金属工艺学(铸造)

2019/10/31GM-KD5025数控龙门磨床床身（41T）铸件第二篇铸造2019/10/32金属熔化液态金属浇入铸型落砂清理后成为铸件第一章铸造的工艺基础一、铸造：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，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，叫做铸造。2019/10/33二、铸造的特点：１、能制成形状复杂，特别是具有复杂内腔的毛坯；２、铸件重量及所用合金几乎不受限制；３、铸件的切削加工余量较小、成本低。因此，得到了广泛的应用。但是：1、抗拉强度和冲击韧性不如锻、焊件。2、工艺复杂，故废品率高。2019/10/34第一节液态合金的充型一、充型概念：液态合金填充铸型的过程，简称充型。液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。二、充型能力的影响因素：１、合金的流动性（常用螺旋形试样长度来衡量）：流动性愈好，充型能力愈好，愈便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。螺旋形试样2019/10/351)、合金流动性的测定：用“螺旋形试样”的长度来衡量。在相同浇注条件下，试样愈长，流动性愈好。2)、影响合金流动性的因素：主要是合金的化学成分。液相线与固相线间的距离（T液－T固）称为结晶间隔。结晶间隔越大流动性越差，反之越好，因此共晶成分合金流动性最好.(图2-3）。２、浇注条件(浇注温度和充型压力）：浇注温度越高，充型压力越大则充型能力越好。３、铸型填充条件（铸型的蓄热能力，铸型温度和铸型中的气体）：铸型的蓄热能力低，铸型温度较高，铸型排气能力较好时则充型能力较好。由于充型能力低而引起的缺陷有：冷隔、浇不足。Fe-C合金流动性与含碳量关系2019/10/36铸件的凝固方式第二节铸件的凝固与收缩一、铸件的凝固逐层凝固（充型能力好，便于补缩）１、凝固方式糊状凝固(易形成缩孔、难以获得结晶紧实的铸件）中间凝固（介于上两者间）2019/10/37合金的结晶温度范围２、影响凝固方式的主要因素合金性质铸件的温度梯度铸型的蓄热能力浇注温度二、铸造合金的收缩铸造合金在浇注、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象称为收缩。1、收缩的实质：按空穴理论，随着温度的下降合金中空穴的数量少，原子间距缩短，使其体积和尺寸缩小。液态收缩ε液：T浇~T液的收缩，T浇越大，ε液则越大２、收缩的分类凝固收缩ε凝：T液~T固的收缩，结晶间隔越大,ε凝则越大固态收缩ε固:T固~室温的收缩,与合金的线膨胀系数有关。2019/10/38三、铸件中的缩孔与缩松：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，则在铸件最后凝固部位形成一些孔洞，按孔洞的大小和分布，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。特征：多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件内层，有时暴露于表面。缩孔的形成影响因素：Ａ、ε液、ε凝的大小；Ｂ、浇注温度的高低；Ｃ、铸件厚度。2019/10/39２）、缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。分宏观缩松和显微缩松。形成原因：由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足，或者因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔的小液体区难以得到补缩所致。逐层凝固合金易产生缩孔（如纯金属、共晶合金），糊状凝固合金易产生缩松，（如锡青铜）。明集中缩孔暗集中缩孔分散缩孔缩松2019/10/310２、缩孔和缩松的防止：１）、适当地降低浇注温度和浇注速度。２）、采用顺序凝固、冒口补缩(顺序凝固原则)。３）、按冷铁、采用金属型。缩孔部位的确定：常用“凝固等温线法”、“内切圆法”。2019/10/311缩孔缩松2019/10/312⑵偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析。铸锭(件)在结晶时,由于各部位结晶先后顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区，造成宏观上的成分不均匀，称宏观偏析。适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析。硫在钢锭中偏析的模拟结果2019/10/313⑶气孔:是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭(件)中的气泡.铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合，张开的气铸件中的气孔孔需要切除。铸件中出现气孔则只能报废。2019/10/314第三节铸造内应力变形和裂纹内力：构件内部相互作用并达平衡的力。与内应力、变形、裂纹相关的是固态收缩。一、内应力的形成：因固态收缩受阻。按内应力产生的原因分为：机械应力、热应力。１、机械应力（受机械阻碍而形成的）原因：铸件固态收缩时，受到铸型或型芯等的机械阻碍而产生的内应力。机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力，并且是暂时的，在铸件落砂之后，这种应力便可自行消失。2019/10/315２、热应力：由于同一构件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。１）、热应力的形成再结晶温度（t临）：产生了加工硬化的工件，在加热至某一温度后能发生再结晶现象，此温度叫再结晶温度。高于再结晶温度时，材料处于塑性状态，低于再结晶温度时材料处于弹性状态。2019/10/316T0-T1均处于塑性状态T1-T2Ⅱ处于弹性状态，Ⅰ处于塑性状态T2-T3Ⅰ、Ⅱ均处于弹性状态ABCD2019/10/317冷至室温（T3）时，杆Ⅰ受拉，杆Ⅱ受压。判断应力方向的规律：最后冷却收缩的部分受拉伸应力，先冷却收缩的部位受压应力。因此铸件的厚壁或心部受拉，薄壁或表层受压。由上可知：由于内应力的存在，就等于铸件在未承受载荷之前，自身就已承受了应力载荷，因而使铸件的实际承载能力降低，同时应力过大时，会导致变形、开裂而报废。壁厚差２）、热应力的影响因素线收缩率弹性模量2019/10/318３）、预防措施：Ａ、设计壁厚均匀的铸件；Ｂ、选用线收缩率小的合金；Ｃ、在工艺上采取措施，控制铸件厚处和薄处同时冷却（同时凝固原则）；Ｄ、对已存在应力铸件进行低温去应力退火。2019/10/319二、铸件的变形与防止：１、变形产生的原因：当铸件中的内应力大于铸件所用合金的屈服强度时，就会引起铸件变形。通过应变来减小应力，因此其变形方向是：受拉应力的部分向内凹，而受压应力部分向外凸，即受拉部分产生压缩变形，受压部分产生拉伸变形。变形过大时将引起报废。减小内应力的所有方法２、防止措施：反变形法时效处理（人工时效、自然时效）2019/10/320三、铸件的裂纹与防止：１、产生的原因和分类：当铸件内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹，导致铸件报废。根据裂纹产生时温度的不同分为热裂和冷裂。２、热裂：铸件在高温下产生的裂纹。合金在凝固末期的高温下形成的机械应力超过该温度下的强度极限。合金性质：结晶特点、化学成分等(铸钢\Ａ、主要影响因素：铸铝\可锻铸铁热裂倾向大)。铸型阻力Ｂ、特征：裂纹小、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。控制Ｐ、Ｓ含量Ｃ、防止措施：提高铸型退让性2019/10/321３、冷裂：是在低温下形成的（主要由于热应力）合金性质（塑性差的材料易产生）Ａ、影响因素：含Ｐ量铸件结构Ｂ、特征：裂纹细小、呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。Ｃ：防止措施：与影响因素相对应，另外浇注后勿过早开箱。变形和裂纹都是因内应力而引起，因此所有降低内应力的方法对减少变形和裂纹倾向都是有效的。2019/10/3222019/10/3232019/10/3242019/10/325*第四节铸件中的气孔气孔：气体在铸件中形成的孔洞。它是铸件中最常见的缺陷。破坏金属的连续性机性一、气孔的危害减少承载的有效面积降低引起应力集中气密性二、气孔的分类：气孔种类形成原因特征预防途径侵入气孔砂型表面层聚集的气体侵入金属液中而形成。多位于上表面附近、尺寸较大、椭圆形或梨形、内表面有氧化色砂的发气排气能力析出气孔溶于金属中的气体因温度下降而析出分布面广、气孔尺寸小。有色金属（如铝）中多见清洁；隔离；去气反应气孔金属液与铸型材料、冷铁等发生化学反应形状多种多样，分布于发生化学反应的材料周围清洁；砂的透气性2019/10/326第五节铸件的质量控制１、合理选定铸造合金和铸件结构；２、合理制订铸件的技术要求；３、模型质量检验；４、铸件质量检验；５、铸件热处理。2019/10/327第二章常用合金铸件的生产第一节铸铁件生产2019/10/328一、铸铁简介：（C%2.11%的Fe-C合金，常为2.8~3.5%C），是价廉、应用广泛的铸造合金（占机器总重量50%以上）。白口铸铁（C以Fe3C存在）普通灰口铸铁（HT）二、铸铁的分类灰口铸铁可锻铸铁（KT）（C以G存在)球墨铸铁(QT）蠕墨铸铁(RuT)麻口铸铁(C以G+Fe3C)2019/10/329２、HT的性能：１）、机械性能：σb和弹性模量比钢低得多（通常σb仅为120~250Mpa），塑、韧性近于0，属脆性材料；但抗压强度与钢相近（一般达600~800Mpa）；２）、工艺性能：不能锻、冲；焊接性能性差；但铸造性能优良；切削加工性能好。３）、减振性好（为钢的5~10倍）；４）、耐磨性较钢好；５）、缺口敏感性低；三、灰口铸铁（占各类铸铁总产量的80%）１、HT的组织金属基体＋片状石墨（常看作是有大量微小裂纹或孔洞的碳钢,强度利用率为30~50%）2019/10/330按HT中金属基体显微组织分类：１）、珠光体灰口铸铁：在P的基体上分布着细小而均匀的石墨片。它与其它基体的铸铁相比强度、硬度高，用来制造较为重要的机件。２）、珠光体＋铁素体HT：在（P+F）的基体上分布着较为粗大的石墨片（G）。是用途最广的一种HT。３）、铁素体HT：在铁素体上分布着粗大的石墨。强度、硬度低，机性差，很少应用。提高HT性能有两条途径：Ａ、改变石墨的数量、大小、形状及分布情况，以减轻石墨对金属基体的割裂作用。Ｂ、在改变石墨特性的基础上控制基体组织，以期充分发挥基体的作用。2019/10/331４、影响铸铁组织和性能的因素１）、化学成分（铸铁中主要的化学成分是:C、Si、Mn、S、P。①、Ｃ、Si：Ｃ是形成石墨和促进石墨化元素；Si：强烈促进石墨化和改善铸造性能的元素。HT中Ｃ、Si含量一般是：2.7~3.9%C，1.1~2.6%Si。即接近共晶成分。可根据碳当量法计算：Ｃ当=C%+0.3Si%②、Mn、S、P：S阻碍石墨化、↑热脆、↓铸造性能，须严格控制（0.1~0.15%以下）。Ｍn：抵消Ｓ的有害作用，提高基体强、硬度，但阻碍石墨化（常为0.6~1.2%）。P：使铸造性能有所改善,但冷脆↑,属有害杂，(0.5%以下)白口麻口P+GP+F+GF+G2019/10/332２）、冷却速度（受铸型材料、铸件壁厚影响）：冷速的不同将导致组织的不同和晶粒粗细的不同。冷速越大出现白口的可能性越大，组织越细。2019/10/333灰铸铁的孕育铸铁：采用碳、硅含量稍低的铁水，并通过孕育处理（孕育剂为75%Si的硅铁），得细小均匀的石墨，且得珠光体基体。孕育铸铁特点：1)、强、硬度比普通HT显著提高；2)、塑、韧性仍很低；3)、冷速对组织性能影响小。适用于静载荷下要求σb高、耐磨、高气密性铸件,厚大铸件。2019/10/3345、生产特点：冲天炉熔炼，大多数不需炉前处理，；流动性好、收缩率小，常不需冒口与冷铁等工艺措施，易生产薄壁复杂件。6、牌号与应用：牌号：“HT”+数字（表示最低抗拉强度值）2019/10/3352019/10/336灰口铸铁件2019/10/337２、可锻铸铁（KT）：（又称玛钢或玛铁）：是将白口铸铁经石墨化退火而成的。石墨成团絮状，使σb↑、塑性和韧性↑。分为黑心可锻铸铁（KTH）和珠光体可锻铸铁（KTZ）。可锻铸铁是用碳（2.4~2.8%)、硅(0.4~1.4%)含量较低的铁水先浇注出白口件，然后经长时间的可锻化退火（920~980˚C，保温几十小时）而使Fe3C转变为团絮状的石墨。机械性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间，但生产率低、成本高。一般用于制造形状复杂，承受冲击，并且壁厚25mm的铸件2019/10/338可锻铸铁应用2019/10/339３、球墨铸铁（QT）：向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂。而得到的球状石墨