第一節(jié) 金屬液態(tài)成形原理

1、第一節(jié)第一節(jié) 金屬液態(tài)成形原理金屬液態(tài)成形原理一一 鑄件的凝固鑄件的凝固 1 1、凝固：合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。原子由無序排列凝固：合金從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。原子由無序排列 有序排列。有序排列。2 2、 鑄件的溫度場鑄件的溫度場( (梯度梯度) )及凝固區(qū)域及凝固區(qū)域: :1)1)鑄件的溫度場鑄件的溫度場( (梯度梯度):):鑄件橫斷面上鑄件橫斷面上( (截面上截面上) )的溫度分布曲線的溫度分布曲線. .2)2)鑄件的凝固區(qū)域鑄件的凝固區(qū)域: :鑄件凝固過程中鑄件凝固過程中, ,其斷面上一般分為三個區(qū)其斷面上一般分為三個區(qū): : 11固相區(qū)固相區(qū) 22凝固區(qū)凝固區(qū) 33液相區(qū)液相區(qū) 3

2、) 中間凝固中間凝固 大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間.3、 凝固方式凝固方式:對凝固區(qū)影響較大的是凝固區(qū)的寬窄對凝固區(qū)影響較大的是凝固區(qū)的寬窄,依此劃分凝固方依此劃分凝固方式。式。1) 逐層凝固逐層凝固: 純金屬純金屬,共晶成分合金在凝固過程中沒有凝固區(qū)共晶成分合金在凝固過程中沒有凝固區(qū),斷面液斷面液,固兩相由一條界限清楚分開固兩相由一條界限清楚分開,隨溫度下降隨溫度下降,固相層不斷增固相層不斷增加加,液相層不斷減少液相層不斷減少,直達(dá)中心。直達(dá)中心。 2) 糊狀凝固糊狀凝固 合金結(jié)晶溫度范圍很寬或溫度梯度很小的鑄件合金結(jié)晶溫度范圍很寬或溫

3、度梯度很小的鑄件,在凝固在凝固某段時間內(nèi)某段時間內(nèi),鑄件表面不存在固體層鑄件表面不存在固體層,凝固區(qū)貫穿整個斷凝固區(qū)貫穿整個斷面面,先糊狀先糊狀,后固化后固化.鑄件的溫度梯度鑄件的溫度梯度, 凝固區(qū)域及凝固方式凝固區(qū)域及凝固方式（a）逐層凝固逐層凝固（b）中間凝固中間凝固 溫度表層中心固液溫度表層中心固液溫度表層中心固液溫度表層中心固液 4 4、影響或影響或決定決定鑄件凝固方式的因素鑄件凝固方式的因素 1) 1) 合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍 范圍小范圍小: : 凝固區(qū)窄凝固區(qū)窄, ,愈傾向于逐層凝固愈傾向于逐層凝固 如如: : 砂型鑄造砂型鑄造, ,鑄鐵鑄鐵, ,低碳鋼低碳鋼 逐層凝

4、固逐層凝固, , 高碳鋼高碳鋼 糊狀糊狀凝固凝固 2) 2) 鑄件斷面的溫度梯度或溫度場分布變化鑄件斷面的溫度梯度或溫度場分布變化 合金結(jié)晶溫度范圍一定時合金結(jié)晶溫度范圍一定時, ,凝固區(qū)寬度取決于鑄件內(nèi)外凝固區(qū)寬度取決于鑄件內(nèi)外層的溫度梯度層的溫度梯度. . 溫度梯度愈小溫度梯度愈小, ,凝固區(qū)愈寬凝固區(qū)愈寬.(.(內(nèi)外溫差大內(nèi)外溫差大, ,冷卻快冷卻快, ,凝固凝固區(qū)窄區(qū)窄) ) 二二 液態(tài)合金的充型能力液態(tài)合金的充型能力 充型充型: : 液態(tài)合金填充鑄型的過程液態(tài)合金填充鑄型的過程. . 充型能力充型能力: : 液態(tài)合金充滿鑄型型腔液態(tài)合金充滿鑄型型腔, ,獲得形狀完整獲得形狀完整, ,

5、輪廓清晰的鑄件的能力輪廓清晰的鑄件的能力 若充型能力不足若充型能力不足，易產(chǎn)生易產(chǎn)生: : 1 1）澆不足澆不足: : 不能得到完整的零件不能得到完整的零件. . 2 2）冷隔）冷隔: :沒有完整融合的縫隙或凹坑沒有完整融合的縫隙或凹坑, , 機(jī)械性能下機(jī)械性能下降降. . 一）一） 合金的流動性合金的流動性 合金流動性合金流動性: :是指熔融金屬是指熔融金屬( (液態(tài)金屬液態(tài)金屬) )本身的流動能力本身的流動能力，是金屬本身的屬性是金屬本身的屬性。1 1 測定流動性的方法測定流動性的方法: : 以螺旋形試件的長度來測定以螺旋形試件的長度來測定: : 如如 灰口鐵灰口鐵: :澆鑄溫度澆鑄溫度

6、13001300， 試件長試件長1800mm.1800mm.鑄鋼鑄鋼: 1600: 1600，100mm100mm2 2 影響流動性的因素影響流動性的因素 主要是化學(xué)成分主要是化學(xué)成分: :1) 1) 純金屬流動性好純金屬流動性好: :一定溫度下結(jié)晶一定溫度下結(jié)晶, ,凝固層表面平滑凝固層表面平滑, ,對對液流阻力小液流阻力小 ；2) 2) 共晶成分流動性好共晶成分流動性好: :恒溫凝固恒溫凝固, ,固體層表面光滑固體層表面光滑, ,且熔點(diǎn)且熔點(diǎn)低低, ,過熱度大；過熱度大；3)3) 非共晶成分流動性差非共晶成分流動性差: : 結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行, ,初生初生樹枝

7、狀晶阻礙液流樹枝狀晶阻礙液流 。常用鑄造合金中，鑄鐵的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。常用鑄造合金中，鑄鐵的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。 碳鋼隨著結(jié)晶溫碳鋼隨著結(jié)晶溫度范圍的增加而度范圍的增加而流動性變差；亞流動性變差；亞共晶鑄鐵隨含碳共晶鑄鐵隨含碳量的增加流動性量的增加流動性提高。提高。二二) )澆注條件澆注條件 1 1 澆注溫度澆注溫度: t : t 合金粘度下降合金粘度下降, ,過熱度高過熱度高. . 合金在鑄件中保持合金在鑄件中保持流動的時間長流動的時間長, , t t 提高充型能力提高充型能力. . 但過高但過高, ,易產(chǎn)生縮孔易產(chǎn)生縮孔, ,粘砂粘砂, ,氣孔等氣孔等, ,故不故不

8、宜過高宜過高 2 2 充型壓力充型壓力: : 液態(tài)合金在流動方向上所受的壓力液態(tài)合金在流動方向上所受的壓力 充型能力充型能力 如如 砂形鑄造砂形鑄造-直澆道直澆道, ,靜壓力靜壓力. . 壓力鑄造壓力鑄造, ,離心鑄造等充型壓力離心鑄造等充型壓力高高. . 三三) ) 鑄型條件鑄型條件 1 1 鑄型導(dǎo)熱能力鑄型導(dǎo)熱能力: : 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 金屬降溫快金屬降溫快, ,充充 如金屬型如金屬型 2 2 鑄型溫度鑄型溫度: t : t 充充 如金屬型預(yù)熱如金屬型預(yù)熱 3 3 鑄型中氣體鑄型中氣體: : 排氣能力排氣能力 充充 減少氣體來源減少氣體來源, ,提高透氣性。提高透氣性。 少量氣體在鑄型與金屬液之

9、間形成一層氣膜少量氣體在鑄型與金屬液之間形成一層氣膜, ,減少流動阻力減少流動阻力, ,有利有利于充型于充型. .2 2 鑄件復(fù)雜程度：鑄件復(fù)雜程度： 鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力大，鑄鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力大，鑄 型的充填就困難。型的充填就困難。四四) ) 鑄件結(jié)構(gòu)條件鑄件結(jié)構(gòu)條件1 1 折算厚度：折算厚度也叫當(dāng)量厚度或鑄件模數(shù)，折算厚度：折算厚度也叫當(dāng)量厚度或鑄件模數(shù)， 為鑄件體積與表面積之比。為鑄件體積與表面積之比。 折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好；折算折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好；折算 厚度越小則越不易充滿。在設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)時，鑄厚度越小則越不易充滿。在設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)時，鑄 件的壁

10、厚必須大于規(guī)定的最小允許壁厚值。件的壁厚必須大于規(guī)定的最小允許壁厚值。鑄型結(jié)構(gòu)鑄型結(jié)構(gòu): 若不合理若不合理,如鑄型壁厚小如鑄型壁厚小, 直澆口低直澆口低, 澆口小等澆口小等 充充.鑄件的最小允許壁厚：鑄件的最小允許壁厚： 三三 鑄件的收縮鑄件的收縮1 1、合金的收縮、合金的收縮 液態(tài)合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中液態(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)象體積和尺寸減少的現(xiàn)象-.-.是鑄件許多缺陷是鑄件許多缺陷( (縮孔縮孔, ,縮縮松松, ,裂紋裂紋, ,變形變形, ,殘余應(yīng)力殘余應(yīng)力) )產(chǎn)生的基本原因產(chǎn)生的基本原因. . 收縮的幾個階段收縮的幾個階段 1)

11、1) 液態(tài)收縮液態(tài)收縮（T澆澆 T液液） : : 從金屬液澆入鑄型到開從金屬液澆入鑄型到開始凝固之前始凝固之前. . 液態(tài)收縮減少的體積與澆注溫度至開始液態(tài)收縮減少的體積與澆注溫度至開始凝固的溫度的溫差成正比凝固的溫度的溫差成正比. . 2) 2) 凝固收縮凝固收縮（T液液 T固固）: : 從凝固開始到凝固完畢從凝固開始到凝固完畢. . 同一類合金同一類合金, ,凝固溫度范圍大者凝固溫度范圍大者, ,凝固體積收縮率大凝固體積收縮率大. .如如: 35: 35鋼鋼, ,體積收縮率體積收縮率3.0%, 453.0%, 45鋼鋼 4.3%4.3%。3)3) 固態(tài)收縮固態(tài)收縮（T固固 T室室） : :

12、 凝固以后到常溫凝固以后到常溫. . 固固態(tài)體積收縮直觀表現(xiàn)為鑄件各方向線尺寸的縮小，影態(tài)體積收縮直觀表現(xiàn)為鑄件各方向線尺寸的縮小，影響鑄件尺寸精度及形狀的準(zhǔn)確性響鑄件尺寸精度及形狀的準(zhǔn)確性, ,故用線收縮故用線收縮率率表示表示. .影響收縮的因素影響收縮的因素 主要受化學(xué)成分影響主要受化學(xué)成分影響: : 鑄鐵中促進(jìn)石墨形成的元素增鑄鐵中促進(jìn)石墨形成的元素增加加, ,收縮減少收縮減少. . 如如: : 灰口鐵灰口鐵 C, Si,C, Si,收收.這是由于石墨比容大這是由于石墨比容大, ,體積膨脹體積膨脹, ,抵銷部分凝固收縮抵銷部分凝固收縮. . 所以常用合金中，鑄鋼收縮率最大，灰鑄鐵收縮率最

13、所以常用合金中，鑄鋼收縮率最大，灰鑄鐵收縮率最?。ㄏ马摫砀瘢?。?。ㄏ马摫砀瘢?。2、 鑄件的收縮鑄件的收縮鑄件的收縮要比合金的收縮復(fù)雜得多。不但和合金成鑄件的收縮要比合金的收縮復(fù)雜得多。不但和合金成分及溫度有關(guān)，還與鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)有關(guān)。分及溫度有關(guān)，還與鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)有關(guān)。 四四 合金鑄件的收縮缺陷及防止合金鑄件的收縮缺陷及防止一）凝固一）凝固收縮缺陷收縮缺陷-縮孔和縮松及防止縮孔和縮松及防止:1 . 縮孔及縮松的形成1)縮孔： 液體金屬澆注到鑄型中后，經(jīng)過液態(tài)收縮和凝固收液體金屬澆注到鑄型中后，經(jīng)過液態(tài)收縮和凝固收縮，體積會縮減。若其收縮得不到液體金屬的及時補(bǔ)充，則在縮，體積會縮減。若

14、其收縮得不到液體金屬的及時補(bǔ)充，則在鑄件最后凝固部位形成孔洞，這種孔洞稱為縮孔鑄件最后凝固部位形成孔洞，這種孔洞稱為縮孔.縮孔是容積較大而集中的孔洞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通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)表面不光滑固的部位。其外形特征為倒錐形，內(nèi)表面不光滑. .假設(shè)下面圓柱體鑄件假設(shè)下面圓柱體鑄件是逐層凝固：是逐層凝固：圓柱體鑄件中縮孔形成示意圖 縮孔形成示意圖澆口2）縮松 縮松是分散在鑄件最后凝固部位的細(xì)小縮孔。形成原因：由于結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，先析出的枝晶把液體分隔開，使其收縮難以得到補(bǔ)充所致。形成過程如下圖?？s松一般

15、分布于鑄件的軸線區(qū)域、厚大部位或澆口附近。 宏觀縮松（肉眼可見）多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松（顯微鏡下可見）則是存在于在晶粒之間的微小孔洞。就是采取一定措施，使鑄件按規(guī)定的方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。 冒口和冷鐵的合理使用，可造成鑄件按次序凝固，有效地消除縮孔、縮松。冒口冒口 儲存補(bǔ)縮用金屬液的儲存補(bǔ)縮用金屬液的“水庫水庫”。冷鐵冷鐵 用來控制鑄件凝固順序的激冷物，加大某一部分得冷卻速度。用用來控制鑄件凝固順序的激冷物，加大某一部分得冷卻速度。用鑄鐵、鋼或銅制成。鑄鐵、鋼或銅制成。順序凝固特點(diǎn)順序凝固特點(diǎn): 開設(shè)冒口補(bǔ)縮。缺點(diǎn)：一是冒口浪費(fèi)金屬；開設(shè)冒口補(bǔ)縮。缺點(diǎn)：一是冒口浪

16、費(fèi)金屬；二是鑄件內(nèi)應(yīng)力大，易于變形和開裂。主要用于凝固收縮二是鑄件內(nèi)應(yīng)力大，易于變形和開裂。主要用于凝固收縮大，凝固溫度范圍較寬的合金或壁厚差別較大的合金鑄件。大，凝固溫度范圍較寬的合金或壁厚差別較大的合金鑄件。如鑄鋼、高牌號灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和黃銅等。如鑄鋼、高牌號灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和黃銅等。2 2）同時凝固）同時凝固: :采用厚壁處放置冷鐵，薄壁處開澆口等工藝措施使鑄件各部分溫度均勻，在同一時間內(nèi)凝固。同時凝固特點(diǎn)同時凝固特點(diǎn): :不需冒口，節(jié)約金屬且工藝簡單；鑄件均不需冒口，節(jié)約金屬且工藝簡單；鑄件均勻冷卻，減小熱應(yīng)力勻冷卻，減小熱應(yīng)力, ,不易形成內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋等缺

17、不易形成內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷，但心部縮松有時難以避免陷，但心部縮松有時難以避免, ,故用于收縮小的合金和各故用于收縮小的合金和各種合金的薄壁鑄件。種合金的薄壁鑄件。如灰鑄鐵，錫青銅，鋁硅合金等。如灰鑄鐵，錫青銅，鋁硅合金等。（1）這是由于薄壁鑄件的鑄型冷卻作用強(qiáng)，薄壁斷面溫）這是由于薄壁鑄件的鑄型冷卻作用強(qiáng)，薄壁斷面溫度梯度大，傾向于逐層凝固。因此收縮小的灰鑄鐵可消除度梯度大，傾向于逐層凝固。因此收縮小的灰鑄鐵可消除縮孔，獲得致密鑄件；而收縮較大的薄壁鑄鋼、有色合金縮孔，獲得致密鑄件；而收縮較大的薄壁鑄鋼、有色合金鑄件會出現(xiàn)軸線縮松，但其表層組織致密。鑄件會出現(xiàn)軸線縮松，但其表層組織致密。

18、 （2）錫青銅，鋁硅合金等凝固溫度范圍較寬的合金，傾）錫青銅，鋁硅合金等凝固溫度范圍較寬的合金，傾 向于糊狀凝固，用順序凝固也難以消除縮松，采用向于糊狀凝固，用順序凝固也難以消除縮松，采用 冷鐵（或金屬型鑄造）及同時凝固原則，可保證其冷鐵（或金屬型鑄造）及同時凝固原則，可保證其 表層組織致密。表層組織致密。二）二） 固態(tài)收縮缺陷固態(tài)收縮缺陷-鑄造內(nèi)應(yīng)力及其引起的變形和裂紋及防止鑄造內(nèi)應(yīng)力及其引起的變形和裂紋及防止:（塑彈性臨界轉(zhuǎn)變溫度）+t0t1:t1t2：t2t3：1）熱應(yīng)力：）熱應(yīng)力：熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，收縮不一致而引起的

19、應(yīng)力。度不同，收縮不一致而引起的應(yīng)力。 a) ta) t0 0 t t1 1: :凝固開始凝固開始, ,粗粗 細(xì)處都為塑性狀態(tài)細(xì)處都為塑性狀態(tài), ,無內(nèi)應(yīng)力無內(nèi)應(yīng)力 兩桿冷速不同兩桿冷速不同, ,細(xì)桿快細(xì)桿快, ,收縮大收縮大,受粗桿限制受粗桿限制, , 不能自由收縮不能自由收縮, ,相對被拉長相對被拉長, ,粗桿相對被壓縮粗桿相對被壓縮, ,結(jié)果結(jié)果 兩桿等量收縮兩桿等量收縮. . b) tb) t1 1 t t2 2: : 細(xì)桿冷速大細(xì)桿冷速大, ,先進(jìn)入彈性階段先進(jìn)入彈性階段, ,而粗桿仍為塑性階段而粗桿仍為塑性階段, ,隨細(xì)桿收縮發(fā)生塑性收縮隨細(xì)桿收縮發(fā)生塑性收縮, ,無應(yīng)力無應(yīng)力.

20、. c) tc) t2 2 t t3 3: : 細(xì)桿收縮先停止細(xì)桿收縮先停止, ,粗桿繼續(xù)收縮粗桿繼續(xù)收縮, ,壓迫細(xì)桿壓迫細(xì)桿, ,而細(xì)桿又而細(xì)桿又阻止粗桿的收縮阻止粗桿的收縮, ,至室溫至室溫, , 粗桿受拉應(yīng)力粗桿受拉應(yīng)力(+),(+),細(xì)桿受壓應(yīng)力細(xì)桿受壓應(yīng)力(-)(-)。 由此可見由此可見, ,各部分的溫差越大各部分的溫差越大, ,熱應(yīng)力也越大熱應(yīng)力也越大, ,冷卻較慢的部分形成冷卻較慢的部分形成拉應(yīng)力拉應(yīng)力, ,冷卻較快的部分形成壓應(yīng)力冷卻較快的部分形成壓應(yīng)力. . 上型下型機(jī)械應(yīng)力是暫時應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力是暫時應(yīng)力, ,是拉應(yīng)力。是拉應(yīng)力。2）機(jī)械應(yīng)力：）機(jī)械應(yīng)力：合金的線收縮受到鑄型

21、、型芯、澆冒系統(tǒng)的合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的 機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用, ,可能使某些部位增加了裂紋傾向可能使某些部位增加了裂紋傾向. .3）減小鑄造應(yīng)力的措施：）減小鑄造應(yīng)力的措施：薄處設(shè)澆口薄處設(shè)澆口,厚處放冷鐵。厚處放冷鐵。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn): 省冒口省冒口,省工省工,省料。省料。 缺點(diǎn)缺點(diǎn): 心部易出現(xiàn)縮孔或縮松心部易出現(xiàn)縮孔或縮松,應(yīng)用于灰鑄鐵、錫青銅，應(yīng)用于灰鑄鐵、錫青銅，因灰鑄鐵縮孔、縮松傾向小，錫青銅糊狀凝固，用順因灰鑄鐵縮孔、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序凝固也難以有效地消除其顯微縮松 。2 2、鑄件的變形與防止、鑄件的變形與防止 1 1）鑄件的變形鑄件的變形鑄件有通過自由