铸造-第2部分2014.

绪论1.1金属材料液态成形理论基础1.2常用合金铸件的生产特点1.3砂型铸造工艺1.4特种铸造与现代铸造技术简介1.5铸件结构工艺性与工艺设计第一章液态成形***方法：“纲举目张”本章绪论金属材料的铸造成形是将液态金属材料浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸形空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。铸造成形是金属材料主要的成形方法之一。铸造成形方法之所以被广泛应用，是因为铸造成形方法与其它金属成形方法相比，具有以下一些优点：(1***)能够制造各种形状的铸件，尤其是内腔复杂的铸件。（2**）各种金属材料，只要能熔化，都可以铸造成形，尤其是脆性材料，只能用铸造方法成形，如铸铁等。(3**)能够制造各种尺寸的零件，铸件的轮廓尺寸大至十几米，小至几毫米；质量大至数百吨，小至几克。(4*)设备投资少，原材料来源广泛，价格低，因此、铸件的成本低廉。(5)铸件的形状尺寸与零件非常接近，切削量小，特别是精密铸件无需再加工,可直接使用,降低了制造成本。由于上述优点使得铸造成形成为现代工业的基础。铸件在机械产品中占有很大的比例，按质量计在汽车中约占40%～60%,在机床中约占60%～80%。缺点：机械性能差，质量不稳定，工序多，易产生许多缺陷，影响因素复杂。（1）合金的流动性1)基本概念合金的流动性是指液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状完整的铸件的能力，它是合金本身固有属性，受外界条件的影响。如果合金的流动性较差，就会产生浇不到与冷隔，如图2.1.44所示；也不利于气体和非金属夹杂物上浮。（有何办法比较两种材料流动性好坏？）合金的铸造性能是指合金在铸造成形的过程中获得形状正确，内部无缺陷铸件的能力。通常用合金的流动性、收缩性等指标来衡量。液态成形理论基础a.浇不到b.冷隔图2.1.44浇不到与冷隔新合金的流动性以浇注螺旋试样的长度来测定。在铁碳合金中，当碳的质量分数超过6.69%时，铁碳合金没有实用价值。铁碳合金相图实际是Fe-Fe3C相图。（复习）铁碳合金相图简化后的Fe-Fe3C相图。ADCEFSQPGK15381227114872791260006.694.32.110.770.0218LA+Fe3CL+AAF+Fe3CFF+AFe(Fe3C)T℃L＋Fe3CWc/%a.工业纯铁wC≤0.0218%；b.钢0.0218%＜wC≤2.11%；c.白口铸铁2.11%＜wC≤6.69%。③铁碳合金的分类铸件的凝固方式在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区，其中，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(图2—3b中S)来划分的。1．逐层凝固纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在液、固并存的凝固区，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚、液体层不断减少，直达铸件的中心，这种凝固方式称为逐层凝固。2．糊状凝固如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故称糊状凝固。3．中间凝固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。2）影响合金流动性的主要因素①化学成分（复习与思考方法2：内外因关系）A、纯金属流动性好：一定温度下结晶，流动层表面光滑，对液流阻力小；B、共晶成分流动性好：一定…?……，液流阻力小，且熔点低，过热度可以较大；C、非共晶成分流动性差：D、合金中若形成高熔点化合物如MnS，降低流动（但比重小，易上浮入渣），若形成低熔点化合物，提高流动(P可形成低熔点磷共晶，但易引起铸铁冷脆)。常见材料：灰铸铁-硅黄铜-硅铝明-铸钢2）影响合金流动性的主要因素图2.1.45铸钢与铸铁流动性比较合金的化学成分对合金的流动性影响最为显著；合金的熔点越低，结晶温度区间越小，合金的流动性越好，反之则越差。其次，合金粘度越大其流动性越差。填空：②浇注温度适当提高液态金属的浇注温度能提高其流动性。但过高-收缩、吸气、氧化严重。③充型压力液态金属在流动方向上受的压力越大，其流动性越好。④铸型的条件（①-④掌握③稍难）（思考a\b\c\d）a.铸型蓄热能力（金属型、砂型）是指铸型从金属中吸收和贮存热量的能力越小。铸型材料导热（书中）系数越小，传递热量的速度越慢，液态合金保温效果越好，流动性也越好。液态合金用砂型铸造充型的能力较强。b.铸型预热温度（如金属型，薄壁件）把铸型预热到适当温度，可以减少铸型和液体合金之间的温差，从而减缓合金冷却速度，提高合金流动性。c.铸型透气性高温液态合金浇入铸型时，巨大热量会使铸型中的气体膨胀，型砂中的少量水分还会汽化，煤粉、木屑等有机物会燃烧产生大量的气体，这些气体会使型腔中的压力急剧升高，阻碍液态合金流动，降低合金流动性。因此，铸型需有良好的透气性。生产上常采用在远离浇口的最高部位开设出气口的办法来提高铸型透气性。d.铸型的结构（多壁组合：复杂、简单。单个壁：厚薄、大小）当铸件壁厚过小，有大的水平面等结构时都使金属液的流动阻力增大。图2.1.46为盖类铸件的三种浇注方案。图2.1.46盖类铸件的不同浇注位置a-d标题都是什么不记，但每个标题含义要清楚1）铸件合金收缩的概念铸造合金的收缩是指液态合金从浇入铸型冷却、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸的缩减现象。铸件的收缩是一种物理属性，是形成缩孔、缩松(动画)、变形和裂纹等缺陷的根本原因。(一般材料，热胀冷缩；水在0℃至4℃的范围，青铜，锑、铋、镓)（2）铸件的收缩2）铸件收缩的三个阶段①液态收缩指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。浇注温度越高，液态收缩越大。②凝固收缩指合金在液相线至固相线之间凝固阶段的收缩。①和②引起缩孔缩松.用体积收缩率表示。③固态收缩指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩（应力变图2.1.47铸件收缩的三个阶段形裂纹）。表现出尺寸的变化，因此，用线收缩率表示。3）影响收缩的主要因素（方法3：比较法）成分、温度、相变（影响流动性是压力）、铸型。成分：相图中，碳钢含碳量越大，凝固收缩增大（？相图），固态收缩减小；石墨体积大，密度小，抵消了铸铁的部分收缩，灰铸铁中碳是石墨化元素，硅是促进石墨化元素，因此灰铸铁收缩小。铸型条件：铸件不同部分相互制约（热应力），铸型和型芯对收缩有机械阻力。从上面的讨论可知：材料的结晶温度范围越大，凝固收缩越大；材料收缩率越大，铸件的收缩也越大；浇注温度越高，液态收缩越大。固态收缩也和相变有关：铸铁-石墨，奥氏体-珠光体=体积膨胀表2.1.3铁碳合金的收缩率（%）合金种类体积收缩率线收缩率碳素铸钢10～14.5～2白口铸铁12～14～2灰铸铁5～8～1共晶成分的灰铸铁铸造性能好原因？（流动、收缩）4）缩孔与缩松的形成（1）缩孔缩孔多呈倒锥形，内表面粗糙，一般隐藏在铸件的内部。缩孔形成的过程如图所示。复习与思考：铸件凝固3方式？哪种方式最易产生缩孔？逐层凝固，中间凝固也会产生。图2.1.48缩孔形成过程示意图铸件最后凝固部位形成的空洞，容积较大的空洞叫缩孔。指铸件最后凝固的区域没有得到液态金属的补缩而形成的分散、细小的孔洞,如图所示。图2.1.49缩松的形成过程示意图形成缩松的基本原因和缩孔相同，但是形成的条件却不同，它主要出现在结晶温度区间大的合金中。（2）缩松复习与思考：铸件凝固方式中哪种方式最易产生缩松？5）防止缩孔与缩松的主要措施缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还可使铸件因渗漏而报废。措施：①（选不生孔材）选用收缩小的合金，如普通灰铸铁（石墨）；选用结晶温度区间小的合金防止缩松;②（有孔咋办）(铸件上不能有孔，但收缩大的合金缩孔是客观存在的，怎么办？阑尾炎)采取适当的工艺措施，安放冒口、加冷铁等，使铸件实现“定向凝固”(即顺序凝固)。尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件，主要用于铸钢、可锻铸铁等易产生缩孔的铸件（适合于收缩大或壁厚差大的合金）。P15：1）—3）条。采用顺序凝固是生产中防止铸件产生缩孔的有效方法。顺序凝固是指铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。用“凝固等温线法”和“内切法”判断缩孔位置。图2.1.52缩孔位置的确定图2.1.50顺序凝固阀体铸件上易产生缩孔的热节不止一个，底部厚大部位无法安装冒口，该处设置冷铁.图2.1.51阀体铸件选用结晶温度区间小的合金设计铸件时，在多种合金可选的情况下，因结晶温度区间小的近共晶合金收缩较小，缩松几率小，故优先选用。顺序凝固的缺点是铸件各部分温差大，冷却速度不一致。6）铸造应力变形和裂纹铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力，这些内应力有时是在冷却过程中暂存的，有时则一直保留到室温，后者称为残余内应力。铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。（1）铸造应力（热、机械、相变应力）与变形铸件的固态收缩受到阻碍而产生的应力叫铸造应力。铸造应力分为热应力和机械（收缩）应力。（相变应力因小而不计）①热应力与变形热应力是铸件在凝固和冷却过程中，各部分冷却速度不同，致使在同一时期内铸件各部分收缩不一致所引起的应力。图2.1.53框形铸件热应力形成过程示意图热应力的形成过程热应力的分布和铸件的变形（刚度小时，变形是应力的释放过程）遵循以下规律：铸件厚壁处或心部受拉应力，受拉应力的部位变形时趋于缩短向内凹；薄壁或表层受压应力，受压应力的部位变形时趋于伸长向外凸（像瘦爸爸拉胖孩子起来）。方法4：不严密地近似实验法。图为床身铸件，其导轨部分较厚，受拉应力；其床身壁部分较薄、受压应力，于是床身发生朝导轨方向的弯曲。图2.1.54铸件变形示意图预防热应力的基本途径是尽量减少铸件各个部位间的温度差，使其从开始就均匀地冷却。②机械应力（收缩应力）它是铸件固态收缩时受到铸型阻碍所产生的应力，如图2.1.55所示。机械应力使铸件产生暂时性的正应力或剪切应力，这种内应力在铸件落砂之后便可自行消除（属临时应力）。但它在铸件冷却过程中可与热应力共同作用，增大了某些部位的应力，促进了铸件的裂纹倾向。图2.1.55机械应力的形成（2）铸造应力的减少与防止机械应力、热应力起因：壁厚不匀--温差不同;应力集中--导致裂纹。按照铸造过程帮助分析（操作过程分析法--方法5）（模样-准备造型材料-造型制芯-浇注系统-合型浇注-落砂、清理-铸件）1、壁厚均匀、壁与壁过度平滑、热节（壁厚不匀）小而分散；2、改善砂型与砂芯的退让性（用变形释放应力），如木屑、焦炭末等附加物,控制舂砂紧实度，合理设置浇冒口。3、尽量减小各部分温差。如：内浇口开在薄壁处，厚处安放冷铁--同时凝固原则（收缩小的普通灰口铸铁，它属脆性材料）；4、（有应力怎么办？）去应力退火（人工时效）、自然时效。人工时效，将铸件加热到塑性状态，一般在机械粗加工之后，以便将铸造应力和粗加工应力一并消除。去应力退火-说明（铸后）具有残余应力的铸件经机械加工后，应力将重新分布，使零件缓慢地变形，丧失原有加工精度，如图2.1.59所示。为此，对不允许发生变形的铸件，必须及时去应力退火,再加工。去应力退火：将铸件铸后加热到550℃-650℃,保温一段时间，随炉缓慢冷却。因残余应力去除较为彻底，故应用广泛。同时凝固（为什么尽量减少铸件各部分的温差）图2.1.56同时凝固过程示意图铸造应力的减少与防止(a)圆柱铸件心部产生拉应力，表层产生压应力；(b)当外表面被加工掉一层后，铸件变短；(c)当在心部钻孔，铸件变长；(d)从侧面切去一层，产生弯曲变形；图2.1.59圆柱体铸件变形示意图图2.1.57不同截面件的变形b.铸件壁厚尽量均匀（同防应力法）、对称（与减少应力矛盾）（3）铸件的变形与防止a.变形是由应力引起的，如何防止变形？（防应力法除退让性）c.反变形法模样制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形的方法叫反变形法。适用于细长易变形铸件。图2.1.58床身导轨面的挠曲变形及反变形（4）裂纹与防