第12講-鑄造工藝基礎(chǔ)

1、1第二講 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1 液態(tài)合金的充型2.2 鑄件的凝固與收縮2.3 鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋充充 型型液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程充型能力充型能力液態(tài)合金充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力液態(tài)合金充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力流動(dòng)性流動(dòng)性液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力影響充型能力的因素影響充型能力的因素1 1、合金的流動(dòng)性、合金的流動(dòng)性合金的主要鑄合金的主要鑄造性能之一造性能之一出氣口出氣口澆口杯澆口杯在相同的澆注工藝條在相同的澆注工藝條件下，將金屬液澆入件下，將金屬液澆入鑄型中，測(cè)出其實(shí)際鑄型中，測(cè)出其實(shí)際螺旋線(xiàn)長(zhǎng)度。澆出的螺旋

2、線(xiàn)長(zhǎng)度。澆出的試樣愈長(zhǎng)，合金的流試樣愈長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性愈好動(dòng)性愈好灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性最好，鑄鋼最差性最好，鑄鋼最差螺旋形流動(dòng)性試樣螺旋形流動(dòng)性試樣 合金的流動(dòng)性越好合金的流動(dòng)性越好充型能力就越強(qiáng)，越容易充型能力就越強(qiáng)，越容易澆出輪廓清晰的、薄而復(fù)澆出輪廓清晰的、薄而復(fù)雜的零件雜的零件同時(shí)有利于非金屬夾同時(shí)有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮雜物和氣體的上浮合金的流動(dòng)性越差合金的流動(dòng)性越差鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔和夾雜等缺陷氣孔和夾雜等缺陷 合金流動(dòng)性的決定因素合金流動(dòng)性的決定因素1 1）具有共晶成分的合金、純金屬流動(dòng)性好）具有共晶成分的合金、純金屬

3、流動(dòng)性好化學(xué)成分化學(xué)成分結(jié)晶在恒結(jié)晶在恒溫下進(jìn)行溫下進(jìn)行2 2）合金成分愈遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)，結(jié)晶）合金成分愈遠(yuǎn)離共晶點(diǎn)，結(jié)晶溫度范圍愈寬，流動(dòng)性愈差溫度范圍愈寬，流動(dòng)性愈差流動(dòng)性提高流動(dòng)性提高亞共晶鑄鐵隨亞共晶鑄鐵隨含碳量增加含碳量增加結(jié)晶溫度范圍減小結(jié)晶溫度范圍減小PbSb20406080204060800流動(dòng)性（流動(dòng)性（cm）100200300溫度溫度（）0合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的結(jié)晶特點(diǎn)結(jié)晶特點(diǎn) a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動(dòng)性（cm）100200300溫度（）0a）b）鑄鑄鋼鋼的的

4、流流動(dòng)動(dòng)性性鑄鐵的流動(dòng)性鑄鐵的流動(dòng)性結(jié)論結(jié)論：合金流動(dòng)性越強(qiáng)，充型能力越高：合金流動(dòng)性越強(qiáng)，充型能力越高設(shè)計(jì)零件時(shí)，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚薄的設(shè)計(jì)零件時(shí)，尤其是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、壁厚薄的鑄件，一定要選流動(dòng)性好的合金鑄件，一定要選流動(dòng)性好的合金2 2、澆注條件、澆注條件1 1）澆注溫度）澆注溫度澆注溫澆注溫度越高度越高合金的粘合金的粘度下降度下降合金在鑄合金在鑄型中流動(dòng)型中流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)充型能力強(qiáng)充型能力強(qiáng)澆注溫度過(guò)高澆注溫度過(guò)高鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔、粗鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔、粗晶等缺陷晶等缺陷薄壁件或流動(dòng)性差的合金可適當(dāng)提高澆注溫度薄壁件或流動(dòng)性差的合金可適當(dāng)提高澆注溫度2 2）充型壓力）充型壓

5、力壓力越大壓力越大充型能力愈好充型能力愈好壓力鑄造、低壓鑄造和離心鑄造的充型能力比砂型鑄造強(qiáng)壓力鑄造、低壓鑄造和離心鑄造的充型能力比砂型鑄造強(qiáng)3 3、鑄型填充條件、鑄型填充條件1 1）鑄型材料）鑄型材料導(dǎo)熱系數(shù)越大導(dǎo)熱系數(shù)越大合金的充型能力越差合金的充型能力越差2 2）鑄型溫度）鑄型溫度鑄型溫度越高鑄型溫度越高合金的充型能力越強(qiáng)合金的充型能力越強(qiáng)3 3）鑄型中氣體）鑄型中氣體鑄型排氣能力差鑄型排氣能力差阻礙液態(tài)合金的充型阻礙液態(tài)合金的充型金屬型鑄造較砂型鑄造容易產(chǎn)生澆不足和冷隔等缺陷。金屬型鑄造較砂型鑄造容易產(chǎn)生澆不足和冷隔等缺陷。1、鑄件的凝固方式、鑄件的凝固方式合金在凝固過(guò)程中，一般存在三

6、個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)、液相區(qū)合金在凝固過(guò)程中，一般存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)、液相區(qū)ab1)1)逐層凝固逐層凝固 2) 2) 糊狀凝固糊狀凝固 3) 3) 中間凝固中間凝固 表層表層中心中心t鑄件固相線(xiàn)固相線(xiàn)液相線(xiàn)液相線(xiàn)成分成分溫度溫度表層表層中心中心t鑄件液液固固液液c表層表層中心中心St鑄件溫度溫度液相線(xiàn)液相線(xiàn)固固凝固區(qū)abc1)1)逐層凝固逐層凝固凝固區(qū)不明顯凝固區(qū)不明顯2)2)糊狀凝固糊狀凝固凝固區(qū)很寬凝固區(qū)很寬3)3)中間凝固中間凝固凝固區(qū)介于凝固區(qū)介于1 1、2 2之間之間逐層凝固逐層凝固合金的充型合金的充型能力強(qiáng)能力強(qiáng)便于防止縮孔和縮松便于防止縮孔和縮松糊狀凝固糊狀凝固難

7、以獲得結(jié)晶緊實(shí)的鑄件難以獲得結(jié)晶緊實(shí)的鑄件在常用合金中，灰鑄鐵、鋁硅合金等傾向于逐層凝固在常用合金中，灰鑄鐵、鋁硅合金等傾向于逐層凝固球墨鑄鐵、錫青銅、鋁銅合金等傾向于糊狀凝固，為獲球墨鑄鐵、錫青銅、鋁銅合金等傾向于糊狀凝固，為獲得緊實(shí)鑄件常需采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧员阊a(bǔ)縮或減小得緊實(shí)鑄件常需采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，以便補(bǔ)縮或減小其凝固區(qū)域其凝固區(qū)域2、鑄造合金的收縮、鑄造合金的收縮收收 縮縮合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫，其體積合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象或尺寸縮減的現(xiàn)象合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段：合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段：1)1)液態(tài)收縮液態(tài)收縮2)2)凝固收縮凝固收

8、縮3)3)固態(tài)收縮固態(tài)收縮從澆注溫度到凝固開(kāi)始溫度間的收縮從澆注溫度到凝固開(kāi)始溫度間的收縮 從凝固開(kāi)始溫度到凝固終止間的收縮從凝固開(kāi)始溫度到凝固終止間的收縮從凝固終止溫度到室溫間的收縮從凝固終止溫度到室溫間的收縮體積的體積的收縮收縮尺寸的尺寸的縮減縮減收縮是合金收縮是合金的物理本性的物理本性體收縮率是鑄件產(chǎn)生體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔縮孔或縮松或縮松的根本原因的根本原因線(xiàn)收縮率是鑄件產(chǎn)生線(xiàn)收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋應(yīng)力、變形和裂紋的的根本原因根本原因3、鑄件中縮孔與縮松、鑄件中縮孔與縮松1)1)縮孔與縮松的形成縮孔與縮松的形成縮孔縮孔集中在鑄件上部或最后凝固部位容積較大的孔洞集中在鑄件上部或

9、最后凝固部位容積較大的孔洞合金的液態(tài)收縮和凝固收縮愈大、澆注溫度愈高、合金的液態(tài)收縮和凝固收縮愈大、澆注溫度愈高、鑄件愈厚，縮孔的容積愈大鑄件愈厚，縮孔的容積愈大縮松縮松分散在鑄件某區(qū)域分散在鑄件某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔內(nèi)的細(xì)小縮孔縮松縮松分散在鑄件某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔分散在鑄件某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔形成原因形成原因鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)足，或因鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)足，或因?yàn)楹辖鸪屎隣钅?，被?shù)枝狀晶體分隔開(kāi)的小為合金呈糊狀凝固，被樹(shù)枝狀晶體分隔開(kāi)的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所至液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所至逐層凝固合金逐層凝固合金糊狀凝固合金糊狀凝固合金縮孔傾向大縮孔傾向大縮孔傾向小縮孔傾向小縮

10、松傾向小縮松傾向小縮松傾向大縮松傾向大17華鑄縮孔模擬結(jié)果演示華鑄縮孔模擬結(jié)果演示2 2、防止縮孔和縮松的措施、防止縮孔和縮松的措施均使鑄件力均使鑄件力學(xué)性能下降學(xué)性能下降1 1） 選擇合適的合金成分選擇合適的合金成分2 2） 工藝措施工藝措施獲得沒(méi)有縮孔的致密鑄件獲得沒(méi)有縮孔的致密鑄件選用近共晶成分或結(jié)晶選用近共晶成分或結(jié)晶溫度范圍較窄的合金溫度范圍較窄的合金定向凝固定向凝固就是在鑄件上可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位通過(guò)安就是在鑄件上可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位通過(guò)安放冒口等工藝措施，使鑄件遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，然放冒口等工藝措施，使鑄件遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，然后靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固后靠近冒

11、口部位凝固，最后冒口本身凝固目的目的鑄件各個(gè)部位的收縮都能得到補(bǔ)充，而將鑄件各個(gè)部位的收縮都能得到補(bǔ)充，而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中，最后予以清除縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中，最后予以清除措施措施安放冒口安放冒口在工件厚大部位增設(shè)冷鐵在工件厚大部位增設(shè)冷鐵暗冒口冷鐵熱節(jié)定向凝固的缺點(diǎn)定向凝固的缺點(diǎn)1)1)加大鑄件的成本加大鑄件的成本2)2)擴(kuò)大了鑄件各部分的溫度差擴(kuò)大了鑄件各部分的溫度差促進(jìn)了鑄件的變促進(jìn)了鑄件的變形和開(kāi)裂傾向形和開(kāi)裂傾向主要用于要求補(bǔ)縮的場(chǎng)合主要用于要求補(bǔ)縮的場(chǎng)合定向凝固的應(yīng)用定向凝固的應(yīng)用鋁青銅、鋁硅合鋁青銅、鋁硅合金、鑄鋼件等金、鑄鋼件等鑄造內(nèi)應(yīng)力鑄造內(nèi)應(yīng)力鑄件在凝固收縮時(shí)，受到阻礙，內(nèi)部形

12、鑄件在凝固收縮時(shí)，受到阻礙，內(nèi)部形成的應(yīng)力成的應(yīng)力1)1)熱應(yīng)力熱應(yīng)力由于鑄件的壁厚不均勻、各部分的冷卻速度由于鑄件的壁厚不均勻、各部分的冷卻速度不同，使得在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不不同，使得在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的應(yīng)力一致而引起的應(yīng)力熱應(yīng)力熱應(yīng)力的形成的形成鑄造內(nèi)應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因鑄造內(nèi)應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因熱熱應(yīng)應(yīng)力力的的形形成成1 1）鑄件的各部分截面積差越大，產(chǎn)生的應(yīng)力差越大；）鑄件的各部分截面積差越大，產(chǎn)生的應(yīng)力差越大；2 2）當(dāng)厚大部分進(jìn)入彈性狀態(tài)時(shí)（即凝固后），厚薄部）當(dāng)厚大部分進(jìn)入彈性狀態(tài)時(shí)（即凝固后），厚薄部分溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)

13、力越大；分溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大；3 3）冷卻慢的部分，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力；冷卻快的）冷卻慢的部分，殘余應(yīng)力為拉應(yīng)力；冷卻快的部分，殘余熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。部分，殘余熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。4 4）由此可見(jiàn)，熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，由此可見(jiàn)，熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。鑄件的壁厚差越大、合金的線(xiàn)薄壁或表層受壓縮。鑄件的壁厚差越大、合金的線(xiàn)收縮率愈高、彈性模量愈大，熱應(yīng)力越大收縮率愈高、彈性模量愈大，熱應(yīng)力越大。同時(shí)凝固原則同時(shí)凝固原則熱應(yīng)力的預(yù)防措施熱應(yīng)力的預(yù)防措施盡量減少鑄件各個(gè)部位間的溫盡量減少鑄件各個(gè)部位間的溫度差，使其均勻冷卻度差，使其均勻冷卻優(yōu)優(yōu) 點(diǎn)點(diǎn)同時(shí)凝固可減

14、少鑄造內(nèi)應(yīng)力，防止鑄件的變形和裂紋同時(shí)凝固可減少鑄造內(nèi)應(yīng)力，防止鑄件的變形和裂紋缺陷，同時(shí)可免設(shè)冒口而省工省料缺陷，同時(shí)可免設(shè)冒口而省工省料缺缺 點(diǎn)點(diǎn)鑄件心部容易出現(xiàn)縮孔或縮松鑄件心部容易出現(xiàn)縮孔或縮松應(yīng)應(yīng) 用用主要用于灰鑄鐵、錫青銅等主要用于灰鑄鐵、錫青銅等錫青銅傾向于糊錫青銅傾向于糊狀凝固，采用定狀凝固，采用定向凝固也難消除向凝固也難消除縮松縮松冷鐵2)2)機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力由于合金的固態(tài)收縮受到鑄型或由于合金的固態(tài)收縮受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力型芯的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生暫時(shí)性機(jī)械應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生暫時(shí)性的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力上型上型下型下型落砂后隨著產(chǎn)

15、生彈性變形而消失，為臨時(shí)應(yīng)力落砂后隨著產(chǎn)生彈性變形而消失，為臨時(shí)應(yīng)力有殘余應(yīng)力的鑄件有殘余應(yīng)力的鑄件變形變形減緩內(nèi)應(yīng)力減緩內(nèi)應(yīng)力不穩(wěn)定不穩(wěn)定穩(wěn)定狀態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)它在鑄件冷卻過(guò)程中可與熱它在鑄件冷卻過(guò)程中可與熱應(yīng)力共同起作用，增大了某應(yīng)力共同起作用，增大了某些部位的應(yīng)力，促進(jìn)了鑄件些部位的應(yīng)力，促進(jìn)了鑄件的裂紋傾向的裂紋傾向1)1)鑄件設(shè)計(jì)時(shí)盡量使鑄件的壁厚均勻、形狀對(duì)稱(chēng)鑄件設(shè)計(jì)時(shí)盡量使鑄件的壁厚均勻、形狀對(duì)稱(chēng)2)2)在鑄造工藝上應(yīng)采用同時(shí)凝固原則，以便均勻冷卻在鑄造工藝上應(yīng)采用同時(shí)凝固原則，以便均勻冷卻3)3)對(duì)長(zhǎng)而容易變形的鑄件，可采用對(duì)長(zhǎng)而容易變形的鑄件，可采用“反變形反變形”工藝工藝+-4)

16、4)對(duì)于不允許發(fā)生變形的重要機(jī)件必須進(jìn)行時(shí)效處理對(duì)于不允許發(fā)生變形的重要機(jī)件必須進(jìn)行時(shí)效處理當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，將產(chǎn)生裂紋極限時(shí)，將產(chǎn)生裂紋裂紋裂紋熱裂熱裂冷裂冷裂1)1)熱熱 裂裂在高溫下形成的裂紋在高溫下形成的裂紋特特 征征縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色合金的線(xiàn)收縮是在完全凝固之前便開(kāi)始，此時(shí)固態(tài)合合金的線(xiàn)收縮是在完全凝固之前便開(kāi)始，此時(shí)固態(tài)合金已形成完整的骨架，但晶粒之間還存有少量液體，金已形成完整的骨架，但晶粒之間還存有少量液體，故強(qiáng)度、塑性甚低，若機(jī)械應(yīng)力超過(guò)了該溫度下合金故強(qiáng)度、塑性甚低，若機(jī)械應(yīng)力超過(guò)了該溫度下合金的強(qiáng)度，便發(fā)生熱裂的強(qiáng)