第一章--铸造成形工艺理论基础

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本章学习目的是掌握铸造成形工艺的特点及铸造的工艺性。掌握影响铸造成形工艺性的主要因素；熟悉流动性、缩孔和缩松、应力和变形的概念及影响因素；了解铸件缺陷产生的原因及防止方法。重点：铸造工艺性及影响因素。难点：铸件缺陷产生的原因。§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）。砂型铸造工艺过程一、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．常用原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛。机床、内燃机中铸件70~80%；农业机械40~70%。4.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、铸造分类砂型铸造：90%以上，成本低。特种铸造：①熔模、金属型、压力、低压、离心。②质量、生产率高，成本也高。§1-2合金的铸造性能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。有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除。有利于对收缩进行补缩。流动性不好→浇不足、冷隔。流动性的测定：“螺旋形试样”。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①共晶成分合金□结晶是在恒温下进行的；□从表层逐层向中心凝固，已结晶的固体层内表面比较光滑对金属液的阻力较小。□共晶成分合金的凝固温度最低。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。②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。初生的“树枝状”晶体，使已结晶固体层的表面粗糙。故流动性变差。③合金对金属液粘度的影响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（1）浇注温度温度↑→粘度↓过热度↑，保持液态时间↑→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℃铸钢：1520~1620℃铝合金：680~780℃（2）浇注压力压力愈大，流动性愈好。增加直浇口高度；采用压力铸造、离心铸造。3）铸型充填条件（1）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。（2）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1．合金收缩的概念定义：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。危害：收缩控制不好，易产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹。收缩过程：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→室温间收缩。总收缩：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。常用铸造合金中铸钢收缩率最高；灰铸铁收缩率最小，因为内部的石墨析出，体积膨胀。2．影响合金收缩的因素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。灰铸铁中，碳、硅含量增加，收缩率减小。硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增大。适量的锰可与硫合成MnS，抵硫对石墨的阻碍作用，使收缩率减小。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。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。①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。②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。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，控制铸件顺序凝固即在铸件上可能出现缩孔的厚大部位，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。缩孔移到冒口中除掉。形状复杂有多个热节：冒口+冷铁”。外冷铁：重复使用。内冷铁：不重要铸件（熔合于铸件）。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定义：铸件在凝固之后的继续冷却过程中，因其固态收缩若受到阻碍，在铸件内部产生了内应力，并一直保留到室温，称残余内应力。危害：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。热应力形成过程：三个阶段应力框的冷却曲线：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.影响铸件热应为的因素：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；热应力愈大。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。□主要措施：E小、壁厚均匀、控制各部位同时凝固。②机械应力（收缩应力）合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的应力。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①产生变形的原因：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。②防止变形的措施：结构上：壁厚均匀，形状对称；工艺上：同时凝固，冷却均匀；“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。用于长而易变形的工件。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。是严重缺陷，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。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）；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。四、偏析比重偏析：铸造时因组元比重相差较大，铸件产生的偏析称为比重偏析。重力浇注易产生上下偏析区，离心浇注时产生内外偏析。防止措施：搅拌后快速凝固结晶偏析：当组元在结晶相中溶解度相差较大时，则先后结晶的相中组元相差较大，而产生结晶偏析（也称微观偏析）。防止措施：均匀化退火。五、其它粘砂夹砂；胀砂与掉砂；渣孔。结束