熱加工工藝--鑄造

1、復(fù)旦大學(xué)四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院School of Manufacturing Science and Engineering 四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛高檔高檔6缸小轎車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)缸小轎車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛高檔高檔6缸小轎車的發(fā)動機(jī)殼體缸小轎車的發(fā)動機(jī)殼體熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛核電泵殼核電泵殼熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛?cè)龒{三峽700MW機(jī)組的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體機(jī)組的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛自由鍛件自由鍛件大型鍛件大型鍛件熱加工工藝熱加工工藝楊

2、剛楊剛核電汽輪機(jī)半轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子核電汽輪機(jī)半轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛1100MW核電半速轉(zhuǎn)子核電半速轉(zhuǎn)子熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛焊接機(jī)器人及焊件焊接機(jī)器人及焊件熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛奧運(yùn)鳥巢奧運(yùn)鳥巢奧運(yùn)鳥巢焊接順序示意圖奧運(yùn)鳥巢焊接順序示意圖熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛不同規(guī)格鋁合金不同規(guī)格鋁合金/不銹鋼管高頻感應(yīng)釬焊接頭件不銹鋼管高頻感應(yīng)釬焊接頭件熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸離心復(fù)合大型軋輥離心復(fù)合大型軋輥大型柴油機(jī)機(jī)體鑄件大型柴油機(jī)機(jī)體鑄件鎂合金管接頭鎂合金管接頭熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛汽車發(fā)動機(jī)搖臂工作示意圖汽車發(fā)動機(jī)搖臂工作示

3、意圖汽車發(fā)動機(jī)的搖臂鑲塊汽車發(fā)動機(jī)的搖臂鑲塊熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛薄膜生產(chǎn)線上卷芯輥用定位套薄膜生產(chǎn)線上卷芯輥用定位套塑料薄膜生產(chǎn)線塑料薄膜生產(chǎn)線熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛金屬液態(tài)成形金屬液態(tài)成形(鑄造鑄造)（第一篇）（第一篇）金屬塑性成形金屬塑性成形(鍛造鍛造)（第二篇）（第二篇）金屬連接成形金屬連接成形(焊接焊接)（第三篇）（第三篇）熱加工工藝熱加工工藝熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛課程簡介p本課程是研究工程材料和機(jī)械制造的基礎(chǔ)課程，也是了解機(jī)器零件常用材料和加工方法的綜合性課程p本課程是高等工科院校材料成型專業(yè)必修的技術(shù)基礎(chǔ)課，主要學(xué)習(xí)鑄造、鍛造、焊接相關(guān)的工藝?yán)碚?、工藝方法和基礎(chǔ)

4、知識p本課程是培養(yǎng)材料成型專業(yè)高層次工程技術(shù)人才、高層次復(fù)合人才和構(gòu)建多學(xué)科知識結(jié)構(gòu)的重要課程熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛教學(xué)安排p學(xué) 時：32 p學(xué) 分：2p周 次：9-16p成績計算：n平時成績（平時成績（1515）n結(jié)業(yè)考試（結(jié)業(yè)考試（8585）n考試方式：閉考試方式：閉 卷卷熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛金屬液態(tài)成形將液態(tài)金屬澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，待其冷卻凝固后，以獲得毛坯或零件的工藝方法，亦稱鑄造金屬液態(tài)成形示意圖金屬液態(tài)成形示意圖一第一章 金屬液態(tài)成形基礎(chǔ)第一篇第一篇 金屬液態(tài)成形金屬液態(tài)成形鑄造鑄造熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛適合做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯對材料的

5、適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制成本低，原材料來源廣泛，價格低廉，一般不需要昂貴的設(shè)備是某些塑性很差的材料(如鑄鐵等)制造毛坯或零件的唯一成型工藝液態(tài)成形優(yōu)點(diǎn)熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛工藝過程比較復(fù)雜，工序較多，一些工藝過程還難以控制液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形低液態(tài)成形缺點(diǎn)勞動條件較差，勞動強(qiáng)度較大熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛常用金屬材料黑色金屬有色金屬粉末冶金鑄 鋼鑄 鐵銅及銅合金鋁及鋁合金硬 質(zhì) 合 金粉末高速鋼熱加

6、工工藝熱加工工藝楊剛楊剛液態(tài)成形零件(鑄件)合金的鑄造性能液態(tài)合金充型能力鑄件的凝固與收縮合金的鑄造缺陷 氣孔 應(yīng)力、變形和裂紋縮孔和縮松 熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛砂型鑄造砂型鑄造(產(chǎn)量占90%以上)特種鑄造特種鑄造鑄造分類鑄造分類金屬型鑄造熔模鑄造離心鑄造壓力鑄造熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛砂型鑄造過程熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛液態(tài)合金的鑄造性能是指合金在鑄造成形過程中，獲得外形正確、內(nèi)部無缺陷鑄件的性能合金的鑄造性能是選擇鑄造金屬材料、確定鑄造工藝方案、進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)合金的流動性合金的流動性合金的收縮性合金的收縮性合金的吸氣性合金的吸氣性合金的偏析性合金的偏析性合金的鑄造性能

7、合金的鑄造性能第一節(jié) 液態(tài)合金的鑄造性能熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰、形狀完整的成型件的能力流動性 簡而言之簡而言之 液態(tài)合金本身的流動能力！液態(tài)合金本身的流動能力！一、液態(tài)合金的流動性熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛流動性不良流動性不良澆不足澆不足冷冷 隔隔夾夾 砂砂氣氣 孔孔夾夾 渣渣流動性的決定因素流動性的決定因素合金流動性鑄型的性質(zhì)澆注的條件鑄件的結(jié)構(gòu)流動性優(yōu)良流動性優(yōu)良 容易澆注出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的零件容易澆注出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的零件 有利于夾雜物和氣體的上浮與排除有利于夾雜物和氣體的上浮與排除 有利于補(bǔ)縮有利于補(bǔ)縮澆不足澆不足 冷隔現(xiàn)象冷

8、隔現(xiàn)象熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 合金的流動性用澆注螺旋形試樣的方法來衡量 將合金液澆入鑄型中，冷凝后測量充滿型腔的試樣長度 澆出的試樣越長，合金的流動性越好，合金的充型能力就越好合金流動性的測定方法出氣口澆口杯熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛澆注的螺旋形試樣的截面為等截面的梯形，試樣上隔50mm長度有一個凸點(diǎn)，便于計量長度熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛鑄鐵的流動性鑄鋼的流動性鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差 0.45%C 鑄鋼：200 4.30%C 鑄鐵：1800鑄鋼和鑄鐵流動性的比較熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛合金流動性的影響因素合金種類合金種類合金不同，流動性不同化學(xué)成分化學(xué)成分成分不同的合金

9、具有不同的 結(jié)晶特點(diǎn)，流動性也不同結(jié)晶特性結(jié)晶特性恒溫下結(jié)晶，流動性較好； 兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動性較差合金流動性合金流動性的影響因素的影響因素?zé)峒庸すに嚐峒庸すに嚄顒倵顒偛煌N類合金流動性的比較不同種類合金流動性的比較1）合金的種類。合金的熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、粘度等物理性能影響流動性。熔點(diǎn)越高，熱導(dǎo)率越大，粘度越大，其流動性越差合金種類鑄型種類澆注溫度/螺旋線長度/鑄鐵 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 鑄鋼 wC=0.4% 鋁硅合金（硅鋁明） 鎂

10、合金（含Al和Zn） 錫青銅(wSn10%，wZn2%) 硅黃銅（wSi=1.5%4.5%） 砂型 砂型 金屬型/300 砂型 砂型 砂型 1600 1640 680720 700 1040 1100 100 200 700800 400600 420 1000 熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛流動性與含碳量的關(guān)系流動性與含碳量的關(guān)系亞共晶鑄鐵隨含碳量的增加，結(jié)晶溫度范圍減小，流動性提高2）合金的成分。同種合金，成分不同，其結(jié)晶特點(diǎn)不同，流動性也不同熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛結(jié)晶特性對流動性的影響結(jié)晶特性對流動性的影響3）結(jié)晶的特性純金屬和共晶合金在恒溫下結(jié)晶，為逐層凝固方式，凝固層表面光滑，阻

11、力小，流動性好(如圖a所示)；共晶合金熔點(diǎn)最低，流動性最好亞共晶合金，為中間凝固方式，復(fù)雜枝晶阻礙流動，流動性差(如圖b所示)熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛澆注澆注條件條件澆注溫度充型壓力澆注系統(tǒng)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時間長，充型能力強(qiáng)液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大, 充型能力越強(qiáng)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動阻力越大，充型能力越差澆注條件對流動性的影響熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 澆注溫度高，液態(tài)金屬在鑄型中保持液態(tài)的時間長，可改善合金的流動性(薄壁鑄件)；澆注溫度過高，鑄件易產(chǎn)生氣孔、縮孔、縮松、粘砂等缺陷 生產(chǎn)中常采

12、用“高溫出爐、低溫澆注”的原則 灰鑄鐵澆注溫度為1200-1380；鑄鋼為1520-1620；鋁合 金為680-780。薄壁復(fù)雜件取上限溫度值，厚件則取下限 熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 常采取加高直澆道、擴(kuò)大內(nèi)澆道截面、增設(shè)出氣孔、烘干鑄型等工藝，以延長液態(tài)合金的流動時間，改善鑄型的填充條件熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛鑄型溫度鑄型溫度不能過高鑄型蓄熱系數(shù)鑄型蓄熱系數(shù)從金屬中吸取熱量并儲存的能力鑄型發(fā)氣和透氣能力鑄型發(fā)氣和透氣能力澆鑄時產(chǎn)生的氣體能在金屬液與鑄型間形成氣膜，減小摩擦阻力，有利于充型。若發(fā)氣能力過強(qiáng)而透氣能力差時，澆鑄速度太快則型腔中的氣體壓力增大，充型能力減弱充填條件對流動性的

13、影響熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 折算厚度：折算厚度：折算厚度也稱當(dāng)量厚度或模數(shù)，是鑄件體積與鑄件表面積之比折算厚度越大，熱量散失越慢，充型能力就越好鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填，而大平面鑄件則不易成形 復(fù)雜程度：復(fù)雜程度：鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力就越大，鑄型的充填就越困難鑄件結(jié)構(gòu)對流動性的影響熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 液態(tài)金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，從結(jié)晶學(xué)的角度，就是原子由無序排列經(jīng)過生核、核心長大成為規(guī)則排列的晶體的過程，因此合金凝固又稱一次結(jié)晶得到的凝固組織稱為鑄態(tài)組織，其晶粒形態(tài)、大小、分布、缺陷等取決于成分、冷卻速度、形核條件等二、液態(tài)金屬的凝固熱加工工藝熱加工工藝

14、楊剛楊剛鑄件斷面上的溫度分布曲線稱為鑄件鑄件的溫度場的溫度場（右圖所示的T曲線是某圓柱形鑄件的溫度場）熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛鑄件的凝固過程在鑄件的凝固過程中，其截面一般存在三個區(qū)域液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄鑄件的凝固方式依據(jù)凝固區(qū)的寬窄進(jìn)行劃分鑄件的凝固方式逐層凝固糊狀凝固中間凝固熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛逐層凝固：逐層凝固：純金屬和共晶成分合金，不存在凝固區(qū)糊狀凝固：糊狀凝固：結(jié)晶溫度范圍很寬的合金，不存在固相區(qū)中間凝固：中間凝固：介于逐層凝固和糊狀凝固之間a)逐層凝固b)中間凝固c)糊狀凝固熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛逐層凝固時，合

15、金的充型能力強(qiáng)，便于防止縮孔和縮松，可獲得致密的鑄件，如灰鑄鐵、鋁硅合金糊狀凝固時，充型能力差，易產(chǎn)生縮松，難以獲得致密鑄件。如球鐵、錫青銅、鋁銅合金的凝固，需采取適當(dāng)工藝進(jìn)行補(bǔ)縮大多數(shù)合金均為中間凝固方式熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛合金的結(jié)晶溫度范圍 合金的結(jié)晶溫度范圍越小，凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固。在鐵碳合金中普通灰鑄鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固鑄件的溫度梯度 在合金結(jié)晶溫度范圍一定的前提下，凝固區(qū)的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度差 若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其凝固區(qū)相應(yīng)由寬變窄影響凝固的主要因素?zé)峒庸すに嚐峒庸すに嚄顒倵顒偤辖鸬氖湛s體收縮率%100VVVV鑄件鑄件鑄型體

16、收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因 線收縮率%100LLLL鑄件鑄件鑄型線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因 合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來許多困難，會造成許多鑄造缺陷，如縮孔、縮松、裂紋、變形等通常用體收縮率或線收縮率來表示三、液態(tài)金屬的收縮熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛合金收縮的三個階段合金收縮的三個階段合金的收縮過程熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛合金合金收縮收縮固態(tài)合金冷卻固態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮液態(tài)收縮凝固收縮凝固收縮縮孔縮孔恒溫下結(jié)晶恒溫下結(jié)晶縮松縮松兩相區(qū)

17、結(jié)晶兩相區(qū)結(jié)晶線收縮線收縮裂紋裂紋變形變形應(yīng)力應(yīng)力熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 液態(tài)收縮(澆注溫度-液相線) 凝固收縮 (液相線-結(jié)晶結(jié)束) 固態(tài)收縮 (結(jié)晶結(jié)束-室溫)特點(diǎn)：體積收縮； 澆注溫度升 高，液態(tài)收縮增加 特點(diǎn)：體積收縮；結(jié)晶溫度范 圍增大，凝固收縮增加 特點(diǎn)：線收縮；只引起鑄件外 部尺寸變化，用線收縮 率表示熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛1）液態(tài)收縮 澆注溫度越高，收縮系數(shù)越大，液態(tài)收縮率增加。液態(tài)時的體積收縮僅表現(xiàn)為型腔內(nèi)液面的降低，可以從澆注系統(tǒng)中獲得液體補(bǔ)充，以保持型腔充滿。澆注溫度應(yīng)控制在高于液相線溫度50-1502）凝固收縮 合金在液相線和固相線之間凝固階段的收縮；由狀態(tài)

18、改變和溫度下降兩部分組成。結(jié)晶溫度范圍越大，凝固收縮率越大。在凝固階段如果合金的體積收縮得不到及時補(bǔ)充，則會形成縮孔和縮松液態(tài)收縮和凝固收縮都使合金體積減小，表現(xiàn)為鑄型內(nèi)液面的降低，這兩個階段的收縮是鑄件中產(chǎn)生縮孔或縮松的基本原因熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛3）固態(tài)收縮 指合金從固相線溫度冷卻到常溫時的收縮，通常直接表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減小，用線收縮率表示。固態(tài)收縮是鑄件中產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的主要原因熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛鑄型條件鑄型條件鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)澆注溫度澆注溫度化學(xué)成分化學(xué)成分（c含量）含量）合金收縮合金收縮影響收縮的因素?zé)峒庸すに嚐峒庸すに嚄顒倵顒傝T件結(jié)構(gòu)和鑄型鑄件在鑄型中不

19、是自由收縮，而是限制收縮化學(xué)成分在常用鑄造合金中，鑄鋼的收縮最大，灰鑄鐵最小熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛液態(tài)合金在凝固過程中，若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)足，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞按孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松 縮孔縮孔四、縮孔與縮松熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛縮孔產(chǎn)生原因合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值，且得不到補(bǔ)償收縮值，且得不到補(bǔ)償出現(xiàn)部位出現(xiàn)在鑄件最后凝固區(qū)域，即熱節(jié)區(qū)域，在鑄件最后凝固區(qū)域，即熱節(jié)區(qū)域，用畫圓方法確定用畫圓方法確定形成條件金屬在恒溫或很窄的溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，金屬在恒溫或很窄的溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，鑄件

20、壁成逐層凝固方式鑄件壁成逐層凝固方式熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛縮孔形成過程示意圖縮孔形成過程示意圖熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛v合金的液態(tài)收縮和凝固收縮越大，澆注溫度越高，鑄件的壁越厚，縮孔的容積就越大v縮孔多集中在鑄件最后凝固的部位，其特征是形狀不規(guī)則，多數(shù)呈倒錐形，內(nèi)表面粗糙v純金屬和共晶成分合金易形成縮孔熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛縮孔出現(xiàn)的部位階梯形試塊階梯形試塊熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛判斷縮孔出現(xiàn)的方法熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛縮松v縮松形成的基本原因是液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，主要出現(xiàn)在呈糊狀凝固方式的合金中或斷面較大的鑄件壁中，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達(dá)，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致v縮松大多分布在鑄件中心軸線處、熱節(jié)處、冒口根部、內(nèi)澆口附近或縮孔下方熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛熱加工工藝熱加工工藝楊剛楊剛 合金成分：共晶點(diǎn)附近的合金易形成縮孔，反之易形成縮松 澆注條件：合金的澆注