第一节 合金的铸造性能

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,*,西安理工大学材料科学与工程学院,school of material science and engineering of XAUT,材料及热加工工艺,第八章 铸造,铸造篇,材料及热加工工艺,一,.,铸造的定义（实质）和铸造方法的分类,定义：,将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的,铸型型腔,中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。,砂型铸造,砂型铸造,产量,90%,以上；,特种铸造,熔模铸造,金属型铸造,压力铸造,离心铸造,分类：,适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯；,对材料的适应性广，铸件大小几乎不受限制；,成本低，原材料来源广泛，价格低廉,一般不需要昂贵的设备；,是某些塑性很差的材料制造其毛坯或零件的唯一成型工艺。,液态成形优 点,铸造（液态成形）的优缺点,工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制；,铸件内部组织的均匀性、致密性一般较差；,铸件易出现缺陷，产品 质量不够稳定；,铸件力学性能比同类材料的锻件低。,液态成形缺 点,铸造（液态成形）的优缺点,高档,6,缸小轿车的内部结构,高档,6,缸小轿车的发动机壳体,不需加工或少加工的精密铸件,不需加工开式叶轮精密铸件,第一节 合金的铸造性能,一、合金的流动性,二、影响合金流动性的因素,三、合金的凝固,四、合金的收缩,铸造性能,是合金在铸造成形的过程中，容易获得外形正确，内部无缺陷铸件的性能。,通常用合金的,流动性、收缩性,等来衡量。,1,、合金的流动性愈好：,容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的零件；有利于夹杂物和气体的上浮与排除；有利于补缩。,2,、合金的流动性不好：容易产生浇不足与冷隔现象。,浇不足 冷隔现象,一、合金的流动性,:,是指液态合金本身的流动能力,3,、合金流动性的测定,通常用浇注的,螺旋形试样,的长度来衡量合金的流动性。其截面为等截面的梯形，试样上隔,50mm,长度有一个凸点，以便于计量其长度。,合金的流动性愈好，其长度就愈长。,通常灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。,二、影响合金流动性的因素,合金的种类、成分，浇注温度和以及铸型填充条件,1,）合金的,种类,不同，其流动性不同,;,合金的成分和,结晶特征,对流动性的影响最为显著。,图：不同结晶特征合金的流动性,亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高。,2,）、,浇注温度,对流动性的影响,浇注温度高，液态金属在铸型中保持液态的时间增长，可改善合金的流动性（薄壁铸件 ）；但是浇注温度过高，使铸件产生气孔、缩孔、缩松、粘砂等缺陷。,在生产中采用：高温出炉，低温浇注的原则。,灰铸铁浇注温度为,1200,1380,；铸钢为,1520,1620,；铝合金为,680,780,。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。,3,）、,铸型条件,对流动性的影响,常采取加高直浇道，扩大内浇道截面，增设出气孔，烘干铸型等工艺，以延长液态合金的流动时间，以改善铸型的填充条件。,三、合金的凝固,逐层凝固,：,纯金属和共晶成分合金，不存在凝固区；,糊状凝固,：,结晶温度范围很宽的合金，不存在固体区；,存在三个区域：固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。,中间凝固,：,大多数合金的凝固方式。,铸件的质量与其凝固方式密切相关。,糊状凝固,时，难以获得致密的铸件，如：球铁、锡青铜、铝铜合金的凝固，需采取适当工艺进行补缩。,逐层凝固,时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松，可获得致密的铸件。如：,灰铸铁、铝硅合金。,四、铸造合金的收缩,定义：铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。,液态收缩,（浇注温度,-,液相线）,凝固收缩,（液相线,-,结晶完了）,固态收缩,（结晶完了,-,室温 ）,特点：体积收缩； 浇注温度升高，液态收缩增加。,特点：体积收缩；结晶温度范围增大，凝固收缩增加。,特点：只引起铸件外部尺寸变化，用线收缩率表示。,1,、收缩对铸件质量的影响,1,）液态收缩,浇注温度一般控制在高于液相线温度,50-150,。,2,）凝固收缩,由合金状态改变和温度下降两部分引起。,总结：,液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，一般,表现为铸型内液面的降低。,这两个阶段的收缩是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因。,3,）固态收缩,固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，,固态收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的,主要原因。,常用铸造合金的线收缩率,2,、影响收缩的因素,1,）化学成分,铸铁中促进石墨形成的元素增加，收缩减少如： 灰口铁,C,、,Si,，收，,Mn,、,S,收。因石墨比容大，体积膨胀，抵销部分凝固收缩。,2,）浇注温度,3,）铸件结构与铸型条件,铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍。实际收缩小于自由收缩。 铸型要有好的退让性。,3,、缩孔与缩松的形成及防止,液态合金在凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按孔洞的大小和分布，可将其分为,缩孔和缩松,。,缩孔,合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大；,缩孔多集中在铸件最后凝固的部位；特征是形状不规则，多数呈倒锥形，内表面粗糙。,纯金属和共晶成分的合金易形成缩孔；,（,1,）缩孔,（,2,）缩松,铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，,树枝晶发达,，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。,缩孔与缩松,减小铸件受力的有效面积,，且缩孔部位容易,产生应力集中,，使铸件的力学性能下降，要予以防止。,（,3,）缩孔、缩松的防止措施,采用冒口、冷铁的顺序凝固,所谓顺序凝固，是使铸件按规定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,，可造成铸件的顺序凝固，有效地消除缩孔、缩松。,冒口、冷铁共用法,设置冒口法,对于一些壁厚均匀的铸件，采用,顶部设冒口和底部安放冷铁,的工艺措施后，也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其,立壁上增加补贴,即一个楔形厚度，才能实现该铸件的顺序凝固。,冷铁作用：,加快铸件某处的冷却速度，以控制或改变铸件的凝固顺序，本身,不起不缩作用,。通常采用钢铸铁或铜制成。,内应力,热 应 力,机械应力,由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。,铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、砂箱等外力阻碍而产生的应力。,残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。,当应力大到一定程度会导致出现裂纹。,变 形,裂 纹,五、铸造内应力、变形及裂纹,机械应力是暂存的应力，铸件落砂后应力自行消失。,防止产生机械应力的,措施,：,提高铸型和型芯的退让性。,L,1,）机械应力,2,）热应力,热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。,2,）热应力,固态金属在再结晶温度以上为,塑性状态,，应力产生塑性变形后自行消失。,金属在再结晶温度以下为,弹性状态,，内应力产生弹性变形后继续存在。,区分,固态金属自高温冷却到室温时状态的变化,t0-t1:,粗、细杆均处在,塑性状态,，无应力；,t1-t2:,细杆进入弹性状态，粗杆仍处在塑性状态；两杆收缩不同，形成暂时应力；随温度降低，应力消失；,t2-t3:,两杆均处在弹性状态，但,T,粗,T,细，导致粗杆收缩,细杆。所以，粗杆受拉伸，细杆受压缩。,结论 产生热应力的规律：冷却较慢的厚部或心部存,在,拉应力,；冷却较快的薄壁或表层存在,压应力,。,框形铸件热应力的形成过程,预防,铸件产生热应力的,基本措施,是减小铸件各部,分之间的温度差，使其均匀冷却。,设计：壁厚尽量均匀一致；,工艺：采取,同时凝固,原则,具体方法：,将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处放置冷铁，以加快其冷却速度。,优点,：,可减小其产生应力、变形和裂纹的倾向；且不必设置冒口，使工艺简化，并节约了金属材料。,缺点：,铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷，所以一般只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。,灰铸铁产生缩孔和缩松的倾向小；而锡青铜倾向于糊状凝固，采用顺序凝固也难于避免缩松缺陷。,采用同时凝固的优、缺点 ：,2,、铸件的变形与防止,当铸件产生内应力后，铸件通过自由的变形释放应力。,心部散热慢，受拉应力，边缘处受压应力；且上表面比下表面冷却得快。,导轨部分厚受拉应力；床壁部分较薄受压应力，床身发生朝着导轨方向的弯曲，使导轨下凹。,铸件壁厚尽量均匀、对称；,图,c,由于其截面对称、铸造应力平衡，不产生变形,。,防止铸件变形的措施：,采用同时凝固工艺，,降低热应力；,反变形,适用于细长易变形铸件,床身导轨面的挠曲变形及反变形,去应力退火,铸件变形后残余应力并未彻底消除。铸件经机械加工后，内应力将重新分布，使零件缓慢地变形。,对不允许发生变形的重要铸件，必须进行去应力退火,。,去应力退火有自然时效和人工时效两种：,自然时效,是将铸件置于露天场地，使其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少；,人工时效,是将铸件加热到,550-650,进行去应力退火，应用广泛。,当铸件内应力超过金属的强度极限时，铸件便发生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。,3,、铸件的裂纹及防止,铸件一般有,热裂和冷裂,两种开裂方式。,热裂,是铸钢件、可锻铸铁件以及一些铝合金铸件的常见缺陷，一般出现在铸件的应力集中部位，如尖角、截面突变处或热节处等。,脆性大、塑性差的合金，如白口铁、高碳钢及一些合金钢等易产生,冷裂纹,。,防止热裂的措施,：,a,合理设计铸件结构；,b,改善铸型和型芯的退让性,c,限制铸钢和铸铁中的,S,含量；,热裂纹形态,：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；且裂纹沿晶界产生，外形曲折。,热裂纹产生原因,：,在铸件凝固末期，固体的骨架已经形成，但枝晶间仍残留少量液体，此时的强度、塑性极低。当固态合金的线收缩受到铸型、芯子或其他因素的阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂。,裂纹形态,：裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。,防止冷裂的措施,：,a,减少铸造内应力；壁厚均匀、增加退让性；,b,降低合金的脆性；降低合金中,P,的含量。,冷裂：,铸件冷却到低温处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的；冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位，特别是应力集中处。,