搜索
机械制造工程概论第五章液态成形---铸造第五章液态成形---铸造•主要内容1概述2合金的铸造性能3重力作用下的液态成形工艺方法4外力作用下的液态成形工艺方法5铸造工艺设计•重点：•理解并掌握合金的铸造性能，掌握典型零件的铸造工艺特点。课时：6学时21概述•液态成形的定义将液体金属浇注到与所要求的毛坯或零件的形状和尺寸相适应的铸型型腔中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种毛坯成形工艺方法。熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。31概述优点：1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。缺点：1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定，废品率较高。3）液态成形工艺，尤其是砂型铸造，劳动条件差、强度大液态成形工艺方法分为重力作用下的液态成形和外力作用下的液态成形两大类4在机器设备中铸件所占比例很大，如机床、内燃机中，铸件占总重量的70％-90％,压气机占60％-80％，拖拉机占50％～70％，农业机械占40％～70％。1概述铸造产品52合金的铸造性能（一）合金的流动性1.流动性流动性是指熔融金属的流动能力。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。2.流动性的影响因素1）合金的种类不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。一、流动性和充型能力6铸件的质量与合金的铸造性能密切相关。合金的铸造性是指在铸造过程中表现出来的工艺性能，如流动性、收缩性、吸气性、各部位的成分不均匀性等。2合金的铸造性能(二)合金的充型能力1.充型能力液态金属充满铸型容腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，叫做液态金属的充型能力。合金的流动性是金属本身的属性，主要取决于金属的结晶特性和物理性质。不随外界条件的改变而变化，而合金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响。2.充型能力的影响因素a）浇注温度b）填充压力c）铸型导热能力d）铸型阻力（形腔的大小、复杂程度、发气量等因素）一、流动性和充型能力合金的流动性、浇注条件、铸型的影响72合金的铸造性能（一）合金的流动性一、流动性和充型能力82合金的铸造性能（一）合金的流动性一、流动性和充型能力92合金的铸造性能结晶特性对流动性的影响一、流动性和充型能力102合金的铸造性能2）化学成分和结晶特征纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好。在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差。不同结晶特征的合金的流动性112、浇注条件提高浇注温度，可使液态金属粘度下降，流速加快，还能使铸型温度升高，使散热速度变慢，从而大大提高金属液的充型能力。3、铸型条件铸型中凡能增加金属液流动阻力、降低流动速度和加快冷却速度的因素，均能降低充型能力。为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚不小于规定的“最小壁厚”（如下表），在铸造工艺上也应采取相应措施。•铸件尺寸/mm铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金200×20084-66533-5200×200-500×50010-126-1012846-8500×50015-2015-20------6---表最小壁厚2合金的铸造性能二、合金的收缩性1）概念：合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减现象。收缩容易产生缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷，其过程包括：液态收缩、凝固收缩和固态收缩1415合金的凝固特性合金从液态到固态的转变成为凝固或一次结晶。许多常见的铸造缺陷，如缩孔、缩松、热裂、气孔、夹杂、偏析等都是在凝固过程中产生的。凝固方式有如下三种：1、逐层凝固纯金属或共晶成分合金在恒温下结晶，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区不断增大，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”。2、体积凝固（糊状凝固）当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度过小，铸件凝固在某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”。163、中间凝固金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”。（图ｃ）结晶范围窄，类似共晶转变，截面温度梯度大，导致结晶区域的范围大。17影响铸件凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。2合金的铸造性能（二）铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。它主要包括以下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。（三）影响合金收缩的因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。182合金的铸造性能二、合金的收缩性3）铸件中的缩孔和缩松---缩孔和缩松的形成192合金的铸造性能二、合金的收缩性3）铸件中的缩孔和缩松---缩孔和缩松的形成缩孔的形成缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。202合金的铸造性能二、合金的收缩性3）铸件中的缩孔和缩松---缩孔和缩松的形成缩松的形成宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。212合金的铸造性能二、合金的收缩性3）铸件中的缩孔和缩松---缩孔和缩松的防止222合金的铸造性能缩孔、缩松的防止措施a）采用定向凝固的原则所谓定向凝固，按离冒口距离的由远及近的凝固方式，即在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口的部位最后凝固，冒口本身最后凝固。即使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。232合金的铸造性能b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺浇注位置的选择应服从定向凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。采用“顺序凝固原则”同时，顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，促进了铸件的变形和裂纹倾向，因此，主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铝硅合金和铸钢件等。2合金的铸造性能二、合金的收缩性4）铸造内应力及铸件的变形和裂纹1.热应力的性质：铸件缓冷处（厚壁处或心部）受拉伸，快冷处（薄壁处或表层）受压缩；2.铸件冷却时各处的温差越大；定向凝固越明显；合金的固态收缩率越大；弹性模量越大；热应力越大防止热应力的措施：缩小铸件各处的温差，使其均匀冷却；选择弹性模量小的合金；设计壁厚均匀的铸件，从铸件工艺方面促进铸件各部分同时凝固。252合金的铸造性能二、合金的收缩性4）铸造内应力及铸件的变形和裂纹1.热应力的性质：铸件缓冷处（厚壁处或心部）受拉伸，快冷处（薄壁处或表层）受压缩；2.铸件冷却时各处的温差越大；定向凝固越明显；合金的固态收缩率越大；弹性模量越大；热应力越大防止热应力的措施：缩小铸件各处的温差，使其均匀冷却；选择弹性模量小的合金；设计壁厚均匀的铸件，从铸件工艺方面促进铸件各部分同时凝固。262合金的铸造性能铸造应力、变形和裂纹在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。（1）铸造应力的产生铸造应力按其产生的原因可分为三种：a）热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。b）固态相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。c）收缩应力铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。272合金的铸造性能二、合金的收缩性4）铸造内应力及铸件的变形和裂纹282合金的铸造性能铸造应力的防止和消除措施a）采用同时凝固的原则同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。b）提高铸型温度c）改善铸型和型芯的退让性d）进行去应力退火29但铸件心部容易出现缩孔或缩松。主要用于灰铸铁、锡青铜（糊状凝固）。2合金的铸造性能铸件的变形和防止铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削加工变形。防止铸件变形有以下几种方法：a)采用反变形法可在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。b)进行去应力退火铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。c)设置工艺肋为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺肋。302合金的铸造性能铸件的裂纹及防止a)铸件裂纹的分类及其形貌铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。当固态合金的线收缩受到阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂；而冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的。热裂裂纹一般沿晶界产生和发展，其外形曲折短小，裂纹缝内表面呈氧化色；冷裂裂纹常常是穿晶断裂，裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。b）铸件裂纹的防止为有效地防止铸件裂纹的发生，应尽可能采取措施减小铸造应力；同时金属在熔炼过程中，应严格控制有可能扩大金属凝固温度范围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量。312合金的铸造性能322合金的铸造性能1.偏析铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。(1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。(2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。为防止比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。三、铸造合金的偏析和吸气性332合金的铸造性能铸造合金的偏析和吸气性2.铸件中的气孔和合金的吸气（1）侵入性气孔侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈