第4章材料的液態(tài)成形工藝-1

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1、,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第四章 材料的液態(tài)成形工藝,第四章 材料的液態(tài)成形工藝,液態(tài)材料,鑄型模腔,凝固,固態(tài)毛坯,澆注,金屬的鑄造工藝,陶瓷的注漿成形,塑料的注射成形,材料的液態(tài)成形，與材料的固態(tài)塑性變形、連接成形以及粉末冶金成形是制造業(yè)獲得毛坯件的主要手段。,本章,重點(diǎn),內(nèi)容：,金屬鑄造基礎(chǔ)知識(shí)，,即合金的鑄造性能,；,金屬鑄造方法；,金屬鑄件結(jié)構(gòu)工藝性。,將熔融的金屬液澆注入鑄型內(nèi)，待冷卻凝固后獲得所需形狀和性能的毛坯或零件的工藝過(guò)程稱為鑄造。,鑄造工藝過(guò)程主要包括：金屬熔煉、鑄型制造、澆注凝固和落砂清理等。,鑄件的材質(zhì)有

2、,碳素鋼,、,合金鋼、鑄鐵、鑄造有色合金等,。,什么是,鑄造,？,4-1,金屬鑄造工藝簡(jiǎn)介,金屬鑄造（,foundry,casting,）,1.,定義：,將熔煉好的液態(tài)金屬澆注到與零件形狀尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔（,mold cavity,）內(nèi),待其冷卻凝固后,獲得毛坯或零件的方法。,2.,鑄造方法：砂型鑄造（,sand casting process,）,特種鑄造（,special casting process,）,優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn),與其它金屬加工方法相比，鑄造具有如下優(yōu)點(diǎn)：,（,1,）原材料來(lái)源廣。,（,2,）生產(chǎn)成本低。,（,3,）鑄件形狀與零件接近，形狀、尺寸不受限制。,尤其適于制造內(nèi)腔復(fù)雜的

3、大型箱體件,。,因此，鑄造在機(jī)器制造業(yè)中應(yīng)用極其廣泛。,但鑄造生產(chǎn)目前還存在著若干問(wèn)題，如鑄件內(nèi)部組織粗大，常有縮松、氣孔等,鑄造缺陷,，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能不如鍛件高。,鑄造工序多,，而且一些工藝過(guò)程還難以精確控制，使得,鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定,，,廢品率高,。,勞動(dòng)環(huán)境差等,。,用于核反應(yīng)堆的大型鑄件，重量達(dá),60,多噸。,零件（,Part,）,模樣（,Pattern,）,型砂,（,M,olding sand,）,芯盒（,Core box,）,砂箱（,Flask,）,型芯（,Core,）,配制的型砂,模樣,砂型,配制的芯砂,芯盒,砂芯,合箱,熔化的合金,澆注,檢驗(yàn),冷卻,落砂清理,合格的鑄件,砂型鑄

4、造基本工藝過(guò)程,鑄造的基本工藝過(guò)程,4-2,鑄造工藝基礎(chǔ)知識(shí),合金的鑄造性能,：合金在鑄造過(guò)程中表現(xiàn)出來(lái)的工藝性能即鑄造性能。包括,流動(dòng)性、收縮性、氧化性、吸氣性、偏析性（成分不均勻性）等,。,一、液態(tài)金屬的充型能力（,mold filling capacity,）,定義：指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。,充型能力差,澆不足（,short run,）、冷隔（,cold shuts,）,影響因素,：包括金屬液的流動(dòng)性、性質(zhì)、澆注條件及鑄型條件等。,金屬流動(dòng)性試樣,指液態(tài)合金自身的流動(dòng)能力。流動(dòng)性好，則充型能力強(qiáng)。,流動(dòng)性的測(cè)試,通常用,螺旋形試樣,來(lái)衡量,，,l,，流動(dòng)

5、性,金屬液的流動(dòng)性,合金種類,：,灰口鑄鐵，硅黃銅，流動(dòng)性最好，,l,1000 mm,。鑄鋼的流動(dòng)性最差，,l,200 mm,；,成分,：,共晶合金,的流動(dòng)性最好,；,結(jié)晶特征,：,結(jié)晶溫度范圍越大，枝晶越發(fā)達(dá)，流動(dòng)性越差；,結(jié)晶間隔越小，則流動(dòng)性越好,；,粘度,：,粘度越大，流動(dòng)性越差；,結(jié)晶潛熱：,結(jié)晶潛熱越小，流動(dòng)性越差。,影響流動(dòng)性因素,：,2.,澆注（,pouring,）條件,3.,鑄型特性,鑄型的,導(dǎo),熱能力,，,T,液,，充型能力,；,鑄型的溫度,，充型能力,，所以金屬型要預(yù)熱,；,鑄型的排氣能力,，流動(dòng)阻力,，充型能力,；,鑄型結(jié)構(gòu)不宜太復(fù)雜。,鑄件壁厚最小壁厚（,wall t

6、hickness,）,澆注溫度：,T,澆,粘度,充型能力,；但,T,澆,粘砂（,sand adherence,）、縮孔（,shrinkage cavity,）、氣孔（,blow hole,）、粗晶（,grain coarsening,）等缺陷,充型壓力：,充型,壓力,充型能力,；,二、合金的凝固（,solidification,）特性,合金從液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，稱為凝固或一次結(jié)晶（,crystallization,）。在此過(guò)程，易產(chǎn)生缺陷：縮孔、縮松（,porosity,）、氣孔、夾雜（,inclusion,）、熱裂（,hot tear,）、偏析等。,1.,鑄件的凝固方式,鑄件斷面上有三個(gè)區(qū)域：固相

7、區(qū)、液相區(qū)、,凝固區(qū),。,逐層凝固,：,不存在凝固區(qū)（純金屬或共晶成分合金）,；,體積凝固（糊狀凝固）,：,凝固區(qū)很寬（結(jié)晶溫度范圍寬或鑄件截面溫度梯度?。?；,中間凝固,：,介于二者之間。,（,1,）逐層凝固方式,純金屬或共晶成分在凝固過(guò)程中不存在固液二相共存區(qū)，故外層的固體和內(nèi)層的液體之間有一條界線清楚地分開(kāi)。,灰鑄鐵、鋁硅合金等傾向于逐層凝固，易于獲得緊實(shí)鑄件。,（,2,）糊狀凝固（體積凝固）方式,合金結(jié)晶溫度范圍很寬，或溫度梯度很小，固液并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面，如圖,c,）,（表層不存在固體層，類似水泥）,。,球墨鑄鐵、錫青銅、鋁銅合金等傾向于糊狀凝固。,（,3,）中間凝固方式,金屬

8、結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬但截面溫度梯度大，凝固區(qū)寬度介于逐層凝固和糊狀凝固之間。,影響凝固方式的因素：,合金的結(jié)晶溫度范圍。,越窄逐層凝固,鑄件的溫度梯度。,梯度越大逐層凝固,合金的凝固方式影響鑄件質(zhì)量。逐層凝固的合金產(chǎn)生缺陷的傾向小。,三、合金的收縮性,1.,收縮及其影響因素,成分,(%),T,液體金屬在凝固和冷卻過(guò)程中，體積和尺寸減少的現(xiàn)象，稱為合金的收縮。,收縮是多種,鑄造缺陷,產(chǎn)生的根源。,合金的收縮經(jīng)歷三個(gè)階段：,（,1,）,液態(tài)收縮,：從澆注,液相線溫度,（,2,）,凝固收縮,：液相線,固相線,（,3,）,固態(tài)收縮,：固相線,室溫,液態(tài)收縮,表現(xiàn)為鑄型腔內(nèi)液態(tài)金屬的液面下降

9、。,凝固收縮,共晶成分或純金屬是在恒溫下凝固，,凝固收縮只由狀態(tài)改變引起，所以收縮較小，亦表現(xiàn)為液面下降。,液態(tài)收縮和凝固收縮主要表現(xiàn)為合金體積上的縮減，用體收縮率（單位體積的百分收縮量）表示。,它們是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的根本原因。,固態(tài)收縮,通常直接表現(xiàn)為鑄件外形尺寸的減小，可用線收縮率（單位長(zhǎng)度的百分收縮量表示）。,固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的根本原因。,影響鑄件收縮的主要因素：,化學(xué)成分：鑄鋼和白口鑄鐵收縮率大，灰鑄鐵、球墨鑄鐵鐵小,(,結(jié)晶時(shí)石墨產(chǎn)生的膨脹抵消了部分收縮）,；,澆注溫度：,T,收縮率大；,鑄件結(jié)構(gòu)：壁厚不均勻,收縮受阻,收縮率小；,鑄型條件：鑄型、型芯阻礙收縮力

10、,收縮率小,2.,收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷,在合金冷卻和凝固過(guò)程中，若,液態(tài)收縮和凝固收縮,所縮減的體積得不到補(bǔ)足，則在鑄件的最后凝固部位會(huì)形成一些孔洞。,按照孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類。其中容積較大的孔洞叫縮孔，細(xì)小且分散的孔叫縮松。,危害：使力學(xué)性能下降；因滲漏而報(bào)廢。,縮孔,（,1,）縮孔和縮松,縮松形成示意圖,縮孔和縮松的形成過(guò)程,縮孔和縮松的防止措施,順序（定向）凝固：,采取一定措施，先使鑄件上遠(yuǎn)離冒口或澆注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。,使先凝固的收縮量由后凝固的液體補(bǔ)充，最后將縮孔轉(zhuǎn)移至冒口中,。,安放冷鐵,當(dāng)僅靠鑄件頂部的冒口補(bǔ)縮，難以保證鑄件底

11、部厚大部位不出現(xiàn)縮孔時(shí)。應(yīng)在該厚大部位設(shè)置冷鐵，以加快其冷卻速度，使其最先凝固，以實(shí)現(xiàn)自下而上的順序凝固。,實(shí)現(xiàn)定向凝固方法,合理安放冒口,定向凝固的缺點(diǎn)：,一、冒口浪費(fèi)金屬；,二、鑄件內(nèi)應(yīng)力大，易于變形和開(kāi)裂。,應(yīng)用：,主要用于必需補(bǔ)縮的地方。如鑄鋼、高牌號(hào)灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和黃銅等。,對(duì)于形成糊狀凝固的合金一般不采用此工藝方法。,什么是鑄造應(yīng)力？,鑄件在凝固之后的冷卻過(guò)程中，由于各部分體積變化不一致，彼此制約引起的應(yīng)力為鑄造內(nèi)應(yīng)力，簡(jiǎn)稱鑄造應(yīng)力。,按應(yīng)力產(chǎn)生的原因，鑄造應(yīng)力分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩種。,（,2,）鑄造應(yīng)力、變形和開(kāi)裂,熱應(yīng)力,熱應(yīng)力是指因鑄件壁厚不均勻或各部分冷卻速度

12、不同，致使鑄件各部分的收縮不同步而引起的應(yīng)力。,鑄件厚、大部分或心部受拉應(yīng)力（,+,），薄壁或表層受壓應(yīng)力（,-,）。,熱應(yīng)力的預(yù)防與消除,鑄件殘留熱應(yīng)力預(yù)防原則及措施：,鑄件殘留熱應(yīng)力預(yù)防原則：減小鑄件各部分間的溫度差，使其均勻冷卻,.,具體措施：,設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使鑄件壁厚均勻；,生產(chǎn)上，采取“,同時(shí)凝固,”措施。,殘留熱應(yīng)力的消除方法：,去應(yīng)力退火。,同時(shí)凝固的具體工藝是將內(nèi)澆口開(kāi)在鑄件的薄壁處，再在鑄件厚壁處放置冷鐵。,同時(shí)凝固的原則可降低鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋的傾向；只是鑄件的心部會(huì)產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷。,同時(shí)凝固原則只用于,普通灰鑄鐵和錫青銅鑄件,的生產(chǎn)。,“,同時(shí)凝固”方法：,機(jī)械應(yīng)

13、力,鑄件的固態(tài)收縮受鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的應(yīng)力。,它是暫時(shí)的,。,防止措施是改善鑄型和型芯的退讓性,。,鑄件的變形,產(chǎn)生原因：鑄件內(nèi)部有殘留應(yīng)力。受拉內(nèi)應(yīng)力的部位趨于變短。,受拉部分趨于變短,防止變形的措施,（,1,）,盡可能使鑄件的壁厚均勻或截面形狀對(duì)稱。,（,2,）采取相應(yīng)的工藝措施使其同時(shí)凝固,（,3,）“反變形”法,-,模型制成與變形方向正好相反的形狀以抵消其變形。,（,4,）對(duì)于不允許發(fā)生變形的重要機(jī)件必須進(jìn)行,時(shí)效處理。,鑄件的裂紋,當(dāng)鑄件的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)其強(qiáng)度極限時(shí)便會(huì)產(chǎn)生裂紋,按照形成溫度的不同，裂紋可分為熱裂和冷裂。,熱裂,是在鑄件,凝固末期的高溫下,形成的裂紋。（凝固收縮

14、大、鑄型的退讓性不好。,是鑄鋼和鑄鋁常見(jiàn)的缺陷。,）,冷裂,是鑄件凝固后，,冷卻到較低溫度下,形成的裂紋。（脆性材料）,兩種裂紋的形狀特點(diǎn),熱裂：,裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)金屬呈氧化色；,冷裂：,裂紋細(xì)小、呈連續(xù)直線狀,或圓滑曲線狀,、裂紋表面有金屬光澤或呈微氧化色。,裂紋的預(yù)防措施：,降低內(nèi)應(yīng)力，適時(shí)落砂可減輕機(jī)械應(yīng)力的作用。降低鋼鐵中雜質(zhì),S,的含量可減輕熱裂紋傾向，降低雜質(zhì),P,的含量可減輕冷裂紋傾向。,四、合金的吸氣性及氣孔,析出性氣孔,當(dāng),金屬液冷卻時(shí)，,由于,對(duì)氣體的溶解度下降而析出的氣體,來(lái)不及跑出時(shí)，會(huì)在鑄件中形成析出氣孔。,特點(diǎn),：裸眼可見(jiàn)的小圓孔，分布面大，熱節(jié)處密集

15、，多見(jiàn)于鋁合金和鑄鋼件。,防止：,清理,爐料油污，烘干爐料，真空熔煉，除氣處理等,。,各種鑄造合金尤其是有色金屬和合金，在液態(tài)時(shí)都有吸氣（,H,2,為主）的特性。,氣孔,2.,侵入性氣孔,造型材料中的氣體侵入金屬液中形成的氣孔。,特點(diǎn),：體積較大，圓形或橢圓形，分布在鑄件表面。,防止,：控制型砂中的含水量，提高鑄型排氣能力等。,3.,反應(yīng)性氣孔,金屬液與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氣孔。,特點(diǎn)：多見(jiàn)于黑色金屬鑄件，分布在表皮下面，又稱皮下氣孔。,防止：型腔表面噴涂料，烘干爐料，減少型砂水分等。,五、常用鑄造合金的鑄造性能特點(diǎn),鑄鐵,（,1,）,灰鑄鐵 鑄造性能良好。,接近共晶成分，流動(dòng)性好；收縮

16、率小。,孕育鑄鐵,：高強(qiáng)度灰鑄鐵（硅鐵孕育）,流動(dòng)性差，收縮率高；,提高澆注溫度，設(shè)置冒口,。,（,2,）,球墨鑄鐵,鑄造性能比鑄鋼好，比灰鑄鐵差。,鐵水出爐溫度,流動(dòng)性,澆不足、冷隔；,鑄型剛度，開(kāi)冒口,縮孔、縮松；,型砂透氣性，控制型砂水分；,Mg%,皮下氣孔,包括鑄鐵、鑄鋼、鑄造有色合金等,。,（,3,）可鍛鑄鐵,白口鑄坯,石墨化退火,團(tuán)絮狀石墨,流動(dòng)性差,提高鐵水溫度,收縮率大,順序凝固,球鐵縮孔、縮松形成,2.,鑄鋼,鑄造性能差,流動(dòng)性差，熔點(diǎn)高,干砂型，石英砂，提高澆注溫度；,收縮率大,順序凝固，改善鑄件結(jié)構(gòu)，降低硫、磷含量等。,3.,鑄造有色金屬,（鋁合金、銅合金）,流動(dòng)性好，收縮率大，,容易吸氣、氧化,氣孔、夾渣,坩堝爐熔煉，爐料、工具預(yù)熱，去除雜質(zhì)，澆注前要處理等。,六、新型材料,金屬間化合物及其鑄造性能特點(diǎn),金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物。簡(jiǎn)稱,IMC(intermetallics compounds),，目前,Fe-Al,Ni-Al,Ti-Al,三個(gè)系列為研究熱點(diǎn)。,例：,Fe,3,Al,鑄造工藝特性：,裝料,熔化,精煉,合金化,澆注，均在真空感應(yīng)