热加工工艺-1铸造-1

1、II 热加工工艺基础热加工工艺基础河北联合大学河北联合大学 机械工程学院机械工程学院课程安排课程安排n上课：上课：1014周，周，20学时；学时；n考试：闭卷，时间待定；考试：闭卷，时间待定；n成绩：成绩：80%卷面卷面+20%平时平时(出勤，作业出勤，作业)；热加工工艺基础热加工工艺基础材料基础知识材料基础知识金属液态成形金属液态成形金属塑性成形金属塑性成形金属连接成形金属连接成形热加工工艺热加工工艺3内容关系内容关系毛坯毛坯型材型材零件零件切削切削加工加工装配装配液态成形（铸造）液态成形（铸造）塑性成形（压力加工）塑性成形（压力加工）连接成形（焊接）连接成形（焊接）产品产品第一章第一章 铸

2、造铸造知识点知识点:常用金属材料常用金属材料黑色黑色金属金属有色有色金属金属粉末粉末冶金冶金钢钢铸钢铸钢和铸和铸铁铁铜及铜及铜合铜合金金铝及铝及铝合铝合金金硬质硬质合金合金粉末粉末高速高速钢钢n铸造铸造 将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法.n作用作用: 铸造是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料铸造是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形可分为的不同，金属液态成形可分为砂型铸造砂型铸造和和特种铸造特种铸造(包括包括压力铸造、金属型铸造等

3、压力铸造、金属型铸造等).其中砂型铸造是最基本的液态其中砂型铸造是最基本的液态成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%以上以上.7铸造（金属液态成型）铸造（金属液态成型）1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。复杂的制件。如如:汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。床身件等。2适应性强：适应性强： （1）合金种类不受限制；）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。）铸件大小几乎不受限制。 3成本低：成本低：（1）材料来源广；）材料来源广；（2）废品可重熔；）废品可重熔；（3

4、）设备投资低。）设备投资低。 4废品率高、表面质量较低、劳动条件差。废品率高、表面质量较低、劳动条件差。缺陷多：组织疏松、晶粒粗大、缩孔和缩松、气孔缺陷多：组织疏松、晶粒粗大、缩孔和缩松、气孔力学性能差：力学性能差：知识点：知识点：铸造工艺基础铸造工艺基础 合金的铸造性能合金的铸造性能液态液态合金合金流动流动性性、充型充型能力能力铸件铸件凝固凝固与与收缩收缩铸造缺陷分析铸造缺陷分析 气气孔孔 铸造铸造内应内应力变力变形和形和裂纹裂纹缩缩孔孔和和缩缩松松 1、液态合金的流动性、液态合金的流动性合金的流动性：合金的流动性： 熔融金属的流动能力熔融金属的流动能力.影响充型能力：影响充型能力：充满薄、

5、复杂型腔，轮廓清晰的铸件；充满薄、复杂型腔，轮廓清晰的铸件；上浮和排除液体中气体和夹杂物；上浮和排除液体中气体和夹杂物；有利于补缩，减少热裂纹缺陷；有利于补缩，减少热裂纹缺陷；合金流动性衡量指标：合金流动性衡量指标：螺旋形试样螺旋形试样1.1 液态金属的液态金属的流动性流动性与与充型能力充型能力n影响因素影响因素:(1)合金种类合金种类;(2)成分和结晶特点成分和结晶特点;(3)物理性能物理性能. 0.45%C 铸钢：2004.3%C 铸铁：1800PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（）0(2) 成分和结晶特点成分和结晶特点;纯金属和共晶成分合金纯金

6、属和共晶成分合金亚共晶成分合金结晶亚共晶成分合金结晶铁铁碳碳相相图图(3)(3)其他物理性能：其他物理性能： 热容、密度、结晶潜热、黏度等热容、密度、结晶潜热、黏度等。合金种类合金种类 铸型种类铸型种类 浇注温度浇注温度/ 螺旋线长度螺旋线长度/ 铸铁铸铁 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% 砂型砂型 砂型砂型 砂型砂型 砂型砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 铸钢铸钢 wC=0.4% 铝硅合金（硅铝明）铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含镁合金（含Al和和Zn） 锡青铜锡青铜(wSn10%，wZn2

7、%) 硅黄铜硅黄铜wSi=1.5%4.5%) 砂型砂型 砂型砂型 金属型金属型300 砂型砂型 砂型砂型 砂型砂型 1600 1640 680720 700 1040 1100 100 200 700800 400600 420 1000 表表1-1 常用合金的流动性常用合金的流动性（砂型，试样截面（砂型，试样截面88） 充型能力不足时，会产生充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。等缺陷。充型充型 液态合金填充铸型的过程。液态合金填充铸型的过程。充型能力：液体金属充满铸型型腔，获得尺寸充型能力：液体金属充满铸型型腔，获得尺寸 精确、轮廓清晰的成形件的能力

8、。精确、轮廓清晰的成形件的能力。影响充型能力因素：影响充型能力因素： 铸型充填条件、浇注条件、铸件结构铸型充填条件、浇注条件、铸件结构第一节第一节 合金的铸造性能合金的铸造性能2.合金的充型能力合金的充型能力 铸型充填条件：铸型充填条件：阻力和热交换阻力和热交换（1）铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数 铸型的热导率和质量热熔越大，对铸型的热导率和质量热熔越大，对液体合金的激冷作用越强，合金的温降越大，合金充型能液体合金的激冷作用越强，合金的温降越大，合金充型能力越差力越差（2）铸型温度铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。越小，充型能力越

9、强。（3）铸型中的气体铸型中的气体 在热作用下，型腔中气体膨胀，型砂在热作用下，型腔中气体膨胀，型砂中的水分气化，有机物燃烧，增加型腔内的压力。中的水分气化，有机物燃烧，增加型腔内的压力。（3）浇注系统结构浇注系统结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越浇注系统的结构越复杂，流动阻力越 大，充型能力越差。大，充型能力越差。 浇注条件浇注条件（1）浇注温度浇注温度 一般一般T浇浇越高，液态金属的充型能力越强。越高，液态金属的充型能力越强。（2）充型压力充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。充型能力越强。（2）铸件复杂程度铸件复杂程度 铸件

10、结构复杂，流动阻力大，铸型的铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。充填就困难。 铸件结构铸件结构（1）折算厚度折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。1.2 合金的凝固与收缩合金的凝固与收缩一、一、铸件的凝固方式铸件的凝固方式 在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液液相区、凝固区、固相区相区、凝固

11、区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的和固相并存的凝固区的宽窄凝固区的宽窄。 铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。1.凝固方式：凝固方式：(1)逐层凝固：逐层凝固：恒温下结晶的金属或合金恒温下结晶的金属或合金(2)糊状凝固：糊状凝固：合金的凝固温度范围很宽合金的凝固温度范围很宽(3)中间凝固：中间凝固：n层状凝固：纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面层状凝固：纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在上不存在液固两相液固两相的凝固区，已凝固层与没凝固的液相区的凝固区，已凝固层与没凝固的液

12、相区之间界限清晰，随着温度的下降，凝固层不断加厚，液相之间界限清晰，随着温度的下降，凝固层不断加厚，液相区逐渐减少，一直到逐渐完全凝固。区逐渐减少，一直到逐渐完全凝固。IIn糊状凝固：如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的断面糊状凝固：如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的断面温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的凝固层，而是液固两相共存区贯穿铸件的整会形成坚固的凝固层，而是液固两相共存区贯穿铸件的整个断面。个断面。IIIIIIn中间凝固：介于层状凝固和糊状凝固之间，凝固过程中，中间凝固：介于层状凝固和糊状凝固之间，凝固过程

13、中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区。铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区。IIII2.影响凝固的主要因素影响凝固的主要因素*合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围： 合金的结晶温度范围越小，凝固区域越合金的结晶温度范围越小，凝固区域越 窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通 灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度：铸件的温度梯度： 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝在合金结晶温度范围已定的前提下，凝 固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。 若铸

14、件内外层之间的温度差由小变大，则其若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其 凝固区相应由宽变窄。凝固区相应由宽变窄。二、铸造合金的收缩二、铸造合金的收缩 收缩时合金从液态冷却凝固至室温，所伴随收缩时合金从液态冷却凝固至室温，所伴随的体积或尺寸减小到现象。收缩会导致缩孔或缩的体积或尺寸减小到现象。收缩会导致缩孔或缩松、应力、变形、裂纹等缺陷。松、应力、变形、裂纹等缺陷。合金的收缩经历如下三个阶段：合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。 T浇浇 T液液 高于液相线高于液相线50150150 （3）固态收缩固态收缩

15、从凝固终止温度到室温间的收缩。从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固固 T室室 （2）凝固收缩凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液液 T固固 共晶相变、液相共晶相变、液相固相相变、温度下降固相相变、温度下降体收缩率是铸件产生体收缩率是铸件产生缩孔或缩松缩孔或缩松的根本原因。的根本原因。 %100 铸铸件件铸铸件件铸铸型型VVVV %100 铸件铸件铸件铸件铸型铸型LLLL 体收缩率：体收缩率：线收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹应力、变形、裂纹的根本原因。的根本原因。 三、影响合金收缩的因素三、影响合金收缩的因素

16、n化学成分化学成分n浇注温度浇注温度n铸件结构和铸型条件铸件结构和铸型条件1. 缩孔与缩松缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些后凝固的部位形成一些孔洞孔洞 。大而集中大而集中的称的称为为缩孔缩孔，细小而分散细小而分散的的称为称为缩松缩松。*液态收缩和凝固收缩液态收缩和凝固收缩1)缩孔的形成缩孔的形成四、收缩对铸件质量的影响四、收缩对铸件质量的影响2）缩松的形成）缩松的形成: 铸件最后凝固的铸件最后凝固的收缩未能得到补足，收缩未能得到补足，或者结

17、晶温度范围宽或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，的合金呈糊状凝固，凝固区域凝固区域 较宽，液较宽，液、固两相共存，树枝、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液合金液分割开的小液体区难以得到补缩所体区难以得到补缩所致。致。 *液态收缩和凝固收缩液态收缩和凝固收缩3)缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止 控制铸件的凝固次序，控制铸件的凝固次序， “定向凝固（顺序凝固）定向凝固（顺序凝固）”冒口冒口 储存补缩用金属液的空腔。储存补缩用金属液的空腔。远离冒口的部位先凝远离冒口的部位先凝固然后向着冒口方向凝固，最后是冒口本身凝固。固然后向着冒口方向凝固，最后是冒口本身凝固。

18、暗冒口冷铁热节n合理确定铸件的浇注位置合理确定铸件的浇注位置n定向凝固原则，便于补缩定向凝固原则，便于补缩n开设内浇道开设内浇道n合理的浇注温度和浇注速度合理的浇注温度和浇注速度3 铸件的内应力、变形与裂纹铸件的内应力、变形与裂纹 (1)铸造内应力及其防止铸造内应力及其防止 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。阻碍，铸件内部即将产生内应力。 1）热应力：）热应力：凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡 的收缩引起的应力。的收缩引起的应力。壁厚不均壁厚不均冷却速度不同冷却速度不

19、同收缩量不同收缩量不同热应力热应力2）相变应力：）相变应力：固态相变发生后各部分体积发生不均衡固态相变发生后各部分体积发生不均衡 变化而引起的应力。变化而引起的应力。 各部位温度一致各部位温度一致相变同时发生相变同时发生不产生应力不产生应力各部位温度不一致各部位温度不一致相变不能同时发生相变不能同时发生产生应力产生应力3）收缩应力：）收缩应力：合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系 统的机械阻碍而形成的内应力。统的机械阻碍而形成的内应力。 机械应力是暂时应力。机械应力是暂时应力。1 1）热应力）热应力 由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在由于铸件壁厚不均

20、匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。 t t0 0t t1 1: :t tT T1 12 2t t0 0t t1 1t t2 2t t3 3T TH HT T临临T T室室塑性状态塑性状态弹性状态弹性状态1 12 2+ +- -1 12 2t t1 1t t2 2：t t2 2t t3 3：+ +- -1 12 21 12 2- -+ +1 12 2热应力的形成过程演示热应力的形成过程演示 热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力可长时间存在。热

21、应力可长时间存在。防止变形的方法：防止变形的方法： 1 1）采用同时凝固的原则；）采用同时凝固的原则；2 2）提高铸型温度；）提高铸型温度；3 3）应提高铸型和型芯的退让性，及时开型）应提高铸型和型芯的退让性，及时开型 4 4）去应力退火）去应力退火冷铁冷铁同时凝固同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。整个铸件几乎同时凝固。2、铸件的变形与防止、铸件的变形与防止 +-反变形法反变形法防止变形的方法：防止变形的方法： 1）防止内应力的所有措施；）防止内应力的所有措施；2）采用反变形法。）采用反变形法。3）设置工艺肋；）设置工艺肋；变形方向的判定变形方向的判定:先冷部位（薄壁或表层）伸长；先冷部位（薄壁

22、或表层）伸长；后冷部位（厚壁或心部）缩短。后冷部位（厚壁或心部）缩短。3、铸件的裂纹与防止、铸件的裂纹与防止 1 ）热裂）热裂 形状特征：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。形状特征：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。 2 ）冷裂）冷裂 特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微微 氧化色。氧化色。 裂纹的防止：裂纹的防止：防止内应力的所有措施；防止内应力的所有措施；必须严格控制硫和磷的含量，防止热脆性和必须严格控制硫和磷的含量，防止热脆性和冷脆性。冷脆性。 合金收缩合金收缩固态合金冷却固态合金冷却液态合金冷却液态合金冷却液态收

23、缩液态收缩凝固收缩凝固收缩缩孔缩孔:恒温下结晶恒温下结晶缩松缩松:两相区结晶两相区结晶线形收缩线形收缩裂纹裂纹变形变形应力应力三三 影响收缩的因素影响收缩的因素铸型条件铸型条件铸件结构铸件结构浇注温度浇注温度化学成分化学成分(c含量含量)合金收缩合金收缩1.偏析偏析: 铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。 (1)晶内偏析晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现 象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方 法。法。 (2)区域偏析区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高 ，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低采取快速冷却使偏析来不及发生，或采