第一章 金属和铸型的相互作用

夹砂是铸件常见的一类表面缺陷，是在铸件表面还没有凝固或 凝固壳强度很低时，因砂型表面层膨胀发生拱起和裂纹而造成的。 分为夹砂结疤和鼠尾两类。金属液进入裂纹把拱起的砂型表层包在 铸件内，就成为夹砂结疤缺陷(亦称包砂)，如图1—6(a)所示，砂型 表面只拱起而未断开，就造成鼠尾缺陷(亦叫沟槽)，如图1—6(b)所 示。
在铝合金、镁合金铸造中，静压力和动压力较小。而在黑色金 属大中型铸件生产中，静压力和动压力所产生的型壁移动、盖箱抬 起等现象则比较严重，铸造生产中应引起足够重视。
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。
t 2t 2t 2t a( 2 2 2 )(1 1) x y z
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：
2t t a 2 x
P动 F
v 2
在忽略金属流动阻力的条件下，
p动 2gh 2 p静 (1 6)
v 2 2 gh
式中： P动 ―― 金属液对铸型表面的动压力； F ―― 金属液截面积； V ―― 金属液的流速； p动―― 金属液对铸型表面的动压强。
从公式（1-6）可以看出，在金属压头相同的条件下，P动 约为 P静的2倍。 在开始浇注时直浇口的底部、对着内浇口的型(芯)壁、浇注终了 时的型腔表面等处常受到金属液的动压力。如金属液的动压强超出 砂型的表面强度，砂型表面将被冲坏，使铸件造成砂眼、多肉等缺 陷。 在液体金属的静压力和动压力的作用下，会产生型壁移动、盖箱 抬起、砂芯漂浮，从而使铸件产生胀砂、多肉、披缝等铸造缺陷。 如果产生的浮力过大、砂芯会发生变形和破坏，使铸件偏心以至报 废。
机械粘砂 ―― 金属渗入到砂粒间空隙，将砂粒固定在铸件表面；
化学粘砂 ―― 金属或金属氧化物和造型材料形成化合物，将砂层 粘结在铸件表面。
金属液渗入砂粒间孔隙就会形成机械粘砂，金属液渗入砂粒 间空隙的条件为
P金 P气 P毛 P型 (1 13)
式中： P金—— 铸型中金属液的压力(包括静压力和动压力)； P气—— 砂型空隙中气体的压力； P型—— 型腔内气体的压力； P毛—— 毛细压力
析出气孔
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气 孔
反应气孔
侵入气孔
侵入性气孔是湿型铸造时最常发生的缺陷之一，侵 入气孔的体积较大，呈梨形、圆形、扁圆形，常在铸件 浇注位置的上部发现，主要由砂型、砂芯在浇注时产生 的气体侵入金属液造成。
铸型在金属液热作用下发生水分蒸发，有机物燃烧 或挥发，金属液与铸型产生化学作用，均可使金属液和 铸型界面上气体的压力增加。当气体的压力大于在金属 液中形成气泡所必须克服的压力后，气体就侵入金属液 形成气泡。
(1 2)
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 t t 0 t K t 0 1 erf (1 3) 4 a
式中:
x —— 铸型中某点到界面的距离（m）
τ—— 铸型被加热的时间（h）
a
t —— 铸型中距型腔表面为x处的温度（℃）a —— 铸型的热扩散 率 t0 —— 铸型的初始温度（℃）
c
ρ—— 铸型材料的密度（kg/m3）
tK —— 金属的初始温度（℃）
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：
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。
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：
① 防止形成化学粘砂层：这可由防止金属氧化，避免金属氧化物 与型砂起化学作用来达到。措施有：将金属液脱氧和适当降低浇 注温度，在型砂中加入能很快形成还原性气氛的加入物如煤粉、 重油、沥青、有机粘结剂等；采用涂料；生产耐热钢、不锈钢等 高合金铸件和大型铸件时，采用锆砂、镁砂、铬铁矿砂、刚玉砂 等特殊耐火材料作型砂或涂料。 ② 降低化学粘砂层与铸件表面的结合力：在型砂中加入适量 (3～5％)氧化铁粉；注意选用合适的原砂。
砂型呈多孔性，它在加热时的膨胀可分为显微膨胀和宏观膨胀 两个阶段。在砂粒的膨胀能被粘土膜的收缩抵消，或砂粒相互移动 的阻力小于砂型外部的阻力时，仅减少砂粒间的孔隙，并不引起砂 型尺寸的变化，这个阶段称为显微膨胀阶段。在砂粒间的孔隙已不 能再减小，或砂粒间相互移动的阻力大于砂型外部的阻力时，砂型 的外部尺寸才发生变化，这个阶段称为宏观膨胀阶段。砂型在加热 时的膨胀，不仅与砂粒材料的膨胀系数与特性、粘结剂和加入物 的性质及加入量等有关，还和砂型的紧实度、加热温度、加热速 度、膨胀条件等因素有关。
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)。
(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。
1．金属和铸型有哪些相互作用？由于相互作用的结果会出现哪些伴生 现象？从而又可能出现哪些铸造缺陷？ 2．试述夹砂类缺陷的特征、形成机理和防护措施。 3．金属和铸型会产生哪些机械作用？由于这些机械作用，可能会出现 什么铸造缺陷？如何防止这些缺陷的产生？ 4．如何判别铸件中三类气孔缺陷？侵入气孔形成的条件是什么？ 如何防止侵入气孔的形成？
第一区域——干燥区。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。 第二区域——水分饱和凝聚区。 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。 第三区域——过渡区。 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。水分饱和凝聚区和过渡区总 称为水分凝聚区。 第四区域——正常区。 它是从铸型温度为室温至砂箱壁处。该区域未受 液体金属热作用的影响，其温度、水分、强度和透气性都保持正常的状态。
(1) 采用细砂、提高铸型紧实度、铸型表面刷涂料，有利于 防止粘砂。
(2) 铸铁件型砂中采用煤粉砂。煤粉在400℃以上发生裂解，析出 光亮碳层。光亮碳包覆在砂粒表面，由于光亮碳不被金属及金属 氧化物湿润，对防粘砂有突出作用。
(3) 降低浇注温度。
(1) 化学粘砂层的形成 产生化学粘砂的先决条件是金属氧化。影响化学粘砂 的因素主要是金属氧化物的数量以及与型砂之间的作用程 度，后者主要取决于热作用的情况。热作用越大，则形成 易熔物的作用越剧烈。由于钢水在高温时易氧化，浇注温 度又高，故铸钢件粘砂层厚度比铸铁大。 (2) 粘砂层与铸件表面的结合力 FeO的组织致密，能阻碍继续氧化，造成难清理的粘砂；而 高价氧化铁Fe304、Fe203结晶时体积有较大膨胀，组织疏松，不 能阻碍继续氧化，氧化层厚，容易从铁件表面剥落，使粘砂容 易清理。
夹砂的形成机理，有几种不同的理论见解。 (1) 砂型表面层因热膨胀产生的应力超出了水分饱和凝聚区的强 度：浇注时，砂型表面层和内层之间因温度不同、膨胀量不同 而产生热应力。 (2) 型砂的热膨胀超过热应变：砂型在浇注时受热发生膨胀， 如果热膨胀值超过了热应变，砂型表面将破裂，引起夹砂。
(3) 干燥层的热应力超出水分凝聚区的强度，热膨胀大于 凝聚区的热应变。
金属液沿铸型表面流动时对铸型表面有摩擦力，如摩擦 力超出砂型表面层砂粒间在浇注温度下的粘结力，砂粒将被 冲下，造成铸件表面局部粗糙、冲砂、砂眼等缺陷。
金属液对铸型表面的冲刷作用，主要取决于金属的浇注 温度、铸型的表面强度和高温强度。浇注温度越高，则冲刷 作用越严重。如果浇注温度低，液体金属与铸型表面接触后， 很快形成硬壳，金属液在壳内流动不与砂型接触，故能减轻 冲刷作用。铸型的表面强度和高温强度越高，则抗冲刷作用 的性能就越好。提高砂型的紧实度、表面强度，采用表面干 型、水玻璃砂型、树脂砂型，采用涂料等，都能提高铸型表 面的抗冲刷作用。
根据夹砂形成机理，可从以下几方面来防止夹砂的产生： (1) 造型材料方面：正确选用和配制型砂是防止夹砂的主 要措施。 (2) 铸造工艺方面：避免大平面在水平位置浇注。 (3) 铸件结构方面：尽量避免大平面，铸造圆角要合适。 不同形状的型腔，其抗夹砂能力是不同的。
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。
主要从减少P气、增大气体侵入金属液的阻力，使气泡能从铸 件金属液中浮出等方面着手。 (1) 减少P气：减少型(芯)的发气量、发气速度和使气体容 易排出。 (2) 增大气体侵入金属液的阻力。 (3) 使气泡能从金属液中浮出：适当提高浇注温度和浇注速 度，避免浇注时型腔中有大的水平面，设置冒口等。
粘砂是铸钢、铸铁件生产中常见的铸造缺陷之一。铸件部 分或整个表面粘着一层型砂与金属氧化物形成的化合物称为粘 砂。粘砂大多发生在铸件的厚壁部分、浇冒口附近等部位，通常 铸钢比铸铁件粘砂严重，湿型铸造比干型严重。
液体金属浇入铸型中，在铸件没有凝成足够的硬壳前， 型壁受到金属液的静压强为：
p静 gh(1 4)
P静 随h增大而增大，h在浇注终了时达到最大值。 浇注时，型壁表面受到金属液的动压力：
P动 Fvv Fv (1 5)
2
p动