金屬材料的液態(tài)成形工藝鑄造

1、本章教學學時：46本章學習指南：本章的重點內(nèi)容：鑄造工藝基礎部分。要求學生掌握應掌握合金成分、工藝條件對液態(tài)合金充型能力、合金收縮性、吸氣性等鑄造性能的影響，以便能夠分析不同合金獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的難易程度，并分析應采取的工藝措施。難點內(nèi)容：有些防止鑄件缺陷的工藝措施是相互矛盾的，如高溫澆注有利于金屬液充型，但易產(chǎn)生粘砂缺陷；鑄件順序凝固有利于補縮，但易產(chǎn)生熱應力，等。因此，應要提醒學生綜合考慮鑄件合金、結(jié)構(gòu)等因素，先解決主要矛盾，再采取措施解決其他問題。本章的教學方式：講課與學生自學相結(jié)合。主要教學內(nèi)容：第一節(jié) 金屬鑄造工藝簡介金屬鑄造是指將固態(tài)金屬熔煉成液態(tài)，澆入與零件形狀相適應的鑄型型腔中，冷

2、凝后獲得鑄件的工藝過程。根據(jù)造型材料不同，可將鑄造方法分為砂型鑄造和特種鑄造兩類。砂型鑄造是以型砂作為主要造型材料的鑄造方法；而特種鑄造是指砂型鑄造以外的所有鑄造方法的總稱。常用的特種鑄造方法有熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造和離心鑄造等。圖4-1所示為砂型鑄造工藝過程示意圖。 圖4-1砂型鑄造基本工藝過程第二節(jié) 鑄造工藝基礎知識合金在鑄造生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出來的工藝性能稱為合金的鑄造性能，如流動性、收縮性、吸氣性、偏析性（即鑄件各部位的成分不均勻性）等。一、液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。1金屬液的流動性液態(tài)金屬的流動性是指

3、金屬液的流動能力。流動性越好的金屬液，充型能力越強。流動性的好壞，通常用在特定情況下金屬液澆注的螺旋形試樣的長度來衡量，如圖4-2所示。圖4-2金屬流動性試樣 圖4-3 Fe-C合金流動性與含碳量關(guān)系1-試樣；2-澆口；3-冒口；4-試樣凸點圖4-3為鐵碳合金的流動性與成分的關(guān)系。2澆注條件提高澆注溫度，可使液態(tài)金屬粘度下降，流速加快，還能使鑄型溫度升高，金屬散熱速度變慢，并能增加金屬保持液態(tài)的時間，從而大大提高金屬液的充型能力。但澆注溫度過高，容易產(chǎn)生粘砂、縮孔、氣孔、粗晶等缺陷。因此在保證金屬液具有足夠充型能力的前提下，澆注溫度應盡量降低。增加金屬液的充型壓力，如壓鑄、提高直澆道高度等，會

4、使其流速加快，有利于充型能力的提高。3鑄型特性鑄型結(jié)構(gòu)和鑄型材料均影響金屬液的充型。為改善鑄型的充填條件，在設計鑄件時必須保證其壁厚(Wall Thickness)不小于規(guī)定的“最小壁厚”(如表4-1所示)。表4-1一般砂型鑄造條件下，鑄件的最小壁厚（mm）鑄件尺寸(mm)鑄鋼灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金200×20084665335200×200500×5001012610128468500×500152015206二合金的凝固特性合金從液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱為凝固或一次結(jié)晶。1逐層凝固純金屬、二元共晶成分合金在恒溫下結(jié)晶時，凝固過程中鑄件截面

5、上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱?，截面上固液兩相界面分明，隨著溫度的下降，固相區(qū)由表層不斷向里擴展，逐漸到達鑄件中心，這種凝固方式稱為“逐層凝固”，如圖4-4a。如果合金的結(jié)晶溫度范圍很小，或鑄件截面的溫度梯度很大，鑄件截面上的凝固區(qū)域就很窄，也屬于逐層凝固方式。2體積凝固當合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件截面溫度梯度很小，鑄件凝固的某段時間內(nèi)，其液固共存的凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個鑄件截面，這種凝固方式稱為“體積凝固”（或稱糊狀凝固），如圖4-4c。3中間凝固金屬的結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬，但鑄件截面溫度梯度大，鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谥饘幽膛c體積凝固之間，稱為“中間凝固”方法，如圖4-4

6、b。圖4-4鑄件的凝固方式合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固；對于一定成分的合金，結(jié)晶溫度范圍已定，凝固方式取決于鑄件截面的溫度梯度，溫度梯度越大，對應的凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固，如圖4-5。三、合金的收縮性1. 收縮及其影響因素鑄件在冷卻過程中，其體積和尺寸縮小的現(xiàn)象稱為收縮，它是鑄造合金固有的物理性質(zhì)。金屬從液態(tài)冷卻到室溫，要經(jīng)歷三個相互聯(lián)系的收縮階段：液態(tài)收縮從澆注溫度冷卻至凝固開始溫度之間的收縮。 凝固收縮從凝固開始溫度冷卻到凝固結(jié) 圖4-5溫度梯度對凝固區(qū)域的影響束溫度之間的收縮。固態(tài)收縮從凝固完畢時的溫度冷卻到室溫之間的收縮。影響鑄件收縮的主要因素有化學成

7、分、澆注溫度、鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件等。不同成分合金的收縮率不同，表4-2列出幾種鐵碳合金的體積收縮率。4-2幾種鐵碳合金的收縮率合金種類碳素鑄鋼白口鑄鐵灰口鑄鐵球墨鑄鐵體收縮率(%)1014121458線收縮率（自由狀態(tài)）(%)2收縮導致的鑄件缺陷 (1)縮孔和縮松鑄件在凝固過程中，由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積減小得不到液態(tài)金屬的補充，在鑄件最后凝固的部位形成孔洞?？s孔常集中在鑄件的上部或厚大部位等最后凝固的區(qū)域，如圖4-6所示。縮松常分布在鑄件壁的軸線區(qū)域及厚大部位，如圖4-7所示。圖4-6縮孔形成示意圖a) 金屬液充滿型腔 b) 鑄件表層凝固 c) 液面下降 d)縮孔形成圖4-7縮松

8、形成示意圖a) 凝固初期 b) 寬的固液共存區(qū) c） 中心線縮松形成防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的基本方法是采用順序凝固原則，即針對合金的凝固特點制定合理的鑄造工藝，使鑄件在凝固過程中建立良好的補縮條件，盡可能使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，并使縮孔出現(xiàn)在最后凝固的部位，在此部位設置冒口補縮。使鑄件的凝固按薄壁厚壁冒口的順序先后進行，讓縮孔移入冒口中，從而獲得致密的鑄件，如圖4-8所示。(2)鑄造應力、變形和裂紋鑄造應力按其形成原因的不同，分為熱應力、機械應力等。圖4-8順序凝固示意圖 圖4-9 同時凝固示意圖減少鑄造應力就應設法減少鑄件冷卻過程中各部位的溫差，使各部位收縮一致，如將澆口開在薄壁處，在厚壁處安放冷

9、鐵，即采取同時凝固原則，如圖4-9所示。鑄造應力是導致鑄件產(chǎn)生變形和開裂的根源。圖4-10為“T”形鑄件在熱應力作用下的變形情況，虛線表示變形的方向。當鑄造應力超過材料的強度極限時，鑄件會產(chǎn)生裂紋，裂紋有熱裂紋和冷裂紋兩種。圖4-10 熱應力引起的變形四、合金的吸氣性及氣孔液態(tài)金屬在熔煉和澆注時能夠吸收周圍氣體的能力稱為吸氣性。氣孔是鑄件中最常見的缺陷。1. 析出性氣孔溶入金屬液的氣體在鑄件冷凝過程中，隨溫度下降，合金液對氣體的溶解度下降，氣體析出并留在鑄件內(nèi)形成的氣孔稱為析出性氣孔。2. 侵入性氣孔 造型材料中的氣體侵入金屬液內(nèi)所形成的氣孔稱為侵入性氣孔。3. 反應性氣孔反應性氣孔主要是指金

10、屬液與鑄型之間發(fā)生化學反應所產(chǎn)生的氣孔。五、常用鑄造合金的鑄造性能特點1鑄鐵(1)灰口鑄鐵 灰鑄鐵中的碳當量（C.E=C%+ Si%/3）接近共晶成分，熔點較低，屬于中間凝固方式，鐵水流動性好，可以澆注形狀復雜的大、中、小型鑄件。由于石墨化膨脹使其收縮率小，故灰口鑄鐵不容易產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷，也不易產(chǎn)生裂紋。因而灰口鑄鐵具有良好的鑄造性能。孕育鑄鐵是鐵水經(jīng)硅鐵等孕育劑處理后獲得的高強度灰口鑄鐵。與普通灰口鑄鐵相比，它的流動性較差，收縮率較高。故應適當提高澆注溫度，在鑄件熱節(jié)處設置補縮冒口。(2)球墨鑄鐵球墨鑄鐵的鑄造性能比灰口鑄鐵差但好于鑄鋼。其流動性與灰口鑄鐵基本相同。但因球化處理時鐵水溫度

11、有所降低，易產(chǎn)生澆不足、冷隔缺陷。為此，必須適當提高鐵水的出爐溫度，以保證必需的澆注溫度。球墨鑄鐵的結(jié)晶特點是在凝固收縮前有較大的膨脹(即石墨化膨脹)，當鑄型剛度小時，鑄件的外形尺寸會脹大，從而增大縮孔和縮松傾向，特別易產(chǎn)生分散縮松。應采用提高鑄型剛度，增設冒口等工藝措施，來防止縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。 (3)可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵是先澆注出白口鑄坯，再通過長時間的石墨化退火獲得的石墨呈團絮狀的鑄鐵。其碳、硅含量較低，熔點比灰鑄鐵高，凝固溫度范圍也較大，故鐵水的流動性差。鑄造時，必須適當提高鐵水的澆注溫度，以防止產(chǎn)生冷隔、澆不足等缺陷?？慑戣T鐵的鑄態(tài)組織為白口組織，沒有石墨化膨脹階段，體積收縮和線收

12、縮都比較大，故形成縮孔和裂紋的傾向較大。在設計鑄件時除應考慮合理的結(jié)構(gòu)形狀外，在鑄造工藝上應采取順序凝固原則，設置冒口和冷鐵，適當提高砂型的退讓性和耐火性等措施，以防止鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋及粘砂等缺陷。2鑄鋼鑄鋼的鑄造性能差。鑄鋼的流動性比鑄鐵差，熔點高，易產(chǎn)生澆不足、冷隔和粘砂等缺陷。生產(chǎn)中常采用干砂型，增大澆注系統(tǒng)截面積，保證足夠的澆注溫度等措施，提高其充型能力。鑄鋼用型（芯）砂應具有較高的耐火性、透氣性和強度，如選用顆粒大而均勻、耐火性好的石英砂制作砂型，烘干鑄型，鑄型表面涂以石英粉配制的涂料等。鑄鋼的收縮性大，產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋等缺陷的傾向大，所以，鑄鋼件往往要設置數(shù)量較多、尺寸較大的冒口，采用順序凝固原則，以防止縮孔和縮松的產(chǎn)生，并通過改善鑄件結(jié)構(gòu)，增加鑄型（型芯）的退讓性和潰散性，增設防裂筋，降低鋼水硫、磷含量等措施，防止裂紋的產(chǎn)生。3鑄造有色金屬常用的有鑄造鋁合金