金属材料的液态成形工艺(铸造)

金属材料的液态成形工艺金属材料的液态成形工艺 铸造铸造 第四章金属材料的液态成形工艺本章教学学时4 6本章学习指南本章 的重点内容铸造工艺基础部分 要求学生掌握应掌握合金成分 工艺条件对液态合金充型能力 合 金收缩性 吸气性等铸造性能的影响 以便能够分析不同合金获得 优质铸件的难易程度 并分析应采取的工艺措施 难点内容有些防止铸件缺陷的工艺措施是相互矛盾的 如高温浇注 有利于金属液充型 但易产生粘砂缺陷 铸件顺序凝固有利于补缩 但易产生热应力 等 因此 应要提醒学生综合考虑铸件合金 结构等因素 先解决主要 矛盾 再采取措施解决其他问题 本章的教学方式讲课与学生自学相结合 主要教学内容第一节金属铸造工艺简介金属铸造是指将固态金属熔 炼成液态 浇入与零件形状相适应的铸型型腔中 冷凝后获得铸件 的工艺过程 根据造型材料不同 可将铸造方法分为砂型铸造和特种铸造两类 砂型铸造是以型砂作为主要造型材料的铸造方法 而特种铸造是指 砂型铸造以外的所有铸造方法的总称 常用的特种铸造方法有熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 低压铸 造和离心铸造等 图4 1所示为砂型铸造工艺过程示意图 图4 1砂型铸造基本工艺过程第二节铸造工艺基础知识合金在铸造生产过 程中表现出来的工艺性能称为合金的铸造性能 如流动性 收缩性 吸气性 偏析性 即铸件各部位的成分不均匀性 等 一 液态金属的充型能力液态金属的充型能力是指液态金属充满铸 型型腔 获得形状完整 轮廓清晰铸件的能力 1 金属液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 流动性的好坏 通常用在特定情况下金属液浇注的螺旋形试样的长 度来衡量 如图4 2所示 图4 2金属流动性试样图4 3Fe C合金流动性与含碳量关系1 试样 2 浇口 3 冒口 4 试样凸点图4 3为铁 碳合金的流动性与成分的关系 2 浇注条件提高浇注温度 可使液态金属粘度下降 流速加快 还 能使铸型温度升高 金属散热速度变慢 并能增加金属保持液态的 时间 从而大大提高金属液的充型能力 但浇注温度过高 容易产生粘砂 缩孔 气孔 粗晶等缺陷 因此在保证金属液具有足够充型能力的前提下 浇注温度应尽量降 低 增加金属液的充型压力 如压铸 提高直浇道高度等 会使其流速 加快 有利于充型能力的提高 3 铸型特性铸型结构和铸型材料均影响金属液的充型 为改善铸型的充填条件 在设计铸件时必须保证其壁厚 Wall Thickness 不小于规定的 最小壁厚 如表4 1所示 表4 1一般砂型铸造条件下 铸件的最小壁厚 mm 铸件尺寸 mm 铸钢灰 口铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金 200 xx4 66533 5200 200 500 50010 126 1012846 8 500 50015 xx 20 6 二 合金的凝固特性合金从液态到固态的状态转变称为凝固或一次 结晶 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 如图4 4a 如果合金的结晶温度范围很小 或铸件截面的温度梯度很大 铸件 截面上的凝固区域就很窄 也属于逐层凝固方式 2 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 如图4 4c 3 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 如图4 4b 图4 4铸件的凝固方式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4 5 三 合金的收缩性1 收缩及其影响因素铸件在冷却过程中 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图4 5温度梯度对凝固区域的影响束温度之间的收缩 固态收缩 从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩 影响铸件收缩的主要因素有化学成分 浇注温度 铸件结构与铸型 条件等 不同成分合金的收缩率不同 表4 2列出几种铁碳合金的体积收缩率 4 2几种铁碳合金的收缩率合金种类碳素铸钢白口铸铁灰口铸铁球墨铸 铁体收缩率 10 1412 145 81 08 线收缩率 自由状态 2 172 180 812 收缩导致的铸件缺陷 1 缩孔和缩松铸件在凝固过程中 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 缩孔常集中在铸件的上部或厚大部位等最后凝固的区域 如图4 6所示 缩松常分布在铸件壁的轴线区域及厚大部位 如图4 7所示 图4 6缩孔形成示意图a 金属液充满型腔b 铸件表层凝固c 液面下降d 缩 孔形成图4 7缩松形成示意图a 凝固初期b 宽的固液共存区c 中心线缩松形成 防止铸件产生缩孔 缩松的基本方法是采用顺序凝固原则 即针对 合金的凝固特点制定合理的铸造工艺 使铸件在凝固过程中建立良 好的补缩条件 尽可能使缩松转化为缩孔 并使缩孔出现在最后凝 固的部位 在此部位设置冒口补缩 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 如图4 8所示 2 铸造应力 变形和裂纹铸造应力按其形成原因的不同 分为热应 力 机械应力等 图4 8顺序凝固示意图图4 9同时凝固示意图减少铸造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 如图4 9所示 铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源 图4 10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 图4 10热应力引起的变形 四 合金的吸气性及气孔液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气 体的能力称为吸气性 气孔是铸件中最常见的缺陷 1 析出性气孔溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中 随温度下降 合金液对气体的溶解度下降 气体析出并留在铸件内形成的气孔称 为析出性气孔 2 侵入性气孔造型材料中的气体侵入金属液内所形成的气孔称为侵 入性气孔 3 反应性气孔反应性气孔主要是指金属液与铸型之间发生化学反应 所产生的气孔 五 常用铸造合金的铸造性能特点1 铸铁 1 灰口铸铁灰铸铁中的碳当量 C E C Si 3 接近共晶成分 熔 点较低 属于中间凝固方式 铁水流动性好 可以浇注形状复杂的 大 中 小型铸件 由于石墨化膨胀使其收缩率小 故灰口铸铁不容易产生缩孔 缩松 缺陷 也不易产生裂纹 因而灰口铸铁具有良好的铸造性能 孕育铸铁是铁水经硅铁等孕育剂处理后获得的高强度灰口铸铁 与普通灰口铸铁相比 它的流动性较差 收缩率较高 故应适当提高浇注温度 在铸件热节处设置补缩冒口 2 球墨铸铁球墨铸铁的铸造性能比灰口铸铁差但好于铸钢 其流动性与灰口铸铁基本相同 但因球化处理时铁水温度有所降低 易产生浇不足 冷隔缺陷 为此 必须适当提高铁水的出炉温度 以保证必需的浇注温度 球墨铸铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀 即石墨化膨胀 当铸型刚度小时 铸件的外形尺寸会胀大 从而增大缩孔和缩松 倾向 特别易产生分散缩松 应采用提高铸型刚度 增设冒口等工艺措施 来防止缩孔 缩松缺 陷的产生 3 可锻铸铁可锻铸铁是先浇注出白口铸坯 再通过长时间的石墨化 退火获得的石墨呈团絮状的铸铁 其碳 硅含量较低 熔点比灰铸铁高 凝固温度范围也较大 故铁 水的流动性差 铸造时 必须适当提高铁水的浇注温度 以防止产生冷隔 浇不足 等缺陷 可锻铸铁的铸态组织为白口组织 没有石墨化膨胀阶段 体积收缩 和线收缩都比较大 故形成缩孔和裂纹的倾向较大 在设计铸件时除应考虑合理的结构形状外 在铸造工艺上应采取顺 序凝固原则 设置冒口和冷铁 适当提高砂型的退让性和耐火性等 措施 以防止铸件产生缩孔 缩松 裂纹及粘砂等缺陷 2 铸钢铸钢的铸造性能差 铸钢的流动性比铸铁差 熔点高 易产生浇不足 冷隔和粘砂等缺 陷 生产中常采用干砂型 增大浇注系统截面积 保证足够的浇注温度 等措施 提高其充型能力 铸钢用型 芯 砂应具有较高的耐火性 透气性和强度 如选用颗 粒大而均匀 耐火性好的石英砂制作砂型 烘干铸型 铸型表面涂 以石英粉配制的涂料等 铸钢的收缩性大 产生缩孔 缩松 裂纹等缺陷的倾向大 所以 铸钢件往往要设置数量较多 尺寸较大的冒口 采用顺序凝固原则 以防止缩孔和缩松的产生 并通过改善铸件结构 增加铸型 型 芯 的退让性和溃散性 增设防裂筋 降低钢水硫 磷含量等措施 防止裂纹的产生 3 铸造有色金属常用的有铸造铝合金 铸造铜