《《热加工工艺》第一章 铸造》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《热加工工艺》第一章 铸造（132页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章 铸 造 casting,1-1 概述,1-2 金属的液态成形,1-3 砂型（芯）铸造,1-4 砂型铸件结构的工艺性,1-5 砂型铸造工艺方案的确定,1-6 常用合金铸件的生产,1-7 特种铸造,返回,1-1 概述,将液态金属浇注到铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。 所得产品称为铸件。,铸造：,一、铸造的定义,铸造的实质：液态金属凝固成形,返回,二、铸造的特点,1、优点：,1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。,2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可
2、由0.5mm到1m左右。,3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。,2、缺点：,1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧性低于同种材料的锻件。,2）铸造工序多，难以精确控制，质量难以控制。,铸造是制造复杂结构金属件的最灵活、最经济的成形方法。,突出优点：,返回,返回,返回,三、铸造技术的发展,砂型铸造,适应性强、生产准备简单，是目前最主要的铸造方法。,其他铸造方式,熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、消失模铸造、陶瓷型铸造等。,我国的悠久铸造历史,青铜器：三千多年前 铸铁工具：二千五百年前 泥型、
3、金属型、失蜡型我国创造的三大铸造技术,我国铸造技术的发展,型砂铸造方面：推广应用水玻璃砂、自硬砂、树脂砂,机器造型技术不断发展，用湿型砂制造出高密度铸型,铸造合金方面：发展了高强度、高韧性的球墨铸铁,铸造设备方面：建立了机械化、自动化砂型造型生产线,返回,泥型铸造,以粘土为主要材料制成铸型来生产铸件的 一种铸造方法。,粘土加入适量水分后有很强的粘结力，再加入一些稻壳、稻芒、马粪、糠灰等，经过荫干或烘干，即成为有出气孔隙且硬度极高的铸型。泥型表面的粘土细而匀，中间质地较粗，有的还加入一些砂子、缸渣、碎砖等。用泥型浇注简单铸件，一个铸型可用几次到几十次，是一种半永久铸型。泥型铸造是中国应用最早的一
4、种铸造技术，古名泥范，也叫陶范。,返回,返回,1-2 金属的液态成形,一、铸件的凝固,合金从液态转变为固态的状态变化,凝固：,结晶学角度：凝固时合金液中的原子由无序排列经过生核、核心长大称为规则排列的晶体一次结晶。,1、铸件的温度场,合金液充满型腔后，在凝固和冷却的某瞬间，铸件横断面上的温度分布曲线,返回,2、铸件的凝固区域,TL凝固开始温度,TS凝固结束温度,三个区域随着时间的变化而变化，在铸件的凝固过程中液相区不断缩小，凝固区不断向中心推进至消失，而固相区逐步扩大至占据铸件整个断面，此时凝固结束。,返回,2、铸件的凝固方式,合金的结晶温度范围合金成分 铸件断面温度场,返回,二、液态合金的充
5、型能力,液态合金充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力,对于充型能力强的合金液，卷入其中的气体易于上浮而被排除，有利于对铸件的凝固收缩进行补缩及补合在凝固后期出现的热裂纹，从而防止气孔、缩孔、缩松和热裂等缺陷。,影响液态合金的充型能力主要因素有：,1、合金的流动性,合金熔融状态的流动能力， 影响合金充型能力的内在因素， 主要与合金本身的性质有关。,合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。,返回,返回,合金的化学成分是影响合金流动性的主要因素。,恒温下结晶的纯金属和共晶合金具有逐层凝固
6、方式，流动性好，如纯铁和共晶铸铁。当液流前端温度达到固相点TS时，在铸件壁断面上能够凝固从表面向中心推动，固、液相界面平滑，阻力小，故中心未凝液体仍能流动，流动性好。,宽结晶温度范围的合金呈糊状凝固方式，流动性差，如高碳钢。在液流前端较早出现液、固共存区，使金属液流速下降。随着小晶体不断增多，到一定程度时液体则停止流动，流动性差。合金结晶温度范围越宽，则两相区越宽，晶体越多，金属液越早停止流动，流动性差。,返回,碳钢随着结晶温度范围的增加而流动性变差；亚共晶铸铁随含碳量的增加流动性提高。,返回,2、外界条件,1）铸型和浇注条件,金属铸型的导热速度比砂型大，故液态合金在金属型中的充型能力比砂型差
7、。,砂型中水分过多，排气不好，浇注时产生大量气体，会增加铸型对金属液流动的阻力，使合金的充型能力变差。,在一定温度范围内，浇铸温度越高液态合金的充型能力越好。但超过一定界限厚浇注温度越高液态合金收缩越大，吸气越多，氧化越严重，充型能力降低。此外，提高金属液压头可增加其充型能力。,2）铸件结构条件,铸件模数,铸件的体积与散热表面积之比,铸件模数大表示型腔散热表面积小，合金液的充型能力较强。 设计铸件结构时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚。,返回,三、铸件的收缩,1、合金的收缩,合金液浇入铸型后，在液态、凝固态和固态冷却过程中所发生的体积减少现象。它是缩孔、缩松、应力、变形、热裂和冷裂等缺陷
8、产生的基本原因。,收缩率,合金的收缩可分为三个阶段： 1）液态收缩 合金液由浇注温度T浇冷却到液相线温度TL期间的体积收缩,合金的收缩特性是以单位体积或长度的收缩量来表示,表现为型腔内液面的降低，可从浇注系统中获得液体 补缩，以保持型腔充满。,返回,2）凝固收缩 合金从开始析出固相到凝固终止期间的体积收缩,3）固态收缩 合金凝固为固体后冷却至室温时所产生的体积收缩,恒温下凝固的合金有确定的体收缩率，仅包括液、固状态改变的收缩。而在一定温度范围内凝固的合金其凝固收缩较为复杂，包括液、固状态改变和温度改变两部分引起的收缩。大多数合金凝固时体积显著减小，少数合金凝固时发生体积膨胀，如灰铸铁、球墨铸铁
9、等（因析出石墨）。在凝固阶段若合金体积收缩得不到金属液的及时补充，则会形成缩孔、缩松等缺陷。,TSTL,通常表现为合金个方向线尺寸的缩小，它影响铸件的尺寸精度和形状的准确性。固态收缩通常用线收缩率来表示。,合金的总体积收缩率液态收缩凝固收缩固态收缩,返回,2、铸件的收缩,铸件的收缩要比合金的收缩复杂得多，当合金成分和温度一定时，铸件的收缩还与铸型条件和铸件结构有关。,1）化学成分2）浇注温度 3）铸件结构与铸型条件,3、影响合金收缩的因素,铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收
10、缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。,不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小,合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大,返回,4、凝固收缩缺陷,（1）缩孔 当合金在恒温下或窄温度范围内凝固，铸件壁断面逐层凝固方式时易形成缩孔。,缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。,返回,铸件两壁相交处因金属积聚较晚，也易产生缩孔,热节,铸件上壁厚较大及内浇口附近的地方也是热节,返回,（2）缩松 主要产生在结晶温
11、度范围较宽的合金和断面温度梯度小的铸件中。,液态金属表层因散热快而凝固结壳后，铸件内部呈糊状凝固方式，有一个较宽的液、固相共存的凝固区域，继续冷却时数值状小晶体容易长大成粗大的等轴晶组织，当等轴晶互相连接成固体后，便将液态金属分割为许多的封闭区，小的封闭区中液体凝固时得不到补充，最终形成许多小而分散的孔洞，凝固后的铸件冷却时继续收缩。,缩松一般产生在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部、内浇口附近、缩孔的下方。,返回,消除缩孔类缺陷的途径,1）实现顺序凝固，用冒口补缩。,使铸件各部分按规定方向从一部分到另一部分铸件凝固 如图阶梯形铸件。,在铸件纵断面上建立一个从薄部到厚部逐渐递增的温度梯度，实现
12、冒口方向的顺序凝固。铸件每部分收缩时都能得到稍后凝固部分的液体补充。,返回,圆柱体铸件的顶部设置冒口，合金液从冒口浇入，实际上形成了由下向上的顺序凝固。,顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁。,顺序凝固原则的铸件致密度高，但铸件各部分温差较大，冷却速度不一致，易产生铸造应力、变形、裂纹等缺陷。,冒口,尺寸保证比铸件补缩部位凝固得晚，并有足够的金属液供给形状多采用散热面积小的圆柱形,返回,冷铁,补贴,用铸铁、钢和铜等金属材料制成的激冷物,通常放入铸型内，用以加大铸件某一部分的冷却速度，扩大冒口的有效补缩距离。,铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔
13、形厚度，使铸件壁变成朝冒口逐渐增加的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，可有效消除缩孔。,返回,2）使铸件实现同时凝固,同时凝固原则不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件冷却均匀，不易形成应力、变形和裂纹等缺陷。,同时凝固适用于各种合金的薄壁件。由于铸型的冷却作用强，薄壁处横向断面上温度梯度大，倾向于逐层凝固。而多个分散的内浇道液流补充量大，对于收缩较小的灰铸铁可消除缩孔，获得致密件。收缩较大的薄壁铸钢、有色合金铸件往往出现轴线缩松，但因其表层组织致密，可保证气密性而不发生泄露。,返回,5、固态收缩缺陷,铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力,1）铸造应力,铸件上壁厚不均匀的各部位冷却速度和线收
14、缩量不均衡，相互阻碍收缩引起,热应力,形成机理：开始薄壁部分因散热快先凝固和冷却，沿长度收缩，受到厚壁部分的阻碍产生拉伸应力作用，厚壁受到压缩应力。但此时厚壁部分温度较高，处于塑性状态，应力随之消失。当薄壁部分已完成固态收缩而成为结实的刚体，厚壁部分仍继续固态收缩时，受到薄壁部分阻碍而产生拉应力,热应力在铸件冷却到室温后仍残留在铸件的不同部位，是一种残余应力,分布规律：壁厚（冷却慢）拉应力；薄壁（冷却快）压应力,返回,铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起,固态相变应力,铸件的固态收缩受到铸型、型芯、浇口、冒口等外因的机械阻碍而产生的应力,机械应力,（收缩应力）,机械应力一般是拉应力
15、。当形成应力的原因一经消除（如落砂，打断浇口、冒口）后，应力也随之消失。是一种临时应力。,但如果临时拉应力和厚壁内残留的热应力同时作用，在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。,轴向拉应力 径向拉应力,返回,铸造应力对铸件质量危害很大，使铸件的精度和使用寿命大大降低。在存放、加工甚至使用过程中铸件内的残余应力将重新分布，使铸件发生翘曲变形或裂纹。还降低铸件的耐腐蚀性，应尽快减小和消除之。,铸造应力的防止和消除措施 1）采用同时凝固的原则设计铸造工艺，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固； 2）改善铸型和型芯的退让性 ； 3）铸件结构上避免牵制收缩的结构，使壁厚均匀，两壁连
16、接处热节小而分散； 4）进行去应力退火,返回,对于具有细长结构特点的甘、梁、板等铸件，由于各部分冷却速度不均匀，铸造过程中及铸后存放会发生变形。,2）铸造的变形,常见变形方式：挠曲,主要原因：残余应力的存在、铸件的应力松弛特性, , ,厚板在长度方向受到拉应力，被拉长；薄板受到压应力，被压短。,存在残余应力的铸件是不稳定的，厚板有自发缩短、薄板有自发伸长恢复其自由状态的趋势，结果使铸件发生弯曲，厚板向内凹，薄板向外凸。,返回,铸件总是趋向减少残余应力而发生变形,变形规律：厚壁部分表面内凹，薄壁部分表面外凸；壁厚均匀铸件，散热慢的表面内凹，散热快的表面外凸,有时存在残余应力的铸件虽无明显变形，但切削加工后破坏了铸件中应力的平衡，会产生新的变形。,铸造变形的防止和消除措施 1）使铸件冷却均匀，尽量减少铸造残余应力； 2）人工时效 ； 3）自然时效，把铸件放置于室外露天场地几个月至半年； 4）改进铸件结构， 采用对称截面、空心截面，设计肋板； 5）在工艺上采取反变形措施，抵消铸件的变形,
