热加工工艺基础实用教案

1、2.2金属金属(jnsh)液态成形液态成形金属的液态(yti)成形2.12.1金属液态成形的铸造基础金属液态成形的铸造基础(jch)(jch)2.22.2金属的液态成形工艺金属的液态成形工艺2.32.3液态成形金属件的工艺设计液态成形金属件的工艺设计2.42.4液态金属成形件的结构设计液态金属成形件的结构设计第1页/共56页第一页，共56页。砂型砂型(shxng)铸造过程铸造过程第2页/共56页第二页，共56页。液态液态(yti)成型的优点成型的优点适于做复杂外形适于做复杂外形(wi xn)，特别是复杂内腔的毛坯特别是复杂内腔的毛坯对材料的适应性广，铸件的大对材料的适应性广，铸件的大小小(dx

2、io)几乎不受限制几乎不受限制成本低，原材料来源广泛，成本低，原材料来源广泛， 价价格低廉格低廉,一般不需要昂贵的设备一般不需要昂贵的设备是某些塑性很差的材料是某些塑性很差的材料(如铸如铸铁等铁等)制造其毛坯或零件的唯一制造其毛坯或零件的唯一成型工艺成型工艺液态成型优 点第3页/共56页第三页，共56页。液态液态(yti)成型的优点成型的优点工艺过程工艺过程(guchng)比较复杂，一些比较复杂，一些工艺工艺过程过程(guchng)还难以控制还难以控制液态成形零件内部组织的均匀液态成形零件内部组织的均匀(jnyn)性、性、致密性一般较差致密性一般较差液态成形零件易出现缩孔、缩松、液态成形零件易

3、出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品缺陷，产品 质量不够稳定质量不够稳定由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴且常伴 有缺陷，其力学性能比同类材料有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低的塑性成形低液态成型缺 点第4页/共56页第四页，共56页。液态液态(yti)合金的工艺性能合金的工艺性能液态(yti)合金的工艺性能表征为液态(yti)合金的铸造性能通常是指合金的流动性、收缩通常是指合金的流动性、收缩(shu su)性性吸气性及偏析等性能吸气性及偏析等性能合金合金铸造性能铸造性能是是选择铸造金属材料选择铸造

4、金属材料，确定铸件的铸确定铸件的铸造工艺方案造工艺方案及进行及进行铸件结构设计铸件结构设计的的依据依据第5页/共56页第五页，共56页。合金合金(hjn)的充型能力的充型能力液态金属液态金属(jnsh)充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力清晰的成型件的能力充型能力(nngl)的概念:充型能力不足充型能力不足浇不足浇不足冷冷 隔隔夹夹 砂砂气气 孔孔夹夹 渣渣充型能力的决定因数充型能力的决定因数合金的流动性合金的流动性铸型性质铸型性质浇注条件浇注条件铸件结构等铸件结构等第6页/共56页第六页，共56页。浇不足浇不足(bz)缺陷缺陷第7页/共56页第七

5、页，共56页。气孔气孔(qkng)缺陷缺陷第8页/共56页第八页，共56页。夹砂缺陷夹砂缺陷(quxin)第9页/共56页第九页，共56页。合金合金(hjn)的充型能力的充型能力测试合金充型能力的方法: 如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度(chngd)。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好.第10页/共56页第十页，共56页。几种不同合金几种不同合金(hjn)流动性的比较流动性的比较*铸铁铸铁(zhti)的流动性的流动性*铸钢铸钢(zh n)的流动性的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。比较下面几种合金流动性

6、能比较下面几种合金流动性能第11页/共56页第十一页，共56页。合金流动性对充型能力合金流动性对充型能力(nngl)的影响的影响合金流动性的决定(judng)因数 合金的种类: 合金不同流动性不同 化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同。 结晶特性: 恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差第12页/共56页第十二页，共56页。浇注条件对充型能力浇注条件对充型能力(nngl)的影响的影响浇注浇注(jio zh)条件条件浇注浇注(jio zh)温度温度充型压力充型压力浇注系统浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，浇注温度越高，液态金属的粘度越小，

7、过热度高，金属液内含热金属液内含热 量多，保持液态的时间长，充型量多，保持液态的时间长，充型 能能力强。力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大力。充型压力越大, 充型能力越强。充型能力越强。浇注系统的结构越复杂，则流动浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，充型能力越差。阻力越大，充型能力越差。第13页/共56页第十三页，共56页。铸型充填条件对充型能力铸型充填条件对充型能力(nngl)的影响的影响铸型铸型(zh xn)温度温度(不能过高不能过高)铸型蓄热系数铸型蓄热系数:即从金属即从金属(jnsh)中吸取热量中吸取热量并储存的能

8、力并储存的能力铸型的发气和铸型的发气和透气能力：透气能力：浇铸时产生气体浇铸时产生气体能在金属液与铸型间形成气膜，能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，有利于充型。减小摩擦阻力，有利于充型。但发气能力过强但发气能力过强,透气能力又差时透气能力又差时,若浇铸速度太快若浇铸速度太快,则型腔中的气体压力增大，则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱。充型能力减弱。第14页/共56页第十四页，共56页。铸件结构铸件结构(jigu)对充型能力的影响对充型能力的影响 折算厚度：折算厚度： 折算厚度也叫当量厚度或模数折算厚度也叫当量厚度或模数,是铸件体积与是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越

9、慢，铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力充型能力(nngl)就越好。铸件壁厚相同时，垂就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填直壁比水平壁更容易充填.(大平面铸件不易成形大平面铸件不易成形)复杂程度：复杂程度： 铸件结构越复杂，流动铸件结构越复杂，流动(lidng)阻力就越阻力就越大，铸型的充填就越困难。大，铸型的充填就越困难。第15页/共56页第十五页，共56页。液态液态(yti)金属的凝固与收缩金属的凝固与收缩 铸件的凝固过程：铸件的凝固过程： 在铸件的凝固在铸件的凝固过程中，其截面一般过程中，其截面一般存在三个区域，即液存在三个区域，即液相区、凝固区、固相相区、凝

10、固区、固相区。对铸件质量影响区。对铸件质量影响较大的主要是液相和较大的主要是液相和固相并存的凝固区的固相并存的凝固区的宽窄宽窄(kunzhi)。铸件的凝固方式就是铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄依据凝固区的宽窄(kunzhi)来划分来划分的。的。 凝固方式有：凝固方式有： 逐层凝固逐层凝固,糊状糊状凝固凝固,中间凝固中间凝固.第16页/共56页第十六页，共56页。影响影响(yngxing)凝固的主要因素凝固的主要因素*合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围： 合金的结晶温度范围越小，凝固区域越合金的结晶温度范围越小，凝固区域越 窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通窄，越趋向于逐层凝固。在铁

11、碳合金中普通 灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度：铸件的温度梯度： 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝在合金结晶温度范围已定的前提下，凝 固区的宽窄固区的宽窄(kunzhi)取决于铸件内外层之间的温度差。取决于铸件内外层之间的温度差。 若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其 凝固区相应由宽变窄。凝固区相应由宽变窄。第17页/共56页第十七页，共56页。合金合金(hjn)的收缩的收缩 合金的收缩的过程: 合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成(z

12、o chn)许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松、裂纹、变形等）。合金合金(hjn)收缩的三个阶段收缩的三个阶段第18页/共56页第十八页，共56页。合金(hjn)的收缩合金合金(hjn)收收缩缩固态合金固态合金(hjn)冷却冷却液态合金冷却液态合金冷却液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩缩孔缩孔:恒温下结晶恒温下结晶缩松缩松:两相区结晶两相区结晶线形收缩线形收缩裂纹裂纹变形变形应力应力第19页/共56页第十九页，共56页。影响收缩(shu su)的因素铸型铸型(zh xn)条件条件铸件铸件(zhjin)结构结构浇注温度浇注温度化学成分化学成分(c含量含量)合金收缩合金收缩第20页/共56页第二十页，共

13、56页。缩孔与缩松的形成缩孔与缩松的形成(xngchng)缩孔的形成: 纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的 合金,浇注后在型腔内是由表及里(yu bio j l)的逐层凝 固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充， 在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.第21页/共56页第二十一页，共56页。缩松的形成原因: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者 结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域 较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨 架将合金液分割开的小液体(yt)区难以得到补缩所 致。第22页/共56页第二十二页，共56页。缩孔与缩松的形成(xngchng)演示第23页/共56页第二十三页，共56页。

14、缩孔易出现缩孔易出现(chxin)的部位的部位第24页/共56页第二十四页，共56页。判断缩孔出现判断缩孔出现(chxin)的方法的方法A等温线法等温线法 B内截内截圆法圆法第25页/共56页第二十五页，共56页。消除消除(xioch)缩孔和缩松的方法缩孔和缩松的方法定向定向(dn xin)凝固原则凝固原则是铸件让远离冒口的地方先凝固，靠是铸件让远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现本身凝固。实现(shxin)以厚补薄，以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。将缩孔转移到冒口中去。原理原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理布置内浇道及确定

15、浇铸工艺。方法方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。第26页/共56页第二十六页，共56页。解决缩孔的方法解决缩孔的方法(fngf)(fngf)演示：演示： 冒口和冷铁冒口和冷铁第27页/共56页第二十七页，共56页。定向凝固原则定向凝固原则(yunz)解决缩孔的方法演示解决缩孔的方法演示第28页/共56页第二十八页，共56页。液态液态(yti)成形内应力、变形与裂纹成形内应力、变形与裂纹内应力内应力热应力热应力机械机械(jxi)应力应力变形变形(bin xng)裂纹裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，

16、导致不同部位不均衡的收缩而引厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。第29页/共56页第二十九页，共56页。热应力的形成热应力的形成(xngchng)过程演示过程

17、演示第30页/共56页第三十页，共56页。热应力形成热应力形成(xngchng)过程分析过程分析 机械应力：机械应力会导致形成机械应力：机械应力会导致形成(xngchng)裂纹裂纹, 应适时开箱加以解决。应适时开箱加以解决。第31页/共56页第三十一页，共56页。热应力的消除热应力的消除(xioch)方法方法铸件的结构：铸件各部分能自由收缩铸件的结构：铸件各部分能自由收缩 工艺工艺(gngy)方面：采用同时凝固原则方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效；自然时效时效处理：人工时效；自然时效铸件铸件(zhjin)的结构尽可的结构尽可能对称能对称铸件铸件(zhjin)的壁厚尽可的壁厚尽可能均匀能

18、均匀第32页/共56页第三十二页，共56页。铸件的变形铸件的变形(bin xng)原因原因结论结论(jiln)：厚部、心部受拉应厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。力，出现内凹变形。薄部、表面受压应薄部、表面受压应力，出现外凸变形。力，出现外凸变形。第33页/共56页第三十三页，共56页。铸件的变形的消除铸件的变形的消除(xioch)方法方法 防止变形防止变形(bin xng)的方法：与防止应力的方法基本相同。带有的方法：与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形残余应力的铸件，变形(bin xng)使残余应力减小而趋于稳定。使残余应力减小而趋于稳定。问题问题(wnt)铸造时所受的应力与

19、变形情况。铸造时所受的应力与变形情况。 分析有长、短不一的两根弹簧，将其分析有长、短不一的两根弹簧，将其固定，使其达到同等长度，即其中一弹簧固定，使其达到同等长度，即其中一弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应力状态？然后将其固定约束去掉，试分析力状态？然后将其固定约束去掉，试分析其变形趋势？其变形趋势？第34页/共56页第三十四页，共56页。小结小结(xioji)合金合金(hjn)工艺性能工艺性能充充 型型 能能 力力凝凝 固固 方方 式式应力应力(yngl)与变形与变形流动性流动性浇注条件浇注条件铸型条件铸型条件逐层凝固逐层凝固糊状凝固糊状凝固中间凝固

20、中间凝固收收 缩缩 性性 能能液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固态收缩固态收缩第35页/共56页第三十五页，共56页。铸件铸件(zhjin)的生产工艺的生产工艺 实际生产中，由于铸铁实际生产中，由于铸铁(zhti)材料材料(包括灰口铸铁包括灰口铸铁(zhti)、可锻铸铁、可锻铸铁(zhti)、球墨、球墨铸铁铸铁(zhti)具有优良的铸造性能，且资源丰富，冶炼方便，价格低廉，铸铁具有优良的铸造性能，且资源丰富，冶炼方便，价格低廉，铸铁(zhti)件占件占液态成形件中相当大的份额。液态成形件中相当大的份额。 铸铁通常是铸铁通常是C%=2.5%4.0%的铁碳合金的铁碳合金(hjn)。 碳在铁碳合金碳

21、在铁碳合金(hjn)中的存在形式有：渗碳体和石墨中的存在形式有：渗碳体和石墨 根据碳在铁碳合金根据碳在铁碳合金(hjn)中的存在形式铸铁可以分为：中的存在形式铸铁可以分为： 白口铸铁：白口铸铁： 灰口铸铁：灰口铸铁： 麻口铸铁麻口铸铁 普通灰口铸铁普通灰口铸铁 可锻铸铁可锻铸铁 球墨铸铁球墨铸铁 蠕墨铸铁蠕墨铸铁第36页/共56页第三十六页，共56页。灰口铸铁灰口铸铁(zhti)灰口铸铁 可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。而石墨的形态、大小和分布直接影响(yngxing)着铸铁的性能。根据铸铁根据铸铁(zhti)中石墨形态的不同，灰口铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁(zhti)可以分为

22、：可以分为：普通灰口铸铁：普通灰口铸铁：石墨呈片状石墨呈片状可锻铸铁：可锻铸铁：石墨呈团絮状石墨呈团絮状蠕墨铸铁：蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状石墨呈蠕虫状球墨铸铁：球墨铸铁：石墨呈球状石墨呈球状第37页/共56页第三十七页，共56页。铸铁铸铁(zhti)的性能的性能 铸铁之所以用得如此铸铁之所以用得如此(rc)广泛广泛,是因为石墨的存在，石墨的存在，使是因为石墨的存在，石墨的存在，使铸铁具有铸铸铁具有铸 钢所不具备的性能。钢所不具备的性能。铸铁铸铁(zhti)的优点的优点 良好的铸造性能，如流动性好、收缩小良好的铸造性能，如流动性好、收缩小 良好的切削加工性能；良好的切削加工性能； 高的耐磨性；高的

23、耐磨性； 良好的吸振缓冲性能；良好的吸振缓冲性能； 低的缺口敏感性能。低的缺口敏感性能。第38页/共56页第三十八页，共56页。石墨石墨(shm)形态对铸铁性能的影响形态对铸铁性能的影响 石墨石墨(shm)片越圆整、越细小、分布越均匀对基体片越圆整、越细小、分布越均匀对基体 割裂作用越小。割裂作用越小。第39页/共56页第三十九页，共56页。铸铁铸铁(zhti)的石墨化的石墨化 碳以石墨的形式析出的过程碳以石墨的形式析出的过程(guchng)。 通常视石墨化过程通常视石墨化过程(guchng)充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。铸铁铸铁(zhti)的基体通常

24、有：的基体通常有：*铁素体灰口铸铁铁素体灰口铸铁*铁素体铁素体珠光体灰口铸铁珠光体灰口铸铁*珠光体灰口铸铁珠光体灰口铸铁第40页/共56页第四十页，共56页。影响(yngxing)石墨化的因素化学成分 化学成分：化学成分：C是形成石墨的元素是形成石墨的元素Si是促进形成石是促进形成石墨的元素通常墨的元素通常(tngchng)C%、 Si%越高，越越高，越容易石墨化。容易石墨化。第41页/共56页第四十一页，共56页。影响石墨(shm)化的因素冷却速度 冷却速度： 减小冷却速度可以促进石墨化， 易得到粗大的石墨片和铁素体基体；增大冷却速度则阻碍石墨化，此时只有(zhyu)部分碳以细石墨片析出，而

25、另一部分碳则以渗碳体析出， 得到铸光体基体。第42页/共56页第四十二页，共56页。影响石墨(shm)化的因素：壁厚第43页/共56页第四十三页，共56页。普通(ptng)灰口铸铁件基体：基体：F、P、F+P生产：铁水熔炼好后直接浇铸生产：铁水熔炼好后直接浇铸(jiozh)牌号：牌号：HTXXXHT: 表示灰口铸铁表示灰口铸铁(zhti)中文拼音的代号中文拼音的代号XXX: 三位数字表示最抵抗拉强度三位数字表示最抵抗拉强度(MPa)石墨形态石墨形态：片状片状问题问题1）灰口铸铁牌号为什么不用含碳量多少表示，而用灰口铸铁牌号为什么不用含碳量多少表示，而用力学性能表示？力学性能表示？2）有一铸件当

26、其强度不够时，可否通过增大有一铸件当其强度不够时，可否通过增大截面截面 解决？解决？第44页/共56页第四十四页，共56页。灰口铸铁灰口铸铁(zhti)的孕育处理的孕育处理提高和改善提高和改善(gishn)灰口铸铁灰口铸铁的性能的途径的性能的途径改善改善(gishn)基体组织基体组织改变石墨形态、数量、改变石墨形态、数量、 大小和分布大小和分布灰口铸铁的孕育处理是灰口铸铁的孕育处理是提高和改善灰口铸铁的性能提高和改善灰口铸铁的性能的途径行之有效的的途径行之有效的方法。常用的孕育剂是含方法。常用的孕育剂是含Si量为量为75%的硅铁。的硅铁。灰口铸铁的孕育处理方法灰口铸铁的孕育处理方法即将熔炼出的

27、铁水在即将熔炼出的铁水在 浇铸前加入质量分数为浇铸前加入质量分数为 0.25%0.60%的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的弥散的石墨结晶核心石墨结晶核心，使石墨化作用显著提高，使石墨化作用显著提高，从而得到在细珠光体上从而得到在细珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织。均匀分布着细片状石墨的组织。第45页/共56页第四十五页，共56页。灰口铸铁的孕育灰口铸铁的孕育(yny)处理处理选用碳、硅量低的铁水：原铁水含碳量越低，石墨越选用碳、硅量低的铁水：原铁水含碳量越低，石墨越细小，铸铁细小，铸铁 的强度的强度(qingd)、硬度就越高。、硬度就越高。冷却冷却(lng

28、qu)速度速度:对其组织和性能影响较小。如下面的图：对其组织和性能影响较小。如下面的图：第46页/共56页第四十六页，共56页。第47页/共56页第四十七页，共56页。第48页/共56页第四十八页，共56页。球墨铸铁球墨铸铁(qim-zhti)件的生产件的生产 向高温铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，直接得到(d do)球状石墨的铸造合金。球化剂：球化剂：金属镁或稀土镁金属镁或稀土镁 孕育孕育(yny)剂：含剂：含Si量为量为75%或或95%的硅铁的硅铁第49页/共56页第四十九页，共56页。球墨铸铁件主要球墨铸铁件主要(zhyo)特点：特点：石墨成球状，对基体的割裂作用已降到最低，石墨成球状

29、，对基体的割裂作用已降到最低，力学性能比灰铸铁有显著力学性能比灰铸铁有显著(xinzh)提高。提高。可通过热处理改善金属基体，进一步提高性能可通过热处理改善金属基体，进一步提高性能(xngnng)。这一点与灰铸铁不同。这一点与灰铸铁不同。球墨铸铁较灰铸铁易产生球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷皮下气孔、夹渣等缺陷。石墨析出时，发生膨胀，石墨析出时，发生膨胀，应适当应适当提高铸型刚度提高铸型刚度。球墨铸铁件球墨铸铁件生产中应注意的问题生产中应注意的问题控制原铁液的化学成分，与一般灰铸铁基本相同；控制原铁液的化学成分，与一般灰铸铁基本相同；具有具有高高C高高Si,中中Mn,低低S、P特点。特点。较高的铁液温度，以较高的铁液温度，以防止球化处理、孕育处理后防止球化处理、孕育处理后铁液温度过低，产生浇不足等缺陷铁液温度过低，产生浇不足等缺陷球化处理、孕育处理球化处理、孕育处理。第50页/共56页第五