機(jī)械工程材料成型及工藝8

第9章鑄造緒論鑄造成形理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

合金的凝固與收縮

鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋鑄造合金的偏析和氣孔緒論1、何為鑄造？熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法，稱為鑄造。

砂型鑄造生產(chǎn)工藝流程圖2

鑄造生產(chǎn)的工藝流程

鑄造生產(chǎn)基本上由鑄型制備、合金熔煉及澆注、落砂及清理等三個相對獨(dú)立的工藝過程所組成。

3鑄造方法的分類鑄造砂型鑄造特種鑄造濕型鑄造干型鑄造表干型鑄造熔模鑄造金屬型鑄造離心鑄造壓力鑄造鑄鐵鑄造鑄鋼鑄造有色合金鑄造齒輪毛坯的砂型鑄造

砂型鑄造——以鑄造用型砂為主要原材料制成鑄型，且液態(tài)金屬完全靠重力充滿整個鑄型型腔形成鑄件的方法稱為砂型鑄造。4、鑄造優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1）可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜，特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件毛坯。如各種箱體、床身、機(jī)架等。

2）鑄造生產(chǎn)的適應(yīng)性廣，工藝靈活性大。工業(yè)上常用的金屬材料均可用來進(jìn)行鑄造，鑄件的重量可由幾克到幾百噸，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）鑄造用原材料大都來源廣泛，價格低廉，并可直接利用廢機(jī)件，故鑄件成本較低。缺點：

1）鑄造組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷，因此，鑄件的力學(xué)性能，特別是沖擊韌度低于同種材料的鍛件。

2）鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。5我國鑄造技術(shù)的發(fā)展

鑄造技術(shù)歷史悠久。三千年前,青銅器已有應(yīng)用,二千五百年前,鑄造工具已經(jīng)相當(dāng)普通。大量歷史文物顯示著我國古代人民在鑄造技術(shù)上的精湛創(chuàng)造:早在5000多年前,我們的祖先就能冶煉紅銅和青銅等合金,并鑄出了簡單的銅斧。早在4000年以前,我們的祖先就已開始和使用瓷器,到商代已經(jīng)有了高度發(fā)達(dá)的青銅冶煉和鑄造技術(shù),從河南安陽商代遺址出土的司母戊鼎提供了有力的證明；四羊方尊也是其中杰出的代表。河南安陽商遺址出土的司母戊鼎重達(dá)875kg,外形尺寸(133×78×110)cm,是迄今世界上最古老的大型青銅器.曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館。右圖為出土現(xiàn)場。巧奪天工的曾侯乙尊盤。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠(yuǎn)處望去似象牙雕刻樓空的叢花，邊緣許多層次和變化近看又是細(xì)長的盤龍上下游弋，各不相連，堪稱稀世珍品。戰(zhàn)國時代的“冰箱”——曾侯乙冰鑒明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元1418～1422年），中國現(xiàn)存最大的青銅鐘。銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。銅鐘合金成分為：銅80.54％、錫16.40％、鋁1.12％，為泥范鑄造?，F(xiàn)存北京大鐘寺。中國五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城開元寺前。五代后周廣順三年（953）鑄，獅身左肋鑄有“山東李云造”五字。鐵獅身長5.3米，高5.4米，寬3米，重約40噸，采用泥范明注式整體鑄成。獅身鑄有“獅子王”字樣，背馱蓮座，前胸及臀部飾束帶，發(fā)鬈曲呈波浪形，形態(tài)威武，作奔走狀。滄州鐵獅的歷史照片四羊方尊湖北當(dāng)陽鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三層，高16.945米,據(jù)銘文記載的鐵塔重七萬六千六百斤,當(dāng)時是就地設(shè)爐分層鑄造,采用堆土法而建起來,各層之間重疊擺放,沒有焊接,整個塔身玲瓏雋秀,從上到下,自里而外全生鐵澆鑄,僅塔剎在清代以青銅重鑄.江蘇吉鑫風(fēng)能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂鑄件，該產(chǎn)品采用無冒口鑄造工藝，可耐-40℃低溫，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量均達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。三峽700MW水輪機(jī)組配套的大型水輪機(jī)葉片在力學(xué)性能、表面質(zhì)量等方面均達(dá)世界一流水平

鑄造產(chǎn)品鑄造形成理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

合金的凝固與收縮

鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋鑄造合金的偏析和吸氣性一、流動性和充型能力（一）合金的流動性

1.流動性流動性是指熔融金屬的流動能力。

合金流動性的好壞，通常以“螺旋形流動性試樣”的長度來衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。2.流動性的影響因素

1）合金的種類

不同種類的合金，具有不同的螺旋線長度，即具有不同的流動性。其中灰鑄鐵的流動性最好，硅黃銅、鋁硅合金次之，而鑄鋼的流動性最差。2）化學(xué)成分和結(jié)晶特征純金屬和共晶成分的合金，凝固是由鑄件壁表面向中心逐漸推進(jìn)，凝固后的表面比較光滑，對未凝固液體的流動阻力較小，所以流動性好，見下圖a。在一定凝固溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的亞共晶合金，凝固時鑄件內(nèi)存在一個較寬的既有液體又有樹枝狀晶體的兩相區(qū)。凝固溫度范圍越寬，則枝狀晶越發(fā)達(dá)，對金屬流動的阻力越大，金屬的流動性就越差，見下圖b。不同結(jié)晶特征的合金的流動性

鐵碳合金羞的流動性盒與相圖的撲關(guān)系見下刪圖。圖中曲表明，純鐵和共晶鑄注鐵的流動蔬性最好讀，亞共借晶鑄鐵既和碳素抄鋼隨凝張固溫度真范圍的霸增加，竄其流動億性變差深。鐵碳合金盜的流動性技與相圖的架關(guān)系3）合雪金的物脈理性質(zhì)與合金獸有關(guān)的路物理性知質(zhì)有比柜熱容、強(qiáng)密度、洽導(dǎo)熱系禽數(shù)、結(jié)命晶潛熱幻玉和黏度張。液態(tài)書合金的肚比熱容喪和密度亦越大，謙導(dǎo)熱系硬數(shù)越小沙，凝固窄時結(jié)晶愉潛熱釋建放得越盲多，都藍(lán)能使合鋤金較長屠時間保攪持液態(tài)粗，因而練流動性忘越好；驅(qū)液態(tài)合簽金的黏粒度越小批，流動鼓時的內(nèi)何摩擦力命也就越勤小，流褲動性就坊越好。3）液務(wù)態(tài)合金嚇的溫度溫度越硬高，液豆態(tài)合金寬的流動享性就越鄰好，但豆如液態(tài)偷合金的雞溫度過蓄高，會阻導(dǎo)致合場金的氧忘化、吸派氣非常剛嚴(yán)重，絡(luò)使鑄件遞產(chǎn)生氣喇孔、夾內(nèi)渣、粘呢砂、縮秘松、縮膽孔等缺堆陷。（二）合疤金的充型擦能力1.袍充型能皂力概念：液豆態(tài)合金充飄滿鑄型型肆腔，獲得噸形狀完整友、輪廓清滋晰的鑄件橡的能力。獵合金的流垮動性是金優(yōu)屬本身的睜屬性，不折隨外界條腦件的改變城而變化，炊而合金的互充型能力賤不僅和金敞屬的流動耍性相關(guān)，滅而且也受債外界因素紗的影響。2.骨充型能艦力的影穩(wěn)響因素1）鑄笨型條件振a）鑄型愛的蓄熱濃能力即鑄型頁從金屬刃液中吸鞋收和儲先存熱量珍的能力刊。鑄型桿的熱導(dǎo)炊率和質(zhì)妄量熱容義越大，冬對液態(tài)區(qū)合金的遮激冷作竹用越強(qiáng)盲，合金遣的充型杠能力就瞎越差。2）澆注晚條件a）澆注養(yǎng)系統(tǒng)的結(jié)蛾構(gòu)；b）充態(tài)型壓力虛；c）澆注行溫度。b）鑄型溫度提高鑄型完溫度，可遇以降低鑄居型和金屬偏液之間的憶溫差，進(jìn)底而減緩了興冷卻速度牙，可提高征合金液的幕充型能力提。c）鑄型中誦的氣體鑄型中淹氣體越敏多，合白金的充散型能力鍋就越差方。d)鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)寨越復(fù)雜，祥鑄件壁厚剃越薄，液僅態(tài)金屬充槐型越困難兄。二合柿金的凝哲固與收迫縮（一）億鑄件的肚凝固方定式及影廳響因素1.鑄帆件的凝固止方式（1）蜻逐層凝漂固方式籍合采金在凝本固過程勸中其斷因面上固萍相和液練相由一緣瑞條界線罪清楚地側(cè)分開，鼓這種凝緞固方式窯稱為逐駕層凝固蚊。常見當(dāng)合金如樸灰鑄鐵民、低碳禍鋼、工川業(yè)純銅跌、工業(yè)表純鋁、夏共晶鋁栗硅合金朗及某些楊黃銅都幸屬于逐言層凝固益的合金膏。（2）帶糊狀凝每固方式音合金在孫凝固過勤程中先賞呈糊狀蠻而后凝其固，這送種凝固限方式稱沫為糊狀補(bǔ)凝固。咱球墨鑄引鐵、高蠻碳鋼、嚇錫青銅合和某些恭黃銅等橫都是糊草狀凝固層的合金向。（3）中個間凝固方見式大多數(shù)喂合金的相凝固介咳于逐層悄凝固和山糊狀凝辣固之間范，稱為根中間凝洽固方式矮。中碳只鋼、高維錳鋼、罪白口鑄銅鐵等具陡有中間極凝固方滾式。鑄件的凝辯固方式2.娘凝固方徐式的影痕響因素（1）疊合金凝單固溫度言范圍的彩影響腥合召金的液傳相線和苗固相交損叉在一熟起，或耽間距很魄小，則京金屬趨欄于逐層爭凝固；主如兩條贊相線之天間的距扔離很大化，則趨罪于糊狀快凝固；剃如兩條計相線間橋距離較瞇小，則漆趨于中欠間凝固半方式。（2）乎鑄件溫尸度梯度姜的影響駛增大溫家度梯度較，可以嫂使合金陰的凝固假方式向昏逐層凝芳固轉(zhuǎn)化假；反之辦，鑄件恭的凝固揭方式向囑糊狀凝傻固轉(zhuǎn)化販。二）聞鑄造合咳金的收仁縮鑄造合簽金從液濤態(tài)冷卻交到室溫削的過程叔中，其廟體積和將尺寸縮犧減的現(xiàn)嫩象稱為絕收縮。勉它主要皆包括以稼下三個五階段：1.液櫻態(tài)收縮金屬在席液態(tài)時偶由于溫矩度降低昏而發(fā)生廣的體積己收縮。2.凝甚固收縮熔融金屬遠(yuǎn)在凝固階勝段的體積肯收縮。液態(tài)收縮征和凝固收紀(jì)縮是鑄件濁產(chǎn)生縮孔符和縮松的蘿基本原因。3.固態(tài)宮收縮金屬在固疊態(tài)時由于沿溫度降低生而發(fā)生的賓體積收縮能。固態(tài)收漂縮對鑄件疊的形狀和講尺寸精度霞影響很大陽，是鑄造應(yīng)返力、變形篩和裂紋等屈缺陷產(chǎn)生瀉的基本原日因。（三）侄影響合金懂收縮的因包素1.匠化學(xué)成闖分不同成分泡的合金其貨收縮率一上般也不相切同。在常堆用鑄造合援金中鑄鋼織的收縮最集大，灰鑄庫鐵最小。2.訪澆注溫喪度合金澆注茅溫度越高知，過熱度夢越大，液棍體收縮越久大。3.掠鑄件結(jié)恥構(gòu)與鑄刺型條件鑄件冷卻判收縮時，之因其形狀裕、尺寸的催不同，各呢部分的冷桃卻速度不軌同，導(dǎo)致掉收縮不一賊致，且互牧相阻礙，嶼又加之鑄葬型和型芯抓對鑄件收把縮的阻力纏，故鑄件悲的實際收烈縮率總是嘗小于其自利由收縮率爽。這種阻婆力越大，懇鑄件的實作際收縮率閉就越小。（四）收摘縮對鑄件惡質(zhì)量的影秤響1.縮酬孔和縮松隸（1違）縮孔的起形成飽縮孔總是將出現(xiàn)在鑄蓮件上部或容最后凝固損的部位，撕其外形特肉征是：內(nèi)攝表面粗糙旗，形狀不污規(guī)則，多舞近于倒圓元錐形。通蠅?？s孔隱紅藏于鑄件暖的內(nèi)部，猜有時經(jīng)切素削加工才鑼能暴露出摸來?？s孔流形成的主打要原因是拋液態(tài)收縮疼和凝固收眉縮?？s孔盛形成過程心見下圖?？s孔形成治過程示意葡圖（2）劉縮松的幅形成宏觀縮松糕多分布在右鑄件最后把凝固的部徹位，顯微鄙縮松則是疤存在于在濱晶粒之間示的微小孔閥洞，形成蛙縮松的主總要原因也往是液態(tài)收肯縮和凝固撤收縮所致墓?？s松形夏成過程見競下圖?？s松形成彼過程示意塊圖（3）縮掉孔、縮松思的防止措旨施

a）錘采用定向地凝固的原討則所謂銷定向凝固功或順序凝蠻固，是使歸鑄件按規(guī)射定方向從址一部分到齒另一部分猶逐漸凝固兵的過程。縱冒口和冷茄鐵的合理朱使用，可跡造成鑄件淋的定向凝豈固，有效矛地消除縮滋孔、縮松筒。定向凝傻固原則見癥下圖。定向凝固昂原則：b）合理盯確定鑄件總的澆注位句置、內(nèi)澆捕道位置及垃澆注工藝澆注位境置的選鹽擇應(yīng)服堵從定向擊凝固原坦則；內(nèi)語澆道應(yīng)開設(shè)在怖鑄件的樹厚壁處爹或靠近推冒口；軋要合理嗽選擇澆我注溫度和澆注驕速度，在砍不增加其惹它缺陷的藝前提下，譜應(yīng)盡量降低澆注顏溫度和澆回注速度。2.鑄造應(yīng)奏力、變掀形和裂城紋在鑄件稀的凝固料以及以脖后的冷綁卻過程析中，隨戶溫度的牧不斷降匠低，收扇縮不斷青發(fā)生，靈如果這籮種收縮氣受到阻酒礙，就次會在鑄吧件內(nèi)產(chǎn)嘆生應(yīng)力碰，引起點變形或柔開裂，魂這種缺停陷的產(chǎn)茄生，將犁嚴(yán)重影樂響鑄件魚的質(zhì)量虎。（1）撕鑄造晨應(yīng)力的貼產(chǎn)生腔鑄彼造應(yīng)力鑼按其產(chǎn)醬生的原河因可分根為三種炸：a）熱蒙應(yīng)力鑄件在吊凝固和粉冷卻過陶程中，坐不同部威位由于摔不均衡合的收縮封而引起吳的應(yīng)力些。b）固態(tài)論相變應(yīng)力鑄件由于順固態(tài)相變湖，各部分凳體積發(fā)生若不均衡變哲化而引起克的應(yīng)力。c）機(jī)械具應(yīng)力鑄件在固聞態(tài)收縮時笛，因受到旦鑄型、型岔芯、澆冒澆口、箱擋煙(箱帶）脾等外力的煤阻礙而產(chǎn)剃生的應(yīng)力葬。鑄件鑄出犁后存在于穴鑄件不同伸部位的內(nèi)歲應(yīng)力稱為絨殘留應(yīng)力迎。（2）鑄柏造應(yīng)力的底防止和消券除措施酒a）采用滋同時凝固啟的原則同時凝固薯是指通過待設(shè)置冷鐵妹、布置澆椒口位置等緊工藝措施紙，使鑄件哈溫差盡量鏡變小，基宏本實現(xiàn)鑄鍬件各部分姨在同一時衡間凝固。悅?cè)缦聢D所驗示。

b脹）提高鑄熱型溫度懶c）改路善鑄型和鵝型芯的退呀讓性由d）進(jìn)行嘗去應(yīng)力退頭火同時凝固漂原則：（3）濤鑄件的澡變形和像防止鑄件的蠻變形包甜括鑄件鞭凝固后陶所發(fā)生鵲的變形逆以及隨揚(yáng)后的切寬削加工梨變形。迫防止鑄類件變形致有以下纏幾種方業(yè)法：a)采尾用反變形群法可在模樣爭上做出與問鑄件變形育量相等而揮方向相反會的預(yù)變形襪量來抵消貌鑄件的變撤形，此種巡壽方法稱為虧反變形法跳。b)進(jìn)何行去應(yīng)力頃退火鑄件機(jī)加斑工之前應(yīng)努先進(jìn)行去于應(yīng)力退火盯，以穩(wěn)定弟鑄件尺寸見，降低切紗削加工變勾形程度。c)設(shè)晴置工藝?yán)邽榱朔篮Y止鑄件橫的鑄態(tài)雙變形，秩可在容黃易變形徑的部位徐設(shè)置工疾藝?yán)摺）采用括同時凝固混原則。（4）易鑄件的摧裂紋及棕防止a)鑄糊件裂紋的酬分類及其貸形貌狀鑄匯件一般有熱裂和冷裂兩種開冶裂方式蓄。熱裂奮是在凝廊固后期蕉高溫下恐形成的員，主要槍是受到英機(jī)械阻盼礙作用戶而產(chǎn)生觀的，熱詞裂裂紋環(huán)一般沿鐘晶界產(chǎn)觸生和發(fā)械展，其柴外形曲撇折短小生，裂紋燃縫內(nèi)表帽面呈氧枯化色；押冷裂是強(qiáng)在較低磨溫度下羞形成的擺，常出晴現(xiàn)在鑄忽件受拉童伸部位才，特別惑是有應(yīng)方力集中暗的地方億，冷裂娛常常是暢穿晶斷渠裂，裂談紋細(xì)小肺，外形陶呈連續(xù)鑒直線狀傳或圓滑找曲線狀污，裂紋菌縫內(nèi)干殿凈，有舌時呈輕栗微氧化也色。圖b）互鑄件裂印紋的防務(wù)止虹應(yīng)盡泄可能采支取措施催減小鑄薪造應(yīng)力疑；同時飼金屬在憲熔煉過演程中，剖應(yīng)嚴(yán)格方控制有寶可能擴(kuò)呆大金屬封凝固溫虹度范圍均元素的述加入量緣瑞及鋼鐵呈中的硫輔、磷含驅(qū)量，選疑用收縮層率小的寫合金，家改善合泛金的退族讓性。三、鑄造謠合金的偏蠟析和吸氣被性1.偏愉析鑄件中草出現(xiàn)化霧學(xué)成分富不均勻掩的現(xiàn)象愉稱為偏殼析。鑄中件的偏愁析可分將為晶內(nèi)騰偏析、秘區(qū)域偏祝析和比妨重偏析慶三類。(1)偽晶內(nèi)偏兄析（又墊稱枝晶殘偏析）是指晶混粒內(nèi)各槍部分化期學(xué)成分兄不均勻塵的現(xiàn)象廁，這種梢偏析出搶現(xiàn)在具酒有一定監(jiān)凝固溫量度范圍石的合金野鑄件中本。為防絕止和減臥少晶內(nèi)紛偏析的享產(chǎn)生，勁在生產(chǎn)涂中常采泄取緩慢申冷卻或濃孕育處宇理的方善法。(2)區(qū)衰域偏析是指鑄那件截面禿的整體委上化學(xué)捕成分和竄不均勻延。避免徐區(qū)域偏落析的發(fā)困生，主芝要應(yīng)該振采取預(yù)烏防措施恨，如控型制澆注芽溫度不慘要太高符，采態(tài)取快速莊冷卻使睡偏析來杯不及發(fā)帶生，或權(quán)采取工中藝措施尋造成鑄靜件斷面煎較低的匠溫度梯挨度，使照表層和歇中心部勁分接近吵同時凝葉固。(3)豪比重偏熔析鑄件上冷、下部錘分化學(xué)謠成分不