第一章铸造成形工艺理论基础(李).ppt

材料成形工艺基础 主编华中科技大学沈其文主讲制造教研室李春燕学时32 FundamentalofMaterialsForming 材料科学与工程的四大要素 材料科学与工程的多学科化 材料科学与工程 物理学 冶金学 化学 陶瓷学 计算数学 生物学 材料科学与材料工程的差异 材料科学和材料工程是一个整体 不可分割 它们之间的差异主要表现在学科的侧重点不同 材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系 提出新概念 新理论 材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用 二者相辅相成 尼龙纤维的研制 材料工程所涉及的三大制备技术 根据所需材料的性能 结构要求 进行材料的提纯净化 原料 成分 配制和合成或合金化的过程 是材料制备工程的首要环节 材料工程的加工成形技术 课程的主要目的 材料成形工艺基础 是机械类或近机械类专业的一门学科基础课 学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造 压力加工 粉末成形 焊接 塑料 橡胶 陶瓷以及有关模具设计 加工 制造方面的专业知识 其主要任务是介绍以下内容 1 制定铸造过程图 了解合金的熔炼与浇注过程的基本知识以及砂型铸造 特种铸造等 2 制定锻造过程图 了解材料塑性变形基本规律 了解粉末成形 塑料 橡胶 陶瓷成型过程和板料冲压成形过程 3 了解常用金属材料焊接过程基本知识 材料与人类文明 人类的文明进程是依据什么而划分的 材料应用的发展是人类发展的里程碑 石器时代 铜器时代 铁器时代 发展得越来越快 中国古代三大铸造技术 在我国古代金属加工工艺中 铸造占着突出的地位 具有广泛的社会影响 像 模范 陶冶 熔铸 就范 等习语 就是沿用了铸造业的术语 劳动人民通过世代相传的长期生产实践 创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺 其中特别是泥范 铁范和熔模铸造最重要 称古代三大铸造技术 泥范铸造我国自新石器晚期 就进入铜石并用时代 河北唐山等地出土的早期铜器 有锻打成形的 也有熔铸成形的 说明范铸技术在我国源远流长 很早就发展起来 熔模铸造传统的熔模铸造一般称失蜡 出蜡或捏蜡 拨蜡 它和用来制造汽轮机叶片 铣刀等精密铸件的现代熔模铸造 无论在所用蜡料 制模 造型材料 工艺方法等方面 都有很大不同 但是 它们的工艺原理是一致的 并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的 金属型铸造铸型材料从石和泥 砂改用金属 从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓 永久 型 金属型 在铸造技术的历史发展上具有重要的意义 1953年河北兴隆铁范的发现 证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件 这批铁范包括锄 镰 斧 凿 车具等类共87件 大部完整配套 其中 镰和凿是一范两件 锄和斧还采用了金属芯 它们的结构十分紧凑 颇具特色 范的形状和铸件相吻合 使壁厚均匀 利于散热 范壁带有把手 以便握持 又能增加范的刚度 可以说是创造了一种中国风格的金属型 并且在那个时候已经大体定型了 近年来 在河南南阳 郑州 镇平和河北满城 山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件 品种比战国时期显著增多 型式却基本相同 河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范 4 500BC 1 000BC青铜时代 BronzeAge 从矿石中提炼铜 冶金业的黎明 这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一 青铜 古称金或吉金 是红铜与其它化学元素 锡 镍 铅 磷等 的合金 史学上所称的 青铜时代 是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期 保守的估计 这一时期主要从夏商周直至秦汉 时间跨度约为两千年左右 这也是青铜器从发展 成熟乃至鼎盛的辉煌期 到春秋战国时期 齐国工匠总结科技经验写成的 考工记 一书中 提出了 金有六齊 這是世界科技史上最早的冶铜经验总结 青铜 第一种合金 夏钺 戈 司母戊鼎 湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑 三星堆 立人像铸于商代晚期 人像高172厘米 底座高90厘米 通高262厘米 是世界上最大的青铜立人像 被尊称为 世界铜像之王 突目面具铸于商代晚期 原件高64 5厘米 宽138厘米 眼球柱状外突长达13 5厘米 其造型在世界上亦属首见 铜钟通高6 75米 钟壁厚度不等 最厚处185毫米 最薄处94毫米 重w约46吨 钟体内外遍铸经文 共22 7万字 铜钟合金成分为 铜80 54 锡16 40 铝1 12 为泥范铸造 永乐大钟 现代铸造 我国已成功地生产出了世界上最大的轧钢机机架铸钢件 重410t 和长江三峡电站巨型水轮机的特大型铸件大飞机 航空母舰 第一篇金属的铸造成形工艺 第一章铸造成形工艺理论基础 第一节铸造成形工艺的特点和分类 定义 所谓金属液态成型 即铸造 casting 是将液态金属借助外力充填到型腔中 使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺 注意2个过程 1 充填型腔 2 凝固冷却 一 铸造工艺特点 1 适应性广 适应铸铁 碳钢 有色金属等材料 铸件大小 形状和重量几乎不受限制 壁厚1mm到1m 质量零点几克到数百吨 三峡的水轮机叶轮重达430T 2 可复杂成形 适合形状复杂 尤其是有复杂内腔的毛坯或零件 3 成本较低 可直接利用成本低廉的废机件和切屑 设备费用较低 在金属切削机床中 铸件占机床总重量75 以上 而生产成本仅占15 30 4 但也存在一些不足 如组织缺陷 力学性能偏低 质量不稳定 工作环境较差 因此 铸件多数做为毛坯用 组织疏松 晶粒粗大 铸件内部常有缩孔 缩松 气孔等缺陷产生 导致铸件力学性能 特别是冲击性能较低 发展了铸锻联合工艺 污染环境 铸造生产会产生粉尘 有害气体和噪声对环境的污染 比起其他机械制造工艺来更为严重 需要采取措施进行控制 特种铸造工艺 二 铸件成形工艺分类按照形成铸件的铸型分可分为 砂型铸造 金属型铸造 熔模铸造 壳型铸造 陶瓷型铸造 消失模铸造 磁型铸造等 铸件的生产工艺方法按充型条件的不同 可分为 重力铸造 压力铸造 离心铸造等 传统上 将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为 特种铸造 砂型铸造应用最为广泛 世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90 以上 砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种 其工艺流程如图1所示 工艺三大块 冶炼 造型 芯 和浇注 落砂shakeout清理cleaning 铸件检验 入库 砂型sandmould铸造工艺流程图 合型浇注 凝固冷却 砂型铸造造型生产线动画 铸件的质量 品质 直接影响到机械产品的质量 品质 提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代 新产品的开发的重要保证 是机械工业调整产品结构 提高生产质量 品质 和经济效益 改变行业面貌的关键之一 在材料成形工艺发展过程中 铸造是历史上最悠久的一种工艺 在我国已有6000多年历史了 目前我国铸件年产量已超过1000万t 由于历史原因 长期以来 我国的铸造生产处于较落后状态 与当前世界工业化国家先进水平相比 我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上 而是集中在质量和效率上 国内外铸造生产技术水平的比较见表1 表1国内外铸造生产技术水平的比较 第二节合金的铸造性能 合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确 结构完整的铸件的能力 主要包括合金的流动性 收缩性 吸气性及其成分偏析倾向性等性能 一 合金的充型液态合金填充铸型的过程简称充型 液态金属充满铸型 获得尺寸精确 轮廓清晰的铸件的能力 简称充型能力 在液态合金充型过程中 一般伴随结晶现象 若充型能力不足时 在型腔被填满之前 形成的晶粒将充型的通道堵塞 金属液被迫停止流动 于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷 浇不足使铸件未能获得完整的形状 冷隔时 铸件虽可获得完整的外形 但因存有未完全熔合的垂直接缝 铸件的力学性能严重受损 充型能力首先取决于金属液本身的流动能力 同时又受铸型性质 浇注条件及铸件结构等因素的影响 影响充型能力的因素有 合金的流动性 合金的收缩性 合金的吸气性等 1 流动性定义 flowability 液态合金充满型腔 形成轮廓清晰 形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力 CSS configuration shapeandsize 流动性通义是流体的流动能力 但不同学科对流动性有不同的定义 这里是材料成形学的定义 它的定义说流动性是这样的一种能力 这种能力体现在2个方面 1 充满型腔 2 形成符合要求的优质铸件 这个定义突出地表明了流动性对金属液态成型工艺的重要性 如果流动性不好 就不能充满型腔 就不能形成符合要求的优质铸件 也说明不同的合金具有不同的流动性特点 在进行铸件设计和铸造工艺制定时 必须考虑合金流动性 那么 我们怎样衡量合金的流动性呢 图1 1螺旋型试样 在相同的浇注工艺条件下 将金属液浇入铸型中 测出其实际螺旋线长度 浇出的试样愈长 合金的流动性愈好 螺旋形流动性试样 液态金属本身的流动能力 流动性 充型能力 易薄壁复杂铸件 气孔 夹渣 缩孔 灰铸铁 硅黄铜的流动性较好 铸钢较差 铝合金居中 不同成分合金的结晶特性示意图见图1 2 含碳量 温度 T 碳钢 铸铁 共晶点 图1 2不同成分合金的结晶特性 在铸件凝固过程中 铸件断面上存在三个区域 即固相区 凝固区和液相区 其中凝固区对铸件质量有较大影响 铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分 如图1 2 液态金属的凝固 铸件的凝固方式 1 逐层凝固纯金属或共晶成分的合金的凝固 如图2 1a 2 糊状凝固结晶温度范围很宽的合金的凝固 如图2 1c 3 中间凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间 大多数合金为此凝固方式 如图2 1b所示 影响铸件凝固方式的主要因素 液 2 铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提下 凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差 若铸件内外层之间的温度差由小变大 则其对应的凝固区由宽变窄 T1 T2 1 合金的结晶温度范围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 合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点 合金的种类 合金不同流动性不同合金的成分 同种合金 成分不同 其结晶特点不同 流动性也不同 如图所示铅锡合金的流动性与相图的关系 铅锡合金的流动性与相图的关系 图1 3结晶特性对流动性的影响a 恒温下b 一定温度范围 结晶特性 恒温下结晶 流动性较好 两相区内结晶 流动性较差 纯金属和共晶合金在恒温下结晶 为逐层凝固方式 如图1 3a所示 凝固层表面光滑 阻力小 故流动性好 同时共晶合金熔点最低 故流动性最好 而亚共晶合金 为中间凝固方式 复杂枝晶阻碍流动 故流动性差 如图1 3b所示 2 浇注条件 1 浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度 一般要求比它的液相线温度高 即存在过热度 推迟它的凝固时间 以保持良好的流动性 浇注温度 粘度 过热度 蓄热多 保温时间 流动性 浇注温度 金属收缩 吸气 氧化 缩孔 缩松 气孔和粘砂 充型能力足够时浇注温度应尽可能低 所以 每种合金有自己的合理浇注温度范围 浇注温度 铸钢1520 1620 铸铁1230 1450 铝合金680 780 2 浇注压力浇注压力 合金的流动性 采用方法 增加直浇道高度 压力铸造 离心铸造来提高浇注压力 3 铸型填充条件 1 铸型导热能力金属型铸型 合金的流动性 干砂型铸型 加热 合金的流动性 2 铸型的阻力铸型型腔狭窄 复杂或铸型材料发气量大 型腔内气体 如排气不畅 金属液流动阻力 合金的流动性 二 合金的收缩性 constriction 1 合金的收缩合金在浇注 凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象称为收缩 合金的收缩 控制不好 缩孔 缩松 变形 裂纹 合金在浇注 凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段 要经历液态收缩 凝固收缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段 液态收缩 液 凝固收缩 凝 固态收缩 固 液态收缩 液从浇注温度 T浇 到凝固开始温度 即液相线温度T液 间的收缩 T浇 T液Liquidshrinkage 凝固收缩 凝从凝固开始温度 T凝 到凝固终止温度 即固相线温度T固 间的收缩 T凝 T固Solidificationshrinkage 固态收缩 固从凝固终止温度 T固 到室温T室温间的收缩 T固 T室温Solidshrinkage 固态收缩将引起铸件外部尺寸的变化 故称尺寸收缩或线收缩 体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因 体收缩率 线收缩率 线收缩率是铸件产生应力 变形 裂纹的根本原因 液态收缩和凝固收缩将引起液体铸件体积的变化 故称体积收缩或体收缩 合金的总收缩为上述三种收缩之和 2 影响合金收缩的因素 化学成分碳素钢C 凝 固 灰铸铁C Si 收缩率 S 收缩率 浇注温度浇注温度 T过 液 总收缩率 铸件结构和铸型条件 凝是受阻收缩 不是自由收缩 各部V冷不同 各部收缩不一致 对收缩产生阻力 铸型和型芯 收缩机械阻力 实际收缩率比自由收缩率小 3 铸件中的缩孔shrinkagecavity与缩松铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞 大而集中的孔洞称为缩孔 细小而分散的孔洞称为缩松 缩孔和缩松可使铸件力学性能 气密性和物理化学性能大大降低 以至成为废品 缩孔与缩松的形成由 液 凝 体积 得不到补充 最后凝固部分产生孔洞 形成集中孔洞 缩孔 细小分散的孔洞 缩松 缩孔的形成 见图1 5 假定合金在恒温下凝固或凝固温度范围很窄 图1 5铸件缩孔形成过程示意图 缩孔形成过程图解 树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致 缩松大多分布在铸件中心轴线处 热节处 冒口根部 内浇口附近或缩孔下方 缩松分为宏观缩松和显微缩松 宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到 显微缩松用显微镜才能观察到 图1 6铸件缩松的形成过程 缩松的形成 见图1 6 假定合金在恒温下凝固或凝固温度范围较宽 定向凝固directionalfreezing 是通过安放冒口和冷铁等工艺措施 实现人为的顺序凝固 冒口riser 铸型中特设的空腔 用于储备多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体不足 冷铁Chill 型壁上外设的铁块 用于加快该处的冷却速度 缩孔和缩松的防止 缩孔的防止防止产生缩孔的有效措施 定向凝固 定向凝固directionalfreezing图解 浇注系统Pouringsystem 型腔mouldcavity 冒口Riser 温度 距离 1 2 3 缩孔shrinkagecavity 定向凝固动画 冷铁的使用图解 1 2 3 冷铁Chill Chillsaremetallicobjects whichareplacedinthemouldtoincreasethecoolingrateofcastingstoprovideuniformordesiredcoolingrate 在实际生产中 通常采用 定向凝同原则 目的是使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件 并设法使分散的缩松转化为集中的缩孔 再使集中的缩孔转移到冒口中 最后将冒口割去 即可获得健全的铸件 也就是通过没置冒口和冷铁 使铸件从远离冒口的地方开始凝回并逐渐向冒口推进 冒口最后凝固 亦即使铸件进行定向 顺序 凝固 在铸件凝固过程中 冒口始终保持液态并对铸件的液态收缩和凝固收缩进行补充 合金的液态收缩和凝固收缩转移到冒口中 最终获得健全的铸件 见图1 7 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序 使铸件实现 顺序凝固 寻找热节的方法 等温线法 内切圆法 同时凝固 整个铸件几乎同时凝固 同时凝固可有效防止热应力 凝固期间不容易产生热裂 凝固后也不易引起应力 变形 由于不用冒口或冒口很小而节省金属 简化工艺 减少工作量 缺点是铸件中心区域往往有缩松 铸件不致密 冒口 储存补缩用金属液的空腔 顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固 定向凝固的优点 冒口补缩作用好 可防止缩孔和缩松 铸件致密 对于凝固收缩大 结晶温度范围较小的合金 常采用定向凝固原则以保证铸件质量 定向凝固的缺点 由于铸件各部分有温差 凝固期间容易产生热裂 凝固后也容易使铸件产生应力和变形 定向凝固使清理工作量大 缩松的防止缩松的防止比缩孔困难 目前多采用在热节处加冷铁和加大结晶压力的办法 减少金属液流动的阻力 能达到部分防止缩松的效果 缩松转化为缩孔的方法 尽量选择凝固区域较窄的合金 使合金倾向于逐层凝固 对凝固区域较宽的合金 可采用增大凝固的温度梯度办法 4 铸造内应力stress及铸件的变形deform和裂纹铸件的固态收缩受到阻碍时 在铸件内部产生的内应力称为铸造内应力 它是产生变形和裂纹的主要原因 内应力的形成 铸件在凝固和其后的冷却过程中 因壁厚不均 各部分冷却速度不同 造成同一时刻各部分收缩不一致 从而在铸件中相互制约产生内应力 这种内应力称为热应力thermalstress 金属在冷却过程中 从凝固终了温度到再结晶温度阶段 处于塑性状态 在较小的外力作用下 就可以生塑性变形 变形后应力可自行消除 低于再结晶温度的金属处于弹性状态 受力时产生弹性变形 变形后应力继续存在 内应力产生原因 凝固后固态收缩受阻引起 表示拉应力 表示压应力 铸件因壁厚不均匀 或铸件中存在着较大的温差 在同一时间内铸件各部分收缩不同 先冷却的部位阻碍了后冷却部位的收缩 在其内部产生了内应力 图1 10应力框及其热应力的形成过程 三杆热应力分析模型 综上所述 热应力的特点 固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸 薄壁或表层受压缩 合金固态收缩率愈大 铸件壁厚差别愈大 形状愈复杂 所产生的热应力愈大 防止热应力产生的途径 缩小铸件各部位的温差 使其均匀冷却 选用弹性模量小的合金 设计壁厚均匀的铸件 从工艺方面促使铸件各部位同时凝固 见图1 12 机械应力 收缩应力 mechanicalstress 机械应力是暂时应力 上型 下型 铸件收缩受到铸型 型芯及浇铸系统的机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力 简称机械应力 铸型或型芯退让性良好 机械应力则小 机械应力在铸件落砂之后可自行消除 但是机械应力在铸型中能与热应力共同起作用 增加了铸件产生裂纹的可能性 图1 13 铸件的变形及其防止如果铸件存在内应力 则铸件处于一种不稳定状态 铸件厚的部分受拉应力 薄的部分受压应力 如果内应力超过合金的屈服极限时 则铸件本身总是力图通过变形来减缓内应力 因此细而长或大又薄的铸件易发生变形 如图1 15所示 车床床身的导轨部分因较厚而受拉应力 床壁部分因较薄而受压应力 图1 16所示为一平板铸件 尽管其壁厚均匀 但其中心部分因比边缘散热慢 收缩慢而受拉应力 边缘处则散热较快 收缩较快而受压力 由于铸型上面比下面冷却快 于是该平板发生了如图所示方向变形 图1 16平板铸件的变形 为了防止铸件变形 设计应使铸件各部分壁厚尽可能均匀或形状对称 此外 还可在制摸时采用反变形法 将模样制成与铸件变形方向相反的形状 此时应较精确地计算铸件的变形量 有时也在薄壁处附加工艺筋 实践证明 尽管铸件冷却时发生部分变形 但内应力仍未彻底消除 在经过机加工后内应力发生重新分布 铸件仍会发生变形 影响零件的精度 因此 对某些重要的 精密的铸件 如车床床身等 必须采取去应力退火或自然时效等方法 将残余应力消除 必要时还可在粗加工后进行去应力退火或人工时效 自然时效 然后再进行精加工 以确保零件的精度 铸件的裂纹及防止如果铸造内应力超过合金的强度极限时 铸件便会产生裂纹 裂纹分为热裂和冷裂两种 热裂 热裂是在凝固后期高温下形成的 主要是由于收缩受到机械阻碍作用而产生的