铸造工艺学第1章课件.pptx
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- 铸造 工艺学 课件
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1、 铸造用原砂按是否人工处理可分为天然型砂和合成型砂;按矿物组成可分为石英质砂和非石英质砂两类。自然界中砂和土都是岩石的风化产物,它们常常是混杂在一起的,其中还包含其他一些杂质。在铸造上将颗粒直径小于等于20m的称为泥分,大于20m的称为砂。1.1.石英质砂石英质砂 石英质砂也称硅砂,主要矿物组成为石英石,其主要化学成份是二氧化硅。铸造用硅砂是以石英为主要矿物成分、粒径为0.023.35 mm的耐火颗粒物。就其矿床在自然界的形成而言,铸造用硅砂可分三种:沉积砂、砂岩砂和人造硅砂。石英质砂来源广泛,价格低廉,是铸造行业中应用最广的原砂。2.2.非石英质砂非石英质砂 石英质砂以外的砂统称为非石英质砂
2、,又统称为特种砂。主要有:锆砂、铬铁矿砂、镁砂、镁橄榄石、石灰石砂、耐火熟料等。3.3.铸造用砂选择铸造用砂选择 并不是所有的砂子都可以供铸造生产使用,必须根据铸造金属液的性质、铸件大小、铸件壁厚、铸型和粘结剂特点,合理选择原砂。要结合铸件的品质要求和生产的经济性要求综合选择。主要考察原砂的纯度、含泥量、颗粒组成、颗粒形状、烧结点等重要指标。(1)铸造用砂的含泥量 原砂中颗粒直径小于0.020mm(20m)部分所占的质量分数统称为原砂的含泥量。原砂的含泥量对型砂的强度、透气性和耐火度等性能都有很大的影响。(2)铸造用砂的颗粒组成 铸造用砂的颗粒组成采用铸造标准筛经筛分后测定。我国GB/T 94
3、42-2010规定标准筛由12个筛号和底盘共12层组成。(3)铸造用砂的颗粒形状 铸造用原砂的粒形概略地分为三类,即圆形、多角形和尖角形,分别用符号“”、“”、“”表示,如图1-1所示。(5)耐火度及最低共熔点 耐火度和熔点这两个概念都与耐火材料由固态转变为液态有关,它们表征了耐火材料抵抗高温的能力。(6)热稳定性和热化学稳定性 热稳定性亦称抗热冲击性,是指耐火材料抵抗温度急剧变化而不开裂的性能。在高温液态金属的热作用下,铸造用砂应具有良好的热化学稳定性,即不与液态金属及其氧化物发生反应,不与粘结剂、添加剂等形成低熔点的共熔物,否则,将使铸件产生粘砂、麻点等缺陷。(7)铸造用硅砂的分类、表示方
4、法 GB/T 9442-2010根据铸造用硅砂的矿物组成、含泥量、颗粒组成和颗粒形状(角形因数),对石英砂进行了分类 砂型铸造用粘结剂的主要作用是将颗粒状或粉状造型材料形成有一定强度的连续粘结薄膜将砂粒粘结为一个整体而形成铸型。按粘结剂成膜过程的性质分类,亦即从粘结剂的粘结机理来看,粘结剂可分为物理成膜粘结剂和化学成膜粘结剂两大类。粘结剂按化学组成分类,可分为有机粘结剂与无机粘结剂两大类。粘结剂按物质来源分类,可分为天然粘结剂和人工合成粘结剂两大类。一、铸造用粘土一、铸造用粘土1.粘土分类与结构1)普通粘土 2)膨润土2.粘土-水体系 粘土中的水可分为吸附水和结构水两种。前者是指吸附在粘土矿物
5、层间、约在100200的较低温度下可以脱去的水:后者是以OH-基形式存在于粘土晶格中,其脱羟温度随粘土种类不同而异,波动在400600之间。对于粘土-水系统而言,吸附水往往是更为重要的。3.粘土的粘结机理 1)粘土矿物的胶体特性 粘土胶团结构如图1-4所示,在粘土胶团内粘土质点本身是带负电的胶核。紧靠胶核周围吸时着一些定向的偶极水分子和一些水化的阳离子,构成了围绕胶核的吸附层,随胶核一起在水中移动。胶核与吸附层构成胶粒,胶粒可以在水中独立运动。2)粘土的粘结机理 图1-5可以看出湿强度为表面联结强度和桥联结强度之和,大约在粘土晶层之间进去三层水分子(厚度为30.25 nm)时表面联结形成的粘结
6、力最大。二、粘土型二、粘土型(芯芯)砂的性能及其影响因素砂的性能及其影响因素 铸件质量与铸型质量密切相连,因此,正确拟定型砂配方,控制型砂性能,对提高铸件项量具有十分重要的意义。型砂应具备的性能很多,其中直接影响铸件质量的有;型砂的湿度、强度、透气性、发气性、耐火度、退让性和导热性等。影响铸件劳动生产率,同时也影响铸件质量的有:型砂的流动性、可塑性、吸湿性、不沾模性、出砂性及复用性等。1.强度 型砂强度有:湿强度、干强度、高温强度、热湿拉强度、表面强度及硬度等。2.透气性(1)影响型砂透气性的因素1)原砂的颗粒特性2)水分 图1-11为水分对型砂透气性的影响。(2)透气性的测定原理 3.流动性
7、 型砂在外力和本身重力的作用下,砂粒质点互相移动的能力称为流动性。型砂流动性主要取决于原砂颗粒特性、粘结剂的种类及加入量、含水量及混砂质量等。采用颗粒大且均匀,形状为圆形的原砂配制成的型砂,其流动性高。4.发气性 型(芯)砂在高温作用下产生气体的能力称为发气性,一般用发气量来衡量。发气量可用总发气量和比发气量两种方法表示。5.沾模性 型砂不沾附模样及芯食表面的性能称为不沾模性。沾模性强的型砂,造型制芯不方便,生产率低,铸件表面质量差。6.可塑性与韧性 可塑性是指型砂在外力作用下变形,外力去除后仍保持所赋予形状的能力。一般说来,凡是增加型砂湿强度的因素,均可提高可塑性。7.其它性能 (1)耐火度
8、 影响型砂耐火度的主要因素是原砂的矿物组成、颗粒特性、粘土种类及加入量等(2)退让性 在浇注钢铸件和镁合金等收缩率大的铸件时,要求型砂具有良好的退让性,否则铸件容易产生内应力、变形或裂纹等缺陷。退让性主要取决于型砂的高温强度,高温强度愈大退让性愈差。(3)复用性 型砂复用性又称耐用性。它指型砂经多次使用仍能保持原来性能的能力。复用性好的型砂在反复使用过程中需补充的新砂及粘土量少,原材料消耗少,型砂处理工作量也小,铸件成本降低。1.1.铸铁件用湿型砂的特点铸铁件用湿型砂的特点 铸铁件湿型砂的含水量一般控制在4.55.5,透气性一般为50100,湿压强度一般为5080kPa。一般手工造型时湿型砂的
9、紧实率控制在5060,普通机器造型用型砂的紧实率控制在4550,高压造型用型砂的紧实率控制在4045。铸铁件湿型用的原砂一般采用粒度组别为21或15的圆形或多角形的天然石英砂,粒度最好均匀分布在相邻四个筛号上,每个筛号上的停留量都在1035之间。铸铁件湿型砂普遍采用粘结性能较好的膨润土。2.2.煤粉的作用原理及应用煤粉的作用原理及应用 (1)煤粉受热燃烧产生大量的还原性气体,防止铁水被氧化,减少或防止金属氧化物与造型材料发生化学反应。(2)煤粉在高温液态金属热作用下产生大量的气体,使金属与铸型材料之间和砂粒孔隙中的气体压力猛增,有效地防止液态金属的渗入。(3)煤粉受热软化,结焦变成胶质体,堵塞
10、或减少砂粒的孔隙,使液态金属难以渗入。(4)煤粉中的挥发分在400以上的还原性气氛下裂解成光亮碳,它是一种微晶碳或不定型石墨,不被铁水及其他氧化物所润湿,有效隔绝了金属与铸型界面发生反应。(5)煤粉加热到一定温度的,干馏出煤焦油成为具有可塑性的胶质体,使型砂的塑性、退让性增加,减少型砂因受热膨胀而产生的内应力,有利于防止铸件产生夹砂等缺陷。3.3.铸钢件湿型砂铸钢件湿型砂 铸钢件湿型砂的含水量应严格控制,一般为45左右,面砂的透气性应大于100,背砂的透气性应在180200以上,湿压强度应大于55kPa,铸型的表面硬度应在8090左右。手工造型时型砂的紧实率控制在5055。4.4.高压造型用型
11、砂高压造型用型砂(1)高压造型用型砂的性能要求 高压造型用型砂的湿强度要求较高,多触头高压造型用型砂的湿压强度一般应大于80100 KPa,垂直分型无箱射压用型砂的湿压强度应大于140150kPa。高压造型特别强调型砂的常温湿拉强度,一般要求为2025kPa。(2)高压造型型砂配方特点 高压造型型砂的密度高,浇注时常因型砂膨胀使铸件产生夹砂等缺陷。因此,宜采用颗粒分散的原砂,以减少型砂的膨胀率,另外有的工厂采用粒度组别为相邻四个筛号的原砂,为了保证铸件的表而质量,宜采用粒度较细的圆形或多角砂。5.5.粘土型砂的配制粘土型砂的配制 型砂的配制包括三个方面的工作,即原材料的准备,型砂的混制和将混制
12、好的型砂调匀及松砂等工艺环节。所有的原材料必须在配砂前进行加工准备。(1)新砂(2)粘土(3)附加物(4)旧砂(5)混砂 混砂的质量主要取决于混砂工艺和混砂机的型式。1.铸型的温度场铸型的温度场 (1)数学分析法 金属和铸型的传热过程是非常复杂的不稳定导热过程,可用博立叶导热微分方程表示:在假定铸件和铸型均为半无限大平板,材质是均匀的,热物理常数不随温度变化,铸型后温度一致,并没有对流等条件下,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:式中,x为铸型中某点到金属铸型界面的距离;t为铸型中距型腔表面为x处的温度();t0为铸型的初始温度();tK为金属的温度();为铸型被加热的时间(
13、s);a为铸型的热扩散率;为铸型的热导率;c为铸型的比热容;为铸型材料的密度。在上述条件下根据铸型吸热和铸件放热的热平衡方程,可以得到铸型所吸收的热量Q:式中:b为铸型材料的蓄热系数;F为铸型的面积。2.实测法 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,其方法是测量铸型中距界面不同距离的地方的温度,绘制温度分布曲线。图1-9和图1-10分别为在干态砂型和湿砂型中浇注A1-30Cu合金铸件时,铸型中各点的温度变化曲线。图1-11和图1-12分别为浇注铝合金时干型和湿型的温度分布曲线。2.铸型的水分迁移铸型的水分迁移 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。
14、由于水分迁移的结果,在湿型中出现四个区域,如图1-13所示,第一区域干燥区(a区);第二区域水分饱和凝聚区(b区);第三区域过渡区(c区),也叫水分不饱和凝聚区;第四区域正常区(d区),它是从铸型温度为室温至砂箱壁处。3.3.金属液对铸型表面的冲刷作用金属液对铸型表面的冲刷作用 金属液沿铸型表面流动时对铸型表面进行摩擦,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。液体金属浇入铸型中,在铸件没有凝固成足够的硬壳前,型壁受到金属液的静压力为:式中,为金属液的密
15、度(kg/m3);g为重力加速度;h为金属压头的高度(m)。1.1.夹砂夹砂 夹砂缺陷是铸件常见的一类表面缺陷。夹砂是当铸型表层强度很低时,砂型表面层膨胀发生拱起和裂纹而形成的,此时铸件表面还没有凝固。夹砂分为夹砂结疤和鼠尾两类,金属液进入铸型表面层裂纹把烘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1-14(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1-14(b)所示。夹砂的形成过程如图1-15所示。历经高温烘烤、铸型表面变形翘曲、表干层开裂、金属液渗入、砂块脱落漂移、最终凝固等六个阶段。(1 1)夹砂的形成机理)夹砂的形成机理 夹砂的形成机理、有几种
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