金属与铸型的相互作用
出处：按学科分类—工业技术 北京工业大学出版社《热加工手册》第166页（3439字）
在铸件生产过程中，液体金属直接与铸型工作面或内腔接触，液体金属与铸型间产生一系列相互作用而引起的反应，如热传导、热辐射、热传递等热作用以及化学、物理反应．这些作用将产生不同的后果，有些是铸件上的缺陷如黏砂、包砂、热裂、气孔等．研究金属液体进入型腔后所发生的各种现象是解释铸件缺陷形成机理的基矗也是进一步改善工艺、解决质量问题的依据．
3．2．4．1 金属对铸型的热作用及其伴生现象
1．金属对铸型的加热
热作用是液体金属对铸型作用的主要形式．金属液通过热传导、辐射和对流将热量传递给冷却的铸型．浇注后，当温度达到平衡时，金属和铸型同时冷却．如图3-32所示，通过实验可以证实型腔内表面的温度变化与铸件的温度变化是相对应的，而型腔壁的温度变化与型腔铸造材料有关，这是导热性不同所决定的，也就是说浇注液体后在不同深度的各层中，同一时间内存在一定的温度差．而不同合金液体加热砂型都具有这一特点．
图3-32 型内壳与铸件冷却示意图
2．铸型内壳中的各种热伴生现象
当液体金属对铸型发生热传导作用时将随之产生一系列伴生现象，如水分迁移、有机物燃烧、化合物分解、收缩与膨胀等．水分迁移是指铸型内壳中的自由水和水蒸气向铸型深层迁移并在高温下逐渐除去的过程．这在湿型铸造中尤为明显．水分迁移一般具备如下特征：
(1)由于温度梯度所造成的水的表面张力的差值，促使水分在铸型中从高温处向低温处流动．
(2)内壳表面层中水蒸气压力挤压铸型中其他各层水分，因此促使水分往里层迁移．
(3)内壳表面层中水蒸气扩散而凝聚在里层低温处．
在凝聚过程中产生的水分有时堵塞了砂粒间的空隙，降低了透气性，阻碍气体外逸，提高了气体压力而在金属液中形成气孔，造成铸件缺陷．此外，水蒸气的凝聚使铸件强度降低，且铸件厚大时，金属液热作用时间长而液体静压力增强，内壳表面层支持不够而可能造成变形，引起胀砂，损坏铸型，这种现象在铸钢中常见．在普通造型所常用的型砂中黏土占有一定的比例．黏土浸湿后会膨胀，含胶质越多膨胀越厉害．但干燥后黏土由于失去水分而收缩，又由于失去塑性而变脆，所以在干型烘干或湿型浇注时铸型内壳表面极易发生开裂．膨润土作为黏结剂使用也不易以干型砂造型而多用湿砂造型．在金属对铸型产生热作用的情况下，黏土收缩、石英砂膨胀是铸件产生某些缺陷的原因之一．在热作用下同样由于温度分布不均匀而使铸型中产生内应力．一般可以认为，黏土的收缩起作用时易产生拉应力；而石英砂膨胀起作用时产生压应力．应力是铸型内壳表面产生开裂、变形的主要原因．
3．2．4．2 金属和铸型内壳间的相互化学作用及其伴生现象
金属对铸型的热作用而使之发生一系列化学过程．铸造金属的氧化，熔融金属氧化物与造型材料中石英砂粒、黏土等组成物间形成的新化合物，造型材料某些组成物的燃烧、升华所产生的大量气体等各种现象都是化学反应过程，也是使铸件质量变化的原因．同时由于化学过程的演变而出现的一些重要伴生现象正是研究金属与铸型间相互作用的基础．
1．内壳的熔化
液体金属对铸型材料的热作用可能使铸型内壳表面和金属氧化物的化合物达到熔化温度，结果在金属与铸型交界面上形成新相．这种新的液相如果能湿润造型材料，则易于使金属液体渗入铸型孔隙中，形成黏砂．如果新液相不溶或难溶于金属液而起到隔离作用，金属不被氧化，则可得光滑表面，不会黏砂．所以研究新液相的化学组成、物理特性及形成条件是防黏砂的一个主要途径．
2．铸型材料的溶解
铸型材料中所含物质有些能溶解于液体金属中，所以铸件表面有可能被内壳表面层的某些物质所饱和，结果改变了铸件表面的化学性质，同时也改变了表面的性能．利用这种相互作用的特点来改变铸件表面性质的方法叫表面合金化．例如用含粉状的铁铬合金涂料在钢液浇注时溶入钢液中使铸件表面有很高的耐磨性．表面合金化既节约金属又可满足铸件某些特殊要求．
3．吸气性
金属液体在浇注时或金属在熔化过程中都会吸气，像铸铁或钢都容易吸收铸型中析出的氢气．这些在金属与铸型界面上的氢分解能力很高而致使溶解在气孔中，在铸件凝固后，氢仍能很好地扩散，使之产生氢脆，造成缺陷．
3．2．4．3 金属对铸型的机械作用及其伴生现象
在浇注时，液体金属要流入型腔，对型壁产生冲刷，而浇注完毕后，液体金属对型腔内壁也要产生很大的压力，尤其金属在凝固过程中由于体积膨胀而对内壁产生的压力，都可能造成型腔的损坏．由金属液产生的压力的作用是铸型在机械作用下发生损坏的重要原因．
1．金属液的冲击作用
浇注时金属液运动速度较快，铸型中某些部分由于受到冲击而破坏，冲掉的砂块会随金属液流到新的地方而形成“夹砂”，掉砂块地方又多了个“肿瘤”．一般来讲受冲击最厉害的地方是直浇道下部，所以在设计时将受冲击厉害的地方做成圆坑，以减少“夹砂”，或者在冲击处用耐火砖来代替普通型砂．
2．金属液的冲刷作用
高温金属流在充型过程中有冲刷作用．冲刷下来的非金属砂粒、涂料也会使铸件产生“夹砂”缺陷．在型腔设计时，还必须考虑到冲刷作用所带来的后果．如对于圆柱形铸件往往要采用切线引入金属液，在铸件中心放冒口，使非金属夹杂物由于液流的离心力作用旋转到中心，升至冒口处，这样就避免了“夹砂”、“渣眼”缺陷的存在．
3．型芯的变形
型芯整体或局部刚性不足，在金属浮力作用下会发生变形．这无疑会给铸件造成缺陷．采用刚性大的型芯铁架、加装支撑、缩短跨距等是解决
型芯因高温而变形的方法．
4．包砂
包砂(也叫结疤、起皮、起格子等)是铸件表面的一种缺陷．包砂的一般特征是铸件中夹有一层砂壳，这是在金属液热作用下从铸型内壳表面脱落下来的．造成这种缺陷的原因很多，主要是黏结剂性能的影响．其次是铸型种类、金属液作用时间以及铸型结构、工艺特点等因素．由于铸型中各层温度差和石英膨胀形成的热应力而使内壳表面层和里层产生相对移动，破坏了内壳表面，脱离铸型主体，形成“包砂”．铸型中总的含水量愈多愈易产生内壳表面层脱离铸型现象．通常解决办法是大平面上刻槽，使之分割成小平面；在金属液引入地方插钉子；使铸型砂紧实均匀以及保证液体均匀充型等．
5．黏砂
黏砂指部分铸型内壳与铸件表面黏结形成一种表面缺陷．它使铸件表面粗糙度升高，给清理带来困难．黏砂一般是砂型紧实度不均匀、砂粒间隙大、金属液渗入间隙中造成的．当然金属液的浇注温度也是形成黏砂的原因之一．解决上述问题就可以防止黏砂的形成．对于因化学作用而产生的黏砂是个较复杂的问题，有待进一步研究解决．