《材料成型原理与工艺》铸造基础.ppt

《材料成型原理与工艺》铸造基础北京航空航天大学材料学院周铁涛2014.1 * 熔化和凝固是人们熟悉的一种相变过程，即使是冰棍的制造，也包含着这样一个过程，通常人们很少注意到，实际上几乎所有的人造产品，在其加工的某个环节，都经历一个熔化、凝固过程。 本课程内容主要涉及熔化和凝固理论及工艺实践，因为这些理论均适用于金属合金这一类应用最广泛的材料，特别是凝固过程，通常都伴随着晶体的形成，而在玻璃和聚合物凝固期间却很少见到晶体。 熔化和凝固过程之所以重要，是因为它最主要的实际应用之一。对于大多数熔点不是很高的金属材料来讲，熔铸是一种非常经济的零件成型方法。如今人们对于熔点高于1660℃的钛合金铸件也能非常经济的加工出来。 作为一种成型工艺，熔铸的基本优点在于液态金属的抗剪应力很小，易于成型。 当铸造作为最后一道成形工序时，熔铸过程对铸件性能的影响非常显著的，假若铸件的性能得到更好的控制，那么熔铸作为一种零件成型的重要手段就变得更为重要了。 实际上在熔铸过程中，熔化质量及凝固过程对最终铸件的质量均会产生非常大的影响。即使在最后的成品中经过揉锻工艺，熔化及凝固过程对零件性能的影响仍然存在，因为凝固组织及与其相关的各种缺陷一旦形成，就很难消除。 熔铸是零件生产的一种重要手段，但同时又存在一系列的问题，制品中有各种缺陷和不足，其中之一就是微观组织随位置变化；化学成份随位置变化，因而造成最终其性能亦在同一个零件中的不同部位有不同的表现，就象一条锁链中最薄弱的环节那样，铸件中的劣质区最终将破坏整体的完整性。因此，对于整个熔化─凝固过程中影响微观组织的各种因素都应有一个明确的认识，使铸件的性能得到最有效的发挥。 一、熔炼的基本任务 金属合金熔炼的基本任务就是把某种配比的金属炉料投入熔炉中，经过加热和熔化得到熔体，再对熔化后的熔体进行适当的液态处理，得到合乎要求的合金熔体。在进行熔化的过程中，合金本身与环境之间将发生许多物理、化学的变化和反应，这些反应均会影响到熔体的质量，只有对这些变化和反应有比较清楚的认识，才能更好的分析和解决在熔炼过程中出现的各种问题。 R0 0 E A B 0 F 斥力 引力 合力 Q R 液体金属的结构 具有明显的流动性质使液态金属区别于固态，此亦可视为它的显著特点。但它与作为流体的气体大不相同。分析以下几点： 1.固体金属熔化成液体，大多数情况下体积增加３-６％即原子间的平均距离仅增加１-２％；而若变成气体，则其体积将膨胀达几千倍。 2.金属的熔化潜热一般也只有蒸发潜热的３-７％。 3.金属熔化时的熵变值大约只有蒸发熵变的十分之一。 所谓合格的金属合金熔体应包含以下几方面的内容： 1、化学成份合格(影响成分的主要因素） 由于纯金属不能满足人们对材料的要求，因此需要在基体金属炉料中添加一些不同种类的金属炉料，这些金属称为合金元素。化学成份合格，首先应满足的就是各个合金元素的含量均应在允许的范围内。 除合金元素外，在各种金属原料中，由于各种原因，还有存在许多对合金性质有不利影响而又无法完全去除的各类元素或各种气体及夹杂物等，为保证材料性能的发挥，必须对这类杂质的含量进行控制，化学成份合格亦应在各类杂质元素的含量在允许的范围内。 2、熔体应洁净 在对金属合金进行加热熔化操作过程中，由于在高温状态下，各种化学元素的化学较强，以及操作过程中的不慎，均有可能将一些外来异物如熔剂、炉渣或各种气体等带入熔体，这些外来物在随后发生的凝固过程中均会对零件的性能产生不利的影响，因此在熔化操作过程中应进可能地将其去除干净。 3、温度适当 各种材料在进行熔炼操作时，都是将在室温状态下以固体状态存在的金属合金，加热到熔点温度以上，使其发生相变，转变成液态，高温状态下，金属料与环境会由于化学活性的提高而发生各种作用，其结果就会有污染，并且有些变化是不可逆转的，影响性能，因此熔化过程中，一定要控制好温度，使其在满足随后凝固要求的前提下，尽量减轻对性能的影响。 二、铸造的基本任务 金属铸造就是把熔炼好的金属液体倾注到预制的铸型中，待金属凝固成形后，再从该铸型中取出金属制品即可获得铸件。 除电熔铸法和粉末冶金法产生的特殊金属制品以外，大部分金属制品必须经过一次熔化和凝固过程。初生凝固组织往往对产品的性能有决定性的影响，这一点不仅对直接作为铸件使用的零件如此，对于尚需经过塑性加工以制成棒材、板材、线材的制品也是一样。究其根本变化原因就是在铸件凝固过程中，存在着如成份偏析、缩孔、疏松、夹杂物、裂纹等铸造缺陷，对于这样一些缺陷，即使经过塑性加工，表面看来缺陷难以消除，可以忽略，而实际上它们仍有可能作为残迹遗