熱加工工藝基礎 1金屬材料導論 2金屬液態成形 3金屬塑性成形 4金屬連接成形 熱加工工藝 2 1金屬液態成形基礎概述 知識點 什么是金屬的液態成形 即將液態金屬澆入與零件形狀相適應的鑄型空腔中 待其冷卻凝固 以獲得毛坯或零件的工藝方法 亦稱鑄造 金屬的液態成形的作用 金屬的液態成形是制造毛坯 零件的重要方法之一 按鑄型材料的不同 金屬液態成形可分為砂型鑄造和特種鑄造 包括壓力鑄造 金屬型鑄造等 其中砂型鑄造是最基本的液態成形方法 所生產的鑄件要占鑄件總量的80 以上 金屬液態成形基礎概述 2 2金屬液態成形 金屬的液態成形 2 1金屬液態成形的鑄造基礎2 2金屬的液態成形工藝2 3液態成形金屬件的工藝設計2 4液態金屬成形件的結構設計 知識點 砂型鑄造過程 液態成型的優點 適于做復雜外形 特別是復雜內腔的毛坯 對材料的適應性廣 鑄件的大小幾乎不受限制 成本低 原材料來源廣泛 價格低廉 一般不需要昂貴的設備 是某些塑性很差的材料 如鑄鐵等 制造其毛坯或零件的唯一成型工藝 液態成型優點 液態成型的優點 工藝過程比較復雜 一些工藝過程還難以控制 液態成形零件內部組織的均勻性 致密性一般較差 液態成形零件易出現縮孔 縮松 氣孔 砂眼 夾渣 夾砂 裂紋等缺陷 產品質量不夠穩定 由于鑄件內部晶粒粗大 組織不均勻 且常伴有缺陷 其力學性能比同類材料的塑性成形低 液態成型缺點 液態合金的工藝性能 液態合金的工藝性能表征為液態合金的鑄造性能 通常是指合金的流動性 收縮性吸氣性及偏析等性能 合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料 確定鑄件的鑄造工藝方案及進行鑄件結構設計的依據 合金的充型能力 液態金屬充滿鑄型型腔 獲得尺寸精確 輪廓清晰的成型件的能力 充型能力的概念 充型能力不足 澆不足 冷隔 夾砂 氣孔 夾渣 充型能力的決定因數 合金的流動性鑄型性質澆注條件鑄件結構等 合金的充型能力 測試合金充型能力的方法 如右圖 將合金液澆入鑄型中 冷凝后測出充滿型腔的式樣長度 澆出的試樣越長 合金的流動性越好 合金充型能力越好 幾種不同合金流動性的比較 鑄鐵的流動性 鑄鋼的流動性 實驗證明鑄鐵的流動性好 鑄鋼的流動性差 比較下面幾種合金流動性能 合金流動性對充型能力的影響 合金流動性的決定因數合金的種類 合金不同 流動性不同 化學成分 同種合金中成分不同的合金具有不同的結晶特點 流動也不同 結晶特性 恒溫下結晶 流動性較好 兩相區內結晶 流動性較差 澆注條件對充型能力的影響 澆注條件 澆注溫度 充型壓力 澆注系統 澆注溫度越高 液態金屬的粘度越小 過熱度高 金屬液內含熱量多 保持液態的時間長 充型能力強 液態金屬在流動方向上所受的壓力稱為充型壓力 充型壓力越大 充型能力越強 澆注系統的結構越復雜 則流動阻力越大 充型能力越差 鑄型充填條件對充型能力的影響 鑄型溫度 不能過高 鑄型蓄熱系數 即從金屬中吸取熱量并儲存的能力 鑄型的發氣和透氣能力 澆鑄時產生氣體能在金屬液與鑄型間形成氣膜 減小摩擦阻力 有利于充型 但發氣能力過強 透氣能力又差時 若澆鑄速度太快 則型腔中的氣體壓力增大 充型能力減弱 鑄件結構對充型能力的影響 折算厚度 折算厚度也叫當量厚度或模數 是鑄件體積與鑄件表面積之比 折算厚度越大 熱量散失越慢 充型能力就越好 鑄件壁厚相同時 垂直壁比水平壁更容易充填 大平面鑄件不易成形 復雜程度 鑄件結構越復雜 流動阻力就越大 鑄型的充填就越困難 液態金屬的凝固與收縮 鑄件的凝固過程 在鑄件的凝固過程中 其截面一般存在三個區域 即液相區 凝固區 固相區 對鑄件質量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區的寬窄 鑄件的凝固方式就是依據凝固區的寬窄來劃分的 凝固方式有 逐層凝固 糊狀凝固 中間凝固 影響凝固的主要因素 合金的結晶溫度范圍 合金的結晶溫度范圍越小 凝固區域越窄 越趨向于逐層凝固 在鐵碳合金中普通灰鑄鐵為逐層凝固 高碳鋼為糊狀凝固 鑄件的溫度梯度 在合金結晶溫度范圍已定的前提下 凝固區的寬窄取決于鑄件內外層之間的溫度差 若鑄件內外層之間的溫度差由小變大 則其凝固區相應由寬變窄 合金的收縮 合金的收縮的過程 合金從液態冷卻至室溫的過程中 其體積或尺寸縮減的現象 合金的收縮給液態成形工藝帶來許多困難 會造成許多鑄造缺陷 如 縮孔 縮松 裂紋 變形等 合金收縮的三個階段 合金的收縮 合金收縮 固態合金冷卻 液態合金冷卻 液態收縮 凝固收縮 縮孔 恒溫下結晶 縮松 兩相區結晶 線形收縮 裂紋 變形 應力 影響收縮的因素 鑄型條件 鑄件結構 澆注溫度 化學成分 c含量 合金收縮 縮孔與縮松的形成 縮孔的形成 純金屬 共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金 澆注后在型腔內是由表及里的逐層凝固 在凝固過程中 如得不到合金液的補充 在鑄件最后凝固的地方就會產生縮孔 縮松的形成原因 鑄件最后凝固的收縮未能得到補足 或者結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固 凝固區域較寬 液 固兩相共存 樹枝晶發達 枝晶骨架將合金液分割開的小液體區難以得到補縮所致 縮孔易出現的部位 判斷縮孔出現的方法 A等溫線法B內截圓法 消除縮孔和縮松的方法 定向凝固原則 是鑄件讓遠離冒口的地方先凝固 靠近冒口的地方次凝固 最后才是冒口本身凝固 實現以厚補薄 將縮孔轉移到冒口中去 原理 合理布置內澆道及確定澆鑄工藝 方法 合理應用冒口 冷鐵和補貼等工藝措施 解決縮孔的方法演示 冒口和冷鐵 定向凝固原則解決縮孔的方法演示 液態成形內應力 變形與裂紋 內應力 熱應力 機械應力 變形 裂紋 鑄件在凝固和冷卻的過程中 由于鑄件的壁厚不均勻 導致不同部位不均衡的收縮而引起的應力 鑄件在固態收縮時 因受到鑄型 型芯 澆冒口 砂箱等外力阻礙而產生的應力 殘余熱應力的存在 使鑄件處在一種非穩定狀態 將自發地通過鑄件的變形來緩解其應力 以回到穩定的平衡狀態 當熱應力大到一定程度會導致出現裂紋 熱應力的形成過程演示 熱應力的消除方法 鑄件的結構 鑄件各部分能自由收縮工藝方面 采用同時凝固原則時效處理 人工時效 自然時效 鑄件的結構盡可能對稱鑄件的壁厚盡可能均勻 鑄件的變形原因 結論 厚部 心部受拉應力 出現內凹變形 薄部 表面受壓應力 出現外凸變形 鑄件的變形的消除方法 防止變形的方法 與防止應力的方法基本相同 帶有殘余應力的鑄件 變形使殘余應力減小而趨于穩定 問題 鑄造時所受的應力與變形情況 分析有長 短不一的兩根彈簧 將其固定 使其達到同等長度 即其中一彈簧被拉長 另一彈簧被壓縮 此時所受的應力狀態 然后將其固定約束去掉 試分析其變形趨勢 小結 知識點 鑄件的生產工藝 鑄件的生產工藝 實際生產中 由于鑄鐵材料 包括灰口鑄鐵 可鍛鑄鐵 球墨鑄鐵 具有優良的鑄造性能 且資源豐富 冶煉方便 價格低廉 鑄鐵件占液態成形件中相當大的份額 鑄鐵通常是C 2 5 4 0 的鐵碳合金 碳在鐵碳合金中的存在形式有 滲碳體和石墨根據碳在鐵碳合金中的存在形式鑄鐵可以分為 白口鑄鐵 灰口鑄鐵 麻口鑄鐵 普通灰口鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 灰口鑄鐵 灰口鑄鐵可以看成是在鋼的基體上分布著不同形態的石墨 而石墨的形態 大小和分布直接影響著鑄鐵的性能 根據鑄鐵中石墨形態的不同 灰口鑄鐵可以分為 普通灰口鑄鐵 石墨呈片狀 可鍛鑄鐵 石墨呈團絮狀 蠕墨鑄鐵 石墨呈蠕蟲狀 球墨鑄鐵 石墨呈球狀 鑄鐵的性能 鑄鐵之所以用得如此廣泛 是因為石墨的存在 石墨的存在 使鑄鐵具有鑄鋼所不具備的性能 鑄鐵的優點 良好的鑄造性能 如流動性好 收縮小良好的切削加工性能 高的耐磨性 良好的吸振緩沖性能 低的缺口敏感性能 石墨形態對鑄鐵性能的影響 石墨片越圓整 越細小 分布越均勻對基體割裂作用越小 鑄鐵的石墨化 碳以石墨的形式析出的過程 通常視石墨化過程充分與否 會得到不同基體的鑄鐵組織 鑄鐵的基體通常有 鐵素體灰口鑄鐵 鐵素體 珠光體灰口鑄鐵 珠光體灰口鑄鐵 影響石墨化的因素化學成分 化學成分 C是形成石墨的元素Si是促進形成石墨的元素通常C Si 越高 越容易石墨化 影響石墨化的因素冷卻速度 冷卻速度 減小冷卻速度可以促進石墨化 易得到粗大的石墨片和鐵素體基體 增大冷卻速度則阻礙石墨化 此時只有部分碳以細石墨片析出 而另一部分碳則以滲碳體析出 得到鑄光體基體 影響石墨化的因素 壁厚 普通灰口鑄鐵件 基體 F P F P生產 鐵水熔煉好后直接澆鑄牌號 HTXXX HT 表示灰口鑄鐵中文拼音的代號XXX 三位數字表示最抵抗拉強度 MPa 石墨形態 片狀 問題 1 灰口鑄鐵牌號為什么不用含碳量多少表示 而用力學性能表示 2 有一鑄件當其強度不夠時 可否通過增大截面解決 灰口鑄鐵的孕育處理 提高和改善灰口鑄鐵的性能的途徑 改善基體組織 改變石墨形態 數量 大小和分布 灰口鑄鐵的孕育處理是提高和改善灰口鑄鐵的性能的途徑行之有效的方法 常用的孕育劑是含Si量為75 的硅鐵 灰口鑄鐵的孕育處理方法 即將熔煉出的鐵水在澆鑄前加入質量分數為0 25 0 60 的孕育劑 孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結晶核心 使石墨化作用顯著提高 從而得到在細珠光體上均勻分布著細片狀石墨的組織 灰口鑄鐵的孕育處理 選用碳 硅量低的鐵水 原鐵水含碳量越低 石墨越細小 鑄鐵的強度 硬度就越高 冷卻速度 對其組織和性能影響較小 如下面的圖 球墨鑄鐵件的生產 向高溫鐵水中加入一定量的球化劑和孕育劑 直接得到球狀石墨的鑄造合金 球化劑 金屬鎂或稀土鎂 孕育劑 含Si量為75 或95 的硅鐵 球墨鑄鐵件主要特點 石墨成球狀 對基體的割裂作用已降到最低 力學性能比灰鑄鐵有顯著提高 可通過熱處理改善金屬基體 進一步提高性能 這一點與灰鑄鐵不同 球墨鑄鐵較灰鑄鐵易產生縮孔 縮松 皮下氣孔 夾渣等缺陷 石墨析出時 發生膨脹 應適當提高鑄型剛度 球墨鑄鐵件生產中應注意的問題 控制原鐵液的化學成分 與一般灰鑄鐵基本相同 具有高C高Si 中Mn 低S P特點 較高的鐵液溫度 以防止球化處理 孕育處理后鐵液溫度過低 產生澆不足等缺陷 球化處理 孕育處理 球墨鑄鐵的牌號 性能及用途 可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵生產 將白口鑄鐵件經長時間的高溫石墨化退火 使白口鑄鐵中的滲碳體分解 獲得在鐵素體或珠光體的基體分布著團絮狀石墨的鑄鐵 黑心可鍛鑄鐵 KTH 鐵素體基體 珠光體可鍛鑄鐵 KTZ 白心可鍛鑄鐵 KTB 很少用 種類 特點 強度高 b 300 400Mpa 塑性 12 和韌性 k 30J Cm2 好 石墨化退火周期長 40 70h 鑄件成本高 適用于制造承受震動和沖擊 形狀復雜的薄壁小件 鑄鋼