金属工艺学(热)教学内容

1、一、一、金属工艺学（热）教学内容金属工艺学（热）教学内容各种毛坯制造方法的生产原理、特点和各种毛坯制造方法的生产原理、特点和应用应用液态成形：铸造液态成形：铸造固态塑变成形：锻压固态塑变成形：锻压连接成形：焊接连接成形：焊接各种毛坯的结构工艺性各种毛坯的结构工艺性各种毛坯工艺的制订各种毛坯工艺的制订新技术、新工艺新技术、新工艺二、二、教学方式教学方式l讲课为主，自学为辅讲课为主，自学为辅l作业讨论课作业讨论课l投影、录像投影、录像l作业、测验作业、测验三、三、几个问题几个问题l教学计划安排：教学计划安排：l教学资料：教材、作业、参考书教学资料：教材、作业、参考书铸造铸造Foundry：是一种液

2、态金属成形的方是一种液态金属成形的方法，即将金属加热到液态，使其具有流法，即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作用下（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。的铸件。 PouringMeltintheMoldSolidificationCasting优点：优点：complexinshapeadaptabilityintechnologycheapinproduction缺

3、点：缺点：lowermechanicalpropertiesunstablequalityworseworkconditionl（1）可以铸造出内腔、外形很复杂的毛）可以铸造出内腔、外形很复杂的毛坯。坯。l（2）工艺灵活性大、适应性广。铸件重）工艺灵活性大、适应性广。铸件重量可由几克到几百吨，壁厚可由量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到到1m左右；铸件材料可用铸铁、铸钢、左右；铸件材料可用铸铁、铸钢、碳钢和有色金属等。碳钢和有色金属等。l（3）铸件成本低。）铸件成本低。l（4）有铸造缺陷，机械性能不如锻件等。）有铸造缺陷，机械性能不如锻件等。v砂型铸造Sand Castingv手工造型手工

4、造型HandMoldingv机器造型机器造型MachineMoldingv 震压造型震压造型VibrationRammingv 微震压实造型微震压实造型VibratorysqueezingMoldingv高压造型高压造型HighPressureMoldingv 射压造型射压造型ShootingandSqueezingMoldingv 空气冲击造型空气冲击造型AirImpactingMoldingv 抛砂造型抛砂造型ImpellerRammingl特种铸造Special Casting熔模铸造熔模铸造FusiblePatternMolding 金属型铸造金属型铸造PermanentMoldCas

5、ting 压力铸造压力铸造PressureDieCasting低压铸造低压铸造LowPressureDieCasting离心铸造离心铸造TrueCentrifugalCasting实型铸造实型铸造1.液态金属的结构与性质液态金属的结构与性质l液态金属由许多近程有序排列的液态金属由许多近程有序排列的“游动游动的原子集团的原子集团”所组成所组成,瞬间存在、瞬间消瞬间存在、瞬间消失。失。原子的排列和原有的固体相似原子的排列和原有的固体相似存在很大的能量起伏，热运动很强存在很大的能量起伏，热运动很强温度越高，原子集团越小，游动越快。温度越高，原子集团越小，游动越快。 v液态金属具有粘度和表面张力等特液

6、态金属具有粘度和表面张力等特性。性。粘度是介质中一部分质点对另一粘度是介质中一部分质点对另一部分质点作相对运动时所受到的部分质点作相对运动时所受到的阻力。阻力。粘度的倒数称为流动性粘度的倒数称为流动性。表面张力是在液体表面上平行于表面张力是在液体表面上平行于表面方向、且在各方向均相等的表面方向、且在各方向均相等的张力。张力。 l逐层凝固方式：恒温下结晶的纯金属或逐层凝固方式：恒温下结晶的纯金属或共晶合金，在凝固过程中其铸件断面上共晶合金，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零。的凝固区域宽度等于零。 l糊状凝固方式：如果铸件断面温度场较糊状凝固方式：如果铸件断面温度场较平坦，或合金的结晶

7、温度范围很宽，铸平坦，或合金的结晶温度范围很宽，铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域在件凝固的某一段时间内，其凝固区域在某时刻贯穿整个铸件断面。某时刻贯穿整个铸件断面。 l中间凝固方式中间凝固方式 ：介于上述二者之间介于上述二者之间。顺序凝固原则：顺序凝固原则：DirectionalSolidification在铸件上从远离冒口或在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之浇口到冒口或浇口之间建立一个递增的温间建立一个递增的温度梯度，从而实现由度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固。口的方向顺序地凝固。 同时凝固原则：同时凝固原则：SimultaneouslySoli

8、dification是采取工艺措施保是采取工艺措施保证铸件结构上各部证铸件结构上各部分之间没有温差或分之间没有温差或温差尽量小，使各温差尽量小，使各部分同时凝固。如部分同时凝固。如图所示。图所示。 铸造性能：铸造性能：Foundry Technological Properties是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力，是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力，是一个极其重要的工艺性能。通常用流是一个极其重要的工艺性能。通常用流动性和收缩性等来衡量。动性和收缩性等来衡量。 充型能力的概念（流动性） l液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状正确的优质铸件的能力。 l它是考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属的

9、流动性。l流动性不好时，易产生冷隔、浇不到、气孔、夹杂、缩孔、热裂等。l合金的流动性好坏用浇注螺旋型流动试样的长度来衡量。 l合金性质合金性质propertiesofalloys.同类金属的同类金属的结晶温度范围越小，结晶时固液両相区结晶温度范围越小，结晶时固液両相区越窄，对内部液体的流动阻力越小，流越窄，对内部液体的流动阻力越小，流动性越好。动性越好。l铸型条件铸型条件mouldcondition。铸型的导热速度越铸型的导热速度越大或对金属液流动阻力越大，流动性越差。大或对金属液流动阻力越大，流动性越差。l浇注条件浇注条件pouringcondition。浇注温度越高，浇注温度越高，流动性越

10、好。流动性越好。l铸件结构铸件结构castingstructure。壁厚过小、壁厚壁厚过小、壁厚急剧变化、结构复杂及有大的水平面等结构时，急剧变化、结构复杂及有大的水平面等结构时，都使金属液的流动困难。都使金属液的流动困难。 通过两个途径发生作用通过两个途径发生作用：l影响金属与铸型之间的热交换条件，影响金属与铸型之间的热交换条件，改变金属液的流动时间；改变金属液的流动时间；l影响金属液在铸型中的水动力学条影响金属液在铸型中的水动力学条件，改变金属液的流动速度。件，改变金属液的流动速度。收缩的概念：收缩的概念：合金从液态冷却到常温的合金从液态冷却到常温的过程中，尺寸和体积缩小的现象称为收过程中

11、，尺寸和体积缩小的现象称为收缩。缩。TheConceptionofthe Contraction体收缩体收缩率率rateofvolumeContraction:vv0_-v1/v0*100线收缩率线收缩率 rateoflinear Contraction：l=l0-l1/l0*100 收缩的阶段 Contraction Stages l液态收缩 Liquid Contractionl 凝固收缩 Solidification Contractionl固态收缩 Solid Contractionl前两个阶段的收缩使合金体积减少，表现为铸型内液面的降低，用体收缩率表示；后一阶段表现为铸件的外形尺寸减

12、小，用线收缩率表示。 自由收缩自由收缩freeContraction受阻收缩受阻收缩hinderedContraction和浇注、铸型条件和铸件结构等有关。和浇注、铸型条件和铸件结构等有关。同时和金属本身的成份、温度及相变同时和金属本身的成份、温度及相变有关有关1.缩孔和缩松缩孔和缩松2.ShrinkageandDispersedShrinkage 缩孔和缩松的形成 （图7为缩松的形成；图18为缩孔的形成）1、变缩松为缩孔，选择结晶温度范围、变缩松为缩孔，选择结晶温度范围窄的合金。窄的合金。2、采用顺序凝固、采用顺序凝固Directionalolidification原则。原则。3、合理应用冒

13、口、合理应用冒口Riser、冷铁冷铁Chilling和补贴等工艺措施。和补贴等工艺措施。控制热节控制热节HotSpotl热裂是在铸件凝固末期高温下形成热裂是在铸件凝固末期高温下形成的，裂纹表面与空气接触而被氧化，的，裂纹表面与空气接触而被氧化，呈氧化色。热裂的形成与两方面因呈氧化色。热裂的形成与两方面因素有关：素有关：l铸件的凝固方式，呈糊状凝固方式铸件的凝固方式，呈糊状凝固方式最易产生热裂。最易产生热裂。l凝固时期受到阻碍凝固时期受到阻碍铸造应力：铸件的固态收缩受到阻碍铸造应力：铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力称为铸造应力。分为：而引起的应力称为铸造应力。分为：热阻碍和机械阻碍，由热阻碍引

14、起热阻碍和机械阻碍，由热阻碍引起的应力为热应力，由机械阻碍引起的应力为热应力，由机械阻碍引起的应力为机械应力。的应力为机械应力。残留应力残留应力ResidualStress临时应力临时应力TemporaryStress2杆：压应力：Compression Stress1杆：拉应力Tensile Stress机械应力机械应力ContractionStress：铸铸件冷到弹性状态后，由于受到铸型、件冷到弹性状态后，由于受到铸型、型芯和浇冒口等的型芯和浇冒口等的阻碍而产生的应阻碍而产生的应力为机械应力。力为机械应力。机械应力为机械应力为拉应力，如拉应力，如图：图：Tensile Stress减小和消

15、除铸造应力的方法减小和消除铸造应力的方法l同时凝固同时凝固SimultaneouslySolidifyingl在工艺上采取措施减少铸造应力，在工艺上采取措施减少铸造应力，如改善型芯砂的退让性、合理设置如改善型芯砂的退让性、合理设置浇、冒口。浇、冒口。l在结构上避免阻碍收缩的结构。如在结构上避免阻碍收缩的结构。如壁厚均匀、壁之间连接均匀、热节壁厚均匀、壁之间连接均匀、热节小而分散的结构。小而分散的结构。l减小机械阻碍：减小机械阻碍：ReductionofRestraintl去应力退火：去应力退火：ReliefAnnealing铸件的变形铸件的变形DeformationofCasting对厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特对厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等铸件，当残余点的杆类、板类及轮类等铸件，当残余应力大于材料的屈服极限时，产生翘曲应力大于材料的屈服极限时，产生翘曲变形，如图所示。变形，如图所示。l薄壁冷速快，压应力，伸长或外凸薄壁冷速快，压应力，伸长或外凸l厚壁冷速慢，拉应