關(guān)于金屬材料的鑄造性能詳解
發(fā)布時(shí)間:2021-11-19點(diǎn)擊:7283
合金鑄造性能概念:鑄造性能是指合金鑄造成形,獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。
合金鑄造性能指標(biāo):充型能力(流動(dòng)性)、收縮性、氧化性、偏析和吸氣性等。
合金鑄造性能的好壞,對鑄造工藝過程、鑄件質(zhì)量以及鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都有顯著的影響。因此,在選擇鑄造零件的材料時(shí),應(yīng)在保證使用性能的前提下,盡可能選用鑄造性能良好的材料。但是,實(shí)際生產(chǎn)中為了保證使用性能,常常要使用一些鑄造性能差的合金。此時(shí),則應(yīng)更加注意鑄件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),并提供適當(dāng)?shù)蔫T造工藝條件,以獲得質(zhì)量良好的鑄件。因此,充分認(rèn)識(shí)合金的鑄造性能是十分必要的。
合金的鑄造性能—合金的充型能力
01合金的充型能力定義
定義——液態(tài)合金充滿鑄型,獲得尺寸正確、輪廓清晰的鑄件的能力,稱為液態(tài)合金的充型能力。
液態(tài)合金充型過程是鑄件形成的***個(gè)階段。其間存在著液態(tài)合金的流動(dòng)及其與鑄型之間的熱交換等一系列物理、化學(xué)變化,并伴隨著合金的結(jié)晶現(xiàn)象。因此,充型能力不僅取決于合金本身的流動(dòng)能力,而且受外界條件,如鑄型性質(zhì)、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。
02對鑄件質(zhì)量的影響
對鑄件質(zhì)量的影響--液態(tài)合金的充型能力強(qiáng),則容易獲得薄壁而復(fù)雜的鑄件,不易出現(xiàn)輪廓不清、澆不足、冷隔等缺陷;有利于金屬液中氣體和非金屬夾雜物的上浮、排出,減小氣孔、夾渣等缺陷;能夠提高補(bǔ)縮能力,減小產(chǎn)生縮孔、縮松的傾向性。
03影響合金充型能力的因素及工藝對策
(1)合金的流動(dòng)性
定義--流動(dòng)性是指液態(tài)合金的流動(dòng)能力。它屬于合金的固有性質(zhì),取決于合金的種類、結(jié)晶特點(diǎn)和其他物理性質(zhì)(如粘度越小,熱容量越大;導(dǎo)熱率越小,結(jié)晶潛熱越大;表面張力越小,則流動(dòng)性越好)。
測定方法--為了比較不同合金的流動(dòng)性,常用澆注標(biāo)準(zhǔn)螺旋線試樣的方法進(jìn)行測定。在相同的鑄型(一般采用砂型)和澆注條件(如相同的澆注溫度或相同的過熱溫度)下獲得的流動(dòng)性試樣長度,即可代表被測合金的流動(dòng)性。常用鑄造合金中灰鑄鐵、硅黃銅流動(dòng)性***好,鑄鋼***差。對于同一種合金,也可以用流動(dòng)性試樣來考察各種鑄造工藝因素的變動(dòng)對其充型能力的影響。所得的流動(dòng)性試樣長度是液態(tài)金屬從澆注開始至停止流動(dòng)時(shí)的時(shí)間與流動(dòng)速度的乘積。所以凡是對以上兩個(gè)因子有影響的因素都將對流動(dòng)性(或充型能力)產(chǎn)生影響。
合金的化學(xué)成分決定了它的結(jié)晶特點(diǎn),而結(jié)晶特點(diǎn)對流動(dòng)性的影響處于支配地位。具有共晶成分的合金(如碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.3%的鐵碳合金等)是在恒溫下凝固的,凝固層的內(nèi)表面比較光滑,對后續(xù)金屬液的流動(dòng)阻力較小,加之共晶成分合金的凝固溫度較低,容易獲得較大的過熱度,故流動(dòng)性好;除共晶合金和純金屬以外,其他成分合金的凝固是在一定溫度范圍內(nèi)進(jìn)行的,鑄件截面中存在液、固并存的兩相區(qū),先產(chǎn)生的樹枝狀晶體對后續(xù)金屬液的流動(dòng)阻力較大,故流動(dòng)性有所下降。合金成分越偏離共晶成分,其凝固溫度范圍越大,則流動(dòng)性也越差。因此,多用接近共晶成分的合金作為鑄造材料,其原因就在于此。
(2)鑄型性質(zhì)
①鑄型的蓄熱系數(shù)它表示鑄型從其中的金屬液吸取并存儲(chǔ)熱量的能力。鑄型材料的導(dǎo)熱率、比熱容和密度越大,其蓄熱能力越強(qiáng),對金屬液的激冷能越力就強(qiáng),金屬液保持流動(dòng)的時(shí)間就越短,充型能力就越差。例如,金屬型鑄造比砂型鑄造更容易產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷。
②鑄型溫度預(yù)熱鑄型能減小它與金屬液之間的溫差,降低換熱強(qiáng)度,從而提高金屬液的充型能力。例如,在金屬型鑄造鋁合金鑄件時(shí),將鑄型溫度由340℃提高到520℃,在相同的澆注溫度(760℃)下,螺旋線試樣長度由525mm增至950mm。因此,預(yù)熱鑄型是金屬型鑄造中必須采取的工藝措施之一。
③鑄型中的氣體鑄型具有一定的發(fā)氣能力,能在金屬液與鑄型之間形成氣膜,可減小流動(dòng)阻力,有利于充型。但若發(fā)氣量過大,鑄型排氣不暢,在型腔內(nèi)產(chǎn)生氣體的反壓力,則會(huì)阻礙金屬液的流動(dòng)。因此,為提高型(芯)砂的透氣性,在鑄型上開設(shè)通氣孔是十分必要且經(jīng)常應(yīng)用的工藝措施。
(3)澆注條件
①澆注溫度
澆注溫度對金屬液的充型能力有決定性的影響。澆注溫度提高,使合金粘度下降,且保持流動(dòng)的時(shí)間增長,故充型能力增強(qiáng);反之,充型能力就會(huì)下降。對于薄壁鑄件或流動(dòng)性差的合金,利用提高澆注溫度以改善充型能力的措施,在生產(chǎn)中經(jīng)常采用也比較方便。但是,隨著澆注溫度的提高,合金的吸氣、氧化現(xiàn)象嚴(yán)重,總收縮量增加,反而易產(chǎn)生氣孔、縮孔、粘砂等缺陷,鑄件結(jié)晶組織也變得粗大。因此,原則上說,在保證足夠流動(dòng)性的前提下,應(yīng)盡可能降低澆注溫度。
②充型壓力
金屬液在流動(dòng)方向上所受的壓力越大,則流速越大,充型能力就越好。因此,常采用增加直澆道的高度或人工加壓的方法(如:壓力鑄造、低壓鑄造等)來提高液態(tài)合金的充型能力。
(4)鑄件結(jié)構(gòu)
當(dāng)鑄件的壁厚過小、壁厚急劇變化或有較大的水平面等結(jié)構(gòu)時(shí),會(huì)使合金液充型困難。因此,設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí),鑄件的壁厚必須大于***小允許值;有的鑄件則需要設(shè)計(jì)流動(dòng)通道;在大平面上設(shè)置筋條。這不僅有利于合金液的順利充型,亦可防止夾砂缺陷的產(chǎn)生。
合金的鑄造性能—合金的偏析
偏析——在鑄件中出現(xiàn)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。偏析使鑄件的性能不均勻,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成廢品。
偏析可分為兩大類:微觀偏析和宏觀偏析。
晶內(nèi)偏析(又稱枝晶偏析)——是指晶粒內(nèi)各部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象,是微觀偏析的一種。凡形成固溶體的合金在結(jié)晶過程中,只有在非常緩慢的冷卻條件下,使原子充分?jǐn)U散,才能獲得化學(xué)成分均勻的晶粒。在實(shí)際鑄造條件下,合金的凝固速度較快,原子來不及充分?jǐn)U散,這樣按樹枝狀方式長大的晶粒內(nèi)部,其化學(xué)成分必然不均勻。為消除晶內(nèi)偏析,可把鑄件重新加熱到高溫,并經(jīng)長時(shí)間保溫,使原子充分?jǐn)U散。這種熱處理方法稱為擴(kuò)散退火。
密度偏析(舊稱比重偏析)——是指鑄件上、下部分化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象,是宏觀偏析的一種。當(dāng)組成合金元素的密度相差懸殊時(shí),待鑄件完全凝固后,密度小的元素大都集中在上部,密度大的元素則較多地集中在下部。為防止密度偏析,在澆注時(shí)應(yīng)充分?jǐn)嚢杌蚣铀俳饘僖豪鋮s,使不同密度的元素來不及分離。
宏觀偏析有很多種,除密度偏析之外,還有正偏析、逆偏析、V形偏析和帶狀偏析等。
合金的鑄造性能—合金的吸氣性
合金的吸氣性——合金在熔煉和澆注時(shí)吸收氣體的性質(zhì)。
合金的吸氣性隨溫度升高而加大。氣體在合金液中的溶解度較在固體中大得多。合金的過熱度越高,氣體的含量越高。氣體在鑄件中的存在有三種形態(tài):固溶體、化合物和氣孔。
(1)鑄件中的氣孔
按照合金中的氣體來源,可將氣孔分為以下三類。
①析出性氣孔
溶解于合金液中的氣體在冷凝過程中,因氣體溶解度下降而析出,來不及排除,鑄件因此而形成的氣孔,稱為析出性氣孔。
析出性氣孔在鋁合金中***為常見,其直徑多小于1mm。它不僅影響合金的力學(xué)性能,而且嚴(yán)重影響鑄件的氣密性。
②侵入性氣孔
侵入性氣孔是砂型表面層聚集的氣體侵入合金液中而形成的氣孔。
③反應(yīng)性氣孔
澆入鑄型中的合金液與鑄型材料、芯撐、冷鐵所含水分、銹蝕等或熔渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生氣體,從而使鑄件內(nèi)形成的氣孔,稱為反應(yīng)性氣孔。
反應(yīng)性氣孔種類甚多,形狀各異。如合金液與砂型界面因化學(xué)反應(yīng)生成的氣孔,多分布在鑄件表層下1~2mm處,表面經(jīng)過加工或清理后,就暴露出許多小孔,所以稱皮下氣孔。
氣孔破壞合金的連續(xù)性,減少承載的有效面積,并在氣孔附近引起應(yīng)力集中,因而降低了鑄件的力學(xué)性能,特別是沖擊韌度和疲勞強(qiáng)度顯著降低。成彌散狀的氣孔還可促使顯微縮松的形成,降低鑄件的氣密性。
(2)預(yù)防氣孔的措施
①降低型砂(芯砂)的發(fā)氣量,增加鑄型的排氣能力。
②控制合金液的溫度,減少不必要的過熱度,減少合金液的原始含氣量。
③加壓冷凝,防止氣體析出。因?yàn)閴毫Φ母淖冎苯佑绊懙綒怏w的析出。例如液態(tài)鋁合金放在405~608kPa(4~6個(gè)大氣壓)的壓力室內(nèi)結(jié)晶,就可以得到無氣孔的鑄件。
④熔煉和澆注時(shí),設(shè)法減少合金液與氣體接觸的機(jī)會(huì)。如在合金液表面加覆蓋劑保護(hù)或采用真空熔煉技術(shù)。
⑤對合金液進(jìn)行去氣處理。如向鋁合金液中通入氯氣,當(dāng)不溶解的氯氣泡上浮時(shí),溶入鋁合金液中的氫原子不斷向氯氣泡中擴(kuò)散而被帶出合金液。
⑥冷鐵、芯撐等表面不得有銹蝕、油污,并應(yīng)保持干燥等。
合金的鑄造性能—合金的凝固與收縮
01合金的凝固與收縮
(1)凝固與收縮的定義
凝固——物質(zhì)由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。
收縮——鑄件在凝固、冷卻過程中所發(fā)生的體積減小的現(xiàn)象。
(2)對鑄件質(zhì)量的影響
澆入鑄型的液態(tài)金屬在冷凝過程中,如果凝固和收縮得不到合理的控制,鑄件內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)縮孔、縮松、鑄造應(yīng)力、變形、裂紋等缺陷。
02鑄件的凝固方式及影響因素
(1)鑄件的凝固方式
在凝固過程中,鑄件斷面上一般存在三個(gè)區(qū)域,即固相區(qū)、凝固區(qū)和液相區(qū)。其中,對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的“凝固方式”依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分,有如下三類。
① 逐層凝固
純金屬或共晶成分合金(例如圖1中的a成分)在凝固過程中不存在液、固相并存的凝固區(qū)(圖2鑄件的凝固方式(a)),故斷面上外層的固體和內(nèi)層的液體由一條界線(凝固前沿)清楚地分開。隨著溫度的下降,固體層不斷加厚,液體層不斷減少,凝固前沿不斷向中心推進(jìn),直至中心。這種凝固方式稱為逐層凝固。
② 糊狀凝固
如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬(例如圖1中的c成分),且鑄件內(nèi)的溫度 分布曲線(圖1中的t鑄件曲線)較為平坦,則在凝固的某段時(shí)間內(nèi),鑄件表面并不存在固體層,而液、固相并存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)斷面(圖1(C))。因?yàn)檫@種凝固方式與水泥類似,即先呈糊狀而后固化,故稱為糊狀凝固。
③ 中間凝固
大多數(shù)合金(例如圖1中的b)的凝固方式介于上述兩者之間,稱為中間凝固方式。
鑄件的凝固與鑄造缺陷的關(guān)系:
一般說來,逐層凝固有利于合金的充型及補(bǔ)縮,便于防止縮孔和縮松;糊狀凝固時(shí),難以獲得組織致密的鑄件。
(2)影響鑄件凝固方式的主要因素
① 合金的結(jié)晶溫度范圍
合金的結(jié)晶溫度范圍愈小,凝固區(qū)域愈窄,愈傾向于逐層凝固。例如:砂型鑄造時(shí),低碳鋼為逐層凝固;高碳鋼因結(jié)晶溫度范圍甚寬,為糊狀凝固。
② 鑄件斷面的溫度梯度
在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下,凝固區(qū)域的寬窄取決于鑄件斷面的溫度梯度(見圖2中T1→T2)。若鑄件的度梯度由小變大,則其對應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。
鑄件的溫度梯度主要取決于:
a.合金的性質(zhì) 合金的凝固溫度越低、導(dǎo)溫系數(shù)越大、結(jié)晶潛熱越大,鑄件內(nèi)部溫度均勻 化能力就越大,溫度梯度就越小(如多數(shù)鋁合金);
b.鑄型的蓄熱能力 鑄型蓄熱系數(shù)越大,對鑄件的激冷能力就越強(qiáng),鑄件溫度梯度就越大;c.澆注溫度 澆注溫度越高,因帶入鑄型中熱量增多,鑄件的溫度梯度就越??;d.鑄件的壁厚 鑄件壁厚越大,溫度梯度就越小。
通過以上討論可以得出:傾向于逐層凝固的合金(如灰鑄鐵、鋁硅合金等)便于鑄造,應(yīng)盡量選用;當(dāng)必須采用傾向于糊狀凝固的合金(如:錫青銅、鋁銅合金、球墨鑄鐵等)時(shí),可考慮采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧?例如,選用金屬型鑄造),以減小其凝固區(qū)域。
03合金的收縮及其影響因素
(1)合金收縮的原理及過程
液態(tài)合金的結(jié)構(gòu)是由原子集團(tuán)和“空穴”組成的。原子集團(tuán)內(nèi)部的原子呈有序排列,但原子間距比固態(tài)時(shí)大。將液態(tài)合金澆入鑄型后,溫度不斷下降,空穴減少,原子間距縮短,合金液的體積要減小。合金液凝固時(shí),空穴消失,原子間距進(jìn)一步縮短。凝固后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中,原子間距還要縮短。合金由澆注溫度冷卻到室溫的收縮經(jīng)歷了以下三個(gè)階段:
①液態(tài)收縮 即從澆注溫度到開始凝固的液相線溫度之間,合金處于液態(tài)下的收縮。它使型腔內(nèi)液面下降。②凝固收縮 即從凝固開始溫度到凝固終了溫度之間,合金處于凝固過程的收縮。在一般情況下,凝固收縮仍主要表現(xiàn)為液面的下降。③固態(tài)收縮 即從凝固終了溫度至室溫之間,合金處于固態(tài)下的收縮。此階段的收縮表現(xiàn) 為鑄件線性尺寸的減小。
合金的液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的主要原因;而固態(tài)收縮是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因,并直接影響鑄件的尺寸精度。
(2)影響合金收縮的主要因素
①合金的化學(xué)成分
不同合金的收縮率不同。在常用合金中,鑄鋼的收縮率***大,灰鑄鐵的收縮率***小。灰鑄鐵收縮率很小的原因是:由于其中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在的,石墨的比容大,在結(jié)晶過程中石墨析出所產(chǎn)生的體積膨脹,抵消了合金的部分收縮。
②澆注溫度
澆注溫度越高,合金的液態(tài)收縮量越大。
③鑄型條件和鑄件結(jié)構(gòu)
鑄件的實(shí)際收縮區(qū)別于合金的自由收縮,它會(huì)受到鑄型及型芯的阻礙;而且由于鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜及壁厚不均,冷卻時(shí)各部分相互牽制也會(huì)阻礙收縮。
合金的凝固與收縮—鑄件中的縮孔與縮松
縮孔和縮松定義——鑄件冷凝時(shí),如果合金的液態(tài)收縮和凝固收縮得不到液態(tài)合金的補(bǔ)充,就會(huì)在***后凝固的部位形成孔洞。容積大而集中的稱為縮孔,細(xì)小而分散的稱為縮松。
危害——縮孔和縮松會(huì)減小鑄件的有效承載面積,并在該處造成應(yīng)力集中,從而降低力學(xué)性能。對于要求氣密性的零件,縮孔、縮松還會(huì)造成滲漏而嚴(yán)重影響其氣密性。所以,縮孔和縮松是很大的鑄造缺陷之一。
01縮孔和縮松的形成
①縮孔的形成過程
將液態(tài)合金澆入圓柱形型腔中,由于鑄型的冷卻作用,液態(tài)合金的溫度逐漸下降,其液態(tài)收縮不斷進(jìn)行,但是當(dāng)內(nèi)澆口未凝固時(shí),型腔總是充滿的(見圖3(a));隨著溫度的下降,首先鑄件表面凝固成一層硬殼,同時(shí)內(nèi)澆口封閉(見圖3(b));進(jìn)一步冷卻時(shí),硬殼內(nèi)的液態(tài)金屬繼續(xù)液態(tài)收縮,并對形成硬殼時(shí)的凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充,由于液態(tài)收縮和凝固收縮遠(yuǎn)大于硬殼的固態(tài)收縮,故液面下降并與殼頂脫離(見圖3(c));依此進(jìn)行下去,硬殼不斷加厚,液面不斷下降,待金屬全部凝固后,在鑄件上部就形成一個(gè)倒錐形的縮孔(見圖3(d));在鑄件繼續(xù)冷卻至室溫時(shí),其體積有所縮小,使縮孔體積也略有減小(見圖3(e))。如果在鑄件頂部設(shè)置冒口,則縮孔將移到冒口中。
②縮孔出現(xiàn)的部位
一般出現(xiàn)在鑄件***后凝固的區(qū)域,如鑄件的上部或中心處、鑄件上壁厚較大及內(nèi)澆口附近等。
③縮松的形成
是由于鑄件***后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)足;或者因合金呈糊狀凝固,被樹枝狀晶體分隔開的液體小區(qū)得不到補(bǔ)縮所致。
縮松分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。宏觀縮松是用肉眼或放大鏡可以看見的小孔洞,多分布在鑄件中心軸線處或縮孔下方(圖4)。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小孔洞,要用顯微鏡才能看見。這種縮松分布更為廣泛,有時(shí)遍及整個(gè)截面。顯微縮松難以完全避免,對于一般鑄件多不作為缺陷對待;但對氣密性、力學(xué)性能、物理性能或化學(xué)性能要求很高的鑄件,則必須設(shè)法減少。
不同的鑄造合金形成縮孔和縮松的傾向不同。逐層凝固合金(純金屬、共晶合金或窄結(jié)晶溫度范圍合金)的縮孔傾向大,縮松傾向小;糊狀凝固的合金縮孔傾向雖小,但極易產(chǎn)生縮松。由于采用一些工藝措施可以控制鑄件的凝固方式,因此,縮孔和縮松可在一定范圍內(nèi)互相轉(zhuǎn)化。
02孔和縮松的防止
①實(shí)現(xiàn)“順序凝固”
為了防止縮孔、縮松的產(chǎn)生,應(yīng)使鑄件按“順序凝固”的原則進(jìn)行凝固。“順序凝固”原則是指利用各種工藝措施,使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的部分到冒口之間建立一個(gè)遞增的溫度梯度,凝固從遠(yuǎn)離冒口的部分開始,逐漸向冒口方向順序進(jìn)行,***后是冒口本身凝固。這樣就能實(shí)現(xiàn)良好的補(bǔ)縮,使縮孔移至冒口,從而獲得致密的鑄件。為此應(yīng)將冒口安放在鑄件***厚和***高處,其尺寸要足夠大。有條件時(shí),應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在冒口上,使充型的熾熱金 屬液首先流經(jīng)冒口。與此同時(shí)可在鑄件一些局部厚大的部位上安放冷鐵(如圖5),加快該處的冷卻,以便充分發(fā)揮冒口的補(bǔ)縮作用。
順序凝固的缺點(diǎn)是鑄件各部分溫差較大,引起的熱應(yīng)力較大,鑄件易變形、開裂。另外,因?yàn)樵O(shè)置冒口,增加了金屬的消耗和清理費(fèi)用。順序凝固一般用于收縮率大、凝固溫度范圍窄的合金(如鑄鋼、可鍛鑄鐵、黃銅等),以及壁厚差別大、對氣密性要求高的鑄件。
②加壓補(bǔ)縮
即將鑄型置于壓力室中,澆注后,迅速關(guān)閉壓力室,使鑄件在壓力下凝固,可以消除縮松或縮孔。此法又稱為“壓力釜鑄造”。
③用浸滲技術(shù)防止鑄件因縮孔、縮松而發(fā)生的滲漏
即將呈膠狀的浸滲劑滲入鑄件的孔隙,然后使浸滲劑硬化并與鑄件孔隙內(nèi)壁聯(lián)成一體,從而達(dá)到堵漏的目的。
(3)縮孔和縮松位置的確定
為了防止縮孔和縮松的產(chǎn)生,必須在制定鑄造工藝方案時(shí)正確判斷它們在鑄件中的位置,以便采取必要的工藝措施。確定縮孔和縮松位置一般采用等溫線法或內(nèi)接圓法。
①等溫線法
此法是根據(jù)鑄件各部分的散熱情況,把同時(shí)到達(dá)凝固溫度的各點(diǎn)連接成等溫線,逐層向內(nèi)繪制,直到***窄的截面上的等溫線相互接觸為止。這樣,就可以確定鑄件***后凝固的部位,即縮孔和縮松的位置。圖6(a)所示為用等溫線法確定的縮孔位置,圖6(b)所示為鑄件上縮孔的實(shí)際位置,兩者基本上是一致的。
②內(nèi)接圓法
此法常用來確定鑄件上相交壁處的縮孔位置,如圖7(a)所示。在內(nèi)接圓直徑***大的部分(稱為“熱節(jié)”),有較多的金屬積聚,往往***后凝固,容易產(chǎn)生縮孔和縮松(圖7(b))。
合金的凝固與收縮—鑄造應(yīng)力、變形和裂紋
1鑄造內(nèi)應(yīng)力的分類及形成
定義——鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙而引起的應(yīng)力,稱為鑄造應(yīng)力。
鑄造應(yīng)力可分為三種。
① 機(jī)械應(yīng)力
這種應(yīng)力是由于鑄件的收縮受到機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的,是暫時(shí)性的。
只要機(jī)械阻礙消除,應(yīng)力也隨之消失。形成機(jī)械阻礙的原因是:型(芯)砂的高溫強(qiáng)度高,退讓性差;砂箱箱帶、芯骨的阻礙等。
② 熱應(yīng)力
由于鑄件各部分冷卻速度不同,以致在同一時(shí)期內(nèi)收縮不一致,而且各部分之間存在約束作用,從而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力,稱為熱應(yīng)力。鑄件冷卻至室溫后,這種熱應(yīng)力依然存在,故又稱為殘余應(yīng)力。
③ 相變應(yīng)力
合金在彈性狀態(tài)下發(fā)生相變會(huì)引起體積變化。若鑄件各部分冷卻速度不同,相變不同時(shí)進(jìn)行,則由此而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為相變應(yīng)力。
鑄造應(yīng)力是熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和相變應(yīng)力三者的代數(shù)和。根據(jù)情況不同,三種應(yīng)力有時(shí)相互疊加,有時(shí)相互抵消。
鑄造應(yīng)力的存在會(huì)帶來一系列不良影響,諸如使鑄件產(chǎn)生變形、裂紋 ,降低承載能力,影響加工精度等。
2減小和消除鑄造應(yīng)力的途徑
①工藝方面
a.使鑄件按“同時(shí)凝固”原則進(jìn)行凝固(如圖8所示)。為此,應(yīng)將內(nèi)澆道開設(shè)在薄壁處,在厚壁部位安放冷鐵,使鑄件各部分溫差很小,同時(shí)進(jìn)行凝固,由此熱應(yīng)力可減小到***低限度。應(yīng)該注意的是,此時(shí)鑄件中心區(qū)域往往出現(xiàn)縮松,組織不夠致密。
b.提高鑄型和型芯的退讓性,及早落砂、打箱以消除機(jī)械阻礙,將鑄件放入保溫坑中緩冷,都可減小鑄造應(yīng)力。
②結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面
應(yīng)盡量做到結(jié)構(gòu)簡單,壁厚均勻,薄、厚壁之間逐漸過渡,以減小各部分的溫差,并使各部分能比較自由地進(jìn)行收縮。
③鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力后,可用自然時(shí)效、人工時(shí)效等方法消除。
3變形和裂紋
① 變形
有帶鑄造應(yīng)力的鑄件處于不穩(wěn)定狀態(tài),會(huì)自發(fā)地通過變形使應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定狀態(tài)。顯然,只有受彈性拉伸的部分縮短,受彈性壓縮的部分伸長,鑄件中的應(yīng)力才有可能減小或消除。
T形鑄件產(chǎn)生變形的方向如圖9(a)虛線所示。這是因?yàn)門形鑄件冷卻后,厚壁受拉,薄壁受壓,相當(dāng)于兩根不同長度的彈簧(圖9(b)),將上面的短彈簧拉長,下面的長彈簧壓短,以維持同樣長度(圖9(c))。但這樣的組合彈簧系統(tǒng)是不穩(wěn)定的,力圖恢復(fù)到原來的平衡狀態(tài),即上面的彈簧要縮短,下面的彈簧要伸長,于是就出現(xiàn)了與上述情形相似的彎曲變形(圖9(d))。
危害、對策
防止鑄件變形的根本措施是減少鑄造內(nèi)應(yīng)力,例如:設(shè)計(jì)時(shí),鑄件壁厚力求均勻;制定鑄造工藝時(shí),盡量使鑄件各部分同時(shí)冷卻,增加型(芯)砂的退讓性等。
在制造模樣時(shí),可以采用反變形法,即預(yù)先將模樣做成與鑄件變形相反的形狀,以補(bǔ)償鑄件的變形。圖10所示的機(jī)床床身,由于導(dǎo)軌較厚,側(cè)壁較薄,鑄造后產(chǎn)生撓曲變形。若將模樣做出用雙點(diǎn)劃線表示的反撓度,鑄造后會(huì)使導(dǎo)軌變得平直。
應(yīng)當(dāng)指出,鑄件變形后,往往只能減小而不能徹底消除鑄造應(yīng)力。機(jī)械加工后,零件內(nèi)的應(yīng)力失去平衡而引起再次變形,會(huì)使加工精度受到影響。因此,對于重要的鑄件,機(jī)械加工之前應(yīng)進(jìn)行去應(yīng)力退火。
②裂紋
當(dāng)鑄造應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)材料的強(qiáng)度極限時(shí),鑄件會(huì)產(chǎn)生裂紋。
裂紋可分為熱裂和冷裂兩種。
熱裂——是在高溫下形成的,是鑄鋼件、可鍛鑄鐵坯件和某些輕合金鑄件生產(chǎn)中***常見的鑄造缺陷之一。其特征是:裂紋形狀曲折而不規(guī)則,裂口表面呈氧化色(鑄鋼件裂口表面近似黑色,而鋁合金則呈暗灰色),裂紋沿晶粒邊界通過。熱裂紋常出現(xiàn)于鑄件內(nèi)部***后凝固的部位或鑄件表面易產(chǎn)生應(yīng)力集中的地方。
冷裂——是在低溫下形成的。塑性差、脆性大、熱導(dǎo)率小的合金,如白口鑄鐵、高碳鋼和一些合金鋼易產(chǎn)生冷裂。其特征是:裂紋形狀為連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀,常常是通過晶粒的。裂口表面干凈,有金屬的光澤或呈輕微的氧化色。冷裂常出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位,特別是應(yīng)力集中的部位,如內(nèi)尖角處、縮孔和非金屬夾雜物附近。
危害、對策
凡是減小鑄造應(yīng)力或降低合金脆性的因素(如減少鋼鐵中有害元素硫、磷的含量等)均對防止裂紋有積極影響。
來源:材易通