鑄造合金材料及其鑄造性能（課堂PPT）

1、1金屬工藝學(xué)金屬工藝學(xué) 鑄造基礎(chǔ)鑄造基礎(chǔ)史曉帆2第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第二節(jié)第二節(jié) 鑄造的工藝基礎(chǔ)鑄造的工藝基礎(chǔ)第三節(jié)第三節(jié) 砂型鑄造砂型鑄造第四節(jié)第四節(jié) 砂型鑄造的缺陷砂型鑄造的缺陷第二章第二章 鑄鑄 造造3司母戊鼎是中國目前已發(fā)現(xiàn)的最重的青銅器。司母戊鼎含銅84.77、錫11.64、鉛27.9。充分顯示出商代青銅鑄造業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模和技術(shù)水平。 4秦陵銅車馬嚴格按真車馬的制作 。造型精美，比例恰當(dāng)，裝飾華麗，工藝精湛，形體龐大，所以很多專家學(xué)者把它稱之為“青銅之冠”。 5馬踏飛燕1969年，在甘肅武威出土。中年，在甘肅武威出土。中國雕塑史上的不朽之作。國雕塑史上的不朽之作。1984年，定為中

2、國旅游標(biāo)志圖年，定為中國旅游標(biāo)志圖形。形。2002年，年， “馬踏飛燕馬踏飛燕”的仿制的仿制品作為國禮贈布什。品作為國禮贈布什。67鑄造的生產(chǎn)特點：鑄造的生產(chǎn)特點：形狀相似、尺寸相近形狀相似、尺寸相近復(fù)雜外形、復(fù)雜內(nèi)腔復(fù)雜外形、復(fù)雜內(nèi)腔尺寸、重量幾乎不受限制尺寸、重量幾乎不受限制手工造型適應(yīng)單件或小批量生產(chǎn)手工造型適應(yīng)單件或小批量生產(chǎn)機器造型適應(yīng)批量生產(chǎn)機器造型適應(yīng)批量生產(chǎn) 鑄造的生產(chǎn)特點鑄造的生產(chǎn)特點 鑄造生產(chǎn)的缺點：鑄造生產(chǎn)的缺點：生產(chǎn)過程復(fù)雜、廢品率高生產(chǎn)過程復(fù)雜、廢品率高鑄件晶粒粗大鑄件晶粒粗大硬度低，塑性、韌性差硬度低，塑性、韌性差縮孔、縮松、變形、裂紋多縮孔、縮松、變形、裂紋多89

3、10鑄件的生產(chǎn)過程 鋼鐵生產(chǎn)過程 鑄造金屬熔煉 液態(tài)合金的工藝特性 縮孔與縮松 鑄造應(yīng)力、變形、裂紋11鋼鐵生產(chǎn)過程 鋼鐵的生產(chǎn)過程是一個由鐵礦石煉成生鐵、再由生鐵煉成鋼液并澆注成鋼錠的過程。1 煉鐵煉鐵 煉鐵在高爐中進行，其過程為：加料、加熱、化學(xué)反應(yīng) 煉鐵的產(chǎn)品有： 煉鋼生鐵用來煉鋼 鑄造生鐵用來鑄造2 煉鋼煉鋼 將生鐵中多余的碳和其它雜質(zhì)氧化成氧化物，并使其隨爐氣或爐渣一起去除。 煉好的鋼液，部分澆入連續(xù)鑄錠機，鑄成“鋼坯”直接用來軋制鋼材 部分澆注到鋼錠模內(nèi)鑄成一定形狀和尺寸的鋼錠12爐渣的密度小，浮在鐵液之上爐渣的密度小，浮在鐵液之上爐渣和鐵液分別從高爐下部的出口排出爐渣和鐵液分別從

4、高爐下部的出口排出比例配成爐料，由加料車送入爐內(nèi)，形成料柱比例配成爐料，由加料車送入爐內(nèi)，形成料柱9001200的熱風(fēng)，使焦碳燃燒的熱風(fēng)，使焦碳燃燒13鑄造金屬熔煉鑄造金屬熔煉 熔煉是液態(tài)金屬鑄造成形技術(shù)過程中的一個重要環(huán)節(jié)，與鑄件的品質(zhì)、生產(chǎn)成本、產(chǎn)量、能源消耗以及環(huán)境保護等密切相關(guān)。 在熔煉中，多種固態(tài)金屬的爐料（廢鋼、生鐵、回爐料、鐵合金、有色金屬等）按比例搭配裝入相應(yīng)的熔爐中加熱熔化，通過冶金反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成具有一定化學(xué)成分和溫度的符合鑄造成形要求的液態(tài)金屬。14金屬熔煉的幾種生產(chǎn)方式?jīng)_天爐！沖天爐！15 利用電極與金屬爐料之間電弧產(chǎn)生的熱能，通過輻射、傳導(dǎo)和對流傳遞給爐料，加熱、熔化固體

5、爐料，并使金屬液過熱，從而實現(xiàn)熔煉目標(biāo)的一種設(shè)備，主要用于鋼、鑄鐵的熔煉。（高熔點）電弧爐熔煉16感感應(yīng)應(yīng)電電爐爐熔熔煉煉感應(yīng)線圈通以交變電流，則因交變磁場的作用，使短路連接的金屬爐料產(chǎn)生強大的感應(yīng)電流，電流流動時，為克服金屬爐料表層的電阻面產(chǎn)生熱量，致使金屬爐料加熱熔化。17坩堝爐主要用于有色金屬的熔煉，如銅合金、鋁合金、鎂合金、低熔點軸承合金等。18澆注 金屬熔化后，液態(tài)金屬通過澆注系統(tǒng)充填鑄型型腔的過程稱為澆注過程。1.澆注壓力 （1）高壓215MPa，適用于薄的截面且對品質(zhì)要求高的鑄件 （2）低壓0.120.3MPa，金屬型鑄件。 （3）重力（常壓）普通鑄件2.澆注系統(tǒng) 澆注系統(tǒng)是鑄型

6、中液態(tài)金屬注入鑄型型腔的通道。澆注系統(tǒng)的主要功能： （1）將金屬液由澆包導(dǎo)入型腔。 （2）擋渣及排除鑄型型腔中的空氣及其它氣體。 （3）調(diào)節(jié)溫度分布，控制凝固順序。 （4）保證充型時間、壓力、速度。19澆注系統(tǒng)的組成直澆道：直澆道：錐度以保證流速，排出空氣橫澆道：橫澆道：將直澆道的金屬液分配至內(nèi)澆道內(nèi)澆道：內(nèi)澆道：將金屬液引入型腔將金屬液引入型腔 澆口杯：澆口杯：緩解金屬液沖蝕，阻擋熔渣20金屬液導(dǎo)入型腔的位置，澆注系統(tǒng)可分為底注式、頂注式、中注式、階梯式等，見下圖。 2122澆注的不同形式23澆注后的冷凝 澆注入鑄型型腔的液態(tài)金屬，隨溫度的降低，將經(jīng)歷由液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程，即冷凝過程。 金

7、屬的凝固過程金屬的凝固過程：晶核的形成和晶粒的長大。 金屬的冷凝的缺陷金屬的冷凝的缺陷：溶液體積收縮是導(dǎo)致鑄件在最后凝固部分產(chǎn)生縮孔、縮松的基本原因；而固態(tài)收縮是鑄件變形、產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和裂紋的主要原因。 避免縮孔、縮松措施避免縮孔、縮松措施： 合理放置冒口和冷鐵以保證鑄件質(zhì)量。 24液態(tài)合金的工藝性能液態(tài)合金的工藝性能工藝性能：指符合某種生產(chǎn)工藝要求所需要的性能。鑄造性能：液態(tài)合金在鑄造生產(chǎn)過程中所表現(xiàn)出來的工藝性能。 鑄造性能是表示合金鑄造成形獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。鑄造性能常用流動性、收縮性等來衡量。液態(tài)合金的流動性液態(tài)合金的流動性：液態(tài)合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，又稱

8、做“充型能力”。液態(tài)合金的流動性愈好液態(tài)合金的流動性愈好：易于鑄造出輪廓清晰，薄而形狀復(fù)雜的鑄件有助于液態(tài)合金在鑄型中收縮時得到補充，有利于液態(tài)合金中的氣體及非金屬夾雜物上浮與排除，否則易產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣和縮松等缺陷。25螺旋形試樣常用鑄造合金中，灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼最差常用鑄造合金中，灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼最差在相同的澆注工藝條件下，將金屬液澆入鑄型中，測出其實際螺旋線長度。澆出的試樣愈長，合金的流動性愈好！26常用合金的流動性（砂型，試樣截面88mm）合金種類鑄型種類澆注溫度（）螺旋線長度（mm）鑄鐵C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2

9、% C+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600鑄鋼C=0.4%砂型砂型16001640100200鋁硅合金（鋁硅明）鎂合金（含Al及Zn）錫青銅（Sn=10%,Zn=2%）硅黃銅（Si=1.54.5%）金屬型（300）砂型砂型砂型68072070010401100700800400600420100027 材料材料 澆注條件澆注條件 鑄型條件鑄型條件澆注溫度澆注溫度充型壓力充型壓力鑄型鑄型鑄型溫度鑄型溫度鑄型中氣體鑄型中氣體影響液態(tài)合金流動性的因素結(jié)晶越慢，流動性越好。結(jié)晶越慢，流動性越好。鐵碳合金隨鐵碳合金隨C C上升，流動性越好上升，流

10、動性越好溫度上升，粘度下降，充型能力強溫度上升，粘度下降，充型能力強薄壁鑄件、或流動性較差合金，薄壁鑄件、或流動性較差合金，澆注溫度提高，或充型壓力提高澆注溫度提高，或充型壓力提高材料：導(dǎo)熱快，冷卻快，流動性差材料：導(dǎo)熱快，冷卻快，流動性差壁厚：鑄件的壁厚必須大于規(guī)定的最壁厚：鑄件的壁厚必須大于規(guī)定的最小允許壁厚值小允許壁厚值 形狀：力求形狀簡單形狀：力求形狀簡單 28提高流動性的方法鑄型的特點鑄型的特點： 1 材料 鑄型材料的導(dǎo)熱快，液態(tài)合金的冷卻速度快，流動性差 液態(tài)合金在金屬型中的流動性比在砂型中差液態(tài)合金在金屬型中的流動性比在砂型中差；2 壁厚、形狀 鑄件壁厚過小，形狀復(fù)雜，會增加液態(tài)

11、合金的流動阻力，流動性差 設(shè)計鑄件時，鑄件的壁厚壁厚必須大于規(guī)定的最小允許壁厚值最小允許壁厚值，并力求形狀簡單澆注條件澆注條件： 型砂含水分多或鑄型透氣性差，會使?jié)沧r產(chǎn)生大量氣體且又不能及時排出，造成型腔內(nèi)氣體壓力增大氣體壓力增大，使液態(tài)合金流動的阻力增加，從而降低合金的流動性。 因此提高鑄型的透氣性，減少型砂的水分水分，多設(shè)出氣口出氣口等，有利于提高液態(tài)合金的流動性。29提高流動性的方法澆注溫度澆注溫度 澆注溫度愈高，液態(tài)合金的粘度愈低，液態(tài)合金的流動性提高。提高澆注溫度是生產(chǎn)中減少薄壁鑄件的澆不足、冷隔澆不足、冷隔等缺陷的重要措施。但澆注溫度過高，鑄件易產(chǎn)生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、粗晶等

12、缺陷。 在保證鑄件薄壁部分能充滿的前提下，澆注溫度不宜過高。各種合金的澆注溫度范圍是：鑄鐵為12301450；鑄鋼為15201620；鋁合金為680780。薄壁復(fù)雜件取上限，厚大件取下限。充型不足充型不足30合金收縮的概念 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，稱為收縮。收縮是合金的物理本性，是鑄件中縮孔、縮松、裂紋、變形、殘余應(yīng)力等缺陷產(chǎn)生的主要原因。液態(tài)金屬從澆注溫度冷卻到常溫，其收縮過程如圖所示的三個階段： 凝固收縮澆注溫度液相線固相線固態(tài)收縮液態(tài)收縮縮孔、縮松縮孔、縮松內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋31合金的收縮的影響因素合金的收縮與其化學(xué)成分、澆注溫度

13、、鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件有關(guān)。（1）化學(xué)成分 碳鋼隨含碳量增加，凝固溫度范圍擴大，收縮量隨之增大。（2）澆注溫度 澆注溫度愈高，過熱度愈大其液態(tài)收縮量增加（3）鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu) 1 鑄件在鑄型中是鑄型和型芯阻礙影響收縮受阻收縮 2 鑄件壁厚不同，壁在型內(nèi)所處的位置不同，其冷卻速度也不同。 3 冷凝時，鑄件各部分相互制約也會產(chǎn)生阻力。32縮孔和縮松 液態(tài)金屬在冷凝過程中，由于液態(tài)收縮和凝固收縮的結(jié)果，會在鑄件最后凝最后凝固固的部位形成孔洞。容積大而集中的孔洞稱為縮孔；細小分散的孔洞稱為縮松（1）縮孔的形成 縮孔常產(chǎn)生在鑄件的厚大部位厚大部位或上部最后凝固部位上部最后凝固部位，常呈倒錐狀，內(nèi)表面粗糙

14、先凝固先凝固區(qū)域堵住液體流動的通道，區(qū)域堵住液體流動的通道，后凝固后凝固區(qū)域收縮所縮減的容積區(qū)域收縮所縮減的容積得不到補充得不到補充。33縮松的形成 結(jié)晶溫度范圍寬結(jié)晶溫度范圍寬的合金易形成縮松，其形成的基本原因與縮孔相同，也是由于鑄件最后凝固區(qū)域得不到補充而形成的。 縮松形成過程示意圖縮松形成過程示意圖34縮孔和縮松的防止 縮孔和縮松都使鑄件的機械性能機械性能下降，縮松還可是鑄件因滲漏滲漏而報廢。因此，縮孔和縮松都屬鑄件的重要缺陷，必須根據(jù)技術(shù)要求、采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┯枰苑乐?。使鑄件實現(xiàn)“順序凝固順序凝固”，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒有縮孔的致密鑄件。 縮孔的厚大部位通過安放冒口冒口等工

15、藝措施，使鑄件從遠到近（冒口）部位依次凝固，后凝固部位的收縮，由冒口中的金屬液來補充。35冒口的作用 鑄型中能儲存一定金屬液，補償鑄件收縮以防止產(chǎn)生縮孔和縮松缺陷的空腔稱為冒口。 先遠后近：先遠后近： 在鑄件的厚大部位安放冒口，使鑄件遠離冒口的部位先凝固 36縮孔和縮松的防止冷鐵 冷鐵加快加快某些部位的冷卻冷卻速度，控制控制鑄件的凝固順序順序。鑄件上某些厚大部位增設(shè)冷鐵。由于冷鐵加快了該處的冷卻速度，使厚度較大的凸臺反而最先凝固，從而實現(xiàn)了自下而上的順序凝固，防止了凸臺處縮孔、縮松的產(chǎn)生。 先下后上：先下后上：在鑄件的底部安放冷鐵，使鑄件遠離冒口的部位先凝固 37縮孔產(chǎn)生的部位 正確地估計鑄件

16、上縮孔或縮松可能產(chǎn)生的部位是合理安設(shè)冒口和冷鐵的重要依據(jù)。在實際生產(chǎn)中，常以畫“凝固等溫線法”和“內(nèi)切圓法”近似地找出縮孔的部位，等溫線未曾通過的心部和內(nèi)切圓直徑最大處，易出現(xiàn)縮孔38順序凝固的應(yīng)用范圍 安放冒口和冷鐵，實現(xiàn)順序凝固，雖可有效的防止縮孔和縮松，但卻耗費許多金屬和工時，加大了鑄件成本。同時，順序凝固擴大了鑄件各部位的溫度差，促進了鑄件的變形和裂紋傾向。因此，主要用于必須收縮率大的合金，如鋁青銅、鋁硅合金和鑄鋼件等。 對于結(jié)晶溫度范圍甚寬的合金，結(jié)晶開始之后，發(fā)達的樹枝狀骨架布滿了整個截面，使冒口的補縮道路嚴重受阻，因而難以避免顯微縮松的產(chǎn)生。顯然，選用近共晶成分或結(jié)晶溫度范圍較窄的合金生產(chǎn)鑄件是適宜的。39縮孔的形成-動畫40定向凝固-動畫41鑄件的變形 對于厚薄不均勻、截面不對稱及具有細長特點的桿件類、板類及輪類等鑄件，當(dāng)殘余鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服強度時，產(chǎn)生翹曲變形?？蛐舞T件變形T形梁鑄鋼件變形措施：對長而易變形的鑄件，預(yù)先露出變形量的反變形量42第三節(jié) 鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋鑄件內(nèi)應(yīng)力鑄件內(nèi)應(yīng)力：熱應(yīng)力熱應(yīng)力 原因：鑄件壁厚不均勻、各部分冷卻速度不同 避免辦法:減少鑄件各部分