铸造合金性能

Theengineermustchooseproductionmethods,第三章液态金属成形工艺（铸造Casting）ObjectivesThischapterwillenableyouto:概述液态金属成形工艺的概念、铸造工艺过程、铸造产品、铸造工艺方法分类、铸造工艺的重要性、铸造工艺特点合金的铸造性能2）Describesandcastingprocess砂型铸造3）Describespecialcastingprocesses.特种铸造4）Showhowgoodcastingdesigncanpreventmanycastingproblems.铸件设计,Historyofcasting铸造的历史Castingisoneoftheoldestmethodsofmanufacturingmetals.Prehistorichumansmadetoolsbypouringmoltenmetalintoopenmoldsmadeofstoneorbakedclay.Castobjectsover4000yearsoldhavebeenfounddatingfromancientAssyrian,Egyptian,andChinesecultures.词汇：pouring（浇铸）bakedclay（烧硬的粘土）Assyrian（亚述人）,whatisthecastingprocess?Theprocessofcastingmetalsisdonebypouringorforcingmoltenmetalintoamoldcavityhavingadesiredshape.Whenthemetalhassolidified,thecastingisremovedfromthemold.Virtuallyanyshapecanbeproducedbythismethod,insomecaseswithsuchprecisionthatsubsequentmachiningisnotrequired.词汇：moldcavity（铸型型腔）precision（精度）subsequentmachining（后续机加工）,Mainadvantages铸造的优点,3-1概述1.什么是铸造工艺方法？液态金属成形或金属浇注成形，又称为铸造，它是指把熔炼好的、符合一定化学成分要求的金属液体浇注到预制的铸型中，使之在重力场或外力场的作用下冷却、凝固而形成铸件(零件)的一种工艺方法。属于热加工成形方法。2.铸造工艺过程：金属的熔炼、造型、浇注和冷却凝固。3.铸造产品：主要为毛坯件4.铸造工艺方法分类：重力铸造(液态金属靠自身重力填充型腔)、低压铸造、挤压铸造、压力铸造(液态金属在一定的压力下填充型腔)等。一次型(如砂型铸造、陶瓷型铸造、壳型铸造)和永久型(如金属型铸造)。,5.铸造工艺的重要性国民经济中占有极其重要的地位，广泛应用于机械制造、矿山冶金、能源与运输设备、航天航海、轻工纺织等各个领域。6.铸造工艺特点(1)适用范围广(2)尺寸精度高(3)成本低廉、易实现机械化、半自动化生产、尺寸精度高，加工余量少，加工工时较小，故生产成本低。缺点：铸件组织的内部晶粒粗大，常有缩孔、缩松、气孔、砂眼、成分偏析等铸造缺陷，故力学性能不如锻件高；工艺过程难以精确控制，且工序繁多，有时导致废品率高；铸造生产的工作条件差。,3-2合金的铸造性能合金的铸造性能：铸造合金的流动性、凝固与收缩特性、以及偏析与裂纹倾向。1.合金的流动性(1)定义合金的流动性是指熔融液态铸造合金本身的流动能力。(2)影响合金的流动性的因素：合金的物理性质、化学成分、温度、杂质含量有关。,(3)合金的流动性的重要性流动性好，易于充满薄而复杂的型腔，可避免出现冷隔、浇不足等缺陷，易于获得形状完整、轮廓清晰的铸件；流动性好，有利于液态合金中气体、夹杂物及时浮出，从而减少气孔和夹渣缺陷的产生；流动性好，有利于填充和弥合铸件在凝固期间产生的缩孔或因收缩受阻产生的裂纹缺陷。,(4)铸造合金流动性的测试方法浇注“流动性试样”的方法来测试-螺旋线形试样根据浇注后金属所形成的螺旋线长度确定某种合金流动性的好坏，螺旋线长度越长，流动性就越好，,浇口杯,直浇道,螺旋线长度,2.铸造合金的凝固与收缩特性(1)铸造合金的凝固三种凝固方式：逐层凝固方式中间凝固方式体积凝固方式。,SOLIDIFICATIONOFMETALSAftermoltenmetalispouredintoamold,aseriesofeventstakesplaceduringthesolidificationofthecastinganditscoolingtoambienttemperature.Theseeventsgreatlyinfluencethesize,shape,uniformity,andchemicalcompositionofthegrainsformedthroughoutthecasting,whichinturninfluenceitsoverallproperties.Thesignificantfactorsaffectingtheseeventsarethetypeofmetal;thethermalpropertiesofboththemetalandthemold;thegeometricrelationshipbetweenvolumeandsurfaceareaofthecasting;andtheshapeofthemold.,纯金属的凝固：Atthemoldwalls,whichareatambienttemperature,themetalcoolsrapidly.Rapidcoolingproducesasolidifiedskin,orshell,offineequiaxedgrains.,caststructuresofpuremetalssolidifiedinasquaremold,Thegrainsgrowinadirectionoppositetothatoftheheattransferoutthroughthemold.Thosegrainsthathavefavorableorientationwillgrowpreferentiallyandarecalledcolumnargrains.,FIGURE10.2Developmentofapreferredtextureatacoolmoldwall.Notethatonlyfavorablyorientedgrainsgrowawayfromthesurfaceofthemold.,FIGURE10.1Schematicillustrationofthreecaststructuresofmetalssolidifiedinasquaremold:puremetals;(b)solidsolutionalloys;and(c)structureobtainedbyusingnucleatingagents.,puremetals,solidsolutionalloys,usingnucleatingagents,Asthedrivingforceoftheheattransferisreducedawayfromthemoldwalls,thegrainsbecomeequiaxedandcoarse.Thosegrainsthathavesubstantiallydifferentorientationsareblockedfromfurthergrowth.Suchgraindevelopmentisshownashomogenousnucleation,meaningthatthegrains(crystals)growuponthemselves,startingatthemoldwall.,EffectsofCoolingRatesSlowcoolingrates(ontheorderof102K/s)orlonglocalsolidificationtimesresultincoarsedendriticstructureswithlargespacingbetweenthedendritearms.,Columnardendritic,Forfastercoolingrates(ontheorderof104K/s)orshortlocalsolidificationtimes,thestructurebecomesfinerwithsmallerdendritearmspacing.Forstillhighercoolingrates(ontheorderoffrom106to108K/s)thestructuresdevelopedareamorphous.,Equiaxeddendritic,Equiaxednondendritic,Thestructuresdevelopedandtheresultinggrainsizeinfluencethepropertiesofthecasting.Asgrainsizedecreases:thestrengthandtheductilityofthecastalloyincrease;microporosity(interdendriticshrinkagevoids)inthecastingdecreases;thetendencyforthecastingtocrack(hottearing)duringsolidificationdecreases.Lackofuniformityingrainsizeandgraindistributionresultsincastingswithanisotropicproperties.,(2)铸造合金的收缩特性铸造合金的收缩特性是指将具有一定过热度的铸造合金液体浇入铸型，合金从高温液态冷却到固态的某一温度时所发生的体积和尺寸减小的现象。收缩是铸造合金的物理本性，但会造成铸造缺陷。产生的铸造缺陷：在铸件中产生：缩孔、缩松、热应力、变形及裂纹等铸造缺陷。,产生的铸造缺陷：在铸件中产生：缩孔、缩松、热应力、变形及裂纹等铸造缺陷。,收缩的种类：体收缩、线收缩体收缩：铸造合金由液态到常温的收缩若用体积改变量来表示，称为体收缩。线收缩：合金在固态时的收缩，若用线尺寸改变量来表示，称为线收缩。铸造合金由液态冷却到常温的三个阶段：液态收缩阶段、凝固收缩阶段、固态收缩阶段。,收缩的三个阶段所产生的危害：液态收缩和疑固收缩是铸件产生缩孔、缩松缺陷的基本原因；固态收缩因收缩受阻而引起较大的铸造应力，既而产生变形和裂纹缺陷，影响铸件的尺寸精度。,液态收缩：合金从浇注温度冷却到开始凝固的液相线温度时所产生的收缩称为液态收缩。凝固收缩：合金从液相线温度(开始凝固的温度)冷却到固相线温度(凝固终止的温度)时的体积收缩称为凝固收缩。固态收缩。合金从凝固终止温度冷却到室温之间的体积收缩为固态收缩，通常表现为铸件外形尺寸的减小，对铸件的尺寸精度影响较大，常用线收缩率表示。,收缩的三个阶段所产生的危害：液态收缩和疑固收缩是铸件产生缩孔、缩松缺陷的基本原因；固态收缩因收缩受阻而引起较大的铸造应力，既而产生变形和裂纹缺陷，影响铸件的尺寸精度。,(3)铸造合金的缩孔与缩松缩孔与缩松的含义及产生原因。铸件在冷却和凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩大于合金的固态收缩，所以在铸件最后凝固的地方常常会产生孔洞，容积大而比较集中的孔洞称为缩孔；细小且分散的孔洞称为缩松。,缩孔,缩孔产生的原因:合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值。缩孔产生的基本条件是铸件由表及里逐层凝固；缩孔形成位置：缩孔通常分布在铸件上部或最后凝固的热节部位，其外形特征为倒锥形，内表面不光滑；,缩松形成的基本原因:液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，产生的基本条件是合金的结晶温度范围较宽，树枝晶发达，合金以体积方式凝固，液态收缩和凝固收缩所形成的细小、分散孔洞得不到外部液态金属的补充而造成的。缩松形成位置：一般分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。,缩孔和缩松的防止措施：铸造合金的液态收缩越大，则缩孔形成的倾向越大；合金的结晶温度范围越宽，凝固收缩越大，则形成缩松的倾向也越大。促使合金减少液态和凝固期间收缩的工艺措施：降低浇注温度和减慢浇注速度；增加铸型的激冷能力；调整化学成分；增加在凝固过程中的补缩能力；对于灰口铸铁可促进凝固期间的石墨化等。,控制铸件的凝固顺序采用冒口和冷铁配合，使之符合“顺序凝固原则”或“同时凝固原则”，尽量使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的位置。顺序凝固：采取一定措施，如合理选择内浇道在铸件上的引入位置和高度、开设冒口、放置冷铁等，使铸件从远离冒口的部分先凝固，然后向着冒口顺次凝固，冒口本身最后凝固的过程。,同时凝固：从工艺上采取措施，保证铸件结构上各部分之间没有温差或使温差尽量小，使铸件各部分基本同时凝固。一般用于凝固温度范围大、以体积方式凝固、容易产生缩松的合金，壁厚均匀的薄壁铸件或气密性要求不高的铸件。,3.铸造合金中的偏析铸件截面上不同部位所产生的化学成分不均匀的现象称为偏析。产生偏析的主要原因：各种铸造合金在结晶过程中发生溶质再分配，即在晶体长大过程中，合金的结晶速率大于溶质元素的扩散速率，使先析出的固相与液相的成分不同，先结晶部分与后结晶部分的化学成分也不相同，甚至同一晶粒内各部分的成分也不一样。,偏析分类：微观偏析宏观偏析微观偏析：微小(晶粒)尺寸范围内各部分的化学成分不均匀现象。两种常见形式：晶内偏析（枝晶偏析）晶界偏析宏观偏析，它指在铸件较大尺寸范围内化学成分不均匀的现象，一般包括正偏析、逆偏析、重力偏析等。宏观偏析会使铸件力学性能、物理性能和化学性能降低，直接影响铸件的使用性能。,(1)铸造应力,(2)铸件的变形由于铸造应力的缘故，处于应力状态(不稳定状态)下的铸件能够自发地发生变形以减少内应力而趋于稳定状态，快冷部分凸起，慢冷部分凹下。,为了防止变形缺陷的产生，必须首先设法降低和消除铸件内的残余应力或从工艺上采取措施以减小变形。,3-3铸件缺陷castingdefects,缺陷的产生：可能来源于材料本身、铸件设计、铸造生产等。Variousdefectscandevelopinmanufacturingprocesses,dependingonfactorssuchasmaterials,partdesign,andprocessingtechniques.缺陷的影响：影响铸件外观、铸件的结构完整性。havemajoradverseeffectsonthestructuralintegrityofthepartsmade.,铸件缺陷种类Typesofcastingdefects:Discontinuities不连续Defectivesurface表面缺陷Incompletecasting铸件不完整Incorrectdimensionsorshape尺寸不合Inclusions夹杂,Severaldefectscandevelopincastings.,Examplesofhottearsincastings.Thesedefectsoccurbecausethecastingcannotshrinkfreelyduringcooling,owingtoconstraintsinvariousportionsofthemoldsandcores.,粘砂,浇不满,冷隔,鼓泡,不连续Discontinuities:suchascracks,coldorhottearing,andcoldshuts.Cracks裂纹Ifthesolidifyingmetalisconstrainedfromshrinkingfreely,crackingandtearingcanoccur.Tearing撕裂Althoughmanyfactorsareinvolvedintearing,coarsegrainsizeandthepresenceoflowmeltingpointsegregatesalongthegrainboundaries(intergranular)increasethetendencyforhottearing.,ColdshutColdshutisaninterfaceinacastingthatlackscompletefusionbecauseofthemeetingoftwostreamsofliquidmetalfromdifferentgates.,冷隔,表面缺陷Defectivesurfacesuchassurfacefolds,laps,scars,adheringsandlayers,andoxidescale.,浇不满,Incorrectdimensionsorshape:尺寸不合owingtofactorssuchasimpropershrinkageallowance,patternmountingerror,irregularcontraction,deformedpattern,orwarpedcasting.,夹杂Inclusions,whichformduringmelting,solidificationandmolding.Generallynonmetallic,theyareregardedasharmfulbecausetheyactasstressraisersandreducethestrengthofthecasting.Inclusionsmayformduringmeltingwhenmoltenmetalreactswiththeenvironment(usuallyoxygen)orwithfirecrucibleormoldmaterial.Chemicalreactionsamongcomponentsinthemoltenmetalmayproduceinclusions;,Slagsandotherforeignmaterialentrappedinthemoltenmetalalsobecomeinclusions.Spallingofthemoldandcoresurfacesalsoproducesinclusions,indicatingtheimportanceofthequalityofmoldsandoftheirmaintenance.,Porosityinacastingmaybecausedbyshrinkageorgasesorboth.Porosityisdetrimentaltotheductilityofacastingan