绪论第二节金属的液态成型.ppt

1,第一章 铸造 一.定义 液态合金浇入与零件形状相适应的铸型内,等冷却后得到铸件的方法.液态金属铸型铸件 二.铸造方法 砂型铸造-基本铸造方法 熔模铸造 金属模铸造 特种铸造 压力铸造 离心铸造,2,三.铸造加工的特点 1.可制造出形状复杂的铸件.如,箱体床身等 2.适应能力强 3.成本低 4.机械性能低 5.质量不稳定 6.劳动条件差,与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上.,3,3,旧砂 型芯砂 造型 砂箱 配置 制芯 工装 合型 落 铸件 清理 后处理 检 出 准备 浇注 砂 精整 热处理 验 厂 炉料 合金 准备 熔炼 报废铸件 砂型铸造流程图,4,合金的铸造性能:本章要介绍的内容:充型能力 凝固与收缩 铸造应力、变形、裂纹 气孔,5,第二节 金属的液态成形,一.铸件的凝固方式 1.铸件的温度场 凝固:凝固(结晶角度来看):温度场:铸件温度分布曲线.见图1-1.温度梯度:温度场的变化速率.,6,2.凝固区域 铸件在凝固过程中除纯金属与共晶合金以外，铸件断面上存在着三个区域：液相区、凝固区、固相区.TL:凝固开始温度TS:凝固结束温度,7,三种含碳量的铸铁的凝固方式,8,8,金属的凝固方式 铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。一般分为逐层凝固方式、体积凝固（或称糊状凝固）方式和中间凝固方式。,1、逐层凝固方式 书图1-2a为恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间的凝固情况，随着温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心，这种情况称为“逐层凝固”。,9,9,tc是结晶温度，T1和T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场，从图中可以看到，恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固体和液相由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。,10,10,2 体积凝固方式,如果合金的结晶温度范围很宽（图2-5a），或因铸件断面温度场较平坦（图2-5b），铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度尚高于ts，这种情况称为“体积凝固方式”，或称“糊状凝固方式”。,11,11,3、中间凝固方式 如果合金的结晶温度范围较窄（图2-6a），或因铸件断面的温度梯度较大（图2-6b），铸件断面上的凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。,12,12,凝固区域的宽度可以根据凝固动态曲线上的“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离直接判断，因此，这个距离的大小是划分凝固方式的一个准则。如果两条线重合在一起恒温下结晶的金属，或者其间距很小，则趋向于逐层凝固方式。如果二曲线的间距很大，则趋向于体积凝固方式。如果二曲线的间距较小，则为中间凝固方式。由上述可知，铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。,13,13,铸件的温度梯度主要取决于：(1)合金的性质 合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部温度均匀化能力愈大、而铸型的激冷作用变小，故温度梯度小（如多数铝合金）；(2)铸型的蓄热能力 铸型蓄热能力愈强，激冷能力愈强，铸件温度梯度愈大；(3)浇注温度 浇注温度愈高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度减小。,14,二 液态合金的充型充型-液态合金填充铸型的过程。充型能力-液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。充型能力铸件质量充型能力产生浇不足、冷隔浇不足：铸件形状不完整.冷隔：形状完整,但存在未完全熔合的垂直接缝.,15,15,铸件形成理论基础,液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随着结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。,16,16,铸件的浇不足与冷隔,17,在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！,18,19,铸钢的流动性,铸铁的流动性,20,21,铸造生产过程,22,合金的充型能力是由合金的流动性决定，同时又受外界条件的影响。如铸型、浇注条件、铸件结构.结论：合金流动性越强，充型能力越高。设计零件时，尤其是结构复杂、壁厚薄的铸件，一定要选流动性好的合金。铸型导热速度小 流动性好 铸型排气良好 流动性好 浇注温度高 流动性好 铸型结构平直园滑 流动性好,23,23,影响充型能力的因素和原因,24,24,影响充型能力的因素和原因,25,第三节 铸件的收缩一、合金的收缩性收缩:铸件在凝固过程中体积的减小的现象。合金收缩的阶段：a.液态收缩 b.凝固收缩 c.固态收缩液态收缩、凝固收缩，是产生缩孔缩松的基本原因。固态收缩是产生内应力、裂纹、变形的主要因素A液态收缩对铸件质量影响不大B凝固收缩对铸件内在质量影响大C固态收缩对铸件外形质量影响大,26,26,金属从浇注温度冷却到室温要经历三个互相联系的收缩阶段：,液态收缩 原因：气体排出；空穴减少；原子间间距减小。(2)凝固收缩 原因：空穴减少；原子间间距减小。（1）与（2）在外部表现皆为体积减小，一般表现为液面降低，因此称为体积收缩。是缩孔或缩松形成的基本原因。(3)固态收缩 原因空穴减少；原子间间距减小。,27,27,固态收缩还引起铸件外部尺寸的变化故称尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。不同的合金收缩率不同。在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰口铸铁的收缩最小。因为灰口铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的，由于石墨的比容大，在结晶过程中，石墨析出所产生的体积膨胀，抵销了合金的部分收缩(一般每析出1%的石墨，铸铁体积约增加2%)。,28,28,2.影响收缩的因素(1)化学成分 铸钢，随着碳含量增加，收缩率增大。灰口铸铁，随着碳和硅的含量增加，则石墨增加，收缩率下降。合金的化学成分不同，收缩率也不同。(2)浇注温度 浇注温度升高，合金的液态收缩量增加，故合金的总收缩量增大。(3)铸件结构和铸型条件 铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩。阻力来自于铸型和型芯；铸件的壁厚不同，各处的冷却速度不同，冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。因此铸件的实际线收缩率比合金的自由线收缩率要小。,29,29,30,30,缩孔及缩松 缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一。,二、收缩对铸件的质量影响(铸件的缺陷),31,A 缩孔形成 缩孔:铸件中大而集中的空洞,1型壁散热-凝固,2外层结壳-封闭,3逐层凝固-空穴,4凝固结束-缩孔-凹陷,32,缩孔形成过程,液态,冷却结壳,逐层凝固形成真空,进一步逐层凝固形成真空,固体收缩形成真空泡(缩孔）,33,B 缩松的形成 分散的微小孔.对于凝固区宽的合金，结晶是在液-固两相区进行的，从晶粒的形成-晶枝的长大过程中，晶体连成骨架，存在于骨架内的金属形成互相分隔的小“溶池”，继续结晶后，收缩的体积得不到补缩，形成微小的孔洞-缩松。,1型壁散热-凝固,2外层结壳-封闭,3糊状凝固-缩松,4凝固结束-,34,缩松形成过程 分散的微小孔.,缩松形成过程,液态,冷却结壳,糊状凝固固液共存,进一步糊状凝固固液共存,固体收缩形成松散细真空泡(缩松）,35,缩 孔 及 缩 松 的 形 成,缩孔及缩松：液态金属在冷却收缩过程中得不到 充分补充而形成孔洞的现象。,金属按一定次序结晶（顺序凝固）易形成缩孔,金属在大范围内结晶（同时凝固）易形成缩松,实现顺序凝固的方法：,安放冒口、冷铁！,36,36,集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现。合金液态收缩和凝固收缩愈大(如铸钢、白口铸铁、铝青铜等),收缩的容积就愈大，愈易形成缩孔。合金浇注温度愈高，液态收缩也愈大(通常每提高100，体积收缩增加1.6%左右)，愈易产生缩孔。结晶间隔大的合金，易于产生缩松；纯金属或共晶成分的合金，易于形成集中的缩孔。下图表示相图与缩孔、缩松和铸件致密性的关系。,37,37,38,结论如下：1）逐层凝固和窄凝固范围的合金，在凝固过程中的体积收缩能得到补缩，倾向于最后形成大的孔洞-缩孔。合金的致密性好“热裂”倾向小。这类合金包括：共晶合金、纯金属。2）凝固范围越宽，形成缩松及热裂的倾向越大。这类金属包括：远离共晶点成分的合金。,39,防止缩孔和缩松的措施 1.选择合适的合金成分。2.工艺措施；顺序凝固原则-合理设置冒口。同时凝固原则-合理设置冷铁。,40,通过控制凝固顺序，使缩孔产生在冒口中！,41,二.固态金属的收缩(铸造应力、变形、裂纹)应力的产生与防止:铸造应力：由固态收缩受阻而产生的应力。1.机械应力 由于铸型和型芯的机械阻碍的作用，铸件的收缩受阻而产生的应力.落砂后机械阻碍消除，机械应力自行消失。防止:提高铸型和型芯的容让性。在型砂中加一些锯木等来减小铸件的 收缩阻力.2.热应力 由于壁厚不均匀,使铸件各处热收缩不均匀,因而产生的应力。,温度下降 体积、尺寸收缩,收缩不自由时 应力、变形、裂纹,两种状态,塑性状态（橡皮泥）:自动消除内应力,弹性状态（弹簧）：不能消除内应力,43,-,-=,-,-,-,+,收缩过程中热应力的形成,+,下面用框形铸件分析热应力的形成过程:结论:由于铸件的冷却速度不一致,产生热应力,冷却速度慢的(厚壁或心部)受拉应力,冷却速度快的(薄壁或表面)受压应力.,先冷却的受压缩,（薄壁部分）,后冷却的受拉伸,（厚壁部分）,因冷却速度及温差不同而形成的应力。,热应力较大时，会引起工件的变形！,1杆（粗杆）受拉，2杆（细杆）受压,结论：粗拉细压,如果冷却速度有差别，则：,45,三.铸造内应力、变形和裂纹的原因铸造内应力-铸件在凝固收缩时，受到阻碍内部形成的应力。内应力发生在铸件凝固以后的继续冷却过程中.一般认为内应力的形成由下列三种情形产生：1）二次结晶时，新相与旧相体积不同，膨胀与收缩将产生-相变应力。2）温度分布不同，各处收缩量不同时，内部互相制约，产生-热应力。3）收缩时受到铸型、型芯的阻碍，产生-收缩应力。应力状态-拉应力和压应力、剪应力。应力性质-临时应力和残余应力。,46,1.热应力-由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，使得在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。结论：1）铸件的各部分截面积差越大，产生的应力差越大。2）当厚大部分进入弹性状态时，厚薄部分温差越大，产生的热应力越大。3）冷却慢的部分，残余应力为拉应力；冷却快的部分，残余热应力为压应力。,47,2.机械应力（收缩应力）由于收缩受阻，产生的都是拉应力或剪应力。因为是产生在弹性状态下，落砂后随着产生弹性变形而消失，为临时应力。（但产生弹性变形的应力仍然留在弹性体内）铸造应力对铸件性能的影响：当铸造应力形成时，若超过合金的屈服极限，则产生塑性变形；若超过合金的强度极限，则产生裂纹冷裂；（冷裂形成机理）若低于弹性极限，则以残余应力的形式存在。有残余应力的铸件，经机械加工，一段时间后，将产生变形，影响零件精度。,48,铸件的变形与防止1.变形 当铸件应力大于材料的抗拉强度时,铸件开裂,应力消除.若应力不足以造成裂纹,则会使铸件逐渐发生 变形,变形后应力减小或消除.一般铸件受拉应力(冷却速度慢)的部分向内凹,而受压应力(冷却速度快)的部分向外凸.薄的部分受压应力则向外凸,厚的部分受拉应力所以 向内凹.,49,防止变形的措施:1.壁厚均匀 2.形状对称 3.同时凝固 4.反变形,50,.铸件的裂纹与防止 当铸造应力材料抗拉强度就会产生裂纹.裂纹分为：热裂纹和冷裂纹1.热裂纹-凝固末期高温下形成的裂纹.特征:纹短缝隙宽形状曲折缝内金属呈氧化色。防止措施（1）选择型砂的粘结剂，改善退让性减小机械 应力。（2）成分内限制钢铸铁含硫量磷量。,51,2.冷裂纹：在较低温度下形成的裂纹.特征：纹细呈连续直线状有时纹内呈轻微 氧化色,出现在形状复杂的拉伸部位，特别是具有应力集中处。防止措施：（1）把内浇口开在薄壁处，实现同时凝固。（2）较早开箱，立即用砂埋好，去除机械力。（3）修改结构，减小应力集中的尖角等（4）限制磷的含量。,52,52,1.防止缩孔、缩松的方法 基本原则：针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，就可以获得健全的铸件。,缩孔、缩松、应力和变形的防止方法,53,53,缩松转化为缩孔的途径可从两方面考虑：第一，尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固，从根本上解决缩松的生成条件；第二，对一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法，使合金尽可能地趋向于逐层凝固。,(1)使缩松转化为缩孔的方法,54,54,要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方向使之符合“定向凝固原则”。,(2)防止缩孔的方法,55,55,铸造热应力是由于铸件壁厚有大小，冷却有先后，致使铸件收缩不一致而形成。防止热应力和变形的方法是采用同时凝固原则。,2.防止应力和变形的方法,56,56,同时凝固原则的优点 凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。同时凝固一般用于以下情况：(1)碳硅含量高的灰铸铁，其体积收缩较小甚至不收缩，合金本身不易产生缩孔和缩松。,57,57,(2)结晶温度范围大，容易产生缩松的合金（如锡青铜），对气密性要求不高时，可采用同时凝固。(3)壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件。(4)球墨铸铁件利用石墨化膨胀力实现自身补缩时，则必须采用同时凝固原则。(5)由于合金性质宜采用定向凝固原则的铸件，当热裂、变形成为主要矛盾时，也可采用同时凝固原则。,58,58,为使铸件实现定向凝固或同时凝固原则，可采取下列工艺措施：(1)正确布置浇注系统的引入位置，确定合理的浇注工艺；(2)采用冒口；(3)采用补贴；(4)采用具有不同蓄热系数的造型材料或冷铁。,3.两种凝固原则应采用的工艺措施,59,五.铸件中的气孔气孔是铸件中最常见的缺陷。它对铸件质量的影响是：破坏金属的连续性、减少承载的有效面积、有应力集中现象等；显著降低零件的机械性能，特别是疲劳强度和冲击韧性；降低铸件的气密性。按气体的来源可分为:侵入气孔、析出气孔、反应气孔,60,一.侵入气孔 侵入气孔：砂型表面层聚集的气体侵入液体中形成 的气孔.特征:在表面附近;气孔尺寸较大,呈椭圆或梨形.孔内 表面被氧化。气孔形成过程:汽化处迁移水分饱和凝聚区若排气不良气气压 气压液体静压气体进入液体 穿过液体逸出留在铸件内气孔 预防:降低型砂的发气量和增加铸型的排气能力.,61,二.析出气孔 析出气孔-溶解在金属中的气体在冷却凝固 过程中,因气体溶解度下降而析出,铸件因此而形成的气孔.,特证:分布面积较广,气孔尺寸 小,铝合多中常见.影响铸件的机械性能,气密性.,对于铝液去除氢气的方法，向铝液冲入氯气精炼。此时反应如下：3Cl2+2Al=2AlCl3 Cl2+H2=2HCl 生成的2AlCl3 HCl及Cl2 气泡在上浮过程中，将铝液中的气体和夹杂物一并带出而消除。,62,三.反应气孔 反应气孔-金属液与铸型材料、冷铁、熔渣 因化学 反应产生气体形成的气孔。特征：种类多形状各异 防止：冷铁表面不得有锈、保持干燥。,63,气孔的形成：进入铸型的液态金属，在凝固过程中，由于在熔炼及浇注过程中对多种气体有一定的溶解度而溶入气体和铸型受热产生的侵入气体，若在凝固过程中不能逸出，则成为铸件中的气孔缺陷。各种气体在液态合金中存在的形态及其对铸件质量的影响如铸件的常见缺陷表所示,64,形状类缺陷,65,形状类缺陷,66,孔洞类缺陷,67,夹杂类缺陷,68,裂纹、冷隔类缺陷,69,表面缺陷,70,铸造工序繁多，影响铸件质量的因素复杂，铸件缺陷几乎难以完全避免，因此废品率较其它金属加工方法高！,