《铸件成形原理 教学课件 ppt 作者 祖方遒 第11章 凝固收缩过程中的》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铸件成形原理 教学课件 ppt 作者 祖方遒 第11章 凝固收缩过程中的（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铸件成形原理,第11章 凝固收缩过程中的,11.1 金属的收缩 11.2 缩孔与缩松的分类及特征 11.3 缩孔与缩松的形成机理 11.4 影响缩孔与缩松的因素及防止措施 11.5 热裂纹的形成与控制,11.1 金属的收缩,11.1.1 收缩的基本概念 11.1.2 铸铁的收缩 11.1.3 铸钢的收缩 11.1.4 铸件的收缩,11.1.1 收缩的基本概念,金属在凝固过程中，由于外界环境吸热导致金属温度降低，金属原子间的距离逐渐变短；因液、固两相的密度差别，金属在液-固转变过程中通常体积也会陡然变小(一级相变特征)。金属在液态冷却、凝固过程和固态冷却过程中发生体积减小的现象称为收缩。金属从液
2、态到常温的体积改变量称为体收缩；金属在固态时的线尺寸改变量称为线收缩。收缩是金属本身的物理性质，也是导致缩孔、缩松、热裂、应力及变形等缺陷的基本原因。 液态金属从浇注温度冷却到常温，其收缩要经历三个阶段，如图11-1所示，即液态收缩阶段()、凝固收缩阶段()及固态收缩阶段()。,11.1.1 收缩的基本概念,1.液态收缩 2.凝固收缩 3.固态收缩,11.1.1 收缩的基本概念,图11-1 二元合金收缩过程示意图 a)合金相图 b)一定结晶温度范围的合金 c)恒温凝固合金,11.1.1 收缩的基本概念,1.液态收缩,2.凝固收缩,金属从液相线冷却到固相线所产生的体收缩，称为凝固收缩，其大小由凝
3、固收缩率V凝表示。对于纯金属和共晶合金而言，凝固期间的体收缩是由状态变化引起的，与温度无关，故凝固收缩率具有一定的数值。对于具有一定结晶温度范围的合金，其凝固收缩率不仅与状态改变时的体积变化有关，而且还与结晶温度范围有关。对于Ga、Bi-Sb等合金，在凝固过程中体积不但不收缩反而膨胀，故其凝固收缩率为负值。 凝固收缩的表现形式分为两个阶段：当结晶较少未连成骨架时，表现为液面的降低；当结晶较多并搭成完整骨架时，收缩表现为三维尺寸减小，在结晶骨架间残留的液体则表现为液面下降。,3.固态收缩,11.1.2 铸铁的收缩,1.液态收缩 2.凝固收缩 3.固态收缩,11.1.2 铸铁的收缩,图11-2 铸
4、铁的收缩过程曲 1白口铸铁 2灰口铸铁,1.液态收缩,1.液态收缩,表11-1 亚共晶铸铁的液态收缩率与含碳量的关系,2.凝固收缩,2.凝固收缩,表11-2 亚共晶铸铁的凝固收缩率与含碳量的关系,3.固态收缩,(1)最初收缩初缩 铸铁凝固开始后，已凝固的外壳缩小，发生初步收缩，但收缩量很小，如图11-3中所示不明显。 (2)缩前膨胀缩前 共晶转变时析出奥氏体和石墨，发生膨胀。 (3)珠光体前收缩珠前 在共析转变前的收缩。 (4)共析转变膨胀共膨 共析转变时析出铁素体、石墨和珠光体，产生膨胀。 (5)珠光体后收缩珠后 在共析转变后的收缩。,3.固态收缩,图11-3 Fe-C合金的固态自由线收缩曲
5、线 1碳钢 2白口铸铁 3灰铸铁 4球墨铸铁,表11-3 几种Fe-C合金的自由线收缩率,3.固态收缩,11.1.3 铸钢的收缩,1.液态收缩 2.凝固收缩 3.固态收缩,11.1.3 铸钢的收缩,图11-4 碳钢和纯铁的收缩过程曲,1.液态收缩,铸钢的液态收缩率见式(11-3)。在浇注温度不变时，随着含碳量的增加，液相线温度降低，V液相应增大，铸钢的液态收缩率也增大。在铸钢的化学成分一定时，若浇注温度提高，液态收缩率也增大。,2.凝固收缩,表11-4 碳钢的凝固收缩率与含碳量的关系,3.固态收缩,(1)珠光体转变前收缩珠前 介于凝固结束温度与相变前的温度范围内。 (2)共析转变期膨胀 发生在
6、相变温度范围内。 (3)珠光体转变后收缩珠后 发生在相变结束到室温的温度范围内。,11.1.4 铸件的收缩,1.铸型表面摩擦力 2.机械阻力 3.热阻力,1.铸型表面摩擦力,铸件收缩时，其表面和铸型表面间摩擦力的大小与铸件质量、铸型表面的光滑程度有关。例如，当铸型表面涂有涂料时，摩擦阻力可以忽略不计。,2.机械阻力,图11-5 铸件收缩受阻,3.热阻力,3.热阻力,表11-5 常用合金的铸造收缩率,11.2 缩孔与缩松的分类及特征,11.2.1 缩孔 11.2.2 缩松,11.2 缩孔与缩松的分类及特征,图11-6 缩孔与缩松形貌 a)Al-4.5%Cu合金挤压铸造缩孔形 b)Mg-6%Al合
7、金二维缩松形 c)Al-4.5%Cu合金三维缩松形,11.2.1 缩孔,图11-7 铸件缩孔形式 a)顶部缩孔 b)凹角缩孔 c)芯面缩孔 d)内部缩孔,11.2.1 缩孔,图11-8 铸件热节处的缩孔与缩松,11.2.2 缩松,缩松常出现在结晶温度范围较宽的合金中，多分布于铸件轴线附近较宽的区域及缩孔附近等部位，如图11-8所示。缩松按其形态分为宏观缩松和微观缩松两种类型；按其分布特点又可分为分散性缩松、轴线缩松和局部缩松三种类型。宏观缩松简称缩松，微观缩松也称为显微缩松。宏观缩松可以通过肉眼观察，微观缩松只有在显微镜下才能观察到，它存在于各种铸件中，一般出现于树枝晶间或分枝晶间。分散在整个
8、铸件断面上的缩松称为分散性缩松;在铸件轴线附近区域产生的缩松称为轴线缩松;存在于铸件局部范围的缩松称为局部缩松，如在铸件的厚大部分、冒口根部及内浇道附近存在的缩松。,11.3 缩孔与缩松的形成机理,11.3.1 缩孔的形成机理 11.3.2 缩松的形成机理 11.3.3 铸铁件的缩孔及缩松形成特点,11.3.1 缩孔的形成机理,图11-9 铸件中缩孔的形成示意图,11.3.2 缩松的形成机理,图11-10 铸件微观气孔周围的 显微缩松分,11.3.2 缩松的形成机理,11.3.2 缩松的形成机理,图11-11 Fe-C合金中缩孔和缩松的分布状,11.3.3 铸铁件的缩孔及缩松形成特点,图11-
9、12 亚共晶灰铸铁和球墨铸铁的凝固动态曲线 a)灰铸铁 b)球墨铸铁,11.3.3 铸铁件的缩孔及缩松形成特点,图11-13 灰铸铁和球墨铸铁共晶石墨长大示意图 a)片状石墨 b)球状石墨,11.4 影响缩孔与缩松的因素及防止措施,11.4.1 影响缩孔与缩松的因素 11.4.2 影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔与缩松的因素 11.4.3 防止缩孔与缩松的措施,11.4.1 影响缩孔与缩松的因素,1.金属性质 2.铸型条件 3.浇注条件 4.铸件尺寸 5.补缩压力,1.金属性质,金属熔体的液态体收缩系数和液态及凝固的收缩率越大，缩孔和缩松的容积越大。而金属的固态收缩系数越大，缩孔及缩松的容积越小，其形
10、成的趋势也越小。,2.铸型条件,铸型的激冷能力越强，缩孔及缩松的容积越小。因为铸型的激冷能力强，易造成浇注与凝固几乎同时进行的条件，使金属收缩在较大程度上被后注金属液所填充，实际发生收缩的液态金属量减少。,3.浇注条件,浇注温度越高，金属的液态收缩越大，缩孔的容积越大。但是，在具有冒口的条件下，高的浇注温度有助于提高冒口的补缩能力而减小缩孔的容积。浇注速度越缓慢，浇注时间越长，缩孔容积越小。,4.铸件尺寸,铸件壁厚尺寸越大，形成缩孔和缩松的趋势越大。因为在铸件表层凝固后，厚壁铸件内部的金属液温度很高，液态收缩量很大，导致缩孔及缩松的容积较大。,5.补缩压力,在凝固过程中施加补缩压力，可有效减小
11、缩孔及缩松形成的趋势。,11.4.2 影响灰铸铁和球墨铸铁缩孔与缩松的因素,1.铸铁的成分 2.铸型的刚度,1.铸铁的成分,对于亚共晶灰铸铁，随着碳当量增加，共晶石墨析出量增大，石墨化膨胀量增大，有利于消除缩孔和缩松。共晶成分灰铸铁以逐层方式进行凝固，有利于缩孔的形成。但是，共晶石墨的膨胀作用能抵消或超过共晶液体的收缩，在铸件中不形成缩孔。对于碳当量超过4.3%的过共晶灰铸铁，由于C、Si的含量过高，在铁液中出现石墨漂浮，使石墨析出量减少，石墨化膨胀作用减小。,2.铸型的刚度,铸铁在共晶石墨化膨胀时，其型壁是否迁移是影响缩孔容积的重要因素。铸型刚度越大，缩前膨胀越小，则缩孔容积越小。铸型刚度依
12、下列顺序逐级降低：金属型覆砂金属型水泥型水玻璃砂型干型湿型。,11.4.3 防止缩孔与缩松的措施,1.顺序凝固和同时凝固原则 2.浇注系统的引入位置及浇注工艺 3.冒口、补贴和冷铁及其他措施的应用,1.顺序凝固和同时凝固原则,(1)顺序凝固原则 顺序凝固原则是采取工艺措施使铸件各部分按照距离冒口的远近，由远及近向冒口方向凝固，冒口最后凝固，如图11-14所示。 (2)同时凝固原则 同时凝固原则是采取工艺措施使铸件各部分之间没有温差，或使温差尽量减小，使铸件各部分同时凝固，如图11-20所示。,(1)顺序凝固原则,图11-14 顺序凝固方式示意图,(1)顺序凝固原则,图11-15 不同冷却条件下
13、的板状铸件凝固状 a)无温度梯度 b)外加温度梯度,(1)顺序凝固原则,图11-16 铸件凝固时间与临界温度梯度的关系 (实线为圆柱形固体区域的计算温度梯度， 虚线为固-液区域的平均温度梯度,(1)顺序凝固原则,图11-17 铸件冷却速度与缩孔半径的关,(1)顺序凝固原则,图11-18 均匀壁厚铸件的顺序凝固过程示意图 a)带冒口铸件 b)14为不同时刻铸件中的温度分布 c)凝固顺序(14为不同时刻的铸件断面),(1)顺序凝固原则,图11-19 扩张角对补缩困难区的影响示意图,(2)同时凝固原则,图11-20 同时凝固方式示意图,2.浇注系统的引入位置及浇注工艺,图11-21 浇注系统的不同引
14、入位置对铸件纵向温度分布的影响 1顶注式 2底注快浇 3底注慢浇 4阶梯式注入,3.冒口、补贴和冷铁及其他措施的应用,图11-22 冒口有效补缩距离示意图,11.5 热裂纹的形成与控制,11.5.1 热裂纹的分类及形成机理 11.5.2 热裂纹的影响因素及防止措施,11.5.1 热裂纹的分类及形成机理,1.热裂纹的分类及特征 2.热裂纹的形成机理,1.热裂纹的分类及特征,热裂纹是常见的铸造缺陷之一，裂纹外观形状曲折而不规则，断口表面呈氧化色。热裂纹分为外裂纹和内裂纹。在铸件表面可以看到的热裂纹称为外裂纹。外裂纹一般产生于局部凝固缓慢、容易产生应力集中的部位，裂纹从铸件表面开始，逐渐延伸到铸件内
15、部，表面宽而内部窄。图11-23所示为Mg-8Al合金的外裂纹形貌。内裂纹通常产生在铸件内部的最后凝固部位，有时出现在缩孔的下部。内裂纹需用X射线、射线或超声探伤才能检测到，其氧化程度不明显。,2.热裂纹的形成机理,(1)液膜理论 从第1章中可知，由于表面张力的作用，在凝固后期，存在于晶粒之间的液膜会将晶粒紧紧地吸附在一起，液膜厚度越小，其吸附力就越大。 (2)强度理论 强度理论认为，热脆区、合金应变能力及铸件受阻应变综合影响热裂纹的产生。,2.热裂纹的形成机理,图11-23 Mg-8%Al合金的 外裂纹形,(1)液膜理论,图11-24 金属结晶阶段及脆性温度区 液相线 固相线 脆性温度区,(
16、2)强度理论,图11-25 产生凝固裂纹的条件 液相线 固相线 脆性 温度区 T上限 T下限,11.5.2 热裂纹的影响因素及防止措施,1.影响因素 2.防止措施,1.影响因素,(1)铸造合金性质 (2)铸型性质 铸件凝固收缩时受到来自铸型(或砂芯)的阻力，如果阻力越大，铸件内产生的收缩应力越大，热裂纹形成的趋势越大。 (3)浇注条件 浇冒口系统设计对铸件产生热裂的趋势均有影响。 (4)铸件结构 若铸件结构设计不合理，则容易引起热裂纹。,(1)铸造合金性质,图11-26 凝固温度区与裂纹倾向的关系 实线平衡状态 虚线非平衡状态,2.防止措施,(1)合金成分及熔炼工艺 (2)铸型方面 (3)浇注条件方面 (4)铸件结构方面,(1)合金成分及熔炼工艺,1)在不影响铸件使用性能的前提下，选择抗热裂性能好的合金成分，如接近共晶成分的合金。 2)减少合金中的有害物质含量。严格控制炉料中的硫、磷等有害物质含量，加强熔化过程中的脱氧、脱碳、脱硫及脱磷处
