金属工艺学11

1、（1 1）逐层凝固方式）逐层凝固方式 纯金属或共晶成纯金属或共晶成分在凝固过程中不存在分在凝固过程中不存在固液二相共存区，故外固液二相共存区，故外层的固体和内层的液体层的固体和内层的液体之间有一条界线清楚地之间有一条界线清楚地分开。分开。 灰铸铁、铝硅合金灰铸铁、铝硅合金等倾向于逐层凝固，易等倾向于逐层凝固，易于获得紧实铸件。于获得紧实铸件。（2 2）糊状凝固（体积凝固）方式）糊状凝固（体积凝固）方式 合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并存的凝固区贯穿整个断面，如图存的凝固区贯穿整个断面，如图c）（表层不存在固体层，类（表层不存在固体层，类似

2、水泥）似水泥）。球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝固。球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝固。（3 3）中间凝固方式）中间凝固方式 金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截面温度梯度大，面温度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。之间。影响凝固方式的因素：影响凝固方式的因素：o 合金的结晶温度范围。越窄越窄逐层凝固逐层凝固o 铸件的温度梯度。梯度越大梯度越大逐层凝固逐层凝固凝固方式对铸件质量的影响：o 逐层凝固方式逐层凝固方式合金的充型能力强，便于合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松。防止缩孔和缩松。o

3、糊状凝固方式糊状凝固方式难以获得结晶坚实的铸件。难以获得结晶坚实的铸件。二、铸造合金的收缩二、铸造合金的收缩o 液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。少的现象，称为合金的收缩。 收缩是多种铸造收缩是多种铸造缺陷产生的根源。缺陷产生的根源。o 合金的收缩经历三个阶段：合金的收缩经历三个阶段： （1 1）液态收缩：从浇注）液态收缩：从浇注液相线温度液相线温度 （2 2）凝固收缩：液相线）凝固收缩：液相线固相线固相线 （3 3）固态收缩：固相线）固态收缩：固相线室温室温o液态收缩液态收缩 表现为铸型腔内液态金属的液面下降。表现为铸型

4、腔内液态金属的液面下降。o凝固收缩凝固收缩 共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，凝固收缩只由状态改变引凝固收缩只由状态改变引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。 液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩减，用体收缩率（单位体积的百分收缩量）表示。减，用体收缩率（单位体积的百分收缩量）表示。它它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。p固态收缩固态收缩 通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线收缩率（单位长度的百分收缩

5、量表示）。率（单位长度的百分收缩量表示）。固态收缩是铸件固态收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。产生应力、变形和裂纹的根本原因。三、三、铸件中的缩孔和缩松铸件中的缩孔和缩松o 在合金冷却和凝固过程中，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。o 按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。其中容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。 o 危害：使力学性能下降；因渗漏而报废。 缩孔三、三、铸件中的缩孔和缩松铸件中的缩孔和缩松 （1）缩孔）缩孔 缩孔是容积较大而集中的孔洞。通缩孔是容积较大而集中的孔洞。通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。其外形

6、特常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑。逐层凝固的合金产征为倒锥形，内表面不光滑。逐层凝固的合金产生缩孔的倾向较大。生缩孔的倾向较大。 （2）缩松）缩松o 缩松分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附缩松分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近（缩孔的下方）的细小而分散的孔洞。近（缩孔的下方）的细小而分散的孔洞。 p 糊状凝糊状凝固的合金固的合金缩孔倾向缩孔倾向小，但极小，但极易产生缩易产生缩松。松。（3）防止缩孔和缩松措施）防止缩孔和缩松措施 o 定向（顺序）凝固：定向（顺序）凝固： 采取一定措施，先使铸件上远采取一定措施，先使铸件上远离冒口或浇注部位凝固，然后使

7、靠近冒口部位凝固，离冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。最后冒口本身凝固。使先凝固的收缩量由后凝固的液使先凝固的收缩量由后凝固的液体补充，最后将缩孔转移至冒口中体补充，最后将缩孔转移至冒口中 。安放冷铁 当仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔时。应在该厚大部位设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。 实现定向凝固方法 合理安放冒口 实现定向凝固方法 设置补贴设置补贴 对于一些壁厚均匀的铸件，对于一些壁厚均匀的铸件，如图所示，采用顶部设冒口和如图所示，采用顶部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后，底部安放冷铁的工艺措施后，也

8、难以保证其垂直壁上不出现也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其立缩孔和缩松。因此，需在其立壁上增加补贴，即一个楔形厚壁上增加补贴，即一个楔形厚度，使其形成一个从下而上递度，使其形成一个从下而上递增的温度梯度，才能实现该铸增的温度梯度，才能实现该铸件的顺序凝固。件的顺序凝固。 n定向凝固的缺点：定向凝固的缺点：一、冒口浪费金属；一、冒口浪费金属；二、铸件内应力大，易于变形和开裂。二、铸件内应力大，易于变形和开裂。 n应用：应用： 主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。 对于形

9、成糊状凝固的合金一般不采用此工艺对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。方法。第三节第三节 铸件内应力、变形和裂纹铸件内应力、变形和裂纹一、铸造内应力一、铸造内应力 铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各部分体积变化不一致，彼此制约引起的应力为部分体积变化不一致，彼此制约引起的应力为铸造内应力。铸造内应力。o 按应力产生的原因，铸造应力分为热应力和机按应力产生的原因，铸造应力分为热应力和机械应力两种。械应力两种。 1. 热应力热应力o 热应力是指因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度不同，致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力。p 铸件厚、大部分或心部受拉应力（+）

10、，薄壁或表层受压应力（-）。热应力产生过程热应力产生过程 当铸件处于高温阶段（t0-t1）时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生（图a） ； 继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态（t1-t2），此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大，所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂时内应力， 但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失（图c）； 当进一步冷至更低温度时（t2-t3），两杆均进入了弹性状态，此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同，所以二者的收缩也不同步，粗

11、杆I的温度较高，还要进行较大的收缩，细杆II的温度较低，收缩已趋于停止，因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍，于是杆II受压缩，杆I受拉伸（图d），直到室温 。热应力的预防与消除热应力的预防与消除o铸件残留热应力预防原则及措施铸件残留热应力预防原则及措施 铸件残留热应力预防原则：减小铸件各部分间的温度差，使其均匀冷却. 具体措施： 设计时，尽量使铸件壁厚均匀 生产上，“同时凝固同时凝固”o残留热应力的消除方法：残留热应力的消除方法： 去应力退火 同时凝固的具体工艺同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄是将内浇口开在铸件的薄壁处，再在铸件厚壁处放壁处，再在铸件厚壁处放置冷铁。置冷铁。 同时凝固的原则可降同时凝固的原则可降低铸件产生应力、变形和低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；只是铸件的裂纹的倾向；只是铸件的心部会产生缩孔或缩松缺心部会产生缩孔或缩松缺陷。陷。 同时凝固原则只用于同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。的生产。同时凝固减少铸造内应力同时凝固减少铸造内应力机械应力机械应力o机械应力机械应力 铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力。应力。它是暂时的它是暂时的。o防止措施是改善铸型和型芯的退让性防止措施是改善铸型和型芯的退让性。二、二、 铸件的变形铸件的变形