軸承知識： 鑄造工藝基礎(chǔ) |
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鑄造工藝基礎(chǔ) §1 液態(tài)合金的充型 充型: 液態(tài)合金填充鑄型的過程. 充型能力: 液態(tài)合金充滿鑄型型腔,獲得形狀完整,輪廓清晰的鑄件的能力 充型能力不足:易產(chǎn)生: 澆不足: 不能得到完整的零件. 冷隔:沒完整融合縫隙或凹坑, 機(jī)械性能下降. 一 合金的流動性 液態(tài)金屬本身的流動性----合金流動性 1 流動性對鑄件質(zhì)量影響 1) 流動性好,易于澆出輪廓清晰,薄而復(fù)雜的鑄件. 2) 流動性好,有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮,排除. 3) 流動性好,易于對液態(tài)金屬在凝固中產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮. 2 測定流動性的方法: 以螺旋形試件的長度來測定: 如 灰口鐵:澆鑄溫度 鑄鋼: 3 影響流動性的因素 主要是化學(xué)成分: 1) 純金屬流動性好:一定溫度下結(jié)晶,凝固層表面平滑,對液流阻力小 2) 共晶成分流動性好:恒溫凝固,固體層表面光滑,且熔點(diǎn)低,過熱度大. 3) 非共晶成分流動性差: 結(jié)晶在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行,初生數(shù)枝狀晶阻礙液流 二 澆注條件 1 澆注溫度: t↑ 合金粘度下降,過熱度高. 合金在鑄件中保持流動的時間長, ∴ t↑ 提高充型能力. 但過高,易產(chǎn)生縮孔,粘砂,氣孔等,故不宜過高 2 充型壓力: 液態(tài)合金在流動方向上所受的壓力↑ 充型能力↑ 如 砂形鑄造---直澆道,靜壓力. 壓力鑄造,離心鑄造等充型壓力高. 三 鑄型條件 1 鑄型結(jié)構(gòu): 若不合理,如壁厚小, 直澆口低, 澆口小等 充↓ 2 鑄型導(dǎo)熱能力: 導(dǎo)熱↑ 金屬降溫快,充↓ 如金屬型 3 鑄型溫度: t↑ 充↑ 如金屬型預(yù)熱 4 鑄型中氣體: 排氣能力↑ 充↑ 減少氣體來源,提高透氣性, 少量氣體在鑄型與金屬液之間形成一層氣膜,減少流動阻力,有利于充型. §2 鑄件的凝固和收縮
鑄件的凝固過程如果沒有合理的控制,鑄件易產(chǎn)生縮孔,縮松 一 鑄件的凝固 1 凝固方式: 鑄件凝固過程中,其斷面上一般分為三個區(qū): 1—固相區(qū) 2—凝固區(qū) 3—液相區(qū) 對凝固區(qū)影響較大的是凝固區(qū)的寬窄,依此劃分凝固方式. 1) 逐層凝固: 純金屬,共晶成分合金在凝固過程中沒有凝固區(qū),斷面液,固兩相由一條界限清楚分開,隨溫度下降,固相層不斷增加,液相層不斷減少,直達(dá)中心. 2) 糊狀凝固 合金結(jié)晶溫度范圍很寬,在凝固某段時間內(nèi),鑄件表面不存在固體層,凝固區(qū)貫穿整個斷面,先糊狀,后固化.故--- 3) 中間凝固 大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間. 2 影響鑄件凝固方式的因素 1) 合金的結(jié)晶溫度范圍 范圍小: 凝固區(qū)窄,愈傾向于逐層凝固 如: 砂型鑄造, 低碳鋼 逐層凝固, 高碳鋼 糊狀凝固 2) 鑄件的溫度梯度 合金結(jié)晶溫度范圍一定時,凝固區(qū)寬度取決于鑄件內(nèi)外層的溫度梯度. 溫度梯度愈小,凝固區(qū)愈寬.(內(nèi)外溫差大,冷卻快,凝固區(qū)窄) 二 合金的收縮 液態(tài)合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中,體積和尺寸減少的現(xiàn)象---.是鑄件許多缺陷(縮孔,縮松,裂紋,變形,殘余應(yīng)力)產(chǎn)生的基本原因. 1 收縮的幾個階段 1) 液態(tài)收縮: 從金屬液澆入鑄型到開始凝固之前. 液態(tài)收縮減少的體積與澆注溫度質(zhì)開始凝固的溫度的溫差成正比. 2) 凝固收縮: 從凝固開始到凝固完畢. 同一類合金,凝固溫度范圍大者,凝固體積收縮率大.如: 35鋼,體積收縮率3.0%, 45鋼 4.3% 3) 固態(tài)收縮: 凝固以后到常溫. 固態(tài)收縮影響鑄件尺寸,故用線收縮表示. 2 影響收縮的因素 1) 化學(xué)成分: 鑄鐵中促進(jìn)石墨形成的元素增加,收縮減少. 如: 灰口鐵 C, Si↑,收↓,S↑ 收↑.因石墨比容大,體積膨脹,抵銷部分凝固收縮. 2) 澆注溫度: 溫度↑ 液態(tài)收縮↑ 3) 鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件 鑄件在鑄型中收縮會受鑄型和型芯的阻礙.實際收縮小于自由收縮.∴ 鑄型要有好的退讓性. 3 縮孔形成 在鑄件最后凝固的地方出現(xiàn)一些空洞,集中—縮孔. 純金屬,共晶成分易產(chǎn)生縮孔 *產(chǎn)生縮孔的基本原因: 鑄件在凝固冷卻期間,金屬的液態(tài)及凝固受縮之和遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于固態(tài)收縮. 4 影響縮孔容積的因素(補(bǔ)充) 1) 液態(tài)收縮,凝固收縮 ↑ 縮孔容積↑ 2) 凝固期間,固態(tài)收縮↑,縮孔容積↓ 3) 澆注速度↓ 縮孔容積↓ 4) 澆注速度↑ 液態(tài)收縮↑ 易產(chǎn)生縮孔 5 縮松的形成 由于鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)足,或者,因合金呈糊狀凝固,被樹枝狀晶體分隔開的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)縮所至. 1) 宏觀縮松 肉眼可見,往往出現(xiàn)在縮孔附近,或鑄件截面的中心.非共晶成分,結(jié)晶范圍愈寬,愈易形成縮松. 2) 微觀縮松 凝固過程中,晶粒之間形成微小孔洞--- 凝固區(qū),先形成的枝晶把金屬液分割成許多微小孤立部分,冷凝時收縮,形成晶間微小孔洞. 凝固區(qū)愈寬,愈易形成微觀縮松,對鑄件危害不大,故不列為缺陷,但對氣密性,機(jī)械性能等要求較高的鑄件,則必須設(shè)法減少.(先凝固的收縮比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三個收縮,先凝固的有凝,固二個收縮區(qū)----這也是形成微觀縮松的基本原因.與縮孔形成基本原因類似) 6 縮孔,縮松的防止辦法 基本原則: 制定合理工藝—補(bǔ)縮, 縮松轉(zhuǎn)化成縮孔. 順序凝固: 冒口—補(bǔ)縮 同時凝固: 冷鐵—厚處. 減小熱應(yīng)力,但心部縮松,故用于收縮小的合金. l 安置冒口,實行順序凝固,可有效的防止縮孔,但冒口浪費(fèi)金屬,浪費(fèi)工時,是鑄件成本增加.而且,鑄件內(nèi)應(yīng)力加大,易于產(chǎn)生變形和裂紋.∴主要用于凝固收縮大,結(jié)晶間隔小的合金. l 非共晶成分合金,先結(jié)晶樹枝晶,阻礙金屬流動,冒口作用甚小. l 對于結(jié)晶溫度范圍甚寬的合金,由于傾向于糊狀凝固,結(jié)晶開始之后,發(fā)達(dá)的樹枝狀骨狀布滿整個截面,使冒口補(bǔ)縮道路受阻,因而難避免顯微縮松的產(chǎn)生.顯然,選用近共晶成分和結(jié)晶范圍較窄的合金生產(chǎn)鑄件是適宜的. §3 鑄造內(nèi)應(yīng)力,變形和裂紋 凝固之后的繼續(xù)冷卻過程中,其固態(tài)收縮若受到阻礙,鑄件內(nèi)部就發(fā)生內(nèi)應(yīng)力,內(nèi)應(yīng)力是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因.(有時相變膨脹受阻,負(fù)收縮) 一 內(nèi)應(yīng)力形成 1 熱應(yīng)力: 鑄件厚度不均,冷速不同,收縮不一致產(chǎn)生. 塑性狀態(tài): 金屬在高于再結(jié)晶溫度以上的固態(tài)冷卻階段,受力變形,產(chǎn)生加工硬化,同時發(fā)生的再結(jié)晶降硬化抵消,內(nèi)應(yīng)力自行消失.(簡單說,處于屈服狀態(tài),受力—變形無應(yīng)力) 彈性狀態(tài): 低于再結(jié)晶溫度,外力作用下,金屬發(fā)生彈性變形,變形后應(yīng)力繼續(xù)存在. 舉例: a) 凝固開始,粗 細(xì)處都為塑性狀態(tài),無內(nèi)應(yīng)力 ∵兩桿冷速不同,細(xì)桿快,收縮大,∵受粗桿限制, 不能自由收縮,相對被拉長,粗桿相對被壓縮,結(jié)果 兩桿等量收縮. b) 細(xì)桿冷速大,先進(jìn)如彈性階段,而粗桿仍為塑性階段,隨細(xì)桿收縮發(fā)生塑性收縮,無應(yīng)力. c) 細(xì)桿收縮先停止,粗桿繼續(xù)收縮,壓迫細(xì)桿,而細(xì)桿又阻止粗桿的收縮,至室溫, 粗桿受拉應(yīng)力(+),(-) 由此可見,各部分的溫差越大,熱應(yīng)力也越大,冷卻較慢的部分形成拉應(yīng)力,冷卻較快的部分形成壓應(yīng)力. 預(yù)防方法: 1 壁厚均勻 2 同時凝固—薄處設(shè)澆口,厚處放冷鐵 優(yōu)點(diǎn): 省冒口,省工,省料 缺點(diǎn): 心部易出現(xiàn)縮孔或縮松,應(yīng)用于灰鐵錫青銅,因灰鐵縮孔、縮松傾向小，錫青銅糊狀凝固，用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松。 2 機(jī)械應(yīng)力 合金的線收縮受到鑄型或型芯機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。 機(jī)械應(yīng)力是暫時的,落砂后,就自行消失.*機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用,可能使某些部位增加了裂紋傾向. 預(yù)防方法: 提高鑄型和型芯的退讓性. 3 相變應(yīng)力 冷卻過程中,固態(tài)相變時,體積會發(fā)生變化.如A—P, A—P體積會增大,Fe 鐵碳合金三種應(yīng)力在鑄件不同部位情況如下表:
前面講過預(yù)防應(yīng)力方法,若產(chǎn)生應(yīng)力,還可通過自然時效和人工時效的方法消除應(yīng)力. 二 變形與防止 鑄件通過自由變形來松弛內(nèi)應(yīng)力,自發(fā)過程.鑄件廠發(fā)生不同程度的變形. 舉例: 平板鑄件 ∵ 平板中心散熱慢,受拉力.平板下部冷卻慢. ∴ 發(fā)生如圖所示變形 防止方法: 1壁厚均勻,形狀對稱,同時凝固. 2 反變形法(長件,易變形件) 殘余應(yīng)力: 自然時效, 人工時效---低溫退火 550— 三 鑄件的裂紋與防止 鑄件內(nèi)應(yīng)力超過強(qiáng)度極限時,鑄件便發(fā)生裂紋. 1 熱裂紋: 高溫下形成裂紋 特征: 裂紋短,縫寬,形狀曲折.縫內(nèi)呈氧化色,無金屬光澤,裂縫沿晶粒邊界通過,多發(fā)生在應(yīng)力集中或凝固處. 灰鐵,球鐵熱裂少,鑄鋼,鑄鋁,白口鐵大. 原因: 1 凝固末期,合金呈完整骨架+液體,強(qiáng),塑↓ 2 含S—熱脆 3 退讓性不好 預(yù)防: 設(shè)計結(jié)構(gòu)合理, 改善退讓性, 控制含S量 2 冷裂紋: 低溫下裂紋 特征: 裂紋細(xì),連續(xù)直線狀或圓滑曲線,裂口表面干靜,具有金屬光澤,有時里輕微氧化色 原因: 復(fù)雜大工件受拉應(yīng)力部位和應(yīng)力集中處易發(fā)生; 材料塑性差; P—冷脆 預(yù)防: 合理設(shè)計,減少內(nèi)應(yīng)力,控制P含量, 提高退讓性 §4 鑄件中的氣體 常見缺陷, 廢品1/3. 氣體在鑄件中形成孔洞. 一 氣孔對鑄件質(zhì)量的影響 1 破壞金屬連續(xù)性 2 較少承載有效面積 3 氣孔附近易引起應(yīng)力集中,機(jī)械性能↓ αk σ-1 ↓ 4 彌散孔,氣密性↓ 二 分類(按氣體來源) 1 侵入氣孔: 砂型材料表面聚集的氣體侵入金屬液體中而形成. 氣體來源: 造型材料中水分, 粘結(jié)劑,各種附加物. 特征: 多位于表面附近,尺寸較大,呈橢圓形或梨形孔的內(nèi)表面被氧化. 形成過程: 澆注---水汽(一部分由分型面,通氣孔排出,另一部分在表面聚集呈高壓中心點(diǎn))—氣壓升高.溶入金屬---一部分從金屬液中逸出—澆口, 其余在鑄件內(nèi)部,形成氣孔. 預(yù)防: 降低型砂(型芯砂)的發(fā)起量,增加鑄型排氣能力. 2 析出氣孔: 溶于金屬液中的氣體在冷凝過程中,因氣體溶解度下降而析出, 使鑄件形成氣孔. 原因: 金屬熔化和澆注中與氣體接觸(H2 O2 NO CO等) 特征: 分布廣,氣孔尺寸甚小, 影響氣密性 3 反應(yīng)氣孔: 金屬液與鑄型材料,型芯撐,冷鐵或溶渣之間,因化學(xué)反應(yīng)生成的氣體而形成的氣孔. 如: 冷鐵有銹 Fe3O4 + C –Fe + CO↑ ∴冷鐵附近生成氣孔 防止: 冷鐵 型芯撐表面不得有銹蝕,油污,要干燥. §5 鑄件質(zhì)量控制 1 合理選定鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu). 2合理制定鑄件技術(shù)要求(允許缺陷,具有規(guī)定) 3 模型質(zhì)量檢驗(模型合格—鑄件合格) 4 鑄件質(zhì)量檢驗(宏觀, 儀器) 5 鑄件熱處理: 消除應(yīng)力, 降低硬度,提高切削性,保證機(jī)械性能,退火,正火等
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