熱加工工藝-鑄造

復(fù)旦大學(xué)四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院SchoolofManufacturingScienceandEngineering四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院高檔6缸小轎車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)高檔6缸小轎車的發(fā)動機(jī)殼體核電泵殼三峽700MW機(jī)組的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸自由鍛件大型鍛件核電汽輪機(jī)半轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子1100MW核電半速轉(zhuǎn)子焊接機(jī)器人及焊件奧運鳥巢奧運鳥巢焊接順序示意圖不同規(guī)格鋁合金/不銹鋼管高頻感應(yīng)釬焊接頭件兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)主軸離心復(fù)合大型軋輥大型柴油機(jī)機(jī)體鑄件鎂合金管接頭汽車發(fā)動機(jī)搖臂工作示意圖汽車發(fā)動機(jī)的搖臂鑲塊薄膜生產(chǎn)線上卷芯輥用定位套塑料薄膜生產(chǎn)線金屬液態(tài)成形(鑄造)（第一篇）金屬塑性成形(鍛造)（第二篇）金屬連接成形(焊接)（第三篇）熱加工工藝課程簡介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)知識本課程是培養(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)的重要課程教學(xué)安排學(xué)時：32

學(xué)分：2周次：9-16成績計算：平時成績（15％）結(jié)業(yè)考試（85％）考試方式：閉卷金屬液態(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)成形示意圖一第一章金屬液態(tài)成形基礎(chǔ)第一篇金屬液態(tài)成形——鑄造適合做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯對材料的適應(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)成形缺點勞動條件較差，勞動強(qiáng)度較大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砂型鑄造(產(chǎn)量占90%以上)特種鑄造鑄造分類金屬型鑄造熔模鑄造離心鑄造壓力鑄造……砂型鑄造過程液態(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收縮性合金的吸氣性合金的偏析性合金的鑄造性能第一節(jié)液態(tài)合金的鑄造性能液態(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——液態(tài)合金本身的流動能力！一、液態(tài)合金的流動性流動性不良澆不足冷隔夾砂氣孔夾渣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補(bǔ)縮澆不足冷隔現(xiàn)象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，便于計量長度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：2004.30%C鑄鐵：1800鑄鋼和鑄鐵流動性的比較合金流動性的影響因素合金種類——合金不同，流動性不同化學(xué)成分——成分不同的合金具有不同的

結(jié)晶特點，流動性也不同結(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的影響因素不同種類合金流動性的比較1）合金的種類。合金的熔點、熱導(dǎo)率、粘度等物理性能影響流動性。熔點越高，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1300130013001300180013001000600鑄鋼wC=0.4%

鋁硅合金（硅鋁明）鎂合金（含Al和Zn）錫青銅(wSn≈10%，wZn≈2%)

硅黃銅（wSi=1.5%~4.5%）砂型砂型金屬型/300℃砂型砂型砂型16001640680~72070010401100100200700~800400~6004201000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)晶特點不同，流動性也不同結(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，阻力小，流動性好(如圖a所示)；共晶合金熔點最低，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)澆注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鑄型溫度——不能過高鑄型蓄熱系數(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——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影響

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：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

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)金屬的凝固鑄件斷面上的溫度分布曲線稱為鑄件的溫度場（右圖所示的T曲線是某圓柱形鑄件的溫度場）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：結(jié)晶溫度范圍很寬的合金，不存在固相區(qū)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)糊狀凝固逐層凝固時，合金的充型能力強(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)縮鑄件的質(zhì)量與其凝固方式密切相關(guān)！大多數(shù)合金均為中間凝固方式合金的結(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合金的收縮體收縮率體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因線收縮率線收縮率是鑄件產(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)金屬的收縮合金收縮的三個階段合金的收縮過程合金收縮固態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮凝固收縮縮孔—恒溫下結(jié)晶縮松—兩相區(qū)結(jié)晶線收縮裂紋變形應(yīng)力Ⅰ液態(tài)收縮(澆注溫度-液相線)

Ⅱ凝固收縮(液相線-結(jié)晶結(jié)束)

Ⅲ固態(tài)收縮(結(jié)晶結(jié)束-室溫)特點：體積收縮；澆注溫度升高，液態(tài)收縮增加

特點：體積收縮；結(jié)晶溫度范

圍增大，凝固收縮增加特點：線收縮；只引起鑄件外

部尺寸變化，用線收縮

率表示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50-150℃2）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)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鑄型條件鑄件結(jié)構(gòu)澆注溫度化學(xué)成分（c含量）合金收縮影響收縮的因素鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型——鑄件在鑄型中不是自由收縮，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四、縮孔與縮松縮孔產(chǎn)生原因——合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)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，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，鑄件壁成逐層凝固方式縮孔形成過程示意圖合金的液態(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)表面粗糙純金屬和共晶成分合金易形成縮孔縮孔出現(xiàn)的部位階梯形試塊判斷縮孔出現(xiàn)的方法縮松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合金成分：共晶點附近的合金易形成縮孔，反之易形成縮松澆注條件：合金的澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大，越易形成縮孔鑄型條件：鑄型材料冷卻能力愈大，愈有利于減少縮松鑄件結(jié)構(gòu)：鑄件斷面過厚，若補(bǔ)縮不良易形成縮孔；鑄件壁厚不

均勻，在厚壁熱節(jié)處易產(chǎn)生縮孔或縮松縮孔縮松的影響因素定向凝固原則讓遠(yuǎn)離鑄件冒口的地方首先凝固、靠近冒口的地方隨后凝固、冒口本身最后凝固，實現(xiàn)以厚補(bǔ)薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去原理合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝方法合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補(bǔ)縮等工藝措施消除縮孔和縮松的方法縮孔與縮松減小了鑄件受力的有效面積，且縮孔處易產(chǎn)生應(yīng)力集中，使鑄件的力學(xué)性能下降，應(yīng)予以防止解決縮孔的方法—冒口和冷鐵采用冒口、冷鐵的順序凝固——使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固，從而可有效消除縮