第2讲 金属液态成型工艺基础

1、材料成型基础材料成型基础 刘志卫单位：机械工程学院 机械制造与自动化教研室手机邮箱：安徽理工大学安徽理工大学材料成型基础材料成型基础第二讲第二讲 金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础概述概述课前思考课前思考变速器壳体变速器壳体p 指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得零件毛坯的成形方法。p 广义的铸造：流体-固体p 可铸之材：金属、混凝土、石蜡、塑料、石材概述概述金属液态成型（铸造）定义金属液态成型（铸造）定义概述概述各类机械工业中铸件质量所占的比率各类机械工业中铸件质量所占的比率机械类别机械类别比率比率/ /机床、内燃机、重型机器机床、内燃机、重

2、型机器风机、压缩机风机、压缩机拖拉机拖拉机农业机械农业机械汽车汽车7070909060608080505070704040707020203030概述概述金属液态成型（铸造）主要工序金属液态成型（铸造）主要工序零件技术要求零件技术要求原材料原材料造型造型熔化熔化控制调整成分控制调整成分浇注浇注凝固凝固出模出模清理、检验等清理、检验等概述概述哪些可以铸造？哪些可以铸造？齿圈退火罩概述概述哪些可以铸造？哪些可以铸造？西安秦皇陵出土的铜马车 古铜钱古代十八般武器和编钟概述概述哪些可以铸造？哪些可以铸造？p 优点（1）适应性广，工艺灵活(材料、大小、形状不受限制)（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体

3、、缸体等（3）成本较低(铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近)p 主要问题组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能下降，特别是冲击性能较低概述概述铸造特点铸造特点概述概述铸造分类铸造分类按生产方法按生产方法砂型铸造特种铸造按合金按合金铸铁镁合金铸造铸钢铜合金铸造铝合金铸造金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础主要内容主要内容p合金的流动性p合金的收缩p铸造内应力p铸件的变形p铸件的裂纹p合金的吸气性p铸件的常见缺陷金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的流动性合金的流动性金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的凝固合金的凝固定义定义：合金从：合金

4、从液态液态转变为转变为固态固态的过程的过程凝固条件凝固条件：只有当体系所处的温度低于熔点温度：只有当体系所处的温度低于熔点温度( (液相线液相线 温度温度) )T Tm m时，才能发生。时，才能发生。凝固过程：凝固过程：晶核的形成及晶体的长大。晶核的形成及晶体的长大。凝固方式：凝固方式：逐层凝固，糊状凝固和中间凝固。逐层凝固，糊状凝固和中间凝固。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的凝固合金的凝固p逐层凝固：逐层凝固：纯金属或共晶成分合金，凝固过程中液固界限清楚分开。常见有灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝等。p糊状凝固：糊状凝固：合金结晶温度范围很宽，液固并存，先呈糊状而后固化。常见

5、有球墨铸铁、高碳钢等合金。 p中间凝固：中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间。常见有中碳钢、高锰钢、白口铸铁等。p 熔融合金的流动性流动性液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。p 流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。p 流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性p 衡量合金流动性：螺旋形流动性试样p 常用合金：灰铸铁、硅黄铜流动性好铸钢的流动性最差金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性金属液态成

6、型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性* *铸铁的流动性铸铁的流动性* *铸钢的流动性铸钢的流动性p 影响合金流动性的影响合金流动性的因素因素（1）化学成分纯金属和共晶成分的合金流动性最好；其它成分的合金结晶温度区间越宽，流动性越差。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性Fe-C合金的流动性与含碳量的关系p 影响合金流动性的影响合金流动性的因素因素（1）化学成分纯金属和共晶成分的合金流动性最好；其它成分的合金结晶温度区间越宽，流动性越差。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性a）在恒温下凝固b）在一定温

7、度范围内凝固p 影响合金流动性的因素影响合金流动性的因素（2）浇注条件提高浇注温度和浇注速度合金的流动性增加。浇注温度：铸钢15201620；铸铁1230 1450；铝合金680780。浇注系统和铸件的结构越复杂，合金在充型时的阻力越大，充型能力下降；提高浇注速度、浇注温度和增加直浇道的高度会使合金的充型能力提高。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性p 流动性对铸件质量的影响流动性对铸件质量的影响金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础熔融合金的流动性熔融合金的流动性改善金属改善金属的流动性的流动性加快凝固中液体的补缩加快凝固中液体的补缩排除内部夹杂物和气体

8、排除内部夹杂物和气体形成薄壁复杂的铸件形成薄壁复杂的铸件有利于有利于金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩p 定义液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。p 合金的收缩经历如下三个阶段。（1）液态收缩：）液态收缩：T浇浇到到TL（2）凝固收缩：）凝固收缩：TL到到Ts（3）固态收缩：）固态收缩：Ts到室到室温温金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩p 收缩的概念p 体收缩率：体收缩率：因为合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩减，故常用单位体积收缩量来表示。p 线收缩

9、率：线收缩率：合金的固态收缩同时还使铸件在尺寸上减小，因此常用单位长度上的收缩量来表示。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩体收缩率体收缩率：%100 铸铸件件铸铸件件铸铸型型VVVV %100 铸件铸件铸件铸件铸型铸型LLLL 线收缩率线收缩率：金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩铸件温度降低铸件温度降低浇注温度浇注温度室室温温凝固终止温度凝固终止温度开始凝固温度开始凝固温度液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固态收缩固态收缩 体积收缩体积收缩线收缩线收缩p 常用合金：铸钢的收缩率最大；灰铸铁最小。金属液态成型工艺基础金属液态成型工

10、艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩合金种类合金种类体收缩率体收缩率/%线收缩率线收缩率/%碳素铸钢碳素铸钢1014.51.32.0白口铸铁白口铸铁12141.52.0灰铸铁灰铸铁580.71.0p 收缩对铸件的危害金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩分类分类液态收缩：产生缩孔液态收缩：产生缩孔凝固收缩：产生缩孔、缩松凝固收缩：产生缩孔、缩松固态收缩：产生内应力、裂纹和变形固态收缩：产生内应力、裂纹和变形p 影响收缩的因素影响收缩的因素化学成分：化学成分不同，收缩率不同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。浇注温度：浇注温度，收缩率。铸件结构和铸型条件：型

11、腔形状复杂或结构设计不合理，铸件会因收缩受阻铸造应力 裂纹。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩p 收缩性对铸件质量的影响收缩性对铸件质量的影响收缩率：尺寸愈精确、组织愈致密。收缩率：易产生铸造缺陷。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩p 铸件的缩孔和缩松铸件的缩孔和缩松缩孔和缩松的形成若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩p 铸件的缩孔和缩松铸件的缩孔和缩松p 缩孔形成缩孔：缩孔：大而集中的孔洞大而集中的孔洞部位：部位

12、：铸件上部或最后凝固的部位。铸件上部或最后凝固的部位。特征特征：倒锥形，内表面不光滑。倒锥形，内表面不光滑。原因原因体积减小得不到液态金属的补充体积减小得不到液态金属的补充条件条件：逐层凝固。逐层凝固。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩缩孔形成过程示意图p 铸件的缩孔和缩松铸件的缩孔和缩松p 缩松的形成缩松的形成缩松：缩松：小而分散的缩孔。小而分散的缩孔。部位：部位：铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近 。特征特征：细小的空洞。细小的空洞。原因：原因：凝固区域被分割成许多孤立熔池，收缩得不到补充。凝固区域被分割成许多孤立熔池，收

13、缩得不到补充。条件条件：糊状凝固。糊状凝固。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩缩松形成过程示意图p 铸件的缩孔和缩松铸件的缩孔和缩松p 缩孔和缩松的防止显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。防止措施：定向凝固（顺序凝固）主要措施：”。冒口：在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空腔。作用是冷铁：定向凝固：使远离冒口部位最先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固， 冒口本身最后凝固。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩p 铸件的缩孔和缩松铸件的缩孔和缩松p 缩孔和缩松的防止金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩

14、顺序凝固示意图p 铸件的缩孔和缩松p 缩孔和缩松的防止金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的收缩液态金属的收缩冷铁的应用金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力p 铸造应力铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力 铸造应力相变应力热应力机械应力p 机械应力 固态收缩时，因受到铸型、型芯等外力阻碍而产生的应力。是暂时的。与热应力同时作用时，铸件将产生裂纹。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力p 热应力细杆、先冷粗杆、后冷细杆、受压粗杆、受拉表面什么应

15、力？心部什么应力？金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力热应力的形成+拉应力-压应力p 热应力铸件产生热应力与变形的规律： 薄壁：冷得快，受压应力（凸出）； 厚壁：冷得慢，受拉应力（凹进）。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力p 相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力钢的各种组织的比容钢的各种组织的比容钢的组成相钢的组成相铁素体铁素体渗碳体渗碳体奥氏体奥氏体w w(C)=0.9%(C)=0.9%珠光体珠光体 马氏体马氏体比容比容/cm/cm3 3gg-1-10.12710.12

16、710.13040.13040.12750.12750.12860.12860.13100.1310p 铸造应力金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力p 防止措施尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀同时凝固原则：心部会产生缩孔和缩松，用于灰铸铁和锡青铜。 可采用时效等方法消除。时效处理可分为自然时效和人工时效。尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸造应力铸造应力金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的变形铸件的变形金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的变形铸件的变形变形：指铸件的尺寸与图样不符的现象。 规律：厚大受拉易内凹

17、；薄外受压易外凸。 原因：铸造应力超过铸件材料的屈服极限时，产生变形金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的变形铸件的变形框架铸件变形示意图T型梁铸钢件变形示意图播放播放门型梁弯曲平板弯曲p 铸件的变形及防止壁厚设计均匀、形状对称；铸造工艺上用“同时凝固原则”； 细长易变形件运用“反变形法”；重要件人工时效（去应力退火）加自然时效。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的变形液态金属的变形p 铸件的变形及防止反变形法（Predeformation ）：有效防止变形的产生。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的变形液态金属的变形箱体件反变形量方向p 铸件的变形及防止反

18、变形法（Predeformation ）：有效防止变形的产生。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础液态金属的变形液态金属的变形箱体件反变形量方向金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的裂纹铸件的裂纹p裂纹：铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。p分类：根据产生温度的不同，分为热裂和冷裂。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的裂纹铸件的裂纹p 热裂（热裂（Heat Crack） 高温下的金属强度很低，应力超过该温度下金属的强度，便产生热裂。铸钢件和铝合金常见缺陷。铸钢件和铝合金常见缺陷。p 特征：特征：裂纹尺寸短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈严重氧化色。p 热裂防止措施热裂防止措施

19、a合理设计铸件结构； b改善铸型和型芯的退让性； c限制铸钢和铸铁中的S含量； d选用结晶温度区间小的合金。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的裂纹铸件的裂纹p 冷裂（冷裂（Cold Crack ）低温形成低温形成p 特征：特征：表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，贯穿整个晶粒，常呈圆滑曲线或直线状。脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢，最易产生冷裂纹，大型复杂铸铁件也易产生冷裂纹。p 冷裂防止措施冷裂防止措施p a减少铸造应力；p b降低合金中P的含量；p c去应力退火。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的裂纹铸件的裂纹金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺

20、基础合金的吸气性合金的吸气性p 合金在熔炼和浇注时吸收气体的性能称为吸气性，如果吸收的气体不能及时逸出则会导致铸件产生气孔缺陷。p 根据气体的来源不同，气孔可以分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔三类。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的吸气性合金的吸气性p 侵入气孔原因：原因：侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。特征：特征：多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽。防止措施：防止措施：降低型砂和型芯的透气能力，正确设计浇冒口系统。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的吸气性合金的吸气性p 析出气孔析出气孔p 原因：原因：析出

21、性气孔是溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。p 特征：特征：尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于铸件整个断面内。p 措施：措施：严格控制炉料质量、熔炼操作和浇注工艺金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的吸气性合金的吸气性p 反应气孔反应气孔原因：原因：浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间因化学反应产生的气体而形成的气孔。特征：特征：经常出现在铸件表面层下1-2mm处，孔内表面光滑，孔径1-3,mm措施：措施：控制型砂的水分，降低合金液的含气量，保证冷铁、型芯干燥、无锈无油污。金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础合金的吸气性合金的吸气性金属液态成型工艺基础金属液态成型工艺基础铸件的常见缺陷铸件的常见缺陷p 冷隔和浇不足冷隔和浇不足充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停止流动，将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。浇不足浇不足：会使铸件不能获得完整的形状；冷隔时：冷隔时：铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力学性能严重受损。金属