哈工程材料成型課件-鑄造成形理論基礎(chǔ)

1.1鑄造成形理論根底1.2

鑄造方法1.3

鑄造工藝設(shè)計(jì)1.4鑄件結(jié)構(gòu)工藝性將液態(tài)金屬材料熔化成液態(tài)后，澆注入與擬成形的零件形狀及尺寸相適應(yīng)的模型空腔〔稱鑄型〕中，待其冷卻凝固后獲得具有一定形狀和尺寸的毛坯或零件的方法。鑄造的概念鑄造的特點(diǎn)成形能力強(qiáng)

能夠制造形狀復(fù)雜的鑄件，尤其是能制造具有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯或零件。

工藝適應(yīng)性強(qiáng)

鑄件的合金成分、尺寸、形狀、質(zhì)量和生產(chǎn)批量等幾乎不受限制。經(jīng)濟(jì)性好原材料來(lái)源廣泛，鑄件的形狀和尺寸與零件非常接近，可以節(jié)約金屬，減少后續(xù)加工費(fèi)用，因而生產(chǎn)本錢(qián)低。鑄造優(yōu)點(diǎn)鑄造的特點(diǎn)鑄造缺點(diǎn)用同樣金屬材料制造的鑄件，其力學(xué)性能不如鍛件。鑄造工序繁多，且難以精確控制，故鑄件質(zhì)量有時(shí)會(huì)不夠穩(wěn)定。勞動(dòng)條件較差，勞動(dòng)強(qiáng)度較大。液態(tài)金屬充型鑄件凝固收縮1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制

液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸正確、輪廓清晰的鑄件的能力。充型能力首先取決于合金本身的流動(dòng)性，還與外界條件，如鑄型條件、鑄件結(jié)構(gòu)及澆注條件等因素有關(guān)。充型能力的概念:充型能力缺乏澆缺乏冷隔夾砂氣孔夾渣充型能力的決定因素〔1〕合金的流動(dòng)性〔2〕鑄型性質(zhì)〔3〕澆注條件〔4〕鑄件結(jié)構(gòu)1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制：〔1〕合金本身的流動(dòng)性。流動(dòng)性是指液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力，它與合金本身的化學(xué)成分、溫度、雜質(zhì)含量及物理性質(zhì)等有關(guān)1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制1〕合金本身的流動(dòng)性鑄造合金流動(dòng)性的好壞，通常以澆注標(biāo)準(zhǔn)螺旋線試樣的方法進(jìn)行測(cè)定。將金屬液澆入到右圖所示的螺旋形的鑄型中，顯然，在相同的鑄型及澆注條件下，得到的螺旋形試樣越長(zhǎng)，表示該合金的流動(dòng)性越好。

螺旋形試樣1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制1〕合金本身的流動(dòng)性①合金的種類。不同種類的合金因熔點(diǎn)、熱導(dǎo)率和粘度等物理性質(zhì)以及結(jié)晶特性的不同，其流動(dòng)性也不同。②合金的化學(xué)成分。同種合金中，成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，其流動(dòng)性也不同。圖：不同結(jié)晶特征合金的流動(dòng)性

亞共晶鑄鐵隨含碳量的增加，結(jié)晶溫度范圍減小，流動(dòng)性提高。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制1〕合金本身的流動(dòng)性③雜質(zhì)含量。液態(tài)金屬中含有固態(tài)夾雜物，將會(huì)使液體的粘度增加，因而會(huì)降低合金的流動(dòng)性；液態(tài)金屬中的含氣量越多，其流動(dòng)性也越差。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制2〕鑄型條件鑄型溫度：預(yù)熱鑄型能減小它與金屬液之間的溫差，降低換熱強(qiáng)度，從而提高金屬液的充型能力。鑄型蓄熱系數(shù):即從金屬液中吸取并儲(chǔ)存熱量的能力。鑄型中的氣體：澆鑄時(shí)產(chǎn)生氣體能在金屬液與鑄型間形成氣膜，減小流動(dòng)阻力，有利于充型。但發(fā)氣量過(guò)大,鑄型排氣不暢,在型腔內(nèi)產(chǎn)生的氣體的反壓力增大，充型能力減弱。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制3〕鑄件結(jié)構(gòu)當(dāng)鑄件的壁厚過(guò)小、壁厚急劇變化或有較大的水平面等結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)使合金液充型困難。因此，設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)，鑄件的壁厚必須大于最小允許值；有的鑄件那么需要設(shè)計(jì)流動(dòng)通道；在大平面上設(shè)置筋條。這不僅有利于合金液的順利充型，亦可防止夾砂缺陷的產(chǎn)生。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制1.充型能力的控制4〕澆注條件①澆注溫度；②充型壓力。澆注溫度充型壓力澆注溫度越高，使合金粘度下降，且保持流動(dòng)的時(shí)間越長(zhǎng)，故充型能力強(qiáng)。反之，充型能力下降。但澆注溫度過(guò)高，吸氣、氧化現(xiàn)象嚴(yán)重。易產(chǎn)生缺陷，結(jié)晶組織粗大。液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大,那么流速越大，充型能力越強(qiáng)。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制2.鑄件的凝固方式及控制1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制2.鑄件的凝固方式及控制1〕凝固方式鑄件斷面一般存在三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。凝固方式有：①逐層凝固②糊狀凝固③中間凝固。(a)逐層凝固方式(b)中間凝固方式(c)糊狀凝固方式

1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制2.鑄件的凝固方式及控制2〕凝固方式的控制〔1〕合金的結(jié)晶溫度范圍；〔2〕鑄件截面的溫度梯度。溫度梯度對(duì)凝固區(qū)域的影響

鑄件的溫度梯度主要受以下以個(gè)因素的影響：①合金的性質(zhì)：合金的凝固溫度越高、導(dǎo)溫系數(shù)越小或結(jié)晶潛熱越小，鑄件內(nèi)部溫度均勻化的能力就越小，溫度梯度就越大。

1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制2.鑄件的凝固方式及控制2〕凝固方式的控制〔2〕鑄件截面的溫度梯度。溫度梯度對(duì)凝固區(qū)域的影響

鑄件的溫度梯度主要受以下以個(gè)因素的影響：②鑄型條件

鑄型的蓄熱能力和導(dǎo)熱性越好，對(duì)鑄件的激冷能力就越強(qiáng)，鑄件的溫度梯度就越大。

1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制2.鑄件的凝固方式及控制2〕凝固方式的控制〔1〕合金的結(jié)晶溫度范圍；〔2〕鑄件截面的溫度梯度。溫度梯度對(duì)凝固區(qū)域的影響

鑄件的溫度梯度主要受以下以個(gè)因素的影響：③澆注溫度: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。

④鑄件的壁厚:鑄件的壁厚越小，溫度梯度就越大。

1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制2.鑄件的凝固方式及控制因此在選用鑄造材料時(shí)，應(yīng)盡量選用傾向于逐層凝固的合金〔如灰鑄鐵、鋁硅合金等〕。當(dāng)必須采用傾向于糊狀凝固的合金時(shí)，可考慮采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧踩邕x用金屬型鑄造〕，以減小其凝固區(qū)域。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制3.合金的收縮1〕收縮的概念合金從液態(tài)冷卻到常溫的過(guò)程中，體積和尺寸縮小的現(xiàn)象，稱為收縮。收縮是合金的物理本性，它不僅影響鑄件的幾何形狀和尺寸，以及致密性，而且還決定著鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷的傾向性。合金的收縮量通常用體積收縮率和線收縮率來(lái)表示。金屬?gòu)囊簯B(tài)到常溫的體積改變量稱為體收縮。金屬在固態(tài)由高溫到常溫的線尺寸改變量稱為線收縮。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制3.合金的收縮2〕合金收縮的三個(gè)階段①液態(tài)收縮;②凝固收縮;③固態(tài)收縮①液態(tài)收縮。從澆注溫度冷卻至凝固開(kāi)始溫度〔液相線溫度〕期間發(fā)生的收縮稱為液態(tài)收縮。合金的液態(tài)收縮主要表現(xiàn)為液面的降低。②凝固收縮。從凝固開(kāi)始溫度至凝固終了溫度〔固相線溫度〕期間發(fā)生的收縮稱為凝固收縮。凝固收縮仍主要表現(xiàn)為液面的下降。③固態(tài)收縮。從凝固終了溫度至冷卻到室溫期間發(fā)生的收縮稱為固態(tài)收縮。此階段的收縮表現(xiàn)為鑄件線尺寸的減小。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制3.合金的收縮

合金的液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因；而固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋的根本原因，并直接影響鑄件的尺寸精度。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制3.合金的收縮3〕影響收縮的主要因素①合金的化學(xué)成分。不同種類的合金，其收縮率不同。同類合金中，化學(xué)成分不同，其收縮率也不同。在鐵碳合金中，鑄鋼和白口鑄鐵的收縮率大，灰鑄鐵的收縮率小。這是由于灰鑄鐵在凝固過(guò)程中碳大局部是以石墨狀態(tài)存在的，石墨的比容大，由此產(chǎn)生的體積膨脹可以抵消局部凝固收縮。②澆注溫度。澆注溫度主要影響液態(tài)收縮。提高澆注溫度，合金的液態(tài)收縮增大。1.1鑄件成形理論根底1.1.5鑄件成形過(guò)程控制3.合金的收縮3〕影響收縮的主要因素③鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu):如果鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜或壁厚不均，冷卻時(shí)各局部相互牽制也會(huì)阻礙收縮。不同結(jié)構(gòu)鑄件的收縮情況自由線收縮率為2.5%受阻較小的線收縮率為1.5%受阻較大的線收縮率為1.0%受阻特別大的線收縮率為0.5%1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷、、1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷鑄造應(yīng)力金屬在凝固和冷卻過(guò)程中體積變化受到外界或其本身的制約，變形受阻而產(chǎn)生的應(yīng)力。鑄造應(yīng)力可能是暫時(shí)性的，假設(shè)引起應(yīng)力的原因消除以后，應(yīng)力便隨之消失，稱為臨時(shí)應(yīng)力；假設(shè)引起應(yīng)力的原因消除后應(yīng)力不消失，那么稱為剩余應(yīng)力。常見(jiàn)的鑄造應(yīng)力有熱應(yīng)力、機(jī)械阻礙應(yīng)力和相變應(yīng)力三種?！?〕熱應(yīng)力：由于鑄件各局部厚薄不同，在凝固和其后的冷卻過(guò)程中，鑄件各局部冷卻速度不同，造成同一時(shí)刻各局部的收縮量不一致，而且各局部之間還存在約束作用，此時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。、Ⅰ—粗桿；Ⅱ—細(xì)桿；Ⅲ—橫梁tL—澆注溫度;tY—合金線收縮開(kāi)始溫度;△tH—兩桿卸載時(shí)的溫差；TⅠ、TⅡ

—粗、細(xì)桿固態(tài)冷卻曲線壁厚不同的應(yīng)力框鑄件熱應(yīng)力的形成過(guò)程

、1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷鑄造應(yīng)力〔1〕熱應(yīng)力：由于鑄件各局部厚薄不同，在凝固和其后的冷卻過(guò)程中，鑄件各局部冷卻速度不同，造成同一時(shí)刻各局部的收縮量不一致，而且各局部之間還存在約束作用，此時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。、、1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷1.鑄造應(yīng)力1〕鑄造應(yīng)力的形成〔2〕機(jī)械阻礙應(yīng)力：這種應(yīng)力是由于鑄件的收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的，是暫時(shí)性的。只要機(jī)械阻礙一消除，應(yīng)力也隨之消失。、、套筒鑄件收縮受到機(jī)械阻礙

1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷1.鑄造應(yīng)力1〕鑄造應(yīng)力的形成〔3〕相變應(yīng)力：固態(tài)發(fā)生的合金，由于鑄件各局部冷卻條件不同，它們到達(dá)相變溫度的時(shí)刻不同，且相變的程度也不同而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。、、1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷、、1.鑄造應(yīng)力2〕減小和消除鑄造應(yīng)力的方法①在零件滿足工作條件的前提下，盡量選擇彈性模量和收縮系數(shù)小的合金材料；②在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)盡量使鑄件形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱、壁厚均勻；③為了提高鑄型和型芯的退讓性；減小砂型的緊實(shí)度，或在型砂中參加適量的木屑、焦炭等，采用殼型或樹(shù)脂砂型，效果尤為顯著。④使鑄件按“同時(shí)凝固〞原那么進(jìn)行凝固；⑤鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力后，可用自然時(shí)效、人工時(shí)效和共振時(shí)效等方法消除。鑄件同時(shí)凝固示意圖1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷2.變形和裂紋當(dāng)鑄造應(yīng)力值超過(guò)合金的屈服強(qiáng)度時(shí)，鑄件將發(fā)生塑性變形；當(dāng)鑄造應(yīng)力值超過(guò)合金的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。鑄件產(chǎn)生變形以后，常因加工余量不夠或因鑄件放不進(jìn)夾具導(dǎo)致無(wú)法加工而報(bào)廢。1〕鑄件的變形：帶有鑄造應(yīng)力的鑄件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它會(huì)自發(fā)地通過(guò)變形使應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，只有受拉應(yīng)力的局部縮短，受壓應(yīng)力的局部伸長(zhǎng)，鑄件中的應(yīng)力才有可能減小或消除。、1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷2.變形和裂紋當(dāng)鑄造應(yīng)力值超過(guò)合金的屈服強(qiáng)度時(shí)，鑄件將發(fā)生塑性變形；當(dāng)鑄造應(yīng)力值超過(guò)合金的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。鑄件產(chǎn)生變形以后，常因加工余量不夠或因鑄件放不進(jìn)夾具導(dǎo)致無(wú)法加工而報(bào)廢。1〕鑄件的變形：帶有鑄造應(yīng)力的鑄件處于不穩(wěn)定狀態(tài)，它會(huì)自發(fā)地通過(guò)變形使應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，只有受拉應(yīng)力的局部縮短，受壓應(yīng)力的局部伸長(zhǎng)，鑄件中的應(yīng)力才有可能減小或消除。、T形梁鑄件的變形

1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷2.變形和裂紋1〕鑄件的變形、、1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷2.變形和裂紋1〕鑄件的變形、、機(jī)床床身的撓曲變形和反撓度

1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷2.變形和裂紋2〕鑄件的裂紋〔1〕熱裂紋：熱裂紋是凝固后期在高溫下形成的。其特征是：裂紋形狀曲折而不規(guī)那么，裂口外表嚴(yán)重氧化而無(wú)金屬光澤，裂紋沿晶界產(chǎn)生和通過(guò)。熱裂紋常出現(xiàn)于鑄件內(nèi)部最后凝固的部位或鑄件外表易產(chǎn)生應(yīng)力集中的部位?！?〕冷裂紋：冷裂是鑄件冷卻到低溫處于彈性狀態(tài)時(shí)，鑄造應(yīng)力超過(guò)合金的抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生的。其特征是：外表光滑，具有金屬光澤或呈微氧化色，裂口常穿過(guò)晶粒延伸到整個(gè)斷面，呈圓滑曲線或連續(xù)直線狀，裂縫細(xì)小，寬度均勻。冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸部位，特別是內(nèi)尖角、縮孔、非金屬夾雜物等應(yīng)力集中處。、、1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷2.變形和裂紋2〕鑄件的裂紋、、1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷3.縮孔和縮松

液態(tài)合金在鑄型內(nèi)冷凝過(guò)程中，當(dāng)其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)足時(shí)，將在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。根據(jù)孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類。大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松。

、、1.1鑄造成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷3.縮孔和縮松1〕縮孔的形成趨向于逐層凝固方式結(jié)晶的金屬〔如純金屬、共晶合金和結(jié)晶溫度范圍窄的合金〕，易產(chǎn)生集中縮孔。、、縮孔形成過(guò)程示意圖

1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷3.縮孔和縮松2〕縮松的形成主要表現(xiàn)在呈糊狀凝固方式的合金中或截面較大的鑄件壁中，是被樹(shù)枝晶體分隔開(kāi)的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致。、、縮松形成過(guò)程示意圖

1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷3.縮孔和縮松3〕防止縮孔縮松的方法①采用順序凝固法、、鑄件的順序凝固1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷3.縮孔和縮松縮孔和縮松都會(huì)使鑄件的力學(xué)性能下降，縮松對(duì)鑄件承載能力的影響比集中縮孔要小，但它易影響鑄件的致密性和物理、化學(xué)性能。因此，必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?，防止縮孔和縮松的產(chǎn)生。3〕防止縮孔縮松的方法①采用順序凝固法、、鑄件的順序凝固1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷3.縮孔和縮松3〕防止縮孔縮松的方法、、③加壓補(bǔ)縮將鑄型置于壓力室中，澆注后，迅速關(guān)閉壓力室，使鑄件在壓力下凝固，可以消除縮松或縮孔。將呈膠狀的浸滲劑滲入鑄件的孔隙，然后使浸滲劑硬化并與鑄件孔隙內(nèi)壁聯(lián)成一體，從而達(dá)到堵漏的目的。④浸滲技術(shù)②將縮松轉(zhuǎn)化為縮孔盡量選擇凝固區(qū)域較窄的合金，使合金傾向于逐層凝固。對(duì)于一些凝固區(qū)域較寬的合金，可采用增大凝固溫度梯度的辦法，使合金盡可能地趨向于逐層凝固。1.1鑄造成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷4.澆缺乏和冷隔1〕澆缺乏的形成澆缺乏是由于金屬液未完全充滿型腔而產(chǎn)生的鑄件缺肉現(xiàn)象。、、澆不足缺陷1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷4.澆缺乏和冷隔1〕澆缺乏的形成澆缺乏是由于金屬液未完全充滿型腔而產(chǎn)生的鑄件缺肉現(xiàn)象。、、澆不足缺陷1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷、、4.澆不足和冷隔1）冷隔的形成金屬液充型時(shí)，由于冷卻過(guò)快，兩股對(duì)流的金屬在未完全融合前就因凝固而停止流動(dòng)，故在金屬液的交接處融合不好，而且在鑄件中會(huì)產(chǎn)生穿透的或不穿透的縫隙，這種縫隙便稱為冷隔。冷隔1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷4.澆缺乏和冷隔2〕澆缺乏和冷隔的防止措施①嚴(yán)格按照熔煉工藝操作，防止液體金屬氧化，提高出爐溫度，增加金屬液的流動(dòng)性。②合理地布置澆注系統(tǒng)，增加內(nèi)澆道的截面積，增加內(nèi)澆道數(shù)量或改變鑄件的澆注位置，使薄壁大面積處容易充型。③提高型砂的透氣性，適當(dāng)設(shè)置出氣冒口，使型腔內(nèi)的氣體順利排出。④減少鑄型的發(fā)氣量，使鑄型干透。⑤選擇合理的澆注方案和澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如頂注式澆注系統(tǒng)、直澆道。盡量縮短澆注系統(tǒng)的總長(zhǎng)度，讓金屬液流程縮短，充型過(guò)程流暢，在不噴濺的情況下澆注速度越快越好。、、1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷5.氣孔1〕析出性氣孔2〕侵入性氣孔3〕反響性氣孔、、氣孔1.1鑄件成形理論根底1.1.6鑄件常見(jiàn)缺陷5.氣孔1〕析出性氣孔：溶解于熔融金屬中的氣體在冷卻和凝固過(guò)程中，由于溶解度的下降而從合金中析出，在鑄件中形成的氣孔稱為析出性氣孔。2〕侵入性氣孔：侵入性氣孔是由于澆注過(guò)程中熔融金屬和鑄型之間的熱作用，使砂型外表層聚集的氣體侵入合金液中而