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1、,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第四章 材料的液態成形工藝,第四章 材料的液態成形工藝,液態材料,鑄型模腔,凝固,固態毛坯,澆注,金屬的鑄造工藝,陶瓷的注漿成形,塑料的注射成形,材料的液態成形，與材料的固態塑性變形、連接成形以及粉末冶金成形是制造業獲得毛坯件的主要手段。,本章,重點,內容：,金屬鑄造基礎知識，,即合金的鑄造性能,；,金屬鑄造方法；,金屬鑄件結構工藝性。,將熔融的金屬液澆注入鑄型內，待冷卻凝固后獲得所需形狀和性能的毛坯或零件的工藝過程稱為鑄造。,鑄造工藝過程主要包括：金屬熔煉、鑄型制造、澆注凝固和落砂清理等。,鑄件的材質有
2、,碳素鋼,、,合金鋼、鑄鐵、鑄造有色合金等,。,什么是,鑄造,？,4-1,金屬鑄造工藝簡介,金屬鑄造（,foundry,casting,）,1.,定義：,將熔煉好的液態金屬澆注到與零件形狀尺寸相適應的鑄型型腔（,mold cavity,）內,待其冷卻凝固后,獲得毛坯或零件的方法。,2.,鑄造方法：砂型鑄造（,sand casting process,）,特種鑄造（,special casting process,）,優點與缺點,與其它金屬加工方法相比，鑄造具有如下優點：,（,1,）原材料來源廣。,（,2,）生產成本低。,（,3,）鑄件形狀與零件接近，形狀、尺寸不受限制。,尤其適于制造內腔復雜的
3、大型箱體件,。,因此，鑄造在機器制造業中應用極其廣泛。,但鑄造生產目前還存在著若干問題，如鑄件內部組織粗大，常有縮松、氣孔等,鑄造缺陷,，導致鑄件力學性能不如鍛件高。,鑄造工序多,，而且一些工藝過程還難以精確控制，使得,鑄件質量不夠穩定,，,廢品率高,。,勞動環境差等,。,用于核反應堆的大型鑄件，重量達,60,多噸。,零件（,Part,）,模樣（,Pattern,）,型砂,（,M,olding sand,）,芯盒（,Core box,）,砂箱（,Flask,）,型芯（,Core,）,配制的型砂,模樣,砂型,配制的芯砂,芯盒,砂芯,合箱,熔化的合金,澆注,檢驗,冷卻,落砂清理,合格的鑄件,砂型鑄
4、造基本工藝過程,鑄造的基本工藝過程,4-2,鑄造工藝基礎知識,合金的鑄造性能,：合金在鑄造過程中表現出來的工藝性能即鑄造性能。包括,流動性、收縮性、氧化性、吸氣性、偏析性（成分不均勻性）等,。,一、液態金屬的充型能力（,mold filling capacity,）,定義：指液態金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。,充型能力差,澆不足（,short run,）、冷隔（,cold shuts,）,影響因素,：包括金屬液的流動性、性質、澆注條件及鑄型條件等。,金屬流動性試樣,指液態合金自身的流動能力。流動性好，則充型能力強。,流動性的測試,通常用,螺旋形試樣,來衡量,，,l,，流動
5、性,金屬液的流動性,合金種類,：,灰口鑄鐵，硅黃銅，流動性最好，,l,1000 mm,。鑄鋼的流動性最差，,l,200 mm,；,成分,：,共晶合金,的流動性最好,；,結晶特征,：,結晶溫度范圍越大，枝晶越發達，流動性越差；,結晶間隔越小，則流動性越好,；,粘度,：,粘度越大，流動性越差；,結晶潛熱：,結晶潛熱越小，流動性越差。,影響流動性因素,：,2.,澆注（,pouring,）條件,3.,鑄型特性,鑄型的,導,熱能力,，,T,液,，充型能力,；,鑄型的溫度,，充型能力,，所以金屬型要預熱,；,鑄型的排氣能力,，流動阻力,，充型能力,；,鑄型結構不宜太復雜。,鑄件壁厚最小壁厚（,wall t
6、hickness,）,澆注溫度：,T,澆,粘度,充型能力,；但,T,澆,粘砂（,sand adherence,）、縮孔（,shrinkage cavity,）、氣孔（,blow hole,）、粗晶（,grain coarsening,）等缺陷,充型壓力：,充型,壓力,充型能力,；,二、合金的凝固（,solidification,）特性,合金從液態變為固態，稱為凝固或一次結晶（,crystallization,）。在此過程，易產生缺陷：縮孔、縮松（,porosity,）、氣孔、夾雜（,inclusion,）、熱裂（,hot tear,）、偏析等。,1.,鑄件的凝固方式,鑄件斷面上有三個區域：固相
7、區、液相區、,凝固區,。,逐層凝固,：,不存在凝固區（純金屬或共晶成分合金）,；,體積凝固（糊狀凝固）,：,凝固區很寬（結晶溫度范圍寬或鑄件截面溫度梯度小）,；,中間凝固,：,介于二者之間。,（,1,）逐層凝固方式,純金屬或共晶成分在凝固過程中不存在固液二相共存區，故外層的固體和內層的液體之間有一條界線清楚地分開。,灰鑄鐵、鋁硅合金等傾向于逐層凝固，易于獲得緊實鑄件。,（,2,）糊狀凝固（體積凝固）方式,合金結晶溫度范圍很寬，或溫度梯度很小，固液并存的凝固區貫穿整個斷面，如圖,c,）,（表層不存在固體層，類似水泥）,。,球墨鑄鐵、錫青銅、鋁銅合金等傾向于糊狀凝固。,（,3,）中間凝固方式,金屬
8、結晶范圍較窄，或結晶溫度范圍雖寬但截面溫度梯度大，凝固區寬度介于逐層凝固和糊狀凝固之間。,影響凝固方式的因素：,合金的結晶溫度范圍。,越窄逐層凝固,鑄件的溫度梯度。,梯度越大逐層凝固,合金的凝固方式影響鑄件質量。逐層凝固的合金產生缺陷的傾向小。,三、合金的收縮性,1.,收縮及其影響因素,成分,(%),T,液體金屬在凝固和冷卻過程中，體積和尺寸減少的現象，稱為合金的收縮。,收縮是多種,鑄造缺陷,產生的根源。,合金的收縮經歷三個階段：,（,1,）,液態收縮,：從澆注,液相線溫度,（,2,）,凝固收縮,：液相線,固相線,（,3,）,固態收縮,：固相線,室溫,液態收縮,表現為鑄型腔內液態金屬的液面下降
9、。,凝固收縮,共晶成分或純金屬是在恒溫下凝固，,凝固收縮只由狀態改變引起，所以收縮較小，亦表現為液面下降。,液態收縮和凝固收縮主要表現為合金體積上的縮減，用體收縮率（單位體積的百分收縮量）表示。,它們是鑄件產生縮孔和縮松的根本原因。,固態收縮,通常直接表現為鑄件外形尺寸的減小，可用線收縮率（單位長度的百分收縮量表示）。,固態收縮是鑄件產生應力、變形和裂紋的根本原因。,影響鑄件收縮的主要因素：,化學成分：鑄鋼和白口鑄鐵收縮率大，灰鑄鐵、球墨鑄鐵鐵小,(,結晶時石墨產生的膨脹抵消了部分收縮）,；,澆注溫度：,T,收縮率大；,鑄件結構：壁厚不均勻,收縮受阻,收縮率?。?鑄型條件：鑄型、型芯阻礙收縮力
10、,收縮率小,2.,收縮導致的鑄件缺陷,在合金冷卻和凝固過程中，若,液態收縮和凝固收縮,所縮減的體積得不到補足，則在鑄件的最后凝固部位會形成一些孔洞。,按照孔洞的大小和分布，可將其分為縮孔和縮松兩類。其中容積較大的孔洞叫縮孔，細小且分散的孔叫縮松。,危害：使力學性能下降；因滲漏而報廢。,縮孔,（,1,）縮孔和縮松,縮松形成示意圖,縮孔和縮松的形成過程,縮孔和縮松的防止措施,順序（定向）凝固：,采取一定措施，先使鑄件上遠離冒口或澆注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。,使先凝固的收縮量由后凝固的液體補充，最后將縮孔轉移至冒口中,。,安放冷鐵,當僅靠鑄件頂部的冒口補縮，難以保證鑄件底
11、部厚大部位不出現縮孔時。應在該厚大部位設置冷鐵，以加快其冷卻速度，使其最先凝固，以實現自下而上的順序凝固。,實現定向凝固方法,合理安放冒口,定向凝固的缺點：,一、冒口浪費金屬；,二、鑄件內應力大，易于變形和開裂。,應用：,主要用于必需補縮的地方。如鑄鋼、高牌號灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和黃銅等。,對于形成糊狀凝固的合金一般不采用此工藝方法。,什么是鑄造應力？,鑄件在凝固之后的冷卻過程中，由于各部分體積變化不一致，彼此制約引起的應力為鑄造內應力，簡稱鑄造應力。,按應力產生的原因，鑄造應力分為熱應力和機械應力兩種。,（,2,）鑄造應力、變形和開裂,熱應力,熱應力是指因鑄件壁厚不均勻或各部分冷卻速度
12、不同，致使鑄件各部分的收縮不同步而引起的應力。,鑄件厚、大部分或心部受拉應力（,+,），薄壁或表層受壓應力（,-,）。,熱應力的預防與消除,鑄件殘留熱應力預防原則及措施：,鑄件殘留熱應力預防原則：減小鑄件各部分間的溫度差，使其均勻冷卻,.,具體措施：,設計時，盡量使鑄件壁厚均勻；,生產上，采取“,同時凝固,”措施。,殘留熱應力的消除方法：,去應力退火。,同時凝固的具體工藝是將內澆口開在鑄件的薄壁處，再在鑄件厚壁處放置冷鐵。,同時凝固的原則可降低鑄件產生應力、變形和裂紋的傾向；只是鑄件的心部會產生縮孔或縮松缺陷。,同時凝固原則只用于,普通灰鑄鐵和錫青銅鑄件,的生產。,“,同時凝固”方法：,機械應
13、力,鑄件的固態收縮受鑄型或型芯的機械阻礙而形成的應力。,它是暫時的,。,防止措施是改善鑄型和型芯的退讓性,。,鑄件的變形,產生原因：鑄件內部有殘留應力。受拉內應力的部位趨于變短。,受拉部分趨于變短,防止變形的措施,（,1,）,盡可能使鑄件的壁厚均勻或截面形狀對稱。,（,2,）采取相應的工藝措施使其同時凝固,（,3,）“反變形”法,-,模型制成與變形方向正好相反的形狀以抵消其變形。,（,4,）對于不允許發生變形的重要機件必須進行,時效處理。,鑄件的裂紋,當鑄件的內應力超過其強度極限時便會產生裂紋,按照形成溫度的不同，裂紋可分為熱裂和冷裂。,熱裂,是在鑄件,凝固末期的高溫下,形成的裂紋。（凝固收縮
14、大、鑄型的退讓性不好。,是鑄鋼和鑄鋁常見的缺陷。,）,冷裂,是鑄件凝固后，,冷卻到較低溫度下,形成的裂紋。（脆性材料）,兩種裂紋的形狀特點,熱裂：,裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內金屬呈氧化色；,冷裂：,裂紋細小、呈連續直線狀,或圓滑曲線狀,、裂紋表面有金屬光澤或呈微氧化色。,裂紋的預防措施：,降低內應力，適時落砂可減輕機械應力的作用。降低鋼鐵中雜質,S,的含量可減輕熱裂紋傾向，降低雜質,P,的含量可減輕冷裂紋傾向。,四、合金的吸氣性及氣孔,析出性氣孔,當,金屬液冷卻時，,由于,對氣體的溶解度下降而析出的氣體,來不及跑出時，會在鑄件中形成析出氣孔。,特點,：裸眼可見的小圓孔，分布面大，熱節處密集
15、，多見于鋁合金和鑄鋼件。,防止：,清理,爐料油污，烘干爐料，真空熔煉，除氣處理等,。,各種鑄造合金尤其是有色金屬和合金，在液態時都有吸氣（,H,2,為主）的特性。,氣孔,2.,侵入性氣孔,造型材料中的氣體侵入金屬液中形成的氣孔。,特點,：體積較大，圓形或橢圓形，分布在鑄件表面。,防止,：控制型砂中的含水量，提高鑄型排氣能力等。,3.,反應性氣孔,金屬液與鑄型之間發生化學反應產生的氣孔。,特點：多見于黑色金屬鑄件，分布在表皮下面，又稱皮下氣孔。,防止：型腔表面噴涂料，烘干爐料，減少型砂水分等。,五、常用鑄造合金的鑄造性能特點,鑄鐵,（,1,）,灰鑄鐵 鑄造性能良好。,接近共晶成分，流動性好；收縮
16、率小。,孕育鑄鐵,：高強度灰鑄鐵（硅鐵孕育）,流動性差，收縮率高；,提高澆注溫度，設置冒口,。,（,2,）,球墨鑄鐵,鑄造性能比鑄鋼好，比灰鑄鐵差。,鐵水出爐溫度,流動性,澆不足、冷隔；,鑄型剛度，開冒口,縮孔、縮松；,型砂透氣性，控制型砂水分；,Mg%,皮下氣孔,包括鑄鐵、鑄鋼、鑄造有色合金等,。,（,3,）可鍛鑄鐵,白口鑄坯,石墨化退火,團絮狀石墨,流動性差,提高鐵水溫度,收縮率大,順序凝固,球鐵縮孔、縮松形成,2.,鑄鋼,鑄造性能差,流動性差，熔點高,干砂型，石英砂，提高澆注溫度；,收縮率大,順序凝固，改善鑄件結構，降低硫、磷含量等。,3.,鑄造有色金屬,（鋁合金、銅合金）,流動性好，收縮率大，,容易吸氣、氧化,氣孔、夾渣,坩堝爐熔煉，爐料、工具預熱，去除雜質，澆注前要處理等。,六、新型材料,金屬間化合物及其鑄造性能特點,金屬元素間、金屬元素與類金屬元素間形成的化合物。簡稱,IMC(intermetallics compounds),，目前,Fe-Al,Ni-Al,Ti-Al,三個系列為研究熱點。,例：,Fe,3,Al,鑄造工藝特性：,裝料,熔化,精煉,合金化,澆注，均在真空感應
第4章材料的液態成形工藝-1
