铸造知识第一章 铸造工艺基础 1 液态合金的充型 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 充型能力不足:易产生: 浇不足: 不能得到完整的零件. 冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下降. 一 合金的流动性 液态金属本身的流动性-合金流动性 1 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,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩. 2 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 3 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,初生数枝状晶阻碍液流 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 铸型结构: 若不合理,如壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充 2 铸型导热能力: 导热 金属降温快,充 如金属型 3 铸型温度: t 充 如金属型预热 4 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 铸件的凝固和收缩 铸件的凝固过程如果没有合理的控制,铸件易产生缩孔,缩松 一 铸件的凝固 1 凝固方式: 铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区: 1固相区 2凝固区 3液相区 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,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. 2 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, 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: 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质开始凝固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩: 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: 凝固以后到常温. 固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示. 2 影响收缩的因素 1) 化学成分: 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,S 收.因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩. 2) 浇注温度: 温度 液态收缩 3) 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. 铸型要有好的退让性. 3 缩孔形成 在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中缩孔. 纯金属,共晶成分易产生缩孔 *产生缩孔的基本原因: 铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩. 4 影响缩孔容积的因素(补充) 1) 液态收缩,凝固收缩 缩孔容积 2) 凝固期间,固态收缩,缩孔容积 3) 浇注速度 缩孔容积 4) 浇注速度 液态收缩 易产生缩孔 5 缩松的形成 由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至. 1) 宏观缩松 肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心.非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松. 2) 微观缩松 凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞- 凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞. 凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少.(先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区-这也是形成微观缩松的基本原因.与缩孔形成基本原因类似) 6 缩孔,缩松的防止办法 基本原则: 制定合理工艺补缩, 缩松转化成缩孔. 顺序凝固: 冒口补缩 同时凝固: 冷铁厚处. 减小热应力,但心部缩松,故用于收缩小的合金. l 安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,是铸件成本增加.而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹.主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金. l 非共晶成分合金,先结晶树枝晶,阻碍金属流动,冒口作用甚小. l 对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而难避免显微缩松的产生.显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的. 3 铸造内应力,变形和裂纹 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,内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因.(有时相变膨胀受阻,负收缩) 一 内应力形成 1 热应力: 铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生. 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,同时发生的再结晶降硬化抵消,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,变形后应力继续存在. 举例: a) 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) 细杆冷速大,先进如弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力. c) 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(+),(-) 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. 预防方法: 1 壁厚均匀 2 同时凝固薄处设浇口,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,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、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。 2 机械应力 合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。 机械应力是暂时的,落砂后,就自行消失.*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. 预防方法: 提高铸型和型芯的退让性. 3 相变应力 冷却过程中,固态相变时,体积会发生变化.如AP, AP体积会增大,Fe3C石墨,体积. 若体积变化受阻.则产生内应力- 铁碳合金三种应力在铸件不同部位情况如下表: 铸件部位 热应力 相变应力 机械应力 共析转变 石墨化 落砂前 落砂后 薄或外层 - + + + 0 厚或内层 + - - + 0 前面讲过预防应力方法,若产生应力,还可通过自然时效和人工时效的方法消除应力. 二 变形与防止 铸件通过自由变形来松弛内应力,自发过程.铸件厂发生不同程度的变形. 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 防止方法: 1壁厚均匀,形状对称,同时凝固. 2 反变形法(长件,易变形件) 残余应力: 自然时效, 人工时效-低温退火 550650 三 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 特征: 裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在应力集中或凝固处. 灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大. 原因: 1 凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑 2 含S热脆 3 退让性不好 预防: 设计结构合理, 改善退让性, 控制含S量 2 冷裂纹: 低温下裂纹 特征: 裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,有时里轻微氧化色 原因: 复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生; 材料塑性差; P冷脆 预防: 合理设计,减少内应力,控制P含量, 提高退让性 4 铸件中的气体 常见缺陷, 废品1/3. 气体在铸件中形成孔洞. 一 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 气孔附近易引起应力集中,机械性能 k -1 4 弥散孔,气密性 二 分类(按气体来源) 1 侵入气孔: 砂型材料表面聚集的气体侵入金属液体中而形成. 气体来源: 造型材料中水分, 粘结剂,各种附加物. 特征: 多位于表面附近,尺寸较大,呈椭圆形或梨形孔的内表面被氧化. 形成过程: 浇注-水汽(一部分由分型面,通气孔排出,另一部分在表面聚集呈高压中心点)气压升高.溶入金属-一部分从金属液中逸出浇口, 其余在铸件内部,形成气孔. 预防: 降低型砂(型芯砂)的发起量,增加铸型排气能力. 2 析出气孔: 溶于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出, 使铸件形成气孔. 原因: 金属熔化和浇注中与气体接触(H2 O2 NO CO等) 特征: 分布广,气孔尺寸甚小, 影响气密性 3 反应气孔: 金属液与铸型材料,型芯撑,冷铁或溶渣之间,因化学反应生成的气体而形成的气孔. 如: 冷铁有锈 Fe3O4 + C Fe + CO 冷铁附近生成气孔 防止: 冷铁 型芯撑表面不得有锈蚀,油污,要干燥.