液態(tài)成形基礎(chǔ)4-16

《材料成型工藝基礎(chǔ)》CAI課件金屬的液態(tài)成型(1)2/3/2023第一章金屬的液態(tài)成形§2金屬的液態(tài)成形方法§3液態(tài)金屬成形件的工藝設(shè)計(jì)§4液體金屬成形件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)§1液態(tài)成形理論基礎(chǔ)2/3/2023§1液態(tài)成形理論基礎(chǔ)一、金屬的凝固金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過(guò)程（結(jié)晶）包括形核和長(zhǎng)大兩個(gè)基本過(guò)程（結(jié)晶過(guò)程AVI)1、金屬凝固的概念2/3/20232、鑄件的凝固方式（1）逐層凝固只發(fā)生在純金屬或共晶成分合金（2）糊狀凝固發(fā)生在結(jié)晶溫度范圍很寬的合金（3）中間凝固2/3/20233、影響鑄件凝固方式的主要因素：t液-固t液-固t液-固寬窄逐層凝固糊狀凝固成分固相線液相線Lb（1）合金的結(jié)晶溫度范圍2/3/2023（2）鑄件的溫度梯度T逐層凝固糊狀凝固TT溫度表層中心t鑄件成分固相線液相線L溫度表層中心t鑄件a2/3/2023鑄件的溫度梯度主要取決于：1）鑄造合金的性質(zhì)。如鑄造合金的導(dǎo)熱性愈好、結(jié)晶潛熱愈大，則鑄件均勻溫度的能力愈強(qiáng)，溫度梯度就愈小。2）鑄型的蓄熱能力好，對(duì)鑄件的激冷能力愈強(qiáng)，使鑄件的溫度梯度愈大。3）提高澆注溫度，會(huì)降低鑄型的冷卻能力，從而降低鑄件的溫度梯度。

總之，合金的結(jié)晶溫范圍愈小，鑄件斷面的溫度梯度愈大，鑄件愈傾向于逐層凝固方式，也愈容易鑄造；所以鑄造傾向于糊狀凝固的合金鑄件時(shí)，如錫青銅和球墨鑄鐵等，應(yīng)采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，減小其凝固區(qū)。2/3/2023二、液態(tài)合金的鑄造性能充型能力：液態(tài)合金充滿鑄型型腔的能力主要包括：充型能力、收縮性1、合金的充型能力2/3/2023影響合金充型能力的主要因素（1）合金的流動(dòng)性（液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力）顯然，流動(dòng)性好，充型能力高影響流動(dòng)性的主要因素：合金的種類、合金的成分、雜質(zhì)等1）合金的種類與熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率、粘度等有關(guān)；例鑄鋼2）合金的化學(xué)成分影響規(guī)律：

共晶成分合金的流動(dòng)性最好，遠(yuǎn)離共晶成分合金的流動(dòng)性最差2/3/2023◆共晶成分合金的結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，液態(tài)合金從表層逐層向中心凝固，已結(jié)晶的固體層內(nèi)表面光滑，對(duì)金屬液的流動(dòng)阻力小；非共晶成分合金有液、固兩相共存區(qū)；已結(jié)晶固體層內(nèi)表面粗糙，流動(dòng)阻力大；理由：◆在同樣澆鑄溫度下，共晶成分合金液體的過(guò)熱度大，在液態(tài)時(shí)間長(zhǎng)3）雜質(zhì)熔融合金中出現(xiàn)的固態(tài)夾雜物泥石流2/3/2023鑄鐵和硅黃銅的流動(dòng)性最好，鋁硅合金的次之，鑄鋼的最差。

2/3/2023（2）澆注條件1）澆注溫度t澆t澆充型能力原因：t澆合金粘度內(nèi)摩擦阻力t澆過(guò)熱度流動(dòng)時(shí)間2）充型壓力充型壓力充型能力2/3/20233）鑄型條件（1）鑄型蓄熱能力充型能力充型能力（2）鑄型溫度（3）鑄型中的氣體充型能力4）鑄件結(jié)構(gòu)薄壁、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、大水平面等，充型能力2/3/20232、合金的收縮(1)收縮過(guò)程三階段：(1)液態(tài)收縮從澆注溫度t澆到凝固開始溫度t液間的收縮收縮：鑄造合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫的過(guò)程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象(2)凝固收縮從凝固開始溫度t液到凝固終止溫度t固間的收縮(3)固態(tài)收縮從凝固終止溫度t固到室溫t室間的收縮2/3/2023(2)影響收縮的因素：1)化學(xué)成分碳素鋼，C％↑，凝固收縮↑，固態(tài)收縮↓；灰鑄鐵，C％、Si％↑，收縮率↓；S％↑，收縮率↑2)澆注溫度t澆

t澆↑，液態(tài)收縮↑3)鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件阻礙收縮，↓收縮率2/3/2023三、鑄造性能對(duì)鑄件質(zhì)量的影響（1）縮孔的形成（2）縮松的形成2.鑄件中的縮孔與縮松(Shrinkageanddispersedshrinkage)1.充型能力的影響(effectoffillingabilityoncastings)：充型能力強(qiáng)，有利于獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件；充型能力弱，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣、縮孔等缺陷由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補(bǔ)充而在鑄件內(nèi)部形成的孔洞2/3/2023形狀特征：縮孔容積較大，多呈倒圓錐形縮松分散而細(xì)小凝固方式：逐層凝固合金，易形成縮孔；糊狀凝固合金易形成縮松缺陷部位：縮孔總是出現(xiàn)在鑄件最后凝固的部位，一般在上部基本結(jié)論(conclusions)2/3/2023（3）縮孔與縮松的防止縮孔與縮松的危害：降低鑄件的機(jī)械性能；縮松還降低鑄件的氣密性定向凝固：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，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，爾后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。非常有效的措施：使鑄件實(shí)現(xiàn)定向凝固（順序凝固）2/3/2023利用順序凝固防止縮孔2/3/2023實(shí)現(xiàn)順序凝固的工藝途徑：選擇澆注位置；厚大部位安放冒口；安放冷鐵；2/3/2023定向凝固的不足：（1）浪費(fèi)金屬和工時(shí)，增加成本；（2）易使鑄件產(chǎn)生變形和裂紋；用途：主要用于必須補(bǔ)縮的場(chǎng)合，如鋁青銅、鑄鋼件等。注意：結(jié)晶范圍很寬的合金，補(bǔ)縮效果很差，難以避免顯微縮松的產(chǎn)生2/3/20233.鑄造內(nèi)應(yīng)力(Internalstress)鑄件在凝固之后的繼續(xù)冷卻過(guò)程中，其固態(tài)收縮若受到阻礙，鑄件內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。按照產(chǎn)生原因的不同，內(nèi)應(yīng)力可分為兩種：（1）內(nèi)應(yīng)力的形成內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力(thermalstress)機(jī)械應(yīng)力(mechanicalstress)2/3/2023彈性狀態(tài)：固態(tài)金屬在再結(jié)晶溫度以下所處的狀態(tài)、此時(shí)，在應(yīng)力作用下僅發(fā)生彈性變形，變形后應(yīng)力依然存在。1）熱應(yīng)力的形成塑性狀態(tài)與彈性狀態(tài)的概念塑性狀態(tài)：固態(tài)金屬在再結(jié)晶溫度以上所處的狀態(tài)。此時(shí)，在較小的應(yīng)力下就可發(fā)生塑性變形，變形后應(yīng)力消失。2/3/2023框形鑄件IIIIIIII溫度t時(shí)間T012TTTt臨3T以框形鑄件為例由此可知，熱應(yīng)力是由于鑄件的壁厚不均勻、各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的2/3/20232）熱應(yīng)力分布的規(guī)律性厚的部位受拉；薄的部位受壓；3）熱應(yīng)力的防止辦法非常有效的措施：使鑄件實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固同時(shí)凝固：采用工藝方法盡量減少鑄件各部位間的溫度差，使其均勻冷卻。2/3/2023工藝措施：澆口開在薄壁處；厚壁處安放冷鐵；圖例：冷鐵澆口2/3/2023同時(shí)凝固原則之不足：

鑄件心部容易產(chǎn)生縮孔或縮松圖例：冷鐵澆口2/3/20234）機(jī)械應(yīng)力的形成機(jī)械應(yīng)力：合金的固態(tài)收縮受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力5）熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力的顯著區(qū)別

◆形成原因不同；

◆熱應(yīng)力可一直保留到室溫，形成殘余應(yīng)力；機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)的，不會(huì)形成殘余應(yīng)力2/3/2023（1）變形的規(guī)律4、鑄件的變形與防止以T形梁鑄件來(lái)說(shuō)明可見：厚有縮短的趨勢(shì)薄有伸長(zhǎng)趨勢(shì)（2）變形的防止

1)同時(shí)凝固；

2）反變形法；2/3/20232/3/20232/3/20235、殘余應(yīng)力的危害及消除盡管變形后鑄件的內(nèi)應(yīng)力有所減緩，但并未徹底消除，它的存在不利于切削加工精度的提高消除方法：時(shí)效處理2/3/2023（1）熱裂在高溫下產(chǎn)生的裂紋。其形狀特征是：裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色6、鑄件的裂紋與防止熱裂紋的形成可以用液膜理論來(lái)解釋2/3/2023影響熱裂形成的主要因素：1）合金性質(zhì)結(jié)晶溫度范圍越寬，T℃熱裂傾向線收縮開始溫度固相線2/3/2023此外，合金中的一些其它元素對(duì)其熱裂傾向也有一定的影響。如：碳素鋼中的S、P、Si,Mn

四種因素對(duì)熱裂性的影響。SipSMn%2/3/2023鑄件特殊位置的裂紋示意圖2/3/20232）鑄型阻力主要是鑄型及型芯的退讓性退讓性越好，形成熱裂的可能性越小常用防止辦法：增加鑄型及型芯的退讓性影響熱裂形成的主要因素：2/3/2023（2）冷裂在低溫下產(chǎn)生的裂紋。其形狀特征是：裂紋細(xì)小、呈連續(xù)直線狀、有時(shí)縫內(nèi)呈輕微氧化色常出現(xiàn)在鑄件受拉伸部位影響冷裂紋形成的主要因素：1)內(nèi)應(yīng)力大??；2）含磷量常用防止辦法：減少鑄件的內(nèi)應(yīng)力（特別是熱應(yīng)力）2/3/2023TheEndofThisPart目錄頁(yè)2/3/2023澆不足：鑄件形狀不完整返回2/3/2023冷隔：鑄件看似完整，實(shí)際上有未完全融合的接縫冷隔形成示意圖返回2/3/2023鐵碳合金狀態(tài)圖t澆AECDFPL+AL+Fe3C4.32.111147°CLe+A+Fe3CIILe+Fe3CLeSKLC%鐵碳合金中的共晶合金是含碳量為4.3％的合金。C點(diǎn)為共晶點(diǎn)，溫度為1147C，當(dāng)鐵水溫度降低到該溫度時(shí)，液體會(huì)結(jié)晶成共晶體----萊氏體。返回2/3/2023t澆t澆t液AECDFPL+AL+Fe3C4.32.111147°CL