1金属液态成型工艺基础

1材料成形技术基础讲授：刘玉高电话：[phone]E-Mail：[e-mail]2•材料成形技术主要研究各种成形工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用；各种成形方法的工艺过程和成形件的结构工艺性。简单说，这门课程是研究获得零件毛坯的方法。3•机械产品的产生过程大致如下：设计与制造（1）设计——图纸（2）制造的过程一般是先用铸造、压力加工、焊接、粉末冶金等材料成形方法获得毛坯；然后再经过机械加工来获得合格零件；而且为了改善零件的机械性能，常要经过热处理；最后，将合格零件组合（装配）到一起便得到所需要的机械产品。4•本课程讲授的主要内容有铸造、压力加工、焊接、粉末冶金、非金属材料的成形及毛坯的选择六个部分。前五部分是研究成形工艺的，每一种成形工艺都包括五方面内容：成形原理、成形方法、工艺设计、成形件结构工艺性及新技术新发展。毛坯的选择则主要介绍各类毛坯的特点及应用场合、毛坯的选择原则。5学习本课程应达到的基本要求：•掌握各种毛坯成型工艺的基本原理及工艺特点；•能够初步设计一般零件的毛坯结构；•具有选择毛坯及工艺分析的初步能力。6参考教材：《热加工工艺基础》主编：任福东机械工业出版社•《金属工艺学》主编：丁德全机械工业出版社71.金属的液态成型8金属的液态成型又称铸造，它是利用液态金属的流动来获得具有一定尺寸和形状的铸件的成型方法。其生产过程为：准备铸型（造型）→将熔融金属浇入铸型（浇注）→凝固成形→落砂清理→铸件9102.铸件铸造成形所得的毛坯或零件。3.生产特点（1）成形方便——液体的形状=容器的形状（2）适应性强（3）成本较低（4）力学性能特别是冲击性能较低。11天坛大佛124.应用场合（1）形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯或零件，如发动机机体和缸盖等。（2）尺寸大、重量大的零件，如重型机械零件、机床床身等。（3）力学性能要求不高，或主要承受压应力作用的零件，如各种底座、支架。（4）特殊性能要求的零件，如内燃机主轴瓦为用嵌铸生产的双金属件。135．铸造方法（液态成型方法）：砂型铸造：应用最广泛的铸造方法；特种铸造：金属型铸造；压力铸造；离心铸造；熔模铸造；低压铸造；新型铸造方法：陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造、真空吸铸、连续铸造。14§1-1金属液态成型工艺基础15•合金的铸造性能：铸造过程中所表现出来的工艺性能。主要包括氧化性、吸气性、流动性及充型能力、收缩性和偏析等方面。•良好铸造性能是指：熔化时合金不易氧化，熔液不易吸收气体；浇注时合金熔液易充满型腔；凝固时铸件不易产生缩孔，且成分均匀(无偏析）冷却时铸件不易发生变形和开裂。161．金属（合金）的流动性（1）流动性概念：指熔融金属的流动能力，是金属的主要铸造性能之一，也是影响充型能力的主要因素之一，是金属本身固有的属性。（2）衡量指标：常用“螺旋形试样”长度来衡量。一、合金的流动性17图1-1螺旋形流动性试样1-模样2-浇口杯3-出气口4-试样凸点18（3）影响流动性的因素合金的性质1）合金的种类：灰铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差2）化学成分的影响：共晶成分的合金流动性最好。纯金属、共晶合金流动性好。（恒温下结晶，凝固层内表面光滑）亚、过共晶合金流动性差。（在一定温度范围内结晶，凝固层内表面粗糙不平）19•合金性质方面•铸型和浇注条件•铸件结构提高流动性的措施：提高铸型的透气性，降低导热系数；确定合理的浇注温度；提高金属液的压头；浇注系统结构简单。铸件壁厚最小允许壁厚20常用合金的流动性（砂型，试样截面8×8mm）合金种类铸型种类浇注温度（℃）螺旋线长度（mm）铸铁C+Si=6.2%C+Si=5.9%C+Si=5.2%C+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢C=0.4%砂型砂型16001640100200铝硅合金（铝硅明）镁合金（含Al及Zn）锡青铜（Sn=10%,Zn=2%）硅黄铜（Si=1.5～4.5%）金属型（300℃）砂型砂型砂型680～72070010401100700～800400～6004201000212．合金的充型能力液态合金充满铸型型腔的能力，是考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属的流动性。（1）充型能力对铸件质量的影响充型能力高---可浇注薄壁及形状复杂件，且不易产生夹渣、砂眼、气孔和浇不足等缺陷；充型能力低---只能铸造厚壁及形状简单的铸件，且易产生夹渣、砂眼、气孔和浇不足等缺陷；22（2）影响充型能力的因素:1）合金的流动性对充型能力影响最大，一般说来，流动性好的合金充型能力较强；2）工艺条件的影响①浇注温度浇注温度高，充型能力增强②铸型的影响3）铸件结构4）其它方面23二、合金的收缩性1.收缩的概念合金熔液在型腔内凝固和冷却的过程中，所发生的体积缩小的现象。收缩性是合金的重要铸造性能之一，它与铸件的缩孔、缩松、裂纹、变形等铸造缺陷密切相关。合金的收缩过程可分为如下三个阶段：①液态收缩②凝固收缩③固态收缩24252.影响收缩的因素（1）化学成分（2）浇注温度：浇注温度↑，合金的液态收缩量↑。（3）铸型条件和铸件结构263.缩孔和缩松（1）概念•缩孔：铸件在凝固过程中，由于补缩不良而产生的孔洞，形状不规则、孔壁粗糙并带有枝晶，常出现在铸件最后凝固的部位。缩孔通常在铸件的内部，有时也可能暴露在上表面，呈明显的凹坑。•缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。有缩松缺陷的铸件易产生渗漏。27（2）缩孔的形成28确定缩孔位置的方法：画凝固等温线法和内接圆法29（3）缩松的形成30（4）防止缩孔和缩松的措施①采取工艺措施，实现“顺序凝固（定向凝固）”。如图1-5所示铸件，凝固顺序为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ→冒口。3132②合理确定浇注系统的引入位置和浇注工艺；33•冷铁：冷铁的作用是对铸件热节部位进行激冷（加快热节部位的冷却速度）。一般设在厚壁处。分外冷铁和内冷铁两种。•补贴：为增加冒口的补缩效果，向着冒口沿铸件断面逐渐增厚的多余金属。其作用是扩大冒口的有效补缩距离，实现铸件的定向凝固冒口、冷铁和补贴综合运用是消除缩孔、缩松的有效措施。③合理设置冒口、冷铁和补贴3435铸钢轮缘加冒口补贴364.铸造应力、变形和裂纹•固态收缩是铸件产生铸造应力、变形及裂纹的根本原因。37（1）铸造应力1）铸造应力的产生铸件凝固后的固态收缩受到阻碍，而在铸件中产生的应力。按产生的原因不同分为热应力、收缩应力（机械应力）和相变应力。①热应力由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分的收缩不一致而引起的。38②收缩应力（机械应力）是指铸件在固态收缩时，因受到铸型或型芯的机械阻碍而产生的应力，这种应力是暂时的，在铸件清理后便消失。39③相变应力如碳钢中的铁由δ-铁转变为γ-铁时体积增大，由γ-铁转变为α-铁时体积减小。因各部分冷却速度不同，则相变不同时发生，所以便产生了内应力。402）减小铸造应力的措施主要措施：①减小铸件各部分的温差，使铸件冷却均匀，即实现同时凝固原则；41同时凝固和定向凝固比较用于凝固收缩小的灰铸铁。铸件内应力小，工艺简单，节省金属但同时凝固往往使铸件中心区域出现缩松，组织不致密。用于收缩大或壁厚差距较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、铝硅合金等。定向凝固补缩作用好，铸件致密，但铸件成本高，内应力大。42②在铸件结构方面，壁厚力求均匀，尽量使铸件各部分能自由收缩，避免受阻收缩；③改善铸型、型芯的退让性，减小机械阻碍；④对重要的铸件，可进行时效处理来消除内应力43（2）铸件的变形与防止铸造应力的释放过程（应力松弛）--带有残余内应力的铸件是不稳定的，会自发地变形使残余应力减少而趋于稳定。441）变形规律对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类、箱体类零件，往往产生翘曲变形，变形的规律厚壁部分内凹，薄壁部分外凸出。45462)防止变形的措施①减小铸造应力；②采取工艺措施：反变形法—用人为的反向变形抵消铸造变形，如图1-10中双点划线为反变形的模型轮廓，虚线为获得的铸件的轮廓；47③铸件结构方面，可设计适当的加强筋以增加铸件的刚度；④具有一定塑性的铸件如铸钢件，变形后可用机械方法校正。48（3）铸件的裂纹与防止当铸造应力超过了金属的抗拉强度时，铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷。按产生裂纹时的温度范围分为热裂纹和冷裂纹：49热应力及裂纹的形成过程501）热裂纹热裂是铸钢件（结晶温度范围宽、熔点高）、可锻铸铁（白口）和某些铝合金（吸气、氧化严重）铸件常见的缺陷之一。防止热裂的措施：①使铸件结构合理，尽可能使铸件壁厚均匀，形成铸件同时凝固条件，减小热应力；避免铸件壁十字相交或壁厚突变，减小应力集中。②改善铸型和型芯的退让性，减小机械应力。可在混合料中渗入少量木屑、采用有机粘合剂（植物油、合成树脂）配制型芯砂。③减少浇、冒口对铸件收缩的机械阻碍（↓机械应力），内浇道的设置应符合同时凝固原则(↓热应力)。④减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金的高温强度。512）冷裂纹灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等塑性较差的合金易产生冷裂。塑性好的合金因内应力可以通过塑性变形而缓解，所以冷裂倾向小。防止冷裂的措施：①改善铸件结构，减少铸型的机械阻碍--减小铸造应力；②控制钢、铸铁的含磷量（含磷量↑，冷裂倾向↑），如铸钢的含磷量＜0.1%，铸铁的含磷量＜0.5%；52（三）合金的吸气性合金在熔炼和浇注时吸收气体的性能1.对铸件质量的影响合金液吸收的气体如不能逸出而停留在合金液内，则使铸件产生气孔缺陷。破坏了合金的连续性，减少了承载的有效面积，引起应力集中，降低力学性能。气孔的特征：气孔孔壁光滑，形状较规则。532.气孔的产生原因及防止措施（1）侵入气孔产生原因：是由于铸型表面聚集的气体侵入合金液而产生的气孔，主要来自造型材料中的水分、粘结剂和各种附加物以及浇注时卷入的气体。防止措施：①↓铸型的发气量（如用干型）；②↑铸型的排气能力；③正确设计浇冒口系统。54（2）析出气孔产生原因：溶解于合金液中的气体在合金凝固过程中，因溶解度下降而析出，铸件中因此形成析出气孔。防止措施：①严格控制炉料质量、熔炼操作及浇注工艺。如尽量缩短熔炼时间，熔炼时加覆盖剂，避免剧烈搅拌等；②控制合金液的温度，温度越高，吸气性越强。55（3）反应气孔产生原因：合金液与铸型材料、型心撑、冷铁或熔渣之间，由于化学反应产生气体而形成的气孔。这类气孔大多数位于铸件表皮下1～3mm处，形状多为针状，因此常称为皮下针孔或皮下气孔。防止措施：①提高合金液质量，控制型砂水分；②冷铁、型心撑无锈蚀、干燥、无油污。56常见的铸件缺陷57作业题：P8:1,2,4,6,8,9,10补充：1.共晶成分的合金与其它成分的合金的流动性有何不同？为什么？2.如何防止铸件产生缩孔？3.铸造热应力是如何形成的？