1、07.10.2020,第二篇 鑄 造,鑄造工藝基礎(chǔ) 常用合金鑄件的生產(chǎn) 砂型鑄造 特種鑄造 鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 講授學(xué)時(shí)：10學(xué)時(shí),07.10.2020,鑄造概念： 將液態(tài)金屬澆注到具有與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法，稱(chēng)為金屬的液態(tài)成形。即鑄造。液態(tài)金屬澆注過(guò)程。砂型鑄造工藝演示。,鑄造是歷史最為悠久的金屬成型方式，直到今天仍然是毛坯生產(chǎn)的主要方法。機(jī)器中鑄件所占比例很大。 鑄造生產(chǎn)在機(jī)械制造業(yè)中的地位：視頻。,07.10.2020, 鑄造生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)： 1）鑄件可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜，特別是內(nèi)腔復(fù)雜的毛坯；鑄件的輪廓尺寸可從幾毫米至幾十米；重量可從幾克至幾百?lài)?/p>

2、。 2）適應(yīng)范圍廣。鑄造可用各種合金來(lái)生產(chǎn)鑄件。 3）鑄造批量不限。從單件、小批，直到大量生產(chǎn)。 4）鑄件與零件的形狀、尺寸很接近，因而鑄件的加工余量小，可節(jié)省金屬，減少切削加工量，從而降低制造成本。 5）鑄件所用的原材料大部分來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉，還可以使用廢料和廢零件；設(shè)備費(fèi)用較低，因此鑄件的成本低廉。 鑄造生產(chǎn)的缺點(diǎn)： 1）工藝過(guò)程比較復(fù)雜，一些工藝過(guò)程還難以控制。 2）液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差。 3）液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品 質(zhì)量不夠穩(wěn)定。 4）由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類(lèi)材料的塑性成形

3、能力低。,07.10.2020,金屬液態(tài)成形可分為： 砂型鑄造和特種鑄造。 1、砂型鑄造：是最基本的工藝方法，占鑄件的90%。 2、特種鑄造方法：熔模、金屬型、壓力、離心鑄造等。,07.10.2020,第一章 鑄造工藝基礎(chǔ),液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程- 充型。液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力 - 液態(tài)合金的充型能力。,第一節(jié) 液態(tài)合金的充型,學(xué)習(xí)目的及要求： 1.掌握影響充型能力的各種因素； 2.了解凝固與收縮、內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋產(chǎn)生的原因及防止措施； 3.了解鑄件質(zhì)量控制的方法。 重點(diǎn)及難點(diǎn)：1.充型能力；2.內(nèi)應(yīng)力的形成。 鑄造生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜，影響鑄件質(zhì)量的因素頗多，廢品

4、率一般較高。鑄造廢品的產(chǎn)生不僅與鑄型工藝有關(guān)，還與鑄型材料、鑄造合金性能、熔煉、澆注等密切相關(guān)。,充型能力不足 可能有,澆不足,冷 隔,夾 砂,氣 孔,夾 渣,07.10.2020,一、合金的流動(dòng)性： 液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力，稱(chēng)為合金的流動(dòng)性，是合金主要鑄造性能之一。 合金的流動(dòng)性越好，充型能力越強(qiáng)，越便于澆鑄出輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件。同時(shí)，有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除，還有利于對(duì)合金冷凝過(guò)程所產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮。,充型能力的決定因素：,合金的流動(dòng)性 鑄型性質(zhì) 澆注條件 鑄件結(jié)構(gòu)等,充型能力不足原因： 在液態(tài)合金的充型過(guò)程中，有時(shí)伴隨著結(jié)晶現(xiàn)象，若充型能力不足，在型腔被填滿之前，形成

5、的晶粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動(dòng)，于是鑄件將產(chǎn)生澆不足或冷隔等缺陷。,07.10.2020,流動(dòng)性衡量方法： 液態(tài)合金的流動(dòng)性通常以“螺旋形試樣”長(zhǎng)度來(lái)衡量。 測(cè)試合金充型能力的方法： 將合金液澆入鑄型中，冷凝后測(cè)出充滿型腔的式樣長(zhǎng)度。澆出的試樣越長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性越好，合金充型能力越好。,試驗(yàn)得知：灰口鑄鐵，硅黃銅（長(zhǎng)度l1000mm）流動(dòng)性最好。鑄鋼（長(zhǎng)度l200mm）的流動(dòng)性最差。 顯然，在相同的澆注條件下，合金的流動(dòng)性愈好，所澆出的試樣愈長(zhǎng)。 影響合金流動(dòng)的性因素很多，但以化學(xué)成分的影響最為顯著。,07.10.2020,共晶合金：結(jié)晶是在恒溫下進(jìn)行的，液態(tài)合金從表層逐層向中心凝

6、固，由于已結(jié)晶固體層表面比較光滑，對(duì)金屬液的流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性最好。 其它成分的合金：一定溫度范圍內(nèi)逐步凝固和結(jié)晶是同時(shí)進(jìn)行的，由于初生的樹(shù)枝狀晶體使固體層表面粗糙，所以合金的流動(dòng)性變差。顯然結(jié)晶間隔越小，則流動(dòng)性越好。鑄件晶粒組織 由圖亞共晶鑄鐵隨含碳量的增加，結(jié)晶溫度范圍減小，流動(dòng)性提高。實(shí)驗(yàn)證明鑄鐵的流動(dòng)性好， 鑄鋼的流動(dòng)性差。,07.10.2020,合金流動(dòng)性對(duì)充型能力的影響 合金流動(dòng)性的決定因數(shù)： 1）合金種類(lèi): 合金不同，流動(dòng)性不同 2）化學(xué)成分：同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，流動(dòng)性也不同。 3）結(jié)晶特性：恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相區(qū)（2區(qū)）內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差。,

7、07.10.2020,二、澆注條件 澆注條件對(duì)充型能力的影響：,澆注 條件,澆注溫度,充型壓力,澆注系統(tǒng),澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過(guò)熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，充型能力強(qiáng)。,液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力稱(chēng)為充型壓力。充型壓力越大, 充型能力越強(qiáng)。,澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。,對(duì)薄壁鑄件或流動(dòng)性較差的合金可適當(dāng)提高澆注溫度，以防澆不足或冷隔缺陷。但澆注溫度過(guò)高，容易產(chǎn)生縮孔縮松等缺陷，故保證充型能力前提下，不宜過(guò)高。,07.10.2020,（2）鑄型溫度： 鑄型的溫度 充型能力鑄型可先預(yù)熱。,（1）鑄型材料： 導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容激冷能力充型能力

8、,（3）鑄型中氣體： 砂型鑄造產(chǎn)生大量氣體，排氣能力差，型腔中氣壓流動(dòng)阻力充型能力，所以鑄型要留出排氣口。,三、鑄型填充條件 鑄型充填條件對(duì)充型能力的影響：影響合金在型腔內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間和速度。 影響因素有：,四、鑄件結(jié)構(gòu)條件 鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)充型能力的影響。 折算厚度： 折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù)，是鑄件體積與鑄件表面積之比。折算厚度越大，熱量散失越慢，充型能力就越好。鑄件壁厚相同時(shí)，垂直壁比水平壁更容易充填。(大平面鑄件不易成形) 復(fù)雜程度： 鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力就越大，鑄型的充填就越困難。,07.10.2020,第二節(jié) 鑄件的凝固與收縮 澆入鑄型中的金屬液在冷凝過(guò)程中，其收縮得不到補(bǔ)充，鑄件將

9、產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷。為防止缺陷應(yīng)合理控制鑄件凝固過(guò)程 一、鑄件的凝固方式 鑄件的凝固過(guò)程中，其斷面上一般存在三個(gè)區(qū)，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。對(duì)鑄件影響較大的是凝固區(qū)的寬窄。 凝固方式有： 1）逐層凝固-純金屬或共晶合金在凝固中不存在液、固并存的凝固區(qū)。特點(diǎn)：合金的充型能力強(qiáng)，便于防止縮孔和縮松。,2）糊狀凝固-合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，則整個(gè)斷面為液、固并存的凝固區(qū)。特點(diǎn)：難以獲得結(jié)晶緊實(shí)的鑄件。 3）中間凝固-多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間。,07.10.2020,二、鑄件合金的收縮 合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象，稱(chēng)為收縮 - 收縮是多種鑄造缺陷產(chǎn)生的根源

10、。(如：縮孔、縮松、裂紋、變形等)。,影響凝固的主要因素 1）合金的結(jié)晶溫度范圍： 合金的結(jié)晶溫度范圍越小，凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固。在鐵碳合金中普通灰鑄鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固。 2）鑄件的溫度梯度： 在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其凝固區(qū)相應(yīng)由寬變窄。,合金的收縮經(jīng)歷有三個(gè)階段： 1）液態(tài)收縮、2）凝固收縮 、3）固態(tài)收縮,07.10.2020,合金收縮,固態(tài)合金冷卻,液態(tài)合金冷卻,液態(tài)收縮,凝固收縮,縮孔：恒溫下結(jié)晶,縮松：兩相區(qū)結(jié)晶,固態(tài)收縮,裂紋,變形,應(yīng)力,體積的收縮，體積收縮率表示,鑄件尺

11、寸上的收縮，線收縮率表示,合金的收縮過(guò)程：,07.10.2020,三、鑄件的縮孔與縮松 1、縮孔與縮松的形成 液態(tài)合金在冷凝過(guò)程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)充，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照空洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類(lèi)。 1）縮孔：集中在鑄件上部或最后凝固部位容積較大的孔洞，稱(chēng)為縮孔?？s孔多呈倒圓錐形，內(nèi)表面粗糙。通常隱藏在鑄件內(nèi)層，但有時(shí)表面有凹坑。動(dòng)畫(huà)演示。 收縮率,澆注溫度,鑄件愈厚，則縮孔。,07.10.2020,2）縮松：分散在鑄件某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小縮孔，稱(chēng)為縮松?？s松分為宏觀縮松和纖維縮松。動(dòng)畫(huà)演示 縮松的形成原因： 鑄件最后凝固的收縮未能得到

12、補(bǔ)足，或者結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹(shù)枝晶發(fā)達(dá)，枝晶骨架將合金液分割開(kāi)的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致。動(dòng)畫(huà) 凝固合金的縮孔和縮松的傾向： （1）逐層凝固合金- 縮孔傾向大，縮松傾向小(純金屬、共晶合金或結(jié)晶溫度范圍窄)； （2）糊狀凝固合金- 縮松傾向小，但極易產(chǎn)生縮松。,07.10.2020,2、縮孔和縮松的防止 縮孔和縮松都使鑄件的力學(xué)性能下降，縮松還可以使鑄件因滲漏而報(bào)廢。因此，必須予以防止。 防止原理：只要能使鑄件實(shí)現(xiàn)“定向凝固”(即順序凝固)，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒(méi)有縮孔的致密鑄件。 定向凝固原則：是鑄件讓遠(yuǎn)離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次

13、凝固，最后才是冒口本身凝固。實(shí)現(xiàn)以厚補(bǔ)薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去。,順序凝固：動(dòng)畫(huà)演示 定向凝固缺點(diǎn)：安放冒口和冷鐵，耗費(fèi)許多金屬和工時(shí)，加大了鑄件成本。同時(shí)，擴(kuò)大了鑄件各部分的溫度差，促進(jìn)鑄件變形和裂紋傾向。,方法：在鑄件上可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位安放冒口和增設(shè)冷鐵等措施，動(dòng)畫(huà)演示。,07.10.2020,第三節(jié) 鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋,一、內(nèi)應(yīng)力的形成,可見(jiàn)，熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。鑄件的壁厚差別越大、合金線收縮率越高、彈性模量越大，熱應(yīng)力越大。,1）熱應(yīng)力 由于鑄件的壁厚不均勻、各部分的冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的?？蛐舞T件熱應(yīng)力形成過(guò)

14、程 固態(tài)金屬在再結(jié)晶溫度以上時(shí)，塑性狀態(tài)，變形之后應(yīng)力自行消除。再結(jié)晶溫度以下時(shí)，彈性狀態(tài)，變形之后應(yīng)力繼續(xù)存在。,鑄件在凝固之后的繼續(xù)冷卻過(guò)程中，其固態(tài)收縮若受到阻礙，鑄件內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，內(nèi)應(yīng)力有時(shí)在冷卻過(guò)程中暫存的，有時(shí)保留到室溫，稱(chēng)殘余內(nèi)應(yīng)力。,按照內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生原因，可分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。,鑄造內(nèi)應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因。,07.10.2020,同時(shí)凝固原則： 安放冷鐵和澆注口位置的正確布置可實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固。但可能形成縮孔等。動(dòng)畫(huà) 為防止縮孔等缺陷安放冒口等。 應(yīng)用：同時(shí)凝固原則主要用于灰鑄鐵、錫青銅等。它們使縮孔縮松傾向小。,預(yù)防熱應(yīng)力的基本途徑： 是盡量減少各個(gè)部位的溫度

15、差，使其均勻地冷卻。 熱應(yīng)力的消除方法： 1）鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱(chēng)；鑄件的壁厚盡可能均勻可使鑄件各部分能自由收縮。,2）工藝方面：采用同時(shí)凝固原則可減少鑄造內(nèi)應(yīng)力，防止鑄件的變形和裂紋缺陷，又可免設(shè)冒口而省工省料。其缺點(diǎn)是鑄件心部容易出現(xiàn)縮孔或縮松。 3）時(shí)效處理：人工時(shí)效；自然時(shí)效。,07.10.2020,2）機(jī)械應(yīng)力 是合金的固態(tài)收縮受到鑄型或型芯的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。 影響：機(jī)械應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致形成裂紋，應(yīng)適時(shí)開(kāi)箱加以解決。 機(jī)械應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生暫時(shí)性的正應(yīng)力或剪應(yīng)力，這種應(yīng)力在鑄件落砂后便可自行消失。,二、鑄件變形與防止 具有殘余應(yīng)力的鑄件是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地通過(guò)變形來(lái)減緩其內(nèi)應(yīng)力，以便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。如圖，厚受拉，薄受壓。,07.10.2020,三、鑄件裂紋與防止 當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，便將產(chǎn)生裂紋。 1、熱裂： 熱裂是在高溫下形成。特征：縫隙寬、曲折、縫內(nèi)呈氧化。 熱裂是在合金凝固末期