《第一节金属的液态成形原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一节金属的液态成形原理.ppt（45页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、,第一节 金属液态成形原理 一 液态合金的充型能力 充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力 若充型能力不足，易产生: 1）浇不足: 不能得到完整的零件. 2）冷隔:没有完整融合的缝隙或凹坑, 机械性能下降.,一） 合金的流动性 合金流动性:是指熔融金属(液态金属)本身的流动能力，是金属本身的属性。,1 测定流动性的方法: 以螺旋形试件的长度来测定: 如 灰口铁:浇铸温度 1300， 试件长1800mm.铸钢: 1600，100mm,2 影响流动性的因素 主要是化学成分: 1) 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流
2、阻力小 ； 2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大； 3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初生树枝状晶阻碍液流 。 常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。,不同成分合金流动性,逐层凝固（好）,糊状凝固（差）,铁碳合金流动性与相图关系,碳钢,铸铁, 结晶温度范围越窄，流动性越好。,（过热度）,碳钢随着结晶温度范围的增加而流动性变差；亚共晶铸铁随含碳量的增加流动性提高。,3 流动性对铸件质量影响 1) 流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件. 2) 流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除. 3) 流动性好,易于对液
3、态金属在凝固中产生的收缩进行补缩. 因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。,二)浇注条件 1 浇注温度: t 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持流动的时间长, t 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力 充型能力 如 砂形铸造-直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力高. 三) 铸型条件 1 铸型导热能力: 导热 金属降温快,充 如金属型 2 铸型温度: t 充 如金属型预热 3 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,
4、减少流动阻力,有利于充型. 4 铸型结构: 若不合理,如铸型壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充.,2 铸件复杂程度： 铸件结构复杂，流动阻力大，铸 型的充填就困难。,四) 铸件结构条件,1 折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或铸件模数， 为铸件体积与表面积之比。 折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好；折算 厚度越小则越不易充满。在设计铸件结构时，铸 件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。,铸件的最小允许壁厚：,二 铸件的凝固和收缩 一）铸件的凝固 1 铸件的温度场(梯度)及凝固区域: 1)铸件的温度场(梯度):铸件横断面上(截面上)的温度分布曲线. 2)铸件的凝固区域:铸件凝固过程中,其断面上一般
5、分为三个区: 1固相区 2凝固区 3液相区 2 凝固方式: 对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式。 1) 逐层凝固: 纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心。 2) 糊状凝固 合金结晶温度范围很宽或温度梯度很小的铸件,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故 3) 中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.,铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式,（a）纯金属及共晶合金,（b）其他成分合金,铸件的温度场及某瞬间的凝固区域,1）铸件温度场,2）
6、铸件的凝固区域,铸件横断面温度分布曲线,液相区 凝固区 固相区,铸件的凝固方式,1)逐层凝固 纯金属和共晶成份的合金，结晶温度是一固定值。凝固过程由表面向中心逐步进行。 合金结晶温度范围很小，或铸件断面的凝固区域很窄，也属于逐层凝固方式。 有良好的充型能力和补缩条件。,温度,表层,中心,固,液,铸件的凝固方式,2)糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金，从铸件的表面至心部都是固液两相混存。 铸件断面上布满小晶体，将金属液分割开，致充型和补缩能力变差。,温度,表层,中心,固,液,铸件的凝固方式,3)中间凝固 大多数合金属于这种方式。,温度,表层,中心,固,液,决定凝固方式的因素： （1）结晶温度范围
7、（2）铸件断面温度场分布变化,3 影响铸件凝固方式的因素 1) 合金的结晶温度范围 范围小: 凝固区窄,愈倾向于逐层凝固 如: 砂型铸造,铸铁,低碳钢 逐层凝固, 高碳钢 糊状凝固 2) 铸件的温度梯度 合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度. 温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄),二） 合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象-.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因. 1 收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 T液） : 从金属液浇入铸型到开始凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至
8、开始凝固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如: 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 T室） : 凝固以后到常温. 固态体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.,2 影响收缩的因素 主要受化学成分影响: 铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少. 如: 灰口铁 C, Si,收. 这是由于石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩. 所以常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最小（下页表格）。,三） 铸件的收缩,铸件的收缩要
9、比合金的收缩复杂得多。不但和合金成分及温度有关，还与铸型条件和铸件结构有关。,铸件的收缩,合金成分和温度,铸型、型芯结构,铸件结构,常用铸造合金的收缩率,铸造合金从浇注，凝固直到至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形的根源。 液态收缩 凝固收缩 固态收缩,铸件的收缩会受到铸型、型芯及本身结构的阻碍，因此铸件的线收缩率小于合金的自由收缩率。 例如，某铸钢直杆件的收缩属自由收缩，其线收缩率为2.4%; 若两端加横杆成为字形，则其收缩受到约束，受阻线收缩率为0.92%。 铸件的固态收缩受到阻碍时还会产生铸造应力、变形和裂纹等铸造缺陷。,三 合金铸
10、件的收缩缺陷及防止 一）凝固收缩缺陷-缩孔和缩松及防止: 1 . 缩孔及缩松的形成 1)缩孔： 液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收 缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充，则在 铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔. 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。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑. 假设下面圆柱体铸件是逐层凝固：,圆柱体铸件中缩孔形成示意图,缩孔形成示意图,浇口,2）缩松 缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因：由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把液体分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。,缩松一
11、般分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。,宏观缩松（肉眼可见）多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松 （显微镜下可见）则是存在于在晶粒之间的微小孔洞。,1）顺序凝固：就是采取一定措施，使铸件按规定的方向从一 部分到另一部分逐渐凝固的过程。 冒口和冷铁的合理使用， 可造成铸件按次序凝固，有效地消除缩孔、缩松。, ,顺序凝固示意图,冒口 储存补缩用金属液的“水库”。 冷铁 用来控制铸件凝固顺序的激冷物，加大某一部分得冷却速度。用铸铁、钢或铜制成。,（缩孔部位）,纵向温度分布曲线,2. 缩孔、缩松的防止措施：实现顺序凝固，用冒口补缩。,寻找热节的方法,等温线法,内切圆法,顺序凝固特点: 开设冒口补
12、缩。缺点：一是冒口浪费金属； 二是铸件内应力大，易于变形和开裂。主要用于凝固收缩 大，凝固温度范围较宽的合金或壁厚差别较大的合金铸件。 如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。,同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。,纵向温度分布曲线,2）同时凝固:采用厚壁处放置冷铁，薄壁处开浇口等工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。,同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。 （1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温度梯度大，倾
13、向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。,（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。,1、铸造应力及减少措施,2、 铸件的变形及防止,3 、铸件的裂纹及防止,1）热应力和机械应力,2）减小铸造应力的措施,1）热裂及防止,2）冷裂及防止,二） 固态收缩缺陷-铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止:,凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍, 铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸件 产生
14、变形和裂纹的基本原因。 按阻碍收缩的原因分为： 1）热应力 2）机械应力,1、铸造应力及减少措施：,（塑弹性临界转变温度）,受热应力的铸件, ,热应力分布规律： （1）厚壁及冷却慢的部位拉应力 （2）薄壁及冷却快的部位压应力,+,+,+,+,t0t1:,t1t2：,t2t3：,1）热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，收缩不一致而引起的应力。,塑性状态: 金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶将硬化抵消,内应力自行消失.(简单说,处于屈服状态,受力变形无应力) 弹性状态: 低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存
15、在。,a) t0 t1:凝固开始,粗 细处都为塑性状态,无内应力 两杆冷速不同,细杆快,收缩大,受粗杆限制, 不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果 两杆等量收缩. b) t1 t2: 细杆冷速大,先进入弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力. c) t2 t3: 细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温, 粗杆受拉应力(+),细杆受压应力(-)。 由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力.,上型,下型,机械应力是暂时应力,是拉应力。,收缩受机械阻碍的铸件,2）机械应力：合金的线收缩
16、受到铸型、型芯、浇冒系统的 机械阻碍而形成的内应力。,机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向.,3）减小铸造应力的措施：,采用同时凝固原则 - 薄处设浇口,厚处放冷铁。 优点: 省冒口,省工,省料。 缺点: 心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铸铁、锡青铜，因灰铸铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松 。 改善铸型、型芯退让性 铸件结构合理，壁厚均匀，热节小 自然时效或人工时效（去应力退火）,2、铸件的变形与防止 1）铸件的变形 铸件有通过自由变形来松弛内应力的自发过程. 举例: 平板铸件 平板中心散热慢,受拉力.平板下部冷却慢. 发生如图所示变形,
17、反变形法,变形规律： 厚壁内凹，薄壁外凸；壁厚均匀铸件，散热慢的表面内凹，散热快的表面外凸。,2）防止变形的方法：,1）采用同时凝固原则,使铸件均匀冷却；,2）人工时效、自然时效-低温退火, 550650，消除残余应力；,4）使铸件壁厚尽可能均匀,并改进铸件结构，采用对称结构、空心截面提高刚度，减少变形。,3）采用反变形法(长件,易变形件) 。见上图。,热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折（裂缝沿晶粒边界通过）、缝内呈氧化色。多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，如拐角、厚度变化及缩孔缩松处。,热裂的防止：, 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合 金，严格控制S的含量； 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力； 改善铸件结构。,3、铸件的裂纹与防止 铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹. 1） 热裂纹: 高温下形成裂纹,原因: (1) 凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑(还有一种液膜理论）；(2) 含S热脆 ; (3) 退让性不好.,冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。 易发生在复杂大工件受拉应力部位和应力集中处。,冷裂的防止：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）减少铸造应力；,3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量， 防止冷脆性。,2） 冷裂纹: 低温下裂纹,原因: 材料塑性差; P冷脆,