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1、铸造篇 材料加工工艺 概述 一 铸造的定义 实质 和铸造方法的分类 定义 将液态金属浇注到与零件形状 尺寸相适应的铸型型腔中 待其冷却凝固后 以获得零件或毛坯的方法 砂型铸造 分类 液态成形优点 二 铸造生产特点 优缺点 工艺过程比较复杂 一些工艺过程还难以控制 铸件内部组织的均匀性 致密性一般较差 铸件易出现缺陷 产品质量不够稳定 铸件力学性能比同类材料的锻件低 液态成形缺点 二 铸造生产特点 优缺点 高档6缸小轿车的内部结构 高档6缸小轿车的发动机壳体 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 第一节液态合金的充型 铸造性能是合金在铸造成形的过程中 容易获得外形正确 内部无缺陷
2、铸件的性能 通常用合金的流动性 收缩性等来衡量 1 合金的流动性愈好 容易浇注出轮廓清晰 薄而复杂的零件 有利于夹杂物和气体的上浮与排除 有利于补缩 2 合金的流动性不好 容易产生浇不足与冷隔现象 浇不足冷隔现象 3 合金流动性的测定 通常用浇注的螺旋形试样的长度来衡量合金的流动性 其截面为等截面的梯形 试样上隔50mm长度有一个凸点 以便于计量其长度 合金的流动性愈好 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 二 影响合金流动性的因素 合金的种类 成分 浇注温度和以及铸型填充条件 1 合金的种类不同 其流动性不同 合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著 图 不同结晶特
3、征合金的流动性 亚共晶铸铁随含碳量的增加 结晶温度范围减小 流动性提高 2 浇注温度对流动性的影响 浇注温度高 液态金属在铸型中保持液态的时间增长 可改善合金的流动性 薄壁铸件 但是浇注温度过高 使铸件产生气孔 缩孔 缩松 粘砂等缺陷 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1200 1380 铸钢为1520 1620 铝合金为680 780 薄壁复杂件取上限温度值 厚件则取下限 3 铸型条件对流动性的影响 常采取加高直浇道 扩大内浇道截面 增设出气孔 烘干铸型等工艺 以延长液态合金的流动时间 以改善铸型的填充条件 第二节铸件的凝固与收缩 一 合金的凝固方式 逐层凝固 纯金属和
4、共晶成分合金 不存在凝固区 糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金 不存在固体区 存在三个区域 固相区 液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区 中间凝固 大多数合金 铸件的质量与其凝固方式密切相关 糊状凝固时 难以获得致密的铸件 如 球铁 锡青铜 铝铜合金的凝固 需采取适当工艺进行补缩 逐层凝固时 合金的充型能力强 便于防止缩孔和缩松 可获得致密的铸件 如 灰铸铁 铝硅合金 二 铸造合金的收缩 定义 铸造合金从液态冷却到室温的过程中 其体积和尺寸缩减的现象 收缩包括以下三个阶段 液态收缩 浇注温度 液相线 凝固收缩 液相线 结晶完了 固态收缩 结晶完了 室温 特点 体积收缩 浇注温度升高 液态收缩
5、增加 特点 体积收缩 结晶温度范围增大 凝固收缩增加 特点 只引起铸件外部尺寸变化 用线收缩率表示 1 收缩对铸件质量的影响 1 液态收缩浇注温度越高 使液态收缩率增加 浇注温度一般控制在高于液相线温度50 150 总结 液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小 一般表现为铸型内液面的降低 这两个阶段的收缩是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因 3 固态收缩指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩 固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小 固态收缩是铸件中产生应力 变形和裂纹的主要原因 2 影响收缩的因素 2 浇注温度 3 铸件结构和铸型铸件在铸型中不是自由收缩而是限制收缩 三 铸件中的缩孔与缩松 液态合金在
6、凝固过程中 若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足 则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 按孔洞的大小和分布 可将其分为缩孔和缩松 合金的液态收缩和凝固收缩越大 浇注温度越高 铸件的壁越厚 缩孔的容积就越大 缩孔多集中在铸件最后凝固的部位 其特征是形状不规则 多数呈倒锥形 内表面粗糙 纯金属和共晶成分的合金易形成缩孔 1 缩孔 2 缩松 主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中 被树枝晶分隔开的液体区难以得到补缩所致 缩松大多分布在铸件中心轴线处 热节处 冒口根部 内浇口附近或缩孔下方 缩孔与缩松减小铸件受力的有效面积 且缩孔部位容易产生应力集中 使铸件的力学性能下降 要予以防
7、止 判断缩孔出现的方法 3 缩孔 缩松的防止措施 采用冒口 冷铁的顺序凝固所谓顺序凝固 是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程 冒口和冷铁的合理使用 可造成铸件的顺序凝固 有效地消除缩孔 缩松 冒口 冷铁共用法 设置冒口法 对于一些壁厚均匀的铸件 采用顶部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后 也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松 因此 需在其立壁上增加补贴即一个楔形厚度 才能实现该铸件的顺序凝固 冷铁的作用是加快铸件某处的冷却速度 以控制或改变铸件的凝固顺序 本身并不起不缩作用 通常采用钢 铸铁或铜等制成 第三节铸造内应力 变形和裂纹 一 铸造内应力的形成 铸造内应力 铸造内应力 铸件
8、完全凝固后便进入了固态收缩阶段 若铸件的固态收缩受到阻碍 将在铸件内部产生应力 称为铸造应力 它是铸件产生变形和裂纹的基本原因 1 内应力的形成 机械应力是暂存的应力 铸件落砂后应力自行消失 防止产生机械应力的措施 提高铸型和型芯的退让性 1 机械应力 2 热应力 固态金属在再结晶温度以上为塑性状态 应力产生塑性变形后自行消失 金属在再结晶温度以下为弹性状态 内应力产生弹性变形后继续存在 区分固态金属自高温冷却到室温时状态的变化 热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同 使铸件各部分的收缩不同步而引起的 它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部 是一种残留应力 T0 T1 粗 细杆均处在塑性状态
9、无应力 T1 T2 细杆进入弹性状态 而粗杆仍处在塑性状态 两杆收缩不同 形成暂时应力 如b 但随温度降低 应力消失 如c T2 T3 两杆均处在弹性状态 但T粗 T细 导致粗杆收缩 细杆 所以 粗杆受拉伸 细杆受压缩 结论 产生热应力的规律是 冷却较慢的厚部或心部存在拉应力 冷却较快的薄壁或表层存在压应力 框形铸件热应力的形成过程 预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸件各部分之间的温度差 使其均匀冷却 设计 壁厚尽量均匀一致 工艺 采取同时凝固原则 具体方法 将内浇口开在铸件的薄壁处 以减缓其冷却速度 而在铸件的厚壁处放置冷铁 以加快其冷却速度 2 内应力的防止 优点 可减小其产生应力 变形
10、和裂纹的倾向 且不必设置冒口 使工艺简化 并节约了金属材料 缺点 铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷 所以一般只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产 灰铸铁产生缩孔和缩松的倾向小 而锡青铜倾向于糊状凝固 采用顺序凝固也难于避免缩松缺陷 采用同时凝固的优 缺点 二 铸件的变形与防止 当铸件产生内应力后 铸件通过自由的变形释放应力 心部散热慢 受拉应力 边缘处受压应力 且上表面比下表面冷却得快 导轨部分厚受拉应力 床壁部分较薄受压应力 床身发生朝着导轨方向的弯曲 使导轨下凹 防止铸件变形的措施 采用同时凝固工艺 降低热应力 反变形适用于细长易变形铸件 床身导轨面的挠曲变形及反变形 去应力退火 铸件变形后残
11、余应力并未彻底消除 铸件经机械加工后 内应力将重新分布 使零件缓慢地变形 对不允许发生变形的重要铸件 必须进行去应力退火 去应力退火有自然时效和人工时效两种 自然时效是将铸件置于露天场地 使其缓缓地发生变形 从而使残余应力消除或减少 人工时效是将铸件加热到550 650 进行去应力退火 应用广泛 当铸件内应力超过金属的强度极限时 铸件便发生裂纹 裂纹是铸件的严重缺陷 多使铸件报废 三 铸件的裂纹及防止 铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式 1 热裂纹 产生原因 在铸件凝固末期 固体的骨架已经形成 但枝晶间仍残留少量液体 此时的强度 塑性极低 当固态合金的线收缩受到铸型 芯子或其他因素的阻碍 产生的
12、应力若超过该温度下合金的强度 即产生热裂 防止热裂的措施 a 合理设计铸件结构 b 改善铸型和型芯的退让性 c 限制铸钢和铸铁中的S含量 热裂纹形态 裂纹短 缝隙宽 形状曲折 缝内金属呈氧化色 且裂纹沿晶界产生 外形曲折 2 冷裂纹 冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时 铸造应力超过合金的强度极限而产生的 冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位 特别是应力集中处 裂纹形态 裂纹细小 外形呈连续直线状或圆滑曲线状 裂纹缝内干净 有时呈轻微氧化色 防止冷裂的措施 a 减少铸造内应力 壁厚均匀 增加退让性 b 降低合金的脆性 降低合金中P的含量 c 去应力退火 d 设计铸件时应避免应力集中 第四节铸件中的气孔 二 侵入性气孔 一 析出性气孔 三 反应性气孔
