液态金属成型工艺基础-3

液态金属成型工艺基础课件

第三节 金属与铸型的化学和物理化学作用一、金属-铸型界面产生气体的化学反应 1、水蒸气与合金元素的反应在金属液的热作用下，铸型这迅速产生出大量水蒸气。未能及时通过铸型排出去的高 温水蒸气，在界面处与金属液表面接触，将使后者氧化。金属液中元素Me与氧的亲 和力若比氢大，就会被氧化，如铁碳合金中的Fe、C、Si、Mn、Al等元素都 能与H2O发生作用，分别产生FeO、SiO、MnO、Al2O3等氧化物，使铸 件表面产生夹杂物或形成氧化膜和H。

mMe nH2O MemOn 2nH生成的H,一部分扩散进入金属中，使其中的氢含量增加，一部分聚合成氢分子后， 从砂芯中排出。

2、型砂组分的分解无机粘结剂或石灰石砂中的碳酸盐在900℃左右分解，产生CO2: 3 2

MeCO MeO CO

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树脂砂中的尿素、乌洛托品[(CH2)6N4]与高温金属接触后，首先分 解出氨气(NH3),氨气又继续分解

2NH 3 N 2 3H 2 树脂中烷烃的分解：

CH 4 C 2 H 2 Cn H 2 n 2 nC (n 1) H 2 3、固体碳的燃烧及气化反应浇注开始后，型腔及界面处的气体压力迅速升高，高于大气压力，将大气成分排挤掉，因 而铸型是在缺氧条件下被加热的。在充填铸型的初始阶段，界面上及沙粒间空气中的自由 氧，使合金成分氧化，造型材料中的自由碳(煤粉)等及有机物将燃烧至自由氧耗尽为止：

2C O2 2CO 2CO O2 2CO2

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经氧化热分解反应后，界面上形成一些活性气相成分，主要有：H2O、H2、CO、 CO2几种，加上铸型表面层中残存的固体碳将继续相互作用，使气相达到热力学平 衡，这时将发生：

CO2 H 2 CO H 2 O C CO2 2CO C H 2 O CO H 2 C 2 H 2 O CO2 2 H 2在一定温度下，H2-CO-CO2-H2O气相系中各相成分应达到平衡浓度：

Kp

PCO PH 2O PCO2 PH 2

f (t )

式中：PCO、PH2O、PCO2、PH2为界面上各气相分压。其平衡常数是温度 的函数，当t=810℃时，KP=1。

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二、反应性气孔形成机理 1、反应性气孔的特点 由于金属-铸型界面发生化学反应产生 分布较均匀, 往往在铸件表皮以下1--3mm处 数量多、尺寸小，孔径为1--3mm 多呈细长形, 铸钢件中为针孔状 表面光滑, 呈银白色(铸钢件),或呈金属光亮色, 或发暗

2、反应性气孔的形成机理(1)铸钢件中的针孔---CO引起针孔的学说发生过程： a)界面反应：

Fe H 2O FeO 2H Fe CO2 FeO CO

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b)枝晶内发生反应 ： FeO C

Fe CO CO2 2 FeO CO Fe2O3

c) d) e) f)

生成的CO进入钢液中，在晶界面处形成气核 未成气核的CO、钢中的氢、氮扩散进入气核，气泡长大 铸件形成硬皮后，小气泡沿阻力最小且平行于金属拄状晶增长的方向增长 当温度降低到一定程度，或FeO、CO浓度低于临界值时，针孔停止长大

影响因素：

界面气氛、铸件尺寸、钢液质量(2)关于氢引起的皮下气孔的学说形成过程： a)b) 高温金属液与水蒸气反应产生大量的氢 钢液脱氧不好，发生反应：

2[ H ] FeO H 2O Fe

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c) d) e)

生成的水附着在生长着的晶粒上成为气泡的核心 凝固过程中析出的氢和由界面侵入的氢向气泡核心集中, 气泡长大 气泡来不及逸出时，成为皮下气孔

影响因素： 钢液的质量---氢、氧的含量 界面气氛中氢、氧的含量

三、粘砂现象概念：铸件的表面夹持有型砂或粘附有一层难以清除的含砂物质 发生部位：多发生在型、芯表面受热作用强烈的部位，如厚壁表面、热节处等等。 危害：影响铸件的外观、增加清理工时、加速切削刀具的磨损、影响某些机械的使用性能。

分类：根据引起粘砂的原因分为机械粘砂和化学粘砂

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1、机械粘砂(物理粘砂)概念:由金属液渗入铸型表面的微孔中形成 形成条件:P金≥P临=P毛+P气-P腔 影响因素:1) 砂型的背压 2) 表面张力和润湿性 3) 铸型的种类和性能 原砂种类的影响--蓄热系数、与铁水的润湿状况 原砂颗粒组成与型砂透气性的影响 型砂紧实度的影响

4) 金属的凝固时间

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防止机械粘砂的措施

根据铸件及其材质的特点选配型砂型砂中加入能产生光泽碳的炭质材料 型砂中加入能提高铸型背压或能产生隔离层的附加物,保 证型砂的紧实度

使用在高温下不开裂、不烧结的涂料

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2、化学粘砂概念:金属氧化物与造型材料相互作用的产物，根据它们与铸件相结合的牢固程度不同，可分为易剥离的粘砂和难剥离的粘砂。一般说化学粘砂多出现在铸钢件上， 某些大的铸铁件上也可能发生。

形成条件:金属氧化物与造型材料发生化学反应，生成粘砂层常见的说法：FeO与粘土分解时产生的SiO2反应，生成铁橄榄石 2FeO+SiO2=Fe2SiO4造成粘砂

人们认为： 粘砂层组成:合金 铸钢

在化学粘砂中起主要作用的FeO外层 Fe2O3 中间层 Fe3O4 内层 FeO

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