金属工艺学第一章铸造工艺基础.ppt

第二篇第二篇 铸铸 造造一、什么是铸造生产（液态凝固成型）一、什么是铸造生产（液态凝固成型）将将液液态态金金属属浇浇注注到到与与零零件件形形状状相相适适应应的的铸铸型型型型腔腔中中，待其冷却凝固，以获得待其冷却凝固，以获得毛坯或零件毛坯或零件的生产方法。的生产方法。铸造生产过程铸造生产过程零零件件图图铸铸造造工工艺艺图图铸铸型型型型芯芯芯盒芯盒 芯砂芯砂型砂型砂模型模型熔化熔化合合 箱箱落落砂砂、清清理理检检 验验铸铸 件件二、砂型铸造的工艺过程二、砂型铸造的工艺过程浇注浇注冷却冷却凝固凝固（1 1）材料来源广；）材料来源广；（2 2）废品可重熔；）废品可重熔；（3 3）设备投资低。）设备投资低。三、铸造生产的特点三、铸造生产的特点1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1 1）合金种类不受限制；）合金种类不受限制；（2 2）铸件大小几乎不受限制。）铸件大小几乎不受限制。2 2适应性强：适应性强：3 3成本低：成本低：4 4废废品品率率高高、表表面面质质量量较较低低、劳劳动动条条件件差差；铸铸件件力力学学性性能能、砂砂型型铸铸造造铸铸件精度较差。件精度较差。性材料材质：不限，特别是脆结构：复杂外形、内腔壁厚：尺寸：几毫米十几米重量：几克几百吨mmm12.0高档高档6缸小轿车的内部结构缸小轿车的内部结构不需加工或少加工的精密铸件不需加工或少加工的精密铸件不需加工开式叶轮精密铸件不需加工开式叶轮精密铸件高档高档高档高档6 6缸小轿车的发动机壳体缸小轿车的发动机壳体缸小轿车的发动机壳体缸小轿车的发动机壳体1.1 液态合金的充型液态合金的充型充型能力不足时，会产生浇浇不不足足、冷隔、夹渣、气孔冷隔、夹渣、气孔等缺陷。（一）液态合金的流动性一）液态合金的流动性合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。液态合金本身的流动能力。充型充型 液态合金填充铸型的过程。液态合金填充铸型的过程。充型能力充型能力液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。轮廓清晰的成形件的能力。影响充型能力的主要因素：影响充型能力的主要因素：第一章第一章 铸造工艺基础铸造工艺基础浇不足浇不足 冷隔现象冷隔现象0.45%C 铸钢：200mm出气口浇口杯 4.3%C 铸铁：1800mmv 合金流动性的测定：合金流动性的测定：螺旋试样测定法螺旋试样测定法合金的流动性愈好，合金的流动性愈好，其长度就愈长。其长度就愈长。通常，灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。通常，灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。通常，灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。通常，灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。图图1不同结晶特征合金的流动性不同结晶特征合金的流动性 u亚共晶铸铁随含碳量的增亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流加，结晶温度范围减小，流动性提高。动性提高。a)在恒温下凝固在恒温下凝固b)在一定的温度范围内凝固在一定的温度范围内凝固图图2 Fe-C合金流动性与含碳量的关系合金流动性与含碳量的关系（3 3）浇注系统的结构）浇注系统的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力浇注系统的结构越复杂，流动阻力 越大，充型能力越差。越大，充型能力越差。（二）浇注条件（二）浇注条件（1 1）浇注温度）浇注温度 一般一般T T浇浇越高，液态金属的充型能力越强。越高，液态金属的充型能力越强。（2 2）充型压力）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。充型能力越强。在生产中采用：高温出炉，低温浇注的原则。在生产中采用：高温出炉，低温浇注的原则。灰铸铁浇注温度为灰铸铁浇注温度为1200-1380；铸钢为；铸钢为1520-1620；铝合金为；铝合金为680-780。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。（2 2）铸型温度）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。越小，充型能力越强。（3 3）铸型中的气体）铸型中的气体（4 4）铸件结构）铸件结构（三）铸型填充条件（三）铸型填充条件（1 1）铸型材料）铸型材料 铸型材料的导热系数愈大，对液态合金的铸型材料的导热系数愈大，对液态合金的微冷能力愈强，合金的充型能力愈差。微冷能力愈强，合金的充型能力愈差。1.1.逐层凝固逐层凝固 纯纯金金属属、二二元元共共晶晶成成分分合合金金在在恒恒温温下下结结晶晶时时，凝凝固固过过程程中中铸铸件件截截面面上上的的凝凝固固区区域域宽宽度度为为零零，截截面面上上固固液液两两相相界界面面分分明明，随随着着温温度度的的下下降降，固固相相区区由由表表层层不不断断向向里里扩扩展展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固逐层凝固”。1.2、合金的凝固特点、合金的凝固特点一、铸件的凝固方式一、铸件的凝固方式(a)(b)(c)2.2.糊状凝固（体积凝固）糊状凝固（体积凝固）当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“糊状凝固糊状凝固”（或称体积凝固）。（或称体积凝固）。(a)(b)(c)3 3中间凝固中间凝固 金金属属的的结结晶晶范范围围较较窄窄，或或结结晶晶温温度度范范围围虽虽宽宽，但但铸铸件件截截面面温温度度梯梯度度大大，铸铸件件截截面面上上的的凝凝固固区区域域宽宽度度介介于逐层凝固与体积凝固之间，称为于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固中间凝固”方法。方法。(a)(b)(c)（2 2）铸件的温度梯度）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄 。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2T浇T液T固T室影响铸件凝固方式的主要因素影响铸件凝固方式的主要因素 ：（1 1）合金的结晶温度范围）合金的结晶温度范围 合合金金的的结结晶晶温温度度范范围围愈愈小小，凝凝固固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。体收缩率是铸件产生体收缩率是铸件产生缩孔或缩孔或缩松缩松的根本原因。的根本原因。体收缩率：体收缩率：线收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生线收缩率是铸件产生应力、应力、变形、裂纹变形、裂纹的根本原因。的根本原因。（3 3）固态收缩固态收缩 从凝固终止温度到室从凝固终止温度到室温间的收缩。温间的收缩。T T固固 T T室室（2 2）凝固收缩凝固收缩 从凝固开始到凝固从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。终止温度间的收缩。T T液液 T T固固二、合金的收缩特点二、合金的收缩特点1.1.收缩的概念收缩的概念合金的收缩经历如下三个阶段：（1 1）液态收缩液态收缩 从浇注温度到凝固从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。开始温度之间的收缩。T T浇浇 T T液液表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2T浇T液T固T室（1 1）化学成分）化学成分 灰铸铁中碳、硅含量愈高，硫含量愈低，收缩率越小。灰铸铁中碳、硅含量愈高，硫含量愈低，收缩率越小。2.2.影响收缩的因素影响收缩的因素（2 2）浇铸温度）浇铸温度 浇铸温度升高，液态收缩增加，总收缩量增大。浇铸温度升高，液态收缩增加，总收缩量增大。（3 3）铸件结构与铸型条件）铸件结构与铸型条件 铸件收缩是受阻收缩；铸件收缩受阻愈大，实际收缩率铸件收缩是受阻收缩；铸件收缩受阻愈大，实际收缩率愈小。愈小。（1 1）缩孔与缩松）缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞孔洞 。大而集中大而集中的称为的称为缩孔缩孔，细小而分散细小而分散的称为的称为缩松缩松。1)1)缩孔和缩松的形成缩孔和缩松的形成三、铸件中的缩孔与缩松三、铸件中的缩孔与缩松缩孔与缩松缩孔与缩松2)2)缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现次序，使铸件实现“顺序凝固顺序凝固”。缩孔与缩松的防止缩孔与缩松的防止暗冒口冒口冒口 储存补缩用金属储存补缩用金属液的空腔。液的空腔。顺序凝固顺序凝固 铸件按照一定铸件按照一定的次序逐渐凝固。的次序逐渐凝固。冷铁热节2.3铸造应力、变形和裂纹及其防止措施铸造应力、变形和裂纹及其防止措施 一一.内应力的形成内应力的形成 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。，铸件内部即将产生内应力。1.1.机械应力（收缩应力）机械应力（收缩应力）合金的线收缩受到铸合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。械阻碍而形成的内应力。上型下型内应力分为机械应力和热应力内应力分为机械应力和热应力v机械应力是暂存的应力，铸件落砂后机械应力是暂存的应力，铸件落砂后应力自行消失。应力自行消失。v防止产生机械应力的措施：提高铸型和型芯的退让性。防止产生机械应力的措施：提高铸型和型芯的退让性。2 2热应力热应力 热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。tT12t0t1t2t3THT临T室塑性状态弹性状态12+-12+-1212-+12t0t1:t1t2：t2t3：T0-T1:粗、细杆均处在塑性状态，粗、细杆均处在塑性状态，无应力；无应力；T1-T2:细杆进入弹性状态，而粗细杆进入弹性状态，而粗杆仍处在塑性状态；两杆收缩不杆仍处在塑性状态；两杆收缩不同，形成暂时应力（如同，形成暂时应力（如b），但），但随随温度降低，应力消失（如温度降低，应力消失（如c）；）；T2-T3:两杆均处在弹性两杆均处在弹性状态，但状态，但T粗粗T细，导致细，导致粗杆收缩粗杆收缩细杆。所以，细杆。所以，粗杆受拉伸，细杆受压缩。粗杆受拉伸，细杆受压缩。热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。热应力是永久应力。热应力是永久应力。结论：结论：二二.铸件的变形与防止铸件的变形与防止+-反变形法反变形法防止变形的方法：防止变形的方法：1 1）使铸件壁厚尽可能均匀；）使铸件壁厚尽可能均匀；3 3）采用同时凝固的原则；）采用同时凝固的原则；2 2）采用反变形法；）采用反变形法；4 4）时效处理。）时效处理。三、铸件的裂纹与防止三、铸件的裂纹与防止 1 1 热裂热裂 热裂的形状特征是：热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂的防止：热裂的防止：应尽量选择凝固温度范围小，应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。热裂倾向小的合金。应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。防止热脆性。2 2 冷裂冷裂 冷裂的特征是：冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。光泽或轻微氧化色。冷裂的防止：冷裂的防止：1 1）使铸件壁厚尽可能均匀；）使铸件壁厚尽可能均匀；2 2）采用同时凝固的原则；）采用同时凝固的原则；3 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。含量，防止冷脆性。2.4 铸件中的气孔铸件中的气孔一、析出性气孔一、析出性气孔 当当金金属属液液冷冷却却时时，由由于于对对气气体体的的溶溶解解度度下下降降而而析析出出的的气气体来不及跑出时，会在铸件中形成析出气孔。体来不及跑出时，会在铸件中形成析出气孔。特特点点：裸裸眼眼可可见见的的小小圆圆孔孔，分分布布面面大大，热热节节处处密密集集，多多见见于于 铝合金和铸钢件。铝合金和铸钢件。防止：防止：清理清理炉料油污，烘干炉料，真空熔炼，除气处理等。炉料油污，烘干炉料，真空熔炼，除气处理等。各种铸造合金尤其是有色金属和合金，在液态时都有各种铸造合金尤其是有色金属和合金，在液态时都有吸气（吸气（H H2 2为主为主）的特性。的特性。气孔气孔二、二、侵入性气孔侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液中形成的气孔。造型材料中的气体侵入金属液中形成的气孔。特点：特点：体积较大，圆形或椭圆形，分布在铸件表面。体积较大，圆形或椭圆形，分布在铸件表面。防止：防止：控制型砂中的含水量，提高铸型排气能力等。控制型砂中的含水量，提高铸型排气能力等。三、三、反应性气孔反应性气孔 金属液与铸型之间发生化学反应产生的气孔。金属液与铸型之间发生化学反应产生的气孔。特点：特点：多见于黑色金属铸件，分布在表皮多见于黑色金属铸件，分布在表皮 下面，又称皮下气孔。下面，又称皮下气孔。防止：防止：型腔表面喷涂料，烘干炉料，减少型腔表面喷涂料，烘干炉料，减少 型砂水分等。型砂水分等。铸件中的缺陷铸件中的缺陷 常见铸件缺陷及特征 名称 特 征名称 特 征气 孔主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。缩孔缩松 1缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。2缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。粘 砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。裂纹 1热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。2冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。夹 砂 铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。化学成分及力学性能不合格 铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条件要求。白 口灰铸铁件断面全部或表面出现亮白色组织，常在铸件薄的断面，棱角及边缘部分。