铸造工艺基础知识

铸造工艺基础知识 铸造工艺基础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? 试件长 1800mm.铸钢: 1600? 100mm3 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: 凝固阆蛴谥鸩隳如: 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?账跷茨艿玫讲棺慊蛘咭蚝辖鸪屎茨瘫皇髦ψ淳宸指艨男?禾迩岩缘玫讲顾跛宏观缩松 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 A—P A—P 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 550—650? 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? αk σ-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 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.2.54.0C 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: Sigt4 Mngt 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 机械性能: σb 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 lt 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: 2.54.0C1.03.0Si ?2 S ? 石墨化? FeS—热脆 易形成白口 ? 一般 0.15 以下. 3Mn? 石墨化? 合理含量: 0.51.4 少量:MnS—MnS Mn FeS—FeMnS 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. 4P 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CSi 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. 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 145119179 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 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: KTHKTZ3 位数2 位数 KTH—F 基体 黑心 KTZ---P 基体 3 位数—抗拉强度 2 位数---延伸率 如 KTH300—06 KTZ450—06 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 CSi 含量低的铁水防石墨化. 通常 2.42.8C 0.41.4Si 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 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?lt0.07S 易与和球化剂合成硫化物浪费球化剂 P?lt0.1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 75Si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 MgH2OMgOH2? MgS H2O MgO H2S? D 浇注系统应使铁水平稳流入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??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 PbAlSi 等 特殊黄铜 可铸可锻 3 青铜: 除黄铜白铜铜镍合金以外的铜与其它元素组成. 锡青铜: Sn Cn 耐磨 耐蚀 铝青铜: 耐磨 耐蚀 4 铸造工艺 1 熔炼: 易氧化 吸气 ?防氧化: 液面盖上溶剂碎玻璃苏打鹏砂 ?脱氧:CuO2-Cu2O氧化亚铜塑?加磷铜 脱氧 普通黄铜和铝青铜因有 Zn 能脱氧?除气: 锡青铜: 吹 N2 N2 上浮带出 H2 . 铝青铜: 吹 N2 黄铜: 沸腾法 Zn907?蒸汽带出H2 ?精炼除渣:铝青铜液中有 AL2O3加碱性溶剂苏打莹石等精练造出比重小熔点低的溶渣. 熔炼用坩埚炉 2 铸造: ?细砂铸型—光洁 减少切削量粘砂 ?浇注时勿断流—防氧化 ?浇注系统使液流平稳流入—防飞溅 ?加冒口—补缩锡青铜出外 二 铝及铝合金 1 纯铝: 导电? 导热? 塑? 抗蚀?Al2O3 L1 L2……L7 号大越不纯 2 铝合金: 比重轻 熔点低 导电 导热 耐蚀? 铸造铝合金分四类: ? 铝硅合金硅铝明: 机械性能? 耐蚀性铸造性? 适于形状复杂或气密性要求高的零件. 如 内燃机气缸 ? 铝铜合金: 强耐热? 比重大铸造性?热裂纹?疏松? 应用: 高强度高温件 如活塞 牌号: ZL201 ? 铝镁合金:强度? 耐蚀? 耐热? 铸造性? 应用: 受冲击载荷 耐蚀件形状简单 ? 铝锌合金: 强较高 抗蚀? 热裂纹? 应用:汽车 拖拉机发动机零件日用品. 3 铸造工艺 1 熔炼: 除气H2除渣A.