金屬工藝學(xué)：2-1 鑄造工藝基礎(chǔ)

1、2.1 鑄造工藝基礎(chǔ) 2.1.1 液態(tài)合金的充型2.1.2 鑄件的凝固與收縮2.1.3 鑄造內(nèi)應(yīng)力2.1.4 變形和裂紋2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制作業(yè)2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.1 液態(tài)合金的充型 1.液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及充型 （1）液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì):液態(tài)金屬是通過加熱將金屬由固態(tài)融化為熔融狀態(tài)而得到的。由于鑄造生產(chǎn)中得到的液體金屬過熱度不高（一般高于熔點(diǎn)100300），這種液態(tài)金屬接近固態(tài)而遠(yuǎn)離氣態(tài)。（2）液態(tài)合金的充型:熔化合金填充鑄型的過程，簡稱充型。熔融合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整，輪廓清晰鑄件的能力，稱合金的充型能力。2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.1 液態(tài)合金的充型 螺旋形標(biāo)準(zhǔn)

2、試樣 合金的流動(dòng)性用澆注流動(dòng)性試樣的方法來衡量。流動(dòng)性試樣的種類很多，如螺旋形、球形、真空試樣等，應(yīng)用最多的是螺旋形試樣，如圖所示。 2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.1 液態(tài)合金的充型 （1）合金的流動(dòng)性： 1)合金的種類；2)合金的成分；3)雜質(zhì)與含氣量；（2）澆注條件： 1) 澆注溫度； 2) 充型壓力；（3）鑄型條件： 1) 鑄型的蓄熱能力； 2) 鑄型溫度 3) 鑄型中的氣體； 4) 鑄件結(jié)構(gòu)2.影響合金充型能力的主要因素2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 物質(zhì)從液態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)的過程稱為凝固。金屬凝固過程又稱為結(jié)晶。結(jié)晶包括形核和長大兩個(gè)基本過程。鑄件的凝固組織對金屬材料的力

3、學(xué)性能、物理性能影響甚大。一般情況下，晶粒越細(xì)小均勻，金屬材料的強(qiáng)度和硬度越高，塑性和韌性越好。影響鑄件凝固組織的因素有：成分、冷卻速度和形核條件等。1. 液態(tài)金屬的凝固2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 在鑄件凝固過程中，其斷面上一般存在三個(gè)區(qū)域，即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的,如圖所示。三種凝固方式： 逐層凝固、糊狀凝固和中間凝固。影響鑄件凝固方式的主要因素有合金的結(jié)晶溫度范圍和鑄件的溫度梯度 。 2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 表層 中心 表層 中心 表層 中

4、心溫度溫度溫度成分(a) (b) (c)t鑄件t鑄件t鑄件鑄件的凝固方式(a)逐層凝固 (b)中間凝固 (c)糊狀凝固溫度固相線液相線2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 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。合金的收縮量常用體收縮率和線收縮率來表示。 體收縮率： 線收縮率：2. 合金的收縮2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 合金的收縮可以分為三個(gè)階段 ：1）液態(tài)收縮。從澆注溫度冷卻到凝固開始溫度（液相線溫度）的收縮，即金屬在液態(tài)時(shí)由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。2）凝固收縮。從凝固開始溫度冷卻到凝固終止溫度（固相線溫度）的收縮，即熔

5、融金屬在凝固階段的體積收縮。3）固態(tài)收縮。從凝固終止溫度冷卻到室溫的收縮，即金屬在固態(tài)由于室溫降低而發(fā)生的體積收縮。2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 A n m B溫度成分t液溫度溫度體收縮率體收縮率mn 鑄造合金收縮過程示意圖a) 合金狀態(tài)圖 b) 一定溫度范圍合金 c) 共晶合金I液態(tài)收縮 II凝固收縮 III固態(tài)收縮a) b) c)2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.2 鑄件的凝固與收縮 影響收縮的因素主要有：1）化學(xué)成分：碳素鋼隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，凝固收縮增加，而固態(tài)收縮略減。硅碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，收縮率減小。硫阻礙石墨的析出，使鑄鐵的收縮率增加。適量的錳可與硫合成MnS，抵消

6、對石墨的阻礙作用，使收縮率減小。但含錳量過高，鑄鐵的收縮率又有增加。2）澆注溫度：澆注溫度越高，過熱度越大，合金的液態(tài)收縮增加。3）鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件。 2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.3 鑄造內(nèi)應(yīng)力 鑄造內(nèi)應(yīng)力：鑄件在凝固、冷卻過程中，由于各部分體積變化不一致、彼此制約而使其固態(tài)收縮受到阻礙引起的內(nèi)應(yīng)力，稱鑄造應(yīng)力。按阻礙收縮原因的不同，鑄造內(nèi)應(yīng)力分為熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力。鑄件各部分由于冷卻速度不同、收縮量不同而引起的阻礙稱為熱阻礙，由熱阻礙引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。鑄型、型芯對鑄件收縮的阻礙，稱機(jī)械阻礙。由機(jī)械阻礙引起的應(yīng)力稱收縮應(yīng)力（機(jī)械應(yīng)力）。 2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.3 鑄造內(nèi)應(yīng)力 1. 熱

7、應(yīng)力 熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均，各部分收縮受到熱阻礙而引起的。落砂后熱應(yīng)力仍存在于鑄件內(nèi)，屬于殘留應(yīng)力。 熱應(yīng)力的形成+表示拉應(yīng)力 表示壓應(yīng)力塑性狀態(tài)彈性狀態(tài)溫度t固t臨t0t1 t2 t3a) b) c) d)2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.3 鑄造內(nèi)應(yīng)力 2. 機(jī)械應(yīng)力 鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱機(jī)械應(yīng)力。 一般鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，收縮受阻都會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力常表現(xiàn)為拉應(yīng)力，與鑄件部位無關(guān)。形成原因一經(jīng)消除（如鑄件落砂或去除澆口后），機(jī)械應(yīng)力也隨之消失，因此機(jī)械應(yīng)力是一種臨時(shí)應(yīng)力。2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.3 鑄造內(nèi)應(yīng)力 2. 減少和消除鑄造應(yīng)

8、力的措施 1）合理地設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)。 2）盡量選用線收縮率小、彈性模量小的合金。 3）采用同時(shí)凝固的工藝。 4）設(shè)法改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆冒口等。 5）對鑄件進(jìn)行時(shí)效處理是消除鑄造應(yīng)力的有效措施。 2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.4 變形和裂紋 1. 鑄件的變形 對于厚薄不勻、界面不對稱及具有細(xì)長特點(diǎn)的桿件、板類及輪類等鑄件，當(dāng)殘留鑄造應(yīng)力超過鑄件材料的屈服點(diǎn)時(shí)，往往產(chǎn)生翹曲變形。 框架鑄件的變形T形梁的變形2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.4 變形和裂紋 2. 鑄件的裂紋（1）熱裂：熱裂是鑄件在凝固后期，在接近固相線的高溫下形成的。熱裂的形狀特征是：裂紋短，縫隙寬，形狀彎曲，縫內(nèi)呈氧化色。

9、 防止熱裂的措施有：盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機(jī)械應(yīng)力。合理設(shè)計(jì)澆道冒口。對于鑄鋼件和鑄鐵件，嚴(yán)格控制硫的含量，防止熱脆性。2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.4 變形和裂紋 2. 鑄件的裂紋（2）冷裂： 冷裂是在較低溫度下，由于熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力的綜合作用，鑄件內(nèi)應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。 冷裂多出現(xiàn)在鑄件受拉應(yīng)力的部位，尤其是具有應(yīng)力集中處。 冷裂的特征是：裂紋細(xì)小，成連續(xù)直線狀，縫內(nèi)有金屬光澤或金屬氧化色。凡是減小鑄件內(nèi)應(yīng)力或減低合金脆性的因素均能防止冷裂。2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 1縮松和縮孔 鑄型內(nèi)的熔融合金在凝固過程中

10、，由于液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補(bǔ)充，在鑄件最后凝固部位將形成孔洞。按孔洞的大小和分布可分為縮孔和縮松。大而集中的空洞稱為縮孔；細(xì)小而分散的空洞稱為縮松。 收縮是造成縮孔、縮松、應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因。充型能力不好，鑄件易產(chǎn)生澆不到、冷隔、氣孔、夾雜、縮孔、熱裂等缺陷。 2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 縮孔形成過程示意圖a)填充鑄型 b) 凝固 c) 收縮 d) 縮孔 e) 輪廓尺寸減小 a) b) c) d) e)澆口2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 縮松形成過程示意圖凝固前沿同時(shí)凝固區(qū)縮松a) b) c)2.1 鑄造工藝基礎(chǔ)2.1.5 鑄件的質(zhì)量控制 2縮孔和縮松的防止（1）按照定向凝固原則進(jìn)行凝固：定向凝固原則是指采用各種工藝措施，使鑄件上從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個(gè)逐漸遞增的溫度梯度，從而實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)離冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。（2）合理地確定內(nèi)澆道位置及澆注工藝：內(nèi)澆道的引入位置對鑄件的溫度分布有明顯的影響，應(yīng)按照定向凝固的原則確定。例如內(nèi)澆道應(yīng)從鑄件厚實(shí)處引入，盡可能靠近冒口