液态金属成形课件.pptx
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1、材料工艺基础,材料工艺基础(液态金属成形),2,材料加工工艺又称材料成形技术,是液态金属凝固成形、金属塑性加工、焊接、材料表面改性、粉末冶金与陶瓷技术等各种材料成形技术的总称。,一、 材料加工工艺在制造业中的地位,1.1 材料加工的任务,成形:获得必要几何尺寸的机器零部件、器件,材料零部件的微观组织及性能受控于成形制造方法和过程,改性:通过工艺过程的控制使材料零部件具有设定的化学成分、组织结构和性能(工艺性和服役性),绪 论,发生熔化、结晶、塑性变形、扩散、相变等物理化学变化,材料工艺基础(液态金属成形),3,1.2 材料加工在制造业中的任务和地位,机械制造工艺流程,材料工艺基础(液态金属成形
2、),4,1.3 材料加工工艺的展望,精密成形技术:铸造、锻造、焊接,快速原型制造:3D打印技术,具有极端性能的新材料加工:激光加工、纳米/非晶材料,计算机辅助、并行工程技术,虚拟制造技术,无公害化加工:节能、环保,二、 材料加工工艺课程的任务,熟悉材料加工过程中的内在规律和物理本质了解技术现状,发展趋势,材料工艺基础(液态金属成形),5,第一章 液态金属成形,材料工艺基础,材料工艺基础(液态金属成形),6,1.1 概述,液态金属成形,通常也称铸造,是将液态金属注入铸型中使之冷却、凝固而形成一定形状和性能的零部件的方法。,适用范围广:可生产形状复杂,特别是具有复杂内腔的零件毛坯,如各种箱体、内燃
3、机缸体、机床床身、机架等 可制造各种合金铸件:常用金属材料均可用来进行铸造,铸件重量由几克到几百吨 成本低、经济性好 缺点:质量不够稳定,力学性能较低、生产条件较差,材料工艺基础(液态金属成形),7,材料工艺基础(液态金属成形),8,铸造方法,大部分铸件用砂型铸造方法生产(6070),还有熔模铸造、离心铸造、金属型铸造、压力铸造等方法。,材料工艺基础(液态金属成形),9,铸造方法的选择,优先采用砂型铸造 据统计,在全部铸件产量中,6070%的铸件是用砂型生产的。当铸件的性能要求更高时,应该采用其它铸造方法,例如熔模铸造、压力铸造等。铸造方法应和生产批量相适应 单件小批量生产的重型铸件,手工造型
4、仍是重要的方法;对于单件生产的重型铸件,采用砂型造型法成本低,投产快;压力铸造、离心铸造等方法,因设备和模具价格昂贵,所以只适合批量生产。,材料工艺基础(液态金属成形),10,铸造方法的选择,造型方法应适合生产条件 不同的企业生产条件(包括设备等)、所积累的经验各不一样,应该根据这些生产条件考虑适合的产品。兼顾铸件的精度要求和成本 应对所选用的铸造方法进行初步的成本估算,以确定经济效益高又能保证铸件要求的铸造方法。,材料工艺基础(液态金属成形),11,1.2 合金的铸造工艺性能,合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能包含以下几个方面的内容:流动性:熔融金属本身的流动能力,是其固有属性。 如:简单
5、黄铜 硅黄铜 铸钢充型能力:熔融金属充满型腔,获得形状完整铸件的能力。熔融金属流动性好,有利薄壁件和复杂件的成型,排气,去杂质和补缩。否则,易产生浇不足,冷隔,夹渣,气孔和缩松等缺陷收缩性:用体收缩率(体积变量)和线收缩率表示,材料工艺基础(液态金属成形),12,(1)合金的流动性,液态合金本身的流动能力,与合金种类、化学成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。,流动性影响因素合金的化学成分及结晶特点的影响 纯金属、共晶成分的合金流动性好,结晶温度范围大的合金流动性差合金结晶潜热和晶粒形状的影响合金物理性质:1)热导率、比热容C、密度;2) 合金的表面张力;3)液态合金的粘度,材料工艺基础(液态
6、金属成形),13,流动性测试方法,流动性测试方法:螺旋试样法,材料工艺基础(液态金属成形),14,(2)铸造合金的充型能力,铸造合金的充型能力决定于液态金属的流动性,又受到铸型条件、浇注条件和铸件结构的影响。1)铸型条件 蓄热能力:铸型蓄热能力大,液态金属冷却快,充型能力降低 如金属模铸造比砂型膜铸造充型能力差 铸型温度:温度高,液态金属冷却慢,充型能力强 铸型中的气体:型腔中过多的气体阻碍熔融金属的充型 2)浇注条件 浇注温度、充型压力、浇注速度,材料工艺基础(液态金属成形),15,(3)铸造合金的收缩性,铸造合金在液态、凝固态和固态冷却的过程中,由于温度的降低而发生的体积减小现象。 物理本
7、质:液态转变为固态时,金属原子由近程有序向远程有序转变,以及空穴的减少或消失。三个阶段: 液态收缩 凝固收缩 固态收缩,收缩是铸件中许多缺陷,如缩孔、缩松、热裂、变形和裂纹等产生的基本原因,是合金的重要铸造性能之一,对铸件质量有着很大的影响。,材料工艺基础(液态金属成形),16,铸造合金的收缩性,液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。 液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩是铸件内应力、变形和裂纹等缺陷产生的主要原因。,材料工艺基础(液态金属成形),17,铸造合金收缩性
8、,液态收缩:金属原子由近程有序转为远程有序,及空穴减少,固态收缩:温度下降,原子间距离缩短,:线收缩系数,材料工艺基础(液态金属成形),18,影响铸件收缩的因素,化学成分与合金类别:如铸钢的收缩最大,灰铸铁最小。浇注温度:合金浇注温度越高,过热度越大,液体收缩越大。铸件结构和铸型工艺条件:铸件的收缩并非自由收缩,而是受阻收缩。1)铸件中各部分冷却速度不同,收缩先后不一致,相互制约产生阻力;2)铸型等对铸件收缩产生的机械阻力。,材料工艺基础(液态金属成形),19,缩孔和缩松,铸件在冷却和凝固过程中,若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充,往往在铸件最后凝固的地方出现孔洞。容积大而且比较集中的
9、孔洞缩孔;细小而且分散的孔洞缩松。产生原因:液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值缩孔和缩松存在:铸件有效承载面积减小,引起应力集中,力学性能下降,还降低气密性和物理性能。,缩孔的形成:在铸件上部或最后凝固的部位; 其外形特征是:近于倒圆锥形。,材料工艺基础(液态金属成形),20,缩松的形成,由于结晶温度范围较宽,树枝晶发达,流动性低、液态和凝固收缩所形成的细小、分散孔洞得不到液态金属补充而造成。,材料工艺基础(液态金属成形),21,缩孔的形成,纯金属和共晶成分的合金,易形成集中缩孔,材料工艺基础(液态金属成形),22,缩孔的形成,材料工艺基础(液态金属成形),23,1.3 合金的铸造工艺缺陷,变
10、形与开裂:铸造应力其他铸造缺陷:偏析,气体,夹杂物,铸造应力产生的原因通常分为三类:热应力:铸件在凝固和冷却过程中,不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。为铸造残留应力固态相变应力:有固态相变的合金铸件,各部分体积因相变发生不均衡变化而引起的应力。机械应力:铸件在固态收缩时,因受到铸型、型芯、浇冒口等机械阻碍而产生的应力。,材料工艺基础(液态金属成形),24,(1)变形与开裂,铸件内的总应力超过合金的屈服强度,发生变形;超过抗拉强度,产生裂纹。由于铸造应力的缘故,处于应力状态(不稳定状态)下的铸件能够自发地发生变形以减少内应力而趋于稳定状态,快冷部分凸起,慢冷部分凹下;受拉部位趋于缩短,受压部
11、位趋于伸长。裂纹产生的温度范围:热裂、冷裂。铸件有裂纹存在时,其强度大为降低。使用时可能由于裂纹的扩展而使铸件断裂,发生事故。,材料工艺基础(液态金属成形),25,铸造应力示意图,材料工艺基础(液态金属成形),26,实例:罗得曼加农炮管的铸造方法,1860年美国内战时期,T J 罗德曼上校发明全新的加农炮管的铸造方法。该方法改变了炮筒的冷却形式,内壁首先开始凝固,此时外壁仍为液态,凝固结果使得炮筒内壁获得很大的残余压应力,使得火炮寿命延长超过20倍。有历史学家认为,该项新技术遏制了一些欧洲国家对美国内战的干涉。该项技术已经广泛应用于制作罐状高压储存容器,材料工艺基础(液态金属成形),27,减少
12、或消除应力的方法,减少铸件各部位的温差,尽量形成同时凝固。改善铸型和型芯的退让性,以减少收缩的机械阻力。在性能满足的前提下,选择弹性模量E小和收缩系数小的合金。消除应力方法:1)人工失效:去应力退火 2)自然失效 3)振动时效,材料工艺基础(液态金属成形),28,铸件裂纹,铸件裂纹: 热裂和冷裂。当固态合金的线收缩受到阻碍,产生的应力若超过该温度下合金的强度,即产生热裂;冷裂是铸件处于弹性状态产生。产生的应力若超过合金的强度极限。,材料工艺基础(液态金属成形),29,铸件裂纹:热裂与冷裂,冷裂:外形呈连续直线状或圆滑区,而且常常是穿过晶粒延伸到整个断面,裂口处表面干净,具有金属光泽或呈微氧化色
13、。成因:与铸件形成应力大小密切相关。影响因素:合金的化学成分和杂质状况,热裂:断面严重氧化,无金属光泽,裂口沿晶界产生和发展, 外观形状曲折而不规则。铸钢件裂口表面近似黑色,铝合金则呈暗灰色。成因:在凝固末期,铸件中结晶的骨架已形成并开始收缩,但晶粒间还有一定液相存在,这时铸件强度和塑性极低,收缩受到铸型阻碍而开裂。结晶温度宽的合金产生热裂的可能性大。影响因素:合金本身的性质、铸型性质、铸件结构、浇注条件。,材料工艺基础(液态金属成形),30,热裂示例,材料工艺基础(液态金属成形),31,(2)偏析、气孔和夹杂物,偏析:微观和宏观微观偏析:微小(晶粒)尺寸范围内化学成分不均匀现象。晶内偏析(枝
14、晶偏析),晶界偏析宏观偏析:铸件较大尺寸范围内化学成分不均匀现象。正偏析,逆偏析,重力偏析 气体:存在形式:溶解状态,化合物状态,气泡。 影响铸造性能,晶间疏松,降低流动性,产生缺陷 夹杂物:分布、大小和形态,材料工艺基础(液态金属成形),32,常见的铸造工艺缺陷,材料工艺基础(液态金属成形),33,作业:1) 缩孔,缩松是铸件中的常见缺陷,哪些因素影响其形成,如何采取措施进行防止,举例说明合金成分对形成缩孔和缩松的影响。2)热应力产生的原因,举例说明如何采取措施减少应力对铸件性能的影响。 单号 周四前交,材料工艺基础(液态金属成形),34,1.4 砂型铸造,以原砂为主要骨料的铸造工艺。,砂型
15、铸造工件示意图,材料工艺基础(液态金属成形),35,1.4.1 砂型铸造一般工艺流程,Molding,Mold,Sand,Melting of metal,Pouringinto mold,Casting,Heattreatment,Cleaningandfinishing,Inspection,Pattern making,Core making,Gating system,Furnaces,Solidification,ShakeoutRemoval of risersAnd gates,Additional heattreatment,DefectsPressure tightnessD
16、imensions,材料工艺基础(液态金属成形),36,1.4.2 砂模的构成,模型:上模:上模箱;下模:下模箱芯棒:内孔成型浇注系统:浇口和冒口的制作砂型铸造的工艺过程:包括混砂、造型和造芯、烘干、合箱、熔化与浇注、铸件的清理和检验等工序。型(芯)砂应具备的性能: 强度; 透气性(与砂粒的形状、大小及粘土的比例、型砂的紧实度有关); 耐火性; 退让性;型(芯)砂的分类:粘土砂(由砂、粘土和附加物如煤粉等组成);水玻璃砂;油砂及合脂砂;树脂砂。,材料工艺基础(液态金属成形),37,粘土沙型 由原沙和粘结剂(可能添加附加物)组成的具有一定强度的微孔-多孔隙体系。 微孔-多孔隙:保证型、芯具有一定
17、的透气性;但孔隙过大将降低表面质量、降低铸件尺寸精度。 原沙占总量的82-99%; 粘结剂起到粘结沙粒的作用; 附加物: 为了改善沙型性能而加入的物质。,砂型,材料工艺基础(液态金属成形),38,1.4.3 砂型铸造示意图,铸件:90度带法兰的弯管接头,材料工艺基础(液态金属成形),39,砂型铸造I (整模造型),材料工艺基础(液态金属成形),40,砂型铸造-II(分模造型),材料工艺基础(液态金属成形),41,砂型铸造III (刮板造型),材料工艺基础(液态金属成形),42,砂型铸造IV (活块造型),材料工艺基础(液态金属成形),43,砂型铸造V (三箱造型),材料工艺基础(液态金属成形)
18、,44,砂型铸造VI (挖砂和假箱造型),材料工艺基础(液态金属成形),45,1.5 特种铸造,砂型铸造生产的铸件,其尺寸精度和表面质量及内部质量在许多情况下不能满足需要。发展了消失模铸造、熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、连续铸造、挤压铸造、负压造型和磁型铸造等,铸件尺寸精度高,表面粗糙度较低铸件的力学性能和内部质量好可生产一些技术要求高且难以加工制造的合金铸件降低材料消耗,改善劳动条件,材料工艺基础(液态金属成形),46,特种铸造压力铸造,在高压作用下,将液态或半液态金属快速压入金属压铸型中,并在压力下凝固而获得铸件的方法。参数:压力:3070 MPa; 充填
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