《合金的铸造性能》PPT课件

1.铸造,1.0概述1.1合金的铸造性能1.2常用铸造合金的生产1.3砂型铸造1.4特种铸造1.5零件结构的铸造工艺性,了解,什么是金属液态成形液态金属在铸型中冷却、凝固形成零件。通常称为：铸造,1.0概述,铸造：（Casting)铸造术语（GB/T5611-1998）熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成型方法。合金配比：化学成分合金熔炼：坩埚、空气、变质处理铸造模型（造型）：浇注系统合金浇注：浇注温度合金在模型中充型：金属流动、界面合金在模型中的凝固：收缩、变形合金在模型中的冷却：收缩、变形、相变,铸造：将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸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，称为铸造。,铸造工艺的特点,1.适用范围广,2.可以制造各种合金铸件,3.铸件尺寸精度高（与一般焊接件、锻件比,较）,4.成本低廉,5.可以生产形状复杂的零件,四羊方尊（公元前1311世纪）青铜，高58.3,曾候乙尊盘公元前,476年公,元前4世纪,上半页,秦皇铜车马（公元前221,206年），长317cm，高106.2cm,秦皇铜车马，青铜，高106mm，长317mm,虎牛祭案（春秋晚期），青铜,青铜镜,唐代，618907年）,直径23.9cm,边厚1.5cm,最薄处2.6mm,永乐大钟,明代,（13681644）锡青铜，46.5t,镶宝,“戒指,树”,美国，现,代；,18k金嵌钻,石、红宝石,三缸柴油机缸体,灰铸铁，,200kg,戴姆勒-克莱斯勒12缸汽车发动机铝合金气缸体铸件,卡车各种铸件（灰口铸铁、球墨铸铁）,各种,轧钢机机架（铸钢，400吨）,特大型轧钢机机架（218t）,机架及浇冒口系统的三维造型（左）与计算机温度场模拟（右）,汽车球墨铸铁件微观组织及性能计算机模拟,（a),(b),(c),(d)(a)汽车球墨铸铁件(b)汽车球墨铸铁件铸造工艺三维造型,(e),熔化,造型,与环境友好的日本铸造厂,熔化,造型,减少工业,废弃物追求“3R”,再循环（Recycling）,再用（Reuse）减少（Reduce）,冲天炉炉渣,熔炼粉尘,集尘粉尘,混凝土块,除臭剂,滤水器,土壤添加剂,喷丸清理,铸铁粉,隔音装置,达到零污染排放,1.0.1铸造的目标,1.充型饱满：浇道设计压力，真空等措施2.表面光洁度好：金属型熔模等措施3.铸件组织性能好（控制缺陷）：增加液态形核核心，浇注温度，冷去速度,1.0.1铸造的目标,铸件标准：GB9439-88灰铸铁件国家标准1.化学成分2.力学性能、硬度3.材料组织4.外形尺寸5.表面质量6.缺陷控制,1.0.1铸造的目标,GB6414-1999压铸尺寸公差,GBT6414-1999铸件尺寸公差与机械加工余量GBT15056-1994铸造表面粗糙度评定方法JBT7528-1994铸件质量评定方法JBT7945-1999灰铸铁力学性能试验方法JBT9219-1999球墨铸铁超声声速测定方法GBT7233-1987铸钢件超声探伤及质量评级方法,1.0.2铸造分类,1.0.3铸造特点（砂型铸造）,优点：成本低、生产工艺简单、生产周期短；缺点：因为每个砂质铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，必须重新造型，所以砂型铸造的生产效率较低；砂的整体性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表面也较粗糙。铸件精度、表面光洁度、材质的密度和金相组织、机械性能等方面往往较差，所以当铸件的这些性能要求更高时，应该采用其它铸造方法。,砂型铸造铸件,铸造特点（金属型铸造）,优点：铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）；金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化缺点：金属型制造成本高；金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件洗不足、开裂或铸铁件白口等缺陷；对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制,金属型铸造件,1.0.3铸造特点（压力铸造）,优点：生产率极高、铸件的精度高，表面光洁（IT11-13，Ra3.2-0.8um）、并可直接铸出极薄（0.5mm）件或带有小孔（孔径0.7mm）、螺纹（螺距0.75mm）的铸件。铸件冷却快，又在压力下结晶，故晶粒细小，表层紧实，铸件强度、硬度高。缺点：1、压铸机费用高，工艺准备时间长，不宜于单价、小批量生产。2、铸件材质受限，目前尚不适合钢和铸铁等高熔点合金的铸造。3、浇注和冷凝速度过快，易存有气孔、缩孔和缩松。,压力铸造件,英国简氏防务周刊网站5月8日报道称，俄罗斯和中国将合作研发被称为“先进重型直升机”的新型直升机，这款新型直升机的研发得到俄罗斯总统普京和中国国家主席习近平的支持，它的最大起飞重量为38吨，内部载荷可达10吨或外挂载荷15吨。性能匹敌美CH-47运输机。,按照同一天签订的协议，有关各方将负责新飞机研发和筹备批量生产的各项工作。据俄罗斯直升机公司首席执行官亚历山大米赫耶夫称，中国是先进重型直升机的潜在主要市场，到2040年中国可能会需要200架这个级别的直升机。这款新型直升机的研发得到俄罗斯总统普京和中国国家主席习近平的支持，它的最大起飞重量为38吨，内部载荷可达10吨或外挂载荷15吨。虽然最终的性能参数尚未确定，但先进重型直升机将被设计为能够在“高温高空”环境和全天候条件下活动。,资料图：美军CH-47F支努干重型运输直升机绰号“飞行车厢”。,第三届中国天津国际直升机博览会（2015直博会）。在中航工业展区，一款先进重型直升机模型引起不少人围观。这是国产先进重型直升机模型在展会上首次亮相，从展板上的信息来看，这款重型直升机最大起飞重量为38.2t，最大巡航速度300km/h，使用升限5700m，航程630km。先进重型直升机有运载重量大、内部空间宽敞、任务配置灵活等特点，适合承担规模化救援、车辆运输、为何运输、消防运输、人员运输、吊挂运输等任务，全面满足规模化运输、抢险救灾、大型机械吊运等市场需求。,图为中国38吨重型直升机震撼亮相,图为中国重型直升机可以装载或挂载的装备包括集装箱、装甲车、越野突击车、大型挖掘机等。,1.0.3铸造特点（低压铸造）,优点：1.适应不同材料的铸型。液态金属充型平稳，排气良好，减少铸件形成夹渣、气孔的可能性。2.在压力下，且自上而下的定向凝固，铸件组织致密，强度、气密性好。3.浇注系统简单，不用冒口，金属利用率达90-95；4.铸件表面质量高于金属型铸（IT12-14，Ra12.5-3.2um）,可生产壁厚为1.5-2mm的薄壁铸件。低压铸造设备费用较压力铸件低。缺点：升液管寿命短，液态金属在保温过程中易产生氧化和夹渣，且生产率低于压力铸。,低压铸造,1.0.3熔模铸造,熔模铸造又称失蜡法。失蜡法是用蜡制作所要铸成器物的模子，然后在蜡模上涂以泥浆，这就是泥模。泥模晾干后，在焙烧成陶模。一经焙烧，蜡模全部熔化流失，只剩陶模。一般制泥模时就留下了浇注口，再从浇注口灌入金属液，冷却后，所需的器物就制成了。,熔模铸造特点,熔模铸件的形状一般都比较复杂，铸件上可铸出孔的最小直径可达0.5mm，铸件的最小壁厚为0.3mm。在生产中可将一些原来由几个零件组合而成的部件，通过改变零件的结构，设计成为整体零件而直接由熔模铸造铸出，以节省加工工时和金属材料的消耗，使零件结构更为合理。,熔模铸造特点,熔模铸造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度，所以可减少机械加工工作，只是在零件上要求较高的部位留少许加工余量即可，甚至某些铸件只留打磨、抛光余量，不必机械加工即可使用。熔模铸造方法的另一优点是，它可以铸造各种合金的复杂的铸件，特别可以铸造高温合金铸件。如喷气式发动机的叶片，其流线型外廓与冷却用内腔，用机械加工工艺几乎无法形成。用熔模铸造工艺生产不仅可以做到批量生产，保证了铸件的一致性，而且避免了机械加工后残留刀纹的应力集中。缺点：工艺复杂，价格高,1.1合金的铸造性能,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力1.1.2合金的凝固与收缩1.1.3铸造合金的偏析和吸气性,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,1）合金的铸造流动性2）流动性测量3）影响铸造合金流动性因素4）合金充型能力5）影响合金充型能力因素6）铸型对合金充型能力的影响7）浇注工艺对合金充型能力的影响,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,1）合金的铸造流动性（1）流动性含义熔融金属（液态金属）的流动能力。（2）液态流动性对铸造过程的影响充满型腔能力，铸件轮廓清晰程度气体和夹杂排除能力凝固过程中的补缩能力，热裂纹修复【尺寸控制缺陷控制】,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,2）流动性测量JBT40221-1999合金铸造性能测定方法,合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长，流动性越好。,螺旋形流动性试样,合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长，流动性越好。,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,3）影响铸造合金流动性因素合金种类P2表1-1灰铸铁硅黄铜铸铝铸钢化学成分及结晶特征结晶温度宽：流动性差树枝状结晶：流动性差导热性好：流动性差凝固热容大：流动性好粘度大：流动性差,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,4）合金充型能力合金流动性决定于合金化学成分（自然属性）合金的充型能力：考虑型腔及工艺因素影响的合金流动性，液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件能力。,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,5）影响合金充型能力因素铸型铸造工艺【浇注温度、铸造压力、铸件结构】6）铸型对合金充型能力的影响铸型的蓄热能力铸型导热性好：充型能力差铸型热容大：充型能力差铸型温度：温度提高，充型能力强铸型透气性：差充型能力差,1.1.1合金的流动性和合金的充型能力,7）浇注工艺对合金充型能力的影响浇注温度高充型能力强坏处：铸件收缩大缩孔、缩穴、疏松气体多夹杂、气孔晶粒粗大浇注压力高：充型能力强铸件结构结构复杂：充型能力差厚薄部位均匀性好：充型能力强,合金性质方面铸型和浇注条件铸件结构,影响合金流动性和充型能力的因素,纯金属、共晶合金流动性好。（恒温下结晶，凝固层内表面光滑）亚、过共晶合金流动性差。（在一定温度范围内结晶，凝固层内表面粗糙不平）,提高流动性的措施：提高铸型的透气性，降低导热系数；确定合理的浇注温度；提高金属液的压头；浇注系统结构简单。,铸件壁厚最小允许壁厚,1.1.2合金的凝固与收缩,1）合金凝固过程2）合金的凝固方式3）合金的凝固方式影响因素4）合金凝固中的收缩5）合金凝固中的收缩过程6）合金凝固中的收缩影响因素7）合金凝固中的收缩对铸件影响,7）合金凝固中的收缩对铸件影响,铸造尺寸精度缩孔缩松缩孔和缩松防止铸造应力、变形和裂纹,1.1.2合金的凝固与收缩,1）合金凝固过程：,金属的结晶过程：,（1）形核,1）自发（均匀）形核：,由液体金属本身原子自发形成晶核,2）非自发（非均匀）形核：,依附于杂质而生成晶核,杂质符合“结构相似，尺寸相当”原则,实际金属和合金中以非自发形核为主,金属结晶过程示意图,（2）晶核的长大：（实质就是原子由液体向固体表面的转移。）,1）平面长大：冷却速度较小，表面向前平行推移长大,2）树枝状长大：冷却速度较大，形成负温度梯度，树枝状的形状长大。,金属结晶示意图,金属的树枝晶,金属的树枝晶,平面长大的规则形状晶体树枝状长大的树枝状晶体,1.1.2合金的凝固与收缩,2）合金的凝固方式：决定于合金的凝固温度区间大小逐层凝固共晶合金或纯金属恒温凝固液相和固相有明确分界线糊状凝固结晶温度区间最大，现糊化后固化中间凝固结晶温度区间介于逐层凝固和糊化凝固之间,1.1.2合金的凝固与收缩,3）合金的凝固方式影响因素合金成分：决定凝固温度区间方式铸件凝固过程中的温度梯度分布铸件内部温度分布梯度陡：利于逐层凝固铸件内部温度分布梯度缓：利于糊状凝固,1.1.2合金的凝固与收缩,4）合金凝固中的收缩液态金属冷却到室温形成固体的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为凝固收缩。,1.1.2合金的凝固与收缩,5）合金凝固中的收缩过程【原子间距离】液态收缩：液态金属在液态的冷却收缩浇注温度到凝固开始温度差浇注温度=凝固开始温度+50-150凝固收缩：液态到凝固结束间收缩固相收缩：凝固结束到室温间的收缩,1.1.2合金的凝固与收缩,6）合金凝固中的收缩影响因素化学成分浇注温度：高收缩大铸型结构和铸型条件约束大：收缩小残余应力高容易出现裂纹,1.1.2合金的凝固与收缩,7）合金凝固中的收缩对铸件影响铸造尺寸精度模具设计考虑铸件收缩缩孔液态金属收缩和凝固收缩过程中，在铸件最后凝固位置形成的大而集中的孔洞。,1.1.2合金的凝固与收缩,缩松液态金属收缩和凝固收缩过程中，其液态和固态收缩没有得到及时补充而形成的细小而分散的孔洞。,1.1.2合金的凝固与收缩,缩孔和缩松防止来源：凝固过程中金属的收缩采取工艺措施：控制凝固顺序：将缩孔和缩松移出铸件有效使用位置、采用机械加工去除a)定向凝固：,1.1.2合金的凝固与收缩,b)冒口和冷铁的合理使用,1.1.2合金的凝固与收缩,c)合理确定浇注系统厚大部位最后冷却,1.1.2合金的凝固与收缩,铸造应力、变形和裂纹a)铸造应力b)应力的危害c)铸造变形d)铸造应力和变形影响因素e)铸造应力和变形控制f)消除铸造应力方法,1.1.2合金的凝固与收缩,铸造应力、变形和裂纹铸造应力：凝固和冷却过程中不均匀收缩形成的应力（1）热应力(thermalstress)：铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩量不一致，铸件各部分彼此制约，产生的应力。（2）相变应力(phasetransformationstress)：固态发生相变的合金，由于铸件各部分冷却条件不同，它们到达相变温度的时刻不同，且相变的程度也不同而产生的应力。（3）机械阻碍应力(mechanismhinderedstress)：铸件收缩受到铸型、型芯、箱挡和芯骨等机械阻碍所产生的应力。,b)应力的危害：铸造应力和铸件的变形对铸件质量的危害很大。铸造应力是铸件在生产、存放、加工以及使用过程中产生变形和裂纹的主要原因，它降低铸件的使用性能。当机件工作应力的方向与残余应力的方向相同时，应力叠加，可能超出合金的强度极限，发生断裂。有残余应力的铸件，放置日久或经机械加工后会变形，使机件失去精度。产生变形的铸件可能因加工余量不足而报废，为此需要加大加工余量。在大批量流水生产时，变形的铸件在机械加工时往往因放不进夹具而报废。应力超过材料强度极限：铸件裂纹、铸件开裂,1.1.2合金的凝固与收缩,c)铸造变形：由于热应力作用导致的铸件变形,1.1.2合金的凝固与收缩,d)铸造应力和变形影响因素,铸造裂纹,d)铸造应力和变形影响因素,d)铸造应力和变形影响因素,1.1.2合金的凝固与收缩,e)铸造应力和变形控制,1.1.2合金的凝固与收缩,f)铸造应力和变形控制,f)消除铸造应力方法,1.1.3铸造合金的偏析和吸气性,1）偏析2）偏析的种类3)晶内偏析来源及消除4）区域偏析5）比重偏析6）铸件中的气孔,1.1.3铸造合金的偏析和吸气性,1）偏析所谓铸造偏析就是液态合金在铸型中凝固以后，铸件断面上各个部分及晶粒与晶界之间存在化学成分的不均匀现象。2）偏析的种类晶内偏析、区域偏析和比重偏析,1.1.3铸造合金的偏析和吸气性,3)晶内偏析来源及消除晶内偏析，又叫树枝晶偏析。其特征是在一个晶粒范围内，晶内和晶界处的化学成分不一致，熔点高的组元往往多分布于晶内，而熔点低的组元则往往多分布于晶界。如锡青铜铸件，晶粒内含铜多，而晶界处含锡多。一般的产生晶内偏析，有两个条件：（1）具有一定结晶温度范围的合金；（2）在凝固过程中，合金原子的扩散速度小于结晶速度。因为合金的结晶温度范围愈宽、铸件的冷却或结晶速度愈快，则晶内偏析愈严重。为防止晶内偏析，可以采用细化晶粒的措施，以缩短原子的扩散距离；或适当提高浇温，以延缓冷却速度，以达到延长原子的扩散时间等。对已产生晶内偏析的铸件，可通过长时间的扩散退火来减轻晶内偏析。,1.1.3铸造合金的偏析和吸气性,4）区域偏析区域偏析是指在铸件的整个断面上，各部位的成分不一致的现象。主要因合金进行选择凝固所引起。区域偏析又分正向偏析和逆向偏析两类。正向偏析是指铸造合金中，熔点较低的组元集中分布在铸件的中心或上部区域，其含量从铸件的先凝固区到其后凝固区逐渐递增。负向偏析则正好相反，熔点较低的组元集聚在铸件边缘。如硅黄铜铸件易出现正向偏析，即铸件中心含硅量较高；锡青铜件则易产生逆向偏析，即铸件表层中锡含量较多。,1.1.3铸造合金的偏析和吸气性,一般的，具有一定结晶温度范围的合金，均会产生一定程度的区域偏析，只是结晶温度范围较小的合金，倾向于产生正向偏析；而结晶温度范围较宽的结晶时形成发达的树枝晶的合金，则易产生逆向偏析。如锡青铜件表面的“锡汗”，就是当锡青铜表面先凝固一层硬壳后，由于某种应力的作用，硬壳出现裂纹，壳内未凝固的低熔点组元（锡）占多数的液态合金被挤出壳外而停留在铸件表面形成的