鑄造合金材料及其鑄造性能

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1、金 屬 工 藝 學 鑄 造 基 礎史 曉 帆 第 一 節(jié) 概 述 第 二 節(jié) 鑄 造 的 工 藝 基 礎第 三 節(jié) 砂 型 鑄 造第 四 節(jié) 砂 型 鑄 造 的 缺 陷第 二 章 鑄 造 司 母 戊 鼎 是 中 國 目 前 已 發(fā)現 的 最 重 的 青 銅 器 。 司 母戊 鼎 含 銅 84.77 、 錫 11.64 、 鉛 27.9 。 充 分 顯 示出 商 代 青 銅 鑄 造 業(yè) 的 生 產規(guī) 模 和 技 術 水 平 。 秦 陵 銅 車 馬 嚴 格 按 真 車 馬 的 制 作 。 造 型精 美 ， 比 例 恰 當 ， 裝 飾 華 麗 ， 工 藝 精 湛 ， 形 體 龐大 ， 所 以 很 多

2、 專 家 學 者 把 它 稱 之 為 “ 青 銅 之 冠 ”。 馬 踏 飛 燕1969年 ， 在 甘 肅 武 威 出 土 。 中國 雕 塑 史 上 的 不 朽 之 作 。1984年 ， 定 為 中 國 旅 游 標 志 圖形 。2002年 ， “ 馬 踏 飛 燕 ” 的 仿 制品 作 為 國 禮 贈 布 什 。 鑄 造 的 生 產 特 點 ： 形 狀 相 似 、 尺 寸 相 近 復 雜 外 形 、 復 雜 內 腔 尺 寸 、 重 量 幾 乎 不 受 限 制 手 工 造 型 適 應 單 件 或 小 批 量 生 產 機 器 造 型 適 應 批 量 生 產 鑄 造 的 生 產 特 點 鑄 造 生 產

3、的 缺 點 ： 生 產 過 程 復 雜 、 廢 品 率 高 鑄 件 晶 粒 粗 大 硬 度 低 ， 塑 性 、 韌 性 差 縮 孔 、 縮 松 、 變 形 、 裂 紋 多 鑄 件 的 生 產 過 程 鋼 鐵 生 產 過 程 鑄 造 金 屬 熔 煉 液 態(tài) 合 金 的 工 藝 特 性 縮 孔 與 縮 松 鑄 造 應 力 、 變 形 、 裂 紋 鋼 鐵 生 產 過 程 鋼 鐵 的 生 產 過 程 是 一 個 由 鐵 礦 石 煉 成 生 鐵 、 再 由 生 鐵 煉 成 鋼 液 并 澆 注 成 鋼 錠的 過 程 。1 煉 鐵 煉 鐵 在 高 爐 中 進 行 ， 其 過 程 為 ： 加 料 、 加 熱

4、、 化 學 反 應 煉 鐵 的 產 品 有 ： 煉 鋼 生 鐵 用 來 煉 鋼 鑄 造 生 鐵 用 來 鑄 造2 煉 鋼 將 生 鐵 中 多 余 的 碳 和 其 它 雜 質 氧 化 成 氧 化 物 ， 并 使 其 隨 爐 氣 或 爐 渣 一 起 去 除 。 煉 好 的 鋼 液 ， 部 分 澆 入 連 續(xù) 鑄 錠 機 ， 鑄 成 “ 鋼 坯 ” 直 接 用 來 軋 制 鋼 材 部 分 澆 注 到 鋼 錠 模 內 鑄 成 一 定 形 狀 和 尺 寸 的 鋼 錠 爐 渣 的 密 度 小 ， 浮 在 鐵 液 之 上爐 渣 和 鐵 液 分 別 從 高 爐 下 部 的 出 口 排 出比 例 配 成 爐 料

5、 ， 由 加 料 車 送 入 爐 內 ， 形 成 料 柱900 1200 的 熱 風 ， 使 焦 碳 燃 燒 鑄 造 金 屬 熔 煉 熔 煉 是 液 態(tài) 金 屬 鑄 造 成 形 技 術 過 程 中 的 一 個 重 要 環(huán)節(jié) ， 與 鑄 件 的 品 質 、 生 產 成 本 、 產 量 、 能 源 消 耗 以 及 環(huán)境 保 護 等 密 切 相 關 。 在 熔 煉 中 ， 多 種 固 態(tài) 金 屬 的 爐 料 （ 廢 鋼 、 生 鐵 、 回爐 料 、 鐵 合 金 、 有 色 金 屬 等 ） 按 比 例 搭 配 裝 入 相 應 的 熔爐 中 加 熱 熔 化 ， 通 過 冶 金 反 應 ， 轉 變 成 具

6、 有 一 定 化 學 成分 和 溫 度 的 符 合 鑄 造 成 形 要 求 的 液 態(tài) 金 屬 。 金 屬 熔 煉 的 幾 種 生 產 方 式沖 天 爐 ！ 利 用 電 極 與 金 屬 爐 料 之 間 電 弧 產 生 的 熱 能 ， 通 過 輻 射 、 傳 導 和 對 流 傳 遞 給 爐料 ， 加 熱 、 熔 化 固 體 爐 料 ， 并 使 金 屬 液 過 熱 ， 從 而 實 現 熔 煉 目 標 的 一 種 設 備 ，主 要 用 于 鋼 、 鑄 鐵 的 熔 煉 。 （ 高 熔 點 ） 電 弧 爐 熔 煉 感應電爐熔煉 感 應 線 圈 通 以 交 變 電 流 ， 則 因 交 變 磁 場 的 作

7、用 ， 使 短 路 連 接 的 金 屬 爐 料 產 生強 大 的 感 應 電 流 ， 電 流 流 動 時 ， 為 克 服 金 屬 爐 料 表 層 的 電 阻 面 產 生 熱 量 ， 致使 金 屬 爐 料 加 熱 熔 化 。 坩 堝 爐主 要 用 于 有 色 金 屬 的 熔 煉 ， 如 銅 合 金 、 鋁 合 金 、 鎂 合 金 、 低 熔 點 軸 承 合 金 等 。 澆 注 金 屬 熔 化 后 ， 液 態(tài) 金 屬 通 過 澆 注 系 統 充 填 鑄 型 型 腔 的 過 程 稱 為澆 注 過 程 。1.澆 注 壓 力 （ 1） 高 壓 2 15MPa， 適 用 于 薄 的 截 面 且 對 品 質

8、 要 求 高 的 鑄 件 （ 2） 低 壓 0.12 0.3MPa， 金 屬 型 鑄 件 。 （ 3） 重 力 （ 常 壓 ） 普 通 鑄 件2.澆 注 系 統 澆 注 系 統 是 鑄 型 中 液 態(tài) 金 屬 注 入 鑄 型 型 腔 的 通 道 。 澆 注 系 統 的主 要 功 能 ： （ 1） 將 金 屬 液 由 澆 包 導 入 型 腔 。 （ 2） 擋 渣 及 排 除 鑄 型 型 腔 中 的 空 氣 及 其 它 氣 體 。 （ 3） 調 節(jié) 溫 度 分 布 ， 控 制 凝 固 順 序 。 （ 4） 保 證 充 型 時 間 、 壓 力 、 速 度 。 澆 注 系 統 的 組 成直 澆 道 ：

9、 錐 度 以 保 證 流 速 ， 排 出 空 氣橫 澆 道 ： 將 直 澆 道 的 金 屬 液 分 配 至 內 澆 道內 澆 道 ： 將 金 屬 液 引 入 型 腔 澆 口 杯 ： 緩 解 金 屬 液 沖 蝕 ， 阻 擋 熔 渣 金 屬 液 導 入 型 腔 的 位 置 ， 澆 注 系 統 可 分 為 底 注 式 、 頂 注 式 、 中 注 式、 階 梯 式 等 ， 見 下 圖 。 澆 注 的 不 同 形 式 澆 注 后 的 冷 凝 澆 注 入 鑄 型 型 腔 的 液 態(tài) 金 屬 ， 隨 溫 度 的 降 低 ， 將 經 歷 由 液 態(tài) 向 固 態(tài) 的轉 變 過 程 ， 即 冷 凝 過 程 。 金

10、 屬 的 凝 固 過 程 ： 晶 核 的 形 成 和 晶 粒 的 長 大 。 金 屬 的 冷 凝 的 缺 陷 ： 溶 液 體 積 收 縮 是 導 致 鑄 件 在 最 后 凝 固 部 分 產 生 縮孔 、 縮 松 的 基 本 原 因 ； 而 固 態(tài) 收 縮 是 鑄 件 變 形 、 產 生 內 應 力 和 裂 紋 的 主 要原 因 。 避 免 縮 孔 、 縮 松 措 施 ： 合 理 放 置 冒 口 和 冷 鐵 以 保 證 鑄 件 質 量 。 液 態(tài) 合 金 的 工 藝 性 能工 藝 性 能 ： 指 符 合 某 種 生 產 工 藝 要 求 所 需 要 的 性 能 。鑄 造 性 能 ： 液 態(tài) 合 金

11、 在 鑄 造 生 產 過 程 中 所 表 現 出 來 的 工 藝 性 能 。 鑄 造 性 能 是 表 示 合 金 鑄 造 成 形 獲 得 優(yōu) 質 鑄 件 的 能 力 。 鑄 造 性 能 常 用 流 動 性 、 收縮 性 等 來 衡 量 。液 態(tài) 合 金 的 流 動 性 ： 液 態(tài) 合 金 充 滿 型 腔 ， 形 成 輪 廓 清 晰 、 形 狀 完 整 的 優(yōu) 質 鑄 件 的 能力 ， 又 稱 做 “ 充 型 能 力 ” 。液 態(tài) 合 金 的 流 動 性 愈 好 ：易 于 鑄 造 出 輪 廓 清 晰 ， 薄 而 形 狀 復 雜 的 鑄 件 有 助 于 液 態(tài) 合 金 在 鑄 型 中 收 縮 時

12、得 到 補 充 ， 有 利 于 液 態(tài) 合 金 中 的 氣 體 及 非 金 屬 夾雜 物 上 浮 與 排 除 ， 否 則 易 產 生 澆 不 足 、 冷 隔 、 氣 孔 、 夾 渣 和 縮 松 等 缺 陷 。 螺 旋 形 試 樣 常 用 鑄 造 合 金 中 ， 灰 鑄 鐵 、 硅 黃 銅 的 流 動 性 最 好 ， 鑄 鋼 最 差 在 相 同 的 澆 注工 藝 條 件 下 ，將 金 屬 液 澆 入鑄 型 中 ， 測 出其 實 際 螺 旋 線長 度 。 澆 出 的試 樣 愈 長 ， 合金 的 流 動 性 愈好 ！ 常 用 合 金 的 流 動 性 （ 砂 型 ， 試 樣 截 面 8 8m m ）合

13、 金 種 類 鑄 型 種 類 澆 注 溫 度 （ ） 螺 旋 線 長 度 （ mm）鑄 鐵 C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2% 砂 型砂 型砂 型砂 型 1300130013001300 180013001000600鑄 鋼 C=0.4% 砂 型砂 型 16001640 100200 鋁 硅 合 金 （ 鋁 硅 明 ）鎂 合 金 （ 含 Al及 Zn）錫 青 銅 （ Sn=10%,Zn=2%）硅 黃 銅 （ Si=1.5 4.5%） 金 屬 型 （ 300 ）砂 型砂 型砂 型 680 72070010401100 700 800400 600420

14、1000 材 料 澆 注 條 件 鑄 型 條 件 澆 注 溫 度充 型 壓 力鑄 型鑄 型 溫 度鑄 型 中 氣 體影 響 液 態(tài) 合 金 流 動 性 的 因 素結 晶 越 慢 ， 流 動 性 越 好 。 鐵 碳 合 金 隨 C 上 升 ， 流 動 性 越 好溫 度 上 升 ， 粘 度 下 降 ， 充 型 能 力 強薄 壁 鑄 件 、 或 流 動 性 較 差 合 金 ，澆 注 溫 度 提 高 ， 或 充 型 壓 力 提 高材 料 ： 導 熱 快 ， 冷 卻 快 ， 流 動 性 差壁 厚 ： 鑄 件 的 壁 厚 必 須 大 于 規(guī) 定 的 最小 允 許 壁 厚 值 形 狀 ： 力 求 形 狀 簡

15、 單 提 高 流 動 性 的 方 法鑄 型 的 特 點 ： 1 材 料 鑄 型 材 料 的 導 熱 快 ， 液 態(tài) 合 金 的 冷 卻 速 度 快 ， 流 動 性 差 液 態(tài) 合 金 在 金 屬 型 中 的 流 動 性 比 在 砂 型 中 差 ；2 壁 厚 、 形 狀 鑄 件 壁 厚 過 小 ， 形 狀 復 雜 ， 會 增 加 液 態(tài) 合 金 的 流 動 阻 力 ， 流 動 性 差 設 計 鑄 件 時 ， 鑄 件 的 壁 厚 必 須 大 于 規(guī) 定 的 最 小 允 許 壁 厚 值 ， 并 力 求 形 狀 簡 單澆 注 條 件 ： 型 砂 含 水 分 多 或 鑄 型 透 氣 性 差 ， 會 使

16、澆 注 時 產 生 大 量 氣 體 且 又 不 能 及 時 排 出 ， 造成 型 腔 內 氣 體 壓 力 增 大 ， 使 液 態(tài) 合 金 流 動 的 阻 力 增 加 ， 從 而 降 低 合 金 的 流 動 性 。 因 此 提 高 鑄 型 的 透 氣 性 ， 減 少 型 砂 的 水 分 ， 多 設 出 氣 口 等 ， 有 利 于 提 高 液 態(tài) 合 金的 流 動 性 。 提 高 流 動 性 的 方 法澆 注 溫 度 澆 注 溫 度 愈 高 ， 液 態(tài) 合 金 的 粘 度 愈 低 ， 液 態(tài) 合 金 的 流 動 性 提 高 。提 高 澆 注 溫 度 是 生 產 中 減 少 薄 壁 鑄 件 的 澆

17、不 足 、 冷 隔 等 缺 陷 的 重 要 措施 。 但 澆 注 溫 度 過 高 ， 鑄 件 易 產 生 縮 孔 、 縮 松 、 粘 砂 、 氣 孔 、 粗 晶 等缺 陷 。 在 保 證 鑄 件 薄 壁 部 分 能 充 滿 的 前 提 下 ， 澆 注 溫 度 不 宜 過 高 。 各 種合 金 的 澆 注 溫 度 范 圍 是 ： 鑄 鐵 為 12301450 ； 鑄 鋼 為 15201620 ；鋁 合 金 為 680780 。 薄 壁 復 雜 件 取 上 限 ， 厚 大 件 取 下 限 。充 型 不 足 合 金 收 縮 的 概 念 合 金 從 澆 注 、 凝 固 直 至 冷 卻 到 室 溫 的

18、過 程 中 ， 其 體 積 或 尺 寸 縮 減 的 現 象 ， 稱 為 收 縮 。收 縮 是 合 金 的 物 理 本 性 ， 是 鑄 件 中 縮 孔 、 縮 松 、 裂 紋 、 變 形 、 殘 余 應 力 等 缺 陷 產 生 的 主 要原 因 。液 態(tài) 金 屬 從 澆 注 溫 度 冷 卻 到 常 溫 ， 其 收 縮 過 程 如 圖 所 示 的 三 個 階 段 ： 凝固收縮澆 注 溫 度液 相 線 固 相 線固態(tài)收縮液態(tài)收縮縮 孔 、 縮 松 內 應 力 、 變 形 和 裂 紋 合 金 的 收 縮 的 影 響 因 素合 金 的 收 縮 與 其 化 學 成 分 、 澆 注 溫 度 、 鑄 件 結

19、構 和 鑄 型 條 件 有 關 。（ 1） 化 學 成 分 碳 鋼 隨 含 碳 量 增 加 ， 凝 固 溫 度 范 圍 擴 大 ， 收 縮 量 隨 之 增 大 。（ 2） 澆 注 溫 度 澆 注 溫 度 愈 高 ， 過 熱 度 愈 大 其 液 態(tài) 收 縮 量 增 加（ 3） 鑄 型 條 件 和 鑄 件 結 構 1 鑄 件 在 鑄 型 中 是 鑄 型 和 型 芯 阻 礙 影 響 收 縮 受 阻 收 縮 2 鑄 件 壁 厚 不 同 ， 壁 在 型 內 所 處 的 位 置 不 同 ， 其 冷 卻 速 度 也 不 同 。 3 冷 凝 時 ， 鑄 件 各 部 分 相 互 制 約 也 會 產 生 阻 力

20、。 縮 孔 和 縮 松 液 態(tài) 金 屬 在 冷 凝 過 程 中 ， 由 于 液 態(tài) 收 縮 和 凝 固 收 縮 的 結 果 ， 會 在 鑄 件 最 后 凝固 的 部 位 形 成 孔 洞 。 容 積 大 而 集 中 的 孔 洞 稱 為 縮 孔 ； 細 小 分 散 的 孔 洞 稱 為 縮 松（ 1） 縮 孔 的 形 成 縮 孔 常 產 生 在 鑄 件 的 厚 大 部 位 或 上 部 最 后 凝 固 部 位 ， 常 呈 倒 錐 狀 ， 內 表 面 粗 糙 先 凝 固 區(qū) 域 堵 住 液 體 流 動 的 通 道 ， 后 凝 固 區(qū) 域 收 縮 所 縮 減 的 容 積 得 不 到 補 充 。 縮 松 的

21、 形 成 結 晶 溫 度 范 圍 寬 的 合 金 易 形 成 縮 松 ， 其 形 成 的 基 本 原 因 與 縮 孔相 同 ， 也 是 由 于 鑄 件 最 后 凝 固 區(qū) 域 得 不 到 補 充 而 形 成 的 。 縮 松 形 成 過 程 示 意 圖 縮 孔 和 縮 松 的 防 止 縮 孔 和 縮 松 都 使 鑄 件 的 機 械 性 能 下 降 ， 縮 松 還 可 是 鑄 件 因 滲 漏 而 報廢 。 因 此 ， 縮 孔 和 縮 松 都 屬 鑄 件 的 重 要 缺 陷 ， 必 須 根 據 技 術 要 求 、 采 取適 當 的 工 藝 措 施 予 以 防 止 。 使 鑄 件 實 現 “ 順 序

22、凝 固 ” ， 盡 管 合 金 的 收 縮較 大 ， 也 可 獲 得 沒 有 縮 孔 的 致 密 鑄 件 。 縮 孔 的 厚 大 部 位通 過 安 放 冒 口 等 工 藝措 施 ， 使 鑄 件 從 遠 到近 （ 冒 口 ） 部 位 依 次凝 固 ， 后 凝 固 部 位 的 收 縮 ， 由 冒 口 中 的 金屬 液 來 補 充 。 冒 口 的 作 用 鑄 型 中 能 儲 存 一 定 金 屬 液 ， 補 償 鑄 件 收 縮 以 防 止 產 生 縮 孔 和 縮 松缺 陷 的 空 腔 稱 為 冒 口 。 先 遠 后 近 ： 在 鑄 件 的 厚 大 部 位 安 放 冒 口 ， 使 鑄 件 遠 離 冒 口

23、 的 部 位 先 凝 固 縮 孔 和 縮 松 的 防 止 冷 鐵 冷 鐵 加 快 某 些 部 位 的 冷 卻 速 度 ， 控 制 鑄 件 的 凝 固 順 序 。 鑄 件 上 某 些 厚 大 部 位 增設 冷 鐵 。 由 于 冷 鐵 加 快 了 該 處 的 冷 卻 速 度， 使 厚 度 較 大 的 凸 臺 反 而 最 先 凝固 ， 從 而 實 現 了 自 下 而 上 的 順 序凝 固 ， 防 止 了 凸 臺 處 縮 孔 、 縮 松的 產 生 。 先 下 后 上 ： 在 鑄 件 的 底 部 安 放冷 鐵 ， 使 鑄 件 遠 離 冒 口 的 部 位先 凝 固 縮 孔 產 生 的 部 位 正 確 地

24、估 計 鑄 件 上 縮 孔 或 縮 松 可 能 產 生 的 部 位 是 合 理 安設 冒 口 和 冷 鐵 的 重 要 依 據 。 在 實 際 生 產 中 ， 常 以 畫 “ 凝 固 等溫 線 法 ” 和 “ 內 切 圓 法 ” 近 似 地 找 出 縮 孔 的 部 位 ，等 溫 線 未 曾 通 過 的 心 部 和 內 切 圓 直 徑 最 大 處 ， 易 出 現 縮 孔 順 序 凝 固 的 應 用 范 圍 安 放 冒 口 和 冷 鐵 ， 實 現 順 序 凝 固 ， 雖 可 有 效 的 防 止 縮 孔 和 縮 松 ， 但 卻 耗費 許 多 金 屬 和 工 時 ， 加 大 了 鑄 件 成 本 。 同

25、時 ， 順 序 凝 固 擴 大 了 鑄 件 各 部 位 的 溫度 差 ， 促 進 了 鑄 件 的 變 形 和 裂 紋 傾 向 。 因 此 ， 主 要 用 于 必 須 收 縮 率 大 的 合 金 ，如 鋁 青 銅 、 鋁 硅 合 金 和 鑄 鋼 件 等 。 對 于 結 晶 溫 度 范 圍 甚 寬 的 合 金 ， 結 晶 開 始 之 后 ， 發(fā) 達 的 樹 枝 狀 骨 架 布 滿 了整 個 截 面 ， 使 冒 口 的 補 縮 道 路 嚴 重 受 阻 ， 因 而 難 以 避 免 顯 微 縮 松 的 產 生 。 顯 然， 選 用 近 共 晶 成 分 或 結 晶 溫 度 范 圍 較 窄 的 合 金 生

26、產 鑄 件 是 適 宜 的 。 c1 縮 孔 的 形 成 -動 畫 c2 定 向 凝 固 -動 畫 鑄 件 的 變 形 對 于 厚 薄 不 均 勻 、 截 面 不 對 稱 及 具 有 細 長 特點 的 桿 件 類 、 板 類 及 輪 類 等 鑄 件 ， 當 殘 余 鑄 造 應力 超 過 鑄 件 材 料 的 屈 服 強 度 時 ， 產 生 翹 曲 變 形 。框 形 鑄 件 變 形 T形 梁 鑄 鋼 件 變 形措 施 ： 對 長 而 易 變 形 的 鑄 件 ， 預 先 露 出 變 形 量 的 反 變 形 量 第 三 節(jié) 鑄 造 內 應 力 、 變 形 和 裂 紋鑄 件 內 應 力 ：熱 應 力 原

27、 因 ： 鑄 件 壁 厚 不 均 勻 、 各 部 分 冷 卻 速 度 不 同 避 免 辦 法 :減 少 鑄 件 各 部 分 溫 度 差 ， 均 勻 冷 卻 措 施 ： 1. 澆 口 開 在 薄 壁 處 ， 避 免 冷 凝 過 快 2. 厚 壁 放 冷 鐵 ， 提 高 冷 卻 速 度機 械 應 力 原 因 ： 受 到 鑄 型 、 型 芯 、 澆 冒 口 等 的 機 械 阻 礙 而產 生 熱 應 力 的 形 成塑 性 狀 態(tài) 彈 性 狀 態(tài) 同 時 凝 固定 義 ： 將 澆 口 開 在 鑄 件 的 薄 壁 處 ， 厚 壁 處 放 冷 鐵 ， 盡 量減 少 鑄 件 個 部 位 的 溫 度 差 ， 使 其 均 勻 冷 卻 。 殘 余 內 應 力解 決 方 法 ：1.鑄 件 壁 厚 均 勻 、 形 狀 對 稱 （ 內 應 力 ）2.鑄 造 工 藝 遵 循 同 時 凝 固 原 則 ， 使 冷 卻 均 勻 （ 內 應 力 ）3. 反 變 形 ， 抵 消 最 終 變 形 ；4. 徹 底 消 除 內 應 力 ： 時 效 處 理時 效 處 理 自 然 時 效 人 工 時 效