第4章材料的液态成形工艺-1

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1、,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 材料的液态成形工艺,第四章 材料的液态成形工艺,液态材料,铸型模腔,凝固,固态毛坯,浇注,金属的铸造工艺,陶瓷的注浆成形,塑料的注射成形,材料的液态成形，与材料的固态塑性变形、连接成形以及粉末冶金成形是制造业获得毛坯件的主要手段。,本章,重点,内容：,金属铸造基础知识，,即合金的铸造性能,；,金属铸造方法；,金属铸件结构工艺性。,将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。,铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。,铸件的材质有

2、,碳素钢,、,合金钢、铸铁、铸造有色合金等,。,什么是,铸造,？,4-1,金属铸造工艺简介,金属铸造（,foundry,casting,）,1.,定义：,将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状尺寸相适应的铸型型腔（,mold cavity,）内,待其冷却凝固后,获得毛坯或零件的方法。,2.,铸造方法：砂型铸造（,sand casting process,）,特种铸造（,special casting process,）,优点与缺点,与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点：,（,1,）原材料来源广。,（,2,）生产成本低。,（,3,）铸件形状与零件接近，形状、尺寸不受限制。,尤其适于制造内腔复杂的

3、大型箱体件,。,因此，铸造在机器制造业中应用极其广泛。,但铸造生产目前还存在着若干问题，如铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等,铸造缺陷,，导致铸件力学性能不如锻件高。,铸造工序多,，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得,铸件质量不够稳定,，,废品率高,。,劳动环境差等,。,用于核反应堆的大型铸件，重量达,60,多吨。,零件（,Part,）,模样（,Pattern,）,型砂,（,M,olding sand,）,芯盒（,Core box,）,砂箱（,Flask,）,型芯（,Core,）,配制的型砂,模样,砂型,配制的芯砂,芯盒,砂芯,合箱,熔化的合金,浇注,检验,冷却,落砂清理,合格的铸件,砂型铸

4、造基本工艺过程,铸造的基本工艺过程,4-2,铸造工艺基础知识,合金的铸造性能,：合金在铸造过程中表现出来的工艺性能即铸造性能。包括,流动性、收缩性、氧化性、吸气性、偏析性（成分不均匀性）等,。,一、液态金属的充型能力（,mold filling capacity,）,定义：指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。,充型能力差,浇不足（,short run,）、冷隔（,cold shuts,）,影响因素,：包括金属液的流动性、性质、浇注条件及铸型条件等。,金属流动性试样,指液态合金自身的流动能力。流动性好，则充型能力强。,流动性的测试,通常用,螺旋形试样,来衡量,，,l,，流动

5、性,金属液的流动性,合金种类,：,灰口铸铁，硅黄铜，流动性最好，,l,1000 mm,。铸钢的流动性最差，,l,200 mm,；,成分,：,共晶合金,的流动性最好,；,结晶特征,：,结晶温度范围越大，枝晶越发达，流动性越差；,结晶间隔越小，则流动性越好,；,粘度,：,粘度越大，流动性越差；,结晶潜热：,结晶潜热越小，流动性越差。,影响流动性因素,：,2.,浇注（,pouring,）条件,3.,铸型特性,铸型的,导,热能力,，,T,液,，充型能力,；,铸型的温度,，充型能力,，所以金属型要预热,；,铸型的排气能力,，流动阻力,，充型能力,；,铸型结构不宜太复杂。,铸件壁厚最小壁厚（,wall t

6、hickness,）,浇注温度：,T,浇,粘度,充型能力,；但,T,浇,粘砂（,sand adherence,）、缩孔（,shrinkage cavity,）、气孔（,blow hole,）、粗晶（,grain coarsening,）等缺陷,充型压力：,充型,压力,充型能力,；,二、合金的凝固（,solidification,）特性,合金从液态变为固态，称为凝固或一次结晶（,crystallization,）。在此过程，易产生缺陷：缩孔、缩松（,porosity,）、气孔、夹杂（,inclusion,）、热裂（,hot tear,）、偏析等。,1.,铸件的凝固方式,铸件断面上有三个区域：固相

7、区、液相区、,凝固区,。,逐层凝固,：,不存在凝固区（纯金属或共晶成分合金）,；,体积凝固（糊状凝固）,：,凝固区很宽（结晶温度范围宽或铸件截面温度梯度小）,；,中间凝固,：,介于二者之间。,（,1,）逐层凝固方式,纯金属或共晶成分在凝固过程中不存在固液二相共存区，故外层的固体和内层的液体之间有一条界线清楚地分开。,灰铸铁、铝硅合金等倾向于逐层凝固，易于获得紧实铸件。,（,2,）糊状凝固（体积凝固）方式,合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并存的凝固区贯穿整个断面，如图,c,）,（表层不存在固体层，类似水泥）,。,球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝固。,（,3,）中间凝固方式,金属

8、结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截面温度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。,影响凝固方式的因素：,合金的结晶温度范围。,越窄逐层凝固,铸件的温度梯度。,梯度越大逐层凝固,合金的凝固方式影响铸件质量。逐层凝固的合金产生缺陷的倾向小。,三、合金的收缩性,1.,收缩及其影响因素,成分,(%),T,液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。,收缩是多种,铸造缺陷,产生的根源。,合金的收缩经历三个阶段：,（,1,）,液态收缩,：从浇注,液相线温度,（,2,）,凝固收缩,：液相线,固相线,（,3,）,固态收缩,：固相线,室温,液态收缩,表现为铸型腔内液态金属的液面下降

9、。,凝固收缩,共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，,凝固收缩只由状态改变引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。,液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩减，用体收缩率（单位体积的百分收缩量）表示。,它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。,固态收缩,通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线收缩率（单位长度的百分收缩量表示）。,固态收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。,影响铸件收缩的主要因素：,化学成分：铸钢和白口铸铁收缩率大，灰铸铁、球墨铸铁铁小,(,结晶时石墨产生的膨胀抵消了部分收缩）,；,浇注温度：,T,收缩率大；,铸件结构：壁厚不均匀,收缩受阻,收缩率小；,铸型条件：铸型、型芯阻碍收缩力

10、,收缩率小,2.,收缩导致的铸件缺陷,在合金冷却和凝固过程中，若,液态收缩和凝固收缩,所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。,按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。其中容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。,危害：使力学性能下降；因渗漏而报废。,缩孔,（,1,）缩孔和缩松,缩松形成示意图,缩孔和缩松的形成过程,缩孔和缩松的防止措施,顺序（定向）凝固：,采取一定措施，先使铸件上远离冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。,使先凝固的收缩量由后凝固的液体补充，最后将缩孔转移至冒口中,。,安放冷铁,当仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底

11、部厚大部位不出现缩孔时。应在该厚大部位设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。,实现定向凝固方法,合理安放冒口,定向凝固的缺点：,一、冒口浪费金属；,二、铸件内应力大，易于变形和开裂。,应用：,主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。,对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。,什么是铸造应力？,铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各部分体积变化不一致，彼此制约引起的应力为铸造内应力，简称铸造应力。,按应力产生的原因，铸造应力分为热应力和机械应力两种。,（,2,）铸造应力、变形和开裂,热应力,热应力是指因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度

12、不同，致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力。,铸件厚、大部分或心部受拉应力（,+,），薄壁或表层受压应力（,-,）。,热应力的预防与消除,铸件残留热应力预防原则及措施：,铸件残留热应力预防原则：减小铸件各部分间的温度差，使其均匀冷却,.,具体措施：,设计时，尽量使铸件壁厚均匀；,生产上，采取“,同时凝固,”措施。,残留热应力的消除方法：,去应力退火。,同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，再在铸件厚壁处放置冷铁。,同时凝固的原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；只是铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷。,同时凝固原则只用于,普通灰铸铁和锡青铜铸件,的生产。,“,同时凝固”方法：,机械应

13、力,铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力。,它是暂时的,。,防止措施是改善铸型和型芯的退让性,。,铸件的变形,产生原因：铸件内部有残留应力。受拉内应力的部位趋于变短。,受拉部分趋于变短,防止变形的措施,（,1,）,尽可能使铸件的壁厚均匀或截面形状对称。,（,2,）采取相应的工艺措施使其同时凝固,（,3,）“反变形”法,-,模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形。,（,4,）对于不允许发生变形的重要机件必须进行,时效处理。,铸件的裂纹,当铸件的内应力超过其强度极限时便会产生裂纹,按照形成温度的不同，裂纹可分为热裂和冷裂。,热裂,是在铸件,凝固末期的高温下,形成的裂纹。（凝固收缩

14、大、铸型的退让性不好。,是铸钢和铸铝常见的缺陷。,）,冷裂,是铸件凝固后，,冷却到较低温度下,形成的裂纹。（脆性材料）,两种裂纹的形状特点,热裂：,裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；,冷裂：,裂纹细小、呈连续直线状,或圆滑曲线状,、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。,裂纹的预防措施：,降低内应力，适时落砂可减轻机械应力的作用。降低钢铁中杂质,S,的含量可减轻热裂纹倾向，降低杂质,P,的含量可减轻冷裂纹倾向。,四、合金的吸气性及气孔,析出性气孔,当,金属液冷却时，,由于,对气体的溶解度下降而析出的气体,来不及跑出时，会在铸件中形成析出气孔。,特点,：裸眼可见的小圆孔，分布面大，热节处密集

15、，多见于铝合金和铸钢件。,防止：,清理,炉料油污，烘干炉料，真空熔炼，除气处理等,。,各种铸造合金尤其是有色金属和合金，在液态时都有吸气（,H,2,为主）的特性。,气孔,2.,侵入性气孔,造型材料中的气体侵入金属液中形成的气孔。,特点,：体积较大，圆形或椭圆形，分布在铸件表面。,防止,：控制型砂中的含水量，提高铸型排气能力等。,3.,反应性气孔,金属液与铸型之间发生化学反应产生的气孔。,特点：多见于黑色金属铸件，分布在表皮下面，又称皮下气孔。,防止：型腔表面喷涂料，烘干炉料，减少型砂水分等。,五、常用铸造合金的铸造性能特点,铸铁,（,1,）,灰铸铁 铸造性能良好。,接近共晶成分，流动性好；收缩

16、率小。,孕育铸铁,：高强度灰铸铁（硅铁孕育）,流动性差，收缩率高；,提高浇注温度，设置冒口,。,（,2,）,球墨铸铁,铸造性能比铸钢好，比灰铸铁差。,铁水出炉温度,流动性,浇不足、冷隔；,铸型刚度，开冒口,缩孔、缩松；,型砂透气性，控制型砂水分；,Mg%,皮下气孔,包括铸铁、铸钢、铸造有色合金等,。,（,3,）可锻铸铁,白口铸坯,石墨化退火,团絮状石墨,流动性差,提高铁水温度,收缩率大,顺序凝固,球铁缩孔、缩松形成,2.,铸钢,铸造性能差,流动性差，熔点高,干砂型，石英砂，提高浇注温度；,收缩率大,顺序凝固，改善铸件结构，降低硫、磷含量等。,3.,铸造有色金属,（铝合金、铜合金）,流动性好，收缩率大，,容易吸气、氧化,气孔、夹渣,坩埚炉熔炼，炉料、工具预热，去除杂质，浇注前要处理等。,六、新型材料,金属间化合物及其铸造性能特点,金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物。简称,IMC(intermetallics compounds),，目前,Fe-Al,Ni-Al,Ti-Al,三个系列为研究热点。,例：,Fe,3,Al,铸造工艺特性：,装料,熔化,精炼,合金化,浇注，均在真空感应