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将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,以获得 零件或毛坯的方法.
二 特点
1 优点:
1) 可以生产形状复杂的零件,尤其复杂内腔的毛坯(如暖气)
2) 适应性广,工业常用的金属材料均可铸造. 几克~几百吨.
3) 原材料来源广泛.价格低廉. 废钢,废件,切屑
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.
∴ 应用广泛: 农业机械40~70% 机床:70~80%重量铸件
2 缺点:
1) 机械性能不如锻件(组织粗大,缺陷多等)
2) 砂性铸造中,单件,小批,工人劳动强度大.
3) 铸件质量不稳定,工序多,影响因素复杂,易产生许多缺陷.
铸造的缺陷对铸件质量有着重要的影响,因此,我们从铸件的质量入手,结合铸件 主要缺陷的形成与防止,为选择铸造合金和铸造方法打好基础.
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
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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A—P, A—P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 550—650℃
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↓ αk σ-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.
§5 铸件质量控制
1 合理选定铸造合金和铸件结构.
2合理制定铸件技术要求(允许缺陷,具有规定)
3 模型质量检验(模型合格—铸件合格)
4 铸件质量检验(宏观, 仪器)
5 铸件热处理: 消除应力, 降低硬度,提高切削性,保证机械性能,退火,正火等
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