金屬工藝學：2-1 鑄造工藝基礎

1、2.1 鑄造工藝基礎 2.1.1 液態(tài)合金的充型2.1.2 鑄件的凝固與收縮2.1.3 鑄造內(nèi)應力2.1.4 變形和裂紋2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制作業(yè)2.1 鑄造工藝基礎2.1.1 液態(tài)合金的充型 1.液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及充型 （1）液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì):液態(tài)金屬是通過加熱將金屬由固態(tài)融化為熔融狀態(tài)而得到的。由于鑄造生產(chǎn)中得到的液體金屬過熱度不高（一般高于熔點100300），這種液態(tài)金屬接近固態(tài)而遠離氣態(tài)。（2）液態(tài)合金的充型:熔化合金填充鑄型的過程，簡稱充型。熔融合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整，輪廓清晰鑄件的能力，稱合金的充型能力。2.1 鑄造工藝基礎2.1.1 液態(tài)合金的充型 螺旋形標準

2、試樣 合金的流動性用澆注流動性試樣的方法來衡量。流動性試樣的種類很多，如螺旋形、球形、真空試樣等，應用最多的是螺旋形試樣，如圖所示。 2.1 鑄造工藝基礎2.1.1 液態(tài)合金的充型 （1）合金的流動性： 1)合金的種類；2)合金的成分；3)雜質(zhì)與含氣量；（2）澆注條件： 1) 澆注溫度； 2) 充型壓力；（3）鑄型條件： 1) 鑄型的蓄熱能力； 2) 鑄型溫度 3) 鑄型中的氣體； 4) 鑄件結(jié)構(gòu)2.影響合金充型能力的主要因素2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程稱為凝固。金屬凝固過程又稱為結(jié)晶。結(jié)晶包括形核和長大兩個基本過程。鑄件的凝固組織對金屬材料的力

3、學性能、物理性能影響甚大。一般情況下，晶粒越細小均勻，金屬材料的強度和硬度越高，塑性和韌性越好。影響鑄件凝固組織的因素有：成分、冷卻速度和形核條件等。1. 液態(tài)金屬的凝固2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 在鑄件凝固過程中，其斷面上一般存在三個區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的,如圖所示。三種凝固方式： 逐層凝固、糊狀凝固和中間凝固。影響鑄件凝固方式的主要因素有合金的結(jié)晶溫度范圍和鑄件的溫度梯度 。 2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 表層 中心 表層 中心 表層 中

4、心溫度溫度溫度成分(a) (b) (c)t鑄件t鑄件t鑄件鑄件的凝固方式(a)逐層凝固 (b)中間凝固 (c)糊狀凝固溫度固相線液相線2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象，稱為收縮。合金的收縮量常用體收縮率和線收縮率來表示。 體收縮率： 線收縮率：2. 合金的收縮2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 合金的收縮可以分為三個階段 ：1）液態(tài)收縮。從澆注溫度冷卻到凝固開始溫度（液相線溫度）的收縮，即金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。2）凝固收縮。從凝固開始溫度冷卻到凝固終止溫度（固相線溫度）的收縮，即熔

5、融金屬在凝固階段的體積收縮。3）固態(tài)收縮。從凝固終止溫度冷卻到室溫的收縮，即金屬在固態(tài)由于室溫降低而發(fā)生的體積收縮。2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 A n m B溫度成分t液溫度溫度體收縮率體收縮率mn 鑄造合金收縮過程示意圖a) 合金狀態(tài)圖 b) 一定溫度范圍合金 c) 共晶合金I液態(tài)收縮 II凝固收縮 III固態(tài)收縮a) b) c)2.1 鑄造工藝基礎2.1.2 鑄件的凝固與收縮 影響收縮的因素主要有：1）化學成分：碳素鋼隨碳的質(zhì)量分數(shù)的增加，凝固收縮增加，而固態(tài)收縮略減。硅碳的質(zhì)量分數(shù)增加，收縮率減小。硫阻礙石墨的析出，使鑄鐵的收縮率增加。適量的錳可與硫合成MnS，抵消

6、對石墨的阻礙作用，使收縮率減小。但含錳量過高，鑄鐵的收縮率又有增加。2）澆注溫度：澆注溫度越高，過熱度越大，合金的液態(tài)收縮增加。3）鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件。 2.1 鑄造工藝基礎2.1.3 鑄造內(nèi)應力 鑄造內(nèi)應力：鑄件在凝固、冷卻過程中，由于各部分體積變化不一致、彼此制約而使其固態(tài)收縮受到阻礙引起的內(nèi)應力，稱鑄造應力。按阻礙收縮原因的不同，鑄造內(nèi)應力分為熱應力和收縮應力。鑄件各部分由于冷卻速度不同、收縮量不同而引起的阻礙稱為熱阻礙，由熱阻礙引起的應力稱為熱應力。鑄型、型芯對鑄件收縮的阻礙，稱機械阻礙。由機械阻礙引起的應力稱收縮應力（機械應力）。 2.1 鑄造工藝基礎2.1.3 鑄造內(nèi)應力 1. 熱

7、應力 熱應力是由于鑄件壁厚不均，各部分收縮受到熱阻礙而引起的。落砂后熱應力仍存在于鑄件內(nèi)，屬于殘留應力。 熱應力的形成+表示拉應力 表示壓應力塑性狀態(tài)彈性狀態(tài)溫度t固t臨t0t1 t2 t3a) b) c) d)2.1 鑄造工藝基礎2.1.3 鑄造內(nèi)應力 2. 機械應力 鑄件在固態(tài)收縮時，因受鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產(chǎn)生的應力稱機械應力。 一般鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，收縮受阻都會產(chǎn)生機械應力。機械應力常表現(xiàn)為拉應力，與鑄件部位無關。形成原因一經(jīng)消除（如鑄件落砂或去除澆口后），機械應力也隨之消失，因此機械應力是一種臨時應力。2.1 鑄造工藝基礎2.1.3 鑄造內(nèi)應力 2. 減少和消除鑄造應

8、力的措施 1）合理地設計鑄件的結(jié)構(gòu)。 2）盡量選用線收縮率小、彈性模量小的合金。 3）采用同時凝固的工藝。 4）設法改善鑄型、型芯的退讓性，合理設置澆冒口等。 5）對鑄件進行時效處理是消除鑄造應力的有效措施。 2.1 鑄造工藝基礎2.1.4 變形和裂紋 1. 鑄件的變形 對于厚薄不勻、界面不對稱及具有細長特點的桿件、板類及輪類等鑄件，當殘留鑄造應力超過鑄件材料的屈服點時，往往產(chǎn)生翹曲變形。 框架鑄件的變形T形梁的變形2.1 鑄造工藝基礎2.1.4 變形和裂紋 2. 鑄件的裂紋（1）熱裂：熱裂是鑄件在凝固后期，在接近固相線的高溫下形成的。熱裂的形狀特征是：裂紋短，縫隙寬，形狀彎曲，縫內(nèi)呈氧化色。

9、 防止熱裂的措施有：盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機械應力。合理設計澆道冒口。對于鑄鋼件和鑄鐵件，嚴格控制硫的含量，防止熱脆性。2.1 鑄造工藝基礎2.1.4 變形和裂紋 2. 鑄件的裂紋（2）冷裂： 冷裂是在較低溫度下，由于熱應力和收縮應力的綜合作用，鑄件內(nèi)應力超過合金的強度極限而產(chǎn)生的。 冷裂多出現(xiàn)在鑄件受拉應力的部位，尤其是具有應力集中處。 冷裂的特征是：裂紋細小，成連續(xù)直線狀，縫內(nèi)有金屬光澤或金屬氧化色。凡是減小鑄件內(nèi)應力或減低合金脆性的因素均能防止冷裂。2.1 鑄造工藝基礎2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 1縮松和縮孔 鑄型內(nèi)的熔融合金在凝固過程中

10、，由于液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補充，在鑄件最后凝固部位將形成孔洞。按孔洞的大小和分布可分為縮孔和縮松。大而集中的空洞稱為縮孔；細小而分散的空洞稱為縮松。 收縮是造成縮孔、縮松、應力、變形和裂紋的基本原因。充型能力不好，鑄件易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔、夾雜、縮孔、熱裂等缺陷。 2.1 鑄造工藝基礎2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 縮孔形成過程示意圖a)填充鑄型 b) 凝固 c) 收縮 d) 縮孔 e) 輪廓尺寸減小 a) b) c) d) e)澆口2.1 鑄造工藝基礎2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 縮松形成過程示意圖凝固前沿同時凝固區(qū)縮松a) b) c)2.1 鑄造工藝基礎2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 2縮孔和縮松的防止（1）按照定向凝固原則進行凝固：定向凝固原則是指采用各種工藝措施，使鑄件上從遠離冒口的部分到冒口之間建立一個逐漸遞增的溫度梯度，從而實現(xiàn)由遠離冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。（2）合理地確定內(nèi)澆道位置及澆注工藝：內(nèi)澆道的引入位置對鑄件的溫度分布有明顯的影響，應按照定向凝固的原則確定。例如內(nèi)澆道應從鑄件厚實處引入，盡可能靠近冒口