金屬材料成形工藝及控制課件 2.1 鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象

第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)幾個(gè)概念：緊實(shí)度(degreeofcompaction)：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)型砂的質(zhì)量。反映型砂的緊實(shí)程度顆粒組成(grainsizeanddistribution)：砂粒的粗細(xì)程度和粗細(xì)分布的集中程度孔隙率(holeratio)n：多孔物體的一個(gè)重要的物理性能。指的是微孔的容積占物體總?cè)莘e的比率。一、砂型的特點(diǎn)砂型是一個(gè)毛細(xì)管(capillary)

－多孔隙的體系，或微孔－多孔隙的體系。第2章金屬-鑄型的界面作用及鑄件缺陷控制2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)圖2.1型砂結(jié)構(gòu)示意圖1－原砂砂粒；2－粘結(jié)劑；3－附加物；4－微孔二、微孔的特征總的孔隙率、微孔尺寸及微孔按尺寸的分布三、影響n、r的因素①砂子的顆粒組成②緊實(shí)度③澆注溫度t不同，熔化或燒失的程度不同，n、r變大或變小不定。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.1砂型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)熱擴(kuò)散率（導(dǎo)溫系數(shù)）α—表示鑄型內(nèi)部溫度場(chǎng)均勻化的能力。α越大，溫度場(chǎng)越均勻。

α=λ/（ρc）

ρ為鑄型密度；c為比熱容

2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能λ—熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）：沿著導(dǎo)熱方向的單位長(zhǎng)度上，溫度改變1℃，所容許導(dǎo)過(guò)的比熱流量。λ表示物體導(dǎo)熱能力的大小。λ越大，表示鑄型從金屬吸收的熱量能很快從溫度較高的鑄型內(nèi)表面?zhèn)鲗?dǎo)到溫度較低的“后方”，鑄型內(nèi)表面溫升較慢，而保持繼續(xù)吸熱的能力。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能蓄熱系數(shù)b—表示鑄型從金屬中吸取熱量并儲(chǔ)存在其中的能力。

b=（ρcλ）1/2實(shí)效熱物理特性值：不考慮鑄型在熱作用下發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、相變等對(duì)熱量的蓄積和遷移的影響，而測(cè)得的熱物理特性值。如實(shí)效λ、c等。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能傳熱的三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射對(duì)流：即熱對(duì)流，指流體內(nèi)部各部分發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。如在暖氣片上吸熱后上升的熱空氣，把熱量帶到房間其它地方。對(duì)流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。流體掠過(guò)物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱為對(duì)流換熱或簡(jiǎn)稱放熱。如暖氣片外壁與房間內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能圖2.2溫度對(duì)以硅砂和非石英質(zhì)砂為基的型砂的熱導(dǎo)率的影響1~4－分別為傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射和累加的實(shí)效熱導(dǎo)率曲線2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能圖2.3溫度對(duì)膨潤(rùn)土型砂的熱導(dǎo)率的影響型砂緊實(shí)度：1－1.3g/cm3；2－1.4g/cm3；3－1.5g/cm32.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.2砂型的傳熱及其熱物理性能2.1.3砂型的受熱過(guò)程圖2.4樹脂砂型及鑄件溫度場(chǎng)和它的最高到達(dá)溫度與距界面距離的關(guān)系A(chǔ)~G－分別為離界面距離為0、2.0、7.5、17.5、27.5、42.5、47.5mm時(shí)鑄型的溫度；H、I－分別為鑄件中心及離界面2.0mm處的鑄件溫度；Tmax－鑄型內(nèi)最高到達(dá)溫度與離界面距離的關(guān)系曲線2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.3砂型的受熱過(guò)程圖2.6濕態(tài)砂-粘土鑄型的溫度場(chǎng)（30mm平板鑄鐵件）和鑄件凝固時(shí)鑄型中的溫度曲線1、濕度曲線2和強(qiáng)度曲線3的分布示意圖干砂區(qū)D（drysand)飽和凝聚區(qū)（saturatedcondensationzone)不飽和凝聚區(qū)（unsaturatedcondensationzone)濕型砂區(qū)（未受影響區(qū)）（greensandzone)2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.4傳質(zhì)現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移傳質(zhì)：一種物質(zhì)在另一種媒介物質(zhì)中的傳遞圖2.7澆注時(shí)濕型中的水分分布示意圖D－干砂區(qū)(100℃以上)；M－凝聚區(qū)(100℃)；U－不飽和凝聚區(qū)(100℃~室溫)；G－未受影響區(qū)；→熱源1－鑄型-金屬界面；2－蒸發(fā)界面；3－凝聚界面濕型中出現(xiàn)水分遷移時(shí)，熱通過(guò)兩種方式傳遞：①通過(guò)溫度梯度進(jìn)行導(dǎo)熱，未被干砂區(qū)吸收的熱傳導(dǎo)至蒸發(fā)界面使水分汽化②靠蒸氣相遷移傳遞熱。蒸氣相的遷移依賴于蒸汽的壓力梯度對(duì)流：即熱對(duì)流，指流體內(nèi)部各部分發(fā)生相對(duì)位移而引起的熱量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。如在暖氣片上吸熱后上升的熱空氣，把熱量帶到房間其它地方。對(duì)流只能發(fā)生在流體內(nèi)部。流體掠過(guò)物體壁面因溫度差而引起的熱量交換，稱為對(duì)流換熱或簡(jiǎn)稱放熱。如暖氣片外壁與房間內(nèi)空氣之間的對(duì)流換熱。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.4傳質(zhì)現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移影響M區(qū)水分的因素：熱濕拉強(qiáng)度2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象2.1.4傳質(zhì)現(xiàn)象和砂型表層的水分遷移圖2.8濕型受熱時(shí)不同時(shí)間的界面位置（天然石英砂，濕型水分8.7％，38mm厚鋁板鑄件）1－蒸發(fā)界面；2－凝聚界面；d1及d2－分別為1min時(shí)間里干砂區(qū)和飽和凝聚區(qū)移動(dòng)的距離★砂型受熱時(shí)的膨脹砂型受熱時(shí)各組分的體積變化石英砂受熱膨脹：一般的熱膨脹（隨溫度升高而均勻膨脹）相變膨脹（加熱到575℃時(shí)由β石英變?yōu)棣潦ⅲ?.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象圖2.9石英的低溫型-高溫型轉(zhuǎn)變砂型受熱時(shí)各組分的體積變化2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象★砂型受熱時(shí)的膨脹圖2.10幾種材料的熱膨脹的比較砂型受熱時(shí)各組分的體積變化粘土：粘土膜受熱失水收縮煤粉：有機(jī)物與無(wú)機(jī)物的混合物。在隔空氣（或在鑄型的封閉環(huán)境中）加熱至300~600℃時(shí)析出氣體和焦油，軟化熔融，有塑性，吸收型砂膨脹。2.1鑄型中的傳熱與傳質(zhì)現(xiàn)象★砂型受熱時(shí)的膨脹砂型受熱時(shí)各組分的體積變化砂型受熱時(shí)的膨脹微觀膨脹：砂粒的膨脹被濕粘土膜的收縮抵消，或砂粒間相互移動(dòng)的力小于砂型外部阻力以致僅減小砂粒間空隙，并不引起砂型外部尺寸變化。宏觀膨脹：砂粒間空隙已難以再減小，或者使砂粒間相