铸造考研复试总结.docx
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铸造考研复试总结
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℃ 100mm
3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:
凝固区窄,愈倾向于逐层凝固
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收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至.
1) 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 NOCO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.(2.5~4.0%C)
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:
Si>4% Mn>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30~50%
∴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<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:
2.5~4.0%C,1.0~3.0%Si
∵
(2)S↑石墨化↓ FeS—热脆 易形成白口
∴一般0.15%以下.
(3)Mn↑石墨化↓合理含量:
0.5~1.4%
少量:
Mn+S—MnS,Mn+FeS—Fe+MnS,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.
(4)P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Si75%的硅铁,加入量为铁水的0.25~0.6%.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:
∵SiMn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C,Si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
2.5~10
10~20
20~30
30~50
130
100
90
80
110~167
93~140
87~131
82~122
HT150
2.5~10
10~20
20~30
30~50
175
145
130
120
136~205
119~179
110~167
105~157
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:
KTH(KTZ)+3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(920~980℃,保温10~20h)—团絮状石墨
∴必须采用C,Si含量低的铁水,防石墨化.通常2.4~2.8%C,0.4~1.4%Si
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(40~70h),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↑(3.6~4.0%)接近共晶成分,可改善铸造性能和球化结果
S↑(<=0.07%)S易与和球化剂合成硫化物,浪费球化剂
P↓(<=0.1%)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75%Si)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
cS↓残余镁量↓降低型砂含水量—气孔↓(侵入)
Mg+H2O=MgO+H2↑ 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:
珠光体基体 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2~3h)温度容易控制,适于各类铸钢件
原料:
废钢生铁 铁合金等 造
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