1、機械制造基礎(chǔ)液態(tài)成形理論基礎(chǔ)第一章 液態(tài)成形概述(工程訓(xùn)練回顧）鑄件的凝固合金的充型合金的收縮鑄件的質(zhì)量控制 1.1液態(tài)成形理論基礎(chǔ) 1.1.1 液態(tài)成形概述一、什么是液態(tài)成形（鑄造生產(chǎn)） 將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法。（1）材料來源廣；（2）廢品可重熔；（3）設(shè)備投資低。 二、鑄造生產(chǎn)的特點1可生產(chǎn)形狀任意復(fù)雜的制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的制件。如汽缸體、汽缸蓋、蝸輪葉片、床身件等。（1）合金種類不受限制；（2）鑄件大小幾乎不受限制。2適應(yīng)性強： 3成本低： 4廢品率高、表面質(zhì)量較低、勞動條件差。1.1.2 金屬的凝固一、液態(tài)金屬的結(jié)構(gòu)

2、和性質(zhì) 1. 液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)特征鑄造生產(chǎn)中液態(tài)金屬在結(jié)構(gòu)上更象固態(tài)而不是氣態(tài)（1）組成：液態(tài)金屬是由游動的原子團、空穴或裂紋構(gòu)成。（2）特征 原子間能量不均勻性，存在能量起伏。 原子團是時聚時散，存在結(jié)構(gòu)起伏。 同一種元素在不同原子團中的分布量，存在成分起伏。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖 2. 液態(tài)金屬的性質(zhì)（1）粘度（2）表面張力V0YF或Pa.s液體金屬質(zhì)點一部分相對于另一部分做相對運動時，層與層之間存在內(nèi)摩擦力。二、鑄件的凝固方式 a. 逐層凝固 b. 糊狀凝固 c. 中間凝固 2.影響因素（1）合金的結(jié)晶溫度范圍 結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固 。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫

3、度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)1. 凝固方式 （2）鑄件的溫度梯度 在結(jié)晶溫度范圍一定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。表層中心St鑄件溫度成分溫度S1T1T2T澆T液T固T室（1）逐層凝固：充型能力強，便于防止縮孔、縮松。灰鑄鐵和鋁硅合金等傾向于逐層凝固。（2）糊狀凝固：充型能力差，難以獲得結(jié)晶緊實的鑄件球鐵傾向于糊狀凝固。3.凝固方式對鑄件質(zhì)量的影響充型：液態(tài)合金填充鑄型的過程，簡稱充型。充型能力：液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。影響充型能力的主要因素1.1.3 合金的鑄造性能充型能力不足時，會產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。一

4、、合金的充型能力工藝條件鑄件結(jié)構(gòu)澆注條件鑄型條件合金的流動性熱交換條件流動力學(xué)條件流動時間流動阻力a.澆不足b.冷隔（一）液態(tài)合金的流動性1.合金的流動性： 液態(tài)合金本身的流動能力。 流動性好加快凝固中液體的補縮排除內(nèi)部夾雜物和氣體形成薄壁復(fù)雜的鑄件有利于2.流動性對鑄件質(zhì)量的影響3.合金溶液流動性的測試實驗在相同的澆注工藝條件下，將金屬液澆入鑄型中，測出其實際螺旋線長度。澆出的試樣愈長，合金的流動性愈好！鑄鐵：當(dāng)C+Si=6.2%，砂型, 1300，螺旋線長度1500mm 鑄鋼：當(dāng)=0.4%，砂型，1600， 螺旋線長度100mm常用合金的流動性（砂型，試樣截面88mm）合金種類鑄型種類澆注

5、溫度（）螺旋線長度（mm）鑄鐵C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600鑄鋼C=0.4%砂型砂型16001640100200鋁硅合金（鋁硅明）鎂合金（含Al及Zn）錫青銅（Sn=10%,Zn=2%）硅黃銅（Si=1.54.5%）金屬型（300）砂型砂型砂型680720700104011007008004006004201000機電上次課到這兒4.影響流動性的因素a）純金屬和共晶成分的合金是在恒溫下結(jié)晶的。由表層向中心逐層推進(jìn)(稱為逐層凝固)方式，固體層內(nèi)表面比較光滑，流動阻力小，流

6、動性好。a）在恒溫下凝固100200300溫度（）0b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固100200300溫度（）0 b）其它成分合金是在一定溫度范圍內(nèi)逐步凝固的(糊狀凝固)，固體內(nèi)表面粗糙不平，液體本身有晶體部分，流動性很差。 遠(yuǎn)離共晶點成分的合金，流動性差些。3、澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu): 澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力 越大，充型能力越差。 （二）澆注條件(三)鑄型充填條件1、鑄型的蓄熱系數(shù): 鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從其中的 金屬吸取熱量并傳出熱量的能力。1、澆注溫度：一般T澆越高，液態(tài)金屬的充型能力越強。2、充型壓力：液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大， 充型能力越強。2、鑄型溫度 鑄型溫度越高，液態(tài)金屬

7、與鑄型的溫差 越小，充型能力越強。3、鑄型中的氣體 排氣能力差，阻礙液態(tài)合金的充型2、鑄件復(fù)雜程度: 鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力大，鑄型的 充填就困難。 （四）鑄件結(jié)構(gòu)1、折算厚度: 折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù)，為鑄件體積 與表面積之比。折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就 好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填。二、合金的收縮（一）合金收縮的概念（1）液態(tài)收縮 從澆注溫度到凝固開始溫度之間的收縮。由溫度下降引起。 T澆 T液 用體收縮率表示（2）凝固收縮 從凝固開始到凝固終止溫度間的收縮。由狀態(tài)改變、溫度下降和相變?nèi)糠纸M成。 T液 T固 用體收縮率表示（二）合金收縮的過程體收縮是鑄件產(chǎn)生縮

8、孔或縮松的根本原因。 體收縮率：線收縮率：線收縮是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因。 （3）固態(tài)收縮 從凝固終止溫度到室溫間的收縮。由溫度下降和相變兩部分組成。 T固 T室 用線收縮率表示 （三）合金收縮對鑄件質(zhì)量的影響1. 縮孔與縮松 液態(tài)合金在冷凝過程中，在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的稱為縮孔，細(xì)小而分散的稱為縮松。(1)縮孔和縮松的形成1)縮孔的形成產(chǎn)生部位：通常在鑄件上部，或最后凝固的部分,呈倒錐形，內(nèi)表面粗糙。產(chǎn)生條件：鑄件由表及里地逐層凝固，即純金屬或共晶成分的合金易產(chǎn)生縮孔。影響因素： 合金的液態(tài)收縮，凝固收縮 縮孔容積 澆注溫度縮孔容積； 鑄件較厚縮孔容積縮孔

9、的形成縮孔形成過程示意圖2)縮松的形成縮松：分散在鑄件某些區(qū)域內(nèi)的細(xì)小孔洞，分為宏觀縮松和顯微縮松兩種，顯微縮松分布更為廣泛。形成條件:主要出現(xiàn)在結(jié)晶溫度區(qū)間大呈糊狀凝固的合金中。縮松的形成縮松的形成過程示意圖（2)縮孔和縮松的防止 a.工藝措施:設(shè)冒口，加冷鐵，使鑄件實現(xiàn)“順序凝固”,以利“補縮”或轉(zhuǎn)移縮孔和縮松至澆冒口。 b.順序凝固是指鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。順序凝固冷鐵熱節(jié)c.尋找熱節(jié)的方法等溫線法內(nèi)切圓法 閥體鑄件上易產(chǎn)生縮孔的熱節(jié)不止一個，底部厚大部位無法安裝冒口，該處設(shè)置冷鐵.順序凝固的缺點和應(yīng)用：缺點鑄件成本高，加大鑄造內(nèi)應(yīng)力（易變形、開裂）。應(yīng)用體收縮

10、大的合金，如鑄鋼、鋁青銅和鋁硅合金等。2、鑄造應(yīng)力 鑄件在凝固以后的繼續(xù)冷卻過程中，其固態(tài)收縮受到阻礙，鑄件內(nèi)部即將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。 （1）機械應(yīng)力（收縮應(yīng)力） 合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的機械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機械應(yīng)力是暫時應(yīng)力。上型下型（ 2 ）熱應(yīng)力 熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的應(yīng)力。 下面以T形桿件為例分析熱應(yīng)力的形成過程，如圖所示。桿較厚，冷卻較慢；桿較細(xì)，冷卻較快。在冷卻過程中，根據(jù)兩桿所處的狀態(tài)不同，熱應(yīng)力的形成過程可分為三個階段：12熱應(yīng)力的形成過程框形鑄件熱應(yīng)力形成過程結(jié)論： 1）冷卻慢的部分（厚壁或心部

11、），殘余應(yīng)力為拉應(yīng) 力；冷卻快的部分（薄壁或表層），殘余熱應(yīng)力為壓應(yīng)力。 2）當(dāng)厚大部分進(jìn)入彈性狀態(tài)時，厚薄部分溫差越大，產(chǎn)生的熱應(yīng)力越大。 3）鑄件的各部分截面積差越大，產(chǎn)生的應(yīng)力差越大。3、鑄件的變形與防止 1)當(dāng)鑄造應(yīng)力形成時，若超過合金的屈服極限低于強度極限，則產(chǎn)生塑性變形。框形鑄件熱應(yīng)力形成過程的變形（1）鑄件的變形2)鑄件內(nèi)殘留應(yīng)力引起的鑄件變形，即自發(fā)地通過變形來減緩其內(nèi)應(yīng)力。鑄件厚壁處或心部受拉應(yīng)力，受拉應(yīng)力的部位變形時趨于縮短向內(nèi)凹；薄壁或表層受壓應(yīng)力，受壓應(yīng)力的部位變形時趨于伸長向外凸。+- 例：床身鑄件，其導(dǎo)軌部分較厚，受拉應(yīng)力；其床身壁部分較薄、受壓應(yīng)力，于是床身發(fā)生朝

12、導(dǎo)軌方向的彎曲。例：圓柱體鑄件加工過程中的變形3）有殘余應(yīng)力的鑄件，經(jīng)機械加工，一段時間后，將產(chǎn)生變形，影響零件精度。同時凝固過程示意圖1）工藝上采用同時凝固原則，減小溫差，均勻冷卻；適用于收縮小或傾向于糊狀凝固的合金，如灰鑄鐵、錫青銅等。（2）防止變形的方法：不同截面件的變形2）鑄件壁厚盡量均勻、對稱 3）反變形法 模樣制成與變形方向正好相反的形狀以抵消其變形的方法叫反變形法。適用于細(xì)長易變形鑄件。床身導(dǎo)軌面的撓曲變形及反變形4）時效處理 時效處理是去除殘余應(yīng)力防止變形的有效方法。 i)自然時效，將鑄件置于露天半年以上； ii)人工時效，550-650去應(yīng)力退火。 時效處理宜放在粗加工之后，

13、以便將鑄造應(yīng)力、粗加工產(chǎn)生應(yīng)力一并消除。4、鑄件的裂紋與防止 （1）熱裂 熱裂特征：裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。 熱裂的防止： 應(yīng)盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。 應(yīng)提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機械應(yīng)力。 對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制硫的含量， 防止熱脆性。 熱裂是在高溫下應(yīng)力超過金屬液膜的抗拉強度時形成的。熱裂紋形成過程 （2）冷裂 冷裂的特征：裂紋細(xì)小，呈連續(xù)直線狀，縫內(nèi)有金 屬光澤或輕微氧化色。 冷裂的防止：使鑄件壁厚盡可能均勻；采用同時凝固的原則；對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制磷的含量，防止冷脆性。 鑄造時隨溫度下降，鑄件應(yīng)力增大，當(dāng)鑄件應(yīng)力增大到大于材料的抗拉強度時，在低溫下形成的裂紋。例：輪形鑄件的冷裂1.1.4液態(tài)成形件的質(zhì)量與控制 一、鑄件的缺陷二、控制的措施1、合理選定鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu)2、合理制訂鑄件的技術(shù)要求3、模樣質(zhì)量檢驗4、鑄件質(zhì)量檢驗5、鑄件熱處理合金成分凝固方式流動性結(jié)晶溫度范圍寬窄收縮特性第一類缺陷 冷隔、澆不足第二類缺陷 縮孔、縮松總結(jié)缺陷的改進(jìn)第一類缺陷 冷隔、澆不足提高澆注溫度鑄型預(yù)熱縮孔、縮松收縮過大粘砂超過鑄型耐熱溫度晶粒粗大冷卻過程太長氣孔高溫下發(fā)生反應(yīng)鑄型強度降低粘砂金屬液沖擊下可能垮砂夾砂、砂眼、夾渣缺陷的改進(jìn)第二類縮孔、縮松順序凝固熱應(yīng)力變形、裂紋不均勻溫度場鑄型阻礙收縮同時凝固逐