第一节金属的液态成形原理

第一节第一节 金属液态成形原理金属液态成形原理一一 液态合金的充型能力液态合金的充型能力 充型充型:液态合金填充铸型的过程液态合金填充铸型的过程.充型能力充型能力:液态合金充满铸型型腔液态合金充满铸型型腔,获得形状完整获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力轮廓清晰的铸件的能力 若充型能力不足若充型能力不足，易产生易产生:1 1）浇不足浇不足:不能得到完整的零件不能得到完整的零件.2 2）冷隔）冷隔:没有完整融合的缝隙或凹坑没有完整融合的缝隙或凹坑,机械性能下机械性能下降降.一）一）合金的流动性合金的流动性 合金流动性合金流动性:是指熔融金属是指熔融金属(液态金属液态金属)本身的流动能力本身的流动能力，是金属本身的属性是金属本身的属性。1 1 测定流动性的方法测定流动性的方法:以螺旋形试件的长度来测定以螺旋形试件的长度来测定:如如 灰口铁灰口铁:浇铸温度浇铸温度 13001300，试件长试件长1800mm.1800mm.铸钢铸钢:1600:1600，100mm100mm2 2 影响流动性的因素影响流动性的因素 主要是化学成分主要是化学成分:1)1)纯金属流动性好纯金属流动性好:一定温度下结晶一定温度下结晶,凝固层表面平滑凝固层表面平滑,对对液流阻力小液流阻力小 ；2)2)共晶成分流动性好共晶成分流动性好:恒温凝固恒温凝固,固体层表面光滑固体层表面光滑,且熔点且熔点低低,过热度大；过热度大；3 3)非共晶成分流动性差非共晶成分流动性差:结晶在一定温度范围内进行结晶在一定温度范围内进行,初生初生树枝状晶阻碍液流树枝状晶阻碍液流 。常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。碳钢随着结晶温碳钢随着结晶温度范围的增加而度范围的增加而流动性变差；亚流动性变差；亚共晶铸铁随含碳共晶铸铁随含碳量的增加流动性量的增加流动性提高。提高。n3 3 流动性对铸件质量影响流动性对铸件质量影响 n1)1)流动性好流动性好,易于浇出轮廓清晰易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件薄而复杂的铸件.n2)2)流动性好流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮上浮,排除排除.n3)3)流动性好流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩补缩.n因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷气孔、夹渣、缩孔等缺陷。二二)浇注条件浇注条件 1 1 浇注温度浇注温度:t:t 合金粘度下降合金粘度下降,过热度高过热度高.合金在铸件中保持合金在铸件中保持流动的时间长流动的时间长,t t 提高充型能力提高充型能力.但过高但过高,易产生缩孔易产生缩孔,粘砂粘砂,气孔等气孔等,故不故不宜过高宜过高 2 2 充型压力充型压力:液态合金在流动方向上所受的压力液态合金在流动方向上所受的压力 充型能力充型能力 如如 砂形铸造砂形铸造-直浇道直浇道,静压力静压力.压力铸造压力铸造,离心铸造等充型压力离心铸造等充型压力高高.三三)铸型条件铸型条件 1 1 铸型导热能力铸型导热能力:导热导热 金属降温快金属降温快,充充 如金属型如金属型 2 2 铸型温度铸型温度:t:t 充充 如金属型预热如金属型预热 3 3 铸型中气体铸型中气体:排气能力排气能力 充充 减少气体来源减少气体来源,提高透气性。提高透气性。少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力减少流动阻力,有利有利于充型于充型.4 铸型结构铸型结构:若不合理若不合理,如铸型壁厚小如铸型壁厚小,直浇口低直浇口低,浇口小等浇口小等 充充.2 2 铸件复杂程度：铸件复杂程度：铸件结构复杂，流动阻力大，铸铸件结构复杂，流动阻力大，铸 型的充填就困难。型的充填就困难。四四)铸件结构条件铸件结构条件1 1 折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或铸件模数，折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或铸件模数，为铸件体积与表面积之比。为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好；折算折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好；折算 厚度越小则越不易充满。在设计铸件结构时，铸厚度越小则越不易充满。在设计铸件结构时，铸 件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。铸件的最小允许壁厚：铸件的最小允许壁厚：二二 铸件的凝固和收缩铸件的凝固和收缩 一）铸件的凝固一）铸件的凝固 1 1 铸件的温度场铸件的温度场(梯度梯度)及凝固区域及凝固区域:1)1)铸件的温度场铸件的温度场(梯度梯度):):铸件横断面上铸件横断面上(截面上截面上)的温度分布曲线的温度分布曲线.2)2)铸件的凝固区域铸件的凝固区域:铸件凝固过程中铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区其断面上一般分为三个区:1 1固相区固相区 2 2凝固区凝固区 3 3液相区液相区 2 2 凝固方式凝固方式:对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此依此划分凝固方式。划分凝固方式。1)1)逐层凝固逐层凝固:纯金属纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液断面液,固两相由固两相由一条界限清楚分开一条界限清楚分开,随温度下降随温度下降,固相层不断增加固相层不断增加,液相层不断减少液相层不断减少,直达中心。直达中心。2)2)糊状凝固糊状凝固 合金结晶温度范围很宽或温度梯度很小的铸件合金结晶温度范围很宽或温度梯度很小的铸件,在凝固某段时间内在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面凝固区贯穿整个断面,先糊状先糊状,后固化后固化.故故3)3)中间凝固中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.铸件的温度梯度铸件的温度梯度,凝固区域及凝固方式凝固区域及凝固方式（a）纯金属及共晶合金（b）其他成分合金温度表层中心固液温度表层中心固液温度表层中心固液 3 3 影响铸件凝固方式的因素影响铸件凝固方式的因素 1)1)合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围 范围小范围小:凝固区窄凝固区窄,愈倾向于逐层凝固愈倾向于逐层凝固 如如:砂型铸造砂型铸造,铸铁铸铁,低碳钢低碳钢 逐层凝固逐层凝固,高碳钢高碳钢 糊状糊状凝固凝固 2)2)铸件的温度梯度铸件的温度梯度 合金结晶温度范围一定时合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度层的温度梯度.温度梯度愈小温度梯度愈小,凝固区愈宽凝固区愈宽.(.(内外温差大内外温差大,冷却快冷却快,凝固凝固区窄区窄)二）二）合金的收缩合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象体积和尺寸减少的现象-.-.是铸件许多缺陷是铸件许多缺陷(缩孔缩孔,缩缩松松,裂纹裂纹,变形变形,残余应力残余应力)产生的基本原因产生的基本原因.1 1 收缩的几个阶段收缩的几个阶段 1)1)液态收缩液态收缩（T浇浇 T液液）:从金属液浇入铸型到开从金属液浇入铸型到开始凝固之前始凝固之前.液态收缩减少的体积与浇注温度至开始液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比凝固的温度的温差成正比.2)2)凝固收缩凝固收缩（T液液 T固固）:从凝固开始到凝固完毕从凝固开始到凝固完毕.同一类合金同一类合金,凝固温度范围大者凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大凝固体积收缩率大.如如:35:35钢钢,体积收缩率体积收缩率3.0%,453.0%,45钢钢 4.3%4.3%。3)3)固态收缩固态收缩（T固固 T室室）:凝固以后到常温凝固以后到常温.固固态体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影态体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响铸件尺寸精度及形状的准确性响铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩故用线收缩率率表示表示.2 2 影响收缩的因素影响收缩的因素 主要受化学成分影响主要受化学成分影响:铸铁中促进石墨形成的元素增铸铁中促进石墨形成的元素增加加,收缩减少收缩减少.如如:灰口铁灰口铁 C,SiC,Si,收收.这是由于石墨比容大这是由于石墨比容大,体积膨胀体积膨胀,抵销部分凝固收缩抵销部分凝固收缩.所以常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最所以常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最小（下页表格）。小（下页表格）。三）三）铸件的收缩铸件的收缩铸件的收缩要比合金的收缩复杂得多。不但和合金成铸件的收缩要比合金的收缩复杂得多。不但和合金成分及温度有关，还与铸型条件和铸件结构有关。分及温度有关，还与铸型条件和铸件结构有关。三三 合金铸件的收缩缺陷及防止合金铸件的收缩缺陷及防止一）凝固一）凝固收缩缺陷收缩缺陷-缩孔和缩松及防止缩孔和缩松及防止:1.缩孔及缩松的形成1)缩孔：液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充，则在缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充，则在铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔.缩孔是容积较大而集中的孔洞缩孔是容积较大而集中的孔洞.通常隐藏在铸件上部或最后凝通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑.假设下面圆柱体铸件假设下面圆柱体铸件是逐层凝固：是逐层凝固：圆柱体铸件中缩孔形成示意图 缩孔形成示意图浇口2）缩松 缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因：由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把液体分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。缩松一般分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。宏观缩松（肉眼可见）多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松（显微镜下可见）则是存在于在晶粒之间的微小孔洞。就是采取一定措施，使铸件按规定的方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件按次序凝固，有效地消除缩孔、缩松。冒口冒口 储存补缩用金属液的储存补缩用金属液的“水库水库”。冷铁冷铁 用来控制铸件凝固顺序的激冷物，加大某一部分得冷却速度。用用来控制铸件凝固顺序的激冷物，加大某一部分得冷却速度。用铸铁、钢或铜制成。铸铁、钢或铜制成。顺序凝固特点顺序凝固特点:开设冒口补缩。缺点：一是冒口浪费金属；开设冒口补缩。缺点：一是冒口浪费金属；二是铸件内应力大，易于变形和开裂。主要用于凝固收缩二是铸件内应力大，易于变形和开裂。主要用于凝固收缩大，凝固温度范围较宽的合金或壁厚差别较大的合金铸件。大，凝固温度范围较宽的合金或壁厚差别较大的合金铸件。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。2 2）同时凝固）同时凝固:采用厚壁处放置冷铁，薄壁处开浇口等工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。同时凝固特点同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均匀冷却，减小热应力匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺不易形成内应力、变形和裂纹等缺陷，但心部缩松有时难以避免陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各故用于收缩小的合金和各种合金的薄壁铸件。种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。表层组织致密。二）二）固态收缩缺陷固态收缩缺陷-铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止:凝固之后的继续冷却过程中凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸件即铸造应力。内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。产生变形和裂纹的基本原因。按阻碍收缩的原因分为：按阻碍收缩的原因分为：1）热应力）热应力2）机械应力）机械应力（塑弹性临界转变温度）+t0t1:t1t2：t2t3：1）热应力：）热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，收缩不一致而引起的应力。度不同，收缩不一致而引起的应力。n塑性状态塑性状态:金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力受力变形变形,产生加工硬化产生加工硬化,同时发生的再结晶将硬化抵消同时发生的再结晶将硬化抵消,内应力自内应力自行消失行消失.(简单说简单说,处于屈服状态处于屈服状态,受力受力变形无应力变形无应力)n 弹性状态弹性状态:低于再结晶温度低于再结晶温度,外力作用下外力作用下,金属发生弹性变形金属发生弹性变形,变形后应力继续存在。变形后应力继续存在。a)ta)t0 0 t t1 1:凝固开始凝固开始,粗粗 细处都为塑性状态细处都为塑性状态,无内应力无内应力 两杆冷速不同两杆冷速不同,细杆快细杆快,收缩大收缩大,受粗杆限制受粗杆限制,不能自由收缩不能自由收缩,相对被拉长相对被拉长,粗杆相对被压缩粗杆相对被压缩,结果结果 两杆等量收缩两杆等量收缩.b)tb)t1 1 t t2 2:细杆冷速大细杆冷速大,先进入弹性阶段先进入弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩随细杆收缩发生塑性收缩,无应力无应力.c)tc)t2 2 t t3 3:细杆收缩先停止细杆收缩先停止,粗杆继续收缩粗杆继续收缩,压迫细杆压迫细杆,而细杆又而细杆又阻止粗杆的收缩阻止粗杆的收缩,至室温至室温,粗杆受拉应力粗杆受拉应力(+),(+),细杆受压应力细杆受压应力(-)(-)。由此可见由此可见,各部分的温差越大各部分的温差越大,热应力也越大热应力也越大,冷却较慢的部分形成冷却较慢的部分形成拉应力拉应力,冷却较快的部分形成压应力冷却较快的部分形成压应力.上型下型机械应力是暂时应力机械应力是暂时应力,是拉应力。是拉应力。2）机械应力：）机械应力：合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的 机械阻碍而形成的内应力。机械阻碍而形成的内应力。机械应力与热应力共同作用机械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向可能使某些部位增加了裂纹倾向.3）减小铸造应力的措施：）减小铸造应力的措施：薄处设浇口薄处设浇口,厚处放冷铁。厚处放冷铁。优点优点:省冒口省冒口,省工省工,省料。省料。缺点缺点:心部易出现缩孔或缩松心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铸铁、锡青铜，应用于灰铸铁、锡青铜，因灰铸铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺因灰铸铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松序凝固也难以有效地消除其显微缩松。2 2、铸件的变形与防止、铸件的变形与防止 1 1）铸件的变形铸件的变形铸件有通过自由变形来松弛内应力铸件有通过自由变形来松弛内应力的的自发过程自发过程.举例举例:平板铸件平板铸件 平板中心散热慢平板中心散热慢,受拉力受拉力.平板下部冷却慢平板下部冷却慢.发生如图所示变形发生如图所示变形 +-1 1）采用）采用同时凝固原则同时凝固原则,使铸件均匀冷却使铸件均匀冷却；2 2）人工时效、自然时效）人工时效、自然时效-低温退火低温退火,550650，消除，消除残余应力残余应力；4 4）使铸件壁厚尽可能均匀）使铸件壁厚尽可能均匀,并改进铸件结构，采用对称并改进铸件结构，采用对称结构、空心截面提高刚度，减少变形。结构、空心截面提高刚度，减少变形。3 3）采用反变形法）采用反变形法(长件长件,易变形件易变形件)。见上图。见上图。裂缝沿晶粒边界通裂缝沿晶粒边界通过）过）多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，如拐角、厚多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，如拐角、厚度变化及缩孔缩松处。度变化及缩孔缩松处。3 3、铸件的裂纹与防止、铸件的裂纹与防止 铸件内应力超过强度极限时铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹铸件便发生裂纹.1 1）热裂纹热裂纹:高温下形成裂纹高温下形成裂纹 原因原因:(1)凝固末期凝固末期,合金呈完整骨架合金呈完整骨架+液体液体,强强,塑塑(还有一种液膜理还有一种液膜理论）；论）；(2)含含S热脆热脆;(3)退让性不好退让性不好.易发生在复杂大工件受拉应力部位和应力集中处。易发生在复杂大工件受拉应力部位和应力集中处。2 2）冷裂纹冷裂纹:低温下裂纹低温下裂纹原因原因:材料塑性差材料塑性差;P冷脆冷脆