热加工工艺基础

热加工工艺基础 1金属材料导论 2金属液态成形 3金属塑性成形 4金属连接成形 热加工工艺 2 1金属液态成形基础概述 知识点 什么是金属的液态成形 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中 待其冷却凝固 以获得毛坯或零件的工艺方法 亦称铸造 金属的液态成形的作用 金属的液态成形是制造毛坯 零件的重要方法之一 按铸型材料的不同 金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造 包括压力铸造 金属型铸造等 其中砂型铸造是最基本的液态成形方法 所生产的铸件要占铸件总量的80 以上 金属液态成形基础概述 2 2金属液态成形 金属的液态成形 2 1金属液态成形的铸造基础2 2金属的液态成形工艺2 3液态成形金属件的工艺设计2 4液态金属成形件的结构设计 知识点 砂型铸造过程 液态成型的优点 适于做复杂外形 特别是复杂内腔的毛坯 对材料的适应性广 铸件的大小几乎不受限制 成本低 原材料来源广泛 价格低廉 一般不需要昂贵的设备 是某些塑性很差的材料 如铸铁等 制造其毛坯或零件的唯一成型工艺 液态成型优点 液态成型的优点 工艺过程比较复杂 一些工艺过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀性 致密性一般较差 液态成形零件易出现缩孔 缩松 气孔 砂眼 夹渣 夹砂 裂纹等缺陷 产品质量不够稳定 由于铸件内部晶粒粗大 组织不均匀 且常伴有缺陷 其力学性能比同类材料的塑性成形低 液态成型缺点 液态合金的工艺性能 液态合金的工艺性能表征为液态合金的铸造性能 通常是指合金的流动性 收缩性吸气性及偏析等性能 合金铸造性能是选择铸造金属材料 确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据 合金的充型能力 液态金属充满铸型型腔 获得尺寸精确 轮廓清晰的成型件的能力 充型能力的概念 充型能力不足 浇不足 冷隔 夹砂 气孔 夹渣 充型能力的决定因数 合金的流动性铸型性质浇注条件铸件结构等 合金的充型能力 测试合金充型能力的方法 如右图 将合金液浇入铸型中 冷凝后测出充满型腔的式样长度 浇出的试样越长 合金的流动性越好 合金充型能力越好 几种不同合金流动性的比较 铸铁的流动性 铸钢的流动性 实验证明铸铁的流动性好 铸钢的流动性差 比较下面几种合金流动性能 合金流动性对充型能力的影响 合金流动性的决定因数合金的种类 合金不同 流动性不同 化学成分 同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点 流动也不同 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 浇注条件对充型能力的影响 浇注条件 浇注温度 充型压力 浇注系统 浇注温度越高 液态金属的粘度越小 过热度高 金属液内含热量多 保持液态的时间长 充型能力强 液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力 充型压力越大 充型能力越强 浇注系统的结构越复杂 则流动阻力越大 充型能力越差 铸型充填条件对充型能力的影响 铸型温度 不能过高 铸型蓄热系数 即从金属中吸取热量并储存的能力 铸型的发气和透气能力 浇铸时产生气体能在金属液与铸型间形成气膜 减小摩擦阻力 有利于充型 但发气能力过强 透气能力又差时 若浇铸速度太快 则型腔中的气体压力增大 充型能力减弱 铸件结构对充型能力的影响 折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数 是铸件体积与铸件表面积之比 折算厚度越大 热量散失越慢 充型能力就越好 铸件壁厚相同时 垂直壁比水平壁更容易充填 大平面铸件不易成形 复杂程度 铸件结构越复杂 流动阻力就越大 铸型的充填就越困难 液态金属的凝固与收缩 铸件的凝固过程 在铸件的凝固过程中 其截面一般存在三个区域 即液相区 凝固区 固相区 对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄 铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的 凝固方式有 逐层凝固 糊状凝固 中间凝固 影响凝固的主要因素 合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围越小 凝固区域越窄 越趋向于逐层凝固 在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固 高碳钢为糊状凝固 铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下 凝固区的宽窄取决于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 则其凝固区相应由宽变窄 合金的收缩 合金的收缩的过程 合金从液态冷却至室温的过程中 其体积或尺寸缩减的现象 合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难 会造成许多铸造缺陷 如 缩孔 缩松 裂纹 变形等 合金收缩的三个阶段 合金的收缩 合金收缩 固态合金冷却 液态合金冷却 液态收缩 凝固收缩 缩孔 恒温下结晶 缩松 两相区结晶 线形收缩 裂纹 变形 应力 影响收缩的因素 铸型条件 铸件结构 浇注温度 化学成分 c含量 合金收缩 缩孔与缩松的形成 缩孔的形成 纯金属 共晶成分和凝固温度范围窄的合金 浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固 在凝固过程中 如得不到合金液的补充 在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔 缩松的形成原因 铸件最后凝固的收缩未能得到补足 或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固 凝固区域较宽 液 固两相共存 树枝晶发达 枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致 缩孔易出现的部位 判断缩孔出现的方法 A等温线法B内截圆法 消除缩孔和缩松的方法 定向凝固原则 是铸件让远离冒口的地方先凝固 靠近冒口的地方次凝固 最后才是冒口本身凝固 实现以厚补薄 将缩孔转移到冒口中去 原理 合理布置内浇道及确定浇铸工艺 方法 合理应用冒口 冷铁和补贴等工艺措施 解决缩孔的方法演示 冒口和冷铁 定向凝固原则解决缩孔的方法演示 液态成形内应力 变形与裂纹 内应力 热应力 机械应力 变形 裂纹 铸件在凝固和冷却的过程中 由于铸件的壁厚不均匀 导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力 铸件在固态收缩时 因受到铸型 型芯 浇冒口 砂箱等外力阻碍而产生的应力 残余热应力的存在 使铸件处在一种非稳定状态 将自发地通过铸件的变形来缓解其应力 以回到稳定的平衡状态 当热应力大到一定程度会导致出现裂纹 热应力的形成过程演示 热应力的消除方法 铸件的结构 铸件各部分能自由收缩工艺方面 采用同时凝固原则时效处理 人工时效 自然时效 铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀 铸件的变形原因 结论 厚部 心部受拉应力 出现内凹变形 薄部 表面受压应力 出现外凸变形 铸件的变形的消除方法 防止变形的方法 与防止应力的方法基本相同 带有残余应力的铸件 变形使残余应力减小而趋于稳定 问题 铸造时所受的应力与变形情况 分析有长 短不一的两根弹簧 将其固定 使其达到同等长度 即其中一弹簧被拉长 另一弹簧被压缩 此时所受的应力状态 然后将其固定约束去掉 试分析其变形趋势 小结 知识点 铸件的生产工艺 铸件的生产工艺 实际生产中 由于铸铁材料 包括灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁 具有优良的铸造性能 且资源丰富 冶炼方便 价格低廉 铸铁件占液态成形件中相当大的份额 铸铁通常是C 2 5 4 0 的铁碳合金 碳在铁碳合金中的存在形式有 渗碳体和石墨根据碳在铁碳合金中的存在形式铸铁可以分为 白口铸铁 灰口铸铁 麻口铸铁 普通灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁 灰口铸铁 灰口铸铁可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨 而石墨的形态 大小和分布直接影响着铸铁的性能 根据铸铁中石墨形态的不同 灰口铸铁可以分为 普通灰口铸铁 石墨呈片状 可锻铸铁 石墨呈团絮状 蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状 球墨铸铁 石墨呈球状 铸铁的性能 铸铁之所以用得如此广泛 是因为石墨的存在 石墨的存在 使铸铁具有铸钢所不具备的性能 铸铁的优点 良好的铸造性能 如流动性好 收缩小良好的切削加工性能 高的耐磨性 良好的吸振缓冲性能 低的缺口敏感性能 石墨形态对铸铁性能的影响 石墨片越圆整 越细小 分布越均匀对基体割裂作用越小 铸铁的石墨化 碳以石墨的形式析出的过程 通常视石墨化过程充分与否 会得到不同基体的铸铁组织 铸铁的基体通常有 铁素体灰口铸铁 铁素体 珠光体灰口铸铁 珠光体灰口铸铁 影响石墨化的因素化学成分 化学成分 C是形成石墨的元素Si是促进形成石墨的元素通常C Si 越高 越容易石墨化 影响石墨化的因素冷却速度 冷却速度 减小冷却速度可以促进石墨化 易得到粗大的石墨片和铁素体基体 增大冷却速度则阻碍石墨化 此时只有部分碳以细石墨片析出 而另一部分碳则以渗碳体析出 得到铸光体基体 影响石墨化的因素 壁厚 普通灰口铸铁件 基体 F P F P生产 铁水熔炼好后直接浇铸牌号 HTXXX HT 表示灰口铸铁中文拼音的代号XXX 三位数字表示最抵抗拉强度 MPa 石墨形态 片状 问题 1 灰口铸铁牌号为什么不用含碳量多少表示 而用力学性能表示 2 有一铸件当其强度不够时 可否通过增大截面解决 灰口铸铁的孕育处理 提高和改善灰口铸铁的性能的途径 改善基体组织 改变石墨形态 数量 大小和分布 灰口铸铁的孕育处理是提高和改善灰口铸铁的性能的途径行之有效的方法 常用的孕育剂是含Si量为75 的硅铁 灰口铸铁的孕育处理方法 即将熔炼出的铁水在浇铸前加入质量分数为0 25 0 60 的孕育剂 孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心 使石墨化作用显著提高 从而得到在细珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织 灰口铸铁的孕育处理 选用碳 硅量低的铁水 原铁水含碳量越低 石墨越细小 铸铁的强度 硬度就越高 冷却速度 对其组织和性能影响较小 如下面的图 球墨铸铁件的生产 向高温铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂 直接得到球状石墨的铸造合金 球化剂 金属镁或稀土镁 孕育剂 含Si量为75 或95 的硅铁 球墨铸铁件主要特点 石墨成球状 对基体的割裂作用已降到最低 力学性能比灰铸铁有显著提高 可通过热处理改善金属基体 进一步提高性能 这一点与灰铸铁不同 球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔 缩松 皮下气孔 夹渣等缺陷 石墨析出时 发生膨胀 应适当提高铸型刚度 球墨铸铁件生产中应注意的问题 控制原铁液的化学成分 与一般灰铸铁基本相同 具有高C高Si 中Mn 低S P特点 较高的铁液温度 以防止球化处理 孕育处理后铁液温度过低 产生浇不足等缺陷 球化处理 孕育处理 球墨铸铁的牌号 性能及用途 可锻铸铁 可锻铸铁生产 将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火 使白口铸铁中的渗碳体分解 获得在铁素体或珠光体的基体分布着团絮状石墨的铸铁 黑心可锻铸铁 KTH 铁素体基体 珠光体可锻铸铁 KTZ 白心可锻铸铁 KTB 很少用 种类 特点 强度高 b 300 400Mpa 塑性 12 和韧性 k 30J Cm2 好 石墨化退火周期长 40 70h 铸件成本高 适用于制造承受震动和冲击 形状复杂的薄壁小件 铸钢