金属材料成型基础第二篇--河南科技大学

第二篇铸造（金属液态成形）一、什么是铸造生产（液态成形）将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。零件图铸造工艺图铸型型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理检验铸件二、砂型铸造的工艺过程浇注冷却凝固（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。三、铸造生产的特点1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。2．适应性强：3．成本低：4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。四羊方尊（公元前13~11世纪）青铜高58.3CM曾侯乙尊盘公元前476年~公元前4世纪上半叶第一章铸造（金属液态成形）工艺基础充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。一、液态合金的流动性合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。充型——液态合金填充铸型的过程。充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。§1-1液态金属的充型能力与流动性0.45%C铸钢：200出气口浇口杯4.3%C铸铁：1800合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点影响流动性的因素：a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）01.合金的化学成分（3）浇注系统的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。二、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。2.合金的物理性质合金的黏度、导热系数、结晶潜热、热容、密度等（2）铸型温度铸型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。（3）铸型中的气体三、铸型充填条件（1）铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热量并储存在本身的能力。§1-2铸造合金的凝固与收缩一、铸件的凝固方式1.逐层凝固2.糊状凝固3.中间凝固影响铸件凝固方式的主要因素：（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。表层中心固相线液相线成分温度表层中心液固液表层中心S温度液相线固凝固区（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。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。表层中心S温度成分温度S1T1T2二、合金的收缩1.收缩的概念T浇T液T固T室合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T浇—T液体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。体收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。（3）固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。T固—T室（2）凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。T液—T固2.缩孔与缩松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充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成2)缩孔和缩松的防止防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。暗冒口冒口—储存补缩用金属液的空腔。顺序凝固—铸件按照一定的次序逐渐凝固。冷铁热节寻找热节的方法等温线法内切圆法冷铁同时凝固—整个铸件几乎同时凝固。§1-3铸造内应力及铸件的变形、裂纹一、铸造内应力铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。1.机械应力（收缩应力）合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。上型下型2．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，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。tT12t0t1t2t3THT临T室t0~t1:塑性状态弹性状态12+-12t1~t2：t2~t3：+-1212-+12热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。热应力是永久应力。二、铸件的变形与防止+-反变形法防止变形的方法：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。三、铸件的裂纹与防止1．热裂热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂的防止：①应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。②应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。2．冷裂冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。第二章常用铸造合金及其熔炼§2-1铸铁件生产铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-4.0%）的铁碳合金。3．麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：1.白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。2．灰口铸铁：碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。4．蠕墨铸铁：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。abcd根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：1．普通灰口铸铁：简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。2．可锻铸铁：其石墨呈团絮状。如图b所示。3．球墨铸铁：其石墨呈球状。如图c所示。一、影响铸铁组织和性能的因素1、化学成分碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。所以：当铸铁中碳、硅含量均高时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。铸铁中的碳可以以化合态渗碳体和游离态石墨两种形式存在。碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。1）碳和硅3）锰所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。MnS一般控制在0.6~1.2%之间4）磷磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。限制在0.5%以下，高强度铸铁则限制在0.2~0.3%以下。2）硫硫是强烈阻碍石墨化元素。硫量高易促使碳以Fe3C白口组织；硫量高热脆性；2．冷却速度在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。1）铸型材料2）铸件壁厚铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁灰口铸铁白口铸铁：灰口铸铁：麻口铸铁：P+Fe3C+LeP+Fe3C+G+Le珠光体灰口铸铁：铁素体灰口铸铁：珠光体+铁素体灰口铸铁：P+G片P+F+G片F+G片二、灰口铸铁（一）灰口铸铁的化学成分、组织和性能1．灰口铸铁的化学成分与组织灰口铸铁的化学成分一般为：2.6~3.6%C，1.2~3.0%Si，0.4~1.2Mn，S≤0.15%，P≤0.3%。1)铁素体灰口铸铁（F+G片）：这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好。常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。2)铁素体-珠光体灰口铸铁（F+P+G片）：此种铸铁强度亦较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减振性较好，因此应用较广。3)珠光体灰口铸铁（P+G片）：这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。2．灰口铸铁的性能2）良好的减振性3）良好的耐磨性4）低的缺口敏感性1）力学性能：σb=120-250Mpa，仅为钢件的20-30%，δ≈0（二）灰口铸铁的孕育处理灰口铸铁的组织和性能，很大程度上取决于石墨的数量、大小和形态。差05015050100100150150表面表面中心160140170180硬度HB孕育处理—熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。孕育铸铁：P细+G细片σb=250-400Mpa，HB=170-270，δ≈0冷却速度对其组织和性能的影响很小。常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。孕育铸铁适用于静载荷下，要求较高强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件，特别是厚大截面铸件。如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。必须指出：①孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高；②原铁水出炉温度不应低于1400℃；③经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。（三）灰口铸铁的工艺性能3．锻造性和焊接性差。1．良好的铸造性能。良好的流动性、小的收缩率。2．良好的切削加工性能。2．灰口铸铁的牌号选用灰口铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度σb（Mpa）。1．灰口铸铁件的生产特点1）灰口铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；2）具有良好的铸造性能。3）灰口铸铁一般不通过热处理来提高其性能。（四）灰口铸铁生产特点及牌号选用灰铁牌号组织用途举例HT100F+G片盖、外罩、油盘、手轮、支架、底板、镶导轨的机床底座等对强度无要求的零件HT150F+P+G片底座、床身、与HT200相配的溜板、工作台；泵壳、容器、法兰盘;工作压力不太大的管件HT200F+P+G片要求高的强度和一定耐蚀能力的泵壳、容器、塔器、法兰、硝化塔机床床身、立柱、平尺、划线平板、汽缸、齿轮、活塞、刹车轮、联轴器盘、水平仪框架压力为80Mpa以下的油缸、泵体、阀门HT250P+G片HT300P细+G细片床身导轨、车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮、高压油缸、水缸、泵体、阀门、衬套、凸轮、大型发动机曲轴、气缸体、气缸盖；冷镦模、冷冲模HT350P细+G细片三、可锻铸铁（一）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用1．可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖拉机的底盘类零件、各种水管接头、农机件等。其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。1）铁素体（黑心）可锻铸铁（F+G团）：2）珠光体（P+G团）：2．可锻铸铁的牌号可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度σb（Mpa），第二组数字表示其最低伸长率δ。KTH300—06KTZ450—06可铁黑可铁珠σbδσbδ牌号组织用途举例KTH300—06F+G团三通、管件、中压阀门KTH330—08F+G团输电线路件、汽车、拖拉机的前后轮壳、差速器壳、转向节壳、制动器；农机件及冷暖器接头等。KTH350—10F+G团KTH370—12F+G团KTZ450—06P+G团曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、犁片、耙片、闸、万向接头、棘轮、扳手、传动链条、矿车轮KTZ550—04P+G团KTZ650—02P+G团KTZ700—02P+G团（二）可锻铸铁的生产特点1.铸出白口坯料1）碳、硅含量要低。通常为2.4~2.8%C，0.4~1.4%Si。2）冷却速度要快。2.石墨化退火920℃-980℃720℃650℃Fe3CA+G团PF+G团P+G团F+G团℃t石墨化退火的总周期一般为40~70小时高温阶段的石墨化退火时间需10-20小时四、球墨铸铁1．球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途1）珠光体球墨铸铁（P+F少+G球）正火其性能特点是：a）强度高。特别是屈服强度高，屈、强比（σ0.2/σb≈0.7～