等。

在機械作用下，液體金屬對鑄型沖擊、沖刷，使型腔脹大，砂芯變形等。

在化學和物理化學作用下，金屬的氧化與燃燒；鑄型材料與金屬或金屬氧化物化學反應、黏結，造型材料發氣等。

不利情況下

這些伴生現象

使鑄件產生各類缺陷！！！第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.2金屬與鑄型的熱作用1.2.1金屬對鑄型的加熱及鑄件的冷卻圖1-2鑄型的加熱與鑄件的冷卻曲線1-鑄件；2-鑄型。

研究在不同時間內鑄型各點溫度變化的情況，以及鑄型在不同時間內所吸收的熱量，其方法有解析計算法、模擬法(電模擬和水力模擬)和實驗法等。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

1.解析計算法

鑄件與鑄型的熱交換是屬于不穩定的導熱問題。因此，運用解析計算法研究鑄型溫度場時，一般作了下列的假設：(1)鑄型與鑄件的接觸面是一個平面；(2)鑄型與鑄件在界面上的溫度是相同的；(3)鑄型與鑄件平面都是無限大的，即只考慮一維方向的熱傳導；

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

1.解析計算法

鑄件與鑄型的熱交換是屬于不穩定的導熱問題。因此，運用解析計算法研究鑄型溫度場時，一般作了下列的假設：(4)在整個過程中，鑄型材料的各熱物理參數不隨溫度變化；

(5)不論在鑄件或鑄型中都不發生吸熱及放熱反應;(6)澆注時，液體金屬對型腔中空氣的加熱以及因對流熱傳導造成的熱量損失，不予考慮。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學2.試驗法

直接測溫方法：在距型腔表面不同距離的砂型中安置熱電偶，液體金屬注入型腔后，就能立刻測量和記錄鑄型各點溫度變化的情況。圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線圖1-3和圖1-4分別為在干型和濕型中澆注含銅30％的鋁合金；直徑為127mm的鑄件時，鑄型中各點的溫度變化曲線。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學從圖中可看出：(1)澆注后，鑄型內表面溫度迅速地接近液體金屬的溫度，但此時，鑄型其它部分仍然處于相當低的溫度。圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線(2)砂型不同深度的各點在同一時刻有很大的溫度差，越靠近型腔表面，溫度越高，而離開型腔表面越遠，溫度越低，溫差隨時間逐漸減小。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-3干型的加熱曲線1-型面；2-2.7mm；3-6.5mm；4-13.3mm5-25.2mm；6-50.8mm；7-101.6,mm圖1-4濕型受熱時溫度變化曲線(3)干型表面層的溫度比濕型高。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.2.2鑄型濕分的遷移和強度變化1.濕分遷移：

濕分是水分和水蒸汽的總稱。濕分遷移是指鑄型中水分和水蒸汽從型腔表面層向鑄型內部遷移的現象。2.濕分遷移的方向：

當澆注時，鑄型被迅速加熱，加熱的程度隨著距型腔表面遠近而不同，表面層溫度高，里層溫度低，水分及水蒸氣除部分變成蒸汽從冒口、冒氣孔逸出外，其余大部分都向鑄型里層遷移。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學3.濕分遷移導致鑄型濕度與溫度變化圖1-5澆注后某一瞬間砂型水分的分布I-完全烘干區；II-水分飽和凝聚區；III-水分不飽和凝聚區；IV-正常區

第一區域—干燥區，又叫完全烘干區。型腔表面至100℃處，T>100℃；水分蒸發較多：全部自由水、大部分吸附水和部分結構水；有機物燃燒，化合物分解，產生大量氣體，又叫“發氣區”，有可能導致氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學3.濕分遷移導致鑄型濕度與溫度變化

干燥區厚度與鑄件尺寸，澆注溫度、澆注后時間有關；一般鋁鎂合金鑄件，澆注1分鐘后，干燥區厚度約3~6mm。特點是“三高一少”，即溫度高、強度高、水蒸汽壓高，水分少。圖1-5澆注后某一瞬間砂型水分的分布I-完全烘干區；II-水分飽和凝聚區；III-水分不飽和凝聚區；IV-正常區第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學第二區域—水分飽和凝聚區。溫度100℃區域蒸發界面型內的水分蒸騰或蒸發在干燥區和本區的界面上發生，此界面稱為蒸發界面。水分飽和凝聚區的擴大含水量約10~15%，為正常水分的2~3倍，出現自由水；熱濕拉強度比常溫抗拉強度低得多（正常區的1/3~1/10），第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學第二區域—水分飽和凝聚區。砂型容易產生表層與里層脫離的現象，產生夾砂缺陷。凝聚的水容易堵塞孔隙，導致排氣不暢，易產生氣孔特點是“一高兩低”：濕分高、強度低、透氣性低。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第三區域—水分不飽和凝聚區，又叫過渡區。100℃至室溫的區域，由不正常向正常過渡。

凝聚界面-水分飽和凝聚區與水分不飽和凝聚區的界面，叫做凝聚界面。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

飽和凝聚區的一個顯著特點是隨著鑄件凝固，其位置和厚度依蒸發界面和凝聚界面的變化而變化。由于凝聚界面的移動速度比蒸發界面的移動速度大，故水分飽和凝聚區將隨著它離開型腔表面而不斷加厚。表面干燥區亦不斷加厚。

第四區域—正常區。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學4.根據濕分遷移的理論，在鑄型工藝方面應注意以下幾個問題：(1)扎通氣孔

深度應透過水分凝聚區，即快到模型表面，又要防止扎壞模型的工作表面，通氣孔直徑5~8mm。(2)采用面砂和背砂面砂采用含水量少、強度高、顆粒較細的型砂，背砂采用顆粒較粗、透氣性較好的型砂。(3)在鑄造大型鑄件肘，可采用干型或表面干型

先將鑄型于350~400℃進行烘干，可使干強度比濕強度提高5~10倍，透氣率提高50%。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.2.3鑄型體積的變化1.原砂的膨脹

受熱后，原砂的體積將發生膨脹。其原因主要有兩個方面：一是因溫度升高而產生熱膨脹，為受熱均勻膨脹；二是因溫度升高發生相變（β石英發生同質異構變化）而產生的體積膨脹。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-6硅氧四面體和β石英四面體的連接(a)硅氧四面體

(b)β石英四面體的連接第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-7石英的同質異構變化

橫向的轉變為同級轉變，即在不同類型晶型間發生轉變，這種轉變必須使硅氧骨架中Si-O-Si鍵斷開后重新鍵合，轉變過程需很大能量，速度也慢，又叫慢轉變，亦稱重建轉變。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-7石英的同質異構變化

縱向轉變為同類轉變，即在同一類型晶型中，在高低溫晶型間發生的轉變，這種轉變不必斷開和重新鍵合硅氧鍵，只需將原來骨架上的硅氧四面體稍作扭動，作一些位移，即可完成。這種轉變需要的能量低，速度也較快，故稱為快轉變，又稱位移轉變。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

在澆注時，鑄型被加熱的時間較短，整個鑄型的溫度也不高，同時又缺乏礦化劑。因此，由α石英轉變為α鱗石英和α方石英是難以進行的。

對鑄造生產來說，必須考慮的是在573℃，由β石英轉變為α石英時的體積膨脹問題，它是快轉變。一旦加入到573℃，相變立即發生，同時伴有體積膨脹，體積膨脹為0.82%。

雖然這時的體積膨脹不到1％，但由于這個轉變是突然產生的，因此，它將影響鑄件的尺寸精度，并可能使鑄件產生夾砂、脹砂等缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學水分在黏土中的存在形式有以下幾種：

（1）礦物組成水包括結構水、結晶水和晶層水等三種。結構水是以H+和OH-離子的形式存在于礦物的結晶格架的一定位置上，它有一定的數量。結晶水是以水分子H2O的形式存在于礦物結晶格架的一定位置上，也有一定的數量。晶層水是以水分子H2O的形式存在于晶層之間，其數量不定。(2)吸附水

一般指黏土膠團中的外吸附層和擴散層中的水。它被吸附在黏土質點表面上，而不進入晶格中，吸附水與黏土質點的結合不像礦物組成水那樣牢固。(3)自由水一般指遠離黏土質點而機械混入的水。2.黏土的干縮第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

黏土加熱到100℃以上就失去全部自由水。隨著水分的去除，黏土質點相互靠近，出現收縮。由于晶體結構的差異，高嶺石和蒙脫石的含水形式、數量有較大差異。其收縮的特點也大不一樣。

高嶺石在低溫加熱時因脫水較少，收縮并不顯著，在400~700℃失去結構水，體積出現收縮。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學蒙脫石在低溫加熱時脫水多，收縮顯著。尤其是在100~200℃左右肘，失去了大量的吸附水和晶層水，因此產生了顯著的收縮。繼續加熱到550~750℃左右，失去結構水，而這時的體積變化并不最顯著。蒙脫石與高嶺石在加熱過程中，其體積變化有明顯的不同。高嶺石的主要收縮發生在較高的溫度范圍；而蒙脫石的主要收縮則發生在較低的溫度(100~200℃)范圍內。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

總的來看，型砂在加熱時的膨脹可分為兩個階段。

當石英砂的膨脹能被黏土的收縮所抵消，或者說當石英砂粒間的相互移動的阻力小于砂型外部的阻力時，僅減少砂粒之間的空隙，并不引起鑄型尺寸的變化，這個階段稱為顯微膨脹。

當砂粒間的間隙難以減小，或者砂粒間的相互移動的阻力大于砂型外部的阻力時，將引起鑄型尺寸發生變化，這個階段稱為宏觀膨脹。鑄件的很多缺陷，如裂紋、夾砂和尺寸不符等主要是由型砂的宏觀膨脹造成的。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.2.4夾砂

夾砂又叫包砂、結疤和鼠尾等，是鑄件常見的一類表面缺陷，特別是用濕型鑄造厚大的平板類鑄件時，更常出現。一般將夾砂分兩種形式。圖1-8夾砂的形成(a)夾砂；(b)鼠尾(1)夾砂結疤：它是金屬液進入裂紋把拱起的砂型表層包在鑄件內，就成為夾砂結疤；它的特點是：在鑄件表面上有局部凸出的形狀不規則的金屬瘤狀或片狀物，在它的下面有一層型砂。如圖1-8(a)所示。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.2.4夾砂

夾砂又叫包砂、結疤和鼠尾等，是鑄件常見的一類表面缺陷，特別是用濕型鑄造厚大的平板類鑄件時，更常出現。一般將夾砂分兩種形式。(2)鼠尾：型腔下表面層在金屬液熱作用下發生翹起，特點是：在鑄件表面上出現淺的方向性凹槽或不規則的折痕，無金屬瘤狀物，形狀似老鼠尾巴，故稱鼠尾，通常沿下型內澆口正前方產生，如圖1-8(b)所示。圖1-8夾砂的形成(a)夾砂；(b)鼠尾第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1．夾砂的形成機理及影響因素（1）砂型表面層因熱膨脹產生的熱應力超出了水分凝聚區的強度，圖1-9為夾砂形成過程的示意圖。圖1-9夾砂形成示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

有人對產生夾砂時，型腔表面層拱起的力學條件，設想如圖1-10所示。

在上砂箱的A、B間的砂型部分，表面層的熱應力F1為A，B兩端的阻力F2和表面層與里層之間的摩擦阻力F3所平衡。當F1>F2+F3時，表面層將拱起并開裂，使鑄件產生夾砂缺陷。圖1-10上箱砂型表面層產生夾砂時應力示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學（2）1976年日本片島等人提出了由水分凝聚區引起的夾砂結疤缺陷的機理圖1-11夾砂發生時砂型內的狀態(D)完全烘干區；(M)水分凝聚區完全烘干區D、水分凝聚區M和水分未受影響的原來濕砂型區G等。其中M區溫度為100?C以下，比D區溫度低，因此熱膨脹可以忽略，而G區仍保持室溫，沒有變化。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學2.防止夾砂類缺陷的措施

從夾砂的形成機理看，預防夾砂產生的途徑主要有：減少型砂受熱引起的膨脹，提高型砂的熱濕拉強度和防止型砂表面拱起與開裂。具體如下：(1)造型材料方面：

正確選用和配制型砂是防止夾砂的主要措施。

選用SiO2含量少的石英-長石砂作原砂。

重、大鑄件采用如鉻礦石、鎂砂、鋯砂、電熔剛玉、石墨等。

選用粒度分散的原砂(最好分布在相鄰的五個篩上)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

選用熱濕拉強度高、熱壓應力低的膨潤土，盡量采用鈉基膨潤土或經活化處理的鈣基膨潤土。

澆注鑄鐵時，在型砂中加入煤粉、重油、木屑等能減少熱壓應力，提高熱濕拉強度，還可防止黏砂。因煤粉在300~380℃會軟化。

盡可能降低型砂的含水量，保證一定的混砂時間，混好的型砂經過調勻和松砂，對提高型砂熱濕拉強度有利。

當然，采用水玻璃砂、石灰石水玻璃砂、樹脂砂，都能有效地防止夾砂。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(2)鑄造工藝方面：

舂砂應力求均勻，避免局部過硬或過松；過硬使砂粒間隙小，熱應力大；太松會造成黏砂、沖砂。

在上型表面、澆口附近等易產生夾砂的地方應多扎氣眼減少氣體壓力，使水分凝聚區向里，且區域較大，水分凝聚不集中；砂型表面烘干，提高表面強度。

避免大平面在水平位置澆注，應將其垂直或傾斜澆注。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

(3)鑄件結構方面：

盡量避免大平面，鑄造圓角要合適。不同形狀的型腔，其抗夾砂的能力是不同的。凹面形狀抗夾砂能力最好，平面形狀次之、凸面形狀最差，工藝設計時，應對凸面形狀的型腔采取必要的措施，凸出部分盡量放置在下部，或插釘子加固，以防止夾砂的產生。

澆注系統應能使金屬液平穩進入型腔；內澆口應均勻分布，防止局部過熱，澆口阻流面積適當增大。適當降低澆注溫度，提高澆注速度，有足夠的型內液面上升速度。澆注時間應小于砂型臨界受熱時間。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.3金屬與鑄型的機械作用1.3.1金屬液對鑄型表面的沖刷作用1.3.2金屬液對鑄型表面的動壓力和靜壓力1.3.3鑄型的機械阻礙應力

金屬全部凝固并冷卻至彈性狀態以后，仍然繼續收縮。如受到鑄型或砂芯等的阻礙，就會產生應力。這種應力稱為機械阻礙應力，它是一種臨時應力。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

當砂芯的退讓性極好時，K=ε，則σ=0，鑄件收縮不受阻礙，是自由收縮，不會產生機械阻礙應力。

當砂芯的退讓性很差時，K=0，則σ=E?ε，達到最大值，鑄件將產生機械阻礙應力。

鑄造應力是熱應力、相變應力和機械阻礙應力三者的代數和。這三者有時互相抵消，有時互相疊加。當機械阻礙應力與熱應力同時作用并超過當時金屬的強度極限時，便產生冷裂缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.4金屬與鑄型的物理化學作用金屬與鑄型表面的物理化學作用有：（1）金屬液與鑄型中的氣體或鑄型材料發生化學作用

如鋁、鎂合金與鑄型的化學作用，鎂合金的燃燒等。（2）造型材料融入鑄件表面

鑄造合金與砂粒間隙中的氧結合，在液態金屬表面形成一薄層熔融的氧化膜，這層金屬氧化物與砂粒、黏土互相化合，在鑄件表面形成“黏砂”層。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

金屬液與鑄型的物理化學作用，在不利的情況下，鑄型會產生燃燒、氣孔、黏砂等缺陷。但也可以利用鑄型表面涂料中的合金元素，使鑄件表面合金化，提高鑄件表面質量。（3）造型材料發氣

氣體侵入金屬液形成氣孔，金屬液從鑄型中吸收氣體。（4）金屬液滲入砂粒間隙，形成機械黏砂。（5）造型材料的熔解及鑄件表面合金化。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.4.1燃燒

燃燒是鎂合金鑄件常見的缺陷之一。含鎂量高的鋁合金鑄件有時也會出現。1.燃燒缺陷產生的機理

鎂的化學性質很活潑，僅次于K、Na、Ca，在常溫下就能和氧反應，與H2、N2、H2O等作用，但不劇烈。而液態的鎂及其合金能和02、H20、N2、SiO2產生劇烈的反應：第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

由于生成的MgO是一種導熱性能差、內部疏松的氧化物，它覆蓋在鎂合金表面，使反應時釋放出來的大量熱量，不能迅速地散發出去，使反應界面上的溫度迅速提高。

溫度的提高又加速鎂的氧化，加劇鎂的燃燒，使反應界面上的溫度越來越高，最終還會燃燒，最高可達2850?C，并發出閃耀的白光和彌漫的濃煙。

有時還因為水分突然汽化，體積膨脹幾千倍，同時因反應所放出的H2與O2迅速起反應，導致猛烈的爆炸。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學2.燃燒缺陷的特征(1)鑄件表面上有分散的或成群的孔穴。在吹砂、氧化處理之前，孔穴內填滿灰色的氧化鎂粉末，在吹砂、氧化處理后，孔穴呈清潔而粗糙的表面。(2)鑄件表面上有黑色或灰色的連續的氧化皺紋，并帶有氧化鎂粉末的白色斑點，吹砂、氧化處理后，呈灰褐色。(3)鑄件表面上出現大小不同的金屬燃燒產物的菌狀瘤疤。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

燃燒缺陷的部位

燃燒缺陷常發生在鑄件受熱嚴重、保護劑燒損比較厲害的地方，經常發生的部位有：i)鑄件上的厚大部位；ii)內澆道附近，特別是內澆道的對面；iii)冒口根部。

燃燒缺陷出現的部位附近，往往出現疏松缺陷。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學3.防止燃燒的措施

產生燃燒的內在原因是由于液態的鎂合金易與02、N2、H20等發生劇烈的反應；而外界原因是在澆注、凝固過程中給燃燒提供了條件，防止燃燒主要是斷絕鎂與空氣、H20和N2的接觸。在實際生產中常采取以下措施：(1)降低型砂含水量，一般<5.5%，對于中大件，采用表面干型，型砂中不得有草根、煤屑等有機物。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(2)在型砂中加入必要的防燃附加物，目前一般是加入3～4％的烷基磺酸鈉(含烷基磺酸鈉28％的水溶液)，并加入1.5～2.5％的硼酸。(3)造型時，增加透氣性；在容易燃燒部位開冷卻筋，放置冷鐵；增加內澆道數量，避免熱量集中。(4)熔化時，給合金液中加入少量的鈹(0.001～0.002％)，以減少鎂合金的燃燒傾向。在澆注時，適當降低澆注溫度，縮短澆注時間。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.4.2黏砂

黏砂是鑄鋼、鑄鐵件生產中常見的鑄造缺陷之一。鑄件部分或整個表面黏著一層型砂或型砂與金屬氧化物形成的化合物稱為黏砂。

黏砂大多發生在鑄件的厚壁部分、澆冒口附近、內角、凹槽、小的鑄孔等部位，通常鑄鋼比鑄鐵件黏砂嚴重，濕型鑄造比干型嚴重。

黏砂清理困難，嚴重時用風鏟清除，甚至使鑄件報廢。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

根據砂層黏結在鑄件表面的黏結物質的性質，黏砂可分為：

機械黏砂-金屬滲入到砂粒間孔隙，將砂粒固定在鑄件表面；

化學黏砂-金屬或金屬氧化物和造型材料形成化合物，將砂層黏結在鑄件表面。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.機械黏砂（金屬滲入）

如金屬滲入深度小于砂粒半徑，并不發生黏砂，只是表面過于粗糙。當金屬滲入深度大于砂粒半徑，便發生機械黏砂。滲入深度越深，清理就越困難。（1）機械黏砂的形成機理

液態金屬滲入砂粒間隙的過程和一般液體在毛細管中上升或下降相似，但過程要更復雜，原因有，金屬液隨溫度降低而黏度增大，金屬液與孔隙中的氣體發生反應而使潤濕條件發生變化等。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

金屬液滲入砂粒間孔隙就會形成機械黏砂，金屬液滲入砂粒間孔隙的條件為P金≥P氣-P毛-P型

(1-18)式中P金-鑄型中金屬液的壓力(包括靜壓力和動壓力)；P氣-砂型孔隙中氣體的反壓力；P型-型腔內氣體的壓力；P毛-毛細壓力，從有關物理知識可知

σ-液態金屬的表面張力；r-砂粒孔隙的半徑；θ-液態金屬對砂粒孔隙的潤濕角。

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學（2）影響機械黏砂的因素1)金屬液的靜壓力和動壓力始終是促使液體金屬向砂粒間的孔隙滲入的。在金屬液潤濕砂粒的情況下，P金越大，滲入深度越大，機械黏砂越嚴重。因此高大鑄件下部容易形成機械黏砂。2)P氣是孔隙中氣體對金屬液的反壓力，始終阻礙金屬液的滲入。但生產中很少用提高P氣來防止機械黏砂。

在大多數情況下，鑄件有明冒口或出氣冒口，P型的影響可以忽略不計。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學3)金屬液與造型材料的潤濕性對金屬滲入有很大影響。

如金屬液能潤濕造型材料，潤濕角θ<90?，cosθ為正值，P毛為正值，則毛細壓力促使液體金屬滲入砂粒間隙。

如金屬液不潤濕造型材料，θ>90?，cosθ為負值，P毛為負值，則毛細壓力阻止金屬液滲入砂粒間隙。第一章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學4)砂型表面砂粒孔隙的大小對金屬液滲入有很大影響，減小砂粒間孔隙半徑，可減小金屬滲入。5)影響金屬液保持液態的時間和流動能力的因素，如：金屬液的密度、比熱容、凝固潛熱和黏度，鑄型的蓄熱能力等。保持液態時間長和黏度小，導致黏砂嚴重。鑄型蓄熱系數高，則不易黏砂。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學（3）防止機械黏砂的措施1)采用細砂，提高鑄型緊實度，鑄型表面刷涂料，使孔隙小，毛細阻力大，金屬液滲入難，有利于防止黏砂。2)鑄鐵件型砂中采用煤粉砂。煤粉在400?C以上發生裂解、升華，析出光亮碳層。光亮碳包覆在砂粒表面，由于光亮碳不被金屬及金屬氧化物濕潤，對防黏砂有突出作用。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學（3）防止機械黏砂的措施3)降低澆注溫度。4)加入重油。重油是石油加工產品的殘渣，使用時用柴油1:1或3:2稀釋。它能形成碳膜，包圍砂粒，并堵塞孔隙，防止金屬液滲入。5)采用非石英質原砂或涂料。如鉻鐵礦砂、鎂砂、鋯砂等，蓄熱系數高，與金屬液潤濕性差，但價格貴，常制成涂料使用。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學2.化學黏砂

化學黏砂主要發生在鑄鋼和鑄鐵件上

黏結物質為金屬氧化物和造型材料形成的化合物

黏砂層的厚度比機械黏砂大。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學2.化學黏砂

化學黏砂層去除的難易程度，主要決定于黏砂層的性質以及黏砂層與鑄件表面的結合強度，與黏砂層厚度的關系不大。有時化學黏砂層很厚，卻很容易清理，甚至在鑄件冷卻時能自動剝落。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學（1）形成機理1)化學黏砂層的形成：鋼水或鐵水在澆注時與鑄型氣體中的氧、二氧化碳、水蒸氣等發生化學作用生成氧化鐵。

在高溫和氧不足的情況下，FeO是穩定的，其與SiO2潤濕角θ=21?（<90?）。在鑄鋼澆注溫度下FeO為液態并能潤濕石英，并滲入砂粒間隙，與砂或黏土中的SiO2相作用生成液態硅酸亞鐵。2FeO+SiO2=Fe2SiO4

（硅酸亞鐵）第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學2FeO+SiO2=Fe2SiO4

（硅酸亞鐵）

硅酸亞鐵，其熔點為1205℃，常稱為低熔點化合物。FeO與Fe2SiO4的共晶溫度為1177℃。

熔融的硅酸鹽及其共晶物也潤濕石英砂，在毛細壓力的作用下，能滲入砂粒間隙，增加了金屬滲入深度，形成黏砂層。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-12黏砂層斷面示意圖2)化學黏砂層與鑄件表面熔接：分析黏砂層斷面的化學成分，得知緊靠鑄件表面的是一薄層金屬氧化物，其后為低熔點化合物(圖1-12)

當氧化物層的厚度達到或超過某一個臨界值時，黏砂層就容易從鑄件上清除，反之就不易清除。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-12黏砂層斷面示意圖這個臨界值亦即氧化物薄層的臨界厚度。其大小約為100μm。因此，為了防止化學黏砂，應增加氧化物厚度，使之超過臨界厚度。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

而硅酸亞鐵等低熔點化合物，在一定條件下會牢固地黏附著金屬氧化物，使鑄件產生化學黏砂，當低熔點化合物冷凝后是結晶體，使結合力增大，難以清理。圖1-12黏砂層斷面示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學有的資料認為，當黏砂層中含有15％～20％的玻璃體物后，就可以避免化學黏砂。圖1-12黏砂層斷面示意圖第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學（2）防止措施

可從防止形成黏砂層和降低黏砂層與鑄件表面的結合力兩方面入手。1）防止形成化學黏砂層：防止金屬氧化，避免金屬氧化物與型砂起化學作用。具體措施有：將金屬液脫氧，適當降低澆注溫度；在型砂中加入能很快形成還原性氣氛的加入物如煤粉、重油、瀝青、有機黏結劑等；采用涂料；采用高質量的石英砂（SiO2>98%）和膨潤土；第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

生產耐熱鋼、不銹鋼等高合金鋼鑄件和大型鑄件時，采用鋯砂、鎂砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特殊耐火材料作型砂或涂料。2）降低化學黏砂層與鑄件表面的結合力：在型砂中加入適量(3～5％)氧化鐵粉；注意選用合適的原砂。某些原砂，如鄭庵砂、六合紅砂等能得到表面光潔的鑄鐵件，鑄件表面容易清理。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.4.3侵入性氣孔

氣孔是鑄型或金屬液中的氣體在金屬液中形成的氣泡，未能浮出而留在鑄件內的一種常見的鑄造缺陷。

由于氣體的來源和形成過程不同，鑄件的氣孔可分為析出氣孔、反應氣孔和侵入性氣孔三種。前兩種氣孔，分別在材料成形原理和合金熔煉課程中作詳細介紹，此處不再贅述。本課程主要討論侵入性氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.侵入性氣孔的特征

侵入性氣孔是濕型鑄造時最常發生的缺陷之一，其特征：①侵入性氣孔的體積較大；②呈梨形、圓形、扁圓形；③常在鑄件皮下、澆注位置的上部發現；④氣孔的內壁光滑，表面有金屬或氧化皮膜的光色澤，與砂眼、渣孔等缺陷很容易區別。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學1.侵入性氣孔的特征

主要由砂型、砂芯在澆注時產生的氣體侵入金屬液造成。

鋁合金鑄件的侵入性氣孔，在噴砂后進行外觀檢查時即可發現。鎂合金鑄件則往往需在氧化處理后方可發現。隱藏在鑄件內部的氣孔，只有通過X光檢查，以及在鑄件進行機械加工時才能發現。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學圖1-13金屬液和砂型界面上氣體侵入金屬液的條件2.侵入性氣孔的形成機理

砂型在金屬液熱作用下發生水分蒸發，有機物燃燒或揮發，碳酸鹽分解，金屬液與砂型產生化學作用，均可使金屬液和鑄型界面上氣體的壓力增加。當氣體的壓力大于在金屬液中形成氣泡所必須克服的阻力后，氣體就侵入金屬液形成氣泡(見圖1-13)。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

在均勻的金屬液中，氣泡體積變化所做的功和表面能的增量平衡P·dV=σ·dS(1-19)式中：P=P氣-P靜-P型P氣-氣泡內氣體壓力；P靜-作用在氣泡表面的金屬靜壓力；P型-作用在液面上的型內氣體壓力；dV-氣泡體積的增量。設氣泡為球形

r-氣泡的半徑；σ-金屬液的表面張力；dS-氣泡表面積的增量

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(2)P靜：在金屬液與鑄型表面接觸到形成氣泡核心的這段時間內，型內金屬液已上升了一定高度h，P靜=γh=ρgh。在澆注時P靜隨金屬液在型內的上升高度而變化，澆注終了時h等于氣泡至澆口杯液面的高度。(3)P型：作用在金屬液面上的型內氣體壓力，在有明冒口時P型為大氣壓力。(4)P氣：砂型表面層的發氣量大、發氣速度高、砂型透氣性低、水分飽和凝聚區離鑄件表面近、砂型出氣孔位置不當和數量少等，都使界面的氣體壓力P氣增高。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學(a)砂型發氣速度較快時(b)砂型發氣速度較慢時

圖1-14型砂發氣量和發氣速度對形成侵入性氣孔的影響P氣值不僅與型砂發氣物質的總發氣量有關，更重要的還與發氣溫度及發氣速度有關。因此P氣最大值的出現時間不同，數值不同，后果也就相應不同。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學

氣泡侵入金屬液后，溶解在金屬液中的氣體會向內擴散而使氣泡長大。

如氣泡沒有上浮就已凝固，就在侵入處形成梨形氣孔。

小孔端的位置表明氣體的來源。

在金屬液溫度高和黏度小的情況下，氣泡能從金屬液內逸出或浮入冒口，則鑄件并不產生氣孔。

如鑄件表面的凝固殼強度很低，表面氣泡雖不能侵入，但使鑄件表面發生局部變形而留下凹坑，就出現表面氣孔。第1章金屬與鑄型的相互作用鑄造工藝學3.