《金属工艺学第二章》PPT课件.ppt

材料成形基础,第二章 金属的凝固成形,1、铸造的概念,将经过熔化的液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型中，冷却凝固后获得毛坯或零件的一种工艺方法称为液态凝固成形。(铸造),2、铸造的方法,两大类：砂型铸造、特种铸造,3、铸造的特点,获得形状复杂的机械零件 适应性强，大小均可，生产批量不受限 原材料来源广且成本低 工序繁杂、生产方法落后、尺寸精度不高、表面质量较低，逐渐内部易存在气孔、砂眼、缩孔和缩松及结晶后出现晶粒粗大等现象。,第一节 金属的凝固特点,合金的铸造性能是指与铸件质量相关的性能特点，包括铸造过程中的流动性、收缩性、吸气性等。,1.液态金属的流动性 液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力越强。,一、液态金属的流动特点,流动性的高低一般用“流动性试样”的方法衡量，主要取决于金属的结晶特点和物理性能,铸件健全,冷隔或浇不足缺陷,反之,金属流动性试样,2.流动性的影响因素 液态金属流动性的主要因素有合金的成分、浇注温度、铸型条件等。 合金成分的影响,共晶成分,其他成分,浇注温度和压力的影响,铸型条件的影响,提高温度，提高金属液体充型能力，温度过高，易出缺陷； 在保证金属液体具有足够充型能力的前提下，应尽量降低浇注温度。,提高金属液体浇注时的压力，使液体注入型腔的速度加快。,改善铸型型腔的结构，铸型材质-提高金属液体的流动性及充型压力,二、合金的凝固特点,1.逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”,2中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法,3.体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）,合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固，如图。,铸造合金的结晶温度区间宽窄 铸件截面的温度梯度大小,影响凝固方式的主要因素,温度梯度的影响因素：合金性质、铸型的蓄热能力、浇注温度等,逐层凝固 充型能力强 产生缺陷倾向小 体积凝固 充型能力下降 易产生冷隔、浇不足、缩松等缺陷 中间凝固 介于两者之间,凝固方式影响铸件质量,合金的收缩 铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为收缩，它是铸造合金固有的物理性质。金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段： 液态收缩从浇注温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。 凝固收缩从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩。 固态收缩从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。,三、合金的收缩特点,变形裂纹,产生内应力,缩孔缩松,影响收缩的因素,化学成分,浇注温度-重要影响液态收缩,铸件结构与铸型条件,浇注温度升高，液态收缩增加,铸件壁厚不均匀 铸型和型芯对收缩的机械阻力,受阻收缩,阻力来源,收缩对铸件质量的影响及防止措施,铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松,缩松缩孔的形成,顺序凝固使铸件的凝固按薄壁厚壁冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得致密的铸件,缩松缩孔的防止,铸造应力、变形和裂纹及防止措施,铸造应力按其形成原因的不同，分为热应力、组织应力、机械应力等,热应力： 壁厚不均匀-散热情况不同-各部位冷却速度不同-同一时刻的收缩量不同-产生内应力,组织应力： 壁厚不均匀-散热情况不同-各部位冷却速度不同-组织结构转变时间不一致 -拉应力（压应力）,机械应力： 固态合金收缩时受到铸型或型芯的机械阻碍作用形成，铸件落砂之后，随着这些阻碍作用的消除，应力能够自行消除。（防止：改进铸件结构、增加型砂的退让性）,减少铸造热、组织应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，即采取同时凝固原则,变形和裂纹及防止措施,铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源。下图为“T”形铸件在热应力作用下的变形情况，虚线表示变形的方向。 当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹有热裂纹和冷裂纹两种。,防止：减少铸造应力,第2节 砂型铸造,砂型铸造是以砂为主要造型材料制备铸型的一种铸造方法。目前80%以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。,一、砂型铸造的工艺过程,工 艺 准 备,造 型,落 砂,合 箱,浇 注,造 芯,清 理,检 验,熔炼金属,配砂、制模,二、造型方法,按造型操作方法的不同，可分为：,1、手工造型,填砂、紧实、起模等主要有人工完成，操作灵活，生产率低，主要用于单件小批量生产。,主要方法有：,整模造型,挖砂造型,三箱造型,活块造型,刮板造型,假箱造型,分模造型,整模造型,分模造型,挖砂造型,活块造型,刮板造型,三箱造型,2、机器造型,填砂、紧实、起模等实现机械化，生产率高，投资大，劳动强度小，生产准备周期长，主要用于大批量生产。 机器造型有震实造型、压实造型、震压造型、抛砂造型、射砂造型等。以震压造型最常见,三、砂型铸造工艺的制订原则,1、分型面的选择,2、浇注位置的选择,3、工艺参数的选择,在生产实践中发展出一些区别于砂型铸造的其它铸造方法， 我们统称为特种铸造,第3节 特种铸造,特种铸造的特点：,铸件精度高，力学性能好；生产率高；工人劳动条件好等。,常用的特种铸造方法：,金属型铸造,压力铸造,熔模铸造,离心铸造,壳型铸造,熔模铸造,将蜡料制成模样，在上面涂以若干层耐火涂料制成型壳，然后加热型壳，使模样熔化、流出，并焙烧成有一定强度的型壳，再经浇注，去壳而得到铸件的一种铸造方法。,1、工艺特点：,以熔化模样为起模方式。铸件精度高，是少无切削加工的方法之一。其设备简单，生产批量不受限制，主要用于大批、大量生产。其缺点是工艺过程复杂，生产周期长。,2、工艺过程：,熔模铸造,熔模铸造,金属型铸造,将液态金属注入用金属制成的铸型中，以获得铸件的方法。,1、工艺特点：,一型多铸，铸件精度高，力学性能好，但成本高，主要用于大批大量生产铜、铝、镁等非铁合金铸件。,2、工艺过程：,金属型铸造,金属型铸造,压力铸造,将熔融的金属在高压下，快速压入金属铸型的型腔中，并在压力下凝固，以得到铸件的一种铸造方法。,1、工艺特点：,高速高压。,2、工艺过程：,压力铸造,多用于非铁合金（如铝、铜、镁等）精密铸件的批量生产。,压力铸造,低压铸造,介于金属型铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。是在较低的压力下，将金属液注入型腔，并在压力下凝固，以获得铸件。,1、工艺特点：,低压。,2、工艺过程：,低压铸造,多用于大批量生产铝合金和镁合金铸件。,离心铸造,将熔融的金属浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下凝固成形，以得到铸件的一种铸造方法。,1、工艺特点：,组织紧密，铸件质量好。,2、工艺过程：,离心铸造,用于生产空心铸件。,离心铸造,铸造方法的选择,第4节 铸造工艺分析,常用铸造合金的特点,铸铁 铸钢 有色合金,灰铸铁,球墨铸铁,可锻铸铁,1. 灰铸铁,灰铸铁的性能,力学性能,工艺性能,物理性能,塑性、韧性为0，抗压强度与钢接近,不能锻压和冲压，焊接性差； 铸造性能优良，切削性能好,优良的减振性和减摩性，低缺口敏感性,影响灰铸铁组织 和性能的因素,化学成分,铸铁的石墨化 硅 强烈促进石墨化 碳当量 锰 阻碍石墨化 大于0.6% 磷 促进石墨化,冷却速度,孕育处理,孕育铸铁的