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1、第一篇：液态金属成形工艺 第一讲 液态金属成形的工艺基础第一讲 液态金属成形的工艺 基础1.1 液态金属的充型能力 1.2 液态金属的凝固与收缩 1.3 铸造缺陷和控制措施液态合金的工艺基础液态合金的工艺基础表征为液态合金的 铸造性能通常是指合金的流动性、收缩性 吸气性及偏析等性能合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件 的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据1.1 液态金属的充型能力液态金属通过浇注系统充满铸型型腔，获得尺寸精 确、轮廓清晰的成型件的能力充型能力的概念:充型能力不足浇不足冷 隔夹 砂气 孔夹 渣充型能力的决定因素合金的流动性 铸型性质 浇注条件 铸件结构等浇注系统冒口 直浇道
2、横浇道内浇道浇口杯金属的流动性：改善金属的流动性加快凝固中液体的补缩排除内部夹杂物和气体形成薄壁复杂的铸件有利于测试合金充型能 力的方法:将合金液浇入铸型 中，冷凝后测出充 满型腔的式样长度 。浇出的试样越长 ，合金的流动性越 好,合金充型能力 越好.金属流动性测试实验金属流动性测试实验实验如下图所示：不同合金流动性的比较*铸铁的流动性*铸钢的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小 ，过热度高，金属液内含热 量多， 保持液态的时间长，充型 能力强。液态金属在流动方向上所受的 压力称为充型压力。充型压力 越大, 充型能力越强。浇注系
3、统的结构越复杂，则 流动阻力越大，充型能力越 差。浇注条件铸型性质铸型温度(不能过高)铸型蓄热系数: 即从金属中吸取热量 并储存的能力铸型的发气和 透气能力： 浇铸时产生气体 能在金属液与铸型间形成气膜， 减小摩擦阻力，有利于充型。 但发气能力过强,透气能力又差时, 若浇铸速度太快, 则型腔中的气体压力增大， 充型能力减弱。铸件结构折算厚度：折算厚度也 叫当量厚度或模 数,是铸件体积 与铸件表面积之 比。折算厚度越 大，热量散失越 慢，充型能力就 越好。复杂程度：铸件结构越复 杂，流动阻力就 越大，铸型的充 填就越困难。1.2 液态金属的凝固与收缩铁碳合金状态图相图中的主要特性线ACD线为液相
4、线，在 ACD线以上合金为液态 ，用符号L表示。液态合 金冷却到此线时开始结 晶，在AC线以下结晶出 奥氏体，在CD线以下结 晶出渗碳体，称为一次 渗碳体，用符号Fe3C表 示。 AECF线为固相线，在此 线以下合金为固态。液 相线与固相线之间为合 金的结晶区域，这个区 域内液体和固体共存。L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C相图中的主要特性线ECF线为共晶线，温度为 1148。液态合金冷却到该线 温度时发生共晶转变：L4.3- A2.11+Fe3C6.69PSK 线为共析线，又称A1线， 温度为727。铁碳合金冷却到 该温度时发生共析转变：A0.77- F0.0218
5、+Fe3C6.69ES线是碳在-Fe中的溶解度曲 线，又称Acm线。 GS线，又称A3线。是冷却时由 奥氏体中析出铁素体的开始线。 L+L+ L+ Fe3C+ + Fe3C + F+ Fe3C1、铸件的凝固过程：在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域 ，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较 大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件 的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。2、铸件的 凝固方式 ： 逐层凝固中间凝固 糊状凝固铸件的铸件的“ “凝固方式凝固方式” ”就是依据凝固区的宽窄来划分的就是依据凝固区的宽窄来划分的。逐层凝固逐层凝固纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两
6、相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。糊状凝固糊状凝固铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。中间凝固中间凝固大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。3、影响凝固方式的主要因素 合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。 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温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄。合金凝固温度区间的影
7、响温度梯度的影响逐层凝固 中间凝固 糊状凝固窄窄宽宽陡陡平平4、铸件的收缩定义：定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。分类：分类：分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。铸件温度降低铸件温度降低浇注温度室温凝固终止温度开始凝固温度液态收缩凝固收缩固态收缩体积收缩线收缩共晶成分从液态共晶成分从液态 变为固态需要一变为固态需要一 定的时间定的时间收缩率：收缩率：体积收缩体积收缩是指单位体积的收缩量（表示由液态到常温的收缩）。线收缩线收缩是指单位长度上的收缩量（可以表示固态时的收缩）。 体积收缩率：体积收缩率：线收缩率：线收缩率：其中 V0，L0表示铸件在高温T
8、0时的体积和一维方向的长度；V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。 3.34.20.13.614003.50灰口铸铁5.46.34.22.414003.00白口铸铁7.863.01.616100.35碳钢固态收缩 （）凝固收缩 （）液态收缩 （）浇注温度 （ ）碳含量 （）合 金种 类表 典型合金的收缩率V固态合金冷却液态收缩凝固收缩固态收缩缩孔缩松裂纹变形应力合金收缩液态合金冷却小结：小结：合金的收缩是多数铸造缺陷产生的根源，其中液态液态收缩收缩和和凝固收缩凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因是铸件产生缩孔和缩松的基本原因，固态收固态收缩缩是铸件中产生铸造应力、变形、裂纹的
9、基本原因是铸件中产生铸造应力、变形、裂纹的基本原因。 5、影响收缩的因素铸型条件铸件结构浇注温度化学成分(c含量)合金收缩（1）缩孔的形成:纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金, 浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固 过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝 固的地方就会产生缩孔.1.3 铸造缺陷和控制措施 1、缩孔与缩松的形成（2）缩松的形成原因铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶 温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液 、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分 割开的小液体区难以得到补缩所致。（3）消除缩孔和缩松的方法定向凝固原则是铸件让远离冒口的地方先 凝固，靠近
10、冒口的地方次凝 固，最后才是冒口本身凝固 。实现以厚补薄，将缩孔转 移到冒口中去。原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺。 方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。顺序凝固原则：使铸件按规定方向从一 部分到另一部分逐渐凝固的过程。解决缩孔的方法演示： 冒口和冷铁2、液态成形铸造应力、变形与裂纹铸造应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的 壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩 而引起的应力。（热阻碍）铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、 浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。 （外力阻碍）由于铸造应力的缘故，处于应力状态（不稳定状态） 下的铸件将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以
11、 回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。相变应力组织相变不均匀出现的应力减小和消除铸造应力的方法铸件的结构：铸件各部分能自由收缩工艺方面：采用同时凝固原则（即减小铸件各部分的温差）时效处理：人工时效；自然时效；振动时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀 人工时效：将铸件重新加热到处于塑性状 态的温度范围，在此温度下保温一定时间 ，使铸件各部分的温度均匀，让应力充分 消失，然后随炉缓慢冷却以免重新形成新 的应力（热时效、消除内应力退火） 自然时效：将具有残余应力的铸件露天放 置数个月乃至一年，随着长时间自然温度 的变化，使铸件发生非常缓慢的变形，从 而使剩余应力消失 振动时效：将铸件在共振条件下（振动频 率在4006000Hz）振动1060min，以 达到消除剩余应力的目的。铸件的变形铸件特殊位置的裂纹示意图铸件特殊位置的裂纹示意图裂纹的常见部位：裂纹和变形的防止：以有利于释放铸造应力为原则；1、采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；2、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；3、对铸件进行热处理。3、充型过程中产生的铸造缺陷充型能力不足浇不足冷 隔夹 砂气 孔夹 渣小结小结合金工艺性能充 型 能 力凝 固 方 式铸造缺陷流动性浇注条件铸型条件逐层凝固糊状凝固中间凝固收 缩 性 能液态收缩凝固收缩固态收缩
