金屬材料的液态成形工艺(铸造).docVIP

第四章 金属材料的液态成形工艺 本章教学学时：4~6 本章学习指南： 本章的重点内容：铸造工艺基础部分。要求学生掌握应掌握合金成分、工艺条件对液态合金充型能力、合金收缩性、吸气性等铸造性能的影响，以便能够分析不同合金获得优质铸件的难易程度，并分析应采取的工艺措施。 难点内容：有些防止铸件缺陷的工艺措施是相互矛盾的，如高温浇注有利于金属液充型，但易产生粘砂缺陷；铸件顺序凝固有利于补缩，但易产生热应力，等。因此，应要提醒学生综合考虑铸件合金、结构等因素，先解决主要矛盾，再采取措施解决其他问题。 本章的教学方式：讲课与学生自学相结合。 主要教学内容： 第一节 金属铸造工艺简介 金属铸造是指将固态金属熔炼成液态，浇入与零件形状相适应的铸型型腔中，冷凝后获得铸件的工艺过程。 根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸造和特种铸造两类。砂型铸造是以型砂作为主要造型材料的铸造方法；而特种铸造是指砂型铸造以外的所有铸造方法的总称。常用的特种铸造方法有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造等。 图4-1所示为砂型铸造工艺过程示意图。 图4-1 砂型铸造基本工艺过程 第二节 铸造工艺基础知识 合金在铸造生产过程中表现出来的工艺性能称为合金的铸造性能，如流动性、收缩性、吸气性、偏析性（即铸件各部位的成分不均匀性）等。 一、液态金属的充型能力 液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。 1．金属液的流动性 液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力越强。流动性的好坏，通常用在特定情况下金属液浇注的螺旋形试样的长度来衡量，如图4-2所示。 图4-2金属流动性试样 图4-3 Fe-C合金流动性与含碳量关系 1-试样；2-浇口；3-冒口；4-试样凸点 图4-3为铁－碳合金的流动性与成分的关系。 2．浇注条件 提高浇注温度，可使液态金属粘度下降，流速加快，还能使铸型温度升高，金属散热速度变慢，并能增加金属保持液态的时间，从而大大提高金属液的充型能力。但浇注温度过高，容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。因此在保证金属液具有足够充型能力的前提下，浇注温度应尽量降低。 增加金属液的充型压力，如压铸、提高直浇道高度等，会使其流速加快，有利于充型能力的提高。 3．铸型特性 铸型结构和铸型材料均影响金属液的充型。为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚(Wall Thickness)不小于规定的“最小壁厚”(如表4-1所示)。 表4-1 一般砂型铸造条件下，铸件的最小壁厚（mm） 铸件尺寸(mm) 铸 钢 灰口铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铝合金 铜合金 ＜200×200 8 4～6 6 5 3 3～5 200×200～ 500×500 10～12 6～10 12 8 4 6～8 ＞500×500 15～20 15～20 － － 6 － 二．合金的凝固特性 合金从液态到固态的状态转变称为凝固或一次结晶。 1．逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”，如图4-4a。如果合金的结晶温度范围很小，或铸件截面的温度梯度很大，铸件截面上的凝固区域就很窄，也属于逐层凝固方式。 2．体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固），如图4-4c。 3．中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法，如图4-4b。 图4-4 铸件的凝固方式 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；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固，如图4-5。 三、合金的收缩性 1. 收缩及其影响因素 铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为收缩，它是铸造合金固有的物理性质。金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩