鑄造成形技術(shù)-基本知識(shí)

材料成型技術(shù)基礎(chǔ)鑄造成形技術(shù)(一)

童幸生2004年8月基本知識(shí)鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能合金的充型能力及影響因素合金的收縮及影響因素鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能1、基本概念：熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法稱(chēng)為液態(tài)成形。簡(jiǎn)稱(chēng)鑄造。液態(tài)成形是機(jī)械制造中生產(chǎn)機(jī)器零件或毛坯的主要方法之一。鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能2、主要特點(diǎn)：（l）成形方便，工藝靈活性大鑄件的輪廓尺寸可由幾毫米到數(shù)十米；壁厚由0．5mm到lm左右；質(zhì)量可由幾克到數(shù)萬(wàn)千克?？缮a(chǎn)形狀簡(jiǎn)單或十分復(fù)雜的零件。對(duì)于具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件，鑄造成形往往是最佳的成形方法。機(jī)器中形狀復(fù)雜的箱體、缸體、床身、機(jī)架等往往都是鑄件?？捎糜谝簯B(tài)成形的合金范圍很廣，鑄鐵、鑄鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金、鋅合金等均可用于鑄造，其中鑄鐵材料應(yīng)用最廣。鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能（2）成本低廉，設(shè)備簡(jiǎn)單、周期短鑄件所用材料來(lái)源廣泛，大部分可以就地取材，且可以利用金屬?gòu)U料和廢機(jī)件。一般情況下液態(tài)成形生產(chǎn)不需要大型、精密設(shè)備。而且由熔融金屬直接就可獲得形狀和尺寸與零件接近的毛坯或直接獲得零件（精密鑄造），節(jié)省了大量的金屬材料加工工時(shí)以及生產(chǎn)組織和半成品運(yùn)輸?shù)荣M(fèi)用，降低了鑄件的生產(chǎn)成本。鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能（3）砂型鑄件的力學(xué)性能較差，質(zhì)量不夠穩(wěn)定

鑄件中常常有許多缺陷(如氣孔，縮松等)，而且內(nèi)部組織粗大、不均勻，其力學(xué)性能比相同材料的鍛件低。此外，液態(tài)成形工序繁多，一些工藝過(guò)程較難控制，使鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定，廢品率較高。鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能（4）砂型鑄造成形生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)條件差生產(chǎn)過(guò)程中的廢氣、粉塵等對(duì)周?chē)h(huán)境造成污染。近幾十年來(lái)，液態(tài)成形技術(shù)發(fā)展很快。許多新型液態(tài)成形材料、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備的出現(xiàn)和現(xiàn)代化液態(tài)成形車(chē)間或工廠的建立，使液態(tài)成形勞動(dòng)條件大大改善，環(huán)境污染得到控制，鑄件的質(zhì)量和性能也大大提高，鑄件應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大。鑄造特點(diǎn)及合金鑄造性能3、合金的鑄造性能：鑄造合金除應(yīng)具備符合要求的力學(xué)性能和必要的物理、化學(xué)性能外，還必須有良好的鑄造性能。合金的鑄造性能主要是指合金的充型能力與合金的收縮等。鑄造的缺陷,如澆不足、縮孔、縮松、鑄造應(yīng)力、變形、裂紋等都與合金的鑄造性能有關(guān)。鑄造缺陷照片鑄造缺陷照片合金的充型能力及影響因素1、熔融合金的充型能力:這里有二個(gè)基本概念即充型與充型能力。

★熔化合金填充鑄型的過(guò)程,簡(jiǎn)稱(chēng)充型。

★熔融合金充滿(mǎn)鑄型型腔,獲得形狀完整,輪廓清晰鑄件的能力,稱(chēng)合金的充型能力。合金的充型能力及影響因素2、影響合金充型能力的主要因素有：(1)流動(dòng)性：流動(dòng)性指熔融金屬的流動(dòng)能力,它是影響充型能力的主要因素之一。(2)澆注條件：指的是澆注溫度與充型的壓力。(3)鑄型條件：熔融合金充型時(shí)，鑄型的阻鑄型對(duì)合金的冷卻作用都將影響合金的充型能力。(1)流動(dòng)性決定合金流動(dòng)性的因素主要有：1、合金的種類(lèi)：合金的流動(dòng)性與合金的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、合金液的粘度等物理性能有關(guān)。鑄鋼熔點(diǎn)高，在鑄型中散熱快、凝固快，則流動(dòng)性差。(1)流動(dòng)性2、合金的成分：同種合金中，成分不同的鑄造合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，對(duì)流動(dòng)性的影響也不相同。1）純金屬和共晶合金是在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶的，結(jié)晶時(shí)從表面向中心逐層凝固，凝固層的表面比較光滑，對(duì)尚未凝固的金屬的流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性好。特別是共晶合金，熔點(diǎn)最低，因而流動(dòng)性最好。2）亞共晶合金在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，其結(jié)晶過(guò)程是在鑄件截面上一定的寬度區(qū)域內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的。在結(jié)晶區(qū)域中，既有形狀復(fù)雜的枝晶，又有未結(jié)晶的液體。復(fù)雜的枝晶不僅阻礙熔融金屬的流動(dòng)，而且使熔融金屬的冷卻速度加快，所以流動(dòng)差。結(jié)晶區(qū)間越大，流動(dòng)性越差。(1)流動(dòng)性3、雜質(zhì)：熔融金屬中出現(xiàn)的固態(tài)夾雜物，將使液體的粘度增加，合金的流動(dòng)性下降。如灰鐵中錳和硫，多以MnS（熔點(diǎn)1650T）的形式懸浮在鐵液中，阻礙鐵液的流動(dòng)，使流動(dòng)性下降。4、含氣量：熔融金屬中的含氣量愈少，合金的流動(dòng)性愈好。(1)流動(dòng)性(2)澆注條件澆注條件的影響因素：1、澆注溫度澆注溫度對(duì)合金的充型能力有決定性影響。澆注溫度高，液態(tài)金屬所含的熱量多，在同樣冷卻條件下，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，所以流動(dòng)性好。澆注溫度越高，合金的粘度越低，傳給鑄型的熱量多，保持液態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，流動(dòng)性好，充型能力強(qiáng)。因此，提高澆注溫度是改善合金充型能力的重要措施。但澆注溫度過(guò)高，會(huì)使金屬的吸氣量和總收縮量增大，從而增加鑄件其它缺陷的可能性（如縮孔、縮松、粘砂、晶粒粒大等）。因此，在保證流動(dòng)性足夠的條件下，澆注溫度應(yīng)盡可能低些。(2)澆注條件2、充型壓力熔融合金在流動(dòng)方向上所受的壓力愈大，充型能力愈好。砂型鑄造時(shí)，充型壓力是由直澆道的靜壓力產(chǎn)生的，適當(dāng)提高直繞道的高度，可提高充型能力。但過(guò)高的砂型澆注壓力，使鑄件易產(chǎn)生砂眼、氣孔等缺陷。在低壓鑄造、壓力鑄造和離心鑄造時(shí)，因人為加大了充型壓力，故充型能力較強(qiáng)。(2)澆注條件(3)鑄型條件鑄型條件影響合金充型能力有以下四個(gè)方面：

1、鑄型的蓄熱能力表示鑄型從熔融合金中吸收并傳出熱量的能力，鑄型材料的比熱和熱導(dǎo)率愈大，對(duì)熔融金屬的的冷卻作用愈強(qiáng)，合金在型腔中保持流動(dòng)的時(shí)間縮短，合金的充型能力愈差。(3)鑄型條件2、鑄型溫度澆注前將鑄型預(yù)熱鑄型預(yù)熱減小了鑄型與熔融金屬的溫度差，減緩了合金的冷卻速度，延長(zhǎng)了合金在鑄型中的流動(dòng)時(shí)間，則合金充型能力提高。3、鑄型中的氣體澆注時(shí)因熔融金屬在型腔中的熱作用而產(chǎn)生大量氣體。如果鑄型的排氣能力差，則型腔中氣體的壓力增大，阻礙熔融金屬的充型。鑄造時(shí)除應(yīng)盡量減小氣體的來(lái)源外，應(yīng)增加鑄型的透氣性，并開(kāi)設(shè)出氣口，使型腔及型砂中的氣體順利排出。(3)鑄型條件4、鑄件結(jié)構(gòu)的壁厚當(dāng)鑄件壁厚過(guò)小，壁厚急劇變化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或有大的水平面時(shí)，均會(huì)使充型困難。因此在進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，鑄件的形狀應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，壁厚應(yīng)大于規(guī)定的最小壁厚。對(duì)于形狀復(fù)雜、薄壁、散熱面大的鑄件，應(yīng)盡量選擇流動(dòng)性好的合金或采取其它相應(yīng)措施。(3)鑄型條件合金的收縮及影響因素合金的收縮：鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積減少的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮。１）收縮過(guò)程及影響因素收縮可分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮，液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金的體積縮小，通常以體積收縮率表示，它們是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的基本原因。合金的固態(tài)收縮，盡管也是體積變化,但它只引起鑄件各部分尺寸的變化。因此，通常用線(xiàn)收縮率來(lái)表示。固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、裂紋和變形等缺陷的主要原因。收縮過(guò)程及影響因素1、收縮過(guò)程的三個(gè)階段：液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮合金的總體收縮為上述三個(gè)階段收縮之和。它與合金的成分、溫度和相變有關(guān)。不同合金收縮率是不同的。收縮過(guò)程及影響因素2、影響收縮的因素

1)化學(xué)成分碳素鋼隨含碳量增加，凝固收縮增加，而固態(tài)收縮略?；诣T鐵中，碳是形成石墨化元素，硅是促進(jìn)石墨化元素，所以碳硅含量增加，收縮率減小。硫阻礙石墨的析出，使鑄鐵的收縮率增大。適量的錳，可與硫合成MnS，抵硫?qū)κ淖璧K作用，使收縮率減小。但含錳量過(guò)高，鑄鐵的收縮率又有增加。2)澆注溫度澆注溫度愈高，過(guò)熱度愈大，合金的液態(tài)收縮增加。3)鑄件結(jié)構(gòu)鑄型中的鑄件冷卻時(shí)，因形狀和尺寸不同，各部分的冷卻速度不同，結(jié)果對(duì)鑄件收縮產(chǎn)生阻礙。4)鑄型和型芯對(duì)鑄件的收縮也產(chǎn)生機(jī)械阻力鑄件的實(shí)際線(xiàn)收縮率比自由線(xiàn)收縮率小。因此設(shè)計(jì)模樣時(shí)，應(yīng)根據(jù)合金的種類(lèi)、鑄件的形狀、尺寸等因素，選取適合的收縮率。合金的收縮及影響因素２）縮孔與縮松的形成與防止

鑄型內(nèi)的熔融合金在凝固過(guò)程中,由于液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補(bǔ)充，在鑄造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?？s孔是比較集中的孔洞?？s松是比較分散的孔洞。縮孔與縮松的形成與防止1、縮孔孔通常隱藏在鑄件上部或最后凝固部位?？s孔的形成過(guò)程如FLASH示意圖所示。液態(tài)金屬填滿(mǎn)鑄型后，因鑄型吸熱，靠近型腔表面的金屬很就降到凝固溫度，凝固成一層外殼，溫度下降，合金逐層凝固，由于液態(tài)收縮和補(bǔ)充凝固層的凝固收縮，體積縮減，液面下降，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)空隙，直到內(nèi)部完全凝固，在鑄件上部形成縮孔。純金屬或共晶成分的合金易于形成集中縮孔?？s孔與縮松的形成與防止2、縮松實(shí)質(zhì)上是將集中縮孔分散為數(shù)量極多的小縮孔。一般合金在凝固過(guò)程中都存在液一固兩相區(qū)，形成樹(shù)枝狀結(jié)晶。這種凝固方式稱(chēng)糊狀凝固。枝晶長(zhǎng)到一定程度使熔融金屬被分離成彼此孤立的狀態(tài)，它們繼續(xù)凝固時(shí)也將產(chǎn)生收縮，這時(shí)鑄件中心雖有液體存在，但由于樹(shù)枝晶的阻礙使之無(wú)法補(bǔ)縮，在凝固后形成許多微小的孔洞。這種很細(xì)小的孔洞稱(chēng)為疏松?？s松縮孔與縮松的形成與防止3、縮孔和縮松的防止按照定向凝固原則進(jìn)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(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個(gè)逐漸遞增的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)離冒口的部分向冒口的方向定向地凝固，如flash示意圖所示。這樣鑄件上每一部分的收縮都得到稍后凝固部分的合金液的補(bǔ)充，縮孔轉(zhuǎn)移到冒口部位，切除后便可得到無(wú)縮孔的致密鑄件。合理地應(yīng)用冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等工藝措施冒口、冷鐵和補(bǔ)貼的綜合運(yùn)用是消除縮孔?？s松的有效措施。合金的收縮及影響因素３）鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施鑄件收縮時(shí)受阻就產(chǎn)生鑄造應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，鑄件產(chǎn)生變形。應(yīng)力超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件就產(chǎn)生裂紋。鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施1、鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力按產(chǎn)生的原因不同，主要可分為熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力兩種。

（1）熱應(yīng)力鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力，稱(chēng)熱應(yīng)力。熱應(yīng)力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸，冷卻較快的薄壁處或表面受壓縮，鑄件的壁厚差別愈大合金的線(xiàn)收縮率或彈性模量愈大，熱應(yīng)力愈大。定向凝固時(shí)，由于鑄件各部分冷卻速度不一致，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，鑄件易出現(xiàn)變形和裂紋。鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施（2）收縮應(yīng)力鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)收縮應(yīng)力。一般鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，收縮受阻都會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力。收縮應(yīng)力常表現(xiàn)為拉應(yīng)力。形成原因一經(jīng)消除（如鑄件落砂或去除澆口后）收縮應(yīng)力也隨之消之，因此收縮應(yīng)力是一種臨時(shí)應(yīng)力。但在落砂前，如果鑄件的收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用其瞬間應(yīng)力大于鑄件的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件會(huì)產(chǎn)生裂紋。鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施2、減小和消除鑄造應(yīng)力的措施（1）合理地設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)鑄件的形狀愈復(fù)雜，各部分壁厚相差愈大，冷卻時(shí)溫度愈不均勻，鑄造應(yīng)力愈大。因此，在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)盡量使鑄件形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)、壁厚均勻。（2）采用同時(shí)凝固的工藝所謂同時(shí)凝固是指采取一些工藝措施，使鑄件各部分溫差很小，幾乎同時(shí)進(jìn)行凝固。因各部分溫差小，不易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱裂，鑄件變形小。設(shè)法改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆冒口等。同時(shí)凝固的示意圖，該工藝是在工件厚壁處加冷鐵，冒口設(shè)薄壁處。鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施（3）時(shí)效處理是消除鑄造應(yīng)力的有效措施。時(shí)效分自然時(shí)效、熱時(shí)效和共振時(shí)效等。所謂自然時(shí)效，是將鑄件置于露天場(chǎng)地半年以上，讓其內(nèi)應(yīng)力消除。熱時(shí)效（人工時(shí)效）又稱(chēng)去應(yīng)力退火，是將鑄件加熱到550－650℃，保溫2－4h，隨爐冷卻至150－200T，然后出爐。共振法是將鑄件在其共振頻率下震動(dòng)10－60ndn，以消除鑄件中的殘留應(yīng)力。鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施3、鑄件的變形與防止如前所述，在熱應(yīng)力的作用下，鑄件薄的部分受壓應(yīng)力,厚的部分受拉應(yīng)力，但鑄件總是力圖通過(guò)變形來(lái)減緩其內(nèi)應(yīng)力。因此，鑄件常發(fā)生不同程度的變形。鑄件的變形往往使鑄件精度降低，嚴(yán)重時(shí)可以使鑄件報(bào)廢，應(yīng)予防止。因鑄件變形是由鑄造應(yīng)力引起，減小和防止鑄造應(yīng)力的辦法，是防止鑄件變形的有效措施。鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施4、鑄件的裂紋與防止當(dāng)