金屬的液態(tài)成形技術(shù)研究.ppt

第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 基本內(nèi)容 1 鑄造成形工藝的特點(diǎn)和分類2 合金的鑄造性能 重點(diǎn)與難點(diǎn) 鑄造性能 鑄造 金屬液態(tài)成形是指將液態(tài) 或熔融態(tài) 漿狀 材料注入一定形狀和尺寸的鑄型 Mold 或模具 型腔 MoldCavity 中 凝固后獲得固態(tài)毛坯或零件的方法 歷史悠久 應(yīng)用廣泛 古代的工藝品 農(nóng)具和兵器等等 第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 合金 由兩種或兩種以上的金屬元素 或金屬元素和非金屬元素組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì) 第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 傳統(tǒng)砂型鑄造流程簡圖 鑄造特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 1 復(fù)雜零件 外形 內(nèi)腔 2 成本低 2 尺寸和重量不受限制 缺點(diǎn) 1 廢品率較高 生產(chǎn)過程難以控制 2 鑄件力學(xué)性能較差 3 砂型鑄造鑄件精度較差 第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 鑄造生產(chǎn)流水線 第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 第1章金屬的液態(tài)成形技術(shù) 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 根據(jù)造型材料不同 可將鑄造方法分為砂型鑄造 SandCastingProcess 和特種鑄造 SpecialCastingProcess 兩類 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 鑄造方法的分類 合金的鑄造性能 是指合金在鑄造過程中獲得外形準(zhǔn)確內(nèi)部健全的鑄件的能力 流動性 充型能力 偏析和吸氣性 收縮性 合金的鑄造性能 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 偏析 是由于凝固或固態(tài)相變而導(dǎo)致的合金中化學(xué)成分的不均勻分布 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 螺旋形流動性試樣 合金的流動性越好 充填鑄型能力就越強(qiáng) 越容易獲得輪廓清晰的復(fù)雜薄壁鑄件 此外還有利于液態(tài)合金中氣體和熔渣上浮與排除 越有助于對凝固過程中所產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮 反之產(chǎn)生相應(yīng)的缺陷 若液態(tài)合金的充型能力不足 鑄件將產(chǎn)生澆不足 冷隔等缺陷 合金化學(xué)成分對流動性的影響 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 合金成分對流動性的影響 a 共晶成分合金b 過共晶成分合金 結(jié)晶區(qū)間越大 流動性越差 共晶成分合金的流動性最好 過共晶成分合金在結(jié)晶時(shí)因有液固兩相存在 流動性較差 P可提高流動性 S可使流動性下降 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 表1 1常用合金的流動性 灰鑄鐵 硅黃銅的流動性最好 鑄鋼的流動性最差 合金充型能力的影響因素 1 流動性2 澆鑄條件 1 澆注溫度 對合金流動性的影響很顯著 灰鑄鐵1200 1380 鑄造碳鋼1520 1620 鋁合金680 780 高溫出爐 低溫澆注 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 液態(tài)金屬的充型能力 MoldFillingCapacity 是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔 獲得形狀完整 輪廓清晰鑄件的能力 3 鑄型條件 1 鑄型的蓄熱能力 2 鑄型預(yù)熱溫度 3 鑄型透氣性 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 4 鑄件結(jié)構(gòu)的壁厚 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 合金從液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱為凝固 Solidification 或一次結(jié)晶 Crystallization 1 逐層凝固純金屬 二元共晶成分合金在恒溫下結(jié)晶時(shí) 凝固過程中鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱?截面上固液兩相界面分明 隨著溫度的下降 固相區(qū)由表層不斷向里擴(kuò)展 逐漸到達(dá)鑄件中心 這種凝固方式稱為 逐層凝固 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 2 體積凝固當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬 或因鑄件截面溫度梯度很小 鑄件凝固的某段時(shí)間內(nèi) 其液固共存的凝固區(qū)域很寬 甚至貫穿整個(gè)鑄件截面 這種凝固方式稱為 體積凝固 或稱糊狀凝固 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 3 中間凝固金屬的結(jié)晶范圍較窄 或結(jié)晶溫度范圍雖寬 但鑄件截面溫度梯度大 鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谥饘幽膛c體積凝固之間 稱為 中間凝固 方法 合金的結(jié)晶溫度范圍愈小 凝固區(qū)域愈窄 愈傾向于逐層凝固 對于一定成分的合金 結(jié)晶溫度范圍已定 凝固方式取決于鑄件截面的溫度梯度 溫度梯度越大 對應(yīng)的凝固區(qū)域越窄 越趨向于逐層凝固 合金從澆注 凝固直至冷卻到室溫的過程中 其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象 收縮是合金的物理本性 但如果在鑄造過程中 不能對收縮進(jìn)行控制 常常會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔 縮松 應(yīng)力 變形和裂紋等缺陷 1 合金收縮過程 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 2 影響收縮的因素 1 化學(xué)成分含C量對碳鋼收縮不大 灰鑄鐵隨C Si含量的增加 石墨化程度加大 故灰鑄鐵收縮率減小 而S可阻礙石墨析出 使灰鑄鐵收縮率增大 2 澆注溫度 澆注溫度越高 收縮率越大 3 鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu) 冷卻速度不同機(jī)械阻力 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 金屬由液態(tài)向固態(tài)的冷卻收縮過程 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因 體收縮率 線收縮率 線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力 變形 裂紋的根本原因 鐵碳合金的收縮率 收縮率 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 3 收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷 1 縮孔和縮松鑄件在凝固過程中 由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積減小得不到液態(tài)金屬的補(bǔ)充 在鑄件最后凝固的部位形成孔洞 其中容積較大而集中的稱縮孔 細(xì)小而分散的稱縮松 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 縮孔形成過程示意圖 純金屬 共晶合金 因鑄型吸熱 近型腔表面的金屬很快凝固成殼 溫度下降 合金逐層凝固 凝固層加厚 內(nèi)部的剩余液體 由于體收縮 液面下降 得不到金屬液補(bǔ)縮 內(nèi)部出現(xiàn)空隙 直到完全凝固 在鑄件上部形成縮孔 縮孔 shrinkagecavity 形狀不規(guī)則 孔壁粗糙 一般位于鑄件厚大部位和熱節(jié)處 縮松 分散 細(xì)小的孔 包括宏觀縮松和顯微縮松 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 當(dāng)合金結(jié)晶溫度較寬時(shí) 鑄件表面結(jié)殼后 內(nèi)部有較寬的液 固兩相共存的凝固區(qū)域 凝固后期 樹枝晶相互接觸 將合金液分割成多個(gè)小的封閉區(qū)域 當(dāng)封閉區(qū)域內(nèi)合金液凝固收縮得不到補(bǔ)充時(shí) 就形成了縮松 縮松一般出現(xiàn)在鑄件壁的軸線區(qū)域 熱節(jié)處 冒口根部 也常分布在集中縮孔的下方 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 幾種鐵碳合金的縮孔率 縮孔的防止 具體辦法是 采用冒口和冷鐵 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 閥體件的鑄造方案 澆口 暗冒口 冷鐵 明冒口 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 縮松的防止 A 在熱節(jié)處安放冷鐵或在砂型的局部表面涂敷激冷涂料的辦法 加大鑄件的冷卻速度 B 加大結(jié)晶壓力 以破碎枝晶 減少金屬液的流動阻力 從而達(dá)到部分防止縮松的效果 觀看縮孔與縮松的教學(xué)視頻 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 2 鑄造應(yīng)力 變形和裂紋鑄造應(yīng)力按其形成原因分為熱應(yīng)力 機(jī)械應(yīng)力等 當(dāng)鑄造應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí) 鑄件會產(chǎn)生裂紋 裂紋有熱裂紋和冷裂紋兩種 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 鑄件凝固冷卻過程中 若收縮受阻 則在鑄件內(nèi)會產(chǎn)生鑄造應(yīng)力 它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 鑄件因壁厚不均勻 或鑄件中存在著較大的溫差 在同一時(shí)間內(nèi)鑄件各部分收縮不同 先冷卻的部位阻礙了后冷卻部位的收縮 在其內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力 熱應(yīng)力 T T再塑性狀態(tài)塑性變形 即永久變形 內(nèi)應(yīng)力在變形后可自行消除 T T再彈性狀態(tài)彈性變形變形后應(yīng)力仍然存在 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 變形 金屬在外力的作用下尺寸和形狀的變化 1 彈性變形去除外力后 物體的變形能完全恢復(fù)原狀 2 塑性變形當(dāng)外力取消后 物體的變形不能完全恢復(fù) 而產(chǎn)生永久變形 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 高溫階段 T0 T 之間 臨時(shí)應(yīng)力自行消失 中溫階段 T T 之間 受拉伸 受壓縮 低溫階段 T T 之間 桿 受壓 桿 受拉 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 請觀看動畫 a 熱應(yīng)力的特點(diǎn)是鑄件緩冷處 厚壁處或心部 受拉伸 快冷處 薄壁處或表層 受壓縮 b 鑄件冷卻時(shí)各處的溫差愈大 定向凝固愈明顯 合金的固態(tài)收縮愈大 彈性模量愈大 則熱應(yīng)力愈大 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 熱應(yīng)力 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 鑄件冷卻過程中 有的合金要經(jīng)歷固態(tài)相變 比容發(fā)生變化 下表為鋼的各種組織的比容 相變應(yīng)力 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 鑄件在固態(tài)收縮時(shí) 因受到鑄型 型芯 澆冒口 箱擋等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為機(jī)械應(yīng)力 收縮應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生拉應(yīng)力或切應(yīng)力 并且是暫時(shí)的 但是如果在某一瞬間收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力同時(shí)作用超過了鑄件的強(qiáng)度極限時(shí) 鑄件將產(chǎn)生裂紋 機(jī)械應(yīng)力 回顧 1 什么是鑄造 2 鑄造應(yīng)力產(chǎn)生的原因 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 防止和減小鑄造應(yīng)力的措施 合理設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)鑄件的形狀愈復(fù)雜 各部分壁厚相差愈大 冷卻時(shí)溫度愈不均勻 鑄造應(yīng)力愈大 因此 在設(shè)計(jì)鑄件時(shí)應(yīng)盡量使鑄件形狀簡單 對稱 壁厚均勻 盡量選用線收縮率小 彈性模量小的合金 采用同時(shí)凝固的工藝所謂同時(shí)凝固是指采取一些工藝措施 使鑄件各部分溫差很小 幾乎同時(shí)進(jìn)行凝固 因各部分溫差小 不易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱裂 鑄件變形小 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 順序凝固與同時(shí)凝固 同時(shí)凝固的具體工藝是將內(nèi)澆口開在鑄件的薄壁處 以減緩其冷卻 再在鑄件厚壁處放置冷鐵 以加快其冷卻 總之 同時(shí)凝固原則可降低鑄件產(chǎn)生應(yīng)力 變形和裂紋的傾向 這種工藝因不設(shè)冒口 使工藝簡化 并節(jié)約了金屬材料 只是鑄件的心部會產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷 所以同時(shí)凝固原則只用于普通灰鑄鐵和錫青銅等鑄造性能好的鑄件的生產(chǎn) 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 變形的實(shí)質(zhì)原因 各部位受力不均 后冷卻部位受拉應(yīng)力 先冷卻部位受壓應(yīng)力 鑄件的變形與防止措施 殘余內(nèi)應(yīng)力使鑄件內(nèi)部的不同部位被拉伸或壓縮 處于一種不穩(wěn)定狀態(tài) 有自發(fā)通過變形來緩解其應(yīng)力 回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)傾向 顯然 只有原來受拉伸部分產(chǎn)生壓縮變形 受壓縮部分產(chǎn)生拉伸變形 才能使鑄件中的殘余內(nèi)應(yīng)力減少或消除 根據(jù)此規(guī)律可預(yù)計(jì)鑄件變形的方向 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 中心受拉 邊緣受壓2 上面比下面冷卻快 A 為了防止鑄件的變形 除減小應(yīng)力外 最好是將鑄件設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu) 使其應(yīng)力互相平衡 B 鑄造生產(chǎn)中最有效的防止變形的方法是采用反變形法 D 人工時(shí)效 加熱到550 650 C去應(yīng)力退火 或自然時(shí)效 C 齒圈設(shè)置拉肋以防變形 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 熱裂 熱裂 在鑄件凝固后 固相線以下一定溫度范圍 的高溫狀態(tài)下形成 如 30鋼室溫下 b 480Mpa1300 1400 b 0 75Mpa防止措施 凝固溫度范圍小 熱裂傾向小的合金 型砂退讓性 嚴(yán)格控制硫含量等 特征 裂紋短 隙縫寬 形狀曲折 裂紋內(nèi)呈氧化色 冷裂 較低溫下形成 鑄件形狀復(fù)雜 易形成冷裂 應(yīng)力集中處 尖角 縮孔 氣孔和渣眼等附近 防止措施 壁厚均勻 減小鑄造應(yīng)力 提高冶煉質(zhì)量等 特征 裂紋細(xì)小 隙縫寬 直線狀 斷口圓滑 干凈 裂縫內(nèi)光亮金屬色澤 設(shè)置防裂肋能有效地防止冷 熱裂紋 冷裂與熱裂請觀看視頻 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 鑄件的質(zhì)量控制1 鑄件缺陷難以避免 常見缺陷有 氣孔 粘砂 夾砂 縮孔 縮松 裂紋 合金成分 性能不合格等 2 鑄件中 可許存在一些合乎技術(shù)要求的鑄造缺陷 3 鑄件質(zhì)量檢驗(yàn) 外部 內(nèi)部 成分 性能檢測等 縮孔 氣孔 澆不到 超聲波檢驗(yàn) 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 內(nèi)部缺陷檢測請觀看視頻 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 合金的吸氣性及氣孔液態(tài)金屬在熔煉和澆注時(shí)能夠吸收周圍氣體的能力稱為吸氣性 氣孔是鑄件中最常見的缺陷 1 析出性氣孔溶入金屬液的氣體在鑄件冷凝過程中 隨溫度下降 合金液對氣體的溶解度下降 氣體析出并留在鑄件內(nèi)形成的氣孔稱為析出性氣孔 H2 N2等 2 侵入性氣孔造型材料中的氣體侵入金屬液內(nèi)所形成的氣孔稱為侵入性氣孔 水分蒸發(fā) 有機(jī)物揮發(fā)等 1 1金屬液態(tài)成形的基本原理 3 反應(yīng)性氣孔反應(yīng)性氣孔主要是指金屬液與鑄型之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所產(chǎn)生的氣孔 Fe3O4 C 3Fe 4CO a 由外冷鐵引起 b 由芯撐引起 縮孔與氣孔的區(qū)別 氣孔 產(chǎn)品內(nèi)部卷氣殘留 圓