机械制造基础 第一篇 铸造成形 第一讲 液态合金的铸造性能.ppt

1,机械制造基础,2,一、本课程的教材主要有:,1、材料成形工艺基础 2、机械加工工艺基础,3,一、本课程的性质和内容,1、本课程的性质,2、本课程的内容,生产准备,毛坯制造,机械加工,装配调试,（车，铣，刨，磨，钻，镗等）,（组装，部装，总装）,（铸造，锻造，焊接，冲压等）,机电类专业的主干专业基础课,机械制造：,将原材料制成零件的毛坯，将毛坯加工成机械零件，再将零件装配成机器的整个过程。,（市场调查，购买原材料）,4,二、本课程的学习目的（1）了解和掌握常用的工程材料；（2）了解和掌握铸造、锻造、焊接、切削加工和特种加工；（3）熟悉机械制造全过程，并了解现代机械制造技术。,5,三.本课程的学习方法,1、复习金工实习的教材内容，结合 实习操作掌握的知识，归纳总结。2、结合工程材料课程内容，掌握选材和常用材的知识。3、本课程是一门重要的综合性技术基础课，重在自学。,6,三.本课程的考核办法,1、期末考试成绩占70%2、平时成绩占30%（课堂、实验、作业等）,7,1 铸 造,一、铸造的定义：将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的方法。,8,二、铸造的特点：铸造是利用液态金属直接凝固成形 适应性广 生产复杂零件 成本较低,9,三、铸造的不足：生产过程复杂,废品率高铸件的力学性能较低工人劳动条件差四、铸造分类：根据造型方法不同可分为：砂型铸造和特种铸造,10,11 液态合金的铸造性能,铸造性能：合金在铸造过程中表现出来的性能，主要指流动性、收缩性、吸气性等,11,111 合金的流动性和充型能力,一、合金流动性：1、定义：指液态合金本身的流 动能力，它是合金的主要铸造性能之一。,12,2、流动性的测定：螺旋形金属流动性试样,13,二、影响合金流动性的主要因素：影响因素很多，凡影响铸型中液态合金保持流动时间长短和流动速度的因素，都能影响其流动性，但化学成分的影响最为显著,14,(一).铁碳合金的基本组织1、铁素体（F）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。性能-强度和硬度低，塑性和韧性好。2、奥氏体（A）：碳与-Fe形成的间隙固溶体。高温组织，在大于727时存在。性能-塑性好，强度和硬度高于F。在锻造、轧制时常要加热到A，可提高塑性，易于加工。3、渗碳体（Fe3C）：铁与碳形成的金属化合物。性能-硬度高，脆性大。4、珠光体（P）：F与Fe3C组成的机械混合物。性能-力学性能介于两者之间。5、莱氏体（Ld）：A与Fe3C组成的机械混合物。性能-硬度高，塑性差。,15,(二).铁碳合金状态图(相图或平衡图),16,铁碳合金状态图分析 1、概念：表示铁碳合金在不同成分和温度下的组织、性能以及它们之间相互关系的图形。又称铁碳合金相图或铁碳合金平衡图。是通过实验的方法建立起来的。2、作用：是研制新材料，制定合金熔炼、铸造、压力加工和热处理等工艺的重要工具。3、相图的坐标 纵坐标：代表温度。横坐标：代表含碳量。4、几个概念 纯铁 钢 铸铁 共析钢 亚共析钢 过共析钢 共晶白口铸铁 亚共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁,17,特性点 A点：纯铁的熔点 1538 C点：共晶点 1148 D点：渗碳体的熔点 1227 S点：共析点 727 G点：纯铁的同素异晶转变点 912 E点：C在-Fe中最大溶解度 1148 P点：C在-Fe中最大溶解度 727 Q点：室温时C在-Fe中最大溶解度,18,特性线 ACD：液相线，液相冷却至此开始析出固相，固相加热至此全部转化为液相。AECF：固相线，液态合金至此线全部结晶为固相，固相加热至此开始转化。GS：奥氏体(A)开始析出铁素体(F)的转变线，加热时F全部溶入A，又称A3线。ES：C在A中的溶解度曲线，又称Acm线。ECF：共晶线，含C量2.11%-6.69%的铁碳合金至此发生共晶反应，结晶出A与Fe3C混合物-莱氏体Ld。PSK：共析线，含C量在0.0218%-6.69%的铁碳合金至此反生共析反应，产生珠光体P，又称A1线。,19,铁碳状态图的应用1、选用材料：由铁碳相图可知，合金中随着含碳量的不同，其组织各不相同，从而导致其力学性能不同。因此，我们就可以根据机器零件所要求的性能来选择不同含碳量的材料。2、叛断切削加工性能：低碳钢中铁素体较多，塑性好，加工性不好；中碳钢中铁素体含量比例适当，钢的硬度适当，易于加工。3、制定热加工工艺：在铸造工艺方面，根据相图可以确定合适的熔化温度和浇注温度，含碳量为4.3%的铸铁铸造性最好；在锻造工艺方面，可以选择钢材的轧制和锻造的温度范围应在奥氏体区。4、应用于热处理生产：由相图可知合金在固态加热和冷却过程中均有组织的变化，可以进行热处理。并且可以正确选择加热温度。,20,1、共晶成分合金的流动性最好 不同合金的结晶特性：,21,2、铸铁中的磷可提高合金的流 动性，但也可引起铁的冷脆 性3、铸铁中的硫会使合金的流动 性下降,22,三、充型能力,1、定义：在铸造时，液态合金充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力2、流动性与充型能力的关系,23,3、影响充型能力的因素：（1）浇注条件：浇注温度 浇注速度 浇注压力（2）铸型：铸型的导热能力 铸型的阻力 铸型的温度,24,112 铸件的凝固与收缩,一、铸件的凝固方式：凝固过程中一般有三个区域：固相区、凝固区和液相区，凝固区中液相和固相并存。根据凝固区的宽窄，凝固方式分为：1、逐层凝固 2、糊状凝固 3、中间凝固,25,26,二、铸造合金的收缩 液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。收缩是合金的物理本性，它能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。合金的收缩经历三个阶段：1、液态收缩 2、凝固收缩 3、固态收缩,27,28,合金的收缩率为液态收缩、凝固收缩、固态收缩三种收缩的总和（1）合金的液态收缩和凝固收缩常用体积收缩率表示（2）合金的固态收缩常用铸件单位长度上的收缩量（即线收缩率）表示不同合金其收缩率不同，常用合金中铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小,29,三、缩孔与缩松,液态合金在铸型内的冷凝过程中，如果其液态收缩和固态收缩所引起的体积减小得不到金属液的补充（即补缩），将在铸件最后凝固的部分形成孔洞。由此造成的容积较大的集中孔洞称为缩孔，细小分散的孔洞称为缩松。,30,1、缩孔的形成：,31,2、缩松的形成：,32,3、缩孔和缩松的防止,（1）缩孔的防止：采用冒口和冷铁，使铸件实现定向凝固：是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位最先凝固，然后是靠近冒口的部位凝固，最后是冒口本身凝固。,33,冷铁的使用：,固,34,冷铁的作用：加快铸件的局部冷速，以控制铸件的凝固顺序，本身并不起补缩作用。冷铁分外冷铁和内冷铁,35,（2）缩松的防止：a.选用共晶成分合金或结晶温度 范围较小的合金 b.加大铸件的冷却速度 c.加大结晶压力,36,113 铸造内应力、变形和裂纹,*铸件的固态收缩受到阻碍时，将会在铸件内部产生内应力，称为铸造内应力。*铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因*铸造内应力分为热应力和机械应力,37,一、铸造内应力的形成,1、热应力的形成：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸件各部分收缩不一致而引起的。,38,用框形铸件来分析热应力的形成,39,由以上分析可以得出：（1）热应力的性质是：铸件厚壁或心部（缓冷处）受拉应力（+），薄壁或表层（快冷处）受压应力（-）。（2）铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈大，弹性模量愈大，则热应力愈大。,40,2、机械应力的形成：,41,3、减小应力的措施,（1）热应力的预防：减小铸件各处的温差，使其均匀冷却 具体措施：a.尽量选择弹性模量小的合金 b.设计壁厚均匀的铸件 c.对铸件进行去应力退火处理 d.在铸造工艺上控制铸件同时凝固,42,同时凝固：,43,（2）机械应力的预防：改善铸型和型芯的退让性，以及浇注后早开型，可以有效减小机械应力。,44,二、铸件的变形与防止,1、铸件的变形：存在残余内应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以回到稳定的平衡状态。*受拉应力的部分将产生压缩变形*受压应力的部分将产生拉伸变形,45,例如：,46,2、铸件变形的预防：（1）铸件设计为壁厚均匀、形状简单而对称（2）采用反变形法（3）时效处理：自然时效、人工时效自然时效：将铸件置于露天场地一段时间，使 其缓慢地发生变形，从而使内应力消除人工时效：将铸件加热到550650度进行去应力退火,47,三、铸件的裂纹,当铸件的内应力超过金属材料的抗拉强度时，铸件会产生裂纹，裂纹可分为热裂和冷裂。1、热裂：凝固后期，若高温下的铸件的线收缩受到阻碍，机械应力超过了其高温强度时，即发生热裂。2、冷裂：铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹。,48,防止裂纹的办法：1、减小铸件的内应力2、严格控制合金中硫和磷的含量,49,114 合金的吸气性和氧化性,一、吸气性：合金在熔炼和浇注时吸收气体的能力称为合金的吸气性。1、侵入气孔：砂型和型芯中的气体侵入金属液中而形成气孔,50,2、析出气孔：金属在熔炼过程中吸入气体（如H2），在冷却过程中析出而不能排出所形成的气孔。3、反应气孔：液态金属与铸型材料、冷铁、型芯撑等之间发生化学反应产生的气体而形成气孔,51,减小合金的吸气性（1）缩短熔炼时间（2）选用烘干过的炉料（3）提高铸型和型芯的透气性（4）降低造型材料中的含水量（5）对铸型进行烘干二、氧化性 指合金液体与空气接触，被空气中的氧气氧化，形成氧化物。,52,113 铸件的常见缺陷（P11表1.4）,