鑄造合金性能

Theengineermustchooseproductionmethodsmachining

機加工weldingfabrication焊接powdermetallurgy

粉末冶金pressingandcoldforming壓力加工及冷成型hotforging

熱鍛casting鑄造第三章液態(tài)金屬成形工藝（鑄造

Casting）Objectives

Thischapterwillenableyouto:

概述液態(tài)金屬成形工藝的概念、鑄造工藝過程、鑄造產(chǎn)品、鑄造工藝方法分類、鑄造工藝的重要性、鑄造工藝特點合金的鑄造性能2）Describesandcastingprocess砂型鑄造3）Describespecialcastingprocesses.特種鑄造4）Showhowgoodcastingdesigncanpreventmanycastingproblems.鑄件設(shè)計Historyofcasting

鑄造的歷史Castingisoneoftheoldestmethodsofmanufacturingmetals.Prehistorichumansmadetoolsbypouringmoltenmetalintoopenmoldsmadeofstoneorbakedclay.

Castobjectsover4000yearsoldhavebeenfounddatingfromancientAssyrian,Egyptian,andChinesecultures.詞匯：pouring

（澆鑄）bakedclay（燒硬的粘土）Assyrian（亞述人）whatisthecastingprocess?Theprocessofcastingmetalsisdonebypouringorforcingmoltenmetalintoamoldcavityhavingadesiredshape.Whenthemetalhassolidified,thecastingisremovedfromthemold.Virtuallyanyshapecanbeproducedbythismethod,insomecaseswithsuchprecisionthatsubsequentmachiningisnotrequired.詞匯：moldcavity（鑄型型腔）precision（精度）subsequentmachining（后續(xù)機加工）Mainadvantages鑄造的優(yōu)點1.partswithintricateinternalcavities/passages(complexgeometricfeature)

復(fù)雜內(nèi)腔2.partswithintricateshapes

復(fù)雜外形3.partswithsmooth,flowingdesigns(withtheeye-pleasingappearance)可獲得平滑、流暢的鑄件4.theeconomyofusinglessmetal

節(jié)省金屬5.partsize:

rangefromthetiniestprecisionpartsto

hugecastingsformachinerysectionsweighingmanytons

鑄件大小、重量不限§

3-1概述1.什么是鑄造工藝方法？液態(tài)金屬成形或金屬澆注成形，又稱為鑄造，它是指把熔煉好的、符合一定化學(xué)成分要求的金屬液體澆注到預(yù)制的鑄型中，使之在重力場或外力場的作用下冷卻、凝固而形成鑄件(零件)的一種工藝方法。屬于熱加工成形方法。2.鑄造工藝過程：金屬的熔煉、造型、澆注和冷卻凝固。3.鑄造產(chǎn)品：主要為毛坯件4.鑄造工藝方法分類：①重力鑄造(液態(tài)金屬靠自身重力填充型腔)、低壓鑄造、擠壓鑄造、壓力鑄造(液態(tài)金屬在一定的壓力下填充型腔)等。②一次型(如砂型鑄造、陶瓷型鑄造、殼型鑄造)和永久型(如金屬型鑄造)。5.鑄造工藝的重要性國民經(jīng)濟中占有極其重要的地位，廣泛應(yīng)用于機械制造、礦山冶金、能源與運輸設(shè)備、航天航海、輕工紡織等各個領(lǐng)域。6.鑄造工藝特點(1)適用范圍廣(2)尺寸精度高(3)成本低廉、易實現(xiàn)機械化、半自動化生產(chǎn)、尺寸精度高，加工余量少，加工工時較小，故生產(chǎn)成本低。缺點：鑄件組織的內(nèi)部晶粒粗大，常有縮孔、縮松、氣孔、砂眼、成分偏析等鑄造缺陷，故力學(xué)性能不如鍛件高；工藝過程難以精確控制，且工序繁多，有時導(dǎo)致廢品率高；鑄造生產(chǎn)的工作條件差。§

3-2合金的鑄造性能合金的鑄造性能：鑄造合金的流動性、凝固與收縮特性、以及偏析與裂紋傾向。1.合金的流動性(1)定義合金的流動性是指熔融液態(tài)鑄造合金本身的流動能力。(2)影響合金的流動性的因素：合金的物理性質(zhì)、化學(xué)成分、溫度、雜質(zhì)含量有關(guān)。(3)合金的流動性的重要性流動性好，易于充滿薄而復(fù)雜的型腔，可避免出現(xiàn)冷隔、澆不足等缺陷，易于獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件；流動性好，有利于液態(tài)合金中氣體、夾雜物及時浮出，從而減少氣孔和夾渣缺陷的產(chǎn)生；流動性好，有利于填充和彌合鑄件在凝固期間產(chǎn)生的縮孔或因收縮受阻產(chǎn)生的裂紋缺陷。(4)鑄造合金流動性的測試方法澆注“流動性試樣”的方法來測試---螺旋線形試樣根據(jù)澆注后金屬所形成的螺旋線長度確定某種合金流動性的好壞，螺旋線長度越長，流動性就越好，澆口杯直澆道螺旋線長度2.鑄造合金的凝固與收縮特性(1)鑄造合金的凝固三種凝固方式：逐層凝固方式中間凝固方式體積凝固方式。SOLIDIFICATIONOFMETALSAftermoltenmetalispouredintoamold,aseriesofeventstakesplaceduringthesolidificationofthecastinganditscoolingtoambienttemperature.Theseeventsgreatlyinfluencethesize,shape,uniformity,andchemicalcompositionofthegrainsformedthroughoutthecasting,whichinturninfluenceitsoverallproperties.Thesignificantfactorsaffectingtheseeventsarethetypeofmetal;thethermalpropertiesofboththemetalandthemold;thegeometricrelationshipbetweenvolumeandsurfaceareaofthecasting;andtheshapeofthe

mold.

純金屬的凝固：Atthemoldwalls,whichareatambienttemperature,themetalcoolsrapidly.Rapidcoolingproducesasolidifiedskin,orshell,offineequiaxedgrains.caststructuresofpuremetalssolidifiedinasquaremoldThegrainsgrowinadirectionoppositetothatoftheheattransferoutthroughthemold.Thosegrainsthathavefavorableorientationwillgrowpreferentiallyandarecalledcolumnargrains.FIGURE10.2Developmentofapreferredtextureatacoolmoldwall.Notethatonlyfavorablyorientedgrainsgrowawayfromthesurfaceofthemold.FIGURE10.1Schematicillustrationofthreecaststructuresofmetalssolidifiedinasquaremold:puremetals;(b)solidsolutionalloys;and(c)structureobtainedbyusingnucleatingagents.puremetalssolidsolutionalloysusingnucleatingagents

Asthedrivingforceoftheheattransferisreducedawayfromthemoldwalls,thegrainsbecomeequiaxedandcoarse.Thosegrainsthathavesubstantiallydifferentorientationsareblockedfromfurthergrowth.Suchgraindevelopmentisshownashomogenousnucleation,meaningthatthegrains(crystals)growuponthemselves,startingatthemoldwall.EffectsofCoolingRatesSlowcoolingrates(ontheorderof102K/s)orlonglocalsolidificationtimesresultincoarsedendriticstructureswithlargespacingbetweenthedendritearms.ColumnardendriticForfastercoolingrates(ontheorderof104K/s)orshortlocalsolidificationtimes,thestructurebecomesfinerwithsmallerdendritearmspacing.Forstillhighercoolingrates(ontheorderoffrom106to108K/s)thestructuresdevelopedareamorphous.Equiaxed

dendriticEquiaxed

nondendriticThestructuresdevelopedandtheresultinggrainsizeinfluencethepropertiesofthecasting.Asgrainsizedecreases:thestrengthandtheductilityofthecastalloyincrease;microporosity(interdendriticshrinkagevoids)inthecastingdecreases;thetendencyforthecastingtocrack(hottearing)duringsolidificationdecreases.Lackofuniformityingrainsizeandgraindistributionresultsincastingswithanisotropicproperties.

(2)鑄造合金的收縮特性鑄造合金的收縮特性是指將具有一定過熱度的鑄造合金液體澆入鑄型，合金從高溫液態(tài)冷卻到固態(tài)的某一溫度時所發(fā)生的體積和尺寸減小的現(xiàn)象。收縮是鑄造合金的物理本性，但會造成鑄造缺陷。產(chǎn)生的鑄造缺陷：在鑄件中產(chǎn)生：縮孔、縮松、熱應(yīng)力、變形及裂紋等鑄造缺陷。

產(chǎn)生的鑄造缺陷：在鑄件中產(chǎn)生：縮孔、縮松、熱應(yīng)力、變形及裂紋等鑄造缺陷。

熱撕裂直澆道橫澆道澆口杯收縮的種類：體收縮、線收縮體收縮：鑄造合金由液態(tài)到常溫的收縮若用體積改變量來表示，稱為體收縮。線收縮：合金在固態(tài)時的收縮，若用線尺寸改變量來表示，稱為線收縮。鑄造合金由液態(tài)冷卻到常溫的三個階段：液態(tài)收縮階段、凝固收縮階段、固態(tài)收縮階段。收縮的三個階段所產(chǎn)生的危害：液態(tài)收縮和疑固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的基本原因；固態(tài)收縮因收縮受阻而引起較大的鑄造應(yīng)力，既而產(chǎn)生變形和裂紋缺陷，影響鑄件的尺寸精度。①液態(tài)收縮：合金從澆注溫度冷卻到開始凝固的液相線溫度時所產(chǎn)生的收縮稱為液態(tài)收縮。②凝固收縮：合金從液相線溫度(開始凝固的溫度)冷卻到固相線溫度(凝固終止的溫度)時的體積收縮稱為凝固收縮。③固態(tài)收縮。合金從凝固終止溫度冷卻到室溫之間的體積收縮為固態(tài)收縮，通常表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減小，對鑄件的尺寸精度影響較大，常用線收縮率表示。收縮的三個階段所產(chǎn)生的危害：液態(tài)收縮和疑固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松缺陷的基本原因；固態(tài)收縮因收縮受阻而引起較大的鑄造應(yīng)力，既而產(chǎn)生變形和裂紋缺陷，影響鑄件的尺寸精度。

(3)鑄造合金的縮孔與縮松

①縮孔與縮松的含義及產(chǎn)生原因。鑄件在冷卻和凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于合金的固態(tài)收縮，所以在鑄件最后凝固的地方常常會產(chǎn)生孔洞，容積大而比較集中的孔洞稱為縮孔；細(xì)小且分散的孔洞稱為縮松?？s孔縮孔產(chǎn)生的原因:合金的液態(tài)收縮和凝固收縮值大于固態(tài)收縮值?？s孔產(chǎn)生的基本條件是鑄件由表及里逐層凝固；縮孔形成位置：縮孔通常分布在鑄件上部或最后凝固的熱節(jié)部位，其外形特征為倒錐形，內(nèi)表面不光滑；縮松形成的基本原因:液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，產(chǎn)生的基本條件是合金的結(jié)晶溫度范圍較寬，樹枝晶發(fā)達(dá)，合金以體積方式凝固，液態(tài)收縮和凝固收縮所形成的細(xì)小、分散孔洞得不到外部液態(tài)金屬的補充而造成的?？s松形成位置：一般分布于鑄件的軸線區(qū)域、厚大部位或澆口附近。②縮孔和縮松的防止措施：鑄造合金的液態(tài)收縮越大，則縮孔形成的傾向越大；合金的結(jié)晶溫度范圍越寬，凝固收縮越大，則形成縮松的傾向也越大。促使合金減少液態(tài)和凝固期間收縮的工藝措施：降低澆注溫度和減慢澆注速度；增加鑄型的激冷能力；調(diào)整化學(xué)成分；增加在凝固過程中的補縮能力；對于灰口鑄鐵可促進(jìn)凝固期間的石墨化等?？刂畦T件的凝固順序采用冒口和冷鐵配合，使之符合“順序凝固原則”或“同時凝固原則”，盡量使縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，并使縮孔出現(xiàn)在鑄件最后凝固的位置。順序凝固：采取一定措施，如合理選擇內(nèi)澆道在鑄件上的引入位置和高度、開設(shè)冒口、放置冷鐵等，使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的部分先凝固，然后向著冒口順次凝固，冒口本身最后凝固的過程。同時凝固：從工藝上采取措施，保證鑄件結(jié)構(gòu)上各部分之間沒有溫差或使溫差盡量小，使鑄件各部分基本同時凝固。一般用于凝固溫度范圍大、以體積方式凝固、容易產(chǎn)生縮松的合金，壁厚均勻的薄壁鑄件或氣密性要求不高的鑄件。3.鑄造合金中的偏析鑄件截面上不同部位所產(chǎn)生的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。產(chǎn)生偏析的主要原因：各種鑄造合金在結(jié)晶過程中發(fā)生溶質(zhì)再分配，即在晶體長大過程中，合金的結(jié)晶速率大于溶質(zhì)元素的擴散速率，使先析出的固相與液相的成分不同，先結(jié)晶部分與后結(jié)晶部分的化學(xué)成分也不相同，甚至同一晶粒內(nèi)各部分的成分也不一樣。偏析分類：微觀偏析宏觀偏析微觀偏析：微小(晶粒)尺寸范圍內(nèi)各部分的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。兩種常見形式：晶內(nèi)偏析（枝晶偏析）晶界偏析宏觀偏析，它指在鑄件較大尺寸范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象，一般包括正偏析、逆偏析、重力偏析等。宏觀偏析會使鑄件力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能降低，直接影響鑄件的使用性能。(1)鑄造應(yīng)力(2)鑄件的變形由于鑄造應(yīng)力的緣故，處于應(yīng)力狀態(tài)(不穩(wěn)定狀態(tài))下的鑄件能夠自發(fā)地發(fā)生變形以減少內(nèi)應(yīng)力而趨于穩(wěn)定狀態(tài)，快冷部分凸起，慢冷部分凹下。為了防止變形缺陷的產(chǎn)生，必須首先設(shè)法降低和消除鑄件內(nèi)的殘余應(yīng)力或從工藝上采取措施以減小變形?！?/p>

3-3鑄件缺陷castingdefects缺陷的產(chǎn)生：可能來源于材料本身、鑄件設(shè)計、鑄造生產(chǎn)等。Variousdefectscandevelopinmanufacturingprocesses,dependingonfactorssuchasmaterials,partdesign,andprocessingtechniques.缺陷的影響：影響鑄件外觀、鑄件的結(jié)構(gòu)完整性。havemajoradverseeffectsonthestructuralintegrityofthepartsmade.鑄件缺陷種類Typesofcastingdefects:Discontinuities不連續(xù)Defectivesurface表面缺陷Incompletecasting鑄件不完整Incorrectdimensionsorshape尺寸不合Inclusions夾雜Severaldefectscandevelopincastings.熱撕裂直澆道橫澆道澆口杯Examplesofhottearsincastings.Thesedefectsoccurbecausethecastingcannotshrinkfreelyduringcooling,owingtoconstraintsinvariousportionsofthemoldsandcores.粘砂澆不滿冷隔鼓泡不連續(xù)

Discontinuities:suchascracks,coldorhottearing,andcoldshuts.

Cracks裂紋Ifthesolidifyingmetalisconstrainedfromshrinkingfreely,crackingandtearingcanoccur.Tearing

撕裂Althoughmanyfactorsareinvolvedintearing,coarsegrainsizeandthepresenceoflowmeltingpointsegregatesalongthegrainboundaries(intergranular)increasethetendencyforhottearing.ColdshutColdshutisaninterfaceinacastingthatlackscompletefusionbecauseofthemeetingoftwostreamsofliquidmetalfromdifferentgates.冷隔

表面缺陷Defectivesurfacesuchassurfacefolds,laps,scars,adheringsandlayers,andoxidescale.澆不滿Incorrectdimensionsorshape:尺寸不合owingtofactorssuchasimpropershrinkageallowance,patternmountingerror,irregularcontraction,deformedpattern,orwarpedcasting.夾雜

Inclusions,whichformduringmelting,solidificationandmolding.Generallynonmetallic,theyareregardedasharmfulbecausetheyactasstressraisersandreducethe

strengthofthecasting.Inclusionsmayformduringmeltingwhenmoltenmetalreactswiththeenvironment(usuallyoxygen)orwithfirecrucibleormoldmaterial.Chemicalreactionsamongcomponentsinthemoltenmetalmayproduceinclusions;Slagsandotherforeignmaterialentrappedinthemoltenmetalalsobecomeinclusions.Spallingofthemoldandcoresurfacesalsoproducesinclusions,indicatingtheimportanceofthequalityofmoldsandoftheirmaintenance.Porosityinacastingmaybecausedbyshrinkageorgasesorboth.Porosityisdetrimentaltotheductilityofa