铸造成形工艺理论基础（PPT114页）.ppt

1 工程材料与材料成形工艺 材料是人类的生活和生产赖以进行的物质基础 它直接用于制造人类所需要的各种生产工具和生活用具 机械工程材料 按化学成分可分为以下四大类 金属材料 高分子材料 陶瓷材料和复合材料 任何材料在被人们制造成有用物品 无论是生活用品或是生产工具等 的过程中 都要经过成形加工 材料成形工艺是人类的生产活动中始终不可缺少的基础性技术 2 在现代机械产品的制造过程中 一般是应用材料成形的方法将材料制成毛坯 再经过机械加工方法制成所需的零件 材料成形工艺是指用于把材料从原材料的形态通过加工而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯或成品的所有加工方法或手段的总称 从材料到毛坯又由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机械制造过程中的一条主线 它包含了材料成形及机械制造工艺的基本理论 基本知识 基本方法 对于一个合格的工程技术人员来说 掌握这些知识 对所从事的工作是非常重要的 3 材料成形技术的发展史 材料成形工艺是伴随着人类使用材料的历史而发展的 在人类使用材料之初 通过将天然材料石头 陶土打制成石器和烧制成陶器 就诞生了最原始的材料成形工艺 随着人们对金属材料 青铜 钢铁等 的使用 相应地产生了铸造 锻造 焊接等金属成形加工技术 20世纪以后 随着塑料和先进陶瓷材料的出现 这些非金属材料的成形工艺得到了迅速发展 在跨人21世纪后的今天 已进入了各种人工设计 人工合成的新型材料层出不穷的新时代 各种与之相应的先进的成形工艺也在不断涌现并大显身手 4 材料成形工艺经历了从简单的手工操作到如今的复杂化 大型化和智能化生产的发展过程 蒸汽 空气锤 水压机 模锻压力机 高速冲床等的使用 使金属锻压工艺彻底改变了传统的 手工打铁 的落后方式 进入到机械化现代化生产的行列 1885年发现了气体放电电弧作为电弧焊接的热源 1886年发明了电阻焊 从此电焊便成为现代焊接技术的主流 5 20世纪中期以后 随着计算机 微电子 信息和自动化技术的迅速融入 在涌现出一大批新型的成形技术的同时 材料成形加工生产已开始向着优质化 精密化 绿色化和柔性化的方向发展 6 我国材料成形技术的发展历史 我国的材料成形技术具有悠久的历史明朝大科学家宋应星编著的 天工开物 一书中 详细论述了冶铁 铸钟 锻铁 淬火等各种金属的加工方法 这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法以来最早的科学论著 充分反映了我国历代劳动人民在材料成形及机械加工技术方面的卓越贡献 7 我国的冶铸技术至少有4000年以上的悠久历史 前2000年是青铜的天下 到商周时代 冶铸技术已达到很高水平 形成了灿烂的青铜文化 铸造技术在我国源远流长 并有很高的水平 形成了闻名于世的以泥范 砂型 铁范 金属型 和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术 8 我国也是世界上应用焊接技术最早的国家之一 河南辉县战国墓中的殉葬铜器的耳和足就是用铸焊方法与本体连接的 比欧洲早了2000多年 新中国成立以后 我国机械制造业得到了飞速发展 经历了由仿制到自行设计 制造 从生产普通机械到制造精密和大型机械 从生产单机到制造成套设备的发展过程 20世纪50年代 自行制造汽车 拖拉机及飞机 60年代 制造万吨水压机 和齿轮磨床 坐标镗床等精密机床 70年代 制造大型成套设备和万吨级远洋巨轮 直至90年代 为我国航天 原子能等工业领域提供先进的技术装备等等 我国成功地进行了耗用钢水达490t的轧钢机机架和长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件的铸造 锻造了196t汽轮机转子 采用铸一焊组合方法制造了12000t水压机的立柱 高18m 底座和横梁等大型零 部件 我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的12000t水压机 解决了30万吨级远洋油轮船体的焊接技术 CAD CAE CAM等计算机技术及机器人技术在材料成形技术中得到越来越广泛的应用 粉末冶金 高分子 陶瓷 复合材料制品的应用也日益扩大等等 11 材料成形加工在国民经济中的地位 材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位 并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平 占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接 又说45 的金属通过焊接得以成形 制成件或产品后投入使用的 在机床和通用机械中铸件质量占70 80 农业机械中铸件质量占40 70 汽车中铸件质量约占20 锻件质量约占70 飞机上的锻件质量约占85 发电设备中主要零件如主轴 叶轮 转子等均为锻件制成 家用电器和通信产品中60 80 的零部件是冲压件和塑料成形件 12 交通工具 轿车的构成来看 发动机中的缸体 缸盖 活塞等一般都是铸造而成 连杆 传动轴 车轮轴等是锻造而成 车身 车门 车架 油箱等是经冲压和焊接制成 车内饰件 仪表盘 车灯罩 保险杠等是塑料成形制件 轮胎等是橡胶成形制品 因此 可以毫不夸张地说 没有先进的材料成形工艺 就没有现代制造业 13 毛坯 零件 液态成形 铸造 塑性成形 压力加工 连接成形 焊接 热处理 型材 铸锭 生铁 矿石 冶炼 形状 尺寸 性能 炼钢 塑性成形 压力加工 塑性成形 压力加工 切削加工 机器零件的基本生产工艺过程及工艺学 本课程的学习内容 14 掌握主要毛坯成型方法的基本原理和工艺特点 具有选择毛坯及工艺分析的初步能力 具有综合运用工艺知识 分析零件结构工艺性的初步能力 抓住一主线 成形原理 成形方法 工艺 及应用 成形工艺过程设计 成形件的结构工艺性 学习方法 15 工艺 工艺过程 工艺学的定义 工艺 将原料或半成品加工成产品的方法 技术等 工艺过程 将原料或半成品加工成产品的过程 工艺学 研究工艺过程的科学 诸如机械制造工艺学 包括 铸造工艺学 锻造工艺学 焊接工艺学 机械加工工艺学 16 材料成形技术基础主要内容 铸造锻压焊接非金属材料成形粉末冶金材料成形工艺的选择 17 学习目的及要求 1 掌握各种热加工方法的基本原理 工艺特点和应用场合 了解各种常用的成形设备的结构和用途 具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯 或零件 成形方法的初步能力 2 具有综合运用工艺知识 分析零件结构工艺性的初步能力 3 了解与材料成形技术有关的新材料 新工艺及其发展趋势 即学会 五选 材料 毛坯 工艺方法 热处理 结构工艺性 18 第一篇金属的铸造成形工艺 19 铸造 工艺基础 铸件生产 结构设计 铸造工艺 1 2 3 4 工艺性能 20 第一章铸造成形工艺理论基础 21 定义 铸造 casting 是指将熔融态的金属 或合金 浇注于特定型腔的铸型中 冷却凝固后获得毛坯或零件的成形工艺 铸造的基本过程 第一节铸造成形工艺的特点和分类 22 5 16 20094 28PM 砂型铸造过程 23 金属液态成形在机械制造业中占有重要的地位 它是制造毛坯 零件的重要方法之一 就重量而论 铸件在一般机械设备中占45 90 在金属切削机床中占70 80 在汽车及农业机械中占40 70 24 一 铸造工艺特点 1 适应性广 既可用于单件 小批生产 也可用于成批 大量生产 适应铸铁 碳钢 有色金属等材料 铸件大小 形状和重量几乎不受限制 壁厚1mm到1m 质量零点几克到数百吨 三峡的水轮机叶轮重达430T 材料能熔便可铸 2 可复杂成形 适合形状复杂 尤其是有复杂内腔的毛坯或零件 如箱体 床身 机架 车轮 阎体 泵体 叶轮 汽缸体 螺旋桨等 3 成本较低 可直接利用成本低廉的废机件和切屑 设备费用较低 25 4 但也存在一些不足 组织缺陷 力学性能偏低 质量不稳定 工作环境较差 组织缺陷 铸件内部常有缩孔 缩松 气孔等缺陷产生 导致铸件力学性能 特别是冲击性能较低 铸件多数做为毛坯用 污染环境 铸造生产会产生粉尘 有害气体和噪声对环境的污染 比起其他机械制造工艺来更为严重 需要采取措施进行控制 26 2007金工教研室 机械制造基础 常见铸造缺陷 27 铸件的生产工艺方法按充型条件的不同 可分为 重力铸造 压力铸造 离心铸造等 传统上 将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为 特种铸造 砂型铸造应用最为广泛 世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90 以上 砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种 其工艺流程如图1所示 二 铸件成形工艺分类 按照形成铸件的铸型分可分为 砂型铸造 金属型铸造 熔模铸造 壳型铸造 陶瓷型铸造 消失模铸造 磁型铸造等 28 铸造生产主要包括以下几个过程 29 5 16 20094 28PM 砂型铸造过程 30 31 合金的铸造性能 充型能力收缩性吸气性 第二节合金的铸造性能 合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确 结构完整的铸件的能力 合金铸造性能是选择铸造金属材料 确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据 铸造性能对获得合格的铸件有很大的影响 32 一 合金的充型能力 充型能力 熔融合金充满铸型型腔 获得形状完整 轮廓清晰铸件的能力 在液态合金充型过程中 一般伴随结晶现象 若充型能力不足时 在型腔被填满之前 形成的晶粒将充型的通道堵塞 金属液被迫停止流动 于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷 浇不足使铸件未能获得完整的形状 冷隔时 铸件虽可获得完整的外形 但因存有未完全熔合的垂直接缝 铸件的力学性能严重受损 33 34 充型能力对铸件质量的影响 液态合金的充型能力强 则容易获得薄壁而复杂的铸件 不易出现轮廓不清 浇不足或冷隔等缺陷 有利于金属液中气体和非金属夹杂物的上浮 排出 减小气孔 夹渣等缺陷 能够提高补缩能力 减少产生缩孔 缩松的倾向性 35 影响合金充型能力的主要因素 合金的流动性 与合金种类 合金的化学成分 温度 杂气量等有关 浇注条件 温度 压力 铸型条件 铸型的蓄热能力 铸型温度 铸型中的气体 铸件结构 36 1 合金的流动性 流动性定义 flowability 流动性是指液态合金的流动能力 这种能力体现在2个方面 1 充满型腔 2 形成符合要求的优质铸件 如果流动性不好 就不能充满型腔 就不能形成符合要求的优质铸件 也说明不同的合金具有不同的流动性特点 在进行铸件设计和铸造工艺制定时 必须考虑合金流动性 那么 我们怎样衡量合金的流动性呢 37 图1 1螺旋型试样 在相同的浇注工艺条件下 将金属液浇入铸型中 测出其实际螺旋线长度 浇出的试样愈长 合金的流动性愈好 螺旋形流动性试样 测定方法 38 表1 1常用合金的流动性 砂型 试样截面8 8 39 灰铸铁 硅黄铜的流动性较好 铸钢较差 铝合金居中 液态金属本身的流动能力 流动性 充型能力 易薄壁复杂铸件 气孔 夹渣 缩孔 影响合金流动性的主要因素 合金的成分与铸件的凝固方式 不同成分合金的结晶特性示意图见图1 2 40 含碳量 温度 T 碳钢 铸铁 共晶点 41 图1 2不同成分合金的结晶特性 在铸件凝固过程中 铸件断面上存在三个区域 即固相区 凝固区和液相区 其中凝固区对铸件质量有较大影响 铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分 如图1 2 液态金属的凝固 42 铸件的凝固方式 纯金属 共晶类合金及窄结晶温度范围的合金 在恒温下以共晶团进行结晶 结晶时从表层开始向中心逐层凝固 紧靠铸型壁的外层合金 一旦冷却至凝固点或共晶点温度时 即凝固成固态晶体 而处于上述温度以上的里层合金 仍为液态 成分 温度 1 逐层凝固 43 特征 如灰口铸铁 硅黄铜及低碳钢等 固 液界面分明 平滑 不存在固液交错 凝固前沿比较平滑 对金属的流动阻力小 因而充型能力强 44 2 糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金的一旦冷却至液相线温度时 结晶出的第一批晶粒即被周围剩余的液体合金所包围 温度继续下降 新形成的另一批晶粒又被液体合金包围 枝晶与液体合金互相交错充斥整个断面 固 液交错 成分 温度 45 这种凝固方式犹如水泥凝固 先呈糊状而后固化 凝固前沿粗糙 对金属流动的阻力大 因而充型能力差 容易产生铸造缺陷 特征 远离共晶点成分的合金 如锡青铜 球墨铸铁及高碳钢等 46 3 中间凝固 介于逐层凝固和糊状凝固之间 大多数合金为此凝固方式 温度 成分 中碳钢 白口铁以及部分特种黄铜等 倾向于中间凝固方式 47 2 铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提下 凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差 若铸件内外层之间的温度差由小变大 则其对应的凝固区由宽变窄 T1 T2 1 合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小 凝固区域愈窄 愈倾向于逐层凝固 影响铸件凝固方式的主要因素 金属的凝固温度范围越大 树枝晶越发达 其流动性越差 48 如何提高合金的流动性 提高流动性 降低金属粘稠度的成分均有助于提高流动性 磷 铁液的凝固温度和粘度 流动性 铸铁的冷脆性 硫 形成悬浮于铁液中的MnS质点 增加内摩擦 铁液的粘度 流动性 49 纯金属 共晶类合金及结晶温度范围窄的合金 只存在固 液两相区 结晶温度范围大的合金 存在固相区 凝固 固 液两相 区和液相区 倾向于逐层凝固方式 倾向于糊状凝固方式 在相同的浇注温度下 共晶成分合金凝固温度最低 即液态金属的过热度较大 推迟了液态金属的凝固 所以从流动性考虑 宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金 50 2 浇注条件 浇注温度 粘度 过热度 蓄热多 保温时间 流动性 一般要求比它的液相线温度高 即存在过热度 推迟它的凝固时间 以保持良好的流动性 1 浇注温度 指的是浇注时熔融合金的温度 对于薄壁铸件或流动性差的合金 利用提高浇注温度以改善充型能力的措施 51 浇注温度 金属的收缩 吸气 氧化 缩孔 缩松 气孔和粘砂 充型能力足够时浇注温度应尽可能低 每种合金有自己的合理浇注温度范围 铸钢1520 1620 铸铁1230 1450 铝合金680 780 52 2 浇注压力 采用方法 增加直浇道高度 压力铸造 离心铸造来提高浇注压力 浇注压力 合金的流动性 金属液在流动方向上所受的压力越大 则流速越大 充型能力就越好 53 3 铸型填充条件 1 铸型导热能力 铸型材料导热系数大 比热大 金属液冷却快 铸件的温度梯度 凝固区变宽 充型能力 铸型温度温度 金属液冷却慢 充型能力 干砂型铸型 加热 合金的流动性 金属型铸型 导热能力 合金的流动性 54 3 铸型填充条件 铸型结构 当铸件壁厚过小 壁厚急剧变化 铸型型腔狭窄 结构复杂以及有大的水平面等或铸型材料发气量大时 型腔内气体 如排气不畅 金属液流动阻力 合金的流动性 2 铸型的阻力 铸型的排气能力铸型的排气能力差 气体不易排出 阻碍液态合金的充型所以铸型具有良好透气性 并在最高处设出气口 55 二 合金的收缩性 1 合金的收缩 合金在浇注 凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象称为收缩 合金的收缩 控制不好 缩孔 缩松 变形 裂纹 收缩是多种铸造缺陷的根源 56 合金在浇注 凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段 温度 成分 T浇 T凝 T固 浇 凝 固 液态收缩 液从浇注温度 T浇 到凝固开始温度 即液相线温度T液 间的收缩 凝固收缩 凝从凝固开始温度 T凝 到凝固终止温度 即固相线温度T固 间的收缩 固态收缩 固从凝固终止温度 T固 到室温T室温间的收缩 体收缩率 液态收缩和凝固收缩 表现为铸型空腔内金属液面的下降 引起液体铸件体积的变化 故称体积收缩或体收缩 液态收缩和凝固收缩 是铸件产生缩孔或缩松的基本原因 固态收缩 是铸件产生铸造应力导致铸件变形 甚至产生裂纹的主要原因 固态收缩 将引起铸件外部形状 尺寸发生变化尺寸的变化 故称尺寸收缩或线收缩 线收缩率 合金的总收缩为上述三种收缩之和 59 2 影响合金收缩的因素 化学成分 碳素钢C 凝 固 灰铸铁C Si 收缩率 S 收缩率 不同成分合金的收缩率不同 几种铁碳合金的收缩率 60 浇注温度 T过 液 总收缩率 浇注温度 为减小合金液态收缩及氧化吸气 并且兼顾流动性 浇注温度一般控制在高于液相线温度50 150 61 由于铸件壁厚不均匀 各部分冷速不同 各部收缩先后不一致 而相互制约 对收缩产生阻力 铸型和型芯 收缩机械阻力 实际收缩率比自由收缩率小 铸件结构和铸型条件 铸件的凝固收缩 凝并非自由收缩 而是受阻收缩 其阻力来源于两个方面 62 a 自由线收缩率为2 5 b 受阻较小的线收缩率为1 5 c 受阻较大的线收缩率为1 0 d 受阻特别大的线收缩率为0 5 63 在设计和制造模样时 不应直接采用合金的线收缩率 而应根据合金种类和铸件收缩的受阻情况 采用实际的收缩率 64 3 铸件中的缩孔与缩松 铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞 大而集中的孔洞称为缩孔 细小而分散的孔洞称为缩松 危害 缩孔和缩松会减小铸件的有效承载面积 并在该处造成应力集中 从而降低力学性能 对于要求气密件 缩孔 缩松还会造成渗漏而严重影响其气密性 所以 缩孔和缩松是很大的铸造缺陷之一 65 缩孔与缩松的形成 由 液 凝 体积 得不到补充 最后凝固部分产生孔洞 形成集中孔洞 缩孔 缩孔的形成 演示 66 缩孔形成的条件 金属在恒温或很小的温度范围内结晶 如纯金属 共晶成分的合金 浇注后在型腔内是由表及里的以逐层凝固方式进行凝固 缩孔种类 缩孔产生的基本原因 合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值 缩孔与缩松的形成演示 67 缩孔易出现的部位 缩孔产生的部位 一般在铸件最后凝固区域 如壁的上部或中心处 以及铸件两壁相交处 即热节处 68 若在铸件顶部设置冒口 缩孔将移至冒口 冒口riser 铸型中特设的空腔 用于储备多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体不足 69 缩松形成的条件 它主要出现在结晶温度范围宽 呈糊状凝固方式的合金中 或断面较大的铸件壁中 缩松的形成 树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致 缩松动画 70 缩松分为宏观缩松和显微缩松 宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到 显微缩松用显微镜才能观察到 缩松产生的部位 大多分布在铸件中心轴线处 热节处 冒口根部 内浇口附近或缩孔下方 图1 6铸件缩松的形成过程 71 72 73 缩孔缩松的形成规律 1 合金的液态收缩和凝固收缩越大 如铸钢 白口铁等 铸件越易形成缩孔 2 合金的浇注温度越高 液态收缩越大 越易形成缩孔 3 结晶温度范围宽的合金 倾向于糊状凝固 易形成缩松 纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固 易形成缩孔 74 缩孔和缩松的防止 判断缩孔出现的方法 等温线法 根据铸件各部分的散热情况 把同时到达凝固温度的各点连接成等温线 逐层向内绘制 直道最窄的截面上的等温线相互接触为止 这样 就可以确定铸件最后凝固的部位 即缩孔和缩松的位置 75 在内接圆直径最大的部分 称为 热节 有较多的金属积聚 往往最后凝固 容易产生缩孔和缩松 内接圆法 常用来确定铸件上相交壁处的缩孔位置 76 缩孔和缩松的防止 定向 顺序 凝固原则 原则 合理布置内浇道及确定浇铸工艺 方法 合理应用冒口 冷铁和补贴等工艺措施 消除缩孔的方法 缩孔的防止 77 利用各种工艺措施 使铸件从远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯 凝固从远离冒口的部分开始 逐渐向冒口方向顺序进行 最后是冒口本身凝固 这样就能实现以厚补薄 使缩孔移至冒口 从而获得致密的铸件 缩孔和缩松的防止 定向凝固 原则 适用于收缩大或壁厚差别大 易产生缩孔的合金铸件 如铸钢 高强度灰铸铁 可锻铸铁等 78 定向凝固directionalfreezing图解 浇注系统Pouringsystem 型腔mouldcavity 冒口Riser 温度 距离 1 2 3 缩孔shrinkagecavity 定向凝固动画 在铸件一些局部厚大的部位上安放冷铁 加快该处的冷却 以便充分发挥冒口的补缩作用 冷铁Chill 型壁上外设的铁块 用于加快该处的冷却速度 冒口的设计 应将冒口安放在铸件最厚和最高处 其尺寸要足够大 内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定 应将内浇道开设在冒口上 使充型的炽热金属液首先流经冒口 内浇道的设计 冷铁的设计 80 冷铁的使用图解 1 2 3 冷铁Chill Chillsaremetallicobjects whichareplacedinthemouldtoincreasethecoolingrateofcastingstoprovideuniformordesiredcoolingrate 81 解决缩孔的方法演示 冒口和冷铁1 冒口和冷铁2 82 冒口 储存补缩用金属液的空腔 顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固 83 尽量选择凝固区域较窄的合金 使合金倾向于逐层凝固 对凝固区域较宽的合金 可采用增大凝固的温度梯度办法 缩松的防止 缩松的防止比缩孔困难 目前多采用在热节处加冷铁和加大结晶压力的办法 减少金属液流动的阻力 能达到部分防止缩松的效果 缩松转化为缩孔的方法 84 由于铸件各部分有温差 凝固期间容易产生热裂 凝固后也容易使铸件产生应力和变形 定向凝固使清理工作量大 冒口补缩作用好 可防止缩孔和缩松 铸件致密 对于凝固收缩大 结晶温度范围较小的合金 常采用定向凝固原则以保证铸件质量 定向凝固的优点 定向凝固的缺点 85 4 铸造内应力及铸件的变形和裂纹 铸件的固态收缩受到阻碍时 在铸件内部产生的内应力称为铸造内应力 它是产生变形和裂纹的主要原因 内应力 热应力 机械应力 铸件在凝固和冷却的过程中 由于铸件的壁厚不均匀 各部分冷却速度不同 造成同一时刻各部分收缩不一致 从而在铸件中相互制约产生热应力thermalstress 铸件在固态收缩时 因受到铸型 型芯 浇冒口 砂箱等外力阻碍而产生的应力 内应力的形成 86 第一阶段T0 T1 a 高温阶段 塑性状态 杆 杆都是塑性变形 无热应力 图1 10热应力的形成 以框架铸件为例 说明热应力的形成过程 如图1 10所示 其热应力形成过程分三阶段 铸造热应力的形成过程分析 第二阶段T1 T2 b c 杆塑性状态 杆弹性状态 杆受拉应力 受压应力 塑性变形消除 仍无热应力 87 第三阶段T2 T3 d 杆 杆均弹性变形 杆比 杆温度高 杆收缩大于 杆 杆收缩受 杆的阻碍 产生拉应力 杆产生压应力 热应力和合金的弹性模量 线收缩系数 铸件各部分壁厚差别及温度差成正比 图1 10热应力的形成 动画演示 88 结论 热应力的特点 固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸 薄壁或表层受压缩 合金固态收缩率愈大 铸件壁厚差别愈大 形状愈复杂 所产生的热应力愈大 防止热应力产生的途径 缩小铸件各部位的温差 使其均匀冷却 选用弹性模量小的合金 设计壁厚均匀的铸件 从工艺方面促使铸件各部位同时凝固 89 同时凝固 整个铸件几乎同时凝固 同时凝固可有效防止热应力 凝固期间不容易产生热裂 凝固后也不易引起应力 变形 由于不用冒口或冒口很小而节省金属 简化工艺 减少工作量 缺点是铸件中心区域往往有缩松 铸件不致密 90 机械应力 收缩应力 mechanicalstress 机械应力是暂时应力 上型 下型 铸件收缩受到铸型 型芯及浇铸系统的机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力 简称机械应力 铸型或型芯退让性良好 机械应力则小 机械应力在铸件落砂之后可自行消除 机械应力在铸型中能与热应力共同起作用 增加了铸件产生裂纹的可能性 91 减小和消除铸造应力的途径 工艺方面a 使铸件按 同时凝固 原则进行凝固 将内浇道开设在薄壁处 在厚壁部位安放冷铁使铸件各部分温差很小 同时进行凝固 由此热应力可减小到最低限度 应该注意的是 此时铸件中心区域往往出现缩松 组织不够致密 92 b 提高铸型和型芯的退让性 及早落砂 打箱以消除机械阻碍 将铸件放入保温坑中缓冷 都可减小铸造应力 结构设计方面应尽量做到结构简单 壁厚均匀 薄 厚壁之间逐渐过渡 以减小各部分的温差 并使各部分能比较自由地进行收缩 采用自然时效 人工时效等方法消除铸件中产生的热应力 93 铸件的变形及其防止 如果铸件存在内应力 则铸件处于一种不稳定状态 铸件厚的部分受拉应力 薄的部分受压应力 如果内应力超过合金的屈服极限时 则铸件本身总是力图通过变形来减缓内应力 因此细而长或大又薄的铸件易发生变形 94 95 结论 最后凝固厚部 心部受拉应力 出现内凹变形 薄部 表面受压应力 出现外凸变形 96 防止变形的方法 例如 设计时 铸件壁厚力求均匀 制定铸造工艺时 尽量使铸件各部分同时冷却 增加型 芯 砂的退让性等 防止铸件变形的根本措施是减少铸造内应力 在制造模样时 可以采用反变形法 即预先将模样做成与铸件变形相反的形状 以补偿铸件的变形 在薄壁处附加工艺筋 97 98 5 16 20094 28PM 铸件的变形的消除方法 防止变形的方法 与防止应力的方法基本相同 带有残余应力的铸件 变形使残余应力减小而趋于稳定 问题 分析有长 短不一的两根弹簧 将其固定 使其达到同等长度 即其中一弹簧被拉长 另一弹簧被压缩 此时所受的应力状态 然后将其固定约束去掉 试分析其变形趋势 将一长度为L的圆柱体铸件 1 将中间钻一通孔 2 将外表面车掉一层 问 在这两种情况下其长度会发生什么变化 若将应力框中间的粗杆沿中间锯断 问 应力框中间的间隙会发生什么变化 只有原来受拉伸部分产生压缩变形 受压缩部分产生拉伸变形 才能使残余应力减少或消除 99 如果铸造内应力超过合金的强度极限时 铸件便会产生裂纹 铸件的裂纹及防止 裂纹分为热裂和冷裂两种 1 热裂HotTearing在凝固末期 接近固相线的高温下形成的裂纹 产生原因 在凝固后期 结晶出来的固态物质已形成了完整的骨架 开始了线收缩 但晶粒间还存有少量液体 低熔点的共晶产物FeS 故金属的高温强度很低 例如 w C 0 3 的碳钢 室温强度 480MPa 而在1300 14l0 时的高温强度h 0 75MPa 当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂 100 特征 裂纹短 形状曲折 缝隙宽 断面有严重氧化 无金属光泽 裂纹沿晶界产生和发展等 在铸钢和铝合金铸件中常见 101 热裂一般分布在应力集中部位 尖角或断面突变处 或热节处 102 103 形成热裂的主要因素 合金性质结晶温度范围宽 液 固两相绝对收缩量愈大 热裂倾向也愈大 另外 含硫 S 高 热裂倾向也大 灰铸铁 球铸热裂倾向小 铸钢 可锻铸铁热裂倾向大 铸型阻力铸型的退让性愈好 机械应力愈小 热裂倾向小 砂土中加入少量锯木屑可增加退让性 104 防止热裂的措施 硫增加合金的热脆性 使热裂倾向大大提高 105 5 16 2009