金属工艺学_第2篇_热加工工艺基础_01铸造01_LJH

金属工艺学冶金与材料工程学院LJH@CQUST主讲教师：李建辉联系电话：[phone]电子信箱：[e-mail]金属热加工工艺金属液态凝固成形（铸造）金属固态塑性成形（锻压）金属连接成形（焊接）热加工工艺金属液态成形（铸造）的概念金属液态成形的作用金属液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形一般可分为砂型铸造和特种铸造（包括熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、离心铸造、消失模铸造等）。其中砂型铸造是最基本的液态成形方法，所生产的铸件占铸件总量的80%以上。液态金属自重或压力作用下预制型腔铸件（毛坯）冷却凝固将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法，亦称为铸造。金属液态成形的优点1.适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯（发动机箱体、气缸等）2.对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制（几克~数百吨，几毫米~几十米，壁厚0.2mm~1m，材质几乎不限）3.成本低，原材料来源广泛，价格低廉，一般不需要昂贵的设备；铸件的机械加工余量相对较小，进一步降低后续成本是某些塑性很差的材料（如铸铁等）制造其毛坯或零件的唯一成形工艺金属液态成形优点铸造工艺灵活性大，生产成本低。大型铸件小型铸件复杂型腔1.液态成形工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制，尤其容易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定，废品率较高2.液态成形零件内部组织均匀性、致密性一般较差，晶粒较粗大，且常伴有缺陷，其力学性能较差3.液态成形零件精度难以控制，尤其砂型铸造铸件精度一般较差金属液态成形缺点铸造工艺一般不适用于对性能、精度要求很高的成形加工。金属液态成形的缺点一、合金的铸造性能液态合金的工艺性能表征为液态合金的铸造性能：合金在铸造过程中所表现出的适应能力通常是指合金的流动性、收缩性、吸气性以及偏析等性能，其中尤以流动性和收缩性重要。合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。第一节铸造工艺基础（1）合金的流动性及影响因素充型能力的概念：液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰铸件的能力充型的概念:液态合金填充铸型的过程。充型能力不足浇不足冷隔夹砂气孔夹渣充型能力的决定因素合金的流动性浇注条件铸型性质铸件结构等（1）合金的流动性及影响因素合金流动性的测试方法:如右图,将液态合金浇入螺旋型试样铸型中，冷凝后测出充满型腔的试样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好，合金充型能力越好。1.合金的流动性：液态合金本身的流动能力，是合金主要铸造性能之一。几种不同合金流动性的比较铸铁的流动性铸钢的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。比较下面两种合金流动性能（1）合金的流动性及影响因素2.合金流动性的影响因素•合金种类:合金不同其流动性不同（铸铁硅黄铜铝）。•化学成分：同种合金，成分不同具有不同的结晶特点，流动性也不同。（共晶铸铁亚共晶铸铁）。结晶特性:恒温下结晶（纯金属，共晶成分合金），流动性较好；两相区内结晶，流动性较差。（1）合金的流动性及影响因素影响合金流动性的因素很多，以化学成分的影响最为显著。对于纯金属或具有共晶成分的合金，其结晶温度恒定，凝固时是由铸件壁表面逐渐向中心推进，凝固后的表面比较光滑，对尚未凝固的金属液的流动阻力较小，故流动性最好。（1）合金的流动性及影响因素亚共晶铸铁流动性随含碳量增加而提高，具有共晶成分的C点合金流动性最高。浇注条件对充型能力（流动性）的影响浇注条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度大，液态金属含热量多，保持液态的时间长，充型能力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大，充型能力越强。浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。（1）合金的流动性及影响因素铸型充填条件对充型能力（流动性）的影响铸型温度铸型预热后，可减缓金属液的冷却速度，从而使充型能力提高。但预热温度不能过高。铸型材料铸型材料的导热系数和比热容越大，对液态合金的激冷能力越强，充型能力越差。铸型的发气和透气能力浇铸时产生气体能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，有利于充型。但发气能力过强，透气能力又差时，若浇铸速度太快，则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱。（1）合金的流动性及影响因素铸件结构对充型能力（流动性）的影响折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填（大平面铸件不易成形）。复杂程度：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。（1）合金的流动性及影响因素（2）合金的收缩性三种凝固方式逐层凝固，糊状凝固，中间凝固。*铸件的凝固铸件在凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。铸件的三种凝固方式（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。（2）糊状凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。（3）中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。（2）合金的收缩性影响凝固的主要因素1.合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围越小，凝固区越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。2.铸件的温度梯度：在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差，若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄。即增大温度梯度可使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。（2）合金的收缩性合金的收缩合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷（如缩孔、缩松、裂纹、变形等）。合金收缩的三个阶段（2）合金的收缩性合金收缩引发的铸造缺陷合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶固态收缩(线性收缩)裂纹变形内应力不同合金收缩率不同，铸钢的收缩率大约是灰铸铁的2倍。（2）合金的收缩性（1）铸件中的缩孔与缩松缩孔的形成:纯金属、共晶成分和凝固温度范围较窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔。二、铸造缺陷分析与铸件质量控制缩松的形成:铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。（1）铸件中的缩孔与缩松缩孔缩松的特点:•缩孔总是集中出现在铸件的上部或最后凝固的部位，其外形特征：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大于固态收缩。•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晶粒之间的微小孔洞，缩松形成的主要原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩所致。（1）铸件中的缩孔与缩松影响缩孔缩松形成的因素:（1）合金成分：结晶温度范围越小的合金（倾向于逐层凝固）容易产生缩孔；而结晶温度范围越大的合金（倾向于糊状凝固）容易产生缩松。（2）浇注过程：浇注温度、浇注速度等均影响合金的收缩过程。一般情况下，浇注温度越高，形成缩孔的倾向大；浇注缓慢，缩孔的容积较小。（3）铸型条件：铸型对缩孔、缩松的影响主要表现在铸型对铸件冷却速度的影响上。铸型激冷能力越大，缩松的容积越小（破碎枝晶）。（4）铸件结构：铸件的结构直接关系着缩孔、缩松的形成，设计铸件时必须考虑逐渐结构的工艺合理性。（1）铸件中的缩孔与缩松缩孔和缩松的防止定向凝固原则（顺序凝固）铸件中让远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。冒口的概念为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分，其主要作用之一是避免出现缩孔、缩松等。（1）铸件中的缩孔与缩松定向凝固原则解决缩孔缩松利用冒口和冷铁实现定向凝固加大了铸造成本，同时增大了产生变形、裂纹的倾向，主要用于必须补缩的场合，如铸钢件、铝青铜等。（1）铸件中的缩孔与缩松内应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。固态收缩（2）铸造应力、变形和裂纹热应力的形成过程（2）铸造应力、变形和裂纹热应力的消除方法—同时凝固原则铸件的结构：铸件各部分能自由收缩工艺方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀（2）铸造应力、变形和裂纹同时凝固原则主要适用于灰铸铁（收缩小）、锡青铜（糊状凝固）等。机械应力：机械应力会导致形成裂纹，铸造过程中应适时开箱以加以防止。（2）铸造应力、变形和裂纹铸件的变形原因结论：1）变形方向：应力释放的方向2）厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。薄部、表面受压应力，出现外凸变形。（2）铸造应力、变形和裂纹铸件的上表面冷却快铸件变形的消除方法防止变形的方法：与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。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。防止铸件变形还有以下几种方法：1.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。2.去应力退火或自然时效：铸件机加工之前先进行去应力退火，以稳定尺寸，降低切削加工变形程度。3.设置工艺加强筋：为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺加强筋。（2）铸造应力、变形和裂纹1.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。当合金凝固末期的线收缩受到阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂；而冷裂是铸件处于低温的弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的（脆性大的合金容易发生）。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。2.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。铸件的裂纹及防止（2）铸造应力、变形和裂纹铸件的裂纹及防止弯曲轮辐和奇数轮辐的设计，可使铸件能较好地自由收缩，防止冷裂的发生。铸件壁厚力求均匀，避免局部过厚形成热节导致热裂纹的产生（2）铸造应力、变形和裂纹