第六章 金屬液態(tài)成型(一-理論基礎(chǔ))

1、機械制造基礎(chǔ)機械制造基礎(chǔ)機械工程學(xué)院機械工程學(xué)院 陳列陳列 TELQ：56930436制造業(yè)是一個國家的立國之本、民族產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)制造業(yè)是一個國家的立國之本、民族產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)壓力加工油漆車身裝配內(nèi)部裝飾驅(qū)動橋裝配變速箱裝配輪胎裝配底盤裝配 車身安裝 最后試驗發(fā)動機裝配發(fā)動機試驗機械加工熱處理鍛造熔化造型澆鑄壓鑄油漆機械加工自動線熱處理 性質(zhì)：機械制造基礎(chǔ)性質(zhì)：機械制造基礎(chǔ)( (金屬工藝學(xué)金屬工藝學(xué)) )是一門有關(guān)制造金屬是一門有關(guān)制造金屬零件常用的加工及工藝方法的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。零件常用的加工及工藝方法的綜合性技術(shù)基礎(chǔ)課。 加工方法加工方法 鑄造鑄造 壓力加工壓

2、力加工 焊接焊接 熱處理熱處理 切削加工切削加工 用材（金屬及合金）用材（金屬及合金） 鋼材、鍛件、鑄件等。鋼材、鍛件、鑄件等。熱加工工藝熱加工工藝毛坯毛坯金屬材料金屬材料冷加工工藝冷加工工藝零件零件金屬材料或毛坯金屬材料或毛坯改善金屬材料或毛坯的加工性能和力學(xué)性能改善金屬材料或毛坯的加工性能和力學(xué)性能 金屬液態(tài)成型金屬液態(tài)成型是指將液態(tài)金屬填充到鑄是指將液態(tài)金屬填充到鑄型的型腔中待其冷卻凝固后獲得所需形型的型腔中待其冷卻凝固后獲得所需形狀、尺寸和性能的鑄件毛坯（或零件）狀、尺寸和性能的鑄件毛坯（或零件）的成型方法，即：鑄造。的成型方法，即：鑄造。套筒砂型鑄造工藝示意圖套筒砂型鑄造工藝示意圖機

3、床、內(nèi)燃機、重型機器機床、內(nèi)燃機、重型機器機機 械械 類類 別別風機、壓縮機風機、壓縮機拖拉機拖拉機農(nóng)業(yè)機械農(nóng)業(yè)機械汽車汽車 %709060 8050 70 40 7020 30表表 各類機械工業(yè)中鑄件重量比各類機械工業(yè)中鑄件重量比 鑄造在機械制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，在各種類型鑄造在機械制造業(yè)中應(yīng)用十分廣泛，在各種類型的機器設(shè)備中鑄件占很大比重。如表所示。的機器設(shè)備中鑄件占很大比重。如表所示。 優(yōu)點：優(yōu)點：1、制造各種尺寸和形狀復(fù)雜的鑄件，尤其是內(nèi)腔復(fù)雜的鑄件、制造各種尺寸和形狀復(fù)雜的鑄件，尤其是內(nèi)腔復(fù)雜的鑄件2、鑄件的形狀和尺寸與零件接近、鑄件的形狀和尺寸與零件接近3、絕大多數(shù)金屬均能用液態(tài)成

4、型的方法制成鑄件、絕大多數(shù)金屬均能用液態(tài)成型的方法制成鑄件4、液態(tài)成型適用于各種生產(chǎn)類型、液態(tài)成型適用于各種生產(chǎn)類型5、原材料來源廣泛，價格低廉，并可回收使用、原材料來源廣泛，價格低廉，并可回收使用 不足不足1、生產(chǎn)工序多，工藝過程難以精確控制、生產(chǎn)工序多，工藝過程難以精確控制2、鑄件表面較粗糙，尺寸精度不高、鑄件表面較粗糙，尺寸精度不高3、工人勞動強度大，勞動條件差，對環(huán)境造成、工人勞動強度大，勞動條件差，對環(huán)境造成 污染污染 生活中哪些零件或物品是用鑄造的方法制造的呢？生活中哪些零件或物品是用鑄造的方法制造的呢？一一. . 凝固方式凝固方式 三種凝固方式三種凝固方式逐層凝固逐層凝固：純金屬

5、或共晶成分：純金屬或共晶成分的合金是恒溫凝固，凝固的合金是恒溫凝固，凝固區(qū)寬度幾乎為零，凝固前沿清楚地將液、固相分開，由區(qū)寬度幾乎為零，凝固前沿清楚地將液、固相分開，由表層逐層向中心凝固。（表層逐層向中心凝固。（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） 糊狀凝固糊狀凝固：合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分：合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分布較為平坦，凝固時，鑄件表面并不存在固體層，而液、布較為平坦，凝固時，鑄件表面并不存在固體層，而液、固并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面，先呈糊化而后再固化。固并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面，先呈糊化而后再固化。（球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃

6、銅） 中間凝固中間凝固：多數(shù)合金的凝固介于兩者之間，為中間凝固多數(shù)合金的凝固介于兩者之間，為中間凝固方式。（方式。（中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵） 二二. . 合金的鑄造性能合金的鑄造性能合金在液態(tài)成型過程中表現(xiàn)出的工藝性能稱為合金在液態(tài)成型過程中表現(xiàn)出的工藝性能稱為鑄造性能。它包括液態(tài)合金的充型能力，合金鑄造性能。它包括液態(tài)合金的充型能力，合金的凝固與收縮，鑄造應(yīng)力與裂紋，吸氣與偏析的凝固與收縮，鑄造應(yīng)力與裂紋，吸氣與偏析等。等。液態(tài)合金填充鑄型型腔的過程稱為充型。液態(tài)合金填充鑄型型腔的過程稱為充型。充型能力是使液態(tài)金屬充滿型腔并使鑄件充型能力是使液態(tài)金屬充滿型腔并使鑄件形狀形狀完整完整、輪廓清

7、晰輪廓清晰和和尺寸準確尺寸準確的能力。它首先與的能力。它首先與合金本身的流動性有關(guān)，同時澆注條件、鑄型合金本身的流動性有關(guān)，同時澆注條件、鑄型填充條件、鑄件結(jié)構(gòu)等對充型能力也有影響。填充條件、鑄件結(jié)構(gòu)等對充型能力也有影響。1.合金的合金的流動性流動性（1）概念：概念： 指液態(tài)金屬的流指液態(tài)金屬的流動能力，在鑄造過程中即表現(xiàn)動能力，在鑄造過程中即表現(xiàn)為液態(tài)金屬充填鑄型的能力。為液態(tài)金屬充填鑄型的能力。合金流動性的大小，通常以螺合金流動性的大小，通常以螺旋形試樣的長度來衡量。旋形試樣的長度來衡量。合金的流動性合金的流動性充型能力充型能力合金的流動性愈好，充型能力愈強，流動性良合金的流動性愈好，充型

8、能力愈強，流動性良好時，不僅易于鑄造出好時，不僅易于鑄造出輪廓清晰、薄而復(fù)雜輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄的鑄件，而且有助于合金在鑄型中件，而且有助于合金在鑄型中收縮時得到補充收縮時得到補充，有利于液態(tài)金屬中的有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體的上浮非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除與排除。若流動性不足，則鑄件易產(chǎn)生。若流動性不足，則鑄件易產(chǎn)生澆不足、澆不足、冷隔冷隔、縮孔、縮孔、氣孔氣孔、夾渣夾渣等缺陷。等缺陷。（2）影響流動性的因素影響流動性的因素合金的種類合金的種類 不同合金，其澆注溫度和不同合金，其澆注溫度和凝固溫度范圍均不相同。凝固溫度范圍均不相同。 如：如： 鑄鐵鑄鐵 導(dǎo)熱性差，不易散導(dǎo)熱性

9、差，不易散熱，凝固慢，流動性？；熱，凝固慢，流動性？； 鑄鋼鑄鋼 熔點高，散熱快，熔點高，散熱快，凝固快，流動性？；凝固快，流動性？；鋁合金鋁合金 導(dǎo)熱性好，散熱快，導(dǎo)熱性好，散熱快，流動性？；流動性？；1.1.合金合金合金的成分合金的成分 不同成分的鑄造合金主要是由于其結(jié)晶特點的不同不同成分的鑄造合金主要是由于其結(jié)晶特點的不同而影響其流動性的。而影響其流動性的。 純金屬及共晶合金在恒溫下結(jié)晶，結(jié)晶時液態(tài)金屬純金屬及共晶合金在恒溫下結(jié)晶，結(jié)晶時液態(tài)金屬從表層逐層向中心凝固，對金屬液的流動阻力小，流動從表層逐層向中心凝固，對金屬液的流動阻力小，流動性好。性好。 其它合金的結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)凝

10、固，固態(tài)的其它合金的結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)凝固，固態(tài)的樹枝狀晶體對金屬液的流動阻力大，流動性差。樹枝狀晶體對金屬液的流動阻力大，流動性差。合金的成分？合金的成分？ 合金成分中凡能形成低熔點化合物、降低合金液合金成分中凡能形成低熔點化合物、降低合金液的粘度和表面張力的元素，均能的粘度和表面張力的元素，均能？合金的流動性，如合金的流動性，如鑄鐵中的磷。鑄鐵中的磷。 凡能形成高熔點夾雜物的元素，都會凡能形成高熔點夾雜物的元素，都會？合金的流合金的流動性。動性。 如鑄鐵中硫和錳化合生成的如鑄鐵中硫和錳化合生成的MnSMnS，熔點為，熔點為16201620 ，成為固態(tài)夾雜物懸浮在鐵水中，阻礙了鐵水流動，

11、降低流成為固態(tài)夾雜物懸浮在鐵水中，阻礙了鐵水流動，降低流動性。動性。澆注條件澆注條件（1）澆注溫度澆注溫度 澆注溫度愈高，合金的粘度下降，金屬液的流動阻澆注溫度愈高，合金的粘度下降，金屬液的流動阻力減小；且因過熱度高，金屬液的流動時間長，所以流力減??；且因過熱度高，金屬液的流動時間長，所以流動性好，可防止鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔和夾渣等缺陷。動性好，可防止鑄件產(chǎn)生澆不足、冷隔和夾渣等缺陷。 澆注溫度越高越好澆注溫度越高越好? ? 澆注溫度過高，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、澆注溫度過高，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔等缺陷。因此在保證足夠流動性的前提下，澆注溫氣孔等缺陷。因此在保證足夠流動性的前提

12、下，澆注溫度不易過高。通常遵循度不易過高。通常遵循“高溫出爐，低溫澆注高溫出爐，低溫澆注”的原則。的原則。通?；诣T鐵的澆注溫度為通?；诣T鐵的澆注溫度為12001380；鑄鋼的澆注溫度為鑄鋼的澆注溫度為15201620；鋁合金的澆注溫度為鋁合金的澆注溫度為680780； 形狀復(fù)雜或薄壁件取上限。形狀復(fù)雜或薄壁件取上限。 液態(tài)合金在流動方向上所受到的壓力越大，液態(tài)合金在流動方向上所受到的壓力越大，充型能力愈好。充型能力愈好。3.鑄型特點鑄型特點（1）鑄型的蓄熱能力越強，鑄型的蓄熱能力越強， 充型能力越差；充型能力越差；（2）鑄型溫度鑄型溫度越高，越高， 充型能力越好；充型能力越好；（3）鑄型結(jié)構(gòu)鑄

13、型結(jié)構(gòu)，壁厚過小、壁厚變化劇烈、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、，壁厚過小、壁厚變化劇烈、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大平面都影響充型；大平面都影響充型；（4）鑄型中的氣體鑄型中的氣體 阻礙充型。阻礙充型。（5） 澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，冒口和型砂等澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，冒口和型砂等 總之，鑄型中凡能增加金屬流動阻力、降低流速、總之，鑄型中凡能增加金屬流動阻力、降低流速、加快冷卻速度的因素，均能降低合金的流動性；反之，加快冷卻速度的因素，均能降低合金的流動性；反之，則可提高合金的流動性。則可提高合金的流動性。1.合金收縮的概念合金收縮的概念液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài) 液態(tài)合金在液態(tài)、凝液態(tài)合金在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)過程中所發(fā)生固態(tài)和固態(tài)過程中所發(fā)生的體積和尺寸減

14、小的現(xiàn)象的體積和尺寸減小的現(xiàn)象叫做收縮。叫做收縮。 收縮是鑄件中許多缺收縮是鑄件中許多缺陷（如：陷（如：縮孔、縮松、熱縮孔、縮松、熱裂、應(yīng)力、變形和裂紋裂、應(yīng)力、變形和裂紋）等產(chǎn)生的基本原因。等產(chǎn)生的基本原因。 液態(tài)收縮液態(tài)收縮 凝固收縮凝固收縮 固態(tài)收縮固態(tài)收縮金屬液溫度下降，液面降低，液態(tài)金金屬液溫度下降，液面降低，液態(tài)金屬體積減小。（與澆注溫度有關(guān)）屬體積減小。（與澆注溫度有關(guān)）液態(tài)金屬凝固，體積顯著減小。（與液態(tài)金屬凝固，體積顯著減小。（與合金結(jié)晶的溫度范圍有關(guān)）合金結(jié)晶的溫度范圍有關(guān)）固態(tài)金屬繼續(xù)冷卻，體積減小。一般固態(tài)金屬繼續(xù)冷卻，體積減小。一般直接表現(xiàn)為鑄件外型尺寸的變小。直接表

15、現(xiàn)為鑄件外型尺寸的變小。 合金的總收縮為上述三種收縮的總和。其中合金的總收縮為上述三種收縮的總和。其中液態(tài)收縮液態(tài)收縮和和凝固收縮凝固收縮形成鑄件的形成鑄件的縮孔和縮松縮孔和縮松，固，固態(tài)收縮使鑄件產(chǎn)生態(tài)收縮使鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋。 （1）化學(xué)成分化學(xué)成分 不同種類的合金，收縮率不同；同類合金，不同種類的合金，收縮率不同；同類合金，化學(xué)成分不同，收縮率也不同?；瘜W(xué)成分不同，收縮率也不同。C、Si：強烈促進鑄鐵石墨化，鑄鐵體收縮減??；強烈促進鑄鐵石墨化，鑄鐵體收縮減?。籗：對鑄鐵石墨化有一點阻礙，鑄鐵收縮增大對鑄鐵石墨化有一點阻礙，鑄鐵收縮增大; ;Mn：可抵消對可抵消對

16、S 石墨化的阻礙作用，適量的石墨化的阻礙作用，適量的 Mn 可使可使鑄鐵收縮減小。鑄鐵收縮減小。 合金的澆鑄溫度越高，過熱度越大，液態(tài)收合金的澆鑄溫度越高，過熱度越大，液態(tài)收縮也越大，總收縮也越大。因此在滿足足夠流動縮也越大，總收縮也越大。因此在滿足足夠流動性的前提下，盡量采用低的澆注溫度。遵循性的前提下，盡量采用低的澆注溫度。遵循“ 高高溫出爐，低溫澆鑄溫出爐，低溫澆鑄 ”的原則。的原則。（3）鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件 鑄件的結(jié)構(gòu)、大小、壁的厚薄、砂型和砂芯鑄件的結(jié)構(gòu)、大小、壁的厚薄、砂型和砂芯的退讓性、澆冒口的類型和位置、砂箱的結(jié)構(gòu)等。的退讓性、澆冒口的類型和位置、砂箱的結(jié)構(gòu)等

17、。 由于鑄件各部分冷速不同，鑄型和型芯對鑄由于鑄件各部分冷速不同，鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，因此鑄件的件收縮的阻力，因此鑄件的實際線收縮率實際線收縮率比比合金合金自由收縮率？自由收縮率？ 小?。?）縮孔與縮松縮孔與縮松 澆入鑄型的液態(tài)合金在凝固過程中，若液澆入鑄型的液態(tài)合金在凝固過程中，若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補充，態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補充，在鑄件最后凝固的部位會形成空洞，容積大而在鑄件最后凝固的部位會形成空洞，容積大而集中的是縮孔，容積小而分散的是縮松。集中的是縮孔，容積小而分散的是縮松?？s孔與縮松？縮孔與縮松？ 盡量避免產(chǎn)生縮松或盡量使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔。盡量避免

18、產(chǎn)生縮松或盡量使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔。合理選擇鑄造合金合理選擇鑄造合金 選擇共晶成分或結(jié)晶溫度范圍窄的合金選擇共晶成分或結(jié)晶溫度范圍窄的合金合理選用凝固原則合理選用凝固原則 順序原則順序原則 同時原則同時原則縮孔與縮松的防止措施：縮孔與縮松的防止措施： 順序凝固原則示意圖 澆注口、冒口和冷鐵澆注口、冒口和冷鐵 鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力：鑄造應(yīng)力分為：鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力熱應(yīng)力和和機械應(yīng)力機械應(yīng)力鑄造應(yīng)力的形成鑄造應(yīng)力的形成熱應(yīng)力熱應(yīng)力：由于鑄件壁厚不均，各部分的冷卻速度由于鑄件壁厚不均，各部分的冷卻速度不同而導(dǎo)致各部分收縮不一致引起的鑄件內(nèi)部不同而導(dǎo)致各部分收縮不一致引起的鑄件內(nèi)部應(yīng)力。應(yīng)力。合金收縮率、鑄件

19、壁厚差、形狀復(fù)雜度合金收縮率、鑄件壁厚差、形狀復(fù)雜度減少和消除鑄造應(yīng)力的措施減少和消除鑄造應(yīng)力的措施 采用采用“同時凝固同時凝固”原則；原則； 改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆、冒口改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆、冒口等；等； 采用能自由收縮的鑄件結(jié)構(gòu)（形狀簡單，壁厚采用能自由收縮的鑄件結(jié)構(gòu)（形狀簡單，壁厚均勻）；均勻）； 對鑄件進行時效處理，消除內(nèi)應(yīng)力。對鑄件進行時效處理，消除內(nèi)應(yīng)力。 鑄造應(yīng)力使鑄件的精度和使用壽命大大降低。鑄造應(yīng)力使鑄件的精度和使用壽命大大降低。在存放、加工或使用過程中鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)在存放、加工或使用過程中鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)力將重新分布，使鑄件發(fā)生變形或裂紋。力將重

20、新分布，使鑄件發(fā)生變形或裂紋。 鑄件的變形與裂紋鑄件的變形與裂紋鑄件的變形鑄件的變形由于鑄件厚壁或心部受拉伸，薄壁或由于鑄件厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮表層受壓縮，因此，鑄件厚的部分向，因此，鑄件厚的部分向內(nèi)凹，薄的部分向外凸。如：床身鑄內(nèi)凹，薄的部分向外凸。如：床身鑄件的變形。件的變形。 對厚薄均勻的平板鑄件，中心部對厚薄均勻的平板鑄件，中心部位冷卻慢受拉應(yīng)力，周邊受壓應(yīng)力，位冷卻慢受拉應(yīng)力，周邊受壓應(yīng)力，且上面比下面冷卻快，因此中間向外且上面比下面冷卻快，因此中間向外凸。凸。變形的原因變形的原因： 處于應(yīng)力狀態(tài)的鑄件不穩(wěn)定，將通過變形來減處于應(yīng)力狀態(tài)的鑄件不穩(wěn)定，將通過變形來減小內(nèi)應(yīng)

21、力，逐漸趨于穩(wěn)定。小內(nèi)應(yīng)力，逐漸趨于穩(wěn)定。防止鑄件變形的方法：防止鑄件變形的方法：盡量減少鑄件內(nèi)應(yīng)力；盡量減少鑄件內(nèi)應(yīng)力；使鑄件結(jié)構(gòu)對稱，內(nèi)應(yīng)力互相平衡而不易變形；使鑄件結(jié)構(gòu)對稱，內(nèi)應(yīng)力互相平衡而不易變形；采用反變形法以補償鑄件變形；采用反變形法以補償鑄件變形；在鑄件上設(shè)置拉筋來承受一部分應(yīng)力，待鑄件經(jīng)熱在鑄件上設(shè)置拉筋來承受一部分應(yīng)力，待鑄件經(jīng)熱處理后再去掉。處理后再去掉。鑄件的裂紋鑄件的裂紋熱裂熱裂產(chǎn)生：產(chǎn)生：凝固末期，金屬的強度和塑性都很低，若凝固末期，金屬的強度和塑性都很低，若鑄件收縮受阻產(chǎn)生的很小應(yīng)力也能超過該溫度鑄件收縮受阻產(chǎn)生的很小應(yīng)力也能超過該溫度下金屬的強度，即發(fā)生熱裂。發(fā)生

22、熱裂的地方下金屬的強度，即發(fā)生熱裂。發(fā)生熱裂的地方？ 熱裂分布在應(yīng)力集中部位或熱節(jié)處。熱裂分布在應(yīng)力集中部位或熱節(jié)處。防止：防止：采用合理的鑄件結(jié)構(gòu)；改善鑄型、型芯的采用合理的鑄件結(jié)構(gòu)；改善鑄型、型芯的 退讓性；內(nèi)澆口設(shè)置應(yīng)符合退讓性；內(nèi)澆口設(shè)置應(yīng)符合“同時凝固同時凝固”原則；原則；減少硫含量等。減少硫含量等。冷裂冷裂產(chǎn)生：產(chǎn)生：在較低的溫度下，由于熱應(yīng)力和機械應(yīng)在較低的溫度下，由于熱應(yīng)力和機械應(yīng)力的綜合作用，使鑄件的應(yīng)力大于金屬的強度力的綜合作用，使鑄件的應(yīng)力大于金屬的強度極限而產(chǎn)生冷裂。發(fā)生冷裂的地方極限而產(chǎn)生冷裂。發(fā)生冷裂的地方？ 冷裂往往出現(xiàn)在鑄件受拉應(yīng)力的部位，尤冷裂往往出現(xiàn)在鑄件受拉應(yīng)力的部位，尤其是應(yīng)力集中處。其是應(yīng)力集中處。防止：防止：盡量減小鑄造內(nèi)應(yīng)力；降低材料的脆性，盡量減小鑄造內(nèi)應(yīng)力；降低材料的脆性，主要是減少主要是減少S、P 的含量。的含量。1.1. 合金的偏析合金的偏析 鑄件凝固時出現(xiàn)化學(xué)成分、金相組織不均勻鑄件凝固時出現(xiàn)化學(xué)成分、金相組織不均勻的現(xiàn)象稱為合金的偏析。偏析造成了鑄件性能的的現(xiàn)象稱為合金的偏析。偏析造成了鑄件性能的不均勻，使鑄件整體的機械性能下降，并影響鑄不均勻，使鑄件整體的機