金属工艺学 第二篇 铸造上.ppt

1、,第二篇 金属液态成形铸造,一、概述,1.液态成形-铸造,下面请看汽车变速箱体铸件的液态成形过程,砂型铸造过程如右图所示,将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中,待其冷却凝固,以获得毛坯或零件的生产方法。,2.铸造过程包括以下内容: 1）造型和制芯直到装配,得到铸型 2）金属熔炼得到成分、温度合格的金属液 3）浇注，型腔内冷却凝固 4）清理，检验。得到不同形状、性能要求的铸件,3.铸造的优越性,1）铸造最适合于制造形状复杂，特别是有复杂内腔的毛坯件。 实例： 汽车发动机曲轴、机床床身、飞机叶轮、 航天器内精密复杂件等铸件。,曲轴,普通车床床身,飞机叶轮,航天器,2）铸造的适应范

2、围广 3）成本低,二、铸造工艺基础,基于两个前提： 一是液态合金（流体）借重力或压力，充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力充型能力（流动性） 一是液态合金从浇注、凝固直至冷却至室温过程中，其体积或尺寸自然缩减的现象，称合金收缩性。,1. 合金流动性 液态合金本身在铸型内的流动能力合金流动性 流动性好，铸件成形容易，表面质量好， 形状、尺寸精度高。流动性差，铸件会产生浇不到、冷隔等缺陷。,在相同的浇注条件下，合金的流动性逾好，所浇注出的试样逾长。 试验得出：灰口铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差,影响因素 合金种类及合金成分； 浇注温度； 充型压力； 铸型内流动阻力等。,1. 恒温

3、下凝固,2. 在一定的温度范围内凝固,结晶特性对流动性的影响,2. 铸件凝固与收缩 （1） 液态合金从浇注、凝固直至冷却至室温过程中，其体积或尺寸自然缩减的现象收缩性。 （2）合金的收缩性及其对铸件质量的影响取决于铸件的凝固方式。,逐层凝固,糊状凝固,中间凝固,根据凝固区的宽窄“S”分: 分： 逐层凝固；糊状凝固；中间凝固,按铸件壁厚分布均匀程度不同（即冷却快慢不同）分为：,顺序凝固,同时凝固,同时凝固（厚薄不同部位趋近同时凝固，金属液从薄部引入）。,顺序凝固（或称定向凝固)；薄部先凝固，厚部后凝固，冒口 最后凝固。,（3） 液态合金收缩过程 分为三个阶段：液态收缩； 凝固收缩；固态收缩,液态

4、收缩与凝固收缩主要表现为体积的缩减，产生缩孔、缩松 固态收缩导致尺寸减小，产生内应力和出现裂纹。,（4）收缩对铸件质量的影响体积收缩导致铸件内部缩孔和缩松的产生。,缩孔与缩松 液体合金在冷凝过程中，如果其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一个孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称缩松。缩孔、缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性大大降低，以致成为废品。,缩孔的形成,缩孔集中在铸件上部或最后凝固的部位较大的孔洞，多呈 倒锥形，内表面粗糙。 形成条件：合金在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件以逐层凝固的方式。,缩孔特征：集中性，位于上部，呈倒锥形，内表面粗糙。,缩孔

5、的形成过程,缩松的形成 分散在铸件某区间的细小孔称为缩松。缩松的形成的原因也是由于铸件最后凝固区域的液态收缩和凝固收缩得不到补充,当合金以糊状凝固的方式凝固时 就易形成分散性的缩孔导致缩松。缩松一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。,缩松特征：分散性，为细小缩孔，位于铸件壁的轴线区域。,缩松：分散性，位于铸件壁的轴线区域。为细小缩孔，,比较缩孔和缩松的特征 缩孔：集中性，位于上部，呈倒锥形，内表面粗糙。, 缩孔和缩松减小铸件有效承载面积，降低力学性能，缩松导致铸件渗漏。, 缩孔与缩松的防止 A 选用逐层凝固的铸造合金（趋近共晶成份）； B 对于壁厚

6、不匀的铸件，采用定向凝固，控制凝固次序， 让薄部先凝固，厚部后凝固； C 在铸件最后凝固的部位，设置冒口，在热节处放置冷 铁，把缩孔引入冒口中，最后割去冒口。,冒口,（5）铸造内应力、变形与 裂纹 由固态收缩受到阻碍而引起,铸造内应力分为两类： 机械应力指合金的固态收缩 受到铸型或型芯的机械阻碍所形成。 铸造结构阻碍得到消除（落砂）， 机械应力随即消失。,热应力由于铸件壁厚不均匀，冷速不一，致使同时期内线收缩不一致而相互牵制所引起。,热应力分布规律：厚部（缓冷）拉应力 薄部（先冷）压应力,两杆的固态冷却曲线图,(a) (b) (c) (d), 变形与裂纹 变形的产生 残留铸件内的热应力是一种非

7、稳态应力。它以铸件变形来自发减缓应力而趋于平衡，以求稳定。 比如：车床床身、平板铸件，都是通过铸件变形来力图减小内部热应力。,车床床身铸件的变形图,如下图所示： 导轨较厚，冷却速度慢，形成内部残留拉应力；床腿较薄，冷却速度快，形成内部残留压应力，最后导致床身导轨内凹的挠曲变形,平板铸件的变形图,如左图所示的平板铸件： 尽管其壁厚均匀，中心的冷却速度慢受拉，边缘的冷却速度快受压； 平板的上面又比下面散热冷却快，平板产生了外凸的变形。,变形的防止 有如下措施：,采用时效或去应力退火（自然时效： 置于露天半年 以上；人工时效：加热550650 ）；,预留挠度，用反变形法补偿（床身预拱出13mm）；,

8、铸件结构对称，壁厚均匀；,还有振动法去应力。,裂纹的产生与预防 裂纹的产生：内应力超过金属的抗拉强度。 分为热裂和冷裂,热 裂,冷 裂,冷裂较低温下形成 铸件形状复杂，易形成冷裂,热裂高温下形成的,在铸件凝固后接近于固相线,热裂的形状特征：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。 防止措施：提高铸型和型芯的退让性，减少机械应力 ； 浇冒口的设计要合理；铸钢件和铸铁件，应严格控制硫的含量；选择凝固温度小，热裂倾向小的合金。 冷裂的特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或氧化色。 预防措施：减少铸件内应力；降低合金的脆性；控制铸钢中磷的含量。,热 裂,冷 裂,3. 铸件的质量控制 1）铸件缺

9、陷难以避免 常见缺陷有：气孔、粘砂、夹砂、缩孔、缩松、 裂纹、合金成分与性能不恰当等。 2）合格铸件中，可允许存在一些铸造缺陷 3）铸件质量检验外部、内部、成分、性能。,缩孔,气孔,浇不到,超声波检验,铸件的质量从下列几方面加以控制：, 合理选定铸造合金和铸件结构 合理制订铸件的技术要求 模型质量检验 铸件质量检验 铸件热处理,复习题,金属液态成形有何最突出的优点？通常有哪些成形方法？ 金属铸造性能主要以何种物理特性来表征？其影响因素如何？请分别予以分析？ 铸造凝固方式，根据合金凝固特性分成哪几类？它们对铸件质量将分别产生什么影响？ 金属液态成形中，其收缩过程分为哪几个相互联系的阶段，对铸件质

10、量将产生什么影响？如何防止缩孔和缩松的产生？ 何谓铸件热应力和机械应力？它们对铸件质量将产生什么影响？如何防止铸件变形？,1. 金属液的流动性 ，收缩率 ，则铸造性能好，若金属的流动性差，铸件易出现 等的铸造缺陷，若收缩率大，则易出现 的铸造缺陷。常用铸造合金中，灰铸铁的铸造性能 ，而铸钢的铸造性能 。 2. 从铸造工艺来讲，防止缩孔和缩松的有效措施是在实现 凝固的条件下在铸件厚大部位设置 或放置 。 3. 合金的收缩经历如处三个阶段 、 和 。 4.在铸造生产中按照内应力产生的原因，可分为 和 5.亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶间隔 ，流动性 。 6.铸件的凝固方式有 、 和,二、判断题 1由

11、于铸件的成本低，并且性能优良，所以常用作重要零件或毛坯。 ( ) 2金属液的流动性与化学成分有关，一般成分在共晶点或附近的金属流动性较好。 ( ) 3.为防止缩孔的产生，可安放冒口和冷铁，造成顺序凝固。冒口起补缩作用，冷铁也起补缩作用。( ) 4.气孔是气体在铸件内形成的孔洞。气孔不仅降低了铸件的机械性能；而且还降低了铸件的气密性。( ),二、常用合金铸铁的生产,铸铁是含碳量大于2.11%（2. 84.0%）的铁碳合金。 根据碳在铸铁中存在的形式，铸铁分为： 白口铸铁 碳除少数溶于铁素体外，全部以Fe3C形式存在，断口呈银白色，故称白口铸铁。 灰口铸铁 碳除微量溶于铁素体外，大部或全部以石墨形

12、式存在，因断口呈暗灰而得名，广泛应用工业生产中。 麻口铸铁 组织中既存在石墨，又有莱氏体，是介于白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点而得名。,由于白口铸铁和麻口铸铁性能较差，所以在生产上应用很少。, 蠕墨铸铁 ：其石墨呈蠕虫状。如图d所示。,a,b,c,d,根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又可分为：, 普通灰口铸铁 ： 简称灰铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。, 可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图b所示。, 球墨铸铁： 其石墨呈球状。如图c所示。,根据铸铁的化学成分，还分为: 普通铸铁和合金铸铁 合金铸铁是指含硅量大于4%、含锰量大于2%，或者，指有一定数量的钛、钒、钼、铬、铜等元

13、素的铸铁。,灰铸铁的分类：,按照基体组织的不同，灰铸铁分为三类： 铁素体灰铸铁 在铁素体基体上分布着粗大的石墨片，强度、硬度低，易加工 ，铸造性能好。常用来生产要求不高的机件和薄壁零件。 珠光体灰铸铁 在珠光体的基体上，分布着细小的石墨片，强度和硬度高，用来制造较重要的机件。 铁素体-珠光体灰铸铁 在铁素体-珠光体上分布着粗大的石墨片，强度低可满足一般铸件要求，铸造性能、切削加工性能减振性较好。应用广泛。,内部组织特征 （钢的基体+片状石墨）,（一）灰铸铁 牌号:以机械性能来表示，用汉语拼音“HT”和一组数字表示，其中“HT”表示灰口铸铁，数字为最低抗拉强度值。如：HT100,从表中看出，牌号

14、后面数字代表b b与HBS与铸件壁厚大小有关。同一牌号可有不同值。,性能 抗拉强度不如钢，为钢的20%30%；脆性大；但有良好的耐磨性、减震性；铸造性能优良。切削加工性能好.,应用 HT150、HT200用于支承体，如机床床身、底座等。HT200以上则用于箱体、刹车鼓、汽缸体、泵体、阀门、大型冲压模板等。,铸铁熔炼,1）铸铁石墨化及影响因素 石墨化即渗碳体分解出纯碳的石墨晶体。 铸铁的组织和性能主要决定于石墨的形态，即其形状、大小及分布。 石墨化的影响因素是化学成分和铸件的冷却速度。 C、Si（%）促进石墨化 S（%） 反石墨化 Mn（%） 脱S，提高铸铁强度、减小S的有害作用。,2）铸铁（H

15、T200以上）的孕育处理 在含碳（2.8%3.2%）、含硅（1%2%）均低的铁液中加入Si-Fe（WSi=75%），形成大量弥散的非自发结晶核心，使石墨呈细片状而均匀分布，因此得到在细晶粒珠光体基体上均匀分布着细片状石墨的组织-灰铁（b=250350MPa，170270HBS） 但因石墨为片状，%，k还是很低。,（二）球墨铸铁 牌号:用汉语拼音“QT”和两位数字表示，两位数分别表示最低抗拉强度和伸长率。如：QT400-18,组织特征 1）基体：F，F+P，P 2）石墨形状: 球状或粒状,球铁生产 1）双处理： 球化处理 加稀土镁合金，称球化剂。 加入量：1.3%1.8% 孕育处理 加入75%的

16、Si-Fe，称孕育剂 。 加入量：0.4%1.0% 2）控制原铁水化学成分：降低S.P含量， 适当提高含碳量为：3.6%4.0%。 3）较高的铁液出炉温度（1400 ）,性能与应用,3）球铁良好力学性能，一是来自于基体；二是源 于石墨球状，消除了应力集中。国外大量用于铸管、输气管道等。,2）铁素体球铁(QT450-10) 具有较高的强度、塑性和韧性，用于汽车桥壳等 底盘铸件。,1）珠光体球铁(QT700-2) 强度、屈强比 (s/b0.70.8)、-1、 HBS高。%有限。耐磨。基体中，珠光体比例大于75，可用来做曲轴、凸轮、蜗轮等。,（三）可锻铸铁 牌号 分别用汉语拼音“KTH ”“KTZ”

17、、“KTB” 及两组数字表示，数字分别表示其最低抗拉强度和伸长率。如：KTH330-06 KTH300-06，KTH370-12 KTZ450-06，KTZ700-02,组织 基体 H（黑心，铁素体基体） Z（珠光体基体） 石墨形态：团絮状,性能：与球铁类似,应用：大量生产形状复杂、薄壁小件，质量容易控制,黑心可锻铸铁-汽车、拖拉机零件，如后桥壳、轮壳、转向机构壳体。扳手、管接头、低压阀门等。 珠光体型可锻铸铁曲轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环等.,3）铸造性能比灰铁、球铁流动性低，收缩性大。,2）退火 加热：920-980 ； 保温：10-20h； 缓冷：密封炉冷。,1）先得低C、低Si白口铁（

18、C=2.4%2.8%， Si=0.4%1.4%），不得有原始石墨出现。,生产工艺：,（四）蠕墨铸铁 牌号 用汉语拼音“RT”和一组数字表示，数字表示最小抗拉强度。如：RT420 RT260、RT340、,基体：F, F+P, P,石墨形态：蠕虫状,组织,3.性能 介于基体相同灰铁和球铁之间 b高于灰铁； 导热性与抗热疲劳性高于球铁，与灰铁相近； 耐磨性比灰铁好； 工艺性良好，与灰铁相近，蠕化处理工艺简便。,5.应用 用以替代高牌号灰铁、合金铸铁。 如大型柴油机缸体、大型机床立柱、发动机缸盖、排气管、制动盘、金属铸型等。,4.生产工艺 高温、高碳、低S 、低P ，铁液经蠕化（稀土镁钛、稀土镁钙、

19、镁钛合金）、孕育双处理。,康明斯、东风系列卡车缸体、缸盖、铸件,（五 ） 铸 钢,铸钢的性能特点 力学性能高，强度、塑性和韧性比铸铁高。（主要用于制造承受重载荷及冲击载荷的零件）焊接性能优良（采用铸焊联合工艺制造形状复杂的重型铸件） 分类： 按化学成分为铸造碳钢和铸造合金钢 。,组织 与普通钢种一致,牌号 用汉语拼音“ZG”和两组数字表示两组数字分别表示屈服强度值和抗拉强度值。 如： ZG200-400 ZG310-450 ZG340-640 合金铸钢 ZG40MnB,铸钢.MPG钢件的生产,3.性能 力学性能好：s、b 、%、k均比铸铁高； 铸造性能差：熔点高，易氧化，易吸气，收缩大，流动性

20、差； 成本相对铸铁高； 工艺出品率低（50%-70%）。定向凝固，开冒口； 需要热处理（退火）。,4.应用 重载复杂件。如火车转向架零件、高压阀 门、轧辊等。,（六）铸造铜铝合金,铸造铜合金 具有优良的物理性能和化学性能。 铸造黄铜 黄铜是铜和锌合金，有相当高的力学性能，抗拉强度为250450Ma,伸长率为7%30%，硬度为60120HB。价格低于青铜，有优良的铸造性能。一般用于制造轴承、衬套、阀门等耐磨件和耐蚀件。 用“ZH”表示其黄铜代号。 铸造青铜 是除铜锌合金以外的其他铜合金。铜锡合金是最普遍的青铜，称锡青铜。耐磨、耐蚀性高于黄铜，但铸造性能差，仅用于轴瓦、活塞等耐磨、耐蚀件。 用“ZQ”表示其青铜代号。,如铸造铜合金： ZH62（普通黄铜） Cu：60-63% 其余为Zn b 295 ， % 30， 590-680 HBW ZQSn5-5-5（Sn、Zn、Pb）（锡青铜） b 200， 0.2 90 ， % 13， 590 HBW,铜与黄铜