金屬液態(tài)成型一理論基礎(chǔ)

1、金屬液態(tài)成型一理論基礎(chǔ)第1頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三6.1 合金的液態(tài)成型工藝?yán)碚摶A(chǔ)一. 凝固方式 金屬的液態(tài)成型實(shí)際上就是熔融金屬在鑄型中的凝固過(guò)程。第2頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三三種凝固方式逐層凝固：純金屬或共晶成分的合金是恒溫凝固，凝固區(qū)寬度幾乎為零，凝固前沿清楚地將液、固相分開(kāi)，由表層逐層向中心凝固。 糊狀凝固：合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分布較為平坦，凝固時(shí)，鑄件表面并不存在固體層，而液、固并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面，先呈糊化而后再固化。 中間凝固：多數(shù)合金的凝固介于兩者之間，為中間凝固方式。 第3頁(yè)，共32頁(yè)，

2、2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三三種凝固方式示意圖 鑄件質(zhì)量與其凝固方式密切相關(guān)。一般，逐層凝固時(shí)，合金的充型能力強(qiáng)，便于防止縮孔和縮松；糊狀凝固，則難以獲得結(jié)晶緊密的鑄件。第4頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三影響凝固方式的因素合金的結(jié)晶溫度范圍 合金的結(jié)晶溫度范圍愈小,凝固區(qū)愈窄，愈傾向于逐層凝固；反之，則傾向于糊狀凝固。鑄件的溫度梯度 當(dāng)合金成分已確定，凝固區(qū)的寬窄，取決于其內(nèi)外層的溫度梯度。鑄件的溫度梯度愈大，凝固區(qū)愈窄，愈傾向于逐層凝固。鑄件的溫度梯度愈小， 凝固區(qū)愈寬，愈傾向于糊狀凝固。第5頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期

3、三二. 合金的充型能力合金在液態(tài)成型過(guò)程中表現(xiàn)出的工藝性能稱為鑄造性能。它包括液態(tài)合金的充型能力，合金的凝固與收縮、鑄造應(yīng)力與裂紋，吸氣與偏析等。液態(tài)合金填充鑄型型腔的過(guò)程稱為充型。充型能力是使液態(tài)金屬充滿型腔并使鑄件形狀完整、輪廓清晰的能力。它首先與合金本身的流動(dòng)性有關(guān)，同時(shí)澆注條件、鑄形填充條件、鑄件結(jié)構(gòu)等對(duì)充型能力也有影響。第6頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三1.合金的流動(dòng)性（1）慨念： 指液態(tài)金屬的流動(dòng)能力，在鑄造過(guò)程中即表現(xiàn)為液態(tài)金屬充填鑄型的能力。合金流動(dòng)性的大小，通常以螺旋形試樣的長(zhǎng)度來(lái)衡量。合金的流動(dòng)性愈好，充型能力愈強(qiáng)，流動(dòng)性良好時(shí)，不僅易于鑄造出輪

4、廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件，而且有助于合金在鑄型中收縮時(shí)得到補(bǔ)充，有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除。若流動(dòng)性不足，則鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、縮孔、氣孔、夾渣等缺陷。第7頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三（）影響流動(dòng)性的因素合金的種類 不同合金，其澆注溫度和凝固溫度范圍均不相同。 如： 鑄鐵 導(dǎo)熱性差，不易散熱，凝固慢，流動(dòng)性好； 鑄鋼 熔點(diǎn)高，散熱快，凝固快，流動(dòng)性差；鋁合金 導(dǎo)熱性好，散熱快，流動(dòng)性差；等等。第8頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三合金的成分 不同成分的鑄造合金主要是由于其結(jié)晶特點(diǎn)的不同而影響其流動(dòng)性的。 純金屬及共晶

5、合金在恒溫下結(jié)晶，結(jié)晶時(shí)液態(tài)金屬?gòu)谋韺又饘酉蛑行哪?，?duì)金屬液的流動(dòng)阻力小，流動(dòng)性好。 其它合金的結(jié)晶是在一定溫度范圍內(nèi)凝固，固態(tài)的樹(shù)枝狀晶體對(duì)金屬液的流動(dòng)阻力大，流動(dòng)性差。第9頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三2.澆注條件（1）澆注溫度 澆注溫度愈高，合金的粘度下降，金屬液的流動(dòng)阻力減?。磺乙蜻^(guò)熱度高，金屬液的流動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，所以流動(dòng)性好。 但澆注溫度過(guò)高，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔等缺陷。因此在保證足夠流動(dòng)性的前提下，澆注溫度不易過(guò)高。通常遵循“高溫出爐，低溫澆注”的原則。通?；诣T鐵的澆注溫度為12001380；鑄鋼的澆注溫度為15201620；鋁合金的澆注溫度為

6、680780； 形狀復(fù)雜或薄壁件取上限。第10頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三（2）澆注壓力 液態(tài)合金在流動(dòng)方向上所受到的壓力越大，充型能力愈好。3.鑄型特點(diǎn)（1）鑄型蓄熱能力（鑄型從熔融合金中吸收和傳遞熱量的能力）（2）鑄型溫度（3）鑄型結(jié)構(gòu)（4）鑄型中的氣體 總之，鑄型中凡能增加金屬流動(dòng)阻力、降低流速、加快冷卻速度的因素，均能降低合金的流動(dòng)性；反之，則可提高合金的流動(dòng)性。第11頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三三. 合金的收縮性能1.合金收縮的概念 液態(tài)合金在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)過(guò)程中所發(fā)生的體積和尺寸減小的現(xiàn)象叫做收縮。 收縮是鑄件中許多缺

7、陷（如：縮孔、縮松、熱裂、應(yīng)力、變形和裂紋）等產(chǎn)生的基本原因。第12頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三合金收縮的三個(gè)階段液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮金屬液溫度下降，液面降低，液態(tài)金屬體積減小。（與澆注溫度有關(guān)）液態(tài)金屬凝固，體積顯著減小。（與合金結(jié)晶的溫度范圍有關(guān)）固態(tài)金屬繼續(xù)冷卻，體積減小。一般直接表現(xiàn)為鑄件外型尺寸的變小。 合金的總收縮為上述三種收縮的總和。其中液態(tài)收縮和凝固收縮形成鑄件的縮孔和縮松，固態(tài)收縮使鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋。 第13頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三液態(tài)收縮時(shí)，合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度。（體收縮）凝固收縮時(shí)，合

8、金從液相線溫度冷卻到固相線溫度。（體收縮）固態(tài)收縮時(shí)，合金從固相線溫度冷卻到室溫。 （線收縮）合金的收縮量可用體收縮率和線收縮率來(lái)表示。體收縮率：?jiǎn)挝惑w積的變化量。線收縮率：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的變化量。第14頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三2.影響合金收縮的因素（1）化學(xué)成分 不同種類的合金，收縮率不同；同類合金，化學(xué)成分不同，收縮率也不同。C、Si：強(qiáng)烈促進(jìn)鑄鐵石墨化，鑄鐵體收縮減 ??；S：強(qiáng)烈阻礙鑄鐵石墨化，鑄鐵收縮增大；Mn：可抵消對(duì)S 石墨化的阻礙作用，適量的 Mn 可使鑄鐵收縮減小。第15頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三（2）澆注溫度 合金的

9、澆鑄溫度越高，過(guò)熱度越大，液態(tài)收縮也越大，總收縮也越大。因此在滿足足夠流動(dòng)性的前提下，盡量采用低的澆注溫度。遵循“ 高溫出爐，低溫澆鑄 ”的原則。（3）鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件 由于鑄件各部分冷速不同，鑄型和型芯對(duì)鑄件收縮的阻力，因此鑄件的實(shí)際線收縮率比合金自由收縮率小。第16頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三3. 合金收縮造成的鑄造缺陷（1）縮孔與縮松 縮孔與縮松的形成 澆入鑄型的液態(tài)合金在凝固過(guò)程中，若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的部位會(huì)形成空洞，容積大而集中的是縮孔，容積小而分散的是縮松。第17頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20

10、分，星期三 影響縮孔與縮松的因素化學(xué)成分 結(jié)晶溫度范圍越小的合金，產(chǎn)生縮孔的傾向越大； 結(jié)晶溫度范圍越大的合金，產(chǎn)生縮松的傾向越大。澆鑄條件 提高澆鑄溫度，合金的總體積收縮和縮孔傾向增大；澆鑄速度很慢或冒口中不斷補(bǔ)澆合金液，使液態(tài)和凝固收縮及時(shí)得到補(bǔ)償，總體積收縮和縮孔減小。鑄型材料鑄件結(jié)構(gòu) 鑄型材料對(duì)鑄件冷卻速度影響很大。冷卻速度大，凝固區(qū)域變窄，縮松減少。第18頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三 縮孔與縮松的防止控制鑄件的凝固過(guò)程 采用“順序凝固”或“同時(shí)凝固”原則，在鑄件最后凝固地方，設(shè)置冒口來(lái)補(bǔ)縮。第19頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三

11、順序凝固原則適用于收縮大或壁厚差別較大，易產(chǎn)生縮孔的鑄件。其缺點(diǎn)是：鑄件各部分溫差大，會(huì)引起較大的熱應(yīng)力，此外，由于要設(shè)置冒口，增大了金屬的消耗及切除毛口的工作量。同時(shí)凝固原則適用于收縮小或壁厚均勻的薄壁鑄件，采用同時(shí)凝固原則，鑄件熱應(yīng)力小，但在鑄件中心往往產(chǎn)生縮松。對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件，既要避免產(chǎn)生縮孔和縮松，又要減小熱應(yīng)力，防止變形和裂紋，這兩種凝固原則可同時(shí)采用。第20頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三合理應(yīng)用冒口、冷鐵等工藝措施 冒口一般設(shè)置在鑄件厚壁和熱節(jié)部位，尺寸應(yīng)保證比補(bǔ)縮部位晚凝固，并有足夠的金屬液供給，形狀多為園柱形。 冷鐵通常是用鑄鐵、鋼和銅等金屬材料制

12、成的激冷物，與冒口配合，可擴(kuò)大冒口的有效補(bǔ)縮距離。第21頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三（2）鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋 鑄造應(yīng)力：鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力鑄造應(yīng)力的形成熱應(yīng)力：由于鑄件壁厚不均，各部分的冷卻速度不同而導(dǎo)致各部分收縮不一致引起的鑄件內(nèi)部應(yīng)力。第22頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三階段（t0t1）：、桿都處于塑性狀態(tài)，無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生。階段（t1t2）：桿為塑性狀態(tài)，桿為彈性狀態(tài)，無(wú)應(yīng)力產(chǎn)生。階段（t2t3）：、桿都處于彈性狀態(tài)，桿受拉， 桿受壓。機(jī)械應(yīng)力：鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，由于受到鑄型、型芯和澆、冒口等的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的鑄件

13、內(nèi)部應(yīng)力。一般都是拉應(yīng)力。第23頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三減少和消除鑄造應(yīng)力的方法采用“同時(shí)凝固”原則；改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆、冒口等；采用能自由收縮的鑄件結(jié)構(gòu)（形狀簡(jiǎn)單，壁厚均勻）；對(duì)鑄件進(jìn)行時(shí)效處理，消除內(nèi)應(yīng)力。 鑄造應(yīng)力使鑄件的精度和使用壽命大大降低。在存放、加工或使用過(guò)程中鑄件內(nèi)部的殘余應(yīng)力將重新分布，使鑄件發(fā)生變形或裂紋。第24頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三 鑄件的變形與裂紋鑄件的變形 由于鑄件冷卻快的部分受拉應(yīng)力，冷卻慢的部分受壓應(yīng)力，因此，鑄件厚的部分向內(nèi)凹，薄的部分向外凸。如：床身鑄件的變形。 對(duì)厚薄均勻的

14、平板鑄件，中心部位冷卻慢受拉應(yīng)力，周邊受壓應(yīng)力，且上面比下面冷卻快，因此中間向外凸。第25頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三變形的原因：處于應(yīng)力狀態(tài)的鑄件不穩(wěn)定，將通過(guò)變形來(lái)減小內(nèi)應(yīng)力，逐漸趨于穩(wěn)定。防止鑄件變形的方法： 盡量減少鑄件內(nèi)應(yīng)力； 使鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)稱，內(nèi)應(yīng)力互相平衡而不易變形； 采用反變形法以補(bǔ)償鑄件變形； 在鑄件上設(shè)置拉筋來(lái)承受一部分應(yīng)力，待鑄件經(jīng)熱處理后再去掉。第26頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三鑄件的裂紋熱裂產(chǎn)生：凝固末期，金屬的強(qiáng)度和塑性都很低，若鑄件收縮受阻產(chǎn)生的很小應(yīng)力也能超過(guò)該溫度下金屬的強(qiáng)度，即發(fā)生熱裂。熱裂分布在應(yīng)力

15、集中部位或熱節(jié)處。防止：采用合理的鑄件結(jié)構(gòu)；改善鑄型、型芯的 退讓性；內(nèi)澆口設(shè)置應(yīng)符合“同時(shí)凝固”原則；減少硫含量等。第27頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三冷裂產(chǎn)生：在較低的溫度下，由于熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力的綜合作用，使鑄件的應(yīng)力大于金屬的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生冷裂。冷裂往往出現(xiàn)在鑄件受拉應(yīng)力的部位，尤其是應(yīng)力集中處。防止：盡量減小鑄造內(nèi)應(yīng)力；降低材料的脆性，主要是減少S、P的含量；。第28頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三四. 合金的偏析和吸氣性1. 合金的偏析 鑄件凝固時(shí)出現(xiàn)化學(xué)成分、金相組織不均勻的現(xiàn)象稱為合金的偏析。偏析造成了鑄件性能的不均勻，使鑄

16、件整體的機(jī)械性能下降，并影響鑄件的耐蝕性、氣密性和切削加工性。（1）晶內(nèi)偏析：同一個(gè)支晶內(nèi)支桿和支葉的化學(xué)成分不均勻。產(chǎn)生：結(jié)晶溫度范圍較大合金，結(jié)晶時(shí)，熔點(diǎn)較高的成分先結(jié)晶，形成樹(shù)枝晶的枝干，而熔點(diǎn)較低的成分則存于枝叉的空隙內(nèi)或晶界上后結(jié)晶。第29頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三影響： 晶粒內(nèi)機(jī)械性能不均勻，降低使用壽命； 晶粒內(nèi)化學(xué)性能不均勻，降低抗蝕性；消除方法： 使鑄件緩慢冷卻； 對(duì)鑄件進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間高溫?cái)U(kuò)散退火。（2）密度偏析（又稱區(qū)域偏析） ：在凝固過(guò)程 中，先結(jié)晶部分的密度與剩余液體的密度不同，化學(xué)成分不均勻。 消除方法： 澆注時(shí)進(jìn)行攪拌，使各部分密度均勻。第30頁(yè)，共32頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)20分，星期三 2. 吸氣性：合金在熔煉和澆注時(shí)吸收氣體的性能。 氣體在鑄件中形成的的孔洞是氣孔。它破壞了金屬的連續(xù)性，減少了有效承載面積，并且在氣孔附近引起應(yīng)力集中，從而降低了鑄件的機(jī)械性能，尤其是沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度。彌散性氣孔還促使顯微縮松的形成，降低了鑄件的氣密性。（1）侵入氣孔：由砂型表面的氣體侵入金屬液中而形成的