金屬工藝學(xué)11

1、（1 1）逐層凝固方式）逐層凝固方式 純金屬或共晶成純金屬或共晶成分在凝固過程中不存在分在凝固過程中不存在固液二相共存區(qū)，故外固液二相共存區(qū)，故外層的固體和內(nèi)層的液體層的固體和內(nèi)層的液體之間有一條界線清楚地之間有一條界線清楚地分開。分開。 灰鑄鐵、鋁硅合金灰鑄鐵、鋁硅合金等傾向于逐層凝固，易等傾向于逐層凝固，易于獲得緊實(shí)鑄件。于獲得緊實(shí)鑄件。（2 2）糊狀凝固（體積凝固）方式）糊狀凝固（體積凝固）方式 合金結(jié)晶溫度范圍很寬，或溫度梯度很小，固液并合金結(jié)晶溫度范圍很寬，或溫度梯度很小，固液并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面，如圖存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面，如圖c）（表層不存在固體層，類（表層不存在固體層，類似

2、水泥）似水泥）。球墨鑄鐵、錫青銅、鋁銅合金等傾向于糊狀凝固。球墨鑄鐵、錫青銅、鋁銅合金等傾向于糊狀凝固。（3 3）中間凝固方式）中間凝固方式 金屬結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬但截金屬結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬但截面溫度梯度大，面溫度梯度大，凝固區(qū)寬度介于逐層凝固和糊狀凝固凝固區(qū)寬度介于逐層凝固和糊狀凝固之間。之間。影響凝固方式的因素：影響凝固方式的因素：o 合金的結(jié)晶溫度范圍。越窄越窄逐層凝固逐層凝固o 鑄件的溫度梯度。梯度越大梯度越大逐層凝固逐層凝固凝固方式對鑄件質(zhì)量的影響：o 逐層凝固方式逐層凝固方式合金的充型能力強(qiáng)，便于合金的充型能力強(qiáng)，便于防止縮孔和縮松。防止縮孔和縮松。o

3、糊狀凝固方式糊狀凝固方式難以獲得結(jié)晶堅(jiān)實(shí)的鑄件。難以獲得結(jié)晶堅(jiān)實(shí)的鑄件。二、鑄造合金的收縮二、鑄造合金的收縮o 液體金屬在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減液體金屬在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減少的現(xiàn)象，稱為合金的收縮。少的現(xiàn)象，稱為合金的收縮。 收縮是多種鑄造收縮是多種鑄造缺陷產(chǎn)生的根源。缺陷產(chǎn)生的根源。o 合金的收縮經(jīng)歷三個(gè)階段：合金的收縮經(jīng)歷三個(gè)階段： （1 1）液態(tài)收縮：從澆注）液態(tài)收縮：從澆注液相線溫度液相線溫度 （2 2）凝固收縮：液相線）凝固收縮：液相線固相線固相線 （3 3）固態(tài)收縮：固相線）固態(tài)收縮：固相線室溫室溫o液態(tài)收縮液態(tài)收縮 表現(xiàn)為鑄型腔內(nèi)液態(tài)金屬的液面下降。表現(xiàn)為鑄型

4、腔內(nèi)液態(tài)金屬的液面下降。o凝固收縮凝固收縮 共晶成分或純金屬是在恒溫下凝固，共晶成分或純金屬是在恒溫下凝固，凝固收縮只由狀態(tài)改變引凝固收縮只由狀態(tài)改變引起，所以收縮較小，亦表現(xiàn)為液面下降。起，所以收縮較小，亦表現(xiàn)為液面下降。 液態(tài)收縮和凝固收縮主要表現(xiàn)為合金體積上的縮液態(tài)收縮和凝固收縮主要表現(xiàn)為合金體積上的縮減，用體收縮率（單位體積的百分收縮量）表示。減，用體收縮率（單位體積的百分收縮量）表示。它它們是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的根本原因。們是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的根本原因。p固態(tài)收縮固態(tài)收縮 通常直接表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減小，可用線收縮通常直接表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減小，可用線收縮率（單位長度的百分收縮

5、量表示）。率（單位長度的百分收縮量表示）。固態(tài)收縮是鑄件固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的根本原因。產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的根本原因。三、三、鑄件中的縮孔和縮松鑄件中的縮孔和縮松o 在合金冷卻和凝固過程中，若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補(bǔ)足，則在鑄件的最后凝固部位會(huì)形成一些孔洞。o 按照孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類。其中容積較大的孔洞叫縮孔，細(xì)小且分散的孔叫縮松。 o 危害：使力學(xué)性能下降；因滲漏而報(bào)廢。 縮孔三、三、鑄件中的縮孔和縮松鑄件中的縮孔和縮松 （1）縮孔）縮孔 縮孔是容積較大而集中的孔洞。通縮孔是容積較大而集中的孔洞。通常隱藏在鑄件上部或最后凝固的部位。其外形

6、特常隱藏在鑄件上部或最后凝固的部位。其外形特征為倒錐形，內(nèi)表面不光滑。逐層凝固的合金產(chǎn)征為倒錐形，內(nèi)表面不光滑。逐層凝固的合金產(chǎn)生縮孔的傾向較大。生縮孔的傾向較大。 （2）縮松）縮松o 縮松分布于鑄件的軸線區(qū)域、厚大部位或澆口附縮松分布于鑄件的軸線區(qū)域、厚大部位或澆口附近（縮孔的下方）的細(xì)小而分散的孔洞。近（縮孔的下方）的細(xì)小而分散的孔洞。 p 糊狀凝糊狀凝固的合金固的合金縮孔傾向縮孔傾向小，但極小，但極易產(chǎn)生縮易產(chǎn)生縮松。松。（3）防止縮孔和縮松措施）防止縮孔和縮松措施 o 定向（順序）凝固：定向（順序）凝固： 采取一定措施，先使鑄件上遠(yuǎn)采取一定措施，先使鑄件上遠(yuǎn)離冒口或澆注部位凝固，然后使

7、靠近冒口部位凝固，離冒口或澆注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。最后冒口本身凝固。使先凝固的收縮量由后凝固的液使先凝固的收縮量由后凝固的液體補(bǔ)充，最后將縮孔轉(zhuǎn)移至冒口中體補(bǔ)充，最后將縮孔轉(zhuǎn)移至冒口中 。安放冷鐵 當(dāng)僅靠鑄件頂部的冒口補(bǔ)縮，難以保證鑄件底部厚大部位不出現(xiàn)縮孔時(shí)。應(yīng)在該厚大部位設(shè)置冷鐵，以加快其冷卻速度，使其最先凝固，以實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固。 實(shí)現(xiàn)定向凝固方法 合理安放冒口 實(shí)現(xiàn)定向凝固方法 設(shè)置補(bǔ)貼設(shè)置補(bǔ)貼 對于一些壁厚均勻的鑄件，對于一些壁厚均勻的鑄件，如圖所示，采用頂部設(shè)冒口和如圖所示，采用頂部設(shè)冒口和底部安放冷鐵的工藝措施后，底部安放冷鐵的工藝措施后，也

8、難以保證其垂直壁上不出現(xiàn)也難以保證其垂直壁上不出現(xiàn)縮孔和縮松。因此，需在其立縮孔和縮松。因此，需在其立壁上增加補(bǔ)貼，即一個(gè)楔形厚壁上增加補(bǔ)貼，即一個(gè)楔形厚度，使其形成一個(gè)從下而上遞度，使其形成一個(gè)從下而上遞增的溫度梯度，才能實(shí)現(xiàn)該鑄增的溫度梯度，才能實(shí)現(xiàn)該鑄件的順序凝固。件的順序凝固。 n定向凝固的缺點(diǎn)：定向凝固的缺點(diǎn)：一、冒口浪費(fèi)金屬；一、冒口浪費(fèi)金屬；二、鑄件內(nèi)應(yīng)力大，易于變形和開裂。二、鑄件內(nèi)應(yīng)力大，易于變形和開裂。 n應(yīng)用：應(yīng)用： 主要用于必需補(bǔ)縮的地方。如鑄鋼、高牌號(hào)主要用于必需補(bǔ)縮的地方。如鑄鋼、高牌號(hào)灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和黃銅等。灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和黃銅等。 對于形

9、成糊狀凝固的合金一般不采用此工藝對于形成糊狀凝固的合金一般不采用此工藝方法。方法。第三節(jié)第三節(jié) 鑄件內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋鑄件內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋一、鑄造內(nèi)應(yīng)力一、鑄造內(nèi)應(yīng)力 鑄件在凝固之后的冷卻過程中，由于各鑄件在凝固之后的冷卻過程中，由于各部分體積變化不一致，彼此制約引起的應(yīng)力為部分體積變化不一致，彼此制約引起的應(yīng)力為鑄造內(nèi)應(yīng)力。鑄造內(nèi)應(yīng)力。o 按應(yīng)力產(chǎn)生的原因，鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力和機(jī)按應(yīng)力產(chǎn)生的原因，鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩種。械應(yīng)力兩種。 1. 熱應(yīng)力熱應(yīng)力o 熱應(yīng)力是指因鑄件壁厚不均勻或各部分冷卻速度不同，致使鑄件各部分的收縮不同步而引起的應(yīng)力。p 鑄件厚、大部分或心部受拉應(yīng)力（+）

10、，薄壁或表層受壓應(yīng)力（-）。熱應(yīng)力產(chǎn)生過程熱應(yīng)力產(chǎn)生過程 當(dāng)鑄件處于高溫階段（t0-t1）時(shí)，兩桿都處于塑性狀態(tài)，盡管此時(shí)兩桿的冷速不同、收縮也不同步，但瞬時(shí)的應(yīng)力可通過塑性變形來自行消失，在鑄件內(nèi)無應(yīng)力產(chǎn)生（圖a） ； 繼續(xù)冷卻，冷速較快的桿II進(jìn)入彈性狀態(tài)，粗桿I仍然處于塑性狀態(tài)（t1-t2），此時(shí)由于細(xì)桿II的冷速較快、收縮較大，所以細(xì)桿II會(huì)受到拉伸，粗桿I會(huì)受到壓縮（圖b），形成暫時(shí)內(nèi)應(yīng)力， 但此內(nèi)應(yīng)力很快因粗桿I發(fā)生了微量的受壓塑性變形而自行消失（圖c）； 當(dāng)進(jìn)一步冷至更低溫度時(shí)（t2-t3），兩桿均進(jìn)入了彈性狀態(tài)，此時(shí)由于兩桿的溫度不同、冷卻速度也不同，所以二者的收縮也不同步，粗

11、桿I的溫度較高，還要進(jìn)行較大的收縮，細(xì)桿II的溫度較低，收縮已趨于停止，因此粗桿I的收縮必定受到細(xì)桿II的阻礙，于是桿II受壓縮，桿I受拉伸（圖d），直到室溫 。熱應(yīng)力的預(yù)防與消除熱應(yīng)力的預(yù)防與消除o鑄件殘留熱應(yīng)力預(yù)防原則及措施鑄件殘留熱應(yīng)力預(yù)防原則及措施 鑄件殘留熱應(yīng)力預(yù)防原則：減小鑄件各部分間的溫度差，使其均勻冷卻. 具體措施： 設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使鑄件壁厚均勻 生產(chǎn)上，“同時(shí)凝固同時(shí)凝固”o殘留熱應(yīng)力的消除方法：殘留熱應(yīng)力的消除方法： 去應(yīng)力退火 同時(shí)凝固的具體工藝同時(shí)凝固的具體工藝是將內(nèi)澆口開在鑄件的薄是將內(nèi)澆口開在鑄件的薄壁處，再在鑄件厚壁處放壁處，再在鑄件厚壁處放置冷鐵。置冷鐵。 同時(shí)凝固的原則可降同時(shí)凝固的原則可降低鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和低鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的傾向；只是鑄件的裂紋的傾向；只是鑄件的心部會(huì)產(chǎn)生縮孔或縮松缺心部會(huì)產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷。陷。 同時(shí)凝固原則只用于同時(shí)凝固原則只用于普通灰鑄鐵和錫青銅鑄件普通灰鑄鐵和錫青銅鑄件的生產(chǎn)。的生產(chǎn)。同時(shí)凝固減少鑄造內(nèi)應(yīng)力同時(shí)凝固減少鑄造內(nèi)應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力o機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力 鑄件的固態(tài)收縮受鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的鑄件的固態(tài)收縮受鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的應(yīng)力。應(yīng)力。它是暫時(shí)的它是暫時(shí)的。o防止措施是改善鑄型和型芯的退讓性防止措施是改善鑄型和型芯的退讓性。二、二、 鑄件的變形鑄件的變形