第一章液态成形理论基础.ppt

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1、材料成形工艺基础材料成形工艺基础 任教任教 ：李卫珍李卫珍 666001办公室：办公室：B6-301第一章第一章 液态成形理论基础液态成形理论基础2 2 常用铸造合金常用铸造合金3 3 铸造方法及其发展铸造方法及其发展4 4 铸件结构与工艺设计铸件结构与工艺设计1 1 液态金属的凝固液态金属的凝固31 液态成形理论基础液态成形理论基础一、液态金属的凝固一、液态金属的凝固金属由液态转化为固态的过程（结晶）金属由液态转化为固态的过程（结晶）包括形核和晶体长大两个基本过程包括形核和晶体长大两个基本过程（结晶过程结晶过程AVIAVI)1 1、金属凝固的概念、金属凝固的概念凝固组织：凝固组织：晶粒形态、

2、大小、分布（宏观）晶粒形态、大小、分布（宏观）晶粒内部结构的晶粒内部结构的形态、大小、分布（微观）形态、大小、分布（微观）影响因素：炉料、铸件冷却速度、生产工艺影响因素：炉料、铸件冷却速度、生产工艺42 2、铸件的凝固方式、铸件的凝固方式（1 1）逐层凝固）逐层凝固只发生在纯金属或只发生在纯金属或共晶成分合金共晶成分合金（2 2）糊状凝固）糊状凝固发生在结晶温度范围很宽的合金发生在结晶温度范围很宽的合金（3 3）中间凝固）中间凝固铸件的凝固一般存在铸件的凝固一般存在3 3个区：固相、凝固、液相；个区：固相、凝固、液相；凝固区的凝固区的宽度宽度S S决定了凝固方式。决定了凝固方式。53 3、影响

3、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6（2 2）铸件的温度梯度）铸件的温度梯度 （陡平程度）（陡平程度）7n铸件的温度梯度主要取决于：铸件的温度梯度主要取决于：n1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。度梯度就愈小。n2）铸型的蓄热能力好，对铸件的激冷能力愈强，）铸型的蓄热能力好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。使铸件的温度梯度愈大。n3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，

4、从而）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。降低铸件的温度梯度。n 总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。措施，减小其凝固区。8二、液态合金的铸造性能二、液态合金的铸造性能充型充型能力：液态合金充满铸型型腔的能力能力：液态合金充满铸型型腔的能力铸造性能：是指铸造过

5、程中，获得形状完全、铸造性能：是指铸造过程中，获得形状完全、内部质量良好的铸件的能力。内部质量良好的铸件的能力。主要包括：流动性、收缩性、吸气性主要包括：流动性、收缩性、吸气性1 1、合金的充型能力、合金的充型能力 液态材料成形技术通常称之为铸造，它是指熔液态材料成形技术通常称之为铸造，它是指熔炼金属，制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，炼金属，制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成形方法。的成形方法。9影响影响合金合金充型能力充型能力的主要因素的主要因素（1 1）合金的流动性（）合金的流动性（液态合金本

6、身的流动能力液态合金本身的流动能力）显然，流动性好，充型能力高显然，流动性好，充型能力高影响流动性的主要因素：合金的种类、合金的影响流动性的主要因素：合金的种类、合金的成分、杂质等成分、杂质等1 1）合金的种类）合金的种类 与熔点、热导率、粘度等与熔点、热导率、粘度等有关；例有关；例铸钢铸钢2 2）合金的化学成分）合金的化学成分影响规律：影响规律：共晶成分共晶成分合金的流动性最好合金的流动性最好，远离，远离共晶成分合金的流动性最差共晶成分合金的流动性最差10 共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，液态共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，液态合金从表层逐层向中心凝固，已结晶的固体层内合金从表层逐层

7、向中心凝固，已结晶的固体层内表面光滑，对金属液的流动阻力小；表面光滑，对金属液的流动阻力小；非共晶成分合金有液、固两相共存区；已结非共晶成分合金有液、固两相共存区；已结晶固体层内表面粗糙，流动阻力大；晶固体层内表面粗糙，流动阻力大；理由：理由：在同样浇铸温度下，共晶成分合金液体的过热在同样浇铸温度下，共晶成分合金液体的过热度大，在液态时间长度大，在液态时间长3 3）杂质）杂质 熔融合金中出现的固态夹杂物熔融合金中出现的固态夹杂物泥石流11铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。螺旋形流动性试样螺旋形流动性试样 12常用合金的流

8、动性常用合金的流动性表表1-1灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。（砂型，试样截面（砂型，试样截面88）合合 金金铸铸 型型浇浇注温度注温度/螺旋螺旋线长线长度度/mm铸铁：w(C+Si)=6.2%w(C+Si)=5.9%w(C+Si)=5.2%w(C+Si)=4.2%砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢：w(C)=0.4%砂型砂型16001640100200铝硅合金金属型金属型()680720700800镁合金（Mg-Al-Zn）砂型砂型700400600锡青铜：w(Sn)=9%11%w(Zn)=2%

9、4%硅黄铜：w(Si)=1.5%4.5%砂型砂型10401100420100013（3 3）浇注条件）浇注条件1 1）浇注温度）浇注温度t t浇浇 t t浇浇充型能力充型能力原因：原因：t t浇浇合金粘度合金粘度内摩擦阻力内摩擦阻力t t浇浇过热度过热度流动时间流动时间2 2）充型压力）充型压力充型压力充型压力充型能力充型能力144 4）铸型条件）铸型条件（1 1）铸型蓄热能力）铸型蓄热能力充型能力充型能力充型能力充型能力（2 2）铸型温度）铸型温度（3 3）铸型中的气体）铸型中的气体充型能力充型能力（4 4）铸件结构）铸件结构薄壁、结构复杂、大水平面等，薄壁、结构复杂、大水平面等，充型能力充

10、型能力152 2、合金的收缩性、合金的收缩性(1)(1)收缩过程三阶段：收缩过程三阶段：(1)(1)液态收缩液态收缩 从浇注温度从浇注温度t t浇浇到凝固开始温到凝固开始温度度t t液液间的收缩间的收缩收缩收缩：铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的：铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象过程中，其体积或尺寸缩减的现象(2)(2)凝固收缩凝固收缩 从凝固开始温度从凝固开始温度t t液液到凝固终到凝固终止温度止温度t t固固间的收缩间的收缩(3)(3)固态收缩固态收缩 从凝固终止温度从凝固终止温度t t固固到室温到室温t t室室间的收缩间的收缩16(2)(2)影响收缩的

11、因素：影响收缩的因素：1)1)化学成分化学成分 碳素钢，碳素钢，C C，凝固收缩凝固收缩 ，固态收缩固态收缩；灰铸铁，灰铸铁，C C、SiSi，收缩率收缩率 ；S S，收收缩率缩率2)2)浇注温度浇注温度t t浇浇 t t浇浇，液态收缩液态收缩3)3)铸件结构和铸型条件铸件结构和铸型条件 阻碍收缩，阻碍收缩，收缩率收缩率17三、铸造性能对铸件质量的影响三、铸造性能对铸件质量的影响（1 1）缩孔的形成）缩孔的形成（2 2）缩松的形成）缩松的形成2.2.铸件中的缩孔与缩松铸件中的缩孔与缩松(Shrinkage and dispersed shrinkage(Shrinkage and disper

12、sed shrinkage)1.1.充充型型能力的影响能力的影响(effect of filling ability on(effect of filling ability on castings)castings)：充型能力强，有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件；充型能力强，有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件；充型能力弱，容易产生充型能力弱，容易产生浇不足浇不足、冷隔冷隔、气孔、气孔、夹渣夹渣、缩孔等、缩孔等缺陷缺陷 由于合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而在由于合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而在铸件内部形成的孔洞铸件内部形成的孔洞18表表1-2 几种铁碳合金的缩孔率几种铁碳合金的缩孔

13、率材料浇注温度/化学成分的质量分数/%缩孔率/%金属基体组织CSiMnPSMg碳 钢白口铸铁灰铸铁灰铸铁球墨铸铁154012501270129012900.242.653.233.403.220.011.102.934.123.700.050.480.450.600.510.050.160.110.090.090.040.090.030.030.010.066.455.702.561.655.50铁铁素体素体-珠光体珠光体莱氏体莱氏体-珠光体珠光体铁铁素体素体-珠光体珠光体铁铁素体素体珠光体珠光体-铁铁素体素体19形状特征：形状特征：缩孔缩孔 容积较大，多呈倒圆锥形容积较大，多呈倒圆锥形 缩松

14、缩松 分散而细小分散而细小凝固方式：凝固方式：逐逐层层凝固合金，易形成缩孔；凝固合金，易形成缩孔；糊状凝固合金易形成缩松糊状凝固合金易形成缩松缺陷部位：缺陷部位：缩孔总是出现在铸件最后凝固的缩孔总是出现在铸件最后凝固的部位，一般在上部；部位，一般在上部；缩松常分散在铸件壁厚的轴线区缩松常分散在铸件壁厚的轴线区域、厚大部位、冒口根部及内浇口附近。域、厚大部位、冒口根部及内浇口附近。基本结论基本结论(conclusions)(conclusions)20（3 3）缩孔与缩松的防止）缩孔与缩松的防止缩孔与缩松的危害：缩孔与缩松的危害：降低铸件的机械性能；缩松还降低铸件的气密性降低铸件的机械性能；缩松

15、还降低铸件的气密性非常有效的措施：使铸件实现定向凝固（非常有效的措施：使铸件实现定向凝固（顺序凝固顺序凝固）21利用顺序凝固防止缩孔利用顺序凝固防止缩孔22实现顺序凝固的工艺途径：选择浇注位置；实现顺序凝固的工艺途径：选择浇注位置；厚大部位安放冒口；安放冷铁；厚大部位安放冒口；安放冷铁；23定向凝固的不足：定向凝固的不足：（1 1）浪费金属和工时，增加成本；）浪费金属和工时，增加成本；（2 2）易使铸件产生变形和裂纹；）易使铸件产生变形和裂纹；用途：用途：主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸钢件等。钢件等。注意：注意：结晶范围很宽的合金，补缩效果很差，难结晶

16、范围很宽的合金，补缩效果很差，难以避免显微缩松的产生以避免显微缩松的产生243.铸造内应力铸造内应力(Internal stress)铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力。收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力。按照产生原因的不同，内应力可分为两种：按照产生原因的不同，内应力可分为两种：（1 1）内应力的形成）内应力的形成内应力内应力热应力热应力(thermal stress)(thermal stress)机械应力机械应力(mechanical stress)(mechanical stress)25弹性状态：固态金属

17、在再结晶温度以下所处弹性状态：固态金属在再结晶温度以下所处的状态、此时，在应力作用下仅发生弹性变的状态、此时，在应力作用下仅发生弹性变形，变形后应力依然存在。形，变形后应力依然存在。1 1）热应力的形成）热应力的形成塑性状态与弹性状态的概念塑性状态与弹性状态的概念塑性状态：固态金属在再结晶温度以上所处塑性状态：固态金属在再结晶温度以上所处的状态。此时，在较小的应力下就可发生塑的状态。此时，在较小的应力下就可发生塑性变形，变形后应力消失。性变形，变形后应力消失。26IIIIIIII以框形铸件为例以框形铸件为例 由此可知，热应力是由于铸件的壁厚不均匀、由此可知，热应力是由于铸件的壁厚不均匀、各部分

18、冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部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分收缩不一致而引起的272 2）热应力分布的规律性）热应力分布的规律性厚的部位受厚的部位受 拉；拉；薄的部位受薄的部位受 压；压；3 3）热应力的防止办法）热应力的防止办法非常有效的措施：使铸件实现同时凝固非常有效的措施：使铸件实现同时凝固同时凝固：同时凝固：采用工艺方法尽量减少铸件各部位间的采用工艺方法尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀冷却。温度差，使其均匀冷却。28工艺措施：工艺措施：浇口开在薄壁处；厚壁处安放冷铁；浇口开在薄壁处；厚壁处安放冷铁；29同时凝固原则之不足：同时凝固原则之

19、不足：铸件心部容易产生缩孔或缩松铸件心部容易产生缩孔或缩松304 4）机械应力的形成）机械应力的形成机械应力：机械应力：合金的固态收缩受到铸型或型芯的机合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力械阻碍而形成的内应力5 5）热应力与机械应力的显著区别）热应力与机械应力的显著区别 形成原因不同；形成原因不同；热应力可一直保留到室温，形成残余应力；热应力可一直保留到室温，形成残余应力；机械应力是暂时的，不会形成残余应力机械应力是暂时的，不会形成残余应力31（1 1）变形的规律）变形的规律4 4、铸件的变形与防止、铸件的变形与防止以以T T形梁铸件来说明形梁铸件来说明可见：厚可见：厚 有缩短

20、的趋势有缩短的趋势 薄薄 有伸长趋势有伸长趋势（2 2）变形的防止）变形的防止 1)1)同时凝固；同时凝固；2 2）反变形法；）反变形法；3233345 5、残余应力的危害及消除、残余应力的危害及消除尽管变形后铸件的内应力有所减缓，但并未彻尽管变形后铸件的内应力有所减缓，但并未彻底消除，它的存在不利于切削加工精度的提高底消除，它的存在不利于切削加工精度的提高消除方法：时效处理消除方法：时效处理35（1 1）热裂）热裂 在高温下产生的裂纹。其形在高温下产生的裂纹。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色缝内呈氧化色6 6、铸件的裂纹与防止、铸件的裂

21、纹与防止热裂纹的形成可以用液膜理论来解释热裂纹的形成可以用液膜理论来解释36T热裂倾向线 收 缩开始温度固相线37 此外，合金中的一些其它元素对其热裂此外，合金中的一些其它元素对其热裂倾向也有一定的影响。如：碳素钢中的倾向也有一定的影响。如：碳素钢中的S S、P P、Si,MnSi,Mn 四种因素对热裂性的影响。四种因素对热裂性的影响。SipSMn%38铸件特殊位置的裂纹示意图铸件特殊位置的裂纹示意图39常用防止办法：增加铸型及型芯的退让性常用防止办法：增加铸型及型芯的退让性40（2 2）冷裂）冷裂 在低温下产生的裂纹。其形在低温下产生的裂纹。其形状特征是：裂纹细小、呈连续直线状、有状特征是：

22、裂纹细小、呈连续直线状、有时缝内呈轻微氧化色时缝内呈轻微氧化色常出现在铸件受拉伸部位常出现在铸件受拉伸部位影响冷裂纹形成的主要因素：影响冷裂纹形成的主要因素：1)1)内应力大小；内应力大小；2 2）含磷量）含磷量常用防止办法：减少铸件的内应力（特别常用防止办法：减少铸件的内应力（特别是热应力）是热应力）浇不足：铸件形状不完整浇不足：铸件形状不完整返回返回冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝冷隔形成示意图冷隔形成示意图返回返回t浇A AE EC CD DF FP PL+AL+Fe3C4.34.32.11 2.11 1147CLe+A+Fe3CI

23、ILe+Fe3CLeS SK KLC%C%铁碳铁碳合金中的共晶合金是含碳量为合金中的共晶合金是含碳量为4.34.3的合金。的合金。C C点为点为共晶点，温度为共晶点，温度为11471147 C C，当铁水温度降低到该温度时，当铁水温度降低到该温度时，液体会结晶成共晶体液体会结晶成共晶体-莱氏体。莱氏体。返回返回t浇t浇t液A AE EC CD DF FP PL+AL+AL+Fe3CL+Fe3C4.34.32.11 2.11 1147CLe+A+Fe3CIILe+A+Fe3CIILe+Fe3CLe+Fe3CLeLeS SK KL LC%C%返回返回返回返回糊状凝固合金补缩糊状凝固合金补缩困难示意图困难示意图返回返回反变形法T形梁铸件变形示意图返回返回返回返回金属结晶过程形核形核核长大核长大目录页目录页