第二章 铸造生产

金属工艺学,第二篇金属液态成型,一、什么是液态成型（铸造生产）,将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。,零件图,铸造工艺图,铸型,型芯,芯盒芯砂,型砂模型,熔化,合箱,落砂、清理,检验,铸件,二、砂型铸造的工艺过程,（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。,三、铸造生产的特点,1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。,（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。,2适应性强：,3成本低：,4废品率高、表面质量较低、劳动条件差。,第一章金属液态成型工艺基础,充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。,一、液态合金的流动性,合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。,充型液态合金填充铸型的过程。,充型能力液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。,1-1液态金属的充型能力与流动性,0.45%C铸钢：200,4.3%C铸铁：1800,出气口,合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点,a）在恒温下凝固,b）在一定温度范围内凝固,（3）浇注系统的的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。,二、浇注条件,三、铸型充填条件,（1）铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热量并储存在本身的能力。,（1）浇注温度一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。,（2）充型压力液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。,（2）铸型温度铸型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。,（3）铸型中的气体,（2）铸件复杂程度铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。,四、铸件结构,（1）折算厚度折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。,1-2液态金属的凝固与收缩,一、铸件的凝固方式,1.逐层凝固,2.糊状凝固,3.中间凝固,影响铸件凝固方式的主要因素：,（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。,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,T2,二、合金的收缩,1.收缩的概念,T浇,T液,T固,T室,合金的收缩经历如下三个阶段：,（1）液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T浇T液,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。,（3）固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。T固T室,（2）凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。T液T固,2.缩孔与缩松,液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。,1)缩孔和缩松的形成,2)缩孔和缩松的防止,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”。,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。,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。,1-3液态成形内应力、变形与裂纹,一、液态成形内应力,铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。,1.机械应力（收缩应力）,合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。,上型,下型,1-3铸造内应力、铸件的变形与裂纹,一、铸造内应力的形成与控制1.热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图。,2热应力,热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。,t0t1:,塑性状态,弹性状态,1,2,+,-,t1t2：,t2t3：,+,-,-,+,热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。热应力是永久应力。,二、铸件的变形与防止,反变形法,防止变形的方法：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）采用同时凝固的原则；,3）采用反变形法。,三、铸件的裂纹与防止,1热裂,热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。,热裂的防止：,应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。,2冷裂,冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。,冷裂的防止：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）采用同时凝固的原则；,3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。,1-4液态成形件的质量与控制,常见铸件缺陷及特征,铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、合金的熔炼与浇注、铸造合金的选择、铸件结构设计、技术要求的设计是否合理等各个环节密切相关。因此，应从以下几个方面控制铸件质量：1合理选定铸造合金和铸件结构2合理制定铸件的技术要求具有缺陷的铸件并不都是废品，在合格铸件中，允许存在那些缺陷及其存在的程度，应在零件图或有关的技术文件中做出具体规定，作为铸件质量要求的依据。3铸件质量检验铸件质量检验是控制铸件质量的重要措施。铸件检验的项目有：铸件外观质量，包括铸件表面缺陷、表面粗糙度、重量公差和尺寸公差等；铸件内在质量，包括铸件内部缺陷、化学成分、金相组织和材质性能等；铸件使用性能，包括铸件在强力、高速、耐蚀、耐热、耐低温等不同条件下的工作能力。铸件质量检验最常用的是宏观法。它是通过肉眼观察（或借助尖咀锤）找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、粘砂、缩孔、浇不到、冷隔、尺寸误差等。对于内部缺陷则要用仪器检验，如着色渗透检验、超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、荧光探伤、耐压试验等。此外，若有必要还应对铸件进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分分析等。,第二章常用液态成形合金及其熔炼,2-1铸铁件生产,铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-4.0%）的铁碳合金。,3麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。,根据碳在铸铁中存在形式的不同，铸铁可分为：,1.白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。由于白口铸铁具有良好的耐磨性，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。,2灰口铸铁：碳大部或全部以石墨形式存在，断口呈暗灰色。,4蠕墨铸铁：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。,a,b,c,d,根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：,1普通灰铸铁：简称灰铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。,2可锻铸铁：其石墨呈团絮状。如图b所示。,3球墨铸铁：其石墨呈球状。如图c所示。,一、影响铸铁组织和性能的因素,1、化学成分,碳是形成石墨的元素，也是促进石墨化的素。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。,硅是强烈促进石墨化的元素，随着含硅量的增加，石墨显著增多。,所以：当铸铁中碳、硅含量均高时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。,铸铁中的碳可以以化合态渗碳体和游离态石墨两种形式存在。,碳以石墨形式析出的现象称为石墨化。,1）碳和硅,3）锰,所以：硫含量限制在0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。,使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。,锰是弱阻碍石墨化元素，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。,MnS,一般控制在0.61.2%之间,4）磷,磷对铸铁的石墨化影响不显著。含磷过高将增加铸铁的冷脆性。,限制在0.5%以下，高强度铸铁则限制在0.20.3%以下。,2）硫,硫是强烈阻碍石墨化元素。,2冷却速度,在实际生产中，一般是根据铸件的壁厚（主要部位的壁厚），选择适当的化学成分（主要指碳、硅），以获得所需要的组织。,由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。,1）铸型材料,2）铸件壁厚,铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。,铸铁壁厚（mm）,（wC+wSi）%,白口铸铁,麻口铸铁,灰口铸铁,白口铸铁：,灰口铸铁：,麻口铸铁：,珠光体灰口铸铁,珠光体+铁素体灰口铸铁,铁素体灰口铸铁,P+Fe3C+Le,P+Fe3C+G+Le,珠光体灰口铸铁：,铁素体灰口铸铁：,珠光体+铁素体灰口铸铁：,P+G片,P+F+G片,F+G片,二、灰铸铁,（一）灰铸铁的化学成分、组织和性能,1灰铸铁的化学成分与组织,灰铸铁的化学成分一般为：2.63.6%C，1.23.0%Si，0.41.2Mn，S0.15%，P0.3%。,1)铁素体灰铸铁（F+G片）：,这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好。常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。,2)铁素体-珠光体灰铸铁（F+P+G片）：,此种铸铁强度亦较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减振性较好，因此应用较广。,3)珠光体灰铸铁（P+G片）：,这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。,2灰铸铁的性能,2）良好的减振性3）良好的耐磨性4）低的缺口敏感性,1）力学性能：b=120-250Mpa，仅为钢件的20-30%，0,（二）灰铸铁的孕育处理,灰铸铁的组织和性能，很大程度上取决于石墨的数量、大小和形态。,差,孕育处理熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。,孕育铸铁：P细+G细片,b=250-400Mpa，HB=170-270，0,冷却速度对其组织和性能的影响很小。,常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。,孕育铸铁适用于静载荷下，要求较高强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件，特别是厚大截面铸件。如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。,必须指出：孕育铸铁原铁水的碳、硅含量不能太高；原铁水出炉温度不应低于1400；经孕育处理后的铁水必须尽快浇注，以防止孕育作用衰退。,（三）灰铸铁的工艺性能,3锻造性和焊接性差。,1良好的铸造性能。良好的流动性、小的收缩率。,2良好的切削加工性能。,2灰铸铁的牌号选用,灰铸铁的牌号用汉语拼音“HT”和一组数字表示，数字表示其最低抗拉强度b（Mpa）。,1灰铸铁件的生产特点,1）灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；,2）具有良好的铸造性能。,3）灰铸铁一般不通过热处理来提高其性能。,（四）灰铸铁生产特点及牌号选用,三、可锻铸铁,（一）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用,1可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用,具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖拉机的底盘类零件、各种水管接头、农机件等。,其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。,1）铁素体（黑心）可锻铸铁（F+G团）：,2）珠光体（P+G团）：,2可锻铸铁的牌号,可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其最低抗拉强度b（Mpa），第二组数字表示其最低伸长率。,KTH30006,KTZ45006,（二）可锻铸铁的生产特点,1.铸出白口坯料,1）碳、硅含量要低。通常为2.42.8%C，0.41.4%Si。,2）冷却速度要快。,2.石墨化退火,920-980,720,650,P+G团,F+G团,石墨化退火的总周期一般为4070小时,高温阶段的石墨化退火时间需10-20小时,四、球墨铸铁,1球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途,1）珠光体球墨铸铁（P+F少+G球）,其性能特点是：,a）强度高。特别是屈服强度高，屈、强比（0.2/b0.70.8）高于45号钢（0.2/b0.6)。,b）疲劳强度较高,c）硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高,因此，珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。,b=600800MPa;=2%,我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件，如后桥壳等。国外则大量用于铸管，如上、下水管道及输气管道等。,2）铁素体球墨铸铁（F+P少+G球）,其性能特点：,b=450500MPa;=17%,球墨铸铁的牌号用汉语拼音“QT”和两组数字表示，两组数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。,2球墨铸铁的生产,1）控制原铁水化学成分,2）较高的铁水温度,3）球化处理和孕育处理,出炉温度应高于1400。,a）应严格控制S0.07%、P0.1%。,b）适当提高含碳量（3.64.0%C），以改善铸造性能。,稀土镁合金,球化剂加入量一般为铁水重量的1.0-1.6%。,球化剂的作用：促使石墨在结晶时呈球状析出。,a）球化处理,常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.4-1.0%。,b）孕育处理,孕育剂的作用：促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。,球化处理工艺有冲入法和型内球化法。,4）球墨铸铁的热处理,退火、正火及其它热处理（淬火、回火等）。,五、蠕墨铸铁,蠕墨铸铁的性能特点：,（1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨铸铁相近。,（2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多。,（3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。,（4）耐磨性比灰口铸铁好，为HT300的2.2倍以上。,蠕墨铸铁主要用来代替高强度灰铸铁、合金铸铁、铁素体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件。如大型柴油机机体、大型机床立柱等，更适合制造在热循环作