1、工程材料及机械制造基础,II 热加工工艺基础,河北联合大学 机械工程学院,课程安排,上课：1014周，20学时；考试：闭卷，时间待定；成绩：80%卷面+20%平时(出勤，作业)；,热加工工艺基础,材料基础知识,金属液态成形,金属塑性成形,金属连接成形,热加工工艺,3,内容关系,零件,液态成形（铸造）,连接成形（焊接）,产品,第一章 铸造,知识点:,铸造 将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法.,作用: 铸造是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造(包括压力铸造、金属型铸造等).其中砂型铸造是最基本的液态
2、成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%以上.,7,铸造（金属液态成型）,1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如:汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。,2适应性强： （1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。,3成本低：（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。,4废品率高、表面质量较低、劳动条件差。缺陷多：组织疏松、晶粒粗大、缩孔和缩松、气孔力学性能差：,知识点：,1、液态合金的流动性,合金的流动性： 熔融金属的流动能力.影响充型能力：充满薄、复杂型腔，轮廓清晰的铸件；上浮和排除液体中气体和夹杂物；有利于补缩，减少热裂纹缺陷；合金流动性衡量指标：螺旋
3、形试样,1.1 液态金属的流动性与充型能力,影响因素:(1)合金种类;(2)成分和结晶特点;(3)物理性能.,0.45%C 铸钢：200,4.3%C 铸铁：1800,(2) 成分和结晶特点;,纯金属和共晶成分合金,亚共晶成分合金结晶,铁碳相图,(3)其他物理性能： 热容、密度、结晶潜热、黏度等。,充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。,充型 液态合金填充铸型的过程。,充型能力：液体金属充满铸型型腔，获得尺寸 精确、轮廓清晰的成形件的能力。,影响充型能力因素： 铸型充填条件、浇注条件、铸件结构,第一节 合金的铸造性能,2.合金的充型能力,铸型充填条件：阻力和热交换,（1）铸型的蓄
4、热系数 铸型的热导率和质量热熔越大，对液体合金的激冷作用越强，合金的温降越大，合金充型能力越差,（2）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。,（3）铸型中的气体 在热作用下，型腔中气体膨胀，型砂中的水分气化，有机物燃烧，增加型腔内的压力。,（3）浇注系统结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力越 大，充型能力越差。,浇注条件,（1）浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。,（2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。,（2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。,铸件结构,（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，
5、为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。,1.2 合金的凝固与收缩,一、铸件的凝固方式 在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。 铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。1.凝固方式：(1)逐层凝固：恒温下结晶的金属或合金(2)糊状凝固：合金的凝固温度范围很宽(3)中间凝固：,层状凝固：纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液固两相的凝固区，已凝固层与没凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，凝固层不断加厚，液相区逐渐减少，一
6、直到逐渐完全凝固。,I,I,糊状凝固：如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的断面温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的凝固层，而是液固两相共存区贯穿铸件的整个断面。,III,III,中间凝固：介于层状凝固和糊状凝固之间，凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区。,II,II,2.影响凝固的主要因素,*合金的结晶温度范围： 合金的结晶温度范围越小，凝固区域越 窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通 灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度： 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝 固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。 若铸件内外层之间的温度差由小
7、变大，则其 凝固区相应由宽变窄。,二、铸造合金的收缩,收缩时合金从液态冷却凝固至室温，所伴随的体积或尺寸减小到现象。收缩会导致缩孔或缩松、应力、变形、裂纹等缺陷。,合金的收缩经历如下三个阶段：,（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。 T浇 T液 高于液相线50150,（3）固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 T室,（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 T固 共晶相变、液相固相相变、温度下降,体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。,体收缩率：,线收缩率：,线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。,三、影响合金收缩的因素化学成分浇注温度铸件结构
8、和铸型条件,1. 缩孔与缩松,液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。*液态收缩和凝固收缩,1)缩孔的形成,四、收缩对铸件质量的影响,2）缩松的形成: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域 较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。 *液态收缩和凝固收缩,3)缩孔和缩松的防止,控制铸件的凝固次序， “定向凝固（顺序凝固）”冒口 储存补缩用金属液的空腔。远离冒口的部位先凝固然后向着冒口方向凝固，最后是冒口本身
9、凝固。,合理确定铸件的浇注位置定向凝固原则，便于补缩开设内浇道合理的浇注温度和浇注速度,3 铸件的内应力、变形与裂纹,(1)铸造内应力及其防止,铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。,1）热应力：凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡 的收缩引起的应力。壁厚不均冷却速度不同收缩量不同热应力2）相变应力：固态相变发生后各部分体积发生不均衡 变化而引起的应力。 各部位温度一致相变同时发生不产生应力各部位温度不一致相变不能同时发生产生应力3）收缩应力：合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系 统的机械阻碍而形成的内应力。 机械应力是暂时应力。,1）热应力,由于铸件壁厚不
10、均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。,t0t1:,+,-,t1t2：,t2t3：,+,-,-,+,热应力的形成过程演示,热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力可长时间存在。,防止变形的方法：,1）采用同时凝固的原则；2）提高铸型温度；3）应提高铸型和型芯的退让性，及时开型 4）去应力退火,同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。,2、铸件的变形与防止,反变形法,防止变形的方法：,1）防止内应力的所有措施；,2）采用反变形法。3）设置工艺肋；,变形方向的判定:,先冷部位（薄壁或表层）伸长；后冷部位（厚壁或心部）缩短。,3、铸件的裂纹与防止,1
11、）热裂,形状特征：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。,2 ）冷裂,特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微 氧化色。,裂纹的防止：,防止内应力的所有措施；必须严格控制硫和磷的含量，防止热脆性和冷脆性。,合金收缩,固态合金冷却,液态合金冷却,液态收缩,凝固收缩,缩孔:恒温下结晶,缩松:两相区结晶,线形收缩,裂纹,变形,应力,三 影响收缩的因素,铸型条件,铸件结构,浇注温度,化学成分(c含量),合金收缩,1.偏析: 铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。 (1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现 象，这
12、种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方 法。 (2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高 ，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析 铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。为防止 比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却， 使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。,三、铸造合金的偏析和吸气性,2. 铸件中的气孔和合金的吸气（1）侵入性气孔 侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。（2）析出性气孔 析出性气孔是溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。（3）反应性气孔 浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。,小 结,
