合金铸锭件的组织与缺陷

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,合金铸锭（件）的组织与缺陷,教师：宋志坤,姓名：赵泽平,学号：,材料学原理,1,工业上应用的零部件通常由两种途径获得：,一是由合金在一定几何形状与尺寸的铸模中直接凝固而成，这称为铸件；,二是通过合金浇铸成方或圆的铸锭，然后开坯，再通过热轧或热锻，最终可能通过机加工和热处理甚至焊接来获得不见得几何尺寸和性能。,2,3,1,、铸锭（件）的宏观组织,图,1,是铸锭的典型宏观组织示意图。它是由表层细晶区、柱状晶区和中心等轴晶区三个部分组成，形成机理如下：,钢锭的三个晶区示意图,1,表层细晶区,2,柱状晶区,3,中心等轴晶区,4,关于中心等轴晶形成有好多不同的观点，现概括如下,（,1,）成分过冷,（,2,）熔液对流,（,3,）枝晶局部重熔产生籽晶,右图为液体金属铸入铸模时的对流,5,2,、铸锭（件）的缺陷,a.,缩孔,熔液浇入锭模后，与型壁接触的液体先凝固，中心部分的液体则后凝固。由于多数金属在凝固时发生体积收缩，使铸锭内形成收缩孔洞，或称缩孔。,几种缩孔形式,a.,缩管,b.,缩穴,c.,单项收缩,d.,一般疏松,e.,中心疏松,6,7,铸件中的缩孔类型与金属凝固方式有密切的关系，如下图所示,a.,壳状凝固,b.,壳状,-,糊状混合凝固,c.,糊状凝固,8,b.,偏析 偏析是指化学成分的不均匀性,9,正常偏析：合金的分配系数,k,1,时，先凝固的外层中溶质含量较后凝固的内层低，因此合金铸件中心所含溶质质量浓度较高的现象是凝固过程的正常现象，这种偏西就叫正常偏析。,正常偏析的程度与铸件大小、冷速快慢及结晶过程中液体的混合程度有关。,正常偏析一般难以避免，它的存在使铸件性能不良。随后的热加工和扩散退火处理也难以使它根本改善，故应在浇铸时采取适当的控制措施。,10,反偏析：反偏析与正偏析相反，即在,k,1,的合金铸件中，溶质质量浓度在铸件中的分布是表层比中心高。,只有当合金在凝固时体积收缩，并在铸件中心有孔隙时才能形成反偏析。,扩大逐渐内中心等轴晶带,，,组织柱状晶的发展,，,使富集溶质的液体不易从中心排向表层,，,减小液体中的气体含量,，都是一些控制反偏析形成的途径。,11,比重偏析：比重偏析通常产生在结晶的早期，由于初生相与熔液之间密度相差悬殊，轻者上浮，重者下沉，从而导致上下成分不均匀，这成为比重偏析。,增大铸件的冷却速度,，使初生相来不及上浮或下沉；或者,加入第三种合金元素,，形成熔点较高的、密度与液相相接近的树枝晶化合物，在结晶初期形成枝骨架，以阻挡密度小的相上午或密度大的相下沉。这都是防止或减轻比重偏析的方法。,12,胞状偏析：当成分过冷度较小时，固溶体晶体呈胞状方式生成。如果合金的分配系数,k,1,，则在胞壁处将富集溶质；若,k,1,，则胞壁处的溶质将贫化，这成为“胞状偏析”。,由于胞体尺寸较小，即成分波动的范围较小，因此很容易通过均匀化退火消除“胞状偏析”。,13,枝晶偏析：枝晶偏析是由于非平衡凝固造成的，这使先凝固的枝干和后凝固的枝干间的成分不均匀。合金通常以树枝状生长，一棵树枝晶就形成一颗晶粒，因此枝晶偏析在一个晶粒范围内也成为晶内偏析。,影响枝晶偏析程度的主要因素有：,凝固速度,越大，晶内偏析越严重；,偏析元素在固溶体中的扩散能力,越小，则晶内偏析越大；,凝固温度,范围越宽，晶内偏析也越严重,14,晶界偏析：晶界偏析是由于溶质原子富集在最后凝固的境界部分而造成的。,影响晶界偏析程度的因素：溶质含量越高，偏析程度越大；非树枝晶长大使晶界偏析的程度增加，也就是说枝晶偏析可减弱晶界的偏析；结晶速度慢使溶质原子有足够的时间扩散并富集在液,-,固界面前沿的液相中，从而增加晶界偏析程度。,控制溶质含量,，,加入适当的第三种元素,可以减小晶界偏析的程度。,15,在实际问题中所关心的是需要花多少扩散时间才能使偏析减小到某种程度，通过哪些方法可以缩短退火时间。,随着现代工艺和技术的提高，人们对合金铸锭（件）的缺陷的控制能力也越来越高，做出的部件在精度和质量上都有进一步的提升。,16,随着科学技术的发展和人们铸造经验的积累，现在我们通过铸造制出的零部件的质量越来越好，对其组织有了更深一层的认识，对其缺陷的控制有了更好的方法，有的精密铸造出的部件甚至可以不经打磨直接使用。,如今，人们铸造技术不断成熟的过程中，渐渐的开始注意到铸造过程中铸造效率、资源的浪费、环境的破坏等一系列问题。下面给大家介绍几个新型的铸造工艺。,17,(1),消失模铸造技术,消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的石蜡或泡沫模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷却后形成铸件的新型铸造方法。,18,消失模铸造的生产原理和工艺流程,该法要先制成泡塑模型，涂挂特制涂料，干燥后置于特制砂箱中，填入干砂，三维振动紧实，抽真空状态下浇铸，模型气化消失，金属置换模型，复制出与泡塑模一样的铸件，冷凝后释放真空，从松散的砂中取出铸件，进行下一个循环。,1,、制作泡塑气化模具（手工、机械）；,2,、泡塑气化，模具主合后烘干；,3,、泡塑气化模具表面刷、喷耐火涂料后再次烘干（一定干透）；,4,、将特制砂箱置于三维振实台上；,5,、填入低砂（干砂）振实、刮平；,6,、将烘干的泡塑气化模具放于底砂上，按工艺要求分成填砂，自动振实一定时间后刮平箱口；,7,、用塑料薄膜覆盖砂箱口，放上浇口杯，接负压系统。紧实后进行钢液浇铸，泡塑气化模具消失，金属液取代其位置；,8,、铸件冷凝后释放真空并翻箱，取出铸件，进行下一个循环。,19,消失模铸造工艺的特点,1.,铸件精度高,消失模铸造是一种近无余量、精确成型的新工艺,该工艺无需取模、无分型面、无砂芯,因而铸件没有飞边、毛刺和拔模斜度,并减少了由于型芯组合而造成的尺寸误差。,2.,设计灵活,为铸件结构设计提供了充分的自由度。可以通过泡沫塑料模片组合铸造出高度复杂的铸件。,3.,无传统铸造中的砂芯,因此不会出现传统砂型铸造中因砂芯尺寸不准或下芯位置不准确造成铸件壁厚不均。,4.,清洁生产,型砂中无化学粘结剂,低温下泡沫塑料对环境无害,旧砂回收率,95%,以上。,5.,降低投资和生产成本,减轻铸件毛坯的重量,机械加工余量小。,20,（,2,）快速成型制造技术在铸造中的应用,快速成型制造（,Rapid Prototyping-RP,）技术是国际上新开发的一项高科技成果，简称快速成型技术。它的核心技术是计算机技术和材料技术。快速成型技术摒弃了传统的机械加工方法，根据,CAD,生成的零件几何信息，控制三维数控成型系统，通过激光束或其它方法将材料堆积而形成零件的。用这种方法成型，无需进行费时、耗资的模具或专用工具的设计和机械加工，极大地提高了生产效率和制造柔性。,21,目前世界上已投入应用的快速成型装置所采用的主要方法有以下,6,种：,（,1,）,SL,（,Stereo Lithography,）法,-,立体平版印刷法；,（,2,）,SLS,（,Selective Laser Sintering,）,-,激光分层烧结法；,（,3,）,LOM,（,Laminated Object Manufactu-ring,）,-,逐层轮廊成型法；,（,4,）,SGC,（,Sold Ground Curing,）,-,光掩膜法；,（,5,）,FDM,（,Fused Deoposite Manufacturing,）,-,熔化堆积法；,（,6,）,DSPC (Direct Shell Production Casting)-,陶瓷壳法。,22,以上各种方法的具体工艺各有特点，但工艺的基本过程是相同的。此外，还有一些方法尚处于研究之中。在这,6,种方法中，,SL,法最成熟，也是市场的最大占有者。工艺原理图,23,（,3,）激光成型技术在铸造中的应用,目前，国际上激光成型技术在铸造中的应用主要有以下,3,个方面。,1.,直接浇注铸件,2.,用原型翻制母模后再浇注铸件,3.,利用原型模样制造模具,24,利用原型模样制造模具 这个方面的应用最广泛，可用于铸件的大量生产。,最直接的模具应用是在砂型铸造用的模板和芯盒上。选用适当的树脂材料制得原型模样，再进行表面喷镀，或者是用,LOM,法烧结陶瓷原型，然后将模样直接安装在模板、芯盒上使用。这样可以减少模具的制造周期，成本比用数控机床加工还有所降低。美国福特汽车公司用,LOM,法制造长,685mm,的汽车曲轴模样，先分,3,块做，然后再拼装成砂型铸造用的模板，尺寸精度达到,0.13mm,。,把一些低熔点合金喷涂在原型表面，可以用作压蜡模具，也可用环氧树脂配合原型模样做成芯盒或压蜡模具。,可以直接通过三维,CAD,系设设计出模具图形，然后用激光快速成型技术制得模具原型，再用上述各种方法直接铸造出金属模具。,25,26,（,4,）组芯工艺,组芯工艺（,Cosworth,），即用组芯技术生产铸件，组芯由单个砂芯组合而成。组芯技术与湿型砂工艺相比的优势在于尺寸精度高、大量减少了砂的循环、采用气体硬化单一芯砂系统（添加有机树脂的芯砂可有效地回收，回收率达,95,以上）。,目前有以下几种组芯工艺方法：粘胶、螺钉紧固、注铝和锁芯工艺。,27,粘胶,是最快速、最常用的组芯法，尺寸精度最高。,主要优点：,聚酷胺类型热熔粘结剂品种较多（粘胶熔化温度,140,1800C,，相应的粘度为,2,4,（,Pas,），粘结时间为,3,4s,；,粘结处经按压后强度大增；,在干燥的储存室中元储存时间限制；,抗湿性能好，可抵御高潮湿空气；,用量少，强度高；,多种有效而经济的熔化装置。,28,注铝,简单连接处可以注铝，如预组合水套芯和圆筒芯。该工艺的优点在于落砂后用过的芯砂和金属铝不会混淆。回收后的铝可被再次熔化并使用。缺点是该工艺成本高己难以自动化。,螺钉紧固,螺钉紧固不适用于圆弧芯头。另外螺钉不能被再利用。该工艺经济效率比粘胶法差，但比注铝好。,锁芯工艺,该工艺的优点是用一个通用芯固定预组合芯，但同时也是缺点。组合预组合芯必须使用昂贵的工装。通用芯生产的费用比热熔粘结胶及螺钉的费用高得多。,组芯工艺是生产高尺寸精度铝合合金缸体缸盖的最新最好的组芯工艺之一。世界著名的汽车集团，如福特，马自达，大众、奥迪，雪铁龙正成功的运用该工艺。选择这种生产工艺的理由是：高生产率、高柔性（在切换发动机型号时）、高铸件质量稳定性、潜在的高自动化、最小的消耗等。,29,谢谢！,30,