第四章凝固成形技术课件.ppt

《第四章凝固成形技术课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四章凝固成形技术课件.ppt（216页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第二篇 材料的成形与加工,金属的液态成形与半固态成形技术 金属塑性加工 粉末材料的成形与固结 高分子材料成形与加工 材料的连接,材料的成形与加工,金属的液态成形 与半固态成形技术,第 四 章,液态成形概述 液态成形工艺基础 凝固成形的方法 半固态成形 快速凝固成形,第四章 金属的液态成形与半固态成形技术,【重点】影响合金流动性和收缩性的因素；缩孔和缩松的产生原因及防止措施；【目标要求】掌握合金的铸造性能及其对铸件质量的影响；掌握防止缩孔和缩松的措施；掌握铸造应力和变形的危害及产生原因；掌握凝固成形基本方法的特点及适用范围。,第四章 金属的液态成形与半固态成形技术,第一节 金属的液态成形概述,液

2、态成形又称“凝固成形”、“铸造”。液态成形-将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经凝固冷却后便形成所需要的零件的技术。,铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为 1）普通砂型铸造（包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型）三类 2）特种铸造：特种铸造按造型材料的不同，又可分为两大类：（1）以天然矿产砂石作为主要造型材料：如熔模铸造、壳型铸 造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等；（2）以金属作为主要铸型材料：如金属型铸造、离心铸造、压 力铸造、低压铸造等。,铸造分类,铸造工艺可分为三个基本部分:铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。1）铸造

3、金属准备：铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金。金属熔炼不仅仅是单纯的熔化，还包括冶炼过程，使浇进铸型的金属，在温度、化学成分和纯净度方面都符合预期要求。,铸造工艺的组成,2）铸型准备：不同的铸造方法有不同的铸型准备内容。砂型铸造，铸型准备包括造型材料准备和造型造芯两大项工作。造型材料：砂型铸造中用来造型造芯的各种原材料，如铸造砂、型砂粘结剂和其他辅料，以及由它们配制成的型砂、芯砂、涂料等统称为造型材料。造型造芯是根据铸造工艺要求，在确定好造型方法，准备好造型材料的

4、基础上进行的。铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。3）铸件处理：铸件自浇注冷却的铸型中取出后，有浇口、冒口及金属毛刺披缝，砂型铸造的铸件还粘附着砂子，因此必须经过清理工序。进行这种工作的设备有抛丸机、浇冒口切割机等。有些铸件因特殊要求，还要后处理：热处理、整形、防锈、粗加工等。,1）优点：（1）可以生产形状复杂的零件，尤其复杂内腔的毛坯；（2）工艺灵活性大，适应性广，工业常用的金属材料均可铸造。几克几百吨，壁厚0.3mm1m；（3）铸造成本较低：原材料来源广泛，价格低廉；（4）铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量，属少无切削加工。2）缺点:（1）力学性能较差(组织疏松、

5、晶粒粗大，缩孔、缩松、孔缺陷)；（2）铸件工序多，质量不稳定；（3）砂型铸造中，单件、小批，工人劳动强度大。,铸造的特点及应用,3）应用 内燃机关键零件，铸件重量占8090；汽车中铸件占19（轿车）、23（卡车）；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中，铸件重量占6580。,铸造的特点及应用,【教学内容】液态金属的结构与性质；液固特征差别；铸件的凝固；液态成形性能：合金的充型能力、收缩性及影响的因素；合金铸造性能的概念；铸造性能对铸件质量的影响（产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹、气孔、夹杂等缺陷）及如何应对。,第二节 液态成形工艺基础,第二节 液态成形工艺基础,【教学目标】掌握合金的铸造性能及其

6、对铸件质量的影响；掌握防止缩孔和缩松的措施；掌握铸造应力和变形的产生原因、危害及减小和消除的措施。,实验表明，金属的熔化是从晶界开始的，是原子间结合的局部破坏。液态金属的结构：,一、液态金属的结构与性质,l）液态金属是由游动的原子团构成。原子团呈近程有序状态。2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏。3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为结构起伏。4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。金属由液态转变为固态的凝固

7、过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程.,液态金属的结构特征,液态金属的性质：具有粘度和表面张力等特性。粘度是介质中一部分质点对另一部分质点作相对运动时所受到的阻力。表面张力是在液体表面上平行于表面方向、且在各方向均相等的张力。,一、液态金属的结构与性质,体积改变：材料由液态转变成固态后，体积一般将缩小3%5%，原子平均间距减小1%1.7%。外形改变：外形保持液固转变前的容器形状。产生凝固潜热：熵值改变：熵值减小，说明固体结构比液体更“整齐”。结构改变：由液相的“近程有序”变为固体的“远程有序”。发生溶质再分配：凝固的具体条件不同，溶质再分配的规律亦不同。,二、液固特征差别

8、,亚共晶灰铸铁冷却曲线,微元体凝固过程的溶质再分配现象,三、铸件的凝固,凝固:物质由液态转变为固态的过程称为凝固。铸造的实质就是液态金属逐步冷却凝固而成形。,（一）铸件的凝固组织,铸件的宏观组织指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况；铸件的微观组织的概念包括晶粒内部的亚结构的形状、大小和相对分布，以及各种缺陷等。铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、理化性能影响很大。,一般可能存在有三个不同的晶区：表面细晶粒区，它是紧靠型壁的一个外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成；柱状晶区，由自外向内沿着热流方向彼此排列的柱状晶所组成；内部等轴晶区，由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。,铸件宏观组织,铸件可能

9、有的几种组织a)除激冷区外全为柱状晶 b)部分柱状晶部分等轴晶 c)全部等轴晶,铸件宏观组织,铸锭三个晶区形成的基本过程：表面细晶粒区:柱状晶区:内部等轴晶区:铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响(1)表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。铸件的质量与性能主要取决于柱状晶区与等轴晶区的比例以及晶粒的大小。,铸件宏观组织,生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体，将导致铸件热裂。柱状晶的晶界平行排列，

10、有益于提高高温下工作零件的蠕变抗力；还能使磁性材料的性能大为提高；特别可以使航空发动机叶片的寿命和性能大幅度提高。获得柱状晶的理想途径是定向凝固技术。,（1）柱状晶,晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。若进一步加以细化，则能克服等轴枝晶分枝发达，显微缩松多的缺点，可进一步提高综合性能。因此，等轴晶是生产中(对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属）优选的宏观组织形态。,（2）等轴晶,强化非自发形核，促进晶粒游离，抑制柱状晶区的形成和发展。工艺上能采取的工艺措施有下列几条：适当降低浇注温度：合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用：孕育处理:动态晶

11、粒细化：在合金凝固初期，直接对合金液施以振动、搅拌或旋转，都可以在液相中产生大量的游离晶体，细化等轴晶。,（3）等轴晶组织的获得和细化,合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用 a)砂型 b)金属型”,1、原始炉料 合金原材料的原始状态对合金熔体及最终产品的微观组织有着特殊的遗传效应。2、孕育处理 向液态合金中添加少量物质，以达到细化晶粒，改善组织的一种常用方法。向铸铁液中加添加剂的方法，称为孕育处理；向有色合金中加添加剂的方法叫变质处理。,（二）影响铸件凝固组织和质量的因素,3、铸件的温度场 铸件的温度场：合金液充满型腔后，在凝固和冷却的某瞬间，铸件横断面上的温度分布曲线称为铸件的温度场。温度梯

12、度：温度场的变化速率称温度梯度，即铸件的冷却速率。冷却速度越大，金属液的过冷度越大，产生的晶核数目越多，则晶粒越细。,（二）影响铸件凝固组织和质量的因素,4、铸件的凝固区域 铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个区域：液相区、凝固区(固液两相区)和固相区。三个区域中，固液两相区的性质与凝固件最终的健全性关系最为密切。,（二）影响铸件凝固组织和质量的因素,金属或合金凝固分区示意,1）凝固动态曲线的绘制 在凝固件横断面处设置温度传感元件-热电偶，以测量冷却曲线，即温度-时间曲线。根据不同断面的冷却曲线，结合该合金的相图，便可以绘出凝固件断面液相线-固相线与凝固时间的关系凝

13、固动态曲线。由凝固件断面的凝固动态曲线，可以看出合金在凝固件中的凝固方式。表示凝固时的固相边界的曲线，叫“凝固终点波”；表示凝固时的液相边界的曲线，叫“凝固始点波”。,5、凝固动态曲线与凝固方式,工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线,在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的。三种凝固方式：逐层凝固：糊状凝固：中间凝固：,2）凝固方式,凝固动态曲线中，固液相线间距很窄，凝固的自始至终，仅有很薄一层的两相共存区，凝固壳由表面至中心逐渐加厚，这种凝固方式就是逐层凝固；纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，

14、所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。,2）凝固方式-逐层凝固,凝固动态曲线中，固液相线的间距很宽，在很长一段凝固时间内，固液共存的两相凝固区几乎贯穿于整个铸件的断面，这种凝固方式被称为糊状凝固。,2）凝固方式-糊状凝固,大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。,2）凝固方式-中间凝固,凝固方式一般由合金固液相线温度间隔和凝固件断面温度梯度两个因素决定。（1）合金固液相线温度间隔范围 凝固温度间隔大的合金，倾向于糊状凝固；范围小,凝固区窄,愈倾向于逐层凝固。（2）温度梯度 当合金成分确定后，温度梯度则成为主要因素。梯度很大的温度场可以使宽结晶温度范围的合金成为中

15、间凝固方式，甚至成为逐层凝固方式；梯度很小的温度场可以使窄结晶温度范围的合金成为糊状凝固方式。影响温度梯度的因素：a.铸型条件 b.合金热导率 c.合金本身的凝固温度,3）凝固方式的影响因素,铸型条件对温度梯度的影响,合金固液相线温度间隔对凝固方式的影响,合金的热导率对温度梯度的影响,合金凝固温度对温度梯度的影响,四、合金液态成形性能,铸件在液态成形过程中将经历金属液的充填、凝固、收缩、吸气、偏析和形成非金属夹杂物等一系列过程，这些过程将极大地影响铸件质量和铸造工艺。,合金铸造性能的概念,合金铸造性能：合金在铸造成形的整个工艺过程中，容易获得外形正确、内部健全铸件的能力，称为铸造性能。,优质铸

16、件：1)轮廓清晰、尺寸准确、表面光洁。能生产出近于终形铸件是现代铸造要达到的目标。2)质地致密，无铸造缺陷。,合金的铸造性能通常用充型能力、流动性、收缩性等来衡量。,液态合金的充型能力：液态金属充满型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。,1、合金的充型能力,充型能力不足:易产生浇不足、冷隔等，不能得到完整的零件。,液态金属的充型能力，首先取决于液态金属本身的流动能力，即熔融金属的流动性，同时又受外界条件，如铸型条件、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。这些因素通过两个途径发生作用：金属与铸型之间的热交换条件，流动时间；金属液在铸型中的水动力学条件，流动速度。,影响充型能力的

17、因素,（1）内在因素合金的流动性 合金的流动性是指合金本身的流动能力，是影响合金充型能力的内在因素，它主要与合金本身的成分，温度和物理性质有关。合金的流动性是金属的铸造性能之一。,影响充型能力的因素,流动性用金属液在流动性试样铸型内流动的最大长度(Lf)来表示。测定流动性的方法：铸造合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。合金的化学成分是影响合金流动性的主要因素：恒温下结晶的纯金属和共晶合金具有逐层凝固方式，流动性好；宽结晶温度范围的合金呈糊状凝固方式，流动性差。合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响,影响充型能力的因素,常用铸造合金的流动性,铸型条件、

18、浇注条件和铸件结构等因素对合金的充型能力有重要影响。铸型条件：铸型导热能力:导热 金属降温快，充。铸型温度:t，充。铸型中气体:排气能力，充。减少气体来源,提高透气性；少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.,（2）影响充型能力的外界因素,浇注条件：浇注温度:t,充型能力。但过高，缩孔，粘砂，气孔等。充型压力:在流动方向上所受的压力，充型能力 铸件结构条件：铸型结构若不合理，充。铸件模数（折算厚度）-铸件的体积和散热表面积之比。设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。,（2）影响充型能力的外界因素,为了提高合金的充型能力，（内在因素）应尽量选用共晶成分合金

19、，或结晶温度范围小的合金；应尽量提高金属液的质量，金属液愈纯，则所含气体、杂质愈少，充型能力愈好。但在许多情况下，合金成分是确定的，如对上述因素（外在条件）能加以控制或改变，则可提高合金的充型能力。充型能力可以认为是考虑铸型及其他工艺因素影响的液态合金的流动性。,1、合金的充型能力,1）收缩：铸件在凝固和冷却到室温过程中，其体积和尺寸都将减少，这种现象被称收缩。2）合金收缩的三个阶段：液态收缩、凝固收缩、固态收缩 液态收缩液态合金从浇注温度降低到凝固开始的温度时，所发生的体积收缩。液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比。合金的液态收缩主要表现为液面的降低。为减小合金液态收缩及

20、氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度一般控制在高于液相线温度50150。,2、合金的收缩,1）收缩：铸件在凝固和冷却到室温过程中，其体积和尺寸都将减少，这种现象被称收缩。2）合金收缩的三个阶段：液态收缩、凝固收缩、固态收缩,2、合金的收缩,液态收缩液态合金从浇注温度降低到凝固开始的温度时，所发生的体积收缩。液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比。合金的液态收缩主要表现为液面的降低。为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度一般控制在高于液相线温度50150。,2、合金的收缩-液态收缩,凝固收缩指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。纯金属和共晶合金等的结晶温度为一

21、定值，凝固收缩只由液、固状态改变引起。大多数合金，都具有一定的结晶温度范围，使得凝固收缩由状态改变和温度下降两部分引起，结晶温度范围越大，则凝固收缩率越大。固态收缩指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩。固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，通常用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大。合金的总体积收缩为液态收缩，凝固收缩和固态收缩三个阶段收缩之和，它和金属本身的成分、温度以及冷却凝固过程中的组织转变有关。,2、合金的收缩,3）合金的收缩对铸件的质量影响 液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，液态收缩一般表现为铸型内液面的降低。凝固收缩如果没有外来金属液的补充，则在铸件内形成缩孔和缩松，

22、是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因；而固态收缩则是铸件产生铸造应力，变形，裂纹的主要原因。它对铸件形状和尺寸精度影响很大。,2、合金的收缩,4）合金的收缩量的计算合金的收缩量可以用体收缩率和线收缩率来表示。它们分别定义为：体收缩率 线收缩率V0,V1是合金在温度为T0，T1时的体积，l0，l1是合金在温度为T0，T1时的长度，v，1是合金在(T0 T1)温度范围的体收缩系数和线收缩系数。合金的体收缩系数和线收缩系数之间存在v=31,v=3l的关系。,2、合金的收缩,注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。,3.34.2,0

23、.1,3.6,1400,3.50,灰口铸铁,5.46.3,4.2,2.4,1400,3.00,白口铸铁,7.86,3.0,1.6,1610,0.35,碳钢,固态收缩（）,凝固收缩（）,液态收缩（）,浇注温度（）,碳含量（）,合 金 种 类,表 典型合金的收缩率V,2、合金的收缩,5）影响铸件收缩的因素铸件的实际收缩不仅与合金本身的收缩性能有关，还与浇注条件、铸型条件和铸件结构等因素有关。化学成分:铸铁中促进石墨形成的元素增加，收缩减少浇注温度:温度 液态收缩 铸件结构与铸型条件 铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍，实际收缩小于自由收缩。,2、合金的收缩,体积大而集中的孔洞称为缩孔；细小而分散

24、的孔洞称为缩松。（1）缩孔 形成：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充 逐层凝固 通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位集中缩孔。缩孔产生的部位在铸件的最后凝固区域，如壁的上部或中心处。,6）缩孔和缩松,“缩孔形成过程”,热节-是铸件上凝固较慢的节点或区域。（铸件两壁相交处因金属积聚凝固较晚，也易产生缩孔，此处称为热节。）生产中常用画凝固等温线和画内切圆的方法来近似确定缩孔位置。,6）缩孔和缩松,用凝固等温线确定缩孔位置的示意图,内切圆法确定缩孔位置,（2）缩松：糊状凝固糊状区、液固共存液体流动困难晶间树枝间得不到补充 分散的小缩孔,6）缩孔和缩松,缩松形成过程的示意,（3）危害：受力有

25、效F，应力集中，强度，气密性、耐蚀性、铸造裂纹（4）缩孔、缩松的控制 收缩必然性缩孔或缩松取决于凝固方式（层、糊）影响凝固方式因素：成分、温度梯度,2、收缩,6）缩孔和缩松,防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则：针对合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并通过控制铸件的凝固过程使之符合顺序凝固原则，并在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔移至冒口中，就可以获得合格的铸件。,实现顺序凝固，合理应用冒口、冷铁等工艺措施补缩。顺序凝固原则 在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒

26、口的方向顺序地凝固。顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件。冒口：是铸型内用以储存金属液的空腔。冷铁：用铸铁、钢和铜等金属材料制成的激冷物称冷铁。,防止缩孔及缩松的主要工艺措施,使铸件实现同时凝固同时凝固原则 即采用相应工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。同时凝固适用于各种合金的薄壁铸件。合理确定内浇口位置及浇注工艺。,防止缩孔及缩松的主要工艺措施,1）铸造应力 铸造应力：铸件在凝固、冷却过程中，由于各部分体积变化不一致、彼此制约而引起的应力称为铸造应力。临时应力（瞬时内应力）：铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则

27、为残留应力。残留应力（残余内应力）：加工结束后最终存在于材料内部的应力。铸造应力是导致铸件变形和裂纹的主要原因。,3、合金的铸造应力、变形和裂纹,根据铸造应力产生的机理，可分成热应力，相变应力和机械阻碍应力。热应力由于铸件上壁厚不均匀的各部位冷却速度和线收缩量不均衡，相互阻碍收缩而引起的应力。热应力的形成 热应力分布规律：热应力是一种残留应力，其分布规律一般是厚壁或冷却慢的部分产生拉应力，薄壁或冷却快的部分形成压应力。,3、合金的铸造应力、变形和裂纹,框形铸件热应力形成过程,铸件热应力由下式计算：,a.应力与材料的E、L、铸件壁厚差和温度差有关。b.热应力在铸件冷却至室温后仍残留在铸件内的不同

28、部位，是一种残留应力，c.热应力分布规律:一般是厚壁或冷却慢的部分产生拉应力，薄壁或冷却快的部分形成压应力。,相变应力具有固态相变的合金铸件，冷却过程中各部分发生相变的时间不一致，以及相变时的体积变化，导致各部分的体积和长度变化时间也不一致，由此引起的应力。机械阻碍应力铸件收缩时，受铸件浇注系统，冒口和本身的机械阻碍而产生的应力。铸造应力是热应力、相变应力和机械应力等的代数和。影响：铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降低。当铸造应力值超过合金的屈服强度时，铸件将发生塑性变形；当铸造应力值超过合金的抗拉强度时，铸件将产生冷裂纹。,1）铸造应力,主要途径是：针对铸件的结构特点，在制定铸造工艺时采用

29、同时凝固原则（减小热应力），提高铸型和型芯的退让性，减小机械阻碍。具体措施：（1）按同时凝固原则设计铸造工艺；（2）在造型工艺上采取改善铸型、型芯退让性，合理设置浇、冒口系统等措施；（3）铸件上避免有牵制收缩的结构，应使壁厚均匀，两壁连接处热节小而分散；（4）时效处理（人工、自然、共振）。（5）在零件满足工作条件的前提下，选择弹性模量和收缩系数小的合金材料。,减小和消除铸造应力的方法,2）变形,变形的主要原因：残留应力的存在和铸件的应力松弛特性(应力随时间而逐渐减小的现象)。铸件各部分的应力松弛程度不同，表现为不均匀的塑性变形，因而造成铸件翘曲。变形的规律：铸件总是趋向减少残余应力而发生变形。

30、热应力使铸件的厚部或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率越高，弹性模量越大，热应力越大。厚壁部分表面内凹，薄壁部分表面外凸；对于壁厚均匀的各种铸件，则散热慢的表面内凹，散热快的表面外凸。,按同时凝固原则设计铸造工艺，使铸件冷却均匀，尽量减少铸造残余应力；在造型工艺上采取改善铸型、型芯退让性，合理设置浇、冒口系统等措施；去应力退火，即人工时效；改进铸件结构，如采用对称截面、空心截面是提高铸件刚度的主要途径，可以有效地减小变形。采取反变形措施等。即在模样上做出与挠曲量相等，但方向相反的预变形量，以抵铸件的变形。,防止或减少铸件变形的措施,3）裂纹,当瞬时铸造应力超过金属

31、的强度极限时，铸件便形成裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂两种。（1）热裂 热裂是在凝固末期高温下形成的裂纹。特征：裂纹短、缝宽、其裂口表面呈氧化色。多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，形状曲折。灰铁、球铁热裂少，铸钢、铸铝、白口铁大。,（1）热裂,原因:a.凝固末期、合金呈完整骨架+液体，强、塑 b.含S热脆 c.退让性不好 防止热裂的措施 a.改进铸件结构；b.改善退让性，防止铸造应力；c.控制含S量 等。,（1）热裂,冷裂是铸件在较低温度下形成的裂纹。特征：裂口具有金属光泽或呈微氧化色，常穿过晶粒发展，外形规则呈圆滑曲线或直线状。冷裂往往出现在铸件受拉应力(特

32、别是应力集中)的部位以及脆性大、塑性差的合金以及某些合金钢，大型复杂铸件。防止冷裂的方法：1)严格控制合金的熔炼工艺，尽量降低磷及夹杂物含量；2)改进铸造工艺和铸件结构，尽量减小铸件应力。,(2）冷裂,4、合金的偏析,偏析金属凝固过程中发生化学成分不均匀的现象。它影响铸件的性能和质量，进而影响其寿命和工作效果，必须减少和防止。分类：根据偏析区域位置和大小不同，可将偏析分成微观偏析和宏观偏析两种。,微观偏析树枝晶或胞状晶心部与晶间(一个晶粒范围)成分的差异。根据偏析区域位置不同分：晶内偏析、晶界偏析。,1）微观偏析,晶内偏析：一个晶粒内出现的成分不均匀的现象。原因：较快冷却原子扩散不充分（成分不

33、均）固溶体合金按树枝晶方式生长时，晶轴与分枝及枝间区树枝状晶体内部成分的不均匀。枝晶偏析；对于溶质分配系数K01的固溶体合金，晶粒内先结晶的部分含溶质较少，后多，成分的不均匀，晶内偏析。可用电子探针微区成分测定的方法来确定。,（1）晶内偏析,晶界偏析在合金的凝固中，溶质元素和非金属夹杂物常富集于晶界，使晶界与晶内的化学成分出现差异的化学成分不均匀现象。晶界偏析的产生一般有两种情况：当晶界与晶体生长方向平行时当两个晶粒相对生长时,（2）晶界偏析,晶界与晶体生长方向平行,界面相对生长,1）微观偏析,微观偏析影响：晶界偏析比晶内偏析更严重，甚至产生新相，机械性能 特别是 与 k；热裂性；耐蚀性消除措

34、施：溶质充分扩散，均匀化退火或扩散退火,宏观偏析通常指整个铸锭或铸件在大于晶粒尺度大范围内产生的成分不均匀现象。原因：液相在枝晶间和枝晶外的流动，及游离或熔断固相的沉浮引起。宏观偏析可分为 正常偏析；逆偏析；密度偏析等。,2）宏观偏析,（1）正常偏析 当铸锭或铸件为凝固区域很窄的单方向结晶时，常常形成单向的柱状晶，此时枝晶间液相流动的影响降为次要地位，宏观偏析主要由溶质再分配引起。对于k01的合金，先凝固区域的溶质含量低于后凝固区域，与正常溶质再分配规律一致，故被称为正常偏析。,2）宏观偏析,对k01的合金，虽然凝固仍由外层逐渐向内进行，但在外层的一定范围内溶质含量分布由外向内逐渐降低，恰好与

35、正常偏析相反，故称之为逆偏析。凝固区域内液相在枝晶间的流动与逆偏析产生有关。Cu-Sn合金和Al-Cu合金是经常产生逆偏析的典型合金。影响：铸件产生逆偏析将使力学性能，耐压性能和切削性能变坏。措施：增大凝固时温度梯度，向合金中添加晶粒细化剂，减少凝固压力及合金的含气量，均有利于抑制枝晶液相流动，从而减少逆偏析。,（2）逆偏析,Al-WCu=4.7%Cu合金逆偏析,（3）密度偏析（重力偏析、比重偏析）由于重力作用而产生的化学成分不均匀，例：过共晶铸铁，石墨上浮；Cu-Pb合金(Cu 密度为8.24g/cm3,Pb密度为10.04g/cm3)，上部含Cu多，下部含Pb多。,2）宏观偏析,（3）密度

36、偏析,气孔是铸件中最常见的一种缺陷。气体元素在金属中主要有三种存在形态：固溶体、化合物和气态。存在于铸造合金中的气体主要是氢、氧、氮。气体来源：这些气体主要来自冶炼用炉料所带的锈、油和水分及在高温下分解、燃烧的铸型中的水分、有机物。液态金属的吸气过程：气体分子撞击金属表面，某些气体分子离解为原子，并吸附在金属表面上，经扩散进入金属内部，最后，已溶解的气体原子在金属内均匀化。金属温度越高，气体与金属接触的时间越长，吸收的气体就越多。液态金属中的气体，如果来不及排出就会形成气孔缺陷。,5、铸件中的气孔,气孔对铸件质量的影响（1）破坏金属连续性；（2）较少承载有效面积；（3）气孔附近易产生局部应力集

37、中，成为零件断裂裂纹源，机械性能，k、b；（4）弥散孔,气密性。气孔分类：按气体来源，可分为侵入性气体、析出性气孔 及反应性气孔三类。,5、铸件中的气孔,侵入性气体砂型和砂芯在浇注时产生的气体侵入金属液内所形成的气孔叫做侵入性气孔。气体来源：主要来源于金属液热作用下型壁材料生成的气体。造型材料主要发气物质:水、脲醛树脂、糖浆、沥青等。特征：数量少，体积大，多出现在铸件浇注位置的上表面附近，呈梨形、椭圆形或扁圆形的内表面被氧化。防止措施：减少型砂的水分、砂芯的发气量；增加砂型、砂芯的通气能力；适当提高浇注温度等。,(1)侵入性气体,析出性气孔 金属液高温熔炼时能溶解大量气体，在凝固过程中气体因溶

38、解度急剧下降而析出，部分留在铸件内形成的气孔，叫做析出性气孔。特征：在铸件断面上大面积均匀分布，呈团球状、多角状或断续裂纹状，气孔尺寸甚小，影响气密性。原因：金属熔化和浇注中与气体接触(H2、O2、NO、CO等)。析出性气孔主要是氢气孔，其次是氮气孔。析出性气孔在铝合金铸件中最常见，其次是铸钢件，铸铁件有时也有。防止产生析出性气孔的途径：减少金属液原始含气量，降低铸型水分，熔炼中应进行出气处理;阻止气体析出，提高冷却速度，在压力下凝固等。,（2）析出性气孔,反应性气孔：金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间发生化学反应而产生的气孔，叫做反应性气孔。特征：这类气孔通常分布在铸件皮下13mm处，

39、表面经过加工或清理后就暴露出来，又称皮下气孔。防止反应性气孔的途径：降低金属液的含气量，严格控制合金中氧化性较强元素的含量;严格控制铸型的水分，提高其透气性，冷铁、型芯撑表面不得有锈蚀、油污,要干燥等。,(3)反应性气孔,防止气孔的主要途径有：1)减少金属液的原始含气量。2)熔炼时使金属液与空气隔离。3)对金属液进行除气处理。4)提高铸件冷却速度或提高金属凝固时的外压，能够阻止气体析出，使气体固溶于金属内部。,5、铸件中的气孔,非金属夹杂物主要有：简单氧化物(FeO、A12O3等)、复杂氧化物(FeOA12O3等)、硅酸盐、硫化物、氮化物等五类。非金属夹杂物对铸件质量的影响：材料的疲劳强度降低

40、，冲击韧性明显下降；降低合金的铸造性能；产生热裂纹；形成缩孔。,6、铸件中的非金属夹杂物,排除和减少夹杂物工艺措施：严格控制易氧化元素的含量；向金属液加人熔剂以吸收或捕捉夹杂物；采用真空或在保护气氛下熔炼和浇注；避免金属液在浇注和充型时发生飞溅或涡流，尽可能地保证充型平稳；金属液通过过滤器，再注入型腔；为减小铸型中的氧化气氛，除严格控制铸型水分外，还可在型砂中添加附加物。,6、铸件中的非金属夹杂物,第二节 凝固成形的方法,液态成形的根本是将液态金属充填到与欲形成零件的形状和尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所需形状的零件或零件的毛坯。各种液态成形方法的基本原理都是一样的，其区别主要在

41、于铸型种类、浇注方式、凝固方式等不同。常用的方法有：砂型铸造、熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等。,砂型铸造 熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 消失模铸造 对各种凝固成形方法的评价,第二节 凝固成形的方法,砂型铸造是用型(芯)砂制作铸型的一种最常用的方法。砂型铸造是传统的、也是目前使用最普遍的凝固成形方法。目前铸造生产中有80%90%的铸件都是砂型铸造的。砂型铸造是其它一切铸造方法的基础。,一、砂型铸造,图4.2.1 支座的零件、模型及合箱的示意图,砂型铸造的工艺过程,造型材料的原材料组成包括原砂、粘结剂、硬化剂、附加物等。型砂：常用的粘结剂有粘土(水)、水

42、玻璃、植物油及树脂等，当这些粘结剂与原砂混合则称为型砂。,1）造型和制芯材料,型砂的性能主要有强度、透气性、耐火度、退让性等。砂芯处于金属液体的包围之中，其工作条件较型砂更恶劣，因此对芯砂的性能要求比型砂高。根据粘结剂的种类不同，型砂可细分为粘土型砂、水玻璃型砂、有机粘结剂砂等。,1）造型和制芯材料,粘土型砂是由原砂、粘土、附加物及水按一定比例配制而成的。砂粒是型砂耐高温的骨干耐火材料，粘土和水形成胶体以薄膜形式覆盖在砂粒表面把松散的砂粒联结起来，使型砂具有强度性能等。附加物如煤粉、木屑等用来改善型砂的某些性能。应用广泛:a.不受铸件大小、重量、尺寸、批量影响；b.铸钢、铸铁、铜、铝合金等均可

43、铸；c.手工、机器造型均可；d.粘土来源广、价低。,（1）粘土型砂,水玻璃砂是用水玻璃作粘结剂的型（芯）砂，它的硬化过程主要是化学反应的结果，并可采用多种方法使之自行硬化，也称化学硬化砂。与粘土砂相比，它有许多优点：a.型砂流动性好，易于紧实，劳动强度低；b.可简化造型（芯）工艺，缩短生产周期，提高生产率；c.可在铸型（芯）硬化后再起模及拆除芯盒，因此能得到尺寸精度高的铸型（芯）；d.铸件缺陷少，内在质量高，车间的生产环境较好。但是水玻璃砂出砂性较差，旧砂回用较复杂。目前国内用于生产的化学硬化砂有：二氧化碳硬化水玻璃砂、硅酸二钙水玻璃砂、水玻璃石灰石砂等。,（2）水玻璃砂,应用：有机粘结剂砂主

44、要用于制作砂芯。特点：与粘土砂芯和水玻璃砂芯比较，它们的出砂性好，干强度高，表面质量好。按粘结剂种类可分为植物油砂、合脂砂和树脂砂。树脂砂：根据制芯工艺及硬化方法不同，树脂砂可分为壳芯法树脂砂、热芯盒法树脂砂和冷芯盒法树脂砂。,（3）有机粘结剂砂,1）适用面最广的一种凝固成形方法，几乎适用于所有不同大小、结构的零部件生产。2）从铸型的制造方法来分，砂型(芯)制造可分为手工造型(芯)和机器造型(芯)两大类。（1）手工造型 指用手工或手动工具完成造型各工序的方法。特点：操作灵活，工艺装备(模样和砂箱等)简单，生产准备时间短，适应性强，可用于各种大小、形状的铸件。但是，手工造型对工人的技术水平要求较

45、高，生产率低，劳动强度大，铸件质量不稳定。主要用于单件、小批生产。,2、砂型铸造的特点,（2）机器造型 指用机器完成填砂、紧实、起模等操作的造型方法。特点：生产率高，砂型紧实度高而均匀，型腔轮廓清晰，铸件表面光洁、尺寸精度高；但设备和工艺装备费用高，生产准备时间长。仅适用于中、小型铸件的成批或大量生产。3）从凝固的角度看，铸件内部晶粒粗大，易于产生组织及成分的偏析等，降低了材料的力学性能及性能的均一性。另一方面，铸件的表面粗糙度Ra较其它凝固成形方法高，约在12.5400m范围内。,2、砂型铸造的特点,特种铸造,为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸

46、造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。,熔模铸造用易熔材料制造模样，表面包覆若干层耐火涂料，经硬化后，制成型壳，熔出模样，从而获得无分型面的空心型壳，型壳经高温焙烧，浇注合金液而获得铸件的铸造方法。由于熔模广泛采用蜡质材料来制造，故又常把它称为“失蜡铸造”。1、熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程包括：熔模制造、结壳、脱蜡、焙烧、浇注等。,二、熔模铸造,1)熔模组的制造 熔模材料有两种：一种是常用的蜡基模料(由50石蜡和50硬脂酸组成)；一种是树脂(松香)基模料，主要用于高精度铸件 压型：制蜡模的专用模具，一般用钢、铜或铝经切削加工制成，主要用于大批量生产。小批量生产

47、，则可采用易熔合金、塑料或石膏直接向模样（母模）上浇注而成。蜡模的压制：蜡模组装：实现一箱多铸。,1、熔模铸造的工艺过程,2)型壳的制造-熔模铸造的关键环节。结壳要经过浸涂料、撒砂、硬化、干燥等工序。浸耐火涂料：一般铸件用石英粉+粘结剂的糊状物水玻璃涂料，高合金钢件用钢玉粉硅酸乙酯水解液涂料，表面光洁；撒砂：细石英砂，目的:增厚型壳 硬化 3）脱蜡和焙烧脱蜡，常用脱去蜡模的方法有热水法和高压蒸气法，前者适于一般铸件，后者适于质量要求高的复杂铸件。焙烧：为进一步去除型壳中的水分、残余蜡料和其它杂质，增加型壳的强度，必须将型壳送入加热炉内，在800950温度下进行焙烧，保温一段时间，型壳强度增加，

48、内腔更为干净。,4）填砂、浇注填砂：型壳放入铁箱中,周围干砂充填 浇注：趁热(600700)进行浇注浇注5）落砂和清理冷却后，破坏型壳，取出铸件；切割浇冒口；去毛刺；退火或正火，以便得到所需机械性能。,1、熔模铸造的工艺过程,主要特点：(1)铸件的精度和表面质量高 CT4CT6，Ra3.212.5m。(2)适用于各种合金铸件，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢。(3)使用易熔模，型壳无分型面，型壳对模样复印性好；金属液充型性好。故可制造形状较复杂的铸件，最小直径为0.5mm，最小壁厚可达O.3mm。(4)单件,小批,大批量生产均可(5)少、无切削加工，稍磨(6)主要问题是工艺过程较复杂，生产周

49、期长，铸件成本高。此外，难以实现机械化和自动化生产；力学性能较低；不能做大型件，最适于从几克到十几千克的小铸件，一般不超过25kg。,2、熔模铸造的特点和适用范围,应用:使用高熔点合金精密铸件的成批，大量生产，形状复杂，难以切削加工的小零件。如：汽轮机叶片，工艺品等。熔模铸造还适于将数个零件装配而成的组件改为整铸件一次制出。,2、熔模铸造的特点和适用范围,金属型铸造是用自由（重力）浇注的方法将熔融金属浇入由铸铁或钢制造的铸型，以获得铸件的一种凝固成形方法。因铸型（金属型）可以反复使用，故又称其为“永久型铸造”或硬模铸造。,三、金属型铸造,1、金属型 金属型的材料：一般采用铸铁，要求较高时可选用

50、碳钢或低合金钢。铸件的内腔：可用金属型芯或砂芯形成，有抽芯（推杆）机构。薄壁复杂件或铸铁、铸钢件多采用砂芯，而形状简单件或有色金属件多采用金属型芯。金属型的结构：整体式 水平分型式 垂直分型式:便于开设浇口和取出铸件,也易于实现机械化生产，应 用最广 复合分型式：这种形式广泛应用于复杂的铝合金铸件的生产。,三、金属型铸造,工艺特点：金属型的导热性好，使金属液冷却过快，充型能力差；没有退让性、透气性。1)金属型应保持一定的工作温度 具有良好的充型条件和可以减缓铸型对金属液的一定的激冷作用(1)喷刷涂料前金属型预热 保证涂料层致密,均匀，(2)浇注前金属型预热 预热温度一般不低于150。,2、金属