《材料加工工艺课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料加工工艺课件（48页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、材料加工工艺,复 习,1.1 材料加工工艺及其,在制造业中的地位,1.2 21 世纪材料加工工艺展望,2.1金属液态成形（铸造）概述,液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。,铸造工艺的特点,各种铸造方法应用范围,Fe-C合金状态图,稳态与非稳态 状态平衡！,2.2 铸造合金的工艺性能,2.2.1,铸造合金的充型能力,充型能力 的好与差，首先取决于铸造合金的流动,性，同时又受到外界条件，如铸型性质、浇注条,件、铸件结构等 因素的影响，是各种因素的综合反,映，要注意两者（合金的流动性、充型能力）的差别。,2.2.2 铸造合金的收缩性及 缩孔、缩松的形成,1. 铸造合金的收缩性,液态合金当温度下降,而
2、由液态转变为固态时，,因为金属原子由近程有序逐渐转变为远程有序，以,及空穴的减少或消失，一般都会发生体积减小。液,态合金凝固后，随温度的继续下降，原子间的距离,还要缩短，体积也进一步减小。,铸造合金在液态、凝固态和固态冷却的过程,中，由于温度的降低而发生的体积减小现象，称为,铸造合金的收缩性。,铸件的收缩缺陷缩孔、缩松、热裂、 应力、变形和裂纹等,体收缩铸造合金由液态到常温的收 缩。,长度改变量来表示合金在固态时的收缩， 称为线收缩。在设计和制造模样时，线收 缩更有意义。,矩形铸件体积亏损 ）型腔容积，即金属液原 始体积V原始 V原始S S H ）常温下铸件假想轮廓外 形体积V假 V假S S
3、h ）铸件轮廓体积亏损V亏 V亏v原始一V假 ）常温下铸件轮廓外形体 积V轮廓。 1一外缩孔 2一内缩孔,3一缩松,4一缩陷,缩陷容积V假V轮廓,合金的收缩经历三个相互联系,的阶段：,液态收缩阶段（I）；,凝固收缩阶段（）；,固态收缩阶段（）。,a)合金状态图 b）具有结晶温度范围合金（m成分）的收缩过程,c）共晶合金（n成分）的收缩过程,（1）液态收缩,当液态合金从浇注温度t浇冷却至开始凝固 的液相线温度t液时的收缩，由于合金是处,于液体状态，故称其为液态收缩，表现为 型腔内液面的降低。,液态收缩率v液可用下式表示： V液=v液（t浇t液）X 100,（2）凝固收缩,对于具有一定结晶温度范围
4、的合金，由液,态 t液转变为固态t固时，由于合金处于凝固,状态，故称为凝固收缩。,这类合金的凝固体收缩率主要包括温度降 低（与合金的结晶范围有关）和状态改变 （状态改变时的体积变化）两部分。,液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩,孔和缩松的基本原因 各种纯金属的凝固体收缩率（%）,（3）固态收缩,当铸造合金从固相线温度t固冷到室温t室时,的收缩，由于合金处于固体状态，故称为 固态收缩。其固态收缩率表示如下：,V固 =v固（t固 t室）X 100%,但在实际生产中，由于固态收缩往往表现 为铸件外形尺寸的减小，因此，一般采用 线收缩率来表示：,LL（t固t室）X 100,铸件的铸造收缩率,不仅与所用合金
5、的因素有关，而且还与铸型工艺特点、铸件 结构形状以及合金在熔炼过程中溶解的气体量等因素有关。,常用铸造合金的铸件线收缩率,缩孔、缩松,铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液 态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固 的地方出现孔洞。,容积大而且比较集中的孔洞称为缩孔；细 小而且分散的孔洞称为缩松。缩孔的形状 不规则，表面粗糙，可以看到发达的树枝 晶末梢，故可以明显地与气孔区别开来。 缩孔和缩松是铸件中常见的缺陷之一，因,此，在生产中必须设法防止。,铸件中缩孔形成过程示意图,合金成分与缩孔、缩松形成的关系,定向凝固的 合金倾向于产 生集中缩孔； 糊状凝固的 合金倾向于产 生缩松.,合金的不同凝固特性,
6、碳素钢金属液凝固时，结 晶从铸型型壁开始，外生 晶粒群体形成的凝固前沿 是光滑的。凝固前沿向集 中在铸件中心部的液相逐 层推进，当相互面向的凝 固前沿在铸件中心会合 时，凝固告终。凝固开始 形成的外生壳承载能力 高，凝固时液相补缩通道 畅通，铸件接受补缩（受 补）能力高。这种凝固有 光滑的凝固前沿，是,外生壳状凝固方式。,灰口铸铁液态金属及有色金属（例,如铝合金）液凝固 晶粒在金属液内部形 核、长大。但在铸型 型壁处的晶粒由于热 量能迅速传出，故形 核、长大速度快，结 晶得快形成固体外 壳，有粗糙的凝固前 沿，故称为 内生壳状凝固 。,球墨铸铁的凝固,属于糊状凝固方式。金属 液凝固时，按内生生
7、长方 式结晶，等轴晶晶粒或晶 粒集合体（共晶晶粒、共 晶团）在型腔金属液整个 容积内生长。晶粒大小是 靠近型壁的细些，在铸件 中心的粗些，但布满于整 个熔液中，此时固相与液 相的混合体犹如糊粥，故 称之为,糊状凝固 方式。,(4) 影响缩孔、缩松大小的因素及防,止措施 铸造合金的液态收缩愈大，则缩孔形成的 倾向愈大；合金的结晶温度范围愈宽，凝 固收缩愈大，则缩松形成的倾向愈大。 凡能促使合金减小液态和凝固期间收缩的 工艺措施（如调整化学成分，降低浇注温 度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能 力，增加在凝固过程中的补缩能力，对于 灰口铸铁可促进凝固期间的石墨化等）， 都能有利于减小缩孔和缩松的形成
8、。,铸件的凝固方式,要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条 件，主要是通过控制铸件的凝固方式（采 用设置冒口和冷铁配合）使之符合于 “定向凝固原则”、 “同时凝固原则” 或“均衡凝固”。,1）顺序凝固：,铸件的顺序凝固原则，是采用各种措施保 证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部 分最先凝固，然后是靠近冒口部分，最后 才是冒日本身凝固的次序进行，也即在铸 件上远离冒口或浇道的部分到冒口或浇道 之间建立一个递增的温度梯度。,2）同时凝固：,同时凝固原则，是采取工艺措施保证铸件 结构上各部分之间没有温差或温差很 小使各部分同时凝固。,（3）均衡凝固：,铸铁（灰铸铁和球墨铸铁）液态冷却时要 产生体积收缩
9、，凝固时析出石墨又产生体 积膨胀。均衡凝固是利用膨胀和收缩动态 叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩， 采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨 胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工 艺原则。,2.2.3 铸造应力、变形与裂纹,1. 铸造应力,铸件在凝固以后的冷却过程中，由于 温度下降而产生收缩，有些合金还会发生 固态相变而引起膨胀或收缩，这些都使铸 件的体积和长度发生变化，若这些变化受 到阻碍（热阻碍、外力阻碍等），便会在 铸件中产生应力，称为铸造应力。,铸造应力的种类,铸造应力按其产生的原因可分为三种：热 应力、相变应力和收缩应力,临时应力：产生应力的原因消除以后，应 力即告消失；,剩余（残余）应
10、力：产生应力的原因消除 以后，应力依然存在于铸件中。,在铸件冷却过程中，两种应力可能同时起 作用，冷却至常温并落砂以后，只有剩余 应力对铸件质量有影响。,(1) 热应力,热应力是铸件在凝固和冷却过程中，不同 部位由于不均衡的收缩而引起的应力。影,响热应力大小的因素如下:,1)铸件中热应力的大小与合金的弹性模量E 成正比，E值愈大，热应力也愈大。如铸钢,和球墨铸铁的热应力就比灰铸铁大。,2）合金的线收缩（膨胀）系数a愈大，则,热应力也愈大。,3）铸件的壁厚差愈大，冷却时厚薄两部分,温差也就愈大；,合金的导热性能较小，温差(就愈大（如合,金钢就比碳钢的导热性能差）；,铸型的蓄热系数愈大，或降低浇注
11、温度， 铸件的冷却速度就愈快，引起的温差也就 愈大，产生的热应力也增大；相反，产生 热应力就愈小。,(2) 相变应力,铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而 引起的应力。,如铸铁的共折转变，由奥氏体转变为珠光体或铁素 体加石墨，及钢的共折转变，都会使铸件的体积膨 胀。,相变应力的方向可能与热应力方向相同，也可能相 反，前者使应力叠加，加剧应力对铸件质量的不利 影响，后者则减轻其不利影响。,相变应力可以是临时应力，也可能是剩余应力。,(3) 收缩应力,铸件固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇 冒口、箱带等外力的阻碍而产生的应力称 为收缩应力。收缩应力通常表现为拉应力 和压应力。铸件落砂后形成应
12、力的原因即 消除，应力也随之基本消失。因此，收缩 应力是一种临时应力。但若在落砂前与剩 余应力方向相同时，两种应力相互叠加， 有时会使铸件产生冷裂。若与剩余应力方 向相反，则可相互抵消。,铸造应力是热应力、相变应力和收缩应力 三者的矢量和。,在不同情况下，三种应力有时相互抵消， 有时相互叠加；有时是临时的，有时是剩 余的。但在实际生产中，对于不同形状的 铸件，其铸造应力的大小分布是十分复杂 的。,铸件中各种应力与产生部位的关系,注：表中“”表示受拉应力，“”表示受压应力。,(4) 减小和消除铸造应力的方法,1）采取各种措施减小铸件冷却过程中各部,分的温差，以及改善铸型和型芯的退让性。 具体方法
13、如下：,a. 工艺上采取冒口、冷铁配合使用，加快厚,大部分的冷却，尽量让铸件形成同时凝固； 在满足使用要求的前提下，减小铸件的壁厚 差，分散或减小热节；提高铸型温度，以减,小各部分的温差，此法广泛用于金属型和熔 模铸造。,。,b. 控制合适的型、芯紧实度，加入退让性,比较好的材料（如木屑等）铸件提早打箱 或松砂，以减小收缩时的阻力等措施。,c.在满足铸件使用性能的前提下，选择弹性 模量E和收缩系数小的铸造合金,2）消除铸造应力的方法,a.人工时效 这种方法是将铸件重新加热到合 金的临界温度tK以上，即使铸件处于塑性状态的,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
14、失，然后随炉缓 慢冷却以免重新形成新的应力，通常将此法称为 人工时效（也叫热时效、消除内应力退火等）。,这种方法的优点是：去除应力彻底、周期,短、占地少，生产中广泛应用；其缺点是燃料消 耗大、易产生氧化皮和尺寸变化、费用较高。,b.自然时效,此法是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 及自然温度的变化，使铸件发生非常缓慢 的变形，从而使剩余应力消除。 c. 振动时效 这种方法是将铸件在共振条 件下（振动频率在4006000Hz）振动 1060min，以达到消除剩余应力的目 的。,2,(5)铸造应力大小的测定 . 铸造应力 e1 - e2 绝对变形量，即中间杆切断 前后两测定
15、点的距离差 E 金属的弹性模量 L 试样杆长度 f1 中间杆的断面积 f2 两侧杆的断面积之和,2. 铸件的变形,由于铸造应力的缘故，处于应力状态（不稳定状 态）下的铸件能够自发地发生变形以减少内应力而 趋于稳定状态，快冷部分凸起，慢冷部分凹下。,为了防止变形的产生，必须,首先,设法降低和消除铸件内的剩余应力,或从工艺上采取措施,如大型铸件采,用反变形法；具有一定塑性的薄壁铸件可 进行校直，设拉肋等，以减小变形。,3. 铸件的裂纹 (1)热裂 a.热裂的产生过程。一般认为，热,裂是在凝固的末期，固相线附近出现,的。此时，由于铸件中结晶的骨架已经,形成并开始收缩，但晶粒间还有一定量,的液相存在，
16、且这时铸件强度和塑性极,低，收缩稍受阻碍即可开裂。,b.热裂的特征是：断面严重氧化，无金,属光泽，裂口沿晶粒边界产生和发展， 外观形状曲折而不规则（铸钢件裂口表 面近似黑色，铝合金则呈暗灰色）。,c.热裂的分类及危害 热裂又可分为外裂纹和内裂纹。 外裂纹: 在铸件表面、可以看见。裂口常,从铸件的拐角处、截面厚度有改变处或局部冷,却缓慢容易产生应力集中的地方开始，主要是,拉应力引起的。,内裂纹：在铸件内部最后凝固的部位，有,时会出现在缩孔附近或尾部。,（2）影响热裂倾向的因素,合金凝固温度范围宽和结晶时形成粗大树枝晶易 产生热裂，凡是扩大合金凝固温度范围和加大合,金绝对收缩量的元素（如钢中的S、P等）都促使,热裂产生；,铸件凝固收缩时受型、芯的阻力愈大，产生应力 的倾向也愈大，且易开裂；浇冒口布置不合理， 使铸件在浇冒口部位因温度高、冷却慢易产生裂 纹；,浇注温度和浇注速度对热裂形成的影响比较复 杂，要综合考虑；,铸件结构设计不合理（如两截面相交处成直角， 十字交叉截面等）也
