01第一篇 金属的铸造成形工艺(17)

1第一篇金属的铸造成形工艺第一章铸造成形工艺理论基础§1-1概述金属液态成形工艺——铸造、液态冲压、液态模锻等铸造（最广泛）——将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法）。一、特点1．能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯：如：阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等2．铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨3．常用的原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛（如：机床、内燃机中铸件70~80%，农业机械40~70%）但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷。二、分类铸造砂型铸造——90%以上，成本低特种铸造——熔模、金属型、压力、低压、离心质量、生产率高，成本也高§1-2铸造的工艺性能工艺性能——符合某种生产工艺要求所需要的性能铸造性能——合金的流动性、收缩性、吸气性、偏析等一、合金的流动性1．概念指液态合金本身的流动能力，它是合金主要的铸造性能，流动性愈强，愈便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。流动性不好——浇不足、冷隔[注]：流动性的测定——“螺旋形试样”（图1-1）2流动性愈好，浇出的试样愈长灰铸铁、硅黄铜最好，铝合金次之，铸钢最差2．影响合金流动性的因素①化学成分共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，此时，液态合金从表层逐层向中心凝固，由于已结晶的固体层内表面比较光滑（图1-3a）对金属液的阻力较小。同时，共晶成分合金的凝固温度最低（铁碳合金状态图）。相对说来，合金的过热度（浇注温度与合金熔点之温差）大，推迟了合金的凝固，故共晶成分合金的流动性最好。除纯金属外，其它成分合金是在一定温度范围的逐步凝固，即经过液、固并存的两相区。此时，结晶是在截面上的一定宽度的凝固区内同时进行的，由于初生的“树枝状”晶体，使已结晶固体层的表面粗糙（图1-3b）所以，合金的流动性变差。共晶生铁，流动性好。[注]：降低金属液粘度——提高流动性如加P—铸铁凝固温度、粘度↓→流动性好但引起冷脆性（性能要求不高的小件）S→MnS→内摩擦（粘度↑）→流动性↓②浇注条件浇注温度——温度↑→粘度↓过热度↑，保持液态时间长→流动性好，但过高→收缩增大，吸气增多，氧化严重→缩孔、缩松、气孔、粘砂等控制浇注温度：灰铸铁：1200~1380℃铸铜：1520~1620℃铝合金：680~780℃浇注压力——压力愈大，流动性愈好增加直浇口高度或采用压力铸造、离心铸造③铸型充填条件铸型的蓄热能力——铸型材料的导热系数和比热愈大，对液态合金的“激冷”能力愈强，流动性差。如：金属型比砂型铸造更容易产生浇不足等缺陷。铸型中气体——在金属液的热作用下，型腔中气体膨胀，腔中气体压力增大——流动性差（阻力大）改善措施：使型砂具有良好的透气性，远离浇口最高部位开设气口。二、合金的收缩性31．合金收缩的概念合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象——收缩。控制不好，易产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹收缩过程（图1-4）P6液态收缩ε液——从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（T液）间收缩凝固收缩ε凝——凝固开始到凝固终了温度间收缩固态收缩ε固——凝固终了→室温ε总=ε液+ε凝+ε固体收缩——产生缩孔、缩松线收缩——产生内应力、变形、裂纹[注]：常用铸造合金中铸钢收缩率最高灰铸铁最小（石墨析出，体积膨胀）2．影响合金收缩的因素化学成分浇注温度铸件结构和铸型条件3．铸件中的缩孔和缩松（1）缩孔和缩松的形成液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为：缩孔和缩松缩孔——集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显凹坑。（纯金属、共晶成分合金易形成）（图1-5）缩孔的形成过程缩松——分散在铸件某区域内的细小缩孔。当容积相同时，缩松的分布面积比缩孔大得多。（图1-6）缩松的形成过程宏观缩松——肉眼或放大镜可见显微缩松——显微镜观察到（2）缩孔和缩松的防止①缩孔的防止——采用冒口和冷铁，控制铸件顺序凝固4即在铸件上可能出现缩孔的厚大部位（图1-7），通过安放冒口等工艺措施，使远离冒口部位先凝固，靠近冒口部位次凝固，冒口本身最后凝固。这样，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口的金属液来补充——使铸件各部位收缩均能得到补充，缩孔→冒口中（多余部分，清除）[注]：形状复杂有多个热节——冒口+冷铁外冷铁——重复使用；（图1-8）内冷铁——不重要铸件（熔合于铸件）（图1-9）②缩松的防止——热节处要放冷铁或在局部砂型表面涂“激冷”涂料，加大冷却速度，或加大结晶压力，破碎枝晶，流动性好4．铸造内应力、变形和裂纹铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部产生内应力，这些内应力有时是在冷却过程中暂存的，有时则一直保留到室温，后者称残余内应力。铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。（1）内应力的形成按内应力产生的原因，可分为热应力和机械应力①热应力由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。分析：金属自高温——室温（冷却）时应力状态的改变，在再结晶温度（钢、铸铁为620~650℃）以上——塑性状态（在应力下）→塑性变形（永久变形），变形后应力可消除；在再结晶温度以下——弹性状态——弹性变形，变形后应力继续存在。（图1-10）热应力形成过程——三个阶段（图1-11）应力框的冷却曲线[注]a.热应力的性质——铸件缓冷处（厚壁或心部）受拉伸，快冷处（薄壁或表层）受压缩b.铸件冷却时各处的温差越大，顺序凝固愈明显，合金的固态收缩率越大，弹性模量愈大→热应力大c.预防热应力的基本途径——减少铸件各部分的温度差，使其均匀冷却。如：E小、壁厚均匀、控制各部位同时凝固（图1-12）②机械应力（收缩应力）5合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的应力。（图1-13）使铸件产生拉伸或剪切应力（暂时的），落砂后，内应力便消除。在铸型中可与热应力共同起作用，增大某些各部位的拉伸应力，产生裂纹。（2）铸件的变形与防止残余内应力（厚的部分受拉伸，薄的部分压缩→不稳定状态，自发地通过变形，减缓内应力——稳定状态即，原受拉——产生压缩变形原受压——产生拉伸变形（图1－14）、（图1－15）、（图1－16）[注]：防止变形——壁厚均匀，形状对称工艺上：同时凝固，冷却均匀反变形法（长而易变形）“反变形法”——统计铸件变形规律基础上，在模型上预先作出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。（3）铸件的裂纹与防止当铸件的内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。严重缺陷—导致报废。热裂——在高温下产生的裂纹（裂纹短，缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色）冷裂——在低温下形成的裂纹（裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色）防止热裂——选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金，提高型砂和芯砂的退让性，控制含S—防热脆防止冷裂——减小内应力，控制含P量，浇注之后，勿过早打箱。三、合金的吸气性液态合金吸入了气体，若不能逸出——气孔缺陷，破坏了金属的连续性，减少了承载的有效面积，应力集中，降低机械性能（冲击韧性，疲劳强度），弥散性气孔还可使显微缩松的形成，降低铸件的气密性。按气体来源，气孔可分为：侵入气孔——砂型和型芯中气体侵入金属液中而形成的气孔（图1－19）析出气孔——双原子气体随温度降低溶解度下降，呈过饱和状态以气泡形式从金属液中析出（铝合金中最多见）；如（图1－20）反应气孔——液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或溶渣之间发生化学反应产生气体而形成气孔。6第二章常用铸造合金及其熔炼§2-1钢铁的冶炼铁矿石→生铁→钢水→钢锭（图2-1）一、炼铁在高炉中进行铁矿石+焦碳+石灰石炉料高炉预热900~1200℃→焦碳燃烧，产生CO→加热炉料，发生反应还原反应：C、CO将FeO中氧分离→还原Fe造渣反应：CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣）渗碳反应：Fe吸收焦碳中C→含C高，熔点低的生铁水[注]：铁水中溶解有Si，Mn，S，P等（表2-1）炼钢生铁——用于炼钢（大多数）铸造生铁——熔炼铸钢（少量）二、炼钢钢与生铁在化学成分上主要区别：钢含C量低（1.4%）Si,MnS,P杂质低主要任务——生铁多余的C、杂质→氧化物1．炼钢的冶炼反应①碳、硅、锰的氧化——脱碳是最重要过程②P、S的脱除③脱氧——炼钢后期（FeO中脱氧）2．钢的冶炼分类炼钢设备不同，分为转炉炼钢——冶炼普通低碳钢平炉炼钢——普通优质碳素结构钢、低合金钢电炉炼钢——优质钢（成本高）（感应电炉或电弧炉）3．镇静钢与沸腾钢镇静钢——锰铁、硅铁、纯铝、完全脱氧的钢——优质钢，合金钢的钢锭沸腾钢——仅用锰铁部分脱氧的钢（低碳钢）——冲压件§2-2常用铸造合金及其熔炼铸造合金——用于生产铸件的那一部分金属材料7常用：铸铁、铸钢、铸造有色合金一、铸铁及其熔炼铸铁——含C大于2.11%的铁碳合金具有良好的铸造性能、易切削——适合形状复杂的铸件应用最广泛（占50%以上）根据碳在铸铁中存在形式不同，可分为白口铸铁—C除微量溶于铁素体外，全部以Fe3C形式存在，断口银白色硬脆，难加工。灰口铸铁—C除微量溶于铁素体外，全部或大部以石墨形式存在，断口灰色。麻口铸铁—即有石墨，又有莱氏体，过渡组织。断口黑白相间的麻点，硬脆，难加工（少用）灰口铸铁（按石墨形态）普通灰口铸铁——简称灰口铸铁（呈片状）可锻铸铁——石墨呈团絮状球墨铸铁——呈球状蠕墨铸铁——蠕虫状根据铸铁的化学成分，分为：普通铸铁合金铸铁——含Si4%、Mn2%，或Ti,V,Mo,Cr,Cu等1．灰铸铁显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与片状石墨组成——钢的基体上嵌入大量石墨片。性能特征①机械性能——抗拉强度、弹性模量较低200~100bMPa塑性、韧性近于零→脆性材料但抗压强度与钢相近（600~800MPa）石墨愈多、愈粗大——机械性能愈差②工艺性能——脆性材料，不能锻造和冲压，可焊性较差，但铸造性能优良，切削加工性能好（崩碎切屑）③减震性——减震能力为钢的5~10倍——机床床身、机座④耐磨性——石墨润滑作用，比钢好——导轨、衬套，活塞环等⑤缺口敏感性——低，疲劳强度影响小。[注]：影响铸铁组织和性能的因素1）化学成分——C和Si——石墨化（图2-2）P208S和Mn——阻碍石墨化P——冷脆性2）冷却速度——灰口很慢（石墨顺利析出）；白口很快3）孕育处理——提高灰铸铁机械性能的有效方法。（向铁水中冲入孕育剂进行孕育处理，然后浇注）→孕育铸铁（表2-2）灰铸铁的抗拉强度、特性及应用HT100、HT150、HT200——普通灰铸铁，广泛用于一般机件HT250~HT350——孕育铸铁（要求高）2．可锻铸铁玛钢或玛铁，将白口铸铁经石墨化退火而成的一种铸铁石墨呈团絮状，对基体割裂作用↓→抗拉强度↑（400~300b）相当高塑性、韧性（但并不能真的用于锻造），球铁问世前，曾是机械性能最高的铸铁（表2-3）特性和用途举例牌号KTH——黑心可锻铸铁KTZ——珠光体可锻铸铁KTB——白心可锻铸铁（少用）3．球墨铸铁（简称球铁）上世纪40年代末发展起来的一种铸造合金。向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂→球状石墨铸铁1）球铁对原铁水要求控制含S≤0.07%，P≤0.1%温度1400℃球化孕育处理冲入法和型内球化法2）球铁的铸造工艺比灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等3）牌号性能及应用（表2-4）QT400-18400：最低抗拉强度、18：延伸率（表2-5）热处理后机械性能4．蠕墨铸铁铁水经蠕化处理，石墨呈蠕虫状（介于片状和球状间）的铸铁其铸造性能接近灰铸铁，金属造工艺简便，9牌号及性能（5个牌号）RuT420RuT380RuT340RuT300RnT2