第7章鑄造工藝基礎(chǔ)

熱加工工藝基礎(chǔ)1金屬材料導(dǎo)論2金屬液態(tài)成形（鑄造）3金屬塑性成形（金屬壓力加工）4金屬連接成形（焊接）熱加工工藝2/1/2023第2篇金屬的液態(tài)成形

（鑄造）鑄造工藝基礎(chǔ)鑄件生產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鑄造工藝1234工藝性能★鑄造的發(fā)展史2/1/2023什么是金屬的液態(tài)成形:金屬的液態(tài)成形的方法:

金屬的液態(tài)成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按鑄型材料的不同，金屬液態(tài)成形可分為砂型鑄造和特種鑄造（包括壓力鑄造、金屬型鑄造等）.其中砂型鑄造是最基本的液態(tài)成形方法，所生產(chǎn)的鑄件要占鑄件總量的80%以上.將熔煉好的液態(tài)金屬澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的工藝方法,亦稱(chēng)鑄造.工藝過(guò)程簡(jiǎn)介2/1/2023砂型鑄造過(guò)程2/1/2023鑄造的優(yōu)點(diǎn)適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯1對(duì)材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制2成本低，原材料來(lái)源廣，價(jià)格低廉,一般不需要昂貴的設(shè)備3對(duì)于某些塑性很差的材料(如鑄鐵等)是制造其毛坯或零件的唯一成型工藝42/1/2023鑄造的缺點(diǎn)工藝過(guò)程比較復(fù)雜，一些工藝過(guò)程還難以控制1液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差2液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定3由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類(lèi)材料的塑性成形低42/1/2023第7章

鑄造工藝基礎(chǔ)教學(xué)要求：

1.要重點(diǎn)掌握鑄造合金液體的流動(dòng)性及其影響因素；

2.縮孔與縮松的產(chǎn)生與防止；

3.鑄造應(yīng)力、變形與裂紋的產(chǎn)生與防止。

4.掌握鑄件質(zhì)量的綜合控制方法。

7.2鑄造合金的凝固與收縮7.1液態(tài)合金的充型7.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋7.4鑄件的氣孔與偏析（自學(xué)）教學(xué)內(nèi)容液態(tài)合金的工藝性能鑄造性能通常是指合金的流動(dòng)性、收縮性吸氣性及偏析等性能合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的鑄造工藝方案及進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)2/1/2023

7.1液態(tài)合金的充型能力液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型型腔，獲得形狀準(zhǔn)確、輪廓清晰的成型件的能力充型能力的概念:充型能力不足

澆不足

冷隔夾砂氣孔夾渣鑄造工藝基礎(chǔ)氣孔缺陷2/1/2023測(cè)試合金流動(dòng)性的方法:

如右圖,將合金液澆入鑄型中，冷凝后測(cè)出充滿(mǎn)型腔的式樣長(zhǎng)度。澆出的試樣越長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性越好,合金充型能力越好幾種不同合金流動(dòng)性的比較*鑄鋼的流動(dòng)性*鑄鐵的流動(dòng)性7.1.1合金流動(dòng)性對(duì)充型能力的影響鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023合金的種類(lèi):

合金不同流動(dòng)性不同

化學(xué)成分：同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，流動(dòng)性也不同。鑄造工藝基礎(chǔ)結(jié)晶特性:恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差合金流動(dòng)性的決定因數(shù)2/1/20237.1.2澆注條件對(duì)充型能力的影響澆注條件澆注溫度充型壓力澆注系統(tǒng)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過(guò)熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，充型能力強(qiáng)。液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力稱(chēng)為充型壓力。充型壓力越大,充型能力越強(qiáng)。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。7.1.3鑄型條件對(duì)充型能力的影響鑄型蓄熱系數(shù):即從液態(tài)金屬中吸取熱量并儲(chǔ)存的能力鑄型溫度(不能過(guò)高)鑄型的發(fā)氣和透氣能力：鑄型發(fā)氣能力過(guò)強(qiáng),透氣能力又差時(shí),若澆鑄速度太快,則型腔中的氣體壓力增大，充型能力減弱。鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/20237.1.4鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)充型能力的影響折算厚度：

折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù),是鑄件體積與鑄件表面積之比。折算厚度越大，熱量散失越慢，充型能力就越好。鑄件壁厚相同時(shí)，垂直壁比水平壁更容易充填.(大平面鑄件不易成形)復(fù)雜程度：

鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力就越大，鑄型的充填就越困難。找到了影響因素，就可提出改進(jìn)或提高合金充填能力的措施鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023什么是金屬的液態(tài)成形？鑄造的優(yōu)缺點(diǎn)7.1液態(tài)合金的充型充型能力不足——澆不足、冷隔、夾砂、夾渣、氣孔、合金的流動(dòng)性合金的種類(lèi):

合金不同流動(dòng)性不同化學(xué)成分：同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，流動(dòng)性也不同。澆注條件：澆注溫度、充型壓力、澆注系統(tǒng)鑄型性質(zhì)：鑄型蓄熱系數(shù)、鑄型溫度、鑄型的發(fā)氣和透氣能力鑄件結(jié)構(gòu)：折算厚度、復(fù)雜程度找到了影響因素，就可提出改進(jìn)或提高合金充填能力的措施2/1/20231.液態(tài)合金的充型能力與合金的流動(dòng)性有何關(guān)系?2.不同化學(xué)成分的合金為何流動(dòng)性不同?3.如何提高合金液的充填能力？思考題2/1/20237.2液態(tài)金屬的凝固與收縮7.2.1鑄件的凝固

在鑄件的凝固過(guò)程中，截面一般存在三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。對(duì)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(lái)劃分的。凝固方式有：

逐層凝固中間凝固糊狀凝固鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/20237.2.2合金的收縮

合金的收縮過(guò)程:

合金從液態(tài)冷卻至室溫的過(guò)程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來(lái)許多困難，會(huì)造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松、應(yīng)力、裂紋、變形等）。1合金收縮的三個(gè)階段液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮什么結(jié)果？鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023結(jié)果：合金收縮固態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮凝固收縮縮孔:恒溫下結(jié)晶縮松:兩相區(qū)結(jié)晶固態(tài)收縮裂紋變形應(yīng)力縮孔、縮松、應(yīng)力、裂紋、變形等。線(xiàn)收縮2/1/20237.2.3縮孔與縮松的形成縮孔的形成:

純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金,澆注后在型腔內(nèi)是由表及里的逐層凝固。在凝固過(guò)程中，如得不到合金液的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的地方就會(huì)產(chǎn)生縮孔.鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023縮松的形成原因:

鑄件最后凝固的收縮未能得到補(bǔ)充，或者結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹(shù)枝晶發(fā)達(dá)，枝晶骨架將合金液分割開(kāi)的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所致。結(jié)論：純金屬、共晶成分（逐層凝固）和凝固溫度范圍窄的合金易產(chǎn)生縮孔；凝固區(qū)域較寬（糊狀凝固）的合金易產(chǎn)生縮松2/1/2023縮孔與縮松的形成演示縮孔易出現(xiàn)的部位2/1/2023定向凝固原則是鑄件讓遠(yuǎn)離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。實(shí)現(xiàn)以厚補(bǔ)薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去。原則合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝。方法合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等工藝措施。消除縮孔和縮松的方法A等溫線(xiàn)法B內(nèi)切圓法判斷縮孔出現(xiàn)的方法2/1/2023解決縮孔的方法演示冒口和冷鐵定向凝固原則2/1/20231.合金的收縮分為哪幾個(gè)階段?影響的因素有哪些?2.縮孔和縮松是如何形成的，對(duì)鑄件質(zhì)量有何影響，怎樣防止或減小它們的危害?思考題2/1/20237.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力變形裂紋鑄件在凝固和冷卻的過(guò)程中，由于鑄件的壁厚不均勻，導(dǎo)致不同部位不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。鑄件在固態(tài)收縮時(shí)，因受到鑄型、型芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。殘余熱應(yīng)力的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定狀態(tài)，將自發(fā)地通過(guò)鑄件的變形來(lái)緩解其應(yīng)力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)熱應(yīng)力大到一定程度會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋(熱裂紋與冷裂紋）。鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/20237.3.1鑄造熱應(yīng)力的形成過(guò)程分析t0——t1

高溫階段，塑性狀態(tài)，塑性變形消除t1——t2

Ⅱ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ塑性狀態(tài)，Ⅱ桿受拉應(yīng)力，Ⅰ受壓應(yīng)力，Ⅰ塑性變形消除t2——t3

Ⅰ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ比Ⅱ溫度高，Ⅰ收縮大于Ⅱ，Ⅰ收縮受Ⅱ的阻礙，產(chǎn)生拉應(yīng)力鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023

1機(jī)械應(yīng)力形成過(guò)程機(jī)械應(yīng)力：應(yīng)適時(shí)開(kāi)箱加以解決。機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用，當(dāng)大于材料的強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)導(dǎo)致裂紋的形成,

2/1/2023

2減小和消除鑄造應(yīng)力的方法

鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件各部分能自由收縮

工藝方面：采用同時(shí)凝固原則時(shí)效處理：人工時(shí)效；自然時(shí)效鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對(duì)稱(chēng)鑄件的壁厚盡可能均勻2/1/2023

LL+AAF+APLdL'd退火：降低硬度，便于機(jī)加工。消除應(yīng)力。淬火：獲得馬氏體（M)組織。高硬度正火：用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理回火：主要是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性，防止產(chǎn)生裂紋金屬的液態(tài)成形（鑄造）鐵碳合金狀態(tài)圖在工程中的應(yīng)用2/1/20237.3.2鑄件的變形結(jié)論：最后凝固厚部、心部受拉應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)凹變形。

薄部、表面受壓應(yīng)力，出現(xiàn)外凸變形。原因鑄造工藝基礎(chǔ)受壓伸長(zhǎng)、受拉縮短2/1/2023鑄件的變形的消除方法

防止變形的方法：與防止應(yīng)力的方法基本相同。帶有殘余應(yīng)力的鑄件，變形使殘余應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定。問(wèn)題分析有長(zhǎng)、短不一的兩根彈簧，將其固定，使其達(dá)到同等長(zhǎng)度，即其中一彈簧被拉長(zhǎng)，另一彈簧被壓縮，此時(shí)所受的應(yīng)力狀態(tài)？然后將其固定約束去掉，試分析其變形趨勢(shì)？

將一長(zhǎng)度為的圓柱體鑄件：

1）將中間鉆一通孔；

2）將外表面車(chē)掉一層；問(wèn)：在這兩種情況下其長(zhǎng)度會(huì)發(fā)生什么變化？若將應(yīng)力框中間的粗桿沿中間鋸斷：?jiǎn)枺簯?yīng)力框中間的間隙會(huì)發(fā)生什么變化？只有原來(lái)受拉伸部分產(chǎn)生壓縮變形、受壓縮部分產(chǎn)生拉伸變形，才能使殘余應(yīng)力減少或消除。2/1/2023

7.3.3鑄件的裂紋

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過(guò)金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件便產(chǎn)生裂紋，裂紋是嚴(yán)重的鑄造缺陷，必須設(shè)法防止。1熱裂——熱裂一般分布在應(yīng)力集中部位(尖角或斷面突變處)或熱節(jié)處。鑄鋼件結(jié)構(gòu)對(duì)熱裂的影響鑄造工藝基礎(chǔ)防止方法熱裂——改善鑄型和型芯的退讓性，減小澆、冒口對(duì)鑄件收縮的機(jī)械阻礙，內(nèi)澆口設(shè)置應(yīng)符合同時(shí)凝固原則，此外減少合金中有害雜質(zhì)硫、磷含量，可提高合金高溫強(qiáng)度。特別是硫增加合金的熱脆性，使熱裂傾向大大提高。2/1/2023冷裂

——是鑄件處于彈性狀態(tài)即在低溫時(shí)形成的裂紋。輪形鑄件的冷裂防止方法：冷裂——盡量減小鑄造應(yīng)力。①把內(nèi)澆口開(kāi)在薄的輪輻處，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)凝固。②較早打箱，以去除鑄型對(duì)收縮的阻礙，打箱后立即用砂子埋好鑄件，使其緩慢冷卻。③修改結(jié)構(gòu)，加大輪輻和輪緣的連接圓角，以增加強(qiáng)度和減少應(yīng)力集中。如何判別冷裂紋與熱裂紋？2/1/2023縮孔與縮松的形成純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金

逐層凝固

縮孔

凝固區(qū)域較寬的合金

糊狀凝固縮松消除縮孔和縮松的方法定向凝固原則原則合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝。方法合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補(bǔ)貼等工藝措施。內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力鑄件的壁厚不均勻，導(dǎo)致不同部位不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。鑄件在固態(tài)收縮時(shí)受阻變形與裂紋熱應(yīng)力的形成過(guò)程分析熱應(yīng)力的消除方法鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件各部分能自由收縮工藝方面：采用同時(shí)凝固原則時(shí)效處理：人工時(shí)效；自然時(shí)效鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)鑄件壁厚均勻鑄件變形的判定厚部、心部受拉應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)凹變形。

薄部、表面受壓應(yīng)力，出現(xiàn)外凸變形。2/1/2023小結(jié)合金工藝性能充型能力凝固方式應(yīng)力與變形流動(dòng)性澆注條件鑄型條件逐層凝固糊狀凝固中間凝固收縮性能液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮2/1/20237.4鑄件的氣孔與偏析

7.4.1鑄件的氣孔1侵入氣孔

——侵入氣孔是由于砂型表面層聚集的氣體侵入金屬液中而形成的氣孔。特征：多位于上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔的內(nèi)表面被氧化。2析出氣孔

——溶解于金屬液中的氣體在冷凝過(guò)程中，因氣體溶解度下降而析出，鑄件因此而形成的氣孔稱(chēng)為析出氣孔。水幕對(duì)氣流的影響2/1/20233反應(yīng)氣孔

——澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料