11金属液态成形的铸造基础

材料成形技术基础三峡大学机械与材料学院叶喜葱课程内容第四章：材料成型方法的选择第三章：材料的连接成形第二章：金属的塑性成形第一章：金属的液态成形前言前言它是研究金属、非金属零件及其毛坯成形过程、原理及特点的一门技术基础课。包括铸造、锻压、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。零件的制造(看到一个零件想到什么？)：选材成形切削加工零件前言车辆是如何制造出来的？前言汽车内脏前言一.材料加工概述零件或材料的四种加工方法：1.成形加工：凝固成形、塑性成形、焊接成形、粉末压制、塑料成形；2.切除加工：车、铣、刨、钻、磨、电火花、电解、激光加工等；3.表面成形加工：表面形变、淬火强化、化学强化、表面镀层、气相沉积镀膜；4.热处理加工：退、正、淬、回火；二.材料基本加工要素及流程第一章：金属的液态成形1.1金属液态成形的铸造基础1.2金属的液态成形工艺1.3液态成形金属件的工艺设计1.4液态金属成形件的结构设计1.1金属液态成形的铸造基础基本要求：了解金属液态成形的铸造基础知识，成形工艺特点及应用，金属液态成形件的工艺设计及结构设计。重点难点：液态金属的工艺性能，液态金属成形的结构设计，工艺设计以及成形工艺方法。一、液态成形基本概念：将液态金属浇入与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法，通常称为金属液态成形,简称铸造。液态成形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。（P1）1.1金属液态成形基础主要特点：（l）能够制成形状复杂、特别具有复杂内腔的毛坯；（2）成本低廉，设备简单、周期短；（3）铸造的适应性广，铸件的大小几乎不受限制；（4）精密铸造可直接成为零件，节省材料；（5）砂型铸件的力学性能较差，质量不够稳定；（6）砂型铸造成形生产劳动强度大，生产条件差；（7）铸造工序多，质量不够稳定。向铸造新技术、新工艺、新材料发展二、铸造成形的理论基础铸造成形过程是金属液在铸型里从高温到低温的冷却、凝固结晶的过程，他涉及铸造金属的工艺性能，也称铸造性能。铸造合金除应具备符合要求的力学性能和必要的物理、化学性能外，还必须有良好的铸造性能。合金的铸造性能主要是指合金的流动性、收缩性、吸气性与偏析性等。成分-铸造性能-性能，影响选材、工艺及设计。1、充型能力充型：熔化合金填充铸型的过程。充型能力：熔融合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰铸件的能力。充型能力不好造成的缺陷：1.1金属液态成形基础缩孔浇不足冷隔充型能力首先取决于材料的本身的流动性；不同金属：Al，Fe同一合金，Fe-C合金为例0.77%C2.11%C4.30%C充型能力受到外界条件的限制；铸型性质浇注条件铸型结构等作用途径：影响金属与铸型的热交换条件，改变金属液的流动时间；影响金属液在铸型中的流体动力学条件，改变金属液的流动速度。影响合金充型能力的主要因素：1）金属性质；2）铸型性质；3）浇注条件；4）铸件结构。其中金属性质是内因，外因为铸型性质、浇注条件、铸件结构。1.1金属液态成形基础问题：如何提高金属液的流动性？影响合金充型能力的主要因素：1)金属性质（流动性）：流动性指熔融金属的流动能力,它是影响充型能力的主要因素之一。流动性的测定：螺旋形流动性试样。1-浇口；2-内浇道；3-冒口；4-试样凸点①合金的种类：合金的流动性与合金的熔点、热导率、合金液的粘度等物理性能有关。铸钢熔点高，在铸型中散热快、凝固快，则流动性差。灰铁球铁铸钢②合金的成分：同种合金中，成分不同的铸造合金具有不同的结晶特点，对流动性的影响也不相同。共晶成分亚共晶，逐层凝固，糊状凝固，过热度纯金属和共晶成分合金的结晶亚共晶合金的结晶③结晶特性:恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差④结晶潜热：潜热越大，流动性越好⑤此外，合金液的比热、密度越大，导热系数越小充型能力好。2)浇注条件：指的是浇注温度与充型的压力。①浇注温度浇注温度对合金的充型能力有决定性影响。浇注温度高，流动性好，充型能力强。但浇注温度过高，会使金属的吸气量和总收缩量增大，从而增加铸件其它缺陷的可能性。因此，在保证流动性足够的条件下，浇注温度应尽可能低些。（高温熔化，低温浇注）②充型压力熔融合金在流动方向上所受的压力愈大，充型能力愈好。但过高的砂型浇注压力，使铸件易产生砂眼、气孔等缺陷。在低压铸造、压力铸造和离心铸造时，因人为加大了充型压力，故充型能力较强。①铸型的蓄热能力表示铸型从熔融合金中吸收热量并储存的能力，铸型材料的比热和热导率愈大，合金的充型能力愈差。金属型--砂型②铸型温度铸型预热减小了铸型与熔融金属的温度差，减缓了合金的冷却速度，延长了合金在铸型中的流动时间，则合金充型能力提高。③铸型的透气能力浇注时因熔融金属在型腔中的热作用而产生大量气体。如果铸型的排气能力差，则型腔中气体的压力增大，阻碍熔融金属的充型。3)铸型条件：熔融合金充型时，铸型的阻力、铸型对合金的冷却作用都将影响合金的充型能力。4）铸件结构的壁厚折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。(大平面铸件不易成形)复杂程度：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。2、合金的凝固与收缩一、合金的凝固凝固：物质由液态转化为固态的过程称为凝固，凝固过程又称结晶。铸造的实质？？？（1）铸件的凝固方式a)逐层凝固b)中间凝固c)糊状凝固（1）、铸件的凝固方式影响凝固的主要因素：①合金的结晶温度范围；②铸件的温度梯度：合金的性质、铸型的蓄热能力、浇注温度（P4）。逐层凝固中间凝固糊状凝固铸件的温度梯度取决于：A、合金的性质：合金的凝固温度越低、热导率越高、结晶潜热越大，铸件的内部温度均匀化能力越强，铸型的激冷作用变小，温度梯度降低（如多数铝合金）。B、铸型的蓄热能力：铸型的蓄热能力越强，激冷能力越强，铸件的温度梯度越大。C、浇注温度：浇注温度越高，因带入的热量越多，铸件的温度梯度减小。铸件的温度梯度由小变大，则其对应凝固区由宽变窄。问砂型铸造时：低碳钢是什么凝固方式？高碳钢？是不是随着碳含量增加，凝固方式向糊状转变？（2）、铸件的凝固方式与铸件质量的关系①窄结晶温度范围合金如：纯金属和共晶成分合金特点：凝固区域宽度为零即不存在液固共存，凝固前沿平坦；如：工业用Cu、Zn、Sn，低碳钢、铝青铜、窄结晶范围小的黄铜；①窄结晶温度范围合金凝固区域窄，凝固前沿为锯齿形；集中性缩孔；（原因）热裂的倾向性小；较好的充型能力②宽结晶温度范围合金如：Al-Cu合金，高碳钢，球墨铸铁，结晶范围大的黄铜；形成分散性缩孔（缩松）；热裂倾向性大；充型能力差；③中等结晶温度范围合金中碳钢、高锰钢、一部分特种黄铜和白口铸铁二、合金的收缩铸件在凝固和冷却过程中体积或尺寸减少的现象称为收缩。收缩是绝大多数合金的物理本性，是影响铸件的几何形状、尺寸、致密性，甚至是某些缺陷的重要铸造性能之一。收缩的三个阶段(P5)：液态收缩凝固收缩固态收缩收缩的三个阶段：液态收缩，凝固收缩，固态收缩。体收缩率εv=（V0-V1）/V0=αv（t0-t1）*100%线收缩率εL=（L0-L1）/L0=αL（t0-t1）*100%式中：t0，t1为合金在常态和液态时的温度；V0，V1为金属在t0，t1时的体积；L0，L1为金属在t0，t1时的长度；αv，αL为金属在t0至t1温度范围内的体积收缩和线收缩系数。合金收缩对铸件的影响：液态收缩：浇注系统的设计凝固收缩：缩孔、缩松的形成固态收缩：应力、变形和开裂。1、影响收缩的因素：（1）、化学成分（重点掌握）（2）、浇注温度（3）、铸件的结构和铸型结构金属凝固过程中的收缩导致缩孔和缩松的主要原因。2、缩孔与缩松铸型内的熔融合金在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸造件最后凝固部位将形成孔洞。按孔洞的大小和分布可分为缩孔和缩松。缩孔是比较集中的孔洞。缩松是比较分散的孔洞。a)金属液充满型腔b)铸件表层凝固c)液面下降d)缩孔形成①缩孔的形成产生原因：凝固收缩条件：逐层凝固合金：凝固温度范围小（纯金属、共晶合金）位置：铸件的最后凝固部位（一般在内层）②缩松的形成a)凝固初期b)宽的固液共存区c)中心线缩松形成产生原因：凝固收缩条件：糊状凝固(有初晶相生成）合金：结晶凝固温度范围大（亚、过共晶合金）2、影响收缩的因素①化学成分：碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩略减。②浇注温度：浇注温度愈高，过热度愈大，合金的液态收缩增加。③铸件结构：铸型中的铸件冷却时，因形状和尺寸不同，各部分的冷却速度不同，结果对铸件收缩产生阻碍。④铸型和型芯对铸件的收缩也产生机械阻力：铸件的实际线收缩率比自由线收缩率小。因此设计模样时，应根据合金的种类、铸件的形状、尺寸等因素，选取适合的收缩率。由以上缩孔、缩松的形成过程可以得到以下规律：a）合金的液态收缩越大，铸件越容易形成缩孔；b）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越容易形成缩孔；c)结晶范围越宽的合金，越容易倾向于糊状凝固，易形成缩松；d)纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，容易形成缩孔。三、缩孔和缩松的防止（1）、顺序凝固原则：从远离冒口到冒口逐次凝固。三、缩孔和缩松的防止（2）、合理的应用冒口、冷铁、补贴等工艺措施三、缩孔和缩松的防止（3）、合理地确定內浇道位置及浇注工艺三、铸造应力、变形及裂纹铸件在冷却、凝固过程中，由于各部分体积变化不一致、彼此制约而使其固态收缩受到阻碍引起的内应力。按照阻碍收缩原因不同，可分为热应力和收缩应力。内应力是产生铸件变形和裂纹的原因。铸件各部分由于冷却速度的不同、收缩量不同而引起的阻碍称为热阻碍，铸型、型芯对铸件的收缩阻碍称为机械阻碍。应力超过材料的屈服极限时，铸件产生变形；超过材料的抗拉强度时，就产生裂纹。临时应力、残余应力。（1）铸造应力与变形形成原因：固态收缩受阻。危害：导致铸件变形或开裂分类：热应力和收缩应力。①热应力形成原因；形成过程；3.1、铸造应力热应力使冷却较慢的厚壁处受拉伸，冷却较快的薄壁或表面受压缩。壁厚差距越大、合金的线收缩率越大、弹性模量越大，热应力越大。原因：铸件冷却到弹性状态以后，其收缩受到铸型、型芯和浇、冒口等的机械阻碍而产生。应力类型：拉应力。性质：临时应力，清砂后消失。②：收缩应力⊙合理地设计铸件的结构：壁厚均匀、热节小。⊙采用同时凝固的工艺---冷铁：加快局部冷却速度⊙时效处理（自然和人工）⊙合理选材。③减小和消除铸造应力的措施顺序凝固原则与同时凝固原则顺序凝固原则：优点：便于补缩，铸件致密。缺点：温差导致应力、变形和开裂等。适用材料：铸钢、高强度灰铁、可锻铸铁。同时凝固原则：优点：温差小，减小应力，防止变形和开裂。缺点：易出现缩松。适用材料：普通灰铸铁。a)顺序凝固b)同时凝固④铸件的变形与防止原因：铸造应力σs(P10)防止：防止应力即可防止变形（反变形法，提早落砂）3.2、铸件的变形和防止（2）铸件的裂纹与防止当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。分为热裂和冷裂两种。3.3、铸件的裂纹和防止①热裂产生时间：凝固末期。特征：沿晶开裂，外形不规则，表面有氧化色原因：收缩受机械阻碍防止:①尽量选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金。②提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③合理设计浇注系统。④对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。②冷裂（P11）产生时间：是在较低温度下，由于热应力和收缩应力的综合作用而产生。特征：外形规则光滑，表面光亮。原因：收缩受到机械阻碍。部位：缺陷、应力集中处，拉伸的地方防止：防止应力，及早开箱，缓慢冷却或退火三、常用合金铸件的生产常用铸造合金有铸钢、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、合金铸铁、铜合金及铝合金等。炼铁工艺，分铸造生铁和炼钢生铁两种；铸造生铁与其他材料一起熔化后，获得的材料，叫