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1、铸造知识铸造知识第一章 铸造工艺基础 1 液态合金的充型 充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮廓清晰的铸件的能力 充型能力不足:易产生: 浇不足: 不能得到完整的零件. 冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下降. 一 合金的流动性 液态金属本身的流动性-合金流动性 1 流动性对铸件质量影响 1) 流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件. 2) 流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除. 3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩. 2 测定流动性的方法: 以螺旋形试件的长度来测定: 如 灰口铁:浇铸温度1300

2、 试件长1800mm. 铸钢: 1600 100mm 3 影响流动性的因素 主要是化学成分: 1) 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小 2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大. 3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液流 二 浇注条件 1 浇注温度: t 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持流动的时间长, t 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力 充型能力 如 砂形铸造-直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力高. 三 铸型

3、条件 1 铸型结构: 若不合理,如壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充 2 铸型导热能力: 导热 金属降温快,充 如金属型 3 铸型温度: t 充 如金属型预热 4 铸型中气体: 排气能力 充 减少气体来源,提高透气性, 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型. 2 铸件的凝固和收缩 铸件的凝固过程如果没有合理的控制,铸件易产生缩孔,缩松 一 铸件的凝固 1 凝固方式: 铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区: 1固相区 2凝固区 3液相区 对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式. 1) 逐层凝固: 纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相

4、由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心. 2) 糊状凝固 合金结晶温度范围很宽,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故- 3) 中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间. 2 影响铸件凝固方式的因素 1) 合金的结晶温度范围 范围小: 凝固区窄,愈倾向于逐层凝固 如: 砂型铸造, 低碳钢 逐层凝固, 高碳钢 糊状凝固 2) 铸件的温度梯度 合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度. 温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄) 二 合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室

5、温的过程中,体积和尺寸减少的现象-.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因. 1 收缩的几个阶段 1) 液态收缩: 从金属液浇入铸型到开始凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度质开始凝固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如: 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3% 3) 固态收缩: 凝固以后到常温. 固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示. 2 影响收缩的因素 1) 化学成分: 铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少. 如: 灰口铁 C, Si,收,S 收.因石墨比容大,体积膨胀,抵

6、销部分凝固收缩. 2) 浇注温度: 温度 液态收缩 3) 铸件结构与铸型条件 铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍.实际收缩小于自由收缩. 铸型要有好的退让性. 3 缩孔形成 在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中缩孔. 纯金属,共晶成分易产生缩孔 *产生缩孔的基本原因: 铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩. 4 影响缩孔容积的因素(补充) 1) 液态收缩,凝固收缩 缩孔容积 2) 凝固期间,固态收缩,缩孔容积 3) 浇注速度 缩孔容积 4) 浇注速度 液态收缩 易产生缩孔 5 缩松的形成 由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分

7、隔开的小液体区难以得到补缩所至. 1) 宏观缩松 肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心.非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松. 2) 微观缩松 凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞- 凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞. 凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少.(先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区-这也是形成微观缩松的基本原因.与缩孔形成基本原因类似) 6 缩孔,缩松的防止办法 基本原则: 制定合理工艺补缩, 缩松转化

8、成缩孔. 顺序凝固: 冒口补缩 同时凝固: 冷铁厚处. 减小热应力,但心部缩松,故用于收缩小的合金. l 安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,是铸件成本增加.而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹.主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金. l 非共晶成分合金,先结晶树枝晶,阻碍金属流动,冒口作用甚小. l 对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而难避免显微缩松的产生.显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的. 3 铸造内应力,变形和裂纹 凝固之后的继续冷却过程中,其固态收

9、缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因.(有时相变膨胀受阻,负收缩) 一 内应力形成 1 热应力: 铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生. 塑性状态: 金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶降硬化抵消,内应力自行消失.(简单说,处于屈服状态,受力变形无应力) 弹性状态: 低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存在. 举例: a) 凝固开始,粗 细处都为塑性状态,无内应力 两杆冷速不同,细杆快,收缩大,受粗杆限制, 不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果 两杆等量收缩. b) 细杆冷速大,

10、先进如弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力. c) 细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温, 粗杆受拉应力(+),(-) 由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力. 预防方法: 1 壁厚均匀 2 同时凝固薄处设浇口,厚处放冷铁 优点: 省冒口,省工,省料 缺点: 心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。 2 机械应力 合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。 机械应力是暂时的,落砂后,就自行消失.*机

11、械应力与热应力共同作用,可能使某些部位增加了裂纹倾向. 预防方法: 提高铸型和型芯的退让性. 3 相变应力 冷却过程中,固态相变时,体积会发生变化.如AP, AP体积会增大,Fe3C石墨,体积. 若体积变化受阻.则产生内应力- 铁碳合金三种应力在铸件不同部位情况如下表: 铸件部位 热应力 相变应力 机械应力 共析转变 石墨化 落砂前 落砂后 薄或外层 - + + + 0 厚或内层 + - - + 0 前面讲过预防应力方法,若产生应力,还可通过自然时效和人工时效的方法消除应力. 二 变形与防止 铸件通过自由变形来松弛内应力,自发过程.铸件厂发生不同程度的变形. 举例: 平板铸件 平板中心散热慢,

12、受拉力.平板下部冷却慢. 发生如图所示变形 防止方法: 1壁厚均匀,形状对称,同时凝固. 2 反变形法(长件,易变形件) 残余应力: 自然时效, 人工时效-低温退火 550650 三 铸件的裂纹与防止 铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹. 1 热裂纹: 高温下形成裂纹 特征: 裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在应力集中或凝固处. 灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大. 原因: 1 凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑 2 含S热脆 3 退让性不好 预防: 设计结构合理, 改善退让性, 控制含S量 2 冷裂纹: 低温下裂纹 特征: 裂纹细,连

13、续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,有时里轻微氧化色 原因: 复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生; 材料塑性差; P冷脆 预防: 合理设计,减少内应力,控制P含量, 提高退让性 4 铸件中的气体 常见缺陷, 废品1/3. 气体在铸件中形成孔洞. 一 气孔对铸件质量的影响 1 破坏金属连续性 2 较少承载有效面积 3 气孔附近易引起应力集中,机械性能 k -1 4 弥散孔,气密性 二 分类(按气体来源) 1 侵入气孔: 砂型材料表面聚集的气体侵入金属液体中而形成. 气体来源: 造型材料中水分, 粘结剂,各种附加物. 特征: 多位于表面附近,尺寸较大,呈椭圆形或梨形孔的内表面被氧

14、化. 形成过程: 浇注-水汽(一部分由分型面,通气孔排出,另一部分在表面聚集呈高压中心点)气压升高.溶入金属-一部分从金属液中逸出浇口, 其余在铸件内部,形成气孔. 预防: 降低型砂(型芯砂)的发起量,增加铸型排气能力. 2 析出气孔: 溶于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出, 使铸件形成气孔. 原因: 金属熔化和浇注中与气体接触(H2 O2 NO CO等) 特征: 分布广,气孔尺寸甚小, 影响气密性 3 反应气孔: 金属液与铸型材料,型芯撑,冷铁或溶渣之间,因化学反应生成的气体而形成的气孔. 如: 冷铁有锈 Fe3O4 + C Fe + CO 冷铁附近生成气孔 防止: 冷铁

15、型芯撑表面不得有锈蚀,油污,要干燥. 5 铸件质量控制 1 合理选定铸造合金和铸件结构. 2合理制定铸件技术要求(允许缺陷,具有规定) 3 模型质量检验(模型合格铸件合格) 4 铸件质量检验(宏观, 仪器) 5 铸件热处理: 消除应力, 降低硬度,提高切削性,保证机械性能,退火,正火等 第二章 常用铸造合金 1 铸铁 铸铁通常占机器设备总重量的50%以上.(2.54.0%C) 一 分类 1 按C在铸铁中存在形式不同,可分三类: 1) 白口铸铁: C微量溶于F外,全部以Fe3C形式存在, 断面银白,硬,脆,难机械加工,很少用于制造零件. 仅用于不冲击,耐磨件. 如轧辊 主要用途: 炼钢原料. 也

16、可处理成可锻铸铁. 2) 灰口铸铁: C微量溶于铁素体外,全部或大部以石墨形式存在,断口灰色,应用最广. 3) 麻口铸铁: 有石墨,莱氏体.属于白口铁和灰口铁之间的过渡组织,断口黑白相间,麻点.硬,脆,难加工 2 根据石墨形态的不同,灰口铁又分为: 1) 普通灰口铸铁: 石墨 片状 2) 可锻铸铁: 团絮状 3) 球墨铸铁: 球状 4) 蠕墨铸铁: 蠕虫状 3 按化学成分: 普通铸铁 合金铸铁: Si4% Mn 2% 或一定量的Ti Mo Cr Cu等 二 灰口铸铁: 占铸铁产品的80% 以上 1 性能 显微组织: 金属基体(铁素体,珠光体)+片状石墨 相当于在钢的基体上嵌入大量的石墨片 1)

17、 机械性能: b E 塑,韧-0. 脆性(crispy)材料 石墨, 软 脆 强 比重小 1) 由于石墨的存在,减少了承载的有效面积. 2) 石墨片的边缘形成缺口,应力集中,局部开裂,形成脆性断裂,基本强度只利用3050% 石墨越多,越粗大,分布越不均或呈方向性,则对基体的割裂越严重,机械性能越差. * 灰口铸铁的抗压强度受石墨的影响较小,与钢的抗压强度近似. 灰口铁的机械性能还与金属基体类别有关 (1) 珠光体灰口铁: 珠光体基体上分布细小,均匀的石墨. 石墨对基体割裂较轻,故机械性能好. 如齿轮 (2) 珠光体铁素体灰口铁: 珠光体与铁素体混合基体上分布粗大石墨, 强 适于一般机件,铸造性

18、,切削加工性,减振性,均由于前者.如齿轮箱 (3) 铁素体灰口铁 铁素体基体分布多而粗大的石墨片 强 硬 塑 ,韧性差(基体的作用远赶不上石墨对基体的割裂作用) 2) 工艺性能: 脆性材料 不能锻压; 可焊性差(易裂纹,焊区白口,难加工) 铸造性能好(缺陷少); 切削性能好(因石墨,崩碎切屑) 3) 减振性: 石墨有缓冲作用,阻止振动能量传播,适于机床床身等 4) 耐磨性: 1 石墨是润滑剂,脱落在磨擦面上. 2 灰口铁摩擦面上形成大量显微凹坑,能起储存润滑油的作用,是摩擦面上保持油膜连续. 适于 导轨 衬套 活塞环等 5) 缺口敏感性: 石墨已在铁素体基体上形成大量的缺口.所以,外来缺口(键

19、槽,刀痕)对灰口铁的疲劳强度影响甚微,提高了零件工作的可靠性 2 影响铸铁组织和性能的因素 * 铸铁中的碳 可能以化合状态(Fe3C)或自由状态(石墨)存在. 灰铁中, 一方面分析: C化合=0.8%时,为珠光体灰铁,石墨片细小,分布均匀,强 硬度高,可制造较重要的零件. C化合 0.8%时,珠光体+铁素体灰口铁 强度低,适于一般机件,其铸造性能,切削加工性和减振性均优于前者. C化合=0 时铁素体灰口铁 强 硬低 塑 韧 很少用 另一方面分析: 铸铁的组织和性能与石墨化程度有关. * 影响石墨化的主要因素: 1)化学成分: C 石墨化 Si石墨化(Si与Fe结合力比与C强,能增大铁水和固态铸

20、铁中碳原子的游离扩散能力) (1) C ,Si过高,形成铁素体灰铁,强 过低,易形成硬脆的白口组织,并给熔化和铸造增加困难. 合理含量: 2.54.0%C,1.03.0%Si (2) S 石墨化 FeS热脆 易形成白口 一般0.15% 以下. (3)Mn 石墨化 合理含量: 0.51.4% 少量:Mn+SMnS, Mn+ FeSFe+MnS, MnS比重小,进入溶渣.Mn溶于F,提高基体强度. 过多: 阻止石墨化. (4)P 促进石墨化,但不明显,多冷脆 合理量 0.3% 以下 2)冷却速度: 冷却速度增加 阻碍石墨化 灰口麻口白口 3 灰口铁的孕育处理 为了提高灰口铁的强度,硬度,尽量使石墨

21、片细化,对其进行孕育处理.即加入许多外来质点,增加石墨结晶核心,得到珠光体灰铁,受冷却速度影响小 孕育铸铁(又叫变质铸铁),适于较高强度,高耐磨性,气密性铸件 常用孕育剂:令Si 75%的硅铁,加入量为铁水的0.250.6%.冲入孕育剂. 与Si对石墨化影响一致 4 灰口铸铁的生产特点 1) 冲天炉熔炼: Si Mn易氧化. 配料时增加含量. 为降低含S量,选优质铁料和焦炭,减少从焦炭中吸S.在熔炼高牌号铸铁时,加废钢以控制含C量.(如孕育铸铁,原铁水含C,Si低,防止加入孕育剂后石墨粗) 2) 铸造性能优良,便于铸出薄而复杂的铸件,(流动性好,收缩) 3) 一般不需冒口,冷铁,使工艺简化.

22、4) 一般不用热处理,或仅需时效. 5 牌号和用途 牌号: HT+三位数 HT灰铁, 数抗拉强度参考值 Mpa (N/mm2) * 选牌号时必须参考壁厚 类别 铸件壁厚mm 抗拉强度Mpa 硬度HBS 类别 铸件壁厚mm 抗拉强度Mpa 硬度HBS HT100 2.510 130 110167 HT150 2.510 175 136205 1020 100 93140 1020 145 119179 2030 90 87131 2030 130 110167 3050 80 82122 3050 120 105157 此表中的铸件壁厚为铸件工作时主要负荷处的平均厚度. 三 可锻铸铁(又叫马铁)

23、 白口铁晶石墨化退火而成的一种铸铁 石墨呈团絮状,故抗拉强度 且塑,韧 1 牌号及应用: KTH(KTZ)+3位数+2位数 KTHF基体 黑心 KTZ-P基体 3位数抗拉强度, 2位数-延伸率 如KTH30006, KTZ45006 应用: 形状复杂,承受冲击载荷的薄壁小件(KTH),曲轴,连杆,齿轮等(KTZ) 2 生产特点 生产过程: 白口铁石墨化退火(920980,保温1020h)团絮状石墨 必须采用C,Si含量低的铁水,防石墨化. 通常2.42.8%C, 0.41.4%Si 熔点比灰铁高,凝固温度范围大,流动性不好,液固两相区宽,砂型耐火性要求高. 周期长(4070h),成本高. 四

24、球墨铸铁 铁水中加入球化剂,孕育剂 1 球铁的组织和性能 组织: 铁素体球铁: 塑性,韧性 铁素体+珠光体球铁: 两者之间 珠光体球铁: 强度,硬度 牌号: QT+三位数 + 两位数 数字含义与可锻铸铁相同 性能: 强度 塑性韧性远远超过灰铁,由于可铁, 铸造性,减振性,切削性,耐磨性等良好 疲劳强度语中碳钢接近 热处理性能好(退火,正火,调质等,淬火(等温淬火) 应用: 受力复杂,负荷较大的重要零件 铸造工艺比铸钢简单,成本低,性能好,代许多铸钢,可锻铸铁件 2 生产特点 (1)铁水: C(3.64.0%)接近共晶成分,可改善铸造性能和球化结果 S(=0.07%)S易与和球化剂合成硫化物,浪

25、费球化剂 P(=0.1%)提高塑性,韧性 铁水出炉1400 以防球化后温度过低. (2)球化处理和孕育处理 球化剂(稀土镁合金), 使石墨呈球状析出 孕育剂: (硅铁75%Si)促使石墨化,防白口.使石墨细化,分布均匀 先用2/3铁水冲入球化剂,充分反应后,用1/3铁水冲入孕育剂,进行孕育. 处理后的铁水要及时浇注,保证球化效果. (3)铸造工艺: 比灰铁易产生缩孔,缩松,夹渣等 a 热节上安冒口,冷铁补缩 b 增加铸型刚度,防止铸件外形扩大石墨膨胀 c S 残余镁量 降低型砂含水量气孔(侵入) Mg+H2O=MgO+H2 MgS + H2O = MgO+ H2S D 浇注系统应使铁水平稳流入

26、,并有良好的挡渣效果 (4)热处理: 退火: 铁素体基体,塑 韧QT420-10以上 正火: 珠光体基体 强度 硬 QT600-2以上. 2 铸钢 钢铁件也是一种重要的铸造合金,产量仅次于灰铁,约为可铁和球铁的和. 一 铸钢的类别和性能 二类: 铸造碳钢 应用广泛: ZG+两位数(含C万分之几) 铸造合金钢 性能: 强 塑 韧 可焊性 应用: 适于制造形状复杂的,强和韧性要求高的零件 铸焊大件 火车轮 锻锤机架等 二 生产特点 1 熔炼: 电弧炉(多用),感应炉(合金钢中小件),平炉等 电弧炉:利用电极与金属炉料间电弧产生热量熔炼金属. 优点:钢液质量高,熔炼速度快(一炉23h)温度容易控制,

27、适于各类铸钢件 原料:废钢 生铁 铁合金等 造渣材料 氧化剂 增碳剂等 感应炉: 利用感应圈中交流电的感应作用,使金属炉料(钢液)产生感应电流,产生热量. 优点: 加热速度快,热量散失少.氧化轻. 2 铸造工艺: 钢浇注温度高,流动性差,易吸气,氧化.体积收缩约为铸铁的三倍,易产生缺陷(气孔缩松 变形 裂纹等) 型砂: 高耐火性 强 透气 退让性 加冒口,冷铁消耗大量钢水 3 热处理 晶粒粗大.组织不均,内应力,强 塑 正火: 机械性能 成本 内应力 退火: 机械性能 成本 内应力 形状复杂,易裂纹的铸件,或易硬化的钢退火为宜. 3 有色金属 一 铜及铜合金 1 纯铜: 导电 导热 塑(面心) 强 硬 2 黄铜: Cu + Zn普通黄铜 Cu + Zn + Pb,Al,Si等 特殊黄铜 可铸可锻 3 青铜: 除黄铜