《金屬的凝固特點(diǎn)》PPT課件.pptVIP

第二章金屬的凝固成形 鑄造 定義 將液態(tài)金屬澆注到與零件的形狀和尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中 待其冷卻后得到坯料或零件的方法 稱為液態(tài)凝固成形 或稱為鑄造成形方法 分類 砂型鑄造 應(yīng)用較廣 特種鑄造 鑄造特點(diǎn) 鑄造優(yōu)點(diǎn)1 具有較強(qiáng)的適應(yīng)性重量 幾克 幾百噸尺寸 幾毫米 十幾米壁厚 0 2mm 1m結(jié)構(gòu) 復(fù)雜外形 內(nèi)腔材質(zhì) 不限 特別是脆性材料2 鑄件成本低原材料 來源廣 價(jià)格低 投資少 易生產(chǎn)鑄件 機(jī)械加工量相對(duì)較小 成本低 鑄造特點(diǎn) 鑄造缺點(diǎn)工序復(fù)雜 方法落后 鑄件尺寸精度不高 表面質(zhì)量難保證 鑄件內(nèi)部易出現(xiàn)氣孔 砂眼 縮孔 晶粒粗大等現(xiàn)象 1金屬的凝固特點(diǎn) 合金的鑄造性能 金屬在由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程中 存在的一些與鑄件質(zhì)量相關(guān)的性能特點(diǎn) 一般指鑄造過程中的流動(dòng)性 收縮性 吸氣性等工藝性能 幾個(gè)準(zhǔn)備概念 充型 液態(tài)合金填充鑄型的過程 充型能力 液態(tài)合金充滿鑄型型腔 獲得形狀完整 輪廓清晰的鑄件的能力澆不足 因液態(tài)金屬充型能力不足而不能得到完整形狀的鑄件 冷隔 指鑄件雖可獲得完整的外形 但因存有未完全熔合的垂直接縫 鑄件的力學(xué)性能嚴(yán)重受損 本節(jié)三大內(nèi)容 一 液態(tài)金屬的流動(dòng)特點(diǎn)二 合金的凝固特點(diǎn)三 合金的收縮特點(diǎn) 一 液態(tài)金屬的流動(dòng)特點(diǎn)1 流動(dòng)性 流動(dòng)性 是描述液態(tài)金屬流動(dòng)能力的一個(gè)術(shù)語 流動(dòng)性的高低主要取決于金屬的結(jié)晶特點(diǎn)和物理性能 物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)晶體時(shí) 稱為 結(jié)晶 粘度的大小表示液體中發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的難易程度 粘度大 液體粘稠 相對(duì)運(yùn)動(dòng)困難 就很難形成晶體 一 液態(tài)金屬的流動(dòng)特點(diǎn)1 流動(dòng)性 流動(dòng)性對(duì)鑄件質(zhì)量影響 液態(tài)金屬流動(dòng)性越好 越有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮 排除 易于對(duì)液態(tài)金屬在凝固中產(chǎn)生的收縮進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)縮 越容易充滿鑄型的型腔 得到輪廓清晰 健全完整的鑄件 否則 鑄件越容易出現(xiàn)冷隔或澆注不足的缺陷 一 液態(tài)金屬的流動(dòng)特點(diǎn)2 影響流動(dòng)性的因素 合金成分的影響澆注溫度和壓力的影響鑄型條件的影響 合金成分的影響 a 純金屬流動(dòng)性好 一定溫度下結(jié)晶 凝固層表面平滑 對(duì)液流阻力小 b 共晶成分流動(dòng)性好 共晶成分的合金恒溫凝固 固體層表面光滑 且熔點(diǎn)低 過熱度大 c 非共晶成分流動(dòng)性差 結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行 非共晶成分的合金凝固時(shí)在兩相區(qū)中生長出的大量枝狀晶粒阻礙液體金屬的流動(dòng) 澆注溫度和壓力的影響 1 澆注溫度t 合金粘度下降 流動(dòng)性 t 液態(tài)金屬的過熱度 充型能力 但過高 易產(chǎn)生縮孔 粘砂 氣孔 晶粒粗大等 故不宜過高結(jié)論 要在金屬液體具有足夠的充型能力的前提下 盡量降低澆注溫度 澆注溫度和壓力的影響 2充型壓力充型壓力 液態(tài)合金在流動(dòng)方向上所受的壓力 液體進(jìn)入型腔的速度 充型能力 如砂形鑄造 直澆道 靜壓力 壓力鑄造 離心鑄造等充型壓力高 鑄型條件的影響 鑄型結(jié)構(gòu) 若不合理 如壁厚小 直澆口低 澆口小等充型能力 鑄型導(dǎo)熱能力 導(dǎo)熱 金屬降溫快 充型能力 鑄型條件的影響 鑄型溫度 t 充型能力 如金屬型預(yù)熱 鑄型中氣體 排氣能力 充型能力 減少氣體來源 提高透氣性 少量氣體在鑄型與金屬液之間形成一層氣膜 減少流動(dòng)阻力 有利于充型 鑄型條件的影響 結(jié)論 可通過改善鑄型型腔的結(jié)構(gòu)提高金屬液的流動(dòng)性及充型壓力 鑄型條件的影響 提高直澆道高度改善型腔結(jié)構(gòu)采用散熱慢的鑄型材質(zhì)原理 都是使金屬流動(dòng)性增強(qiáng) 流動(dòng)時(shí)間延長 增大充型壓力 從而有利于充型能力的提高 二 合金的凝固特點(diǎn) 鑄件凝固過程中其斷面上的三個(gè)區(qū)固相區(qū)固液共存區(qū) 通常稱為凝固區(qū) 液相區(qū) 二 合金的凝固特點(diǎn) 對(duì)凝固區(qū)影響較大的是凝固區(qū)的寬窄 依此劃分凝固方式 1 逐層凝固2 體積凝固3 中間凝固 1 逐層凝固 純金屬或共晶成分合金恒溫下結(jié)晶時(shí) 凝固過程中鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾群苷?固液兩相由一條界線清楚分開 隨著溫度下降 固相層不斷增加 液相層不斷減少 逐漸達(dá)到鑄件中心 圖2 2a 2 體積凝固 當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬 或因鑄件截面溫度梯度很小時(shí) 在凝固某段時(shí)間內(nèi) 鑄件表面不存在固體層 固液共存的區(qū)域很寬 凝固區(qū)甚至貫穿整個(gè)鑄件截面的凝固方式 或稱為糊狀凝固方式 先糊狀 后固化 圖2 2c 3 中間凝固 金屬的結(jié)晶范圍較窄 或結(jié)晶溫度區(qū)間雖寬但鑄件截面溫度梯度大時(shí) 凝固區(qū)域的寬度介于逐層凝固與體積凝固之間 稱該凝固方式為中間凝固方式 圖2 2b 影響凝固方式的主要因素 鑄造合金的結(jié)晶溫度區(qū)間寬窄和鑄件截面的溫度梯度大小是影響凝固方式的主要因素 影響凝固方式的主要因素 結(jié)晶溫度區(qū)間越小 凝固區(qū)域越窄 合金越傾向于逐層凝固 當(dāng)合金的成分一定時(shí) 結(jié)晶溫度范圍已定 凝固方式取決于鑄件截面的溫度梯度 溫度梯度愈小 凝固區(qū)愈寬 合金越趨向于體積凝固 溫度梯度越大 凝固區(qū)域越窄 合金越趨向于逐層凝固 溫度梯度的影響因素 合金性質(zhì)鑄型的蓄熱能力澆鑄溫度等合金的凝固溫度越低 熱導(dǎo)率越高 結(jié)晶潛熱越大 鑄型的蓄熱能力越小 則鑄件內(nèi)部溫度越趨于均勻 鑄件截面的溫度梯度越小 三 合金的收縮特點(diǎn) 1 合金的收縮2 影響收縮的因素3 收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響及防止措施 1 合金的收縮 鑄件在冷卻過程中的收縮是合金的固有物理性質(zhì) 即 液態(tài)合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中 體積和尺寸減少的現(xiàn)象 這是鑄件許多缺陷 縮孔 縮松 裂紋 變形 殘余應(yīng)力 產(chǎn)生的基本原因 1 合金的收縮 從液態(tài)冷卻到室溫的過程中 金屬要經(jīng)歷三個(gè)相互聯(lián)系的收縮階段 液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮 1 合金的收縮 液態(tài)收縮 從澆鑄溫度冷卻至凝固開始溫度之間的收縮 即 從金屬液澆入鑄型到開始凝固之前 液態(tài)收縮減少的體積與澆注溫度和開始凝固的溫度的溫差成正比 1 合金的收縮 凝固收縮 從凝固開始溫度冷卻至凝固結(jié)束溫度之間的收縮 即 從凝固開始到凝固完畢 同一類合金 凝固溫度范圍大者 凝固體積收縮率大 如 35鋼 體積收縮率3 0 45鋼4 3 1 合金的收縮 這兩種收縮 液態(tài)收縮 凝固收縮 表現(xiàn)為合金的體積縮小 使型腔內(nèi)金屬液面下降 它們是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷的根本原因 1 合金的收縮 固態(tài)收縮 從凝固完畢時(shí)的溫度冷卻到室溫之間的收縮 固態(tài)收縮也會(huì)引起體積的變化 在鑄件各個(gè)方向上都表現(xiàn)出線尺寸的減小 對(duì)鑄件的形狀和尺寸精度影響最大 它是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力以致引起變形和裂紋的主要原因 2 影響收縮的因素 化學(xué)成分澆鑄溫度鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件 2 影響收縮的因素 化學(xué)成分的影響成分不同 收縮率不同 鑄鐵中促進(jìn)石墨形成的元素增加 收縮減少 如 灰口鐵C Si 收 S 收 原因 石墨比容大 體積膨脹 抵銷部分凝固收縮 2 影響收縮的因素 澆鑄溫度主要影響液態(tài)收縮 澆鑄t 則此溫度與開始凝固的溫度之溫差 于是液態(tài)收縮 則總收縮量相應(yīng) 2 影響收縮的因素 鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件鑄件收縮是受阻收縮 阻力主要來源于兩個(gè)方面 鑄件壁厚不均 各部分冷卻速度不同 收縮的先后不一致 相互制約而產(chǎn)生阻力 鑄型和型芯對(duì)收縮的機(jī)械阻力 鑄件收縮時(shí)受阻越大 實(shí)際收縮率就越小 2 影響收縮的因素 鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件結(jié)論 設(shè)計(jì)和制造模型時(shí) 應(yīng)根據(jù)合金種類和鑄件的受阻情況 采用合適的收縮率 使鑄型有好的退讓性 3 收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響及防止措施 主要內(nèi)容 1 鑄件的縮孔和縮松及防止措施鑄造應(yīng)力 熱應(yīng)力 組織應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力 及其防止措施變形與裂紋及防止措施 3 1鑄件的縮孔和縮松及防止措施 縮孔和縮松鑄件凝固過程中 金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成體積減小 又得不到液態(tài)的補(bǔ)充 在鑄件最后凝固的部位形成了孔洞 容積較大而集中的孔洞稱為縮孔 細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松 見圖2 3 縮孔和縮松 縮松分兩種 宏觀縮松 肉眼或放大鏡可以看到的小孔洞 分布于鑄件中心軸線處或縮孔下方 圖2 3顯微縮松 分布于晶粒之間的微小孔洞 影響縮孔容積的因素 補(bǔ)充 1 液態(tài)收縮 凝固收縮速度 縮孔容積 2 固態(tài)收縮 縮孔容積 3 澆注速度 縮孔容積 4 澆注速度 液態(tài)收縮 易產(chǎn)生縮孔 縮孔和縮松的防止措施 安置冒口 實(shí)行順序凝固造型時(shí)在鑄件的厚大部分附設(shè)冒口 使鑄件的凝固順序由遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固并依次向冒口推進(jìn) 冒口部位最后凝固 圖2 4 鑄件收縮時(shí)所需要的金屬液則由冒口提供 縮孔和縮松則出現(xiàn)在冒口中 補(bǔ)縮 縮孔和縮松的防止措施 幾點(diǎn)注意1 安置冒口 實(shí)行順序凝固 可有效的防止縮孔 但冒口浪費(fèi)金屬 浪費(fèi)工時(shí) 使鑄件成本增加 而且 鑄件內(nèi)應(yīng)力加大 易于產(chǎn)生變形和裂紋 主要用于凝固收縮大 結(jié)晶間隔小的合金 縮孔和縮松的防止措施 幾點(diǎn)注意2 對(duì)于結(jié)晶溫度范圍甚寬的合金 非共晶成分合金 由于傾向于糊狀凝固 結(jié)晶開始之后 發(fā)達(dá)的樹枝狀骨狀布滿整個(gè)截面 使冒口補(bǔ)縮道路受阻 因而冒口的作用很小 難避免顯微縮松的產(chǎn)生 顯然 選用近共晶成分和結(jié)晶范圍較窄的合金生產(chǎn)鑄件是適宜的 3 2鑄造應(yīng)力及其防止措施 鑄造應(yīng)力又稱內(nèi)應(yīng)力包括 熱應(yīng)力組織應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力 3 2鑄造應(yīng)力及其防止措施 鑄件凝固過程中 由于鑄件壁厚不均勻 各部位的散熱情況也不同 造成各部位的冷卻速度不同 使得各部位在同一時(shí)刻的收縮量不一致而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力 它使鑄件的厚壁或心部受拉伸 薄壁或表層受壓縮 鑄件的壁厚差別越大 熱應(yīng)力越大 3 2鑄造應(yīng)力及其防止措施 組織應(yīng)力 相變應(yīng)力 由于鑄件的各部分冷卻速度不同 從而導(dǎo)致發(fā)生組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的時(shí)間不一致 產(chǎn)生相互制約的結(jié)果 既可以由拉應(yīng)力又可以有壓應(yīng)力 3 2鑄造應(yīng)力及其防止措施 以上兩種應(yīng)力 熱應(yīng)力與相變應(yīng)力 的防止 a 壁厚均勻b 采取同時(shí)凝固的工藝方法同時(shí)凝固 圖2 6 就是設(shè)法減少鑄件冷卻過程中各部位的溫差 使各部位收縮一致 如將澆注系統(tǒng)開在薄壁處 在厚壁處則安放冷鐵等 當(dāng)應(yīng)力較大時(shí) 可通過熱處理消除 3 2鑄造應(yīng)力及其防止措施 同時(shí)凝固方法的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 省冒口 省工 省料缺點(diǎn) 心部易出現(xiàn)縮孔或縮松 應(yīng)用于灰鐵錫青銅 因灰鐵縮孔 縮松傾向小 錫青銅糊狀凝固 用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松 3 2鑄造應(yīng)力及其防止措施 機(jī)械應(yīng)力定義 是合金固態(tài)收縮時(shí)受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙作用形成的 當(dāng)阻礙作用消除后 應(yīng)力能夠自行消除 防止措施 通過改進(jìn)鑄件結(jié)構(gòu)和增加型砂的退讓性來解決 3 3變形與裂紋及防止措施 鑄件常發(fā)生不同程度的變形 通過自由變形來松弛內(nèi)應(yīng)力 這是一個(gè)自發(fā)過程 鑄件在應(yīng)力作用下發(fā)生變形 當(dāng)應(yīng)力超過鑄件的強(qiáng)度極限時(shí)將導(dǎo)致開裂 產(chǎn)生裂紋 根據(jù)開裂的特點(diǎn)不同 可以有熱裂紋和冷裂紋兩種 3 3變形與裂紋及防止措施 熱裂紋定義 高溫下形成的裂紋 特點(diǎn) 長度較短 縫寬 邊沿彎曲 縫內(nèi)有氧化顏色 無金屬光澤 裂縫沿晶粒邊界通過 多發(fā)生在應(yīng)力集中或凝固處 灰鐵 球鐵熱裂少 鑄鋼 鑄鋁 白口鐵大 3 3變形與裂紋及防止措施 熱裂紋形成原因 合金退讓性不好 含S產(chǎn)生熱脆 S以FeS的形式存在于鋼鐵鑄件中 FeS與Fe形成低熔點(diǎn)共晶體分布于晶界上 當(dāng)進(jìn)行熱加工時(shí) 發(fā)生融化導(dǎo)致逐漸開裂 預(yù)防 合理設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 改善退讓性 控制含S量 3 3變形與裂紋及防止措施 冷裂紋定義 低溫下形成的裂紋 特點(diǎn) 細(xì)長 連續(xù)直線狀或圓滑曲線 裂口表面干靜 具有金屬光澤 一般無氧化顏色或氧化顏色較輕 3 3變形與裂紋及防止措施 冷裂紋形成原因 復(fù)雜大工