铸造 - 图文

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

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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

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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。

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图２-25 壁厚不同的应力框铸件热应力的形成过程

1-粗杆 2-细杆 3-横梁

铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降低。在存放、加工甚至使用过程中,铸件内的残留应力将重新分布,使铸件发生变形或裂纹。它还降低了铸件的耐腐蚀性，其中机械应力尽管是暂时的,但是当它与其他应力相互叠加时,也会增大铸件产生变形与裂纹的倾向,因此必须尽量减小或消除之。要减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差,使各部位收缩一致, 如将浇口开在薄壁处,在厚壁处安放冷铁,即采取同时凝固原则。此外,改善铸型和砂芯的退让性,减少机械阻碍作用,以及通过热处理等方法也可减少或消除铸造应力。

② 铸造变形与裂纹 如前所述,当铸件中存在内应力时,会使其处于不稳定状态。当铸造应力值超过合金的屈服强度时,铸件将发生塑性变形;当铸造应力值超过合金的抗拉强度时,铸件将产生裂纹。

对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等铸件,当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时,往往产生翘曲变形。一般来说,薄壁或外层部位冷却速度快,存在压应力,如果铸件刚度不够,应力释放后往往会引起伸长或外凸变形;反之,厚壁或内层部位冷却速度慢,存在拉应力,会导致压缩或内凹变形。例如,前述应力框铸件如果连接两杆的横梁刚度不够,结果会出现如图2-26所示的翘曲变形。图2-27 a所示T形梁铸钢件,板Ⅰ厚、板Ⅱ薄,若铸钢件刚度不够,将发生图中虚线所示的板Ⅰ内凹、板Ⅱ外凸的变形;反之,如果板Ⅰ薄、板Ⅱ厚时,将发生反向翘曲(图2-27b)。图所示为床身,导轨部分厚,侧壁部分薄,铸 造后往往发生导轨面下凹变形。

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