金属材料加工学-第八讲

1、金属材料加工学基础,第八讲,补充及复习,超塑性变形的微观机理晶界滑移 作业: 1、提纲式列出金属材料塑性加工工艺 2、列出在金属材料塑性加工部分介绍的主要知识点（例如：r值、冷加工中金属组织性能的变化及其不同加热情况下其组织性能的变化） 时间11月20日前 提交方式word文挡，教学网上。,金属的液态成形铸造,铸造是历史最悠久的金属成形方法； 铸造方法目前仍在许多行业中被广泛采用； 据统计：在机械行业中铸件占机器总质量的50%以上； 随着科技的不断发展铸造行业也在不断获得科技进步，创造了许多新的铸造技术，新的科学和技术也在铸造行业中得到应用促进了传统铸造行业的发展和更新。,铸造,铸造的概念 熔

2、炼金属、制造铸型、将熔融金属浇入铸型、金属凝固后获得一定形状和性能的毛坯或零件的工艺。 铸件 用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。 铸造工艺过程 金属熔炼铸型制造浇注凝固落砂清理 铸造的材质 碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。,铸造的优点 原材料来源广 生产成本低 铸件形状与零件接近，尺寸不受限制 铸造目前通常存在的若干问题 铸件内部组织粗大 常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高 铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高,一、液态成形的若干基础知识,1.1 金属的凝固 液态金属的结构与性质 铸造中液态金属主要由晶体型固态金属熔化而得，其过热

3、不高（一般高于熔点100300），因此它更接近于固态而远离气态； 结构：熔化得到的液态金属由许多近程有序的“游动原子集团”组成，温度越高集团越小，游动越快； 粘度：液态金属的粘度是指其各部分质点间相对运动的阻力； 表面张力：液态金属的表面张力平行于表面方向，且在各方向上大小相等； 粘度和表面张力在金属铸造成形科学与工艺中是非常重要的影响因素。,一般条件下固态金属均为晶体。在凝固中发生晶体的形核与长大两个密切联系的基本过程； 凝固组织分析分为宏观组织分析和微观组织分析； 宏观组织分析包括铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等； 微观组织包括晶粒内部的组织和亚结构,铸件的凝固组织,原始炉料的遗传效应加

4、强过热或延长保温时间，可使这种现象减弱或消失； 冷却速度：冷却速度增加，过冷度增大，晶核数目增多，可细化铸件组织； 孕育处理：加入孕育剂（形核核心）可促使晶粒细化。 铸件的凝固方式及其控制原则 1. 凝固方式 铸件在凝固过程中从表面到心部一般存在三个区域 固相区、凝固（固-液两相）区和液相区,凝固组织的影响因素,逐层凝固方式 纯金属和共晶合金平衡相图中没有两相区，因此在其凝固 中凝固区宽度为零，固液界面清楚。 糊状凝固方式 铸件截面温度梯度小，或合金结晶温度宽，在铸件凝固的 一段时间内，其凝固区域贯穿整个铸件截面，在凝固区域中液 固共存既存在已结晶的固体，也存在未结晶的液态金属。,中间凝固方式

5、 界于上述两种凝固方式之间。,铸件表面,铸件心部,顺序凝固原则 采取一定措施保证铸件从远离 冒口部分最先凝固，逐次接近冒 口，最后是冒口区域凝固，即在铸 件上从远离冒口（或浇口）的部分 到冒口（或浇口）建立一个递增的 温度梯度 ，保证实现“远离冒口 最先，冒口部分最后”的顺序凝固,2. 控制铸件凝固的工艺原则,同时凝固原则 采取一定的工艺措施，保证铸件各部分没有（或只有很 小）温度梯度，使各部分几乎同时凝固。,1.2 金属与合金的铸造性能 金属或合金铸造成形获得优质铸件的能力 合金的充型能力 在实际生产条件下，熔融金属充满型腔，获得形状完 整、轮廓清晰铸件的能力。,合金的充型能力通常以螺旋型流

6、动性试样的长度来衡量,几种常用合金流动性比较,影响金属及合金的充型能力的因素 金属及合金本身的流动特性 铸造的外在条件 铸型类型及条件： 例如：在砂型中充型能力强于金属型中 浇注条件： 浇注温度、充型压力等 铸件结构： 壁厚等,合金的收缩铸件的收缩包括了三个阶段 A、液态收缩：从浇注液相线 B、凝固收缩：液相线固相线 C、固态收缩：固相线室温 A、B是铸件中产生缩孔和缩松的原因，C是产 生铸件中应力、变形和开裂的原因。,几种铁碳合金的体收缩率,铸件中的缩孔,缩孔通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。基本原因是液态收缩和凝固收缩。基本条件是逐层凝固。,铸件中的缩松

7、,缩孔和缩松的防止原则：制订合理的铸造工艺，尽可能使缩松转化为缩孔，而且将缩孔移至冒口位置,缩松分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。基本原因是液态收缩和凝固收缩。基本条件是铸件在较宽的区域内同时凝固。,铸件的内应力、变形和裂纹 铸件的内应力 热应力 铸件在凝固或冷却过程中，不同部位由于不均衡的收 缩而引起的应力。 防止的根本途径：尽量减少铸件各部位的温差，使其 均衡凝固。 具体工艺措施：减少铸件与铸型的温差；适当控制铸 件的打箱时间等。 收缩应力 铸件的固态收缩受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或 箱挡的阻碍而产生的应力。 一般这种应力是暂时的，打箱后便可消失。,铸件的变形,铸件的裂纹 当内

8、应力超过合金的强度极限时，铸件就会产生裂纹。 根据裂纹产生的温度不同，把裂纹分为热裂和冷裂。 热裂 铸件在高温下形成的裂缝，外形形状曲折而不规则，断 口呈氧化色。热裂是铸件在凝固末期形成的。是铸钢和铸铝 常见的缺陷。 冷裂 铸件处于弹性状态时，其热应力和机械应力总值超过合 金强度极限而形成的。其外形呈连续直线状或圆滑曲线状， 断口干净，具有金属光泽或称轻微氧化色。,二、几种铸造方式介绍,2.1 砂型铸造 砂型铸造是利用具有一定性能的型砂作为造型材 料，砂型铸造目前仍占世界各国铸件总产量的80%以上。,造型材料 用来制造砂型和砂芯的材料统称造型材料。型（芯）砂的性能对铸件质量的影响 型（芯）砂是

9、由原砂、粘结剂和其他附加物按一定比例配合，经混合制成符合造型、制芯要求的混合料。 型芯砂应具备的性能： 透气性、强度、耐火度、发气性、溃散性、流 动性、可塑性、不粘模性、保存性、抗吸湿性和回 用性。,造型方法的选用,机器造型 （1）紧实砂型的方法 （a）震压紧实 （a）抛砂紧实 （c）高压紧实等 （2）起模方法 （a）顶箱起模 （b）漏模起模 （c）反转起模,手工造型,整模造型 分模造型 三箱造型 活块造型 刮板造型等,2.2 特种铸造方法 熔模铸造,又称失蜡铸造。它是在蜡模表面包以造型材料，待其硬化后，再将其中的蜡模熔去，从而获得无分型面铸型的铸造方法,熔模铸造工艺过程 母模 压型 利用母模

10、作模样，由易熔合金（Sn、Pb、Bi等的合金）直接浇注制成的。 蜡模的制作 将调好的模料压入压型中，待其凝固后取出蜡件，放入水中冷却，修去飞边毛刺，再将多个蜡件粘到蜡质浇棒上。 铸型的制造 制壳脱蜡焙烧浇注,熔模铸造工艺过程流程图,熔模铸造的特点 铸件精度高，表面光洁； 能够铸造各种合金铸件； 铸件形状可以比较复杂； 铸件质量不宜太大。 熔模铸造的应用范围 主要用于制造形状复杂、精度要求较高的小型零件，如 涡轮机叶片和叶轮、高速钢刀具等。,B. 金属型铸造,优点 实现一型多铸，简化工艺 铸件的力学性能高 铸件质量好 节省造型材料，缩小作业面积，减少粉尘污染 缺点 铸件外型和内腔均不宜太复杂 壁

11、厚不宜太薄、 铸型成本高，不宜小批生产 透气性差，无退让性，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷 铸造合金的熔点不能太高，质量不能太大 应用范围 主要用于制造有色合金铸件，如铝活塞、汽缸体、缸盖等。,C. 压力铸造 压力铸造是把熔 融或半熔融的金属在 高压下快速压入金属 模中，并在压力下结 晶获得铸件的方法， 简称压铸。,压铸的特点及适用范围 压铸的优点及适用范围 生产率高，易于实现自动化或半自动化； 铸件质量和精度高； 铸件组织细密，性能好； 便于生产形状复杂的薄壁件； 适宜压铸低熔点合金 压铸的缺点 设备投资大； 铸件材质受限制； 由于冷速太快，易于在铸件中形成气孔等缺陷,D. 离心铸造,将

12、液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。,离心铸造的特点及适用范围 离心铸造的优点 工艺过程简单，铸件力学性能高 在离心力作用下金属液中的气体和渣易向内腔 转移而排除，铸件中不易产生气孔、夹渣、缩 松等缺陷； 在生产空心回转体铸件时，可省去型芯和浇注 系统，比砂型铸造更省工省时，降低成本； 充型能力强，可生产流动性较差的薄壁铸件； 便于生产双金属铸件。 离心铸造的缺点 铸件内表面质量差，孔的尺寸不易控制。 离心铸造的适用范围 离心铸造目前主要用于制造铁管、缸套和滑动轴承。,E. 低压铸造,液态金属在一定的压力下自下而上地充填铸型并凝固而获得铸件的方法

13、。,低压铸造的特点及适用范围 低压铸造的优点 浇注中压力及速度便于调节，充型平、 稳，气体易排除； 便于顺序凝固，防止缩孔和缩松； 铸件质量和精度高； 无冒口，材料利用率高 适用于各种铸型 低压铸造的适用范围 主要用于铸造质量要求较高的铝合金和镁合金铸件。,铸造新工艺、新技术简介,陶瓷型铸造 消失模铸造（EPCExpendable Pattern casting） 真空吸铸 连续铸造 磁型铸造,陶瓷型铸造 利用质地较纯、热稳定性较高的耐火陶瓷材料作造型材 料，与硅酸乙酯水溶液混合后制成浆料，经灌浆、结胶、起 模、焙烧等工序而制成的。 特点 铸件表面光洁，尺寸精确， 设备投资少，准备周期短，对铸件大小无限制。 铸型材料价格昂贵，不适宜大批量生产。 应用 广泛用于冲模、锻模、压铸型、模板、热芯盒等铸件。,消失模铸造“21世纪的铸造技术” （Evaporative Pattern Casting 简称EPC） 将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在不含水分、粘结剂及其它附加物的石英砂中，经振动紧实造型，在铸型保持一定负压的条件下浇