铸件成形原理(液态成形原理)知识点
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第一篇 金属液态成形工艺一 铸造概念、优缺点 1 概念:将液态合金浇注到一定形状、尺寸铸型空腔中,待其冷却凝固,以获得毛坯或零件的生产方法.2 铸造的优点和缺点:3 铸造的基本问题: 凝固组织的形成与控制;铸造的缺陷与防止;尺寸精度与表面粗糙度的控制。
第一章 金属液态成形工艺基础§1-1 液态金属的充型能力与流动性 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。
充型能力不足的缺陷:浇不足、冷隔、夹渣、气孔等。
影响因数:一、液态合金的流动性 合金的流动性是: 液态合金本身的流动能力。
合金流动性主要由合金结晶特点决定二、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 压力越大,充型能力越强。
(3)浇注系统结构 结构复杂,流动阻力大,充型能力差。
三、铸型充填条件 (1)铸型材料 铸型的蓄热系数大,充型能力越差(2)铸型温度 铸型温度越高,充型能力越强。
(3)铸型中的气体四、铸件结构 (1)铸件壁厚 厚度大,热量散失慢,充型能力就好。
(2)铸件复杂程度 结构复杂,流动阻力大,充型困难。
§1-2 液态金属的凝固与收缩一、铸件的凝固方式 1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 2. 糊状凝固影响铸件凝固方式的主要因素 :(1)合金的结晶温度范围 结晶温度范围愈小,凝固区域愈窄,愈倾向于逐层凝固 。
(2)铸件的温度梯度 凝固区域的宽窄还与铸件内外层之间的温度差。
若铸件温度梯度大,则其对应的凝固区窄 。
二、合金的收缩1. 收缩的概念1. 收缩的概念 合金的收缩经历如下三个阶段:1)液态收缩 浇注温度~凝固开始温度间的收缩(2) 凝固收缩 凝固开始~凝固终止温度间的收缩。
(3) 固态收缩 凝固终止温~到室温间的收缩。
体收缩率: 铸件缩孔或缩松的原因。
%100⨯-=铸件铸件铸型V V V V ε线收缩率: 铸件产生应力、变形、裂纹原因。
2. 缩孔与缩松 液体金属冷凝时,液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充,在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。
铸件形成理论重要知识点第一章1.金属的加热膨胀:液态金属的结构和性质原子间距离将随温度的升高而增加,即产生热膨胀。
由于能量起伏,一些原子则可能越过势垒跑到原子之间的间隙中或金属表面,原子离开点阵后,留下了自由点阵——空穴。
原子间距增大,空穴的产生是物体膨胀的原因之一。
2.金属的熔化:把金属加热到熔点附近时,离位原子数大为增加。
在外力的作用下,这些原子作定向运动,造成晶粒间的相对流动,称为晶界粘滞流动。
晶粒内部,也有相当数量的原子频频跳跃、离位,空穴数大为增加。
接近熔点时,晶界上的原子则可能脱离原晶粒表面,向邻近晶粒跳跃,晶粒逐渐失去固定形状。
3.理想金属的液态结构特点金属熔化后,以及在熔点以上不高的温度范围内,液体状态的结构有以下特点:1、原子排列在较小距离内仍具有一定规律性,且其平均原子间距增加不大。
2、金属液体由许多原子集团所组成,在原子集团内保持固体的排列特征,而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏(近程有序排列)。
3、原子集团存在能量起伏和结构起伏。
4、原子集团间距较大,比较松散,犹如存在空穴。
5、原子集团的平均尺寸、游动速度都与温度有关,温度越高,则原子集团的平均尺寸越小,游动速度越快。
概括起来:接近熔点的液态金属由许多游动的原子集团和空穴组成,原子集团中原子呈规则排列,结构与原固体相似,但存在能量起伏和结构起伏。
4. 实际金属的液态结构实际液态金属在微观上是由存在能量起伏、结构起伏和成分起伏的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成的混浊液体;从化学键上看,除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外,还存在其他多种类型的化学键。
5.影响粘度的因素(1) 温度:温度不太高时,T 升高,η值下降。
温度很高时,T 升高,η值升高。
(2) 化学成分:表面活性元素使液体粘度降低,非表面活性杂质的存在使粘度提高。
(3)非金属夹杂物:非金属夹杂物使粘度增加。
6.粘度对铸坯质量的影响(1)对液态金属流动状态的影响:粘度对铸件轮廓的清晰程度有影响,为降低液体的粘度应适当提高过热度或者加入表面活性物质等。
1、液态金属成型技术是将融融的金属或合金在重力场或其他外力场的作用下注入铸型型腔中,待其凝固后获得与型腔形状相似逐渐的一种方法,这种成型方法叫做铸造。
2、液态成型(铸造)是将融化成型的液态金属浇入住铸型后一次制成所需形状和性能的零件3、金属塑性成形又称塑性加工,是利用金属的塑形,通过外力获得所需形状,尺寸与内部性能制品的一种加工方法。
4、表面张力:是表面上存在的一个平行于表面且各个方向大小相等的力。
5、表面自由能;是产生新的单位面积表面时自由能的增量。
6、液态金属充填铸型的能力:液态金属充满铸型型腔,获得完整、轮廓清晰的铸件的能力。
7、流动性;液态金属本身的流动性。
与金属的成分、温度、杂质含量、铸件结构有关。
8、强迫对流:在凝固过程中可以外在激励使液相产生的流动9、液态金属结晶:液态金属转变成晶体的过程称为液态金属结晶或金属一次结晶。
10、相变驱动力:只有当T<T0,Gl>Gs时,结晶才可能自发进行,此时液固两自由能只差称为相变驱动力。
11、过冷度:t=t-t0称之为过冷度12:、热力学能障:由界面原子所产生,能直接影响体系自由能的大小。
13、动力学能障:由原子穿越界面的过程中所引起的,其大小与相变驱动力无关,而决定于界面的结构和性质,前者对形核有影响,后者则在晶体生长过程中起关键作用。
14、均质形核:是在没有任何外来界面的均匀熔体中的形核过程。
也成自发形核。
15、非均质形核:指在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面的衬底进行形核的过程,也称非自发形核,异质形核G非=G均f(o),当0<O<180时,0<f(o)<1,0=180,f(o)=1时,G非=G均。
16、晶体生长驱动力:固液界面处,固液两项体积自由能之差。
晶体生长主要受界面生长动力学过程,传热过程,传质过程三方面的影响17、原子角度看微观姑爷界面的结构可分为两大类粗糙界面(非小面界面)、平整界面(小面界面)18、溶质在分配:从形核开始到结晶结束,整个过程中,固液两项内部进行着溶质元素的重新分布的过程。
第一章金属的液态成形技术1、金属液态成形有液态浇注、液态冲压和液态模锻等。
2、铸造成形(即液态浇注)的优点:1)可获得形状复杂的零件毛坯,如:发动机机体、机床箱体和床身、燃气轮机的蜗轮片、复杂工艺品等。
2)适应性广。
各种金属、铸件均可铸造;3)成本低。
所用原材料来源广,价格低,可回收利用;4)机械切削加工量少。
因为铸件的尺寸和形状与零件非常接近。
一、金属液态成形原理主要指金属的铸造性能。
金属的铸造性能包括金属的流动性、充型能力、收缩、偏析、吸气性等。
(一)金属的流动性1、定义:指金属液本身的流动性。
2、影响因素:金属种类、化学成分、凝固方式3、锰和硫会形成高熔点夹杂物,降低金属流动性。
磷形成低熔点夹杂物,提高金属流动性。
(二)金属的充型能力1、定义:金属液充满铸型型腔,获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力。
2、影响因素:金属流动性、浇注条件、铸型条件。
1)金属流动性:流动性越好,充型能力越强;否则会浇不足、冷隔。
2)浇注条件:①浇注温度(正比;温度过高会使吸气量和总收缩量增大,易产生气孔、缩孔)②充型压力:液态金属在流动方向上所受到的压力。
(正比,压力铸造和离心铸造可增加充型压力)3)铸型条件:包括铸型材料、结构、其中气体含量。
3、“高温出炉,低温回炉”的原理:高温出炉可以使一些难熔的固体质点熔化;低温浇注能使一些尚未熔化的质点及气体在浇包镇静阶段有机会上浮而使铁水净化,从而提高金属流动性。
(三)收缩1、定义:金属由液态向固态的冷却中,其体积和尺寸减小的现象。
2、包括液态收缩(缩孔——顺序凝固原则)和凝固收缩(缩松)、固态收缩(内应力,有变形和裂纹)。
体积收缩线收缩同时凝固原则3、影响因素:化学成分、浇注温度、铸件结构、铸型条件。
4、缩孔:液态金属充满铸型后,铸件在凝固过程中由于补缩不良而产生的洞孔。
✓预防缩孔措施:遵循“顺序凝固”原则,即在造型工艺上人为地设置冒口、冷铁,按照一定的冷却顺序,使缩孔移到铸件的外面或消失。
第一章1、可以通过哪些途径来研究液态金属的结构?①间接方法:通过固---液、固---气态转变后,一些物理性质的变化判断液态的原子结合情况。
②直接方法:通过液态金属的X射线或中子线的结构分析研究液体的原子排列情况。
2、如何理解液态金属的“远程无序”“进程无序”结构?从X射线衍射分析对液态金属铝结构的认识中可以看到,液态铝中的原子排列在几个原子间的小范围内,与其固态铝原子的排列基本一致,呈现一定的规则排列,而距离远的原子排列就不同于固态?了表现为无序状态,称为“远程无序”“进程无序”结构。
3.试阐释实际液态金属的结构及能量结构及浓度等三种起伏特征处于热运动的原子能量有高有低,同一原子的能量也随时间不停变化,时高时低,这种现象称为“能量起伏”。
另外,液态金属中存在由大量不停“游动”着原子团组成,原子集团不断分化组合,这种现象称为“结构起伏”。
由于同种元素及不同元素之间的原子结合力是不同的,即游动集团之间存在着成分不均匀性,称之为“浓度起伏”。
4.液态金属黏涝性的本质及影响因素有哪些方面?本质:是质点间结合力的大小,即原子间做相对运动时产生的阻力。
影响因素:①温度。
②熔点。
③夹杂。
5、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施都有哪些?(1)金属性能方面的因素:①合金的化学成分。
②结晶潜热。
③金属的热处理性能(比热容,密度和热导率)④黏度。
⑤表面张力。
措施:①正确选择合金成分。
②合理的熔炼工艺。
(2)铸型性质方面的因素:①铸型的蓄热系数。
②铸型的温度。
③铸型中的气体。
措施:①适当降低型砂中的含水量和发气物质的含量。
②提供砂型的透气性。
(3)浇筑方面的因素:①浇筑的温度。
②充型压头。
③浇筑系统的结构。
措施:①在一定范围内提高温度。
②增发液态金属在流动方向上所受的压力。
③铸件结构方面的因素是铸件的折算厚度和复杂程度。
6、你认为可以采用哪些工艺措施来提高该铸件的成品率?①利用高温出炉低温浇筑工艺。
②预热铸型。
③增加金属液静压头。
本复习题仅适用于贵州大学机械学院12-13年度上学期1、液态成形温度场的数学解释法的假设条件:P64(1)金属的结晶范围很小,可忽略不计,即视为恒温下结晶。
(2)不考虑结晶潜热。
(3)铸件和铸型潜热。
(4)铸件与铸型紧密接触,无间隙,传热方式为传热方式为热传导。
2、铸件凝固时间的计算:(1)铸件的凝固时间是指从液态金属充满铸型的时刻至凝固完毕所需要的时间。
(2)单位时间内凝固层的增长厚度称为凝固速度。
(3)凝固时间是制定液态成形工艺的重要参数。
(4)平方根定律:t=ξ2/ k2(适合于大平板铸件和结晶间隔小的合金铸件)折算厚度法则:t=R2/ k2(R=V1/A2,R为折算厚度或铸件模数)(5)总结:为什么生产中多为球形晶?因为球的面积A越小,R越大,t越长,充型能力越好;疏松为小而分散的空洞,难防止;缩孔为大而集中的空洞,易防止。
第三章:1、(1)金属的熔化:是从晶界开始的。
P74晶粒间出现相对流动,称为晶界粘性流动。
☆熔化潜热:在熔点的固态变为同温度的液态时,金属要吸收大量的热量。
熔化:金属以规则的原子排列突变为紊乱的非晶结构的过程。
(2)研究金属的液态结构方法:一:间接方法,就是通过固态→液态、固态→气态转变后一些物理性质的变化来判断液态的原子结构状况。
二:直接,通过液态金属的X射线或中子线的结构分析来研究液态的原子情况。
(3)液态铝中的原子的排列在几个原子间距的小范围内,与其固态铝原子的排列方式基本一致,而远离的原子就完全不同于固态了。
这种结构称为微晶,液态铝的这种结构称为近程有序而远程无序的结构,而固态的原子结构为远程有序的结构。
(4)液态金属的结构的特点:1)原子的排列在较小间距内仍具有一定规律性,即原子间仍保持较强的结合能,且其平均原子间距增加不大。
2)在熔化时,晶体的结构已受到部分破坏,故其排列的规律性仅保持在较小范围内,这个范围是由十几个到几百个组成的集团。
3)液态中原子热运动的能量大,能量起伏也大,每个集团中具有动能大的原子能克服临近的原子的束缚,产生很强的热运动,并能成簇地脱离原有集团而加入别的集团或组成新的集团。
一、名词解释。
过冷度:金属的理论结晶温度和实际结晶温度的差值均质形核:在没有任何外来的均匀熔体中的形核过程异质形核:在不均匀的熔体中依靠外来杂质或者型壁面提供的衬底进行形核的过程异质形核速率的大小和两方面有关,一方面是过冷度的大小,过冷度越大形核速率越快。
二是和界面有关界面和夹杂物的特性形态和数量来决定,如果夹杂物的基底和晶核润湿,那么形核速率大。
形核速率:在单位时间单位体积内生成固相核心的数目液态成型:将液态金属浇入铸型之,凝固后获得具有一定形状和性能的铸件或者铸锭的方法复合材料:有两种或者两种以上物理和化学性质不同的物质复合组成一种多相固体定向凝固:使金属或者合金在熔体中定向生长晶体的方法溶质再分配系数:凝固过程当中,固相侧溶质质量分数和液相侧溶质质量分数的比值流动性是确定条件下的充型能力,液态金属本身的流动能力叫做流动性液态金属的充型能力是指液态金属充满铸型型腔获得完整轮廓清晰的铸件能力影响充型能力的因素:(1)金属本身的因素包括金属的密度、金属的比热容、金属的结晶潜热、金属的粘度、金属的表面张力、金属的热导率金属的结晶特点。
(2)铸型方面的因素包括铸型的蓄热系数、铸型的温度、铸型的密度、铸型的比热容、铸型的涂料层、铸型的透气性和发气性、铸件的折算厚度(3)浇注方面的因素包括液态金属的浇注温度、液态金属的静压头、浇注系统中的压头总损失和影响液态金属凝固过程的因素:主要因素是化学成分冷却速度是影响凝固过程的主要工艺因素液态合金的结构和性质以及冶金处理(孕育处理、变质处理、微合金化)等对液态金属的凝固也有重要影响液态金属凝固过程当中的液体流动主要包括自然对流和强迫对流,自然对流是由于密度差和凝固收缩引起的流动,由密度差引起的对流成为浮力流。
凝固过程中由传热。
传质和溶质再分配引起液态合金密度的不均匀,密度小的液相上浮,密度大的下沉,称为双扩散对流,凝固以及收缩引起的对流主要主要产生在枝晶之间,强迫对流是由液体受到各种方式的驱动力产生的对流,例如压力头。
1.实际金属的液态结构:实际金属和合金的液体由大量时聚时散,此起彼伏游动着的原子
团簇及空穴所组成。
能量起伏、结构起伏、浓度起伏。
原子集团内的有序排列——近程有序;液态金属原子无规律排列——远程无序
2.粘度系数简称粘度,是用来表征液体粘滞性大小的系数,τ=ττττ
ττ
,液体内摩擦阻力大小的表征。
影响因素:原子间结合能U(↑)、原子间距δ(↓)、温度T(↓)、合金组元或微量元素—高熔点合金(高)共晶合金(低)
3.表面张力(σ或ϒ):物质表面上平行于表面切线方向且各方向大小相等的宏观张力。
物体倾向于减小其表面积而产生表面张力(单位N/m,1dyn/cm=10−3N/m)。
影响因素:界面(表面)张力与原子间的结合力(↑,润湿角cosτ=τGS−τLS
τGL
)、温度(↓)、元素价电子数目、合金杂质元素
附加压力——当液体表面弯曲时,在表面张力作用下,液面内和液面外存在一个压力差∆p
4.液态金属的充型能力:在充型过程中,液态金属充满铸型型腔,获得形状完整、尺寸精
确,轮廓清晰的铸件的能力
影响因素:金属性质(流动性)、铸型性质(蓄热系数b2)、浇注条件(浇注温度、充型压力、浇注系统)、铸件结构。
5.金属的加热膨胀:温度升高,振动能量增加,振动频率和振幅加大;原子间距,原子能
量升高
6.熔化潜热:金属在熔点,由固态变为同温度的液态时,要吸收大量的热量,称为熔化潜
热
7.毛细现象——润湿管壁的液体在细管里升高,而不润湿管壁的液体在细管里降低。
液体
的表面张力导致的附加压力
8.折算厚度(平方根)法(铸件凝固时间):τ
模=K√τ
凝
或√τ
凝
=τ模
τ
,K−凝固系数
9.铸件凝固方式:
(1)逐层凝固:断面温度梯度很大,或窄结晶温度范围的合金,纯金属、共晶成分合金
(2)体积凝固:断面温度场较平坦,或宽结晶范围的合金
(3)中间凝固:断面温度梯度较大,或较窄结晶范围的合金
影响因素:
(1)合金结晶温度范
围
(2)铸件断面上的温
度梯度
10.凝固动态曲线:
11.过冷类型:
(1)动力学过冷ΔT k
(2)曲率过冷ΔT r
(3)压力过冷ΔT p
(4)热过冷ΔT T
(5)成分过冷ΔT c
凝固界面及其前沿的过冷
度ΔT=ΔT k +ΔT r +ΔT p +ΔT T +ΔT c
12. 凝固形核:
(1) 均质形核——形核前液相金属或合金中无外来固相质点而从液相自身发生形
核的过程。
相变驱动力——液-固体积自由能之差(∆ττ);相变阻碍力——液-固界面能(τSL )
(2) 非均质形核——依靠外来质点或型壁界面提供的衬底进行生核过程
13. 合金溶质平衡分配系数τ0:在恒压及任一特定凝固温度T ∗
的条件下,平衡的固相溶质浓度ττ∗与液相溶质浓度ττ∗之比:
τ0=(ττ∗ττ∗)τ,P
14. Scheil 公式(正常偏析方程):
C S ∗=K 0C 0(1−f s )
(K 0−1) C L ∗=C 0f L (K 0−1)
15. 稳定状态溶质再分配:
λ=τττ
——溶质富集层的“特征距离” ΔC = C 0(1K 0
−1)——富集层高度 16. 成分过冷形成的判据(在液相只有有限扩散溶质再分配条件下出现成分过冷):
τττ<−τττ0(1−τ0)τττ0
17. 某二元合金相图,金属液成分为τ0=30%,放置于长瓷舟中并从左端开始凝固,温度
梯度大到足以使液固界面保持平面生长,假设固相无扩散,液相均匀混合,试求:
(1) α相、β相分别与液相之间的平衡分配系数;
(2) 凝固后共晶体的质量占试棒的百分之几已知夏尔方程ττ∗=K 0C 0(1−
f τ)(τ0−1);
(3) 画出凝固后试棒中溶质B 的浓度沿试棒长度的分布曲线,并注明各特征成分及
位置。
解:
(1)ττ=20%40%=0.5,ττ=
(1−70%)
(1−40%)=0.5; (2)用夏尔方程可求得凝固后共
晶体的质量占试棒的百分数f τ=
916
; (3)如图,。