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1、材料成形工艺基础,任教：李卫珍 666001办公室：B6-301,第一章 液态成形理论基础,2 常用铸造合金,3 铸造方法及其发展,4 铸件结构与工艺设计,1 液态金属的凝固,1 液态成形理论基础,一、液态金属的凝固,金属由液态转化为固态的过程（结晶）包括形核和晶体长大两个基本过程（结晶过程AVI),1、金属凝固的概念,凝固组织：晶粒形态、大小、分布（宏观）晶粒内部结构的形态、大小、分布（微观）影响因素：炉料、铸件冷却速度、生产工艺,2、铸件的凝固方式,（1）逐层凝固,只发生在纯金属或共晶成分合金,（2）糊状凝固,发生在结晶温度范围很宽的合金,（3）中间凝固,铸件的凝固一般存在3个区：固相、凝
2、固、液相；凝固区的宽度S决定了凝固方式。,3、影响铸件凝固方式的主要因素：,宽,窄,逐层凝固,糊状凝固,（1）合金的结晶温度范围,（2）铸件的温度梯度（陡平程度）,T,逐层凝固,糊状凝固,T,T,铸件的温度梯度主要取决于：1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。2）铸型的蓄热能力好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等
3、，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。,二、液态合金的铸造性能,充型能力：液态合金充满铸型型腔的能力,铸造性能：是指铸造过程中，获得形状完全、内部质量良好的铸件的能力。主要包括：流动性、收缩性、吸气性,1、合金的充型能力,液态材料成形技术通常称之为铸造，它是指熔炼金属，制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成形方法。,影响合金充型能力的主要因素,（1）合金的流动性（液态合金本身的流动能力）显然，流动性好，充型能力高,影响流动性的主要因素：合金的种类、合金的成分、杂质等,1）合金的种类 与熔点、热导率、粘度等有关；例铸钢,2）合金的化学成分,影响规律：
4、,共晶成分合金的流动性最好，远离共晶成分合金的流动性最差,共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，液态合金从表层逐层向中心凝固，已结晶的固体层内表面光滑，对金属液的流动阻力小；非共晶成分合金有液、固两相共存区；已结晶固体层内表面粗糙，流动阻力大；,理由：,在同样浇铸温度下，共晶成分合金液体的过热度大，在液态时间长,3）杂质 熔融合金中出现的固态夹杂物,泥石流,铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。,螺旋形流动性试样,常用合金的流动性,表1-1,灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。,（砂型，试样截面88）,（3）浇注条件,1）浇注温度t浇,t浇,充型能力,原因：,t浇,合金
5、粘度,内摩擦阻力,t浇,过热度,流动时间,2）充型压力,充型压力,充型能力,4）铸型条件,（1）铸型蓄热能力,充型能力,充型能力,（2）铸型温度,（3）铸型中的气体,充型能力,（4）铸件结构,薄壁、结构复杂、大水平面等，,充型能力,2、合金的收缩性,(1)收缩过程三阶段：,(1)液态收缩 从浇注温度t浇到凝固开始温度t液间的收缩,收缩：铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象,(2)凝固收缩 从凝固开始温度t液到凝固终止温度t固间的收缩,(3)固态收缩 从凝固终止温度t固到室温t室间的收缩,(2)影响收缩的因素：,1)化学成分 碳素钢，C，凝固收缩，固态收缩；灰铸铁，
6、C、Si，收缩率；S，收缩率,2)浇注温度t浇 t浇，液态收缩,3)铸件结构和铸型条件 阻碍收缩，收缩率,三、铸造性能对铸件质量的影响,（1）缩孔的形成,（2）缩松的形成,2.铸件中的缩孔与缩松(Shrinkage and dispersed shrinkage),1.充型能力的影响(effect of filling ability on castings)：充型能力强，有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件；充型能力弱，容易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣、缩孔等缺陷,由于合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而在铸件内部形成的孔洞,表1-2 几种铁碳合金的缩孔率,形状特征：缩孔 容积较大，多呈倒圆锥
7、形 缩松 分散而细小,凝固方式：逐层凝固合金，易形成缩孔；糊状凝固合金易形成缩松,缺陷部位：缩孔总是出现在铸件最后凝固的部位，一般在上部；缩松常分散在铸件壁厚的轴线区域、厚大部位、冒口根部及内浇口附近。,基本结论(conclusions),（3）缩孔与缩松的防止,缩孔与缩松的危害：,降低铸件的机械性能；缩松还降低铸件的气密性,定向凝固：,在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放,冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位,先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才,是冒口本身的凝固。,非常有效的措施：使铸件实现定向凝固（顺序凝固）,利用顺序凝固防止缩孔,实现顺序凝固的工艺途径：选择浇注位置；厚大部位安放
8、冒口；安放冷铁；,定向凝固的不足：（1）浪费金属和工时，增加成本；（2）易使铸件产生变形和裂纹；用途：主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸钢件等。注意：结晶范围很宽的合金，补缩效果很差，难以避免显微缩松的产生,3.铸造内应力(Internal stress),铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力。按照产生原因的不同，内应力可分为两种：,（1）内应力的形成,内应力,热应力(thermal stress),机械应力(mechanical stress),弹性状态：固态金属在再结晶温度以下所处的状态、此时，在应力作用下仅发生弹性变形，变形后应力依然存在。,1）热
9、应力的形成,塑性状态与弹性状态的概念,塑性状态：固态金属在再结晶温度以上所处的状态。此时，在较小的应力下就可发生塑性变形，变形后应力消失。,框形铸件,II,II,I,I,II,温度t,时间,T,0,1,2,T,T,T,t,临,3,T,以框形铸件为例,由此可知，热应力是由于铸件的壁厚不均匀、各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的,2）热应力分布的规律性,厚的部位受 拉；薄的部位受 压；,3）热应力的防止办法,非常有效的措施：使铸件实现同时凝固,同时凝固：采用工艺方法尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀冷却。,工艺措施：浇口开在薄壁处；厚壁处安放冷铁；,图例：,冷铁,浇
10、口,同时凝固原则之不足：铸件心部容易产生缩孔或缩松,图例：,冷铁,浇口,4）机械应力的形成,机械应力：合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力,5）热应力与机械应力的显著区别 形成原因不同；热应力可一直保留到室温，形成残余应力；机械应力是暂时的，不会形成残余应力,（1）变形的规律,4、铸件的变形与防止,以T形梁铸件来说明,可见：厚 有缩短的趋势 薄 有伸长趋势,（2）变形的防止 1)同时凝固；2）反变形法；,5、残余应力的危害及消除,尽管变形后铸件的内应力有所减缓，但并未彻底消除，它的存在不利于切削加工精度的提高,消除方法：时效处理,（1）热裂 在高温下产生的裂纹。其形状特征是：裂
11、纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色,6、铸件的裂纹与防止,热裂纹的形成可以用液膜理论来解释,影响热裂形成的主要因素：,1）合金性质,结晶温度范围越宽，热裂倾向越大；,T,线收缩开始温度,固相线,此外，合金中的一些其它元素对其热裂倾向也有一定的影响。如：碳素钢中的S、P、Si,Mn 四种因素对热裂性的影响。,铸件特殊位置的裂纹示意图,2）铸型阻力,主要是铸型及型芯的退让性,退让性越好，形成热裂的可能性越小,常用防止办法：增加铸型及型芯的退让性,影响热裂形成的主要因素：,（2）冷裂 在低温下产生的裂纹。其形状特征是：裂纹细小、呈连续直线状、有时缝内呈轻微氧化色,常出现在铸件受拉伸部位,影响冷裂纹
12、形成的主要因素：,1)内应力大小；2）含磷量,常用防止办法：减少铸件的内应力（特别是热应力）,浇不足：铸件形状不完整,返回,冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝,冷隔形成示意图,返回,铁碳合金状态图,A,E,C,D,F,P,L+A,L+Fe3C,4.3,2.11,1147C,Le+A+Fe3CII,Le+Fe3C,Le,S,K,L,C%,铁碳合金中的共晶合金是含碳量为4.3的合金。C点为共晶点，温度为1147C，当铁水温度降低到该温度时，液体会结晶成共晶体-莱氏体。,返回,A,E,C,D,F,P,L+A,L+Fe3C,4.3,2.11,1147C,Le+A+Fe3CII,Le+Fe3C,Le,S,K,L,C%,铁碳合金状态图,返回,液态收缩,凝固收缩,固态收缩,固相线,液相线,L,L+S,S,返回,糊状凝固合金补缩困难示意图,冒口,返回,反变形法,铸件,模型,T形梁铸件变形示意图,返回,返回,金属结晶过程,目录页,
