第2講 金屬液態(tài)成型工藝基礎

1、材料成型基礎材料成型基礎 劉志衛(wèi)單位：機械工程學院 機械制造與自動化教研室手機郵箱：安徽理工大學安徽理工大學材料成型基礎材料成型基礎第二講第二講 金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎概述概述課前思考課前思考變速器殼體變速器殼體p 指熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得零件毛坯的成形方法。p 廣義的鑄造：流體-固體p 可鑄之材：金屬、混凝土、石蠟、塑料、石材概述概述金屬液態(tài)成型（鑄造）定義金屬液態(tài)成型（鑄造）定義概述概述各類機械工業(yè)中鑄件質量所占的比率各類機械工業(yè)中鑄件質量所占的比率機械類別機械類別比率比率/ /機床、內燃機、重型機器機床、內燃機、重

2、型機器風機、壓縮機風機、壓縮機拖拉機拖拉機農業(yè)機械農業(yè)機械汽車汽車7070909060608080505070704040707020203030概述概述金屬液態(tài)成型（鑄造）主要工序金屬液態(tài)成型（鑄造）主要工序零件技術要求零件技術要求原材料原材料造型造型熔化熔化控制調整成分控制調整成分澆注澆注凝固凝固出模出模清理、檢驗等清理、檢驗等概述概述哪些可以鑄造？哪些可以鑄造？齒圈退火罩概述概述哪些可以鑄造？哪些可以鑄造？西安秦皇陵出土的銅馬車 古銅錢古代十八般武器和編鐘概述概述哪些可以鑄造？哪些可以鑄造？p 優(yōu)點（1）適應性廣，工藝靈活(材料、大小、形狀不受限制)（2）最適合形狀復雜的箱體、機架、閥體

3、、缸體等（3）成本較低(鑄件與最終零件的形狀相似、尺寸相近)p 主要問題組織疏松、晶粒粗大，鑄件內部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷產(chǎn)生，導致鑄件力學性能下降，特別是沖擊性能較低概述概述鑄造特點鑄造特點概述概述鑄造分類鑄造分類按生產(chǎn)方法按生產(chǎn)方法砂型鑄造特種鑄造按合金按合金鑄鐵鎂合金鑄造鑄鋼銅合金鑄造鋁合金鑄造金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎主要內容主要內容p合金的流動性p合金的收縮p鑄造內應力p鑄件的變形p鑄件的裂紋p合金的吸氣性p鑄件的常見缺陷金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的流動性合金的流動性金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的凝固合金的凝固定義定義：合金從：合金

4、從液態(tài)液態(tài)轉變?yōu)檗D變?yōu)楣虘B(tài)固態(tài)的過程的過程凝固條件凝固條件：只有當體系所處的溫度低于熔點溫度：只有當體系所處的溫度低于熔點溫度( (液相線液相線 溫度溫度) )T Tm m時，才能發(fā)生。時，才能發(fā)生。凝固過程：凝固過程：晶核的形成及晶體的長大。晶核的形成及晶體的長大。凝固方式：凝固方式：逐層凝固，糊狀凝固和中間凝固。逐層凝固，糊狀凝固和中間凝固。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的凝固合金的凝固p逐層凝固：逐層凝固：純金屬或共晶成分合金，凝固過程中液固界限清楚分開。常見有灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁等。p糊狀凝固：糊狀凝固：合金結晶溫度范圍很寬，液固并存，先呈糊狀而后固化。常見

5、有球墨鑄鐵、高碳鋼等合金。 p中間凝固：中間凝固：介于逐層凝固和糊狀凝固之間。常見有中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等。p 熔融合金的流動性流動性液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀和尺寸符合要求的優(yōu)質鑄件的能力，稱為液態(tài)合金的流動性。p 流動性差：鑄件易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔和夾雜等缺陷。p 流動性好：易于充滿型腔，有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和對鑄件進行補縮。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性p 衡量合金流動性：螺旋形流動性試樣p 常用合金：灰鑄鐵、硅黃銅流動性好鑄鋼的流動性最差金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性金屬液態(tài)成

6、型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性* *鑄鐵的流動性鑄鐵的流動性* *鑄鋼的流動性鑄鋼的流動性p 影響合金流動性的影響合金流動性的因素因素（1）化學成分純金屬和共晶成分的合金流動性最好；其它成分的合金結晶溫度區(qū)間越寬，流動性越差。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性Fe-C合金的流動性與含碳量的關系p 影響合金流動性的影響合金流動性的因素因素（1）化學成分純金屬和共晶成分的合金流動性最好；其它成分的合金結晶溫度區(qū)間越寬，流動性越差。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性a）在恒溫下凝固b）在一定溫

7、度范圍內凝固p 影響合金流動性的因素影響合金流動性的因素（2）澆注條件提高澆注溫度和澆注速度合金的流動性增加。澆注溫度：鑄鋼15201620；鑄鐵1230 1450；鋁合金680780。澆注系統(tǒng)和鑄件的結構越復雜，合金在充型時的阻力越大，充型能力下降；提高澆注速度、澆注溫度和增加直澆道的高度會使合金的充型能力提高。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性p 流動性對鑄件質量的影響流動性對鑄件質量的影響金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎熔融合金的流動性熔融合金的流動性改善金屬改善金屬的流動性的流動性加快凝固中液體的補縮加快凝固中液體的補縮排除內部夾雜物和氣體

8、排除內部夾雜物和氣體形成薄壁復雜的鑄件形成薄壁復雜的鑄件有利于有利于金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮p 定義液態(tài)合金在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。收縮能使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、變形和內應力等缺陷。p 合金的收縮經(jīng)歷如下三個階段。（1）液態(tài)收縮：）液態(tài)收縮：T澆澆到到TL（2）凝固收縮：）凝固收縮：TL到到Ts（3）固態(tài)收縮：）固態(tài)收縮：Ts到室到室溫溫金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮p 收縮的概念p 體收縮率：體收縮率：因為合金的液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮減，故常用單位體積收縮量來表示。p 線收縮

9、率：線收縮率：合金的固態(tài)收縮同時還使鑄件在尺寸上減小，因此常用單位長度上的收縮量來表示。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮體收縮率體收縮率：%100 鑄鑄件件鑄鑄件件鑄鑄型型VVVV %100 鑄件鑄件鑄件鑄件鑄型鑄型LLLL 線收縮率線收縮率：金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮鑄件溫度降低鑄件溫度降低澆注溫度澆注溫度室室溫溫凝固終止溫度凝固終止溫度開始凝固溫度開始凝固溫度液態(tài)收縮液態(tài)收縮凝固收縮凝固收縮固態(tài)收縮固態(tài)收縮 體積收縮體積收縮線收縮線收縮p 常用合金：鑄鋼的收縮率最大；灰鑄鐵最小。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工

10、藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮合金種類合金種類體收縮率體收縮率/%線收縮率線收縮率/%碳素鑄鋼碳素鑄鋼1014.51.32.0白口鑄鐵白口鑄鐵12141.52.0灰鑄鐵灰鑄鐵580.71.0p 收縮對鑄件的危害金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮分類分類液態(tài)收縮：產(chǎn)生縮孔液態(tài)收縮：產(chǎn)生縮孔凝固收縮：產(chǎn)生縮孔、縮松凝固收縮：產(chǎn)生縮孔、縮松固態(tài)收縮：產(chǎn)生內應力、裂紋和變形固態(tài)收縮：產(chǎn)生內應力、裂紋和變形p 影響收縮的因素影響收縮的因素化學成分：化學成分不同，收縮率不同。在常用鑄造合金中鑄剛的收縮最大，灰鑄鐵最小。澆注溫度：澆注溫度，收縮率。鑄件結構和鑄型條件：型

11、腔形狀復雜或結構設計不合理，鑄件會因收縮受阻鑄造應力 裂紋。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮p 收縮性對鑄件質量的影響收縮性對鑄件質量的影響收縮率：尺寸愈精確、組織愈致密。收縮率：易產(chǎn)生鑄造缺陷。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮p 鑄件的縮孔和縮松鑄件的縮孔和縮松縮孔和縮松的形成若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補足，則在鑄件的最后凝固部位會形成一些孔洞。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮p 鑄件的縮孔和縮松鑄件的縮孔和縮松p 縮孔形成縮孔：縮孔：大而集中的孔洞大而集中的孔洞部位：部位

12、：鑄件上部或最后凝固的部位。鑄件上部或最后凝固的部位。特征特征：倒錐形，內表面不光滑。倒錐形，內表面不光滑。原因原因體積減小得不到液態(tài)金屬的補充體積減小得不到液態(tài)金屬的補充條件條件：逐層凝固。逐層凝固。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮縮孔形成過程示意圖p 鑄件的縮孔和縮松鑄件的縮孔和縮松p 縮松的形成縮松的形成縮松：縮松：小而分散的縮孔。小而分散的縮孔。部位：部位：鑄件的軸線區(qū)域、厚大部位或澆口附近鑄件的軸線區(qū)域、厚大部位或澆口附近 。特征特征：細小的空洞。細小的空洞。原因：原因：凝固區(qū)域被分割成許多孤立熔池，收縮得不到補充。凝固區(qū)域被分割成許多孤立熔池，收

13、縮得不到補充。條件條件：糊狀凝固。糊狀凝固。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮縮松形成過程示意圖p 鑄件的縮孔和縮松鑄件的縮孔和縮松p 縮孔和縮松的防止顯著降低鑄件的機械性能，造成鑄件滲漏等。防止措施：定向凝固（順序凝固）主要措施：”。冒口：在鑄型內儲存供補縮鑄件用熔融金屬的空腔。作用是冷鐵：定向凝固：使遠離冒口部位最先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固， 冒口本身最后凝固。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮p 鑄件的縮孔和縮松鑄件的縮孔和縮松p 縮孔和縮松的防止金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮

14、順序凝固示意圖p 鑄件的縮孔和縮松p 縮孔和縮松的防止金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的收縮液態(tài)金屬的收縮冷鐵的應用金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力p 鑄造應力鑄件凝固冷卻過程中，若收縮受阻，則會產(chǎn)生鑄造應力。它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力 鑄造應力相變應力熱應力機械應力p 機械應力 固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯等外力阻礙而產(chǎn)生的應力。是暫時的。與熱應力同時作用時，鑄件將產(chǎn)生裂紋。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力p 熱應力細桿、先冷粗桿、后冷細桿、受壓粗桿、受拉表面什么應

15、力？心部什么應力？金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力熱應力的形成+拉應力-壓應力p 熱應力鑄件產(chǎn)生熱應力與變形的規(guī)律： 薄壁：冷得快，受壓應力（凸出）； 厚壁：冷得慢，受拉應力（凹進）。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力p 相變應力鑄件冷卻過程中，有的合金要經(jīng)歷固態(tài)相變，比容發(fā)生變化。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力鋼的各種組織的比容鋼的各種組織的比容鋼的組成相鋼的組成相鐵素體鐵素體滲碳體滲碳體奧氏體奧氏體w w(C)=0.9%(C)=0.9%珠光體珠光體 馬氏體馬氏體比容比容/cm/cm3 3gg-1-10.12710.12

16、710.13040.13040.12750.12750.12860.12860.13100.1310p 鑄造應力金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力p 防止措施盡量使鑄件形狀簡單、對稱、壁厚均勻同時凝固原則：心部會產(chǎn)生縮孔和縮松，用于灰鑄鐵和錫青銅。 可采用時效等方法消除。時效處理可分為自然時效和人工時效。盡量選用線收縮率小、彈性模量小的合金。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄造應力鑄造應力金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的變形鑄件的變形金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的變形鑄件的變形變形：指鑄件的尺寸與圖樣不符的現(xiàn)象。 規(guī)律：厚大受拉易內凹

17、；薄外受壓易外凸。 原因：鑄造應力超過鑄件材料的屈服極限時，產(chǎn)生變形金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的變形鑄件的變形框架鑄件變形示意圖T型梁鑄鋼件變形示意圖播放播放門型梁彎曲平板彎曲p 鑄件的變形及防止壁厚設計均勻、形狀對稱；鑄造工藝上用“同時凝固原則”； 細長易變形件運用“反變形法”；重要件人工時效（去應力退火）加自然時效。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的變形液態(tài)金屬的變形p 鑄件的變形及防止反變形法（Predeformation ）：有效防止變形的產(chǎn)生。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的變形液態(tài)金屬的變形箱體件反變形量方向p 鑄件的變形及防止反

18、變形法（Predeformation ）：有效防止變形的產(chǎn)生。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎液態(tài)金屬的變形液態(tài)金屬的變形箱體件反變形量方向金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的裂紋鑄件的裂紋p裂紋：鑄造內應力超過金屬材料抗拉強度的產(chǎn)物。p分類：根據(jù)產(chǎn)生溫度的不同，分為熱裂和冷裂。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的裂紋鑄件的裂紋p 熱裂（熱裂（Heat Crack） 高溫下的金屬強度很低，應力超過該溫度下金屬的強度，便產(chǎn)生熱裂。鑄鋼件和鋁合金常見缺陷。鑄鋼件和鋁合金常見缺陷。p 特征：特征：裂紋尺寸短、縫隙寬、形狀曲折、縫內呈嚴重氧化色。p 熱裂防止措施熱裂防止措施

19、a合理設計鑄件結構； b改善鑄型和型芯的退讓性； c限制鑄鋼和鑄鐵中的S含量； d選用結晶溫度區(qū)間小的合金。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的裂紋鑄件的裂紋p 冷裂（冷裂（Cold Crack ）低溫形成低溫形成p 特征：特征：表面光滑，具有金屬光澤或呈微氧化色，貫穿整個晶粒，常呈圓滑曲線或直線狀。脆性大、塑性差的合金，如白口鑄鐵、高碳鋼及某些合金鋼，最易產(chǎn)生冷裂紋，大型復雜鑄鐵件也易產(chǎn)生冷裂紋。p 冷裂防止措施冷裂防止措施p a減少鑄造應力；p b降低合金中P的含量；p c去應力退火。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的裂紋鑄件的裂紋金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝

20、基礎合金的吸氣性合金的吸氣性p 合金在熔煉和澆注時吸收氣體的性能稱為吸氣性，如果吸收的氣體不能及時逸出則會導致鑄件產(chǎn)生氣孔缺陷。p 根據(jù)氣體的來源不同，氣孔可以分為侵入氣孔、析出氣孔和反應氣孔三類。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的吸氣性合金的吸氣性p 侵入氣孔原因：原因：侵入性氣孔是由于鑄型表面聚集的氣體侵入金屬液中而形成的孔洞。特征：特征：多位于鑄件的上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔壁光滑，表面有光澤。防止措施：防止措施：降低型砂和型芯的透氣能力，正確設計澆冒口系統(tǒng)。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的吸氣性合金的吸氣性p 析出氣孔析出氣孔p 原因：原因：析出

21、性氣孔是溶解在金屬液中的氣體，在凝固時由金屬液中析出而未能逸出鑄件所產(chǎn)生的氣孔。p 特征：特征：尺寸細小，多而分散，形狀多為圓形、橢圓形或針狀，往往分布于鑄件整個斷面內。p 措施：措施：嚴格控制爐料質量、熔煉操作和澆注工藝金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的吸氣性合金的吸氣性p 反應氣孔反應氣孔原因：原因：澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或熔渣之間因化學反應產(chǎn)生的氣體而形成的氣孔。特征：特征：經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件表面層下1-2mm處，孔內表面光滑，孔徑1-3,mm措施：措施：控制型砂的水分，降低合金液的含氣量，保證冷鐵、型芯干燥、無銹無油污。金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎合金的吸氣性合金的吸氣性金屬液態(tài)成型工藝基礎金屬液態(tài)成型工藝基礎鑄件的常見缺陷鑄件的常見缺陷p 冷隔和澆不足冷隔和澆不足充型能力不足，或充型條件較差，在型腔被填滿之前，金屬液便停止流動，將使鑄件產(chǎn)生澆不足或冷隔缺陷。澆不足澆不足：會使鑄件不能獲得完整的形狀；冷隔時：冷隔時：鑄件雖可獲得完整的外形，但因存有未完全融合的接縫，鑄件的力學性能嚴重受損。金屬