金屬液態(tài)成形教學研究講課教案

1、金屬液態(tài)成形教學研究6.1 6.1 合金的液態(tài)成型工藝理論基礎合金的液態(tài)成型工藝理論基礎一一. . 凝固方式凝固方式 三種凝固方式三種凝固方式01逐層凝固：純金屬或共晶成分的合金是恒溫凝固，凝固區(qū)寬度幾乎為零，凝固前沿清楚地將液、固相分開，由表層逐層向中心凝固。 02糊狀凝固：合金的結晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分布較為平坦，凝固時，鑄件表面并不存在固體層，而液、固并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面，先呈糊化而后再固化。 03中間凝固：多數合金的凝固介于兩者之間，為中間凝固方式。 三種凝固方式示意圖 鑄件質量與其凝固方式密切相關。一般，逐層凝固時，合金的充型能力強，便于防止縮孔和縮松；糊狀凝固，則難以獲

2、得結晶緊密的鑄件。影響凝固方式的因素影響凝固方式的因素 合金的結晶溫度范圍合金的結晶溫度范圍 合金的結晶溫度范圍愈小合金的結晶溫度范圍愈小, ,凝固區(qū)愈窄，愈傾向于逐層凝凝固區(qū)愈窄，愈傾向于逐層凝固；反之，則傾向于逐層凝固固；反之，則傾向于逐層凝固。l鑄件的溫度梯度鑄件的溫度梯度 當合金成分已確定，當合金成分已確定，凝固凝固區(qū)的寬窄，取決于其內外層的區(qū)的寬窄，取決于其內外層的溫度梯度。溫度梯度。鑄件的溫度梯度愈鑄件的溫度梯度愈大，凝固區(qū)愈窄，愈傾向于逐大，凝固區(qū)愈窄，愈傾向于逐層凝固。鑄件的溫度梯度愈小層凝固。鑄件的溫度梯度愈小， 凝固區(qū)愈寬，愈傾向于糊凝固區(qū)愈寬，愈傾向于糊狀凝固。狀凝固。二

3、二. 合金的充型能力合金的充型能力01合金在液態(tài)成型過程中表現(xiàn)出的工藝性能稱為鑄造性能。它包括液態(tài)合金的充型能力，合金的凝固與收縮、鑄造應力與裂紋，吸氣與偏析等。02液態(tài)合金填充鑄型型腔的過程稱為充型。03充型能力是使液態(tài)金屬充滿型腔并使鑄件形狀完整、輪廓清晰的能力。它首先與合金本身的流動性有關，同時澆注條件、鑄形填充條件、鑄件結構等對充型能力也有影響。1.1.合金的合金的流動性流動性（1 1）慨念：）慨念： 指液態(tài)金屬的流指液態(tài)金屬的流動能力，在鑄造過程中即表現(xiàn)動能力，在鑄造過程中即表現(xiàn)為液態(tài)金屬充填鑄型的能力。為液態(tài)金屬充填鑄型的能力。合金流動性的大小，通常以螺合金流動性的大小，通常以螺旋

4、形試樣的長度來衡量。旋形試樣的長度來衡量。 合金的流動性愈好，充型能力愈強，流動性良合金的流動性愈好，充型能力愈強，流動性良好時，不僅易于鑄造出好時，不僅易于鑄造出輪廓清晰、薄而復雜輪廓清晰、薄而復雜的鑄的鑄件，而且有助于合金在鑄型中件，而且有助于合金在鑄型中收縮時得到補充收縮時得到補充，有利于液態(tài)金屬中的有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體的上浮非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除與排除。若流動性不足，則鑄件易產生。若流動性不足，則鑄件易產生澆不足、澆不足、冷隔、縮孔、氣孔、夾渣冷隔、縮孔、氣孔、夾渣等缺陷。等缺陷。（）影響流動（）影響流動性的因素性的因素合金的種類 不同合金，其澆注溫度和凝固溫度

5、范圍均不相同。 如： 鑄鐵 導熱性差，不易散熱，凝固慢，流動性好； 鑄鋼 熔點高，散熱快，凝固快，流動性差；鋁合金 導熱性好，散熱快，流動性差；等等。 合金的成分合金的成分 不同成分的鑄造合金主要是由于其結晶特點的不同不同成分的鑄造合金主要是由于其結晶特點的不同而影響其流動性的。而影響其流動性的。 純金屬及共晶合金在恒溫下結晶，結晶時液態(tài)金屬純金屬及共晶合金在恒溫下結晶，結晶時液態(tài)金屬從表層逐層向中心凝固，對金屬液的流動阻力小，流動從表層逐層向中心凝固，對金屬液的流動阻力小，流動性好。性好。 其它合金的結晶是在一定溫度范圍內凝固，固態(tài)的其它合金的結晶是在一定溫度范圍內凝固，固態(tài)的樹枝狀晶體對金

6、屬液的流動阻力大，流動性差。樹枝狀晶體對金屬液的流動阻力大，流動性差。2.澆注條件（1）澆注溫度 澆注溫度愈高，合金的粘度下降，金屬液的流動阻力減小；且因過熱度高，金屬液的流動時間長，所以流動性好。 但澆注溫度過高，鑄件易產生縮孔、縮松、粘砂、氣孔等缺陷。因此在保證足夠流動性的前提下，澆注溫度不易過高。通常遵循“高溫出爐，低溫澆注”的原則。 通?；诣T鐵的澆注溫度為12001380； 鑄鋼的澆注溫度為15201620； 鋁合金的澆注溫度為680780； 形狀復雜或薄壁件取上限。（2 2）澆注壓力）澆注壓力 液態(tài)合金在流動方向上所受到的壓力越大，充型能液態(tài)合金在流動方向上所受到的壓力越大，充型能力

7、愈好。力愈好。3.3.鑄型特點鑄型特點（1 1）鑄型蓄熱能力（鑄型從熔融合金中吸收和傳鑄型蓄熱能力（鑄型從熔融合金中吸收和傳遞熱量的能力）遞熱量的能力）（2 2）鑄型溫度）鑄型溫度（3 3）鑄型結構）鑄型結構（4 4）鑄型中的氣體）鑄型中的氣體 總之，鑄型中凡能增加金屬流動阻力、降低總之，鑄型中凡能增加金屬流動阻力、降低流速、加快冷卻速度的因素，均能降低合金的流流速、加快冷卻速度的因素，均能降低合金的流動性；反之，則可提高合金的流動性。動性；反之，則可提高合金的流動性。三三. 合金的收縮合金的收縮性能性能1.合金收縮的概念 液態(tài)合金在液態(tài)、凝固態(tài)和固態(tài)過程中所發(fā)生的體積和尺寸減小的現(xiàn)象叫做收縮

8、。 收縮是鑄件中許多缺陷（如：縮孔、縮松、熱裂、應力、變形和裂紋）等產生的基本原因。合金收縮的三個階段合金收縮的三個階段 液態(tài)收縮液態(tài)收縮 凝固收縮凝固收縮 固態(tài)收縮固態(tài)收縮金屬液溫度下降，液面降低，液態(tài)金金屬液溫度下降，液面降低，液態(tài)金屬體積減小。（與澆注溫度有關）屬體積減小。（與澆注溫度有關）液態(tài)金屬凝固，體積顯著減小。（與液態(tài)金屬凝固，體積顯著減小。（與合金結晶的溫度范圍有關）合金結晶的溫度范圍有關）固態(tài)金屬繼續(xù)冷卻，體積減小。一般固態(tài)金屬繼續(xù)冷卻，體積減小。一般直接表現(xiàn)為鑄件外型尺寸的變小。直接表現(xiàn)為鑄件外型尺寸的變小。 合金的總收縮為上述三種收縮的總和。其中合金的總收縮為上述三種收縮

9、的總和。其中液態(tài)收縮液態(tài)收縮和和凝固收縮凝固收縮形成鑄件的形成鑄件的縮孔和縮松縮孔和縮松，固，固態(tài)收縮使鑄件產生態(tài)收縮使鑄件產生內應力、變形和裂紋內應力、變形和裂紋。 液態(tài)收縮時，合金從澆注溫液態(tài)收縮時，合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度。（體度冷卻到液相線溫度。（體收縮）收縮） 凝固收縮時，合金從液相線凝固收縮時，合金從液相線溫度冷卻到固相線溫度。（溫度冷卻到固相線溫度。（體收縮）體收縮） 固態(tài)收縮時，合金從固相線固態(tài)收縮時，合金從固相線溫度冷卻到室溫。溫度冷卻到室溫。 （線收縮（線收縮）合金的收縮量可用體收縮率和線收縮率來表示。合金的收縮量可用體收縮率和線收縮率來表示。體收縮率體收縮率：單位體

10、積的變化量。：單位體積的變化量。線收縮率線收縮率：單位長度的變化量。：單位長度的變化量。2.影響合金收縮的因素影響合金收縮的因素（1）化學成分 不同種類的合金，收縮率不同；同類合金，化學成分不同，收縮率也不同。C、Si：強烈促進鑄鐵石墨化，鑄鐵體收縮減 ??；S：強烈阻礙鑄鐵石墨化，鑄鐵收縮增大；Mn：可抵消對S石墨化的阻礙作用，適量的Mn 可使鑄鐵收縮減小。（2 2）澆注溫度）澆注溫度 合金的澆鑄溫度越高，過熱度越大，液態(tài)收合金的澆鑄溫度越高，過熱度越大，液態(tài)收縮也越大，總收縮也越大。因此在滿足足夠流動縮也越大，總收縮也越大。因此在滿足足夠流動性的前提下，盡量采用低的澆注溫度。遵循性的前提下，

11、盡量采用低的澆注溫度。遵循“ “ 高高溫出爐，低溫澆鑄溫出爐，低溫澆鑄 ” ”的原則。的原則。（3 3）鑄件結構與鑄型條件）鑄件結構與鑄型條件 由于鑄件各部分冷速不同，鑄型和型芯對鑄由于鑄件各部分冷速不同，鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，因此鑄件的實際線收縮率比合金件收縮的阻力，因此鑄件的實際線收縮率比合金自由收縮率小。自由收縮率小。3. 3. 合金收縮造成的鑄造缺陷合金收縮造成的鑄造缺陷（1 1）縮孔與縮松縮孔與縮松 縮孔與縮松的形成縮孔與縮松的形成 澆入鑄型的液態(tài)合金在凝固過程中，若液態(tài)收縮澆入鑄型的液態(tài)合金在凝固過程中，若液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補充，在鑄件最后凝和凝固收縮所縮減

12、的體積得不到補充，在鑄件最后凝固的部位會形成空洞，容積大而集中的是縮孔，容積固的部位會形成空洞，容積大而集中的是縮孔，容積小而分散的是縮松。小而分散的是縮松。 影響縮孔與縮松的因素影響縮孔與縮松的因素 化學成分化學成分 結晶溫度范圍越小的合金，產生縮孔的傾向越大；結晶溫度范圍越小的合金，產生縮孔的傾向越大； 結晶溫度范圍越大的合金，產生縮松的傾向越大。結晶溫度范圍越大的合金，產生縮松的傾向越大。 澆鑄條件澆鑄條件 提高提高澆鑄溫度澆鑄溫度，合金的總體積收縮和縮孔傾向，合金的總體積收縮和縮孔傾向增增大；大；澆鑄速度澆鑄速度很慢或冒口中不斷補澆合金液，使液態(tài)很慢或冒口中不斷補澆合金液，使液態(tài)和凝固

13、收縮及時得到補償，總體積收縮和縮孔減小。和凝固收縮及時得到補償，總體積收縮和縮孔減小。 鑄型材料鑄件結構鑄型材料鑄件結構 鑄型材料對鑄件冷卻速度影響很大。冷卻速度大，鑄型材料對鑄件冷卻速度影響很大。冷卻速度大，凝固區(qū)域變窄，縮松減少。凝固區(qū)域變窄，縮松減少。 縮孔與縮松的防止縮孔與縮松的防止控制鑄件的凝固過程控制鑄件的凝固過程 采用采用“順序凝固順序凝固”或或“同時凝固同時凝固”原則，在原則，在鑄件最后凝固地方，設置冒口來補縮。鑄件最后凝固地方，設置冒口來補縮。 順序凝固順序凝固原則適用于收縮大或壁厚差別較大，易產生縮孔的鑄件。原則適用于收縮大或壁厚差別較大，易產生縮孔的鑄件。其缺點是：鑄件各

14、部分溫差大，會引起較大的熱應力，此外，由其缺點是：鑄件各部分溫差大，會引起較大的熱應力，此外，由于要設置冒口，增大了金屬的消耗及切除毛口的工作量。于要設置冒口，增大了金屬的消耗及切除毛口的工作量。 同時凝固同時凝固原則適用于收縮小或壁厚均勻的薄壁鑄件，采用原則適用于收縮小或壁厚均勻的薄壁鑄件，采用同時凝同時凝固固原則，鑄件熱應力小，但在鑄件中心往往產生縮松。原則，鑄件熱應力小，但在鑄件中心往往產生縮松。 對結構復雜的鑄件，既要避免產生縮孔和縮松，又要減小熱應力，對結構復雜的鑄件，既要避免產生縮孔和縮松，又要減小熱應力，防止變形和裂紋，這兩種凝固原則可同時采用。防止變形和裂紋，這兩種凝固原則可同

15、時采用。 合理應用冒口、冷鐵等工藝措施合理應用冒口、冷鐵等工藝措施 冒口一般設置在鑄件厚冒口一般設置在鑄件厚壁和熱節(jié)部位，尺寸應保證壁和熱節(jié)部位，尺寸應保證比補縮部位晚凝固，并有足比補縮部位晚凝固，并有足夠的金屬液供給，形狀多為夠的金屬液供給，形狀多為園柱形。園柱形。 冷鐵通常是用鑄鐵、鋼冷鐵通常是用鑄鐵、鋼和銅等金屬材料制成的激冷和銅等金屬材料制成的激冷物，與冒口配合，可擴大冒物，與冒口配合，可擴大冒口的有效補縮距離?？诘挠行аa縮距離。（2）鑄造應力、鑄件的變形與裂紋 鑄造應力：鑄造應力分為熱應力和機械應力鑄造應力的形成熱應力：由于鑄件壁厚不均，各部分的冷卻速度不同而導致各部分收縮不一致引起

16、的鑄件內部應力。 階段（階段（t0t0t1t1）：）：、桿都處于塑性狀態(tài)，無應力桿都處于塑性狀態(tài)，無應力產生。產生。 階段（階段（t1t1t2t2）：）：桿為桿為塑性狀態(tài)，塑性狀態(tài)，桿為彈性狀態(tài)桿為彈性狀態(tài)，無應力產生。，無應力產生。 階段（階段（t2t2t3t3）：）：、桿都處于彈性狀態(tài)，桿都處于彈性狀態(tài)，桿受桿受拉，拉， 桿受壓。桿受壓。機械應力：機械應力：鑄件冷卻到鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，由于受到彈性狀態(tài)后，由于受到鑄型、型芯和澆、冒口鑄型、型芯和澆、冒口等的機械阻礙而產生的等的機械阻礙而產生的鑄件內部應力。一般都鑄件內部應力。一般都是拉應力。是拉應力。 減少和消除鑄造應力的方法減少和消除

17、鑄造應力的方法 采用采用“同時凝固同時凝固”原則；原則； 改善鑄型、型芯的退讓性，合理設置澆、冒口等；改善鑄型、型芯的退讓性，合理設置澆、冒口等； 采用能自由收縮的鑄件結構（形狀簡單，壁厚均勻）；采用能自由收縮的鑄件結構（形狀簡單，壁厚均勻）； 對鑄件進行時效處理，消除內應力。對鑄件進行時效處理，消除內應力。 鑄造應力使鑄件的精度和使用壽命大大降鑄造應力使鑄件的精度和使用壽命大大降低。在存放、加工或使用過程中鑄件內部的殘余低。在存放、加工或使用過程中鑄件內部的殘余應力將重新分布，使鑄件發(fā)生變形或裂紋。應力將重新分布，使鑄件發(fā)生變形或裂紋。 鑄件的變形與裂紋鑄件的變形與裂紋鑄件的變形鑄件的變形

18、由于鑄件冷卻快的由于鑄件冷卻快的部分受拉應力，冷卻慢部分受拉應力，冷卻慢的部分受壓應力，因此，鑄件厚的部的部分受壓應力，因此，鑄件厚的部分向內凹，薄的部分向外凸。如：床分向內凹，薄的部分向外凸。如：床身鑄件的變形。身鑄件的變形。 對厚薄均勻的平板鑄件，中心部對厚薄均勻的平板鑄件，中心部位冷卻慢受拉應力，周邊受壓應力，位冷卻慢受拉應力，周邊受壓應力，且上面比下面冷卻快，因此中間向外且上面比下面冷卻快，因此中間向外凸。凸。變形的原因：變形的原因：處于應力狀態(tài)的鑄件不穩(wěn)定，將通過處于應力狀態(tài)的鑄件不穩(wěn)定，將通過變形來減小內應力，逐漸趨于穩(wěn)定。變形來減小內應力，逐漸趨于穩(wěn)定。防止鑄件變形的方法：防止鑄

19、件變形的方法： 盡量減少鑄件內應力；盡量減少鑄件內應力； 使鑄件結構對稱，內應力互相平衡而不易變形；使鑄件結構對稱，內應力互相平衡而不易變形； 采用反變形法以補償鑄件變形；采用反變形法以補償鑄件變形； 在鑄件上設置拉筋來承受一部分應力，待鑄件經熱在鑄件上設置拉筋來承受一部分應力，待鑄件經熱處理后再去掉。處理后再去掉。 鑄件的裂紋鑄件的裂紋熱裂熱裂產生：產生：凝固末期，金屬的強度和塑性都很低，若鑄件收縮受阻產凝固末期，金屬的強度和塑性都很低，若鑄件收縮受阻產生的很小應力也能超過該溫度下金屬的強度，即發(fā)生熱裂。熱生的很小應力也能超過該溫度下金屬的強度，即發(fā)生熱裂。熱裂分布在應力集中部位或熱節(jié)處。裂

20、分布在應力集中部位或熱節(jié)處。防止：防止：采用合理的鑄件結構；改善鑄型、型芯的采用合理的鑄件結構；改善鑄型、型芯的 退讓性；內澆口設置應符合退讓性；內澆口設置應符合“同時凝固同時凝固”原則；減少硫含量等。原則；減少硫含量等。冷裂冷裂產生：產生：在較低的溫度下，由于熱應力和機械應力的綜合作用，使在較低的溫度下，由于熱應力和機械應力的綜合作用，使鑄件的應力大于金屬的強度極限而產生冷裂。冷裂往往出現(xiàn)在鑄件的應力大于金屬的強度極限而產生冷裂。冷裂往往出現(xiàn)在鑄件受拉應力的部位，尤其是應力集中處。鑄件受拉應力的部位，尤其是應力集中處。防止：防止：盡量減小鑄造內應力；降低材料的脆性，主要是減少盡量減小鑄造內應

21、力；降低材料的脆性，主要是減少S、P的含量；。的含量；。四. 合金的偏析和吸氣性 1. 合金的偏析 鑄件凝固時出現(xiàn)化學成分、金相組織不均勻 的現(xiàn)象稱為合金的偏析。偏析造成了鑄件性能的 不均勻，使鑄件整體的機械性能下降，并影響鑄 件的耐蝕性、氣密性和切削加工性。 （1）晶內偏析：同一個支晶內支桿和支葉的化學成分不均勻。 產生：結晶溫度范圍較大合金，結晶時，熔點較 高的成分先結晶，形成樹枝晶的枝干，而熔點較 低的成分則存于枝叉的空隙內或晶界上后結晶。影響：影響： 晶粒內機械性能不均勻，降低使用壽命；晶粒內機械性能不均勻，降低使用壽命； 晶粒內化學性能不均勻，降低抗蝕性；晶粒內化學性能不均勻，降低抗

22、蝕性；消除方法：消除方法： 使鑄件緩慢冷卻；使鑄件緩慢冷卻； 對鑄件進行長時間高溫擴散退火。對鑄件進行長時間高溫擴散退火。（2 2）密度偏析（）密度偏析（又稱區(qū)域偏析）又稱區(qū)域偏析） ：在凝固過程：在凝固過程 中，中，先結晶部分的密度與剩余液體的密度不同，化學成分不均先結晶部分的密度與剩余液體的密度不同，化學成分不均勻。勻。 消除方法：消除方法： 澆注時進行攪拌，使各部分密度均勻。澆注時進行攪拌，使各部分密度均勻。 2. 2. 吸氣性：合金在熔煉和澆注時吸收氣體的性能。吸氣性：合金在熔煉和澆注時吸收氣體的性能。 氣體在鑄件中形成的的孔洞是氣孔。它破壞氣體在鑄件中形成的的孔洞是氣孔。它破壞了金屬的連續(xù)性，減少了有效承載面積，并且在了金屬的連續(xù)性，減少了有效承載面積，并且在氣孔附近引起應力集中，從而降低了鑄件的機械氣孔附近引起應力集中，從而降低了鑄件的機械性能，尤其是沖擊韌性和疲勞強度。彌散性氣孔性能，尤其是