铸造 - 图文(3)

硅黄铜(ωsi,1.5%-4.5%) 1100 1000

流动性好的合金,充型能力强,易得到形状完整、轮廓清晰、尺寸准确、薄而复杂的铸件。反之,铸件容易产生浇不足、冷隔等缺陷。流动性好,还有利于金属液中的气体、非金属夹杂物的上浮与排除有利于补充铸件凝固过程中的收缩。以免产生气孔、夹渣以及缩孔、缩松等缺陷。

铸件的凝固方式对合金的流动性影响较大。如前所述,呈逐层凝固的灰口铸铁、硅黄铜等合金,其凝固前沿比较平滑,对金属的流动阻力小,因而充型能力强,见图2-18a;而呈糊状凝固的球墨铸铁、高碳钢等,凝固前沿为发达的枝晶与液体合金互相交错,对金属流动的阻力大,因而充型能力差,容易产生铸造缺陷,见图2-18b。所以,从流动性考虑,宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。

a) b)

图2-18凝固方式对流动性的影响

除此之外,合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响。 (2)外界条件

影响充型能力的外界因素有铸型条件、浇注条件和铸件结构等。这些因素主要是通过影响金属与铸型之间的热交换条件,从而改变金属液的流动时间,或是通过影响金属液在铸型中的水动力学条件,从而改变金属液的流动速度来影响合金充型能力的。如果能够使金属液的流动时间延长,或加快流动速度,就可以改善金属液的充型能力。

1)铸型条件 铸型的导热速度越大或对金属液流动阻力越大,金属液流动时间就短,合金的充型能力越差。例如,液态合金在金属型中的充型能力比在砂型中差。砂型铸造时,型砂中水分过多,排气不好,浇注时产生大量气体,会增加充型的阻力,使合金的充型能力变差。

2)浇注条件 在一定范围内,提高浇注温度,可使液态合金粘度下降,流速加快,还能使铸 型温度升高,金属散热速度变慢,从而大大提高金属液的充型能力。但如果浇注温度过高,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应尽量降低浇注温度,例如铸钢的浇注温度范围为1520 - 1620℃,铸铁的浇注温度范围为1230 - 1450℃, 铝合金的浇注温度范围为680 - 780℃, ,薄壁复杂铸件取上限,厚大铸件取下限。提高金属液的充型压力和浇注速度可使充型能力增加,如增加直浇口的高度,也可以用人工加压方法(压力铸造、真空吸铸及离心铸造等)。此外,浇注系统结构越复杂,流动阻力越大,充型能力越低。

3)铸件结构 当铸件壁厚过小,壁厚急剧变化,结构复杂以及有大的水平面等结构时,都使金属液的流动发生困难。因此,设计时铸件的壁厚必须大于最小允许壁厚值(见表2-2),有的铸件还需设计流动通道。

11

2-2 不同金属和不同铸造方法铸造的铸件的最小壁厚值

灰铸铁 铸钢 铝合金 砂型 3 4 5 金属型 ＞4 8~10 3~4 熔模 0.4~0.8 0.5~1 — 压铸 — — 0.6~0.8 2.合金的收缩性

铸件在冷却过程中,其体积和尺寸缩小的现象叫做收缩。合金的收缩量通常用体收缩率和线收缩率来表示。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩;金属在固态由高温到常温的线性尺寸改变量称为线收缩;铸件的收缩与合金成分、温度、收缩系数和相变体积改变等因素有关,除此之外还与结晶特性、铸件结构以及铸造工艺等有关。

(1)收缩三阶段

铸造合金收缩要经历三个相互联系的收缩三阶段，即液态收缩、凝固收缩和固态收缩，见图2-19。

1)液态收缩 是合金从浇注温度t浇(A点)冷却至开始凝固(液相线)温度(B点)之间的收缩。金属液体的过热度越高,液态收缩越多。

2)凝固收缩 是合金从开始凝固(B点)至凝固结束(固相线)之间的收缩。结晶温度范围越宽,凝固收缩越大。

图2-19铸造合金的收缩阶段 Ⅰ-液态收缩 Ⅱ-凝固收缩 Ⅲ-固态收缩

液态收缩和凝固收缩,一般表现为铸型空腔内金属液面的下降,是铸件产生缩孔或缩松的基本原因。

3)固态收缩是合金在固态下冷却至室温的收缩。它将使铸件的形状、尺寸发生变化,是产生铸造应力导致铸件变形,甚至产生裂纹的主要原因。

常用的金属材料中,铸钢收缩最大,有色金属次之,灰口铸铁最小。灰口铸铁收缩小是因析出石墨而引起体积膨胀的结果。

(2)影响收缩的因素

合金总的收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段收缩之和,它和金属本身的化学成分、浇注温度以及铸型条件和铸件结构等因素有关。

1)化学成分 不同成分合金的收缩率不同,如碳素钢随含碳量的增加,凝固收缩率增加,而固态收缩率略减。表2-3列出了几种铁碳合金的收缩率。灰铸铁中,碳、硅含量越高,硫含量越低,收缩率越小。

2)浇注温度浇注温度主要影响液态收缩。浇注温度升高,使合金液态收缩率增加,则总收

12

缩量相应增大。为减小合金液态收缩及氧化吸气,并且兼顾流动性,浇注温度一般控制在高于液相线温50 ~ 150℃。

3)铸件结构与铸型条件铸件的收缩并非自由收缩,而是受阻收缩。其阻力来源于两个方 面:一是由于铸件壁厚不均匀,各部分冷却速度不同,收缩先后不一致,而相互制约产生阻力;二 是铸型和型芯对收缩的机械阻力.铸件收缩时受阻越大,实际收缩率就越小。因此,在设计和制造模样时,应根据合金的种类和铸件的受阻情况,考虑收缩率的影响。

表2-3 几种铁碳合金的收缩率

合金种类 碳素铸钢 白口铸铁 灰铸铁 含碳量ωC /% 0.25 3.00 3.50 浇注温度 /℃ 1610 1400 1400 液态收缩率/% 1.6 2.4 3.5 凝固收缩率/% 3.0 4.2 0.1 固态收缩率/% 7.86 5.4~6.3 3.3~4.2 总体收缩率/% 12.46 12~12.9 6.9~7.8 (3)收缩对铸件质量的影响

1)缩孔与缩松 如果铸件的液态收缩和凝固收缩得不到合金液体的补充,在铸件最后凝固的某些部位会出现孔洞,大而集中的孔洞称为缩孔,细小而分散的孔洞称为缩松。

缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。缩孔形成的条件是金属在恒温或很小的温度范围内结晶,铸件壁是以逐是凝固方式进行凝固,如纯金属、共晶成分的合金。图2-20为缩孔形成过程示意图。液态合金注满铸型型腔后,开始冷却阶段,液态收缩可以从浇注系统得到补偿,见图2-20a。随后,由于型壁的传热,使得与型壁接触的合金液温度降至其凝固点以下,铸件表层凝固成一层细晶薄壳,并将内浇口堵塞,使尚未凝固的合金被封闭在薄壳内,见图2-20b。温度继续下降,薄壳产生固态收缩,液态合金产生液态收缩和凝固收缩,而且远大于薄壳的固态收缩,致使合金液面下降,并与硬壳顶面分离,形成真空空穴,在负压及重力作用下,壳顶向内凹陷,见图2-20c。温度再度下降,上述过程重复进行,凝固的硬壳 逐层加厚,孔洞不断加大直至整个铸件凝固完毕。这样,在铸件最后凝固的部位形成一个倒锥形的大孔洞,见图2-20d。铸件冷至室温后,由于固态收缩,使缩孔的体积略有减小,见图2-20e。通常缩孔产生的部位一般在铸件最后凝固区域,如壁的上部或中心处,以及铸件两壁相交 处,即热节处。若在铸件顶部设置冒口,缩孔将移至冒口,见图2-20f。

a) b) c) d) e) f) 图2-20缩孔的形成过程

缩松形成的基本原因虽然和形成缩孔的原因相同，但是形成的条件却不同,它主要出现在结晶温度范围宽、呈糊状凝固方式的铸造合金中。图2-21为缩松形成过程示意图。这类合金倾向于糊状凝固或中间凝固方式,凝固区液固交错,枝晶交叉,将尚未凝固的液体合金彼此分隔成许多孤立的封闭液体区域。此时,如同形成缩孔一样,在军睦续凝固收缩时得不到新的液体合金补充,在枝晶分叉间形成许多小而分散孔洞,这就是缩松。它分布在整个铸件断面

13

上,一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近,也常分布在集中缩孔的下方。

图2-21缩松形成过程

不论是缩孔还是缩松,都使铸件的力学性能、气密性和物理化学性能大大降低,以致成为废品。所以,缩孔和缩松是极其有害的铸造缺陷,必须设法防止。

为了防止铸件产生缩孔、缩松,在铸件结构设计时应避免局部金属积聚。工艺上,应针对合金的凝固特点制定合理的铸造工艺,常采取\顺序凝固\和\同时凝固\两种措施。

所谓\顺序凝固\就是在铸件可能出现缩孔或最后凝固的部位(多数在铸件厚壁或顶部) ,设置\冒口\或将冒口与\冷铁\配合使用,使铸件按照\远离冒口的部位先凝固,靠近冒口的部位后凝固,最后才是冒口凝固\的顺序进行。这样,先凝固的收缩由后凝固部位的液体金属补缩,后凝固部位的收缩由冒口中的金属液补缩,使铸件各部位的收缩均得到金属液补缩,而缩孔则移至冒口 ,最后将冒口切除,如图2-22所示。顺序凝固适于收缩大的合金铸件,如铸钢件、可锻铸铁件、铸造黄铜件等,还适于壁厚悬殊以及对气密性要求高的铸件。顺序凝固使铸件的温差大、热应力大、变形大,容易引起裂纹,必须妥善处理。

图2-22 顺序凝固 图2-23 同时凝固

所谓\同时凝固\就是使铸件各部位几乎固时冷却凝固,以防止缩孔产生。例如,在铸件厚部或紧靠厚部处的铸型上安放冷铁,如图2-23所示。同时凝固可减轻铸件热应力,防止铸件变形和开裂,但是容易在铸件心部出现缩松。故仅适于收缩小的合金铸件,例如,碳、硅含量较高的灰口铸铁件。

2) 铸造应力、变形和裂纹 铸件在冷凝过程中,由于各部分金属冷却速度不同,使得各部位的收缩不一致,再加上铸型和型芯的阻碍作用,使铸件的固态收缩受到制约,就会产生铸造应力。在应力作用下铸件容易产生变形,甚至开裂。

① .铸造应力 铸件固态收缩受阻所引起的应力称为铸造内应力。它包括机械应力和热

14

应力等。

机械应力是铸件收缩受到铸型、型芯或浇冒口的阻碍而引起的应力,见图2-24。落砂后阻碍消除,应力将自行消失。

图2-24机械应力

热应力是因铸件壁厚不均匀,结构复杂,使各部分冷却收缩不一致,又彼此制约而引起的应力。下面以应力框铸件应力的形成过程为例,讨论热应力的形成过程(图２-25)。

图２-25a是应力框铸件,它由粗杆1和两根细杆2以及上、下横梁3构成。图2-25b中的t1和t2是铸件粗杆1和细杆2的温度变化曲线,横坐标τ表示铸件的冷却时间,纵坐标t表示铸件的温度。图2-25c是铸件在冷却过程中粗杆1和细杆2的温差变化曲线。图2-25d 为应力框铸件在冷却过程中粗杆1和细杆2的应力变化曲线。

由粗杆1和细杆2的温度变化曲线可见,开始阶段杆2比杆1冷却速度快,随后杆1比杆2 冷却速度快。应力框铸件从浇注温度t1开始冷却,到τ0时,杆2已经冷却到合金线收缩开始温度t y ,而杆1没有冷却到ty ,于是杆1将随杆2的收缩而产生塑性变形,直到τ1杆1冷却到ty温度之前,铸件内部没有应力产生。从τ１开始,铸件整体冷却到ty以下,杆1、杆2都将产生线收缩。粗杆1冷却速度慢,线收缩小,细杆2则相反,细杆2的线收缩被粗杆1强烈地阻碍,于是产 生热应力,杆2内部形成拉应力,杆1则产生压应力,并且在粗细杆温差达到最大值△t max (τ2时) 前热应力不断增加。从τ2到τ3,随着粗细杆温差减小,热应力降低,到τ3 (温差为△t H)时,应力下降为零。从τ3进一步冷却,细杆2冷却速度变慢,线收缩小,开始阻碍粗杆的线收缩,导致在粗细杆的截面上产生改变符号的热应力,并不断增加。最终粗杆1承受拉应力σ１,细杆2承受压应力σ2。由于热应力一经产生就不会自行消除,故又称为残余内应力。

15

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库铸造 - 图文(3)在线全文阅读。