金屬材料的液態(tài)成形工藝(鑄造)

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1、第四章金屬材料的液態(tài)成形工藝本章教學(xué)學(xué)時：4~6本章學(xué)習(xí)指南：本章的重點(diǎn)內(nèi)容：鑄造工藝基礎(chǔ)部分。要求學(xué)生掌握應(yīng)掌握合金成分、工藝條件對液態(tài)合金充型能力、合金收縮性、吸氣性等鑄造性能的影響，以便能夠分析不同合金獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的難易程度，并分析應(yīng)采取的工藝措施。難點(diǎn)內(nèi)容：有些防止鑄件缺陷的工藝措施是相互矛盾的，如高溫澆注有利于金屬液充型，但易產(chǎn)生粘砂缺陷；鑄件順序凝固有利于補(bǔ)縮，但易產(chǎn)生熱應(yīng)力，等。因此，應(yīng)要提醒學(xué)生綜合考慮鑄件合金、結(jié)構(gòu)等因素，先解決主要矛盾，再采取措施解決其他問題。本章的教學(xué)方式：講課與學(xué)生自學(xué)相結(jié)合。主要教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié)金屬鑄造工藝簡介金屬鑄造是指將固態(tài)金屬熔煉成

2、液態(tài)，澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，冷凝后獲得鑄件的工藝過程。根據(jù)造型材料不同，可將鑄造方法分為砂型鑄造和特種鑄造兩類。砂型鑄造是以型砂作為主要造型材料的鑄造方法；而特種鑄造是指砂型鑄造以外的所有鑄造方法的總稱。常用的特種鑄造方法有熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造和離心鑄造等。圖4-1所示為砂型鑄造工藝過程示意圖。圖4-1砂型鑄造基本工藝過程第二節(jié)鑄造工藝基礎(chǔ)知識合金在鑄造生產(chǎn)過程中表現(xiàn)出來的工藝性能稱為合金的鑄造性能，如流動性、收縮性、吸氣性、偏析性（即鑄件各部位的成分不均勻性）等。一、液態(tài)金屬的充型能力液態(tài)金屬的充型能力是指液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓

3、清晰鑄件的能力。1．金屬液的流動性液態(tài)金屬的流動性是指金屬液的流動能力。流動性越好的金屬液，充型能力越強(qiáng)。流動性的好壞，通常用在特定情況下金屬液澆注的螺旋形試樣的長度來衡量，如圖4-2所示。圖4-2金屬流動性試樣圖4-3Fe-C合金流動性與含碳量關(guān)系1-試樣；2-澆口；3-冒口；4-試樣凸點(diǎn)圖4-3為鐵－碳合金的流動性與成分的關(guān)系。2．澆注條件提高澆注溫度，可使液態(tài)金屬粘度下降，流速加快，還能使鑄型溫度升高，金屬散熱速度變慢，并能增加金屬保持液態(tài)的時間，從而大大提高金屬液的充型能力。但澆注溫度過高，容易產(chǎn)生粘砂、縮孔、氣孔、粗晶等缺陷。因此在保證金屬液具有足夠充型能力的前提下，澆

4、注溫度應(yīng)盡量降低。增加金屬液的充型壓力，如壓鑄、提高直澆道高度等，會使其流速加快，有利于充型能力的提高。3．鑄型特性鑄型結(jié)構(gòu)和鑄型材料均影響金屬液的充型。為改善鑄型的充填條件，在設(shè)計(jì)鑄件時必須保證其壁厚(WallThickness)不小于規(guī)定的“最小壁厚”(如表4-1所示)。表4-1一般砂型鑄造條件下，鑄件的最小壁厚（mm）鑄件尺寸(mm)鑄鋼灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金＜200×20084～66533～5200×200～500×50010～126～1012846～8＞500×50015～2015～20－－6－二．合金的凝固特性合金從液態(tài)到固態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變稱為凝固或一次結(jié)晶

5、。1．逐層凝固純金屬、二元共晶成分合金在恒溫下結(jié)晶時，凝固過程中鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾葹榱悖孛嫔瞎桃簝上嘟缑娣置?，隨著溫度的下降，固相區(qū)由表層不斷向里擴(kuò)展，逐漸到達(dá)鑄件中心，這種凝固方式稱為“逐層凝固”，如圖4-4a。如果合金的結(jié)晶溫度范圍很小，或鑄件截面的溫度梯度很大，鑄件截面上的凝固區(qū)域就很窄，也屬于逐層凝固方式。2．體積凝固當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，或因鑄件截面溫度梯度很小，鑄件凝固的某段時間內(nèi)，其液固共存的凝固區(qū)域很寬，甚至貫穿整個鑄件截面，這種凝固方式稱為“體積凝固”（或稱糊狀凝固），如圖4-4c。3．中間凝固金屬的結(jié)晶范圍較窄，或結(jié)晶溫度范圍雖寬，但鑄件截面溫度梯

6、度大，鑄件截面上的凝固區(qū)域?qū)挾冉橛谥饘幽膛c體積凝固之間，稱為“中間凝固”方法，如圖4-4b。圖4-4鑄件的凝固方式合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固；對于一定成分的合金，結(jié)晶溫度范圍已定，凝固方式取決于鑄件截面的溫度梯度，溫度梯度越大，對應(yīng)的凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固，如圖4-5。三、合金的收縮性1.收縮及其影響因素鑄件在冷卻過程中，其體積和尺寸縮小的現(xiàn)象稱為收縮，它是鑄造合金固有的物理性質(zhì)。金屬從液態(tài)冷卻到室溫，要經(jīng)歷三個相互聯(lián)系的收縮階段：液態(tài)收縮——從澆注溫度冷卻至凝固開始溫度之間的收縮。凝固收縮——從凝固開始溫度冷卻到凝固結(jié)圖4-5溫度梯度對凝固

7、區(qū)域的影響束溫度之間的收縮。固態(tài)收縮——從凝固完畢時的溫度冷卻到室溫之間的收縮。影響鑄件收縮的主要因素有化學(xué)成分、澆注溫度、鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件等。不同成分合金的收縮率不同，表4-2列出幾種鐵碳合金的體積收縮率。4-2幾種鐵碳合金的收縮率合金種類碳素鑄鋼白口鑄鐵灰口鑄鐵球墨鑄鐵體收縮率(%)10~1412~145~81.08—線收縮率（自由狀態(tài)）(%)2.172.180.812．收縮導(dǎo)致的鑄件缺陷(1)縮孔和縮松鑄件在凝固過程中，由于金屬液態(tài)收縮和凝固收縮造成的體積減小得不到液態(tài)金