材料成形技术基础新编课件第二章.

第一章绪论材料成形技术基础第二章液态材料铸造成形技术过程第一章绪论第二章概述定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting，是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。第一章绪论第二章概述第一章绪论第二章液态成形（铸造）的优缺点优点：投资小、生产周期短、技术过程灵活性大、能制造形状复杂的零件。且成本较低。缺点：铸件内部组织疏松、晶粒粗大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷；铸件外部易产生粘砂、夹砂、砂眼等。因此，与同样材料的锻件相比，铸件的力学性能低，特别是冲击韧性低。又由于铸造工序多，难以精确控制，使铸件品质不够稳定。第一章绪论第二章液态材料铸造成形技术方法铸铁铸钢铝合金铸造铜合金铸造镁合金铸造钛合金铸造目前铸造成形技术的方法种类繁多。按生产方法分类砂型铸造特种铸造按合金分类第一章绪论各类机械工业中铸件质量所占的比率机械类别比率/％机床、内燃机、重型机器风机、压缩机拖拉机农业机械汽车70～9060～8050～7040～7020～30第一章绪论2.2铸造成形技术过程理论基础12435液态金属的充型能力铸件的凝固铸件的收缩金属的吸气性铸件的化学成分偏析主要内容第一章绪论2.2.1液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。第一章绪论1）金属流动性流动性定义：液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。流动性不好：不能充满型腔，不能形成符合要求的优质铸件。流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。说明不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？第一章绪论螺旋形流动性试样在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！第一章绪论常用合金的流动性灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。第一章绪论金属的流动性合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。纯金属和共晶成分的合金流动性最好合金的结晶温度区间越宽，流动性越差图2.3Fe-C合金的流动性与状态图的关系（a）相同过热温度的流动性；（b）相同浇注温度的流动性第一章绪论2）铸型性质铸型的蓄热系数越大铸型激冷能力充型能力铸型的预热温度越高充型能力第一章绪论3）浇注条件（1）浇注温度一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。（2）充型压力液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。（3）浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。第一章绪论4）铸件结构（1）折算厚度折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。（2）铸件复杂程度铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。第一章绪论2.2.2铸件的凝固铸型中的液态合金转变为固态的过程，称为铸件的凝固，或称为结晶。金属的凝固，一般均是在常温、常压(重力)情况下进行的。压铸等技术除外。金属凝固时应满足的热力学条件是：只有当体系所处的温度低于熔点温度(液相线温度)Tm时，才能发生凝固现象。液－固两相自由能差(△G＝Gl-Gs0。)是凝固过程能保持继续进行的驱动力。金属的凝固包括晶核的形成及晶体的长大两个过程。第一章绪论铸件的凝固方式1.逐层凝固2.糊状凝固3.中间凝固方式（见图2.4）图2.4合金的凝固方式第一章绪论影响铸件凝固方式的主要因素（2）铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。增大温度梯度，可以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。（1）合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。第一章绪论2.2.3铸件的收缩收缩：是在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。收缩的三个基本阶段：金属由浇注温度冷却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个相互关联的收缩阶段，如下图所示。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。第一章绪论收缩过程图2.5铸造合金的收缩过程示意图第一章绪论收缩率体收缩率：线收缩率：%100铸件铸件铸型VVVV%100铸件铸件铸型LLLL体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。表2.4铁碳合金的收缩率合金种类体收缩率/%线收缩率/%碳素铸钢10～14.51.3～2.0白口铸铁12～141.5～2.0灰铸铁5～80.7～1.0第一章绪论铸件的实际收缩前面讨论收缩条件和收缩量时，只考虑了金属自身的成分、温度和相变的影响。实际上，铸件收缩时，还受到外界阻力的影响。铸件在铸型中收缩时受到如下几种阻力：（1）铸型表面的摩擦阻力（2）热阻力（3）机械阻力第一章绪论铸件收缩率的影响因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。第一章绪论铸件的缩孔和缩松1.缩孔：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。图2.6缩孔形成过程示意图第一章绪论缩孔表2.5几种铁碳合金的缩孔率材料浇注温度/℃化学成分的质量分数/%缩孔率/%金属基体组织CSiMnPSMg碳钢白口铸铁灰铸铁灰铸铁球墨铸铁154012501270129012900.242.653.233.403.220.011.102.934.123.700.050.480.450.600.510.050.160.110.090.090.040.090.030.030.01————0.066.455.702.561.655.50铁素体-珠光体莱氏体-珠光体铁素体-珠光体铁素体珠光体-铁素体第一章绪论缩松缩松：是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。产生原因：当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。另外，缩松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，缩松内表面应该是光滑，近似球状。第一章绪论缩孔缩松的防止危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。防止措施：①采取定向凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。定向凝固：第一章绪论缩孔缩松的防止②找“热节”，确定缩孔位置等温线法内切圆法第一章绪论缩孔缩松的防止③加补贴图2.1l铸件上的补贴（a）垂直补贴；（b）水平补贴第一章绪论铸造应力铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。第一章绪论热应力铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同一时间内铸件各部分收缩不同，先冷却的部位阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。图2.12热应力的形成“+”—拉应力；“-”—压应力第一章绪论热应力内应力薄压厚拉变形方向恰相反铸件产生热应力与变形的规律：①薄壁、细小部位：冷得快，受压应力（凸出）；②厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉应力（凹进）。第一章绪论相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。下表为钢的各种组织的比容。钢的组成相铁素体渗碳体奥氏体w(C)=0.9%珠光体马氏体比容/cm3·g-10.12710.13040.12750.12860.1310第一章绪论机械应力铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械应力。是暂时的。但是如果在某一瞬间收缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。第一章绪论防止和减小铸造应力的措施①合理设计铸件结构铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。②尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。③采用同时凝固的工艺所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固，如下图所示。因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。第一章绪论同时凝固同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却；再在铸件厚壁处放置冷铁，以加快其冷却。总之，同时凝固原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；这种工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材料。只是铸件的心部会产生缩孔和缩松缺陷，所以同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜等铸造性能好的铸件的生产。第一章绪论防止和减小铸造应力的措施④合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小铸件各部分温差；采用退让性好的型、芯砂。⑤若铸件已存在残余应力，可采用人工时效、自然时效或振动时效等方法消除。第一章绪论铸件变形由于内应力的存在，厚薄不均、截面不对称以及细长杆、板、轮类零件，在铸造应力超过铸件材料的屈服极限时，产生的翘曲变形。图2.15框形铸件变形示意图图2.16T形梁铸钢件变形示意图第一章绪论铸件变形图2.17床身导轨面的翘曲变形第一章绪论去应力退火实践证明，铸件变形后其残余应力并未彻底消除。这种铸件经机械加工后，内应力将重新分布，使零件缓慢地变形，丧失原有的加工精度。为此，对不允许发生变形的铸件，必须进行时效处理。时效处理可分为自然时效和人工时效两种。自然时效是将铸件置于露天场地半年以上，使其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少，人工时效是将铸件加热到550‾650℃进行去应力退火，它比自然时效节省时间，残余应力去除较为彻底，故应用广泛。第一章绪论裂纹裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。冷裂：继续冷却至室温形成的裂纹。第一章绪论裂纹和变形的防止以有利于释放铸造应力为原则；1、采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；2、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；3、对铸件进行热处理。第一章绪论2.2.4金属的吸气性金属液吸收气体的过程：（1）气体分子撞击到金属液表面；（2）在高温金属液表面上气体分子离解为原子状态；（3）气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面；（4）气体原子扩散进入金属液内部。前三个过程是吸附过程，最后一个是扩散过程。金属液吸收气体时，实际上这4个过程同时存在，而扩散是关键，因为它决定金属液的吸气速度。第一章绪论气体在金属液中的溶解度在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。常用每100g金属含有的气体在标准状态下的体积来表示(cm3／100g)，有时也用溶解气体对金属的质量分数表示。影响气体在金属液中的溶解度的因素是：温度、金属的化学成分和气体在金属液面上的平衡分压。如温度对气体在金属中溶解度的影响随温度升高而增大。第一章绪论气体的析出溶解于金属液中的气体，随温度下降则不断析出。气体析出主要通过3种方式：（1）气体以原子态扩散到金属表面，然后脱离吸附(蒸发)（2）与金属内某元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排出；（3）以气泡形式从金属液中逸出。若金属液温度较高，气泡能上浮到液面，气体逸出。第一章绪论气孔1.侵入气孔2.析出气孔3.反应气孔第一章绪论析出气孔•特征是多而分散