材料成型基础全析

第一篇金属的液态成型（铸造）绪论1、铸造：熔炼金属，制造铸型，并将液态金属浇入到铸型中，冷却凝固后获得一定形状铸件的工艺方法，称为铸造。2、铸造的特点；1、可以生产各种形状，特别是具有复杂内腔的铸件；2、可以用各种金属，如铸铁、钢、非铁金属、难熔合金铸造铸件。3、可以生产重量从几克到几百吨，壁厚从不到一毫米到几百毫米的铸件，如气缸体、气缸、曲轴、减速箱体、活塞等。铸件通常作为毛坯，经切削加工后成为零件才能使用，但有时也可作为零件而直接使用。第一章铸造工艺基础§1-1液态合金的充型液态合金的充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰，薄而复杂的铸件的能力。合金浇注时，必须要有比较好的充型能力。若合金的充型能力不好，则会产生浇不到或冷隔等铸造缺陷，如图所示影响充型能力的主要因素如下：一、合金的流动性：合金的流动性，是合金的铸造性能之一。合金的流动性越好，充型能力越强，越便于浇注轮廓清晰、形状完整、薄而复杂的铸件。合金的流动性取决于合金的化学成分，它与合金相图中的结晶温度区间有关。结晶温度区间小，合金的流动性好。共晶成分具有最好的流动性。二、浇注条件浇注温度：浇注时，液态合金所处的温度为浇注温度。合金的充型能力随着浇注温度的升高而明显增强。但浇注温度如果过高，由于液态合金吸气增多（气孔）、氧化严重（氧化夹杂）。选择浇注温度原则：在保证合金能充满铸型的前提下，浇注温度越低越好。三、铸型性质（包括有关铸型的多方面因素）铸型导热能力差，散热慢，则合金保持在液态的时间长，充型能力好。直浇口高度大，则可提高液态合金的充型能力。此外，零件壁厚小、复杂程度高充型能力降低。§1-2铸件的凝固铸型中的合金从液态转变为固态的过程，称为铸件的凝固，或称一次结晶。一、铸件的凝固在铸件凝固过程中，一般存在着固相区、凝固区和液相区三个区域，其中凝固区是液相与固相共存的区域，凝固区的大小对铸件质量影响较大，按照凝固区宽窄，分为逐层凝固、中间凝固和体积凝固三种凝固方式，如图2-2所示1．逐层凝固纯金属和共晶成分合金在恒温下结晶，凝固过程中铸件截面上的凝固区域的宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区不断增大，逐渐到达铸件中心，如图2-2(a)所示。2．中间凝固金属的结晶温度范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，如图2-2(b)所示。3．体积凝固当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固时，其液固共存凝固区很宽，甚至贯穿整个铸件截面，如图2-2(c)所示。影响铸件凝固方式主要因素是合金的结晶温度范围（取决于合金化学成分）和铸件的温度梯度。合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。当合金成分一定时，凝固方式取决于铸件截面上的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。1.1.2铸件（合金）的收缩收缩是体积和尺寸减小的现象，是合金的铸造性能之一一、合金收缩的三个阶段液态收缩从浇注温度冷却到液相线温度产生的收缩；凝固收缩从液相线温度冷却到固相线温度产生的收缩；固态收缩从固相线温度冷却到室温的收缩。合金的液态收缩和凝固收缩表现为型腔内液面的降低，通常用体收缩率来表示，它们是铸件产生缩孔、缩松缺陷的基本原因。合金的固态收缩表现为铸件尺寸的缩小，通常用线收缩率来表示。固态收缩是铸件产生应力、裂纹和变形等缺陷的主要原因。不同合金的收缩率不同。铸钢的收缩率大于铸铁。二、铸件中的缩孔与缩松由液态收缩和凝固收缩造成1．缩孔与缩松的形成（1）缩孔缩孔是在铸件最后凝固部位容积大而集中的孔洞，呈倒圆锥形，内表面粗糙。表面形成的凹坑称为缩凹。（2）缩松细小而分散的缩孔称为缩松。缩松常分布在铸件厚大部位、冒口根部和内浇口附近。缩松的分布面积比缩孔大得多。合金的收缩率是一定的。结晶温度范围小的合金，形成缩孔倾向大，而形成缩松倾向小；反之，结晶温度范围大的合金缩孔倾向小，但缩松倾向大。缩孔形成在铸件最后凝固的部位。2．缩孔与缩松的防止顺序凝固：通过采用冒口和冷铁，使铸件远离冒口的部位最先凝固，然后是靠近冒口的部分凝固，最后冒口本身凝固，将收缩的体积转移到冒口中去。冒口的作用：补缩。冒口为铸件的多余部份，在铸件清理时予以切除。顺序凝固的特点冷铁作用：加快铸件局部的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序。顺序凝固的优点：可有效地防止缩孔和缩松。缺点：1、耗费许多合金。2、增加造型工时，加大了铸件成本。3、顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，促进了铸件产生应力、变形和裂纹倾向。三、铸造应力、变形和裂纹1、铸造应力（1）热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，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。热应力的形成过程：塑性状态：应力使金属产生塑性变形而应力消失弹性状态：应力不能使金属产生塑性变形而保持应力临界温度T临金属两种状态的转变温度结论：热应力使铸件厚壁或心部受拉，薄壁或表层受压。防止热应力的方法1、铸造工艺：采用同时凝固。同时凝固：通过采用冷铁，使铸件各部分均匀的冷却，减少温度差异。同时凝固的优点：防止铸件产生热应力。缺点：增大了铸件产生缩孔的倾向性。2、铸件设计：力求壁厚均匀。设计适当的加强筋增加铸件的刚性。三、铸造应力、变形和裂纹（2）机械（收缩）应力它是铸件固态收缩时受到铸型和型芯的阻碍所产生的应力。在砂型铸造中，通过提高砂型和砂芯的退让性，可以减小机械应力。机械（收缩）应力是暂时的，铸件经落砂后可自行消除。但它可与热应力共同起作用，增大某些部位的应力，促进铸件的裂纹倾向2、铸件的变形和防止铸件变形的一般规律：厚的部位呈内凹，簿的部分呈外凸。为防止铸件变形，除合理设计零件结构外，在工艺上可采用反变形法。3．铸件的裂纹与防止铸件的内部应力超过金属抗拉强度时，铸件便产生裂纹热裂纹是在固相线附近形成的裂纹。其形状特征是，裂纹短、缝隙宽形状曲折，缝内表面呈氧化颜色，防止热裂纹的方法：正确设计零件结构外应合理地选用型砂和芯砂的粘结剂，以改善其退让性。严格限制钢和铸铁中硫的含量。冷裂纹是低温下形成的裂纹。裂纹的形状特征是：裂纹细小、呈连续直线，有时缝内呈轻微氧化色。冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位。钢中磷含量越高，越容易产生冷裂纹。P7防裂筋等§1-4铸件中的气孔根据气体的来源，分为析出气孔、侵入气孔和反应气孔一、析出气孔液态合金在冷却、凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及排除，而在铸件中形成的气孔，称为析出气孔。析出气孔的特征多为分散小圆孔，表面光亮，直径为0.5～2.0mm，或者更大，分布较广，有时遍及整个铸件截面，均匀分布。防止方法：降低浇注温度。二、侵入气孔是由于铸型表面层聚集的气体侵入液态合金而形成的气孔。侵入气孔的特征是多位于铸件局部表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形。防止方法：降低型砂、芯砂的发气量和提高铸型的排气能力。三、反应气孔液态合金与铸型、冷铁、芯撑或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，称为反应气孔。反应气孔多分布在铸件表层下1-2毫米处，呈皮下气孔。2、常用合金铸件的生产2.1铸铁件的生产铸铁是碳的含量大于2.11％、并含有较多Si.Mn.P.S杂质元素的铁碳合金。根据碳的存在形式，铸铁可分为白口铸铁、麻口铸铁和灰口铸铁。白口铸铁中的碳基本以Fe3C形式存在，断口呈银白色，这种铸铁硬而脆，难以进行切削加工，只能用来制造非强烈冲击情况下的抗磨铸件。麻口铸铁中的碳基本以Fe3C+G（石墨）形式存在，断口呈银白色中有暗灰点，这种铸铁性能与白口铸铁基本相同。灰口铸铁中的碳主要以石墨形式存在，这种铸铁的断口呈暗灰色，用来生产结构件。根据石墨形态灰口铸铁可分为普通灰口铸铁、球墨铸铁，可锻铸铁和蠕墨铸铁等。一、灰口铸铁1．灰口铸铁的组织与性能灰口铸铁的组织由金属基体和片状石墨组成。灰口铸铁分类：1、铁素体灰口铸铁（强度低）、2、珠光体-铁素体灰口铸铁（强度中低）、3、和珠光体灰口铸铁（强度高）。灰口铸铁的特点：灰口铸铁的抗拉强度低，塑性差。灰口铸铁抗拉强度200MPa，铸造碳钢400MPa。原因：1、片状石墨的强度极低，严重割裂了金属基体，减少了基体有效截面积。2、片状石墨的尖角造成应力集中，极大地降低了铸铁的强度灰口铸铁若干优良性能但正是石墨的存在，赋于了灰口铸铁若干优良性能的一面。1、灰口铸铁的减振性大大优于钢；片状石墨对机械振动起缓冲作用，有效地阻止了动能量传播所致。2、灰口铸铁减磨性比钢好，摩擦面上的石墨脱落后构成了大量的显微凹坑，能起储存润滑油作用，同时石墨本身也是一种良好的润滑剂。3、良好的缺口的敏感性，石墨在基体中形成了大量小缺口，因而减少了对外来缺口的敏感性。4、灰口铸铁具有优良的工艺性能，铸造性能好。流动性好，收缩率小。5、灰口铸铁切削加工性能好，但不能锻造和冲压。2．影响灰口铸铁组织和性能的因素灰口铸铁的性能取决于组织。要控制灰口铸铁的组织和性能，就必须控制石墨化程度。石墨化是指铸铁形成石墨的过程。（1）化学成份C.Si--为石墨化元素。碳是形成石墨的元素，硅是强烈促进石墨化的元素，碳硅含量越高，析出石墨越多，越粗大，并且使基体中铁素体增多，珠光体减少。反之，石墨减少，而细化。S.Mn是反石墨化元素。促进形成白口倾向。硫不仅阻碍石墨化，并使铸铁具有热脆性。锰还可提高渗碳体的稳定性，有助于形成珠光体。磷是对石墨化影响不显著的元素。磷可提高灰口铸铁的流动性和耐磨性（2）冷却速度影响铸铁冷却速度的主要因素是铸型材料和铸件壁厚。在同样的铸型条件下，铸件壁厚不同，铸铁组织不同。但在生产中，铸件结构已定，因此不能通过改变铸件壁厚来调整铸铁组织，而是根据铸件的壁厚选择适当的铁水化学成分。图2-4所示为砂型铸造时，铸件壁厚、化学成分对形铸铁组织的影响。1、白口铁（P+Fe３C）；2、麻口铁（P+Fe3C+G）；3、珠光体灰口铁（P+G）；4、珠光体+铁素体灰口铁（P+F+G）；5、铁素体灰口铁（F+G）要求掌握的基本规律在获得灰口铸铁的前提下，降低C.Si含量，有利于获得珠光体铸铁，从而提高铸铁强度。在获得灰口铸铁的前提下，提高冷却速度，有利于获得珠光体铸铁，从而提高铸铁强度。3．孕育铸铁孕育处理：向铁水中加入将孕育剂（通常为含硅量75％的硅铁合金）。生产孕育铸铁件的条件：原铁水成分C、Si含量较低。这种成分铁水若不经孕育处理直接浇注，铸件就会出现出口组织。孕育处理的作用：1细化片状石墨，且均匀分布在基体上。2促进获得珠光体基体，获得珠光体铸铁。3防止产生白口组织。孕育铸铁的优点：1、冷却速度对其组织和性能的影响甚小，因此，铸件厚大截面的力学性能较为均匀。2、孕育铸铁强度高适用于静载荷要求较高强度、高耐磨性或高气密性铸件。3、适用于重要的厚大铸件。4．灰口铸铁的牌号灰口铸铁的牌号以力学性能来表示。HTl00、铁素体灰铁HT150、铁素体-珠光体灰铁HT200、珠光体灰铁、孕育铸铁HT250、珠光体灰铁、孕育铸铁HT300、珠光体灰铁、孕育铸铁HT350、珠光体灰铁、孕育铸铁其中，“HT”代表灰口铸铁，后面的数字表示最低抗拉强度值。如HT250，表示以Φ30mm试棒测出的抗拉强度值σb≥250MPa。表2-3不同壁厚灰口铸铁件力学性能参考值及用法举例牌号铸件壁厚(mm)抗拉强度(MPa)硬度(HBS)用途举例HT1002.5~1010~2020~3030~501301009080110~16793~14087~13182~122低负荷不重要件或薄件，如盖、罩、手轮、重锤等。HT1502.5~1010~2020~3030~50175145130120136~205119~179110~167105~157承受中等负荷件，如机床支架、箱体、带轮、轴承座、法兰、泵体、阀体、飞轮、缝纫机件。HT2002.5~1010~2020~3030~50220195170160157~236148~222134~200129!190承受中等负荷重要件，如气缸、齿轮、底架、飞轮、齿条、刀架、一般机床床身等。HT2504.0~101