工程材料液態(tài)成型實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū).doc

開(kāi)放實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū) 大綱實(shí)驗(yàn)名稱: 工程材料液態(tài)成型引言什么是液態(tài)成型金屬的液態(tài)成型常稱為鑄造，鑄造是將金屬熔煉成符合一定要求的液體并澆進(jìn)鑄型里，經(jīng)冷卻凝固、清整處理后得到有預(yù)定形狀、尺寸和性能的鑄件的工藝過(guò)程。 圖-1 鑄造示意圖一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解鑄造的概念及基本原理；2了解并掌握鑄造的基本工藝及其主要的工藝參數(shù)；3了解并掌握鑄造過(guò)程中金屬?gòu)囊簯B(tài)到固態(tài)轉(zhuǎn)變過(guò)程中影響金屬性能和鑄件質(zhì)量的一些基本因素；4了解金屬收縮的基本規(guī)律，以及常見(jiàn)鑄造缺陷縮的形成機(jī)理，及其影響因素。二、實(shí)驗(yàn)原理1. 鑄造的定義 鑄造過(guò)程是指將金屬置于熔煉爐內(nèi)的坩堝中,加熱熔煉成符合一定要求的液體并澆鑄到錠?；蜩T模中，經(jīng)冷卻凝固, 液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬, 清整處理后獲得一定形狀、尺寸的鑄件或鑄件的工藝過(guò)程。鑄造毛胚因近乎成形，而達(dá)到免機(jī)械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上減少了時(shí)間鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一.鑄造工藝可分為三個(gè)基本部分，即鑄造金屬準(zhǔn)備、鑄型準(zhǔn)備和鑄件處理。 鑄造金屬是指鑄造生產(chǎn)中用于澆注鑄件的金屬材料，它是以一種金屬元素為主要成分，并加入其他金屬或非金屬元素而組成的合金，習(xí)慣上稱為鑄造合金，主要有鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。2. 鑄造的分類鑄造種類很多，按造型方法習(xí)慣上分為：普通砂型鑄造，包括濕砂型、干砂型和化學(xué)硬化砂型3類。特種鑄造，按造型材料又可分為以天然礦產(chǎn)砂石為主要造型材料的特種鑄造（如熔模鑄造、泥型鑄造、鑄造車間殼型鑄造、負(fù)壓鑄造、實(shí)型鑄造、陶瓷型鑄造等）和以金屬為主要鑄型材料的特種鑄造（如金屬型鑄造、壓力鑄造、連續(xù)鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等）兩類。2.1 普通砂型鑄造以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，液態(tài)金屬在重力下充填鑄型來(lái)生產(chǎn)鑄件的鑄造方法。鋼、鐵和大多數(shù)有色合金鑄件都可用砂型鑄造方法獲得。由于砂型鑄造所用的造型材料價(jià)廉易得，鑄型制造簡(jiǎn)便，對(duì)鑄件的單件生產(chǎn)、成批生產(chǎn)和大量生產(chǎn)均能適應(yīng)，長(zhǎng)期以來(lái)，一直是鑄造生產(chǎn)中的基本工藝。 圖-2 砂型鑄造示意圖2.2 特種鑄造但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)鑄造提出了更高的要求，要求生產(chǎn)出更加精確、性能更好、成本更低的鑄件。為適應(yīng)這些要求，鑄造工作者發(fā)明了許多新的鑄造方法，這些方法統(tǒng)稱為特種鑄造方法，即特種鑄造。 圖-3熔模鑄造示意圖 圖-4壓力鑄造示意圖圖-5 消失模鑄造示意圖 圖-6 連續(xù)鑄造示意圖 圖-7 離心鑄造示意圖特種鑄造具有以下優(yōu)勢(shì): 鑄件尺寸精確，表面粗糙值低，更接近零件最后尺寸，從而易于實(shí)現(xiàn)少切削或無(wú)切削加工。 鑄件內(nèi)部質(zhì)量好，力學(xué)性能高，鑄件壁厚可以減薄。 減低金屬消耗和鑄件廢品率。 簡(jiǎn)化鑄造工序（除熔模鑄造外），便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化。 改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。3. 鑄造過(guò)程中液態(tài)金屬的凝固過(guò)程凝固,是極為普遍的物理現(xiàn)象。物質(zhì)凡由液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變一般都經(jīng)歷凝固過(guò)程, 廣泛存在于自然界和工程技術(shù)領(lǐng)域。從雪花凝結(jié)到火山熔巖固化，從鋼鐵、有色金屬冶金生產(chǎn)中單鑄錠及連鑄錠的結(jié)晶到材料成形領(lǐng)域鑄件及焊縫的凝固,高分子塑料、橡膠在模具中的固化，以及高技術(shù)領(lǐng)域的超細(xì)晶、非晶、微晶材料的快速凝固, 半導(dǎo)體、激光晶體、超導(dǎo)體等功能材料的生長(zhǎng), 均屬凝固過(guò)程。 液態(tài)金屬凝固結(jié)晶的條件: 金屬熔體存在過(guò)冷. 圖-8 金屬凝固過(guò)程3.1合金的流動(dòng)性流動(dòng)性是指熔融金屬的流動(dòng)能力。 合金流動(dòng)性的好壞，通常以“螺旋形流動(dòng)性試樣”的長(zhǎng)度來(lái)衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，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)。 流動(dòng)性差：鑄件易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔和夾雜等缺陷。流動(dòng)性好：易于充滿型腔，有利于氣體和非金屬夾雜物上浮和對(duì)鑄件進(jìn)行補(bǔ)縮。螺旋形流動(dòng)性試樣衡量合金流動(dòng)性，如圖1-2所示。在常用鑄造合金中，灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性最好，鑄鋼的流動(dòng)性最差。圖-9 螺旋試驗(yàn)影響熔融合金充型的條件: 鑄型的溫度低、熱容量大，充型能力下降；鑄型的發(fā)氣量大、排氣能力較低時(shí)，會(huì)使合金的充型能力下降；澆注系統(tǒng)和鑄件的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，合金在充型時(shí)的阻力越大，充型能力下降；提高澆注速度、澆注溫度和增加直澆道的高度會(huì)使合金的充型能力提高。3.2 合金的充型能力 充型能力 考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬流動(dòng)性叫合金的充型能力。合金的流動(dòng)性是金屬本身的屬性，不隨外界條件的改變而變化，而合金的充型能力不僅和金屬的流動(dòng)性相關(guān)，而且也受外界因素的影響。 充型能力的影響因素: 1）鑄型填充條件a）鑄型的蓄熱能力 即鑄型從金屬液中吸收和儲(chǔ)存熱量的能力。鑄型的熱導(dǎo)率和質(zhì)量熱容越大，對(duì)液態(tài)合金的激冷作用越強(qiáng)，合金的充型能力就越差。b）鑄型溫度 提高鑄型溫度，可以降低鑄型和金屬液之間的溫差，進(jìn)而減緩了冷卻速度，可提高合金液的充型能力。c）鑄型中的氣體 鑄型中氣體越多，合金的充型能力就越差。3.3 鑄件的凝固方式鑄件的凝固方式（1）逐層凝固方式 合金在凝固過(guò)程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開(kāi)，這種凝固方式稱為逐層凝固。常見(jiàn)合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。（2）糊狀凝固方式合金在凝固過(guò)程中先呈糊狀而后凝固，這種凝固方式稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。（3）中間凝固方式 大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。凝固方式的影響因素 （1）合金凝固溫度范圍的影響 合金的液相線和固相交叉在一起，或間距很小，則金屬趨于逐層凝固；如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。 （2）鑄件溫度梯度的影響 增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉(zhuǎn)化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉(zhuǎn)化。3.4 鑄造合金的收縮鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過(guò)程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。它主要包括以下三個(gè)階段：1.液態(tài)收縮 金屬在液態(tài)時(shí)由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。2.凝固收縮 熔融金屬在凝固階段的體積收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因。3.固態(tài)收縮 金屬在固態(tài)時(shí)由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對(duì)鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。影響合金收縮的因素: 1. 化學(xué)成分 不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄剛的收縮最大，灰鑄鐵最小。2. 澆注溫度 合金澆注溫度越高，過(guò)熱度越大，液體收縮越大。3. 鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件 鑄件冷卻收縮時(shí)，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導(dǎo)致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對(duì)鑄件收縮的阻力，故鑄件的實(shí)際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實(shí)際收縮率就越小。收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響: 1. 縮孔和縮松 （1）縮孔的形成 縮孔總是出現(xiàn)在鑄件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：內(nèi)表面粗糙，形狀不規(guī)則，多近于倒圓錐形。通?？s孔隱藏于鑄件的內(nèi)部，有時(shí)經(jīng)切削加工才能暴露出來(lái)?？s孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮。（2）縮松的形成宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。 圖-10 縮孔形成過(guò)程圖-11 縮孔形成過(guò)程在鑄件的凝固以及以后的冷卻過(guò)程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會(huì)在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形或開(kāi)裂，這種缺陷的產(chǎn)生，將嚴(yán)重影響鑄件的質(zhì)量。 （1） 鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生 鑄造應(yīng)力按其產(chǎn)生的原因可分為三種：a）熱應(yīng)力 鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。b）固態(tài)相變應(yīng)力 鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應(yīng)力。c）收縮應(yīng)力 鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。 鑄件鑄出后存在于鑄件不同部位的內(nèi)應(yīng)力稱為殘留應(yīng)力。 圖-12 鑄件中應(yīng)力分布 3.5 鑄件的常見(jiàn)缺陷 砂型鑄造鑄件缺陷有：冷隔、澆不足、氣孔、粘砂、夾砂等。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及材料準(zhǔn)備1. 加熱爐(熔煉爐) 圖-13 熔煉爐2. 熔煉用金屬 圖-14 鋁錠 圖-15 鎂錠3. 熔煉工具坩堝、工具和錠模 圖-16 坩堝 圖-17 模具四、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及步驟1了解鑄造的基本設(shè)備并熟悉其基本操作；2爐前準(zhǔn)備由于本試驗(yàn)所用坯料需要加熱至液態(tài)金屬，所需時(shí)間較長(zhǎng)，故在試驗(yàn)前由指導(dǎo)老師提前加熱熔煉至700要求學(xué)生掌握配料的計(jì)算方法:根據(jù)熔制合金的實(shí)際重量W，計(jì)算各元素的需要量AAQ3. 精煉+澆注五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告工程材料液態(tài)成型實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求學(xué)院： 專業(yè)：姓名： 學(xué)號(hào)： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間：一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵?.了解鑄造工藝的基本過(guò)程。2.通過(guò)具體的熔煉澆注工藝，了解基本概念，工藝特點(diǎn)，以用在日常生活中的具體應(yīng)用。3.了解一種金屬材料(A356)的熔煉基本工序。二、實(shí)驗(yàn)原理 鑄造過(guò)程是指將金屬置于熔煉爐內(nèi)的坩堝中,加熱熔煉成符合一定要求的液體并澆鑄到錠?；蜩T模中，經(jīng)冷卻凝固, 液態(tài)金屬轉(zhuǎn)變成固態(tài)金屬, 清整處理后獲得一定形狀、尺寸的鑄件或鑄件的工藝過(guò)程。鑄造工藝可分為三個(gè)基本部分，即鑄造金屬準(zhǔn)備、鑄型準(zhǔn)備和鑄件處理。鑄造種類很多，按造型方法習(xí)慣上分為：普通砂型鑄造, 特種鑄造. 根據(jù)熔制合金的實(shí)際重量W，計(jì)算各元素的需要量AAQ三、主要儀器設(shè)備實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備包括：加熱熔煉爐, 熔煉用金屬, 坩堝, 熔煉工具,模具四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)