液態(tài)材料鑄造成形技術(shù)過程

材料成形技術(shù)基礎(chǔ)第一章金屬液態(tài)成形1.0概述1.1金屬液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)1.2砂型鑄造1.3特種鑄造1.4常用合金鑄造及鑄造方法選擇主要內(nèi)容1.0概述

金屬液態(tài)成形通常稱之為鑄造，它是指液態(tài)金屬，在重力或外力作用下充填到型腔中，凝固冷卻后，獲得所需形狀和尺寸的毛坯或零件的成形方法?？设T之材：金屬、石蠟、塑料、石材、……液態(tài)成形（鑄造）的優(yōu)缺點(diǎn)

液態(tài)成形的優(yōu)點(diǎn)：1）最適合形狀復(fù)雜的箱體、機(jī)架、閥體、缸體等2）適應(yīng)性廣，工藝靈活性大(材料、大小、形狀不受限制)3）成本較低(鑄件與最終零件的形狀相似、尺寸相近)

主要問題：組織疏松、晶粒粗大，鑄件內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷產(chǎn)生，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能下降，特別是沖擊性能較低。

分類：砂型鑄造；特種鑄造各類機(jī)械工業(yè)中鑄件質(zhì)量所占的比率機(jī)械類別比率/％機(jī)床、內(nèi)燃機(jī)、重型機(jī)器風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)拖拉機(jī)農(nóng)業(yè)機(jī)械汽車70～9060～8050～7040～7020～301.1金屬液態(tài)成形工藝基礎(chǔ)

123熔融合金的流動性及充型能力鑄件的常見缺陷合金的收縮主要內(nèi)容1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力

（一）流動性與充型能力概念1.流動性

熔融合金的流動性是指其自身的流動能力。

流動性差：鑄件易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔和夾雜等缺陷。

流動性好：易于充滿型腔，有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和對鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。

在相同的澆注工藝條件下，將金屬液澆入鑄型中，測出其實(shí)際螺旋線長度。澆出的試樣愈長，合金的流動性愈好！在進(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)和鑄造工藝制定時(shí)，必須考慮合金流動性。那么，我們怎樣衡量合金的流動性呢？1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力表1-1灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。（砂型，試樣截面8㎜×8㎜）合金鑄型澆注溫度/℃螺旋線長度/mm鑄鐵：w(C+Si)=6.2%w(C+Si)=5.9%w(C+Si)=5.2%w(C+Si)=4.2%砂型1300130013001300180013001000600鑄鋼：w(C)=0.4%砂型16001640100200鋁硅合金金屬型()680～720700～800鎂合金（Mg-Al-Zn）砂型700400～600錫青銅：w(Sn)=9%～11%w(Zn)=2%～4%硅黃銅：w(Si)=1.5%～4.5%砂型1040110042010001.1.1熔融金屬的流動性及充型能力2.充型能力

充型能力是指液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀和尺寸符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，不僅與合金流動性有關(guān)、還與澆注條件、鑄型條件等因素有關(guān)！1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力（2）影響合金流動性與充型能力的主要因素

1.化學(xué)成分成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特性，對合金流動性的影響最為顯著。

純金屬和共晶成分的合金流動性最好；

其它成分的合金結(jié)晶溫度區(qū)間越寬，流動性越差。1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力純金屬和共晶成分的合金，由于是在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶，液態(tài)合金從表層逐漸向中心凝固，固液界面比較光滑，對液態(tài)合金的流動阻力較小，同時(shí)，共晶成分合金的凝固溫度最低，可獲得較大的過熱度，推遲了合金的凝固，故流動性最好；其它成分的合金是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的，由于初生樹枝狀晶體與液體金屬兩相共存，粗糙的固液界面使合金的流動阻力加大，合金的流動性大大下降，合金的結(jié)晶溫度區(qū)間越寬，流動性越差。a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動性（cm）100200300溫度（℃）01.1.1熔融金屬的流動性及充型能力Fe-C合金的流動性與碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力（2）影響合金流動性與充型能力的主要因素

2.澆注條件包括澆注溫度、澆注速度、充型壓力等條件。

澆注溫度指的是澆注時(shí)熔融合金的溫度，一般要求比它的液相線溫度高，即存在過熱度，推遲它的凝固時(shí)間，以保持良好的流動性。但是也不能太高，否則造成氧化，吸氣，過收縮，粘砂，脹砂等不良后果。所以，每種合金有自己的合理澆注溫度范圍。澆注溫度：鑄鋼1520~1620℃；鑄鐵1230~1450℃；鋁合金680~780℃。增大充型壓力、提高澆注速度均能提高充型能力。1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力（2）影響合金流動性與充型能力的主要因素

3.鑄型條件

鑄型的溫度低、熱容量大，充型能力下降；

鑄型的發(fā)氣量大、排氣能力較低時(shí)，會使合金的充型能力下降；

澆注系統(tǒng)和鑄件的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，合金在充型時(shí)的阻力越大，充型能力下降；

提高澆注速度、澆注溫度和增加直澆道的高度會使合金的充型能力提高。1.1.1熔融金屬的流動性及充型能力1.1.2合金的收縮（一）收縮的概念及主要影響因素收縮：液態(tài)合金在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減小的現(xiàn)象。收縮能使鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、變形和內(nèi)應(yīng)力等缺陷。

合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段。（1）液態(tài)收縮：T澆到Tι（2）凝固收縮：Tι到Ts（3）固態(tài)收縮：Ts到室溫合金的收縮率為三個(gè)階段收縮率的總和。圖1-5合金收縮的三個(gè)階段1.1.2合金的收縮

收縮率體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因。體收縮率：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。合金種類體收縮率/%線收縮率/%碳素鑄鋼10～14.51.3～2.0白口鑄鐵12～141.5～2.0灰鑄鐵5～80.7～1.0表1.2鐵碳合金的收縮率影響因素化學(xué)成分

不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄剛的收縮最大，灰鑄鐵最小。

2.澆注溫度

合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。3.鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件

鑄件冷卻收縮時(shí)，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導(dǎo)致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實(shí)際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實(shí)際收縮率就越小。1.1.2合金的收縮（二）鑄件的縮孔和縮松1．縮孔和縮松的形成

若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補(bǔ)足，則在鑄件的最后凝固部位會形成一些孔洞。

縮孔：集中在鑄件上部或最后凝固部位、容積較大的孔洞。縮孔多呈倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙。

縮松：分散在鑄件某些區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔。圖1-6縮孔形成過程示意圖

（1）縮孔的形成

1.1.2合金的收縮1.1.2合金的收縮圖1-7縮松的形成過程示意圖

（2）縮松的形成1.1.2合金的收縮2．縮孔和縮松的防止（1）縮孔和縮松位置的確定

縮孔和縮松都易出現(xiàn)在鑄件中冷卻凝固緩慢的厚壁熱節(jié)處。如何確定熱節(jié)？1.1.2合金的收縮圖1-8縮孔位置的確定

熱節(jié)部位的確定：內(nèi)切圓、等溫線法1.1.2合金的收縮（2）“定向凝固”原則防止縮孔：使鑄件實(shí)現(xiàn)“定向凝固”<順序凝固>。

定向凝固：在鑄件的厚大部位[熱節(jié)]，安放冒口或冷鐵，使遠(yuǎn)離冒口的部位最先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。先凝固部位的收縮，由后凝固部位的金屬液來補(bǔ)充；后凝固部位的收縮，由冒口中的金屬液來補(bǔ)充。澆注系統(tǒng)Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser溫度距離123縮孔shrinkagecavity1.1.2合金的收縮（3）“定向凝固”原則圖1-9冷鐵的應(yīng)用

1.1.2合金的收縮（4）其它措施1.1.2合金的收縮避免糊狀凝固，選用近共晶成分或結(jié)晶溫度范圍較窄的合金。

加大冷速，如采用熱節(jié)處安放冷鐵等局部冷卻方法，加大該處溫度梯度，使液-固兩相區(qū)的截面變窄，減少縮松。

加大結(jié)晶壓力，可以破碎枝晶，增加流動性，減少縮松。（三）鑄造內(nèi)應(yīng)力1.1.2合金的收縮1．熱應(yīng)力的形成

由于鑄件各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期鑄件各部分收縮不一致而引起。2．機(jī)械應(yīng)力的形成

機(jī)械應(yīng)力是合金的線收縮受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。

熱應(yīng)力是永久性的；機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)存在的。

1.1.2合金的收縮圖1-10熱應(yīng)力的形成〔+拉應(yīng)力-壓應(yīng)力〕Ⅱ細(xì)桿、先冷Ⅰ粗桿、后冷Ⅱ細(xì)桿、受壓Ⅰ粗桿、受拉表面什么應(yīng)力？心部什么應(yīng)力？鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為機(jī)械應(yīng)力。收縮應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生拉應(yīng)力或切應(yīng)力，并且是暫時(shí)的。但是如果在某一瞬間收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力同時(shí)作用超過了鑄件的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。1.1.2合金的收縮3．減小應(yīng)力的措施

在鑄造工藝上采取“同時(shí)凝固原則”，盡量減小鑄件各部位間的溫度差，使鑄件各部位同時(shí)冷卻凝固。改善鑄型和型芯的退讓性，以及澆注后及時(shí)打箱落砂，可以有效減少機(jī)械應(yīng)力及其與熱應(yīng)力的共同作用。

將鑄件加熱到550～650℃之間保溫，進(jìn)行去應(yīng)力退火可消除殘余內(nèi)應(yīng)力。1.1.2合金的收縮（四）鑄件的變形

鑄件變形：

厚薄不均勻、截面不對稱及細(xì)長的桿類、板類及輪類鑄件，當(dāng)鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服極限時(shí)產(chǎn)生翹曲變形。鑄件變形防止：

減小鑄造內(nèi)應(yīng)力或形變平衡內(nèi)應(yīng)力反變形法設(shè)防變形拉筋去應(yīng)力退火1.1.2合金的收縮

發(fā)生期引發(fā)因素特征傾向防止措施熱裂凝固高溫機(jī)械應(yīng)力(鑄型阻力)短寬曲氧塑性區(qū)寬退讓性，控制S冷裂凝固低溫復(fù)合應(yīng)力光滑穿晶脆性，大型壁厚均勻，控制P熱裂：凝固后期因機(jī)械應(yīng)力超強(qiáng)而產(chǎn)生。冷裂：繼續(xù)冷卻至室溫形成的裂紋。（五）鑄件的裂紋

裂紋是鑄造內(nèi)應(yīng)力超過金屬材料抗拉強(qiáng)度的產(chǎn)物1.1.2合金的收縮熱裂示意圖

熱裂紋是鑄鋼件和鋁合金鑄件常見的缺陷。凝固末期，結(jié)晶出來的晶體已形成完整的骨架，開始固態(tài)收縮，但晶粒之間還有少量液體金屬，形成液膜，強(qiáng)度很低。如果固態(tài)收縮受到砂型和砂芯的阻礙，機(jī)械應(yīng)力超過次時(shí)金屬液膜的抗拉強(qiáng)度，即發(fā)生熱裂。很明顯，零件結(jié)構(gòu)不合理、合金的收縮率高、型砂或芯砂的退讓性差，合金的高溫強(qiáng)度低等，都使鑄件易于產(chǎn)生熱裂紋。防止措施:

a．合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)；

b．改善鑄型和型心的退讓性；

c．限制鑄鋼和鑄鐵中的S含量；

d．選用結(jié)晶溫度區(qū)間小的合金。冷裂示意圖產(chǎn)生原因：溫度下降，σ鑄↑，σ鑄>σb時(shí)，則產(chǎn)生裂紋；冷裂常出現(xiàn)在復(fù)雜鑄件受拉應(yīng)力的部位，特別是應(yīng)力集中處（如尖角處、縮孔、氣孔、夾渣等缺陷附近）。壁厚差懸殊，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鑄件易于發(fā)生冷裂。不同鑄造合金冷裂傾向不同，灰口鑄鐵、白口鑄鐵、高錳銅等塑性差的合金較易產(chǎn)生。防止措施：

a．減少鑄造應(yīng)力；b．降低合金中P的含量；

c．去應(yīng)力退火；d．設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)避免應(yīng)力集中。

1.1.3鑄件的常見缺陷三、鑄件的常見缺陷缺陷：澆不足、冷隔、氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂。1．澆不足和冷隔

充型能力不足，或充型條件較差，在型腔被填滿之前，金屬液便停止流動，將使鑄件產(chǎn)生澆不足或冷隔缺陷。

澆不足：會使鑄件不能獲得完整的形狀；

冷隔時(shí)：鑄件雖可獲得完整的外形，但因存有未完全融合的接縫，鑄件的力學(xué)性能嚴(yán)重受損。

防止：提高澆注溫度與澆注速度。1.1.3鑄件的常見缺陷三、鑄件的常見缺陷缺陷：澆不足、冷隔、氣孔、粘砂、夾砂、砂眼、脹砂。2．氣孔在鑄件內(nèi)生成的孔洞類缺陷。內(nèi)壁光滑，明亮或帶有輕微的氧化色。氣孔將會減小