材料成形工艺基础-3(铸造成形工艺理论基础)

材料成形工艺基础主讲智小慧2011年9月机械分院第一篇金属的铸造成形工艺第一章铸造成形工艺理论基础(二)主要内容:一、上节内容回顾二、合金的收缩性三、小结一、内容回顾铸造的特点：形状、材料、大小、批量不受限制，成本低。砂型铸造、特种铸造影响充型能力的主要因素：(1)合金的流动性(化学成分、凝固方式)(2)浇注条件(3)铸型填充条件等二、合金的收缩性1、合金收缩的概念2.收缩的分类3、影响合金收缩的因素4、铸件中的缩孔与缩松5、铸造内应力及铸件的变形和裂纹1、合金收缩的概念定义：合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象。导致缺陷：缩孔、缩松、变形、裂纹。三个阶段：液态收缩：ε液：T浇~T液之间凝固收缩:ε凝：T液~T固之间固态收缩:ε固：T固~T室之间2.收缩的分类体积收缩：体收缩率，液态、凝固收缩。导致缩孔、缩松。尺寸收缩：线收缩率，固态收缩。导致变形、裂纹、内应力。铸钢收缩率灰铸铁3、影响合金收缩的因素（1）化学成分铸钢收缩率灰铸铁（2）浇注温度T浇↑,过热度(T浇-T液）↑,ε液(液态收缩）↑,收缩率↑（3）铸件结构和铸型条件自由收缩受阻收缩（收缩率较小）受阻的原因：铸件各部分冷却速度不同收缩不一致相互约束、产生阻力；铸型、型芯机械阻力铸件结构复杂↑，铸型硬度↑，芯骨粗大↑，则收缩阻力↑，收缩率↓4、铸件中的缩孔与缩松（1）缩孔与缩松的形成液态收缩和凝固收缩、容积得不到补足。①缩孔的形成液态金属充满铸型铸件外壳液面下降最后凝固部位图1-5缩孔的形成过程特征：集中孔洞，呈倒锥形，内表面粗糙。纯金属、共晶成分合金易形成缩孔。？？？图1-5缩孔的形成过程②缩松的形成凝固前沿凹凸不平数量众多小液体区缩松特征：细小分散孔洞。宏观缩松：肉眼或放大镜，中心线附近。显微缩松：显微镜，晶粒间，分布广泛。图1-6缩松的形成过程结论：逐层凝固缩孔，糊状凝固缩松。结晶区间（凝固温度范围）↑缩松？？？。(2)缩孔和缩松的防止①缩孔的防止缩孔的危害：减小铸件承载面积，降低承载能力。防止方法：冒口+（冷铁）定向凝固。定向凝固：厚大部位安放冒口，远离冒口的部位最先凝固，靠近冒口部位后凝固，冒口本身最后凝固。冒口作用：（1）控制凝固方向；（2）补缩。位置：厚大部位（热节处）冷铁作用：加速铸件局部冷却，控制凝固方向，不补缩。位置：不易放冒口的热节处。外冷铁：可重复使用，安放在砂型中。应用多。内冷铁：不可重复使用，材质与铸件相同，熔合在铸件内。用于不重要的铸件中。形状复杂的铸件可设置多个冒口、冷铁。冒口、冷铁的用法图1-8阀体铸件的定向凝固冒口、冷铁的用法内置冷铁法外置冷铁法②缩松的防止缩松的危害：影响铸件的气密性。防止方法：加大冷却速度——热节处安放冷铁，砂型局部表面涂敷激冷涂料。加大结晶压力——破碎枝晶，减少流动阻力。只可部分防止缩松。5、铸造内应力及铸件的变形和裂纹（1）内应力的形成固态收缩内应力变形和裂纹σ＞σs产生变形，σ＞σb金属断裂。按照形成原因，分为热应力和机械应力。①热应力定义：它是由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致、相互约束而引起的。②热应力的形成过程第一阶段：Ｔ再以上。瞬时应力通过塑性变形而自行消除。第二阶段：细杆Ｔ再以下（受拉），粗杆Ｔ再以上（受压）。内应力随粗杆塑变而消除，两杆同时缩短。第三阶段：Ｔ再以下。粗杆温度高，收缩大；细杆温度低，收缩趋于停止。粗杆受拉，细杆受压，形成残余应力。粗杆（冷却慢的部分）短，细杆长热应力的规律：（a）缓冷部位（厚壁、心部）受拉伸（短or长?）。快冷部位（薄壁，表层）受压缩（短or长?）。（b）温差↑，定向凝固↑，固态收缩率↑，弹性模量↑，则热应力↑。热应力的防止：缩小温差，均匀冷却。措施：材料弹性模量小的合金，设计壁厚均匀、对称，工艺同时凝固。同时凝固：内浇道开在薄壁处，厚壁处放冷铁，使各部位同时凝固。目的：减小铸造内应力、防止铸件变形和裂纹。尤适用于形状复杂薄壁件。②机械应力（收缩应力）定义：铸件的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时正应力或剪应力，落砂后可局部或全部消除。与热应力共同作用，增加裂纹倾向。(2)铸件的变形与防止残余内应力不稳定状态通过变形缓解应力回到稳定状态。了解变形的规律：（预计变形方向）受拉伸部分短，受压缩部分长。Ｔ形梁：厚部受拉产生压缩变形,上凹下凸。床身：上凹下凸，导轨内凹。平板：中心、下部冷却慢，受拉压缩变形。铸件变形归纳由于内应力的存在，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。防止变形的办法：1）减小应力的各种方法。2）铸件壁厚设计均匀，结构对称。3）反变形法：最有效。4）粗加工后时效处理：自然时效（露天放置半年）人工时效（去应力退火）5）振动去应力。发生期引发因素特征倾向防止措施热裂thermalcracking凝固高温机械应力(铸型阻力)短宽曲氧塑性区宽退让性，控制S冷裂凝固低温复合应力光滑穿晶脆性，大型壁厚均匀，控制P（3）.裂纹热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。影响因素：合金性质和铸型阻力。冷裂：继续冷却至室温形成的裂纹。特点铸件特殊位置的裂纹示意图裂纹的常见部位：冷裂示意图热裂示意图铸件的裂纹与防止①热裂纹：接近固相线的高温下形成。特征：短而宽、形状曲折、呈氧化色。产生：晶粒间有少量液体，强度很低，机械应力超过强度。（落砂前）热裂纹在铸钢、铝合金中常见。防止：材料--选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金，减小S含量。结构--降低凝固过程中的应力。型砂--增加退让性。②冷裂纹：较低温度下（400℃以下）。特征：细小、连续直线，呈轻微氧化色或金属光泽。产生：（落砂前后）热应力和机械应力，受拉部位或应力集中处。壁厚差大，形状复杂，大的薄壁件易冷裂；灰铸铁、白口铸铁、高锰钢易冷裂。防止：合理设计铸件结构；降低内应力；减少P含量；落砂后及时消氢处理；防裂肋。三、小结合金的收缩：缩孔、缩松、形成原因。内应力、变形、裂纹：应力和变形规律。定向凝固与同时凝固。合金的吸气性铸造缺陷的简介作业：Ｐ１５（５），（６），（７）