材料工程基础完整之铸造篇ppt课件

.,主要用材：钢铁、非铁金属、塑料、橡胶、玻璃等,汽车,.,.,机器生产过程：原材料毛坯零件机器机器制造方法：原材料选取择与材料改性（热处理）;毛坯成形（铸、锻、焊等）;零件成形（切削加工等）与装配。,机器生产过程,.,铸造成形,汽缸体铸件,端盖铸件,金属液态凝固成形,.,锻压成形,金属塑性成形,.,焊接,金属固态连接,.,切削加工,金属切削加工成形,.,金属材料加工：,.,2.1铸造成形工艺理论2.2铸造合金及熔炼2.3铸造成形方法2.4特种铸造,第二章铸造,.,金属的成形方法可分为铸造、塑性成形（或称压力加工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大类。,铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。,但它的缺点是公差较大，易产生内部缺陷。,.,.,2.1铸造成形工艺理论,定义：铸造是指将液态金属（或合金）充填满铸型型腔并冷却凝固的过程。,.,实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。,砂型铸造概略图,.,2.1.1铸造成型工艺特点及分类,1.铸造成型工艺特点,优点：,1）可制造出内腔、外形很复杂的毛坯；2）工艺灵活性大，适应性广；3）材料的使用范围广；4）铸件生产成本较低。,.,特种铸造包括：熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、离心铸造、低压铸造、陶瓷型铸造和消失模铸造等。,按铸型材料分为：砂型铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造。,按力场分为：重力铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造。,2.铸造成型工艺分类,按工艺方法分：砂型铸造和特种铸造。,.,2.1.2合金的铸造性能,合金的铸造性能是合金铸造的主要影响因素,主要体现在二个方面：合金的充型能力和合金的收缩性。,.,液态合金的流动性：,1.液态合金的充型能力,.,影响液态合金充型能力的因素：,浇注温度：,.,充型压力：,铸件的凝固方式：,.,在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两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。,.,.,一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。,柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。,因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。,思考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并如何实现？,讨论：,.,2.合金的收缩性：,定义：合金收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。,分类：分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三类。,.,收缩率：体积收缩率是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。是产生缩孔、缩松的基本原因。线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。表现为铸件外形尺寸减少，是逐渐产生内应力、变形和裂纹的基本原因。,.,注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。,合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。,.,缩孔：,铸件的缩孔和缩松,定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。,产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。,.,缩松：,定义：缩松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。,.,宏观缩松：指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞，通常出现在缩孔的下方。显微缩松：是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能看到。,缩松,.,危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。,防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、缩松的出现。,.,内置冷铁法,外置冷铁法,.,设置冒口法,冒口、冷铁共用法,.,裂纹与变形：,在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。,.,铸件冷却时因各部分冷却速度不同，造成在同一时刻各部分的收缩量不同，彼此相互制约的结果就产生了应力。,框形铸件中的动态应力分析,弹塑性转变温度,.,缺陷产生及解决措施：变形，裂纹：热导率低、塑性差的合金成分会导致开裂例如：钢中碳、磷引起的冷裂；硫引起的热裂解决方法：1）铸件形状简单、薄厚均匀2）退火去应力3）补偿措施：加筋，园角过渡等,.,铸件特殊位置的裂纹示意图,裂纹的常见部位：,.,气体的来源：1）侵入性气体2）析出性气体3)反应性气体,气体的析出：1）气体原子扩散到表面脱离吸附2）反应生成化合物，以金属夹杂物形式析出3）以气泡形式逸出,气孔的形成：1）侵入气孔2）析出气孔3)反应气孔,气孔的引发的缺陷：1）局部应力集中裂纹源2）造成晶间疏松缩孔3）降低韧性脆化,3.合金的吸气性：,.,1）微观偏析：金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象。a：晶内偏析由于合金的不平衡结晶造成的，大多产生于具有一定的结晶范围，能形成固溶体的合金中。影响因素：解决方法：固液线距离偏析元素的扩散能力高温均匀化退火铸件的冷凝速度,4、铸件的化学成分偏析,.,b：晶界偏析,.,凝固过程的溶质再分配,2）宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度的大范围内产生的成分不均匀的现象。,1、正常偏析：对于1的合金，先凝固区域的溶质含量高于后凝固区域。2、逆偏析：对于1的合金相反，外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低，与正常溶质再分配规律不一致。3、密度偏析：由于重力作用产生的化学成分不均匀的现象。,原因：形成粗大的树枝晶，应避免,.,.,2.2.1常用铸造合金一、铸铁铸铁是含碳量超过2.11%的铁碳合金。工业用铸铁实际上是以Fe、C、Si为主要元素的多元合金。铸铁中碳的存在形式：渗碳体化合状态石墨游离状态铸铁分类：白口铸铁灰铸铁（片状石墨）灰口铸铁可锻铸铁（团絮状石墨）麻口铸铁球墨铸铁（球状石墨）,2.2铸造合金及熔炼,.,在高温液态加球化剂获得,莱氏体白口组织，含碳量4.3%,灰口铁,.,铸铁的石墨化1、石墨化过程石墨化铸铁中碳以石墨析出和聚集的过程。石墨化形式：缓慢冷却时，L(A)石墨加热时，Fe3C石墨石墨是碳的一种结晶形态，具有六方晶格。原子呈层状排列，同一层面上的碳原子呈共价键，结合力强；层与层之间呈分子键，结合力弱。因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强度、硬度、塑性极低。,.,影响石墨化的因素（1）化学成分影响碳和硅是强烈促进石墨化元素。碳是石墨的基础，硅促进石墨析出(C:2.73.6%,Si:1.12.5%)。碳和硅含量高时，石墨量多、尺寸大、铁素体多，因此强度、硬度低。锰是微弱阻止石墨化元素，可促进珠光体基体形成，提高铸铁强度和硬度(Mn:0.41.2%)。硫和磷是有害元素（S0.10.15%,P0.2%）。碳当量：CE=C+(Si+P)/3%CE=4.28%，共晶成分；CE4.28%，亚共晶成分；CE4.28%，过共晶成分。,.,（2）冷却速度同一铸件厚壁处为灰口组织，而薄壁处为白口组织，这说明：缓慢冷却有利于石墨化过程的进行。可见，当铁水的碳当量较高，结晶过程中缓慢冷却时，易形成灰口铸铁；相反易形成白口组织,.,冷却速度对铸铁组织的影响,WC+Wsi(%),铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响,.,灰铸铁1、灰铸铁的组织和性能特点灰铸铁的组织：铁素体灰铸铁铁素体+珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁,.,以片状石墨分布在基体,.,1)灰铸铁的性能：机械性能强度低、塑性低、韧性低且壁厚敏感；抗压强度、硬度与相同基体碳钢相近。其它性能耐磨性好、减震性好、缺口敏感性小、铸造性能和切削加工性能良好。,.,2)灰铸铁的牌号与用途HT200表示灰铸铁，b200N/mm2,.,3)孕育铸铁HT250、HT300、H350灰铸铁的孕育处理：降低碳、硅含量，以提高铸铁的强度；浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（75%硅铁），可以细化组织，促进石墨化。孕育铸铁的特点：强度较高，冷却速度对其组织和性能的影响甚小。特别适合生产厚大铸件如重型机床、压力机床身、高压液压件、活塞环、齿轮、凸轮等。,.,球墨铸铁球墨铸铁是在浇注前往铁水中加少量的球化剂和孕育剂，获得具有球状石墨的铸铁。1）球墨铸铁的组织和性能球墨铸铁的组织：铁素体球铁铁素体+珠光体球铁珠光体球铁,.,以球状石墨分布在基体,.,2）球化处理和孕育处理,球化处理和孕育处理是制造球墨铸铁的关键，必须严格控制。球化剂：我国广泛采用的球化剂是稀土镁合金，加入量为铁液的1.0-1.6%。孕育剂：常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁液的0.4-1.0%。,球化处理：以冲入法最为普遍，球化处理后的铁液应及时浇注，以防孕育和球化作用的衰退。,.,3）球墨铸铁铸造工艺特点（1）流动性比灰铸铁差（2）收缩较灰铸铁大球墨铸铁件多应用冒口和冷铁，采用定向凝固原则。在铸型刚度很好的条件下，也可采用同时凝固原则不用冒口或用小冒口。,球化和孕育处理使铁水温度要降低50100，为防止浇注温度过低，出炉的铁水温度必须高达1400以上。,.,4）球墨铸铁的牌号与用途QT500-7表示球墨铸铁，b500N/mm2,7%,.,可锻铸铁,白口铸铁通过石墨化退火处理得到的一种高强韧铸铁。有较高的强度、塑性和冲击韧度，可以部分代替碳钢。铁素体F基体（黑心）可锻铸铁珠光体P基体可锻铸铁；F+P基体（白心）可锻铸铁少用。,.,1）可锻铸铁的生产与絮状石墨析出第一步：先铸造出白口铸铁，随后退火使Fe3C分解得到团絮状石墨。第二步：进行长时间的石墨化退火处理，900980，长时间保温。,可锻铸铁的石墨化退火工艺,.,2）可锻铸铁的性能特点,显微组织：金属基体和团絮状石墨组成a)铁素体可锻铸铁b）珠光体可锻铸铁,.,性能：较高的冲击韧度和强度；适用于制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件，壁厚25mm。用途：（表2-7）低动载荷及静载荷、要求气密性好的零件。,问题：生产周期长、工艺复杂，应用和发展受到一定限制；某些传统的可锻铸铁零件，已逐渐被球墨铸铁所代替。,.,（四）蠕墨铸铁,1）蠕墨铸铁生产与蠕虫状石墨析出：在一定成分的铁液中加入适量的蠕化剂进行蠕化处理而成的。蠕化处理：是将蠕化剂放入经过预热的堤坝或铁液包内的一侧，从另一侧冲入铁液，利用高温铁液将蠕化剂熔化的过程。蠕化剂：镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等，加入量为铁液量的1%-2%。,.,.,2）性能及应用,石墨形态：比灰铸铁中的石墨片的长厚比要小的片状，端部较钝、较圆，介于片状和球状之间的一种石墨形态：牌号：RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260,.,蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。,.,蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。,.,二、铸钢铸钢的应用仅次于铸铁，其产量占铸件总产量的15%。铸钢的主要优点是力学性能高，特别是塑性和韧性比铸铁高得多，焊接性能良好，适于铸焊联合工艺制造重型机械。但铸造性能、减震性和缺口敏感性都比铸铁差。铸钢主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的零件，如铁路车辆上的摇枕、侧架、车轮及车钩，重型水压机横梁，大型轧钢机机架、齿轮等。常用铸钢：碳素铸钢、低合金铸钢、高合金铸钢。,.,铸钢的熔炼温度高、浇注湿度也高，容易吸气和氧化，收缩大、流动性差，极易产生各种铸造缺陷。为了获得合格的铸件，必须采取有效的工艺措施：a）造型材科必须有足够的耐火度，原砂常采用大颗粒人造硅砂，铸型表面常使用硅石粉或锗石粉涂料，以防粘砂。b)型砂要有足够的透气性和容让性，必要时采用干砂型或水玻璃自硬砂，减少发气量，防止产生气孔；在型砂中加入木屑，避免产生裂纹。c)浇注系统要尽可能简单、尺寸大而且安置合理，减少浇注阻力，特别是要采用定向凝固，设置冒口进行足够的补缩。,.,1、铸钢的铸造工艺特点铸钢的铸造性能差，铸造工艺复杂：（1）对砂型性能如强度、耐火度和透气性要求更高。（2）工艺上大都采用定向凝固原则（3）必须严格掌握浇注温度、铸钢的热处理为了细化晶粒，改善组织，消除铸造内应力，提高性能，铸钢件必须进行退火和正火处理。,.,三、铸造有色金属合金,（一）铸造铜合金分类：紫铜（纯铜）、黄铜和青铜。1、紫铜：熔点为1083，导电性、导热性、耐腐蚀性及塑性良好；强度、硬度低且价格较贵，极少用它来制造机械零件，广泛使用的是铜合金。,.,2、黄铜：铜和锌的合金。铸造黄铜有相当高的力学性能：b=250450MPa,=7%30%，HBS=60120，而价格却较青铜低。,3、青铜,除黄铜与白铜外的铜合金。1）锡青铜：铜和锡构成的的合金。适于致密性要求不高的耐磨、耐蚀件。,.,2）铝青铜：有着优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性较差，故仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。,.,（二）铸造铝合金,铝合金：密度低，熔点低，导电性和耐蚀性优良，因此也用来制造铸件。铸造铝合金：包括铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金。,代号：ZL（铸铝）+序号（1-硅系；2-铜系；3-镁系；4-锌系）例，ZL109：表示铸造铝硅合金。常用铸造铝合金牌号、性能和应用,铝铸件,活塞(裙部为铝硅合金),汽缸头,鼓风机密封件等(ZL102、301),大型空压机活塞(ZL401),.,（三）铜、铝合金铸件的生产特点,熔化特点：金属炉料不与燃料直接接触，可减少金属的损耗、保持金属液的纯净。铜、铝合金多采用以焦炭为燃料或以电为能源的坩锅炉来熔化。,.,一、铸铁的熔炼,熔炼目的：高生产率、低成本地熔炼出预定成分和温度的铁液。熔炼设备：冲天炉、电弧炉、工频炉等，其中以冲天炉的应用最为广泛。,2.2.2铸造合金的熔炼,.,冲天炉组成：炉底、炉缸、炉身和前炉四大部分。,.,炉料,燃料：焦炭。金属炉料：铸造生铁锭、回炉料（浇冒口、废机件）、废钢、铁合金（硅铁、锰铁）等。熔剂：石灰石和氟石。,高温炉气上升、炉料下降，在两者逆向运动中产生如下过程：,过程：,底焦燃烧；金属炉料被预热、熔化和过热；冶金反应使铁液发生变化。金属在冲天炉内并非简单的熔化，实质上是一种熔炼过程。,.,铁液化学成分的控制,（1）硅和锰炉气氧化使铁液中的硅、锰产生熔炼损耗；通常的熔炼损耗为：硅10%20%，锰15%25%。,（2）碳铁液含碳量变化总是趋向于共晶含碳量（即饱和含碳量）；当含碳量低于3.6%时，将以增碳为主；高于3.6%时，则以脱碳为主。铁料的含碳量一般低于3.6%，故多为增碳。,.,（3）硫因吸收焦炭中的硫，使铸铁含硫量增加50%左右。（4）磷基本不变。炉料配制：由于冲天炉内通常难以脱除硫和磷，因此，欲得到低硫、磷铁液，主要依靠采用优质焦炭和铁料来实现。,.,二、铸钢的熔炼,冶炼设备：电弧炉、平炉和感应电炉等；电弧炉用得最多；平炉仅用于重型铸钢件；感应电炉主要用于合金钢中、小型铸件的生产。,.,电弧炉熔炼,利用电极与金属炉料间电弧产生的热量来熔炼金属。炼钢金属材料：废钢、生铁和铁合金等。其它：造渣材料、氧化剂、还原剂和增碳剂等。,.,感应电炉炼钢,在精密铸造和高合金钢铸造中应用最普遍。利用感应线圈中交流电的感应作用，使坩埚内的金属炉料及钢液产生感应电流发出热量使炉料熔化的。,优点：加热速度较快，热量散失少，热效率较高，氧化熔炼损耗较小，吸收气体较少；缺点：炉渣温度较低，化学性质不活泼，不能充分发挥炉渣在冶炼过程中的作用，基本上是炉料的重熔过程。,.,感应电炉炉体构造图,类型：高频感应电炉中频感应电炉工频感应电炉,.,铜合金的熔炼,铜合金极易氧化，形成的氧化物（Cu2O）而使合金的力学性能下降。为防止铜的氧化，熔化青铜时应加熔剂（如玻璃、硼砂等）以覆盖铜液。,三、铸造有色金属熔炼,.,焦炭坩埚炉,电阻坩埚炉,.,为去除已形成的Cu2O，最好在出炉前向铜液中加入0.3%0.6%的磷铜（Cu3P）来脱氧。由于黄铜中的锌本身就是良好的脱氧剂，所以熔化黄铜时，不需另加熔剂和脱氧剂。,.,铝合金的熔炼,铝合金的氧化物Al2O3的熔点高达2050，比重稍大于铝，所以熔化搅拌时容易进入铝液，呈非金属夹渣。铝液还极易吸收氢气，使铸件产生针孔缺陷。,防止氧化和吸气：向坩埚炉内加入KCl、NaCl等作为熔剂，将铝液与炉气隔离。为驱除铝液中已吸入的氢气、防止针孔的产生，在铝液出炉之前应进行驱氢精炼。,.,如用钟罩向铝液中压入氯化锌（ZnCl2）、六氯乙烷(C2Cl6)等氯盐或氯化物，发生如下反应：,AlCl3沸点仅为183，故形成气泡，而氢在AlCl3气泡中的分压力等于零，所以铝液中的氢向气泡中扩散，被上浮的气泡带出液面。上浮的气泡还将Al2O3夹杂一并带出。,.,2.3铸造成形方法,砂型铸造是指用砂粒制备铸型来生产铸件的铸造方法。可追溯到公元前30004000年，用石头和金属型做出铜器。,2.3.1砂型铸造,通常所用型砂是由原砂（例如石英砂、铬铁矿砂或锆英砂等）、粘结剂（粘土、水玻璃或树脂等）和附加物等按一定比例混制而成的混合料。,.,型砂,落砂清理,造型,浇注,铸件,砂型铸造的优点：1）适应性强，不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制。2）设备简单，投资小，造型材料来源广泛，价格低廉。3）铸型模制备容易，所用木模可重复使用。砂型铸造的不足：1）铸件精度和表面质量差；2）易产生铸造缺陷、质量不稳定、废品率高，机械性能差。3）铸件组织晶粒粗大，易成分偏析。,.,铸模设计：,确定浇注位置和分型面：,浇注位置：指浇注时铸件在铸型中所处的位置。分型面：指铸型的分割或装配面。,正确设置浇注位置和分型面是完成造型、取模、设置浇冒系统和安装砂芯的需要。,.,浇注系统的设计：,浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道；通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道等组成。,设计原则：确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔。,浇注系统示意图,.,设计原则：1、冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间。2、冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩。3、在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩通道。4、为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷能力强的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。,.,生产准备：,模型和芯盒的设计：,模型的内轮廓应该与铸件的外轮廓的形状相一致，并且在尺寸上比铸件大出一个收缩量。,对于有孔或中空的铸件，需在模腔中放置型芯来获得。型芯的尺寸设计也要考虑到收缩量的问题。,.,型（芯）砂的制备：,技术要求：型（芯）砂具有一定的强度、透气性、退让性和溃散性等。,影响因素：1、造型因素：主要指砂型的紧实程度。（右图表示了几种常用的压实型砂的方法),.,2、型砂的影响：1）原砂、粘结剂和稀释剂的成分配比；,2）原砂的形状、粒度状况一般认为：粒度在小尺寸范围呈正态分布，有利于砂型强度的提高，但透气性较差。,.,工艺过程,.,特点及应用：,1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制；2、属于一次性铸造成形，造型工作量大；3、铸件精度和表面质量差；4、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差；5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。,.,第四节特种铸造方法,为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。,.,金属型铸造：,定义：金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。,工艺过程：,.,特点和应用：1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高；2、铸件精度高，表面粗糙度较低；3、金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好；4、不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。5、适于生产大批量有色金属铸件。,.,工艺过程：,.,特点和应用：1、铸件尺寸精度高，表面光洁；2、可铸造形状复杂零件；3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。,应用实例：航空发动机等轴晶叶片的制备航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加工难度。,.,目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空环境下的熔模铸造来解决这一技术难题。,.,.,压力铸造：,定义：是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸件的一种铸造方法。,.,压力铸造机,工艺过程：,.,汽车压铸件,.,辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的冷室卧式压铸机CK500,.,辽宁省阜新市阜新