金屬熱加工原理8-1ppt課件

1、第八章 鑄件形成技術基礎鑄造 將液態(tài)金屬澆注到鑄型內，充滿型腔，凝固， 并獲得具有型腔形狀的鑄件。 液態(tài)金屬充型過程及與它相關的問題 實際鑄件的凝固掌握實際凝固過程中的熱交換問題，認識鑄件的凝固規(guī)律，研究凝固過程的控制途徑，對于鑄造缺陷的防治，改善鑄件質量，提高鑄件的性能從而獲得優(yōu)質的鑄件，有著十分重要的意義！8-1 液態(tài)金屬的充型-鑄件形成的第一階段一、液態(tài)金屬的充型能力基本概念：液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰 的鑄件的能力，即液態(tài)金屬充填鑄型的能力，簡稱 液態(tài)金屬的充型能力實驗證明，同一種金屬用不同的鑄造方法，所能鑄造的鑄件最小壁厚不同。同樣的鑄造方法，由于金屬不同，所能得到

2、的最小壁厚也不同，如表所示。種類種類鑄鑄 件件 最最 小小 壁壁 厚厚 （mmmm）砂砂 型型金金 屬屬 型型熔模鑄造熔模鑄造殼殼 型型壓壓 鑄鑄灰鑄鐵灰鑄鐵3 34 40.4-0.80.4-0.80.8-1.50.8-1.5-鑄鋼鑄鋼4 48-108-100.5-1.00.5-1.02.52.5-鋁合金鋁合金3 33-43-4-0.6-0.80.6-0.8結論：液態(tài)金屬的充型能力首先取決于金屬本身的流 動能力，同時又受外界條件，如鑄型性質、澆注條件、鑄件結構等因素的影響，是各因素的綜合反映。流動性：金屬本身的流動能力，稱為“流動性”，是金 屬鑄造性能之一。I影響因素1金屬的成分。I（2液體的

3、溫度。I（3雜質的含量及物理特性。其它條件相同時，金屬的流動性越好，合金的充型能力越強。注意：流動性和充型能力的聯(lián)系和區(qū)別！如何判定流動性的好壞？利用澆注“螺旋形試樣的方法來衡量。按合金充填型腔的長度或充填縫隙的厚薄程度表示該合金的流動性。 在相同的條件下澆注各種合在相同的條件下澆注各種合金的流動性試樣，以試樣的金的流動性試樣，以試樣的長度表示該合金的流動性，長度表示該合金的流動性，并以所測得的合金流動性表并以所測得的合金流動性表示合金的充型能力。示合金的充型能力。 1.澆口杯澆口杯, 2.低壩低壩, 3.直澆道直澆道, 4. 螺旋螺旋 5. 高壩高壩, 6.溢流溢流道道,7.全壓井全壓井 下

4、頁我們提供了對鑄鋼和鑄下頁我們提供了對鑄鋼和鑄鐵件流動性的模擬結果鐵件流動性的模擬結果出氣口澆口杯合金的螺旋形流動性實驗合金的螺旋形流動性實驗實驗與模擬均證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。實驗與模擬均證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。一些合金的流動性螺旋試樣）合金造型材料澆注溫度/螺旋線長度/mm鑄鐵C+Si=6.2%（wt） =5.9 =5.2 =4.2砂型1300180013001000600鑄鋼 C=0.4%（wt）砂型16001640100200 鋁硅合金金屬型（300）680-720700-800 鎂合金砂型700400-600錫青銅（Sn=9-11%）硅黃銅（Si=1.5-4.

5、5%）砂型砂型104011004201000二、液態(tài)金屬的充型特點和對鑄件質量的影響 粘性液體流動粘性與合金的成分和溫度有關。溫度越低，粘性越大。粘性與合金的成分和溫度有關。溫度越低，粘性越大。水：無粘性，勻質的單相體液體金屬：粘性，非勻質的多相體S、L、G） 不穩(wěn)定流動充型過程是液態(tài)金屬與鑄型之間一種不穩(wěn)定的熱交換過程。液體金屬：粘性、流速、流態(tài)隨溫度變化而變化，使金屬流動不穩(wěn)定。高溫金屬液與液體金屬：粘性、流速、流態(tài)隨溫度變化而變化，使金屬流動不穩(wěn)定。高溫金屬液與氣體和型壁作用使金屬氧化，增加氧化夾雜，容易形成夾雜、冷隔和澆不足等缺陷。氣體和型壁作用使金屬氧化，增加氧化夾雜，容易形成夾雜、

6、冷隔和澆不足等缺陷。鑄型：鑄型中水分蒸發(fā)，有機物燃燒，鑄型材料組成物的分解和氣化，使型腔內氣壓鑄型：鑄型中水分蒸發(fā)，有機物燃燒，鑄型材料組成物的分解和氣化，使型腔內氣壓增加。氣壓過大，會阻礙金屬液的流動，或侵入金屬液內，產生澆不足、冷隔和氣孔。增加。氣壓過大，會阻礙金屬液的流動，或侵入金屬液內，產生澆不足、冷隔和氣孔。 在“多孔管中流動砂型具有透氣性，其澆注系統(tǒng)和型腔可看作“多孔的管道和容器。缺陷：a鑄件表面粘砂：壓力過大，金屬液被壓入型壁砂粒間的間隙內； b卷入性氣孔：液流與澆道壁不貼附，外界氣體被帶入型腔 紊流流動紊流：指流體從一種穩(wěn)定狀態(tài)向另一種穩(wěn)定狀態(tài)變化過程中的一種無序狀態(tài)。流動時慣

7、性力占主要地位。層流：流體在管內流動時，其質點沿著與管軸平行的方向作平滑直線運動。 流動時粘性力占主要地位。三、液態(tài)金屬停止流動機理取決于結晶溫度范圍1純金屬、共晶成分合金及結晶溫度范圍很窄的合金停止流動機理a）區(qū)：純液態(tài)流動b）區(qū)：先形成凝固殼，又被完全熔化c）區(qū)：未被完全熔化而保留下來的 一部分固相區(qū)。 （熔液無過熱熱量） 區(qū)：兩相溫度相同結晶溫度。 斷面附近易堵塞，熔液停流。這類金屬的流動性與固體層內表面的粗糙度、毛細管阻力及在結晶溫度下的流動能力有關。2結晶溫度范圍很寬的合金停止流動機理a純液態(tài)流動bTTL，析出晶體，順流前進，并長大。 前端冷卻最快，使粘度增加，流速減慢c晶粒數(shù)量達到

8、某一臨界數(shù)量時，便結成 一個連續(xù)的網絡。當液流壓力不能克服 此網絡的阻力時，即發(fā)生堵塞而停止流動純金屬等第一種合金充型能力強！四、影響充型能力的因素及提高充型能力的措施 影響充型能力的因素大致可以歸納為四類： 第一類因素-金屬性質方面的因素 （1金屬的密度1； （2金屬的比熱容c1； （3金屬的導熱系數(shù)1； （4金屬的結晶潛熱L; （5金屬的粘度; （6金屬的表面張力; （7金屬的結晶特點。 第二類因素-鑄型性質方面的因素 （1鑄型的蓄熱系數(shù)b2； （2鑄型的密度2 ； （3鑄型的比熱容C2； （4鑄型的導熱系數(shù)2； （5鑄型的溫度； （6鑄型的涂料層； （7鑄型的發(fā)氣性和透氣性。 第三類因素

9、-澆注條件方面的因素（1液態(tài)金屬的澆注溫度;（2液態(tài)金屬的靜壓頭H;（3澆注系統(tǒng)中壓頭損失總合;（4外力場壓力、真空、離心、振動等）。第四類因素-鑄件結構方面的因素（1鑄件的折算厚度R R=V鑄件的體積）/S鑄件的散熱表面積）或R=F鑄件的斷面積）/P斷面的周長）（2由鑄件結構所規(guī)定的型腔的復雜程度引起的壓頭損失h.1、金屬性質方面的因素內因，決定了流動性的高低 合金的成分合金的流動性與其成分之間存在著一定的規(guī)律性。在流動性曲線上，對應著純金屬、共晶成分的地方出現(xiàn)最大值，而有結晶溫度范圍的地方流動性下降，且在最大結晶溫度范圍附近出現(xiàn)最小值。合金成分對流動性的影響 在過熱度相同時：純鐵的流動性好

10、，隨碳量的增加，結晶溫度范圍擴大，流動性下降。在Wc2.1%附近，結晶溫度范圍最大，在液相線以上過熱度相同的情況下，流動性最差。 在亞共晶鑄鐵中，越接近共晶成分，流動性越好，共晶成分鑄鐵的流動性最好。這是因為含碳量越低，結晶溫度范圍越寬，初生奧氏體枝晶就越發(fā)達，數(shù)量不多的奧氏休枝晶，即足以阻塞液流的流動。共晶鑄鐵的結晶組織比較細小，凝固層的走向平整，流動阻力小，而且共晶成分鐵液澆注溫度低，向鑄型散熱慢，流動時間也較長，所以流動性最好。碳量增加時，亞共晶鑄鐵的液相線溫度下降，在相同的澆注溫度下，鐵液的流動性隨碳量增加而迅速提高。 鑄鐵的結晶溫度范圍一般都比鑄鋼的寬，但鑄鐵的流動性卻比鑄鋼的好。這

11、是由于鑄鋼的熔點高，鋼液的過熱度一般都比鑄鐵的小，維持液態(tài)的流動時間就要短；另外，由于鋼液的溫度高，在鑄型中散熱速度大，很快就析出一定數(shù)量的枝晶，使鋼液失去流動能力。 高碳鋼的結晶溫度范圍雖然比低碳鋼的寬，但是，由于液相線溫度低，容易過熱，所以實際流動性并不比低碳鋼差。其它元素對鑄鐵流動性的影響（1磷鑄鐵中磷量增加，液相線溫度下降，鐵液粘度下降；由于磷共晶增加，固相線溫度也下降，因而，可以提高流動性。但是，磷量增加使鑄鐵變脆。通常不用增加磷量提高鑄鐵的流動性。 （2硅作用和碳相似） 硅量增加，液相線溫度下降。因而，在同一過熱度下，鑄鐵的流動性隨硅量增加而提高。 （3錳和硫 錳的質量分數(shù)低于0.

12、25時，錳本身對鑄鐵的流動性沒有影響。但是，當含硫量增加時，一方面會產生較多的MnS夾雜物，懸浮在鐵液中，增加鐵液的粘度，另一方面，含S量越高，越易形成氧化膜，致使鐵液流動性降低。 結晶潛熱T不變時，單位質量的物質從液態(tài)轉變成固態(tài)時 所釋放的熱量。 結晶潛熱約占液態(tài)金屬熱含量的85-90，但是，它對不同類型合金的流動性影響是不同的。 純金屬和共晶成分的合金在固定溫度下凝固，在一般的澆注條件下，結晶潛熱的作用能夠發(fā)揮，是估計流動性的一個重要因素。凝固過程中釋放的潛熱越多，則凝固進行得越緩慢，流動性就越好。將具有相同過熱度的純金屬澆入冷的金屬型試樣中，其流動性與結晶潛熱相對應：Pb的流動性最差，A

13、l的流動性最好，Zn、Sb、Cd、Sn依次居于中間。 對于結晶溫度范圍較寬的合金，散失一部分(約20)潛熱后，晶粒就連成網絡而阻塞流動，大部分結晶潛熱的作用不能發(fā)揮，所以對流動性影響不大。Al-Si合金流動性與成分的關系 原因：原因： 初生初生SiSi相強度低，不容易相強度低，不容易形成堅固的枝晶網絡，形成堅固的枝晶網絡，能夠以液固混合狀態(tài)在能夠以液固混合狀態(tài)在液相線溫度以下流動，液相線溫度以下流動，結晶潛熱得以發(fā)揮。結晶潛熱得以發(fā)揮。 據(jù)目前的資料，只有鑄鐵、Pb-Sb和Al-Si合金由于較大的結晶潛熱而使流動性在過共晶區(qū)繼續(xù)增長。 造型材料一般不被液態(tài)金屬潤濕，即潤濕角90。故液態(tài)金屬在鑄

14、型細簿部分的液面是凸起的，而由表面張力產生一個指向液體內部的附加壓力，阻礙對該部分的充填。所以，表面張力對薄壁鑄件、鑄件的細簿部分和棱角的成形有影響。型腔越細薄，棱角的曲率半徑越小，表面張力的影響則越大。為克服附加壓力的阻礙，必須在正常的充型壓頭上增加一個附加壓頭h。2 coshgr 表面張力 液態(tài)金屬的粘度 與其成分、T、夾雜物含量、狀態(tài)有關 根據(jù)水力學分析，粘度對層流運動的流速影響較大，對紊流運動的流速影響較小。實際測得，金屬液在澆注系統(tǒng)中或在試樣中的流速，除停止流動前的階段外都大于臨界速度，即在充型過程前期是紊流運動，粘度對流動性的影響不明顯；而在充型過程后期凝固中，是層流運動，粘度對流

15、動性影響較大。 金屬的比熱容、密度和導熱系數(shù) 比熱容和密度較大的合金，因其本身含有較多的熱量，在相同的過熱度下，保持液態(tài)的時間長，流動性好。 導熱系數(shù)小的合金，熱量散失慢，保持流動的時間長；導熱系數(shù)小，在凝固期間液固并存的兩相區(qū)小，流動阻力小，故流動性好。 合金的熔煉過程 控制氣體和夾雜物的含量，降低其含量，使粘度降低。 C型型-單位體積的鑄型在溫度升高1時所吸取的熱量。 此值大，鑄型吸取較多的熱量而本身的溫升較小，使金屬與 鑄型在較長時間內保持較大的溫差。 型鑄型的導熱系數(shù)大，表示從金屬吸取的熱量能很快地由溫度較高的型內表面?zhèn)鲗У綔囟容^低的“前方”，使鑄型參加蓄熱的部分增多，從而能夠儲存更多

16、的熱量，并且鑄型內表面的熱量能迅速傳走，溫升速度也就比較緩慢，而保持繼續(xù)吸取熱量的能力。 鑄型的蓄熱系數(shù)b型表示鑄型從其中的金屬中吸取并儲存于本身中熱量的能力。蓄熱系數(shù)b型越大，鑄型的激冷能力就越強，金屬液于其中保持液態(tài)的時間就越短，充型能力下降。型型型型cb2、鑄型方面的因素 鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從液態(tài)金屬中吸取并儲存 在本身中熱量的能力幾種鑄型材料的蓄熱系數(shù)材料銅鑄鐵鑄鋼粘土型砂濕砂鋸末煙黑溫度202020202020500蓄熱系數(shù)(104)3.671.341.30.110.230.02960.0076 在金屬型鑄造中，經常采用涂料調整其蓄熱系數(shù)b型 。為使金屬型澆口和冒口中的金屬液緩慢冷卻，常在一般的涂料中加入b型很小的石棉粉。 在砂型鑄造中，利用煙黑涂料解決大型薄壁鋁鎂合金鑄件的成型問題，已在生產中收到效果。預熱鑄型能減小金屬與鑄型的溫差，從而提高充型能力。 例如，在金屬型中澆注鋁合金鑄件鑄型溫度由340提高到520，在相同的澆注溫度760）下，螺旋線的長度由525mm增加到950mm。 在熔模鑄造中，為得到清晰的輪廓，將型殼加熱到800以上進行澆注。 鑄型溫度 鑄型中的氣體 鑄型有一定的發(fā)氣能力，能在金屬液與鑄型之間形成氣膜