金属的液态成形技术

第1章金属的液态成形技术,基本内容：1.铸造成形工艺的特点和分类2.合金的铸造性能,重点与难点：铸造性能,铸造：金属液态成形是指将液态（或熔融态、浆状）材料注入一定形状和尺寸的铸型(Mold)（或模具）型腔(MoldCavity)中，凝固后获得固态毛坯或零件的方法。历史悠久，应用广泛。（古代的工艺品、农具和兵器等等）。,第1章金属的液态成形技术,合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。,第1章金属的液态成形技术,传统砂型铸造流程简图,铸造特点：优点：1复杂零件（外形、内腔）；2.成本低；2尺寸和重量不受限制。,缺点：1废品率较高，生产过程难以控制；2铸件力学性能较差；3砂型铸造铸件精度较差。,第1章金属的液态成形技术,第1章金属的液态成形技术,铸造生产流水线,第1章金属的液态成形技术,第1章金属的液态成形技术,1.1金属液态成形的基本原理,根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸造(SandCastingProcess)和特种铸造(SpecialCastingProcess)两类。,1.1金属液态成形的基本原理,铸造方法的分类,合金的铸造性能：是指合金在铸造过程中获得外形准确内部健全的铸件的能力。,流动性,充型能力,偏析和吸气性,收缩性,合金的铸造性能,1.1金属液态成形的基本原理,偏析：是由于凝固或固态相变而导致的合金中化学成分的不均匀分布。,1.1金属液态成形的基本原理,螺旋形流动性试样,合金的流动性越好，充填铸型能力就越强，越容易获得轮廓清晰的复杂薄壁铸件；此外还有利于液态合金中气体和熔渣上浮与排除，越有助于对凝固过程中所产生的收缩进行补缩。反之产生相应的缺陷。,若液态合金的充型能力不足，铸件将产生浇不足、冷隔等缺陷。,合金化学成分对流动性的影响：,1.1金属液态成形的基本原理,合金成分对流动性的影响,a共晶成分合金b过共晶成分合金,结晶区间越大，流动性越差，共晶成分合金的流动性最好。过共晶成分合金在结晶时因有液固两相存在，流动性较差。P可提高流动性，S可使流动性下降。,1.1金属液态成形的基本原理,1.1金属液态成形的基本原理,表1-1常用合金的流动性,灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。,合金充型能力的影响因素：1.流动性2浇铸条件,（1）浇注温度：对合金流动性的影响很显著。灰铸铁12001380、铸造碳钢15201620、铝合金680780。“高温出炉，低温浇注”,1.1金属液态成形的基本原理,液态金属的充型能力(MoldFillingCapacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。,3铸型条件,（1）铸型的蓄热能力（2）铸型预热温度（3）铸型透气性,1.1金属液态成形的基本原理,（4）铸件结构的壁厚,1.1金属液态成形的基本原理,合金从液态到固态的状态转变称为凝固(Solidification)或一次结晶(Crystallization),1、逐层凝固纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”。,1.1金属液态成形的基本原理,2、体积凝固当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）。,1.1金属液态成形的基本原理,3、中间凝固金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法。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；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。,合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。收缩是合金的物理本性，但如果在铸造过程中，不能对收缩进行控制，常常会导致铸件产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等缺陷。,1、合金收缩过程,1.1金属液态成形的基本原理,2、影响收缩的因素：（1）化学成分含C量对碳钢收缩不大;灰铸铁随C、Si含量的增加，石墨化程度加大，故灰铸铁收缩率减小;而S可阻碍石墨析出，使灰铸铁收缩率增大。（2）浇注温度：浇注温度越高，收缩率越大。（3）铸型条件和铸件结构,冷却速度不同机械阻力,1.1金属液态成形的基本原理,1.1金属液态成形的基本原理,金属由液态向固态的冷却收缩过程,1.1金属液态成形的基本原理,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。,铁碳合金的收缩率,收缩率,1.1金属液态成形的基本原理,3、收缩导致的铸件缺陷(1)缩孔和缩松铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松。,1.1金属液态成形的基本原理,缩孔形成过程示意图,纯金属、共晶合金：因铸型吸热，近型腔表面的金属很快凝固成壳，温度下降，合金逐层凝固，凝固层加厚，内部的剩余液体，由于体收缩，液面下降，得不到金属液补缩，内部出现空隙，直到完全凝固，在铸件上部形成缩孔。,缩孔（shrinkagecavity）形状不规则，孔壁粗糙，一般位于铸件厚大部位和热节处。,缩松：分散、细小的孔，包括宏观缩松和显微缩松。,1.1金属液态成形的基本原理,当合金结晶温度较宽时，铸件表面结壳后，内部有较宽的液、固两相共存的凝固区域。凝固后期，树枝晶相互接触，将合金液分割成多个小的封闭区域，当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时，就形成了缩松。,缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部，也常分布在集中缩孔的下方。,1.1金属液态成形的基本原理,几种铁碳合金的缩孔率,缩孔的防止。,具体办法是：采用冒口和冷铁。,1.1金属液态成形的基本原理,阀体件的铸造方案,浇口,暗冒口,冷铁,明冒口,1.1金属液态成形的基本原理,缩松的防止,A、在热节处安放冷铁或在砂型的局部表面涂敷激冷涂料的办法，加大铸件的冷却速度；B、加大结晶压力，以破碎枝晶，减少金属液的流动阻力，从而达到部分防止缩松的效果。,观看缩孔与缩松的教学视频,1.1金属液态成形的基本原理,(2)铸造应力、变形和裂纹铸造应力按其形成原因分为热应力、机械应力等。当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹有热裂纹和冷裂纹两种。,1.1金属液态成形的基本原理,1.1金属液态成形的基本原理,铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。,1.1金属液态成形的基本原理,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。,热应力,TT再塑性状态塑性变形（即永久变形）内应力在变形后可自行消除；TT再弹性状态弹性变形变形后应力仍然存在。,1.1金属液态成形的基本原理,变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。,（1）弹性变形去除外力后，物体的变形能完全恢复原状。,（2）塑性变形当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生永久变形。,1.1金属液态成形的基本原理,高温阶段（T0T之间）临时应力自行消失中温阶段（TT之间）受拉伸、受压缩低温阶段（TT之间）杆受压、杆受拉,1.1金属液态成形的基本原理,请观看动画,a、热应力的特点是铸件缓冷处（厚壁处或心部）受拉伸，快冷处（薄壁处或表层）受压缩；b、铸件冷却时各处的温差愈大，定向凝固愈明显，合金的固态收缩愈大，弹性模量愈大，则热应力愈大。,1.1金属液态成形的基本原理,热应力,1.1金属液态成形的基本原理,铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。下表为钢的各种组织的比容。,相变应力,1.1金属液态成形的基本原理,铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械应力。收缩应力使铸件产生拉应力或切应力，并且是暂时的。但是如果在某一瞬间收缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。,机械应力,回顾？,1.什么是铸造？2.铸造应力产生的原因？,1.1金属液态成形的基本原理,防止和减小铸造应力的措施,合理设计铸件结构铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。采用同时凝固的工艺所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固，因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。,1.1金属液态成形的基本原理,顺序凝固与同时凝固,同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却；再在铸件厚壁处放置冷铁，以加快其冷却。总之，同时凝固原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；这种工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材料。只是铸件的心部会产生缩孔和缩松缺陷，所以同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜等铸造性能好的铸件的生产。,1.1金属液态成形的基本原理,变形的实质原因：各部位受力不均，后冷却部位受拉应力，先冷却部位受压应力,铸件的变形与防止措施：残余内应力使铸件内部的不同部位被拉伸或压缩，处于一种不稳定状态，有自发通过变形来缓解其应力、回到稳定的平衡状态倾向。显然，只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余内应力减少或消除。根据此规律可预计铸件变形的方向。,1.1金属液态成形的基本原理,1.中心受拉，边缘受压2.上面比下面冷却快,A、为了防止铸件的变形，除减小应力外，最好是将铸件设计成对称结构，使其应力互相平衡。B、铸造生产中最有效的防止变形的方法是采用反变形法。,D、人工时效（加热到550650C去应力退火）或自然时效。,C、齿圈设置拉肋以防变形,1.1金属液态成形的基本原理,1.1金属液态成形的基本原理,热裂,热裂在铸件凝固后（固相线以下一定温度范围）的高温状态下形成。如：30钢室温下b480Mpa13001400b0.75Mpa防止措施：凝固温度范围小、热裂倾向小的合金，型砂退让性，严格控制硫含量等。,特征：裂纹短，隙缝宽，形状曲折，裂纹内呈氧化色,冷裂-较低温下形成，铸件形状复杂，易形成冷裂。应力集中处：尖角、缩孔、气孔和渣眼等附近。防止措施：壁厚均匀，减小铸造应力，提高冶炼质量等。,特征：裂纹细小，隙缝宽，直线状，断口圆滑、干净，裂缝内光亮金属色泽。,设置防裂肋能有效地防止冷、热裂纹,冷裂与热裂请观看视频,1.1金属液态成形的基本原理,铸件的质量控制1）铸件缺陷难以避免。常见缺陷有：气孔、粘砂、夹砂、缩孔、缩松；裂纹；合金成分、性能不合格等。2）铸件中，可许存在一些合乎技术要求的铸造缺陷。3）铸件质量检验外部、内部、成分、性能检测等。,缩孔,气孔,浇不到,超声波检验,1.1金属液态成形的基本原理,1.1金属液态成形的基本原理,1.1金属液态成形的基本原理,内部缺陷检测请观看视频,1.1金属液态成形的基本原理,合金的吸气性及气孔液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气体的能力称为吸气性。气孔是铸件中最常见的缺陷。1.析出性气孔溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中，随温度下降，合金液对气体的溶解度下降，气体析出并留在铸件内形成的气孔称为析出性气孔。H2、N2等,