金屬工藝學_第2篇_熱加工工藝基礎_01鑄造01_LJH.ppt

1、金屬工藝學,冶金與材料工程學院LJHCQUST,主講教師：李 建 輝 聯(lián)系電話電子信箱：ljh_,金屬熱加工工藝,金屬液態(tài)凝固成形（鑄造）,金屬固態(tài)塑性成形（鍛壓）,金屬連接成形（焊接）,熱加工工藝,金屬液態(tài)成形（鑄造）的概念,金屬液態(tài)成形的作用 金屬液態(tài)成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按鑄型材料的不同，金屬液態(tài)成形一般可分為砂型鑄造和特種鑄造（包括熔模鑄造、壓力鑄造、金屬型鑄造、離心鑄造、消失模鑄造等）。其中砂型鑄造是最基本的液態(tài)成形方法，所生產(chǎn)的鑄件占鑄件總量的80%以上。,液態(tài)金屬,自重或壓力作用下,預制型腔,鑄件（毛坯）,冷卻凝固,將液態(tài)金屬澆入與零件形狀

2、相適應的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的工藝方法，亦稱為鑄造。,金屬液態(tài)成形的優(yōu)點,1. 適于做復雜外形，特別是復雜內腔的毛坯（發(fā)動機箱體、氣缸等）,2. 對材料的適應性廣，鑄件的大小幾乎不受限制（幾克數(shù)百噸，幾毫米幾十米，壁厚0.2mm1m，材質幾乎不限）,3. 成本低，原材料來源廣泛，價格低廉，一般不需要昂貴的設備；鑄件的機械加工余量相對較小，進一步降低后續(xù)成本,是某些塑性很差的材料（如鑄鐵等）制造其毛坯或零件的唯一成形工藝,金屬 液態(tài) 成形 優(yōu)點,鑄造工藝靈活性大，生產(chǎn)成本低。,1. 液態(tài)成形工藝過程比較復雜，一些工藝過程還難以控制，尤其容易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、

3、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質量不夠穩(wěn)定，廢品率較高,2. 液態(tài)成形零件內部組織均勻性、致密性一般較差，晶粒較粗大，且常伴有缺陷，其力學性能較差,3. 液態(tài)成形零件精度難以控制，尤其砂型鑄造鑄件精度一般較差,金屬液態(tài)成形缺點,鑄造工藝一般不適用于對性能、精度要求很高的成形加工。,金屬液態(tài)成形的缺點,一、合金的鑄造性能 液態(tài)合金的工藝性能表征為液態(tài)合金的 鑄造性能：合金在鑄造過程中所表現(xiàn)出的適應能力,通常是指合金的流動性、收縮性、吸氣性以及偏析等性能，其中尤以流動性和收縮性重要。,合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的鑄造工藝方案及進行鑄件結構設計的依據(jù)。,第一節(jié) 鑄造工藝基礎,（1）合金的流動性

4、及影響因素,充型能力的概念：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰鑄件的能力,充型的概念: 液態(tài)合金填充鑄型的過程。,充型能力不足,澆不足,冷 隔,夾 砂,氣 孔,夾 渣,充型能力的決定因素,合金的流動性 澆注條件 鑄型性質 鑄件結構等,（1）合金的流動性及影響因素,合金流動性的測試方法: 如右圖,將液態(tài)合金澆入螺旋型試樣鑄型中，冷凝后測出充滿型腔的試樣長度。澆出的試樣越長，合金的流動性越好，合金充型能力越好。,1.合金的流動性：液態(tài)合金本身的流動能力，是合金主要鑄造性能之一。,幾種不同合金流動性的比較,鑄鐵的流動性,鑄鋼的流動性,實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。,比較下面兩種合

5、金流動性能,（1）合金的流動性及影響因素,2.合金流動性的影響因素 合金種類: 合金不同其流動性不同（鑄鐵硅黃銅鋁） 。 化學成分：同種合金，成分不同具有不同的結晶特點，流動性也不同。（共晶鑄鐵亞共晶鑄鐵） 。 結晶特性: 恒溫下結晶（純金屬，共晶成分合金），流動性較好；兩相區(qū)內結晶，流動性較差。,（1）合金的流動性及影響因素,影響合金流動性的因素很多，以化學成分的影響最為顯著。 對于純金屬或具有共晶成分的合金，其結晶溫度恒定，凝固時是由鑄件壁表面逐漸向中心推進，凝固后的表面比較光滑，對尚未凝固的金屬液的流動阻力較小，故流動性最好。,（1）合金的流動性及影響因素,亞共晶鑄鐵流動性隨含碳量增加而

6、提高，具有共晶成分的C點合金流動性最高。,澆注條件對充型能力（流動性）的影響,澆注 條件,澆注溫度,充型壓力,澆注系統(tǒng),澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過熱度大，液態(tài)金屬含熱量多，保持液態(tài)的時間長，充型能力強。,液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大，充型能力越強。,澆注系統(tǒng)的結構越復雜，則流動 阻力越大，充型能力越差。,（1）合金的流動性及影響因素,鑄型充填條件對充型能力（流動性）的影響,鑄型溫度 鑄型預熱后，可減緩金屬 液的冷卻速度，從而使充 型能力提高。但預熱溫度 不能過高。,鑄型材料 鑄型材料的導熱系數(shù) 和比熱容越大，對液 態(tài)合金的激冷能力越 強，充型能力越差。,鑄

7、型的發(fā)氣和透氣能力 澆鑄時產(chǎn)生氣體能在金屬液與 鑄型間形成氣膜，減小摩擦阻 力，有利于充型。但發(fā)氣能力 過強，透氣能力又差時，若澆 鑄速度太快，則型腔中的氣體 壓力增大，充型能力減弱。,（1）合金的流動性及影響因素,鑄件結構對充型能力（流動性）的影響,折算厚度： 折算厚度也叫當量厚度或模數(shù)，是鑄件體積與鑄件表面積之比。折算厚度越大，熱量散失越慢，充型能力就越好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填（大平面鑄件不易成形）。,復雜程度： 鑄件結構越復雜，流動阻力就越大，鑄型的充填就越困難。,（1）合金的流動性及影響因素,（2）合金的收縮性,三種凝固方式 逐層凝固，糊狀凝固，中間凝固。,* 鑄件

8、的凝固 鑄件在凝固過程中，其截面一般存在三個區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。對鑄件質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。,鑄件的三種凝固方式 （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

9、凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。,（2）合金的收縮性,影響凝固的主要因素,1. 合金的結晶溫度范圍： 合金的結晶溫度范圍越小，凝固區(qū)越窄，越趨向于逐層凝固。在鐵碳合金中普通灰鑄鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固。 2. 鑄件的溫度梯度： 在合金結晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)的寬窄取決于鑄件內外層之間的溫度差，若鑄件內外層之間的溫度差由小變大，則其凝固區(qū)相應由寬變窄。即增大溫度梯度可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。,（2）合金的收縮性,合金的收縮 合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來許多困難，會

10、造成許多鑄造缺陷（如縮孔、縮松、裂紋、變形等）。,合金收縮的三個階段,（2）合金的收縮性,合金收縮引發(fā)的鑄造缺陷,合金收縮,固態(tài)合金冷卻,液態(tài)合金冷卻,液態(tài)收縮,凝固收縮,縮孔: 恒溫下結晶,縮松: 兩相區(qū)結晶,固態(tài)收縮 (線性收縮),裂紋,變形,內應力,不同合金收縮率不同，鑄鋼的收縮率大約是灰鑄鐵的2倍。,（2）合金的收縮性,（1） 鑄件中的縮孔與縮松,縮孔的形成: 純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍較窄的合金，澆注后在型腔內是由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金液的補充，在鑄件最后凝固的地方就會產(chǎn)生縮孔。,二、鑄造缺陷分析與鑄件質量控制,縮松的形成: 鑄件最后凝固的收縮未能得到補足，

11、或者結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補縮所致。,（1） 鑄件中的縮孔與縮松,縮孔縮松的特點: 縮孔總是集中出現(xiàn)在鑄件的上部或最后凝固的部位，其外形特征：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(jīng)切削加工才能暴露出來?？s孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮。 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晶粒之間的微小孔洞，縮松形成的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮所致。,（1） 鑄件中的縮孔與縮松,影響縮孔縮松形成的因素: （1）合金成分：結晶溫度范圍越

12、小的合金（傾向于逐層凝固）容易產(chǎn)生縮孔；而結晶溫度范圍越大的合金（傾向于糊狀凝固）容易產(chǎn)生縮松。 （2）澆注過程：澆注溫度、澆注速度等均影響合金的收縮過程。一般情況下，澆注溫度越高，形成縮孔的傾向大；澆注緩慢，縮孔的容積較小。 （3）鑄型條件：鑄型對縮孔、縮松的影響主要表現(xiàn)在鑄型對鑄件冷卻速度的影響上。鑄型激冷能力越大，縮松的容積越?。ㄆ扑橹?）。 （4）鑄件結構：鑄件的結構直接關系著縮孔、縮松的形成，設計鑄件時必須考慮逐漸結構的工藝合理性。,（1） 鑄件中的縮孔與縮松,縮孔和縮松的防止,定向凝固原則 （順序凝固）,鑄件中讓遠離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。實

13、現(xiàn)以厚補薄，將縮孔轉移到冒口中去。,原理,合理布置內澆道及確定澆鑄工藝。,方法,合理應用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。,冒口的概念 為避免鑄件出現(xiàn)缺陷而附加在鑄件上方或側面的補充部分，其主要作用之一是避免出現(xiàn)縮孔、縮松等。,（1） 鑄件中的縮孔與縮松,定向凝固原則解決縮孔縮松,利用冒口和冷鐵實現(xiàn)定向凝固加大了鑄造成本，同時增大了產(chǎn)生變形、裂紋的傾向，主要用于必須補縮的場合，如鑄鋼件、鋁青銅等。,（1） 鑄件中的縮孔與縮松,內應力,熱應力,機械應力,變形,裂紋,鑄件在凝固和冷卻的過程中，由于鑄件的壁厚不均勻，導致不同部位不均衡的收縮而引起的應力。,鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、砂箱等

14、外力阻礙而產(chǎn)生的應力。,殘余熱應力的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定狀態(tài)，將自發(fā)地通過鑄件的變形來緩解其應力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。,當熱應力大到一定程度會導致出現(xiàn)裂紋。,固態(tài) 收縮,（2）鑄造應力、變形和裂紋,熱應力的形成過程,（2）鑄造應力、變形和裂紋,熱應力的消除方法 同時凝固原則,鑄件的結構：鑄件各部分能自由收縮 工藝方面：采用同時凝固原則 時效處理：人工時效；自然時效,鑄件的結構盡可能對稱 鑄件的壁厚盡可能均勻,（2）鑄造應力、變形和裂紋,同時凝固原則主要適用于灰鑄鐵（收縮?。?、錫青銅（糊狀凝固）等。,機械應力：機械應力會導致形成裂紋，鑄造過程中 應適時開箱以加以防止。,（2）鑄造應力、變

15、形和裂紋,鑄件的變形原因,結論： 1）變形方向：應力釋放的方向 2）厚部、心部受拉應力，出現(xiàn)內凹變形。薄部、表面受壓應力，出現(xiàn)外凸變形。,（2）鑄造應力、變形和裂紋,鑄件的上表面冷卻快,鑄件變形的消除方法,防止變形的方法：與防止應力的方法基本相同。帶有殘余應力的鑄件，變形使殘余應力減小而趨于穩(wěn)定。,鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形還有以下幾種方法： 1. 采用反變形法：可在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預變形量來抵消鑄件的變形，此種方法稱為反變形法。 2. 去應力退火或自然時效：鑄件機加工之前先進行去應力退火，以穩(wěn)定尺寸，降低切削加工變形程度。3. 設置工藝加強筋：為了防止鑄件的鑄態(tài)變形，可在容易變形的部位設置工藝加強筋。,（2）鑄造應力、變形和裂紋,鑄件裂紋的分類及其形貌鑄件一般有熱裂和冷裂兩種開裂方式。當合金凝固末期的線收縮受到阻礙，產(chǎn)生的應力若超過該溫度下合金的強度，即產(chǎn)生熱裂；而冷裂是鑄件處于低溫的彈性狀態(tài)時，鑄造應力超過合金的強度極限而產(chǎn)生的（脆性大的合金容易發(fā)生）。熱裂裂紋一般沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，其外形曲折短小，裂紋縫內表面