成形-第2章--铸造

材料成形技术基础（机械类各专业）总学时:26+6学分：2主讲教师：潘昌实绪论性质：是技术性很强的综合性技术基础课；是工程培训的深化和延续；也是联系设计和制造的桥梁；同时，为学习专业课程打下有关制造技术的基础内容：各种材料成形工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系。常用金属材料性能对成形加工的影响;金属零件的成形工艺过程和结构工艺性;常用材料成形工艺的综合比较。特点：内容多、概念多、跳动大、理论推导少要求：定材料、定工艺、定结构三易一难：易学、易懂、易忘、难用原材料毛坯成形加工机械制造工艺过程机械加工、特种加工热处理、表面处理零件成品原材料：金属材料、非金属材料、复合材料毛坯成形加工：铸造、锻造、冲压、焊接等机械加工、特种加工：切削、磨削、特种加工热处理、表面处理：材料的改性与处理检测与质量监控：必不可少的保证质量的措施装配：零件的固定、连接、调整、检验和产品试验。装配材料成形中的基本要素及其流动材料、能量和信息三个基本要素的流动及其相互作用形成物质流、能量流和信息流,使毛坯和零件的成形得以实现(1)物质流质量不变过程:铸造、塑性成形、表面处理等质量减少过程:切削加工、热切割、板料冲裁等质量叠加过程:焊接、胶接和机械连接等2．能量流各种能量的消耗和转化过程称为能量流3．信息流形状信息流性能信息流将生产过程中的物质流、能量流和信息流系统化,即“机械制造技术系统”,具有“自动化、柔性化、高效化”的综合效果特征4．材料成形技术的发展趋势(1)优化常规工艺(2)新型加工方法不断出现(3)高新技术与工艺紧密结合产品的加工要求第2章铸造定义：熔炼金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成形方法包括砂型铸造和特种铸造两大类优点：工艺适应性强，铸件的结构形状和尺寸和大小几乎不受限制，常用的合金都能铸造；原材料来源广泛，价格低廉，设备投资较少应用：适于制造形状复杂、特别是内腔形状复杂的零件或毛坯，尤其是要求承压、抗震或耐磨的零件。缺点：工艺因素影响较大，铸件易出现浇不到、缩孔、气孔、裂纹等缺陷，组织疏松，晶粒粗大。质量不稳定，一般情况下，铸件的力学性能远不及塑性成形件L=v×t2.1铸造基础2.1.1金属液的充型能力金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力很大程度上决定了铸件的质量1、金属的流动性：金属液本身的流动能力流动性好则充型能力强，易于获得轮廓清晰、壁薄而形状复杂的铸件，且易于防止各类铸造缺陷。衡量：螺旋型流动试样长度合金成分：成分不同，结晶方式不同；粘度不同相同温度下，过热度不同：已结晶表面光滑程度不同结论：共晶成分和纯金属最好合金的质量热容、密度和热导率质量热容和密度大，含热量大；热导率小，散热慢2、铸型条件铸型的蓄热系数：铸型的蓄热系数越大，激冷能力越强，金属液保持液态的时间就较短，充型能力越低解决方法：选用蓄热系数小的造型材料；在型腔壁喷涂料铸型温度：铸型的温度越高，金属液冷却就越慢，保持液态时间就越长铸型中的气体：形成影响充型的气体阻力（外部阻力）3、浇注条件浇注温度：浇注温度高，金属液的粘度低，保持液态的时间长。若浇注温度过高，增大了缩孔、气孔、粘砂等缺陷倾向充型压力：充型压力越大，流动性就越好。充型压力过大，也会造成金属飞溅加剧氧化，及因气体来不及排出而产生气孔、浇不到等缺陷。铸件的结构过于复杂、壁厚过小等，也使金属液充型困难收缩指铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中产生的体积和尺寸的缩减。收缩较大的合金易产生缩孔、缩松缺陷，以及因铸造应力的出现而易产生变形、裂纹等铸造缺陷。1、金属收缩的阶段液态收缩：凝固收缩：固态收缩：→线尺寸的缩小产生铸造应力并引起变形、裂纹体积收缩形状变化、尺寸减小；形成缩孔、缩松2.1.2金属的收缩特性2、影响收缩的因素金属的化学成分：铁碳合金中，灰铸铁收缩小原因：碳大部分以石墨形态析出，石墨比容大，抵消部分体积收缩浇注温度：随着浇注温度的提高，金属冷却时的液态收缩会增大，总体积收缩相应大。铸型条件：铸件冷却过程中，由于各部分冷却速度的不同，使收缩相互制约而不能自由收缩，也可能受到铸型、型芯等的阻碍而不能自由收缩。阻碍越大，收缩越小合金种类体收缩率（%）线收缩率（%）铸造碳钢白口铸铁灰铸铁10～14.512～145～81.3～2.01.5～2.00.7～1.03、缩孔与缩松(1)缩孔：铸件在凝固过程中，由于补缩不良而产生的孔洞。特征：形状极不规则（多为倒锥形）、孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固的部位纯金属、共晶合金和凝固温度范围窄的合金凝固时呈逐层凝固方式，易产生缩孔缺陷(2)缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。借助高倍放大镜才能发现的缩松称为显微缩松。铸件有缩松缺陷的部位，在气密性试验时易渗漏特征：多产生在铸件的轴线附近和热节部位（即厚度较大，冷速较慢的金属积聚处）凝固温度范围越宽，糊状凝固越明显，铸件越易产生缩松缺陷结果：缩孔：铸件最后凝固上部的集中的体积收缩缩松：铸件最后凝固区间的分散的体积收缩影响：缩孔：铸件某一部位体积缺损，局部质量极差，其余部分质量较好，可去除差处，保留好处，以保证铸件整体质量，但消耗增大。缩松：铸件某一区域内体积缺损，造成该区域体积疏松，因范围较大，无法去除，铸件质量差生产中，多希望以缩孔取代缩松缩孔缩松在合金成分一定时，总体积收缩基本是确定值；正常条件下，缩孔和缩松的比例也是一定的。改变生产条件，可改变铸件内的温度场，以改变缩孔和缩松的比例，控制铸件质量冷速↑温度梯度↑凝固区↓，缩松↓，缩孔大↑；冷速慢，结果反之。(3)缩孔和缩松的防止：缩孔和缩松均使铸件的力学性能下降，甚至因产生渗漏而报废，应采取适当的工艺措施予以防止。1）采用顺序凝固原则：顺序凝固是使铸件按规定方向从一部分到另一部分依次凝固的原则实施方法：(内浇口+冒口+冷铁）Label1目的：实现自薄部向着冒口方向顺序凝固、依次补缩，最终将缩孔转移到冒口中特点：可获得致密的铸件，使铸件各部分的温差加大，易产生内应力、变形和裂纹，增加了铸件成本。应用：通常用于收缩较大、凝固温度范围较小的合金，如铸钢、碳硅含量低的灰铸铁、铝青铜等合金以及壁厚差别较大的铸件。即可用来消除缩孔。2）加压补缩：将铸型置于压力罐中，浇注后使铸件在压力下凝固可显著减少显微缩松。3）选择合适的合金不同成分的合金，凝固方式不同，总体积收缩量不同共晶成分的铁碳合金凝固区间最小，收缩量最小。实际生产中就应使碳、硅含量在4.3％附近4、铸造应力铸件在凝固和冷却过程中由受阻收缩、热作用和相变等因素引起的内应力。(1)收缩应力：铸件在固态收缩时，因铸型、型芯、浇冒口、箱带及铸件本身结构阻碍收缩而引起的铸造应力收缩应力是暂时存在的应力，会自行消失。但在高温下，若某瞬间铸件上某部位的收缩应力和热应力之和超过其抗拉强度时，就可能产生裂纹。提高型（芯）砂的退让性，合理设置浇注系统和及时开箱落砂等措施，可有效地减小收缩应力Label1(2)热应力：铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于温差造成不均匀收缩并互相牵制而引起的铸造应力铸件凝固冷却后，热应力将残留在铸件内部。1）热应力的形成过程：热应力的分布：厚部（后冷处）受拉；薄部（先冷处）受压Label12）减小和消除热应力方法：残留应力使铸件的精度和耐蚀性大大降低，还会因残留应力的重新分布而导致铸件变形甚至产生裂纹，故应尽量减小或消除热应力合理设计铸件结构：壁厚均匀、圆角连接采用同时凝固原则：使型腔内各部分金属液温差很小，同时进行凝固实施方法：(内浇口+冷铁）特点：热应力小，不易热裂，省工省料，但组织不致密，轴心处往往会出现缩松应用：收缩较小的合金、倾向于糊状凝固的合金、气密性要求不高的铸件、壁厚均匀的薄壁铸件去应力退火：一般为Ac1－(100～200)℃，经保温后随炉冷却至200～300℃后出炉空冷5、铸件变形铸件在铸造应力和残留应力作用下所发生的变形以及由于模样或铸型变形引起的变形。(1)铸件变形的主要原因：由于残余应力的存在，会自发地产生变形,以缓解应力，使铸件趋于稳定状态变形分布：受拉部分（厚部、后冷、心部）凹下，受压部分（薄部、先冷、表面）凸出，铸件产生挠曲变形Label1有一直径为ф50，高50的圆柱形铸件，已知清理后未发生变形，假定立即进行切削加工，当：①中心钻一ф30的通孔；②车去厚度为15mm的外圆；③铣去20mm一边。如果只考虑轴向变形时，该铸件会发生如图所示的3种变形趋势。Label1Label1Label1(2)防止铸件变形的措施1）减小和消除铸造应力：应力是引起变形的根本原因，无应力则无变形2）反变形法（利用变形）造型时使型腔具有预留的等量反变形量3)在可能产生变形的部位添加加强筋，限制变形4)铸件对称以便使变形互相抵消应力和变形的关系：应力引起变形变形减小应力6、铸件裂纹(如铸件可自由变形，则裂的可能就减小)铸件表面或内部由于各种原因发生断裂而形成的条纹状裂缝(1)热裂：(热应力+收缩应力，多出现在出箱前）凝固后期或凝固后在较高温度下形成的裂纹。断面严重氧化，无金属光泽，外形曲折而不规则热裂是铸钢件和铝合金铸件的常见缺陷。(2)冷裂：（热应力，出现在厚、薄交接的厚处）铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹。裂纹有金属光泽或微呈氧化色，多为直线或圆滑曲线。常出现在受拉伸的部位，特别是应力集中处。壁厚差别大、形状复杂的铸件易产生冷裂(3)防止裂纹的措施：减小和消除铸造应力、严格限制硫、磷含量，以降低其脆性。2.1.3常用铸造合金的铸造性能及工艺金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全的铸件的能力包括金属液的流动性、吸气性、氧化性、收缩特性、热裂倾向性等1、铸铁常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等(1)灰铸铁：C＝2.7～3.9%Si＝1.1～2.6%铸造性能优良、流动性好、收缩小；产生铸造缺陷的倾向最小对铸件壁厚的均匀性要求较低，铸造工艺简便，热应力小，是应用最广的铸铁。(2)球墨铸铁：C＝3.6～4.0%Si2%球墨铸铁的凝固温度范围较宽，且球化处理时易产生氧化物和硫化物夹杂，故铁液流动性较差；其石墨化膨胀量大于灰铸铁，但缩前膨胀，使收缩量加大而产生缩孔、缩松缺陷。生产球墨铸铁件多采用顺序凝固原则，需设置冒口和冷铁；应提高砂型的紧实度和透气性以防止铸型胀大；浇注时应注意挡渣和使铁液迅速、平稳地充型，以减少夹渣缺陷；应减少铁液的硫、镁含量和型砂的含水量，防止产生皮下气孔。(球铁生产得到的多为P+F+G,浇注后需经热处理调整基体）(3)可锻铸铁：C＝2.4～2.8%Si＝0.4～1.4%生产可锻铸铁的原铁液铸造性能差凝固温度范围较大，故流动性较差。由于凝固时无石墨析出，故收缩较大，缩孔和裂纹倾向均较大。生产可锻铸铁件应设置体积较大的补缩冒口，采用顺序凝固原则；浇道截面应较大；浇注温度应较高，以保证足够的流动性；应提高铸型的退让性，以防产生裂纹。2、铸钢铸钢的铸造性能差流动性差，易产生冷隔、浇不到、夹杂、气孔等缺陷；收缩大，易产生缩孔、裂纹等缺陷生产铸钢件常设置较大冒口和局部冷铁，采用顺序凝固原则，以免产生缩孔；铸型应有较高的强度、透气性和耐火性；型腔表面应涂以耐火涂料3、铸造铝合金铝硅合金的铸造性能好；其它系列的铸造铝合金均流动性差，且收缩较大，故铸造性能差；且易产生夹杂和气孔缺陷砂型铸造时一般设置冒口顺序凝固（多采用特种铸造）4、铸造铜合金锡青铜的铸造性能较差；金属液流动性差，且收缩较大，易产生缩孔、缩松等缺陷。壁厚较大的重要铸件须设置冒口顺序凝固；形状复杂的薄壁铸件，致密性要求不高时，可采用同时凝固原则。铝青铜和铝黄铜等含铝较高的铜合金，铸造性能较好，流动性好；收缩较大，易形成集中缩孔，须设置冒口顺序凝固2.2铸造方法2.2.1砂型铸造砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法1、常用的砂型常用的砂型有湿砂型、干砂型、表面烘干型、自硬砂型2、常用的造型方法造型方法可分为手工造型和机器造型两大类手工造型操作技术要求高，劳动强度大，生