工程材料液態(tài)成型實驗指導書.doc

開放實驗指導書 大綱實驗名稱: 工程材料液態(tài)成型引言什么是液態(tài)成型金屬的液態(tài)成型常稱為鑄造，鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進鑄型里，經冷卻凝固、清整處理后得到有預定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過程。 圖-1 鑄造示意圖一、實驗目的1了解鑄造的概念及基本原理；2了解并掌握鑄造的基本工藝及其主要的工藝參數(shù)；3了解并掌握鑄造過程中金屬從液態(tài)到固態(tài)轉變過程中影響金屬性能和鑄件質量的一些基本因素；4了解金屬收縮的基本規(guī)律，以及常見鑄造缺陷縮的形成機理，及其影響因素。二、實驗原理1. 鑄造的定義 鑄造過程是指將金屬置于熔煉爐內的坩堝中,加熱熔煉成符合一定要求的液體并澆鑄到錠模或鑄模中，經冷卻凝固, 液態(tài)金屬轉變成固態(tài)金屬, 清整處理后獲得一定形狀、尺寸的鑄件或鑄件的工藝過程。鑄造毛胚因近乎成形，而達到免機械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了時間鑄造是現(xiàn)代機械制造工業(yè)的基礎工藝之一.鑄造工藝可分為三個基本部分，即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理。 鑄造金屬是指鑄造生產中用于澆注鑄件的金屬材料，它是以一種金屬元素為主要成分，并加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金，習慣上稱為鑄造合金，主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。2. 鑄造的分類鑄造種類很多，按造型方法習慣上分為：普通砂型鑄造，包括濕砂型、干砂型和化學硬化砂型3類。特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負壓鑄造、實型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類。2.1 普通砂型鑄造以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，液態(tài)金屬在重力下充填鑄型來生產鑄件的鑄造方法。鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。由于砂型鑄造所用的造型材料價廉易得，鑄型制造簡便，對鑄件的單件生產、成批生產和大量生產均能適應，長期以來，一直是鑄造生產中的基本工藝。 圖-2 砂型鑄造示意圖2.2 特種鑄造但隨著科學技術的發(fā)展，對鑄造提出了更高的要求，要求生產出更加精確、性能更好、成本更低的鑄件。為適應這些要求，鑄造工作者發(fā)明了許多新的鑄造方法，這些方法統(tǒng)稱為特種鑄造方法，即特種鑄造。 圖-3熔模鑄造示意圖 圖-4壓力鑄造示意圖圖-5 消失模鑄造示意圖 圖-6 連續(xù)鑄造示意圖 圖-7 離心鑄造示意圖特種鑄造具有以下優(yōu)勢: 鑄件尺寸精確，表面粗糙值低，更接近零件最后尺寸，從而易于實現(xiàn)少切削或無切削加工。 鑄件內部質量好，力學性能高，鑄件壁厚可以減薄。 減低金屬消耗和鑄件廢品率。 簡化鑄造工序（除熔模鑄造外），便于實現(xiàn)生產過程的機械化、自動化。 改善勞動條件，提高勞動生產率。3. 鑄造過程中液態(tài)金屬的凝固過程凝固,是極為普遍的物理現(xiàn)象。物質凡由液態(tài)到固態(tài)的轉變一般都經歷凝固過程, 廣泛存在于自然界和工程技術領域。從雪花凝結到火山熔巖固化，從鋼鐵、有色金屬冶金生產中單鑄錠及連鑄錠的結晶到材料成形領域鑄件及焊縫的凝固,高分子塑料、橡膠在模具中的固化，以及高技術領域的超細晶、非晶、微晶材料的快速凝固, 半導體、激光晶體、超導體等功能材料的生長, 均屬凝固過程。 液態(tài)金屬凝固結晶的條件: 金屬熔體存在過冷. 圖-8 金屬凝固過程3.1合金的流動性流動性是指熔融金屬的流動能力。 合金流動性的好壞，通常以“螺旋形流動性試樣”的長度來衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。 流動性差：鑄件易產生澆不到、冷隔、氣孔和夾雜等缺陷。流動性好：易于充滿型腔，有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和對鑄件進行補縮。螺旋形流動性試樣衡量合金流動性，如圖1-2所示。在常用鑄造合金中，灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。圖-9 螺旋試驗影響熔融合金充型的條件: 鑄型的溫度低、熱容量大，充型能力下降；鑄型的發(fā)氣量大、排氣能力較低時，會使合金的充型能力下降；澆注系統(tǒng)和鑄件的結構越復雜，合金在充型時的阻力越大，充型能力下降；提高澆注速度、澆注溫度和增加直澆道的高度會使合金的充型能力提高。3.2 合金的充型能力 充型能力 考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬流動性叫合金的充型能力。合金的流動性是金屬本身的屬性，不隨外界條件的改變而變化，而合金的充型能力不僅和金屬的流動性相關，而且也受外界因素的影響。 充型能力的影響因素: 1）鑄型填充條件a）鑄型的蓄熱能力 即鑄型從金屬液中吸收和儲存熱量的能力。鑄型的熱導率和質量熱容越大，對液態(tài)合金的激冷作用越強，合金的充型能力就越差。b）鑄型溫度 提高鑄型溫度，可以降低鑄型和金屬液之間的溫差，進而減緩了冷卻速度，可提高合金液的充型能力。c）鑄型中的氣體 鑄型中氣體越多，合金的充型能力就越差。3.3 鑄件的凝固方式鑄件的凝固方式（1）逐層凝固方式 合金在凝固過程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開，這種凝固方式稱為逐層凝固。常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。（2）糊狀凝固方式合金在凝固過程中先呈糊狀而后凝固，這種凝固方式稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。（3）中間凝固方式 大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。凝固方式的影響因素 （1）合金凝固溫度范圍的影響 合金的液相線和固相交叉在一起，或間距很小，則金屬趨于逐層凝固；如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。 （2）鑄件溫度梯度的影響 增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉化。3.4 鑄造合金的收縮鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。它主要包括以下三個階段：1.液態(tài)收縮 金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。2.凝固收縮 熔融金屬在凝固階段的體積收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產生縮孔和縮松的基本原因。3.固態(tài)收縮 金屬在固態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應力、變形和裂紋等缺陷產生的基本原因。影響合金收縮的因素: 1. 化學成分 不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄剛的收縮最大，灰鑄鐵最小。2. 澆注溫度 合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。3. 鑄件結構與鑄型條件 鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實際收縮率就越小。收縮對鑄件質量的影響: 1. 縮孔和縮松 （1）縮孔的形成 縮孔總是出現(xiàn)在鑄件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：內表面粗糙，形狀不規(guī)則，多近于倒圓錐形。通?？s孔隱藏于鑄件的內部，有時經切削加工才能暴露出來。縮孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮。（2）縮松的形成宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。 圖-10 縮孔形成過程圖-11 縮孔形成過程在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會在鑄件內產生應力，引起變形或開裂，這種缺陷的產生，將嚴重影響鑄件的質量。 （1） 鑄造應力的產生 鑄造應力按其產生的原因可分為三種：a）熱應力 鑄件在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應力。b）固態(tài)相變應力 鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應力。c）收縮應力 鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力的阻礙而產生的應力。 鑄件鑄出后存在于鑄件不同部位的內應力稱為殘留應力。 圖-12 鑄件中應力分布 3.5 鑄件的常見缺陷 砂型鑄造鑄件缺陷有：冷隔、澆不足、氣孔、粘砂、夾砂等。三、實驗設備及材料準備1. 加熱爐(熔煉爐) 圖-13 熔煉爐2. 熔煉用金屬 圖-14 鋁錠 圖-15 鎂錠3. 熔煉工具坩堝、工具和錠模 圖-16 坩堝 圖-17 模具四、實驗過程及步驟1了解鑄造的基本設備并熟悉其基本操作；2爐前準備由于本試驗所用坯料需要加熱至液態(tài)金屬，所需時間較長，故在試驗前由指導老師提前加熱熔煉至700要求學生掌握配料的計算方法:根據(jù)熔制合金的實際重量W，計算各元素的需要量AAQ3. 精煉+澆注五、實驗報告工程材料液態(tài)成型實驗報告要求學院： 專業(yè)：姓名： 學號： 實驗時間：一、實驗目的和要求1.了解鑄造工藝的基本過程。2.通過具體的熔煉澆注工藝，了解基本概念，工藝特點，以用在日常生活中的具體應用。3.了解一種金屬材料(A356)的熔煉基本工序。二、實驗原理 鑄造過程是指將金屬置于熔煉爐內的坩堝中,加熱熔煉成符合一定要求的液體并澆鑄到錠模或鑄模中，經冷卻凝固, 液態(tài)金屬轉變成固態(tài)金屬, 清整處理后獲得一定形狀、尺寸的鑄件或鑄件的工藝過程。鑄造工藝可分為三個基本部分，即鑄造金屬準備、鑄型準備和鑄件處理。鑄造種類很多，按造型方法習慣上分為：普通砂型鑄造, 特種鑄造. 根據(jù)熔制合金的實際重量W，計算各元素的需要量AAQ三、主要儀器設備實驗所用設備包括：加熱熔煉爐, 熔煉用金屬, 坩堝, 熔煉工具,模具四、實驗內容及實驗