第三节铸造缺陷分析.docx
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第三节铸造缺陷分析
第三节铸造缺陷分析
一、铸件中的缩孔和缩松
1.缩孔它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。
缩孔多呈倒圆锥形,内表面粗糙,通常隐藏在铸件的内层,但在某些情况下,可暴露在铸件的上表面,呈明显的凹坑。
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为便于分析缩孔的形成,现假设铸件呈逐层凝固,其形成过程如图5—6所示。
缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域,如壁的上部或中心处。
此外,铸件两壁相交处因金属积聚凝固较晚,也易产生缩孔,此处称为热节。
热节位置可用画内接圆方法确定,如图5—7所示。
铸件上壁厚较大及内浇口附近都属热节部位。
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缩松分散在铸件某区域内的细小缩孔,称为缩松。
当缩松与缩孔的容积相同时,缩松的分布面积要比缩孔大得多。
缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或是因合金是糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。
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缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。
宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的小孔洞,多分布在铸件中心轴线区域、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如图5—8所示。
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显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞,要用显微镜才能观察出来,这种缩松的分布更为广泛,有时遍及整个截面。
显微缩松难以完全避免,对于一般铸件多不作为缺陷处理,但对气密性、力学性能、物理性能和化学性能要求很高的铸件,则必须设法减少。
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3.缩孔和缩松的防止
(1>按照顺序凝固原则进行凝固
所谓顺序凝固即定向凝固,就是在铸件可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施,使铸件上远离冒口的部位先凝固(图5-9中Ⅰ>,而后是靠近冒口部位凝固(图5-9中Ⅱ,Ⅲ>,最后才是冒口本身凝固。
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顺序凝固和逐层凝固是两个不同的概念。
逐层凝固是指铸件某断面上的凝固方式,即表层先凝固,然后一层一层向铸件心部长厚。
由于逐层凝固时,铸件心部保持液态时间长,冒口的补缩通道易于保持畅通,故能充分发挥补缩效果。
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顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大,易产生缩孔的合金铸件,如铸钢、高强度灰铸铁和可锻铸铁等。
冒口补缩作用好,铸件致密度高。
缺点是铸件各部分温差较大,冷却速度不一致,易产生铸造内应力、变形及裂纹等缺陷;冒口消耗金属多、切割费事。
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(2>合理确定内浇道位置及浇注工艺
内浇道的引入位置对铸件各部分的温度分布有明显影响,应按照顺序凝固原则确定。
例如,内浇道应从铸件厚实处引入,尽可能靠近冒口或由冒口引入。
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(3>合理利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施
①冒口在铸件厚壁和热节部位设置冒口,是防止缩孔、缩松最有效的措施,冒口的尺寸应保证有足够的金属液供给铸件的补缩部位。
冒口的形状应采用圆柱形,因其散热表面积较小,补缩效果良好,取模方便。
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冒口种类很多,应用最多的为顶冒口和侧冒口(图5—10>。
冒口的有效补缩距离:
口能补缩的最大距离称有效补缩距离L。
图5—1l(a>所示铸钢平板,当冒口尺寸足够大时(D≥3T,T为板厚,H/D=1.5>,胃口的有效补缩距离L=4.5T。
当铸件长度超出冒口的有效补缩距离时,在平板中部会出现轴线缩松如图5—11(b>。
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②冷铁用金属材料(铸铁、钢和铜等>制成的激冷物称为冷铁。
其作用是在铸型中加大铸件某部分的冷却速度,调节铸件的凝固顺序。
如图5—10所示,冷铁与冒口配合使用,可扩大冒口的有效补缩距离。
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③补贴对于壁厚均匀的薄壁件,只用增加冒口直径和高度的办法来增加冒口的有效补缩距离,效果往往不显著,其内部仍然产生缩孔和缩松现象如图5—12(a>。
若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度,造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度,这样就可大大增加冒口的有效补缩距离,消除缩孔。
所增加的楔形部分,称为补贴如图5—12(b>。
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冒口、补贴和冷铁的综合运用是消除缩孔、缩松的有效措施。
二、铸造内应力、变形和裂纹
1.铸造内应力
铸件固态收缩受到阻碍而引起的内应力,称为铸造内应力。
铸造内应力按其产生的原因,可分为热应力和机械应力两种。
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(1>热应力它是由于铸件壁厚不均匀、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。
落砂后热应力仍存在于铸件内,是一种残留铸造内应力。
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现以框形铸件为例,说明残留热应力的形成过程。
如图5—13(b>所示,
(2>机械应力铸件的固态收缩(即线收缩>受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或箱挡等的
阻碍而产生的内应力(也称收缩应力>。
如图5—14所示。
(3>铸造内应力的防止
①设计铸件时尽量使其壁厚均匀,形状对称、减小热节;尽量避免牵制收缩结构,使铸件各部分能自由收缩。
②设计铸件的浇注系统时,应采取“同时凝固”的原则。
如图5-15
③造型工艺上,采取相应措施减小铸造内应力,如改善铸型、型芯的退让性,合理设置浇口、胃口等。
④减少铸型与铸件的温度差。
例如,在金属型铸造和熔模铸造时对铸型预热,可有效地减少铸件的热应力。
⑤去应力退火。
2.铸件的变形与防止
如前所述,当铸件的残留应力以热应力为主时,铸件中冷却较慢的部分有残留拉应力,冷却较快的部分有残留压应力。
处于这种不稳定状态的铸件,将自发地通过一定的变形来减缓其内应力,以趋于稳定状态。
显然,只有原来受拉应力的部分产生压缩变形、受压应力的部分产生拉伸变形,才能使铸件中的残余内应力减少或消除。
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图5—16所示为车床床身由热应力导致的挠曲变形示意图.其导轨部分因较厚受拉应力而缩短,床壁部分因较薄受压应力而伸长。
于是产生导轨面下凹的变形现象。
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有的铸件虽无明显变形,但经切削加工后,破坏了铸造应力的平衡,又产生微量变形甚至裂纹。
如图5—17(a>所示圆柱体铸件,由于心部冷却比表层慢,结果心部产生拉应力,表层产生压应力。
于是心部总是力图变短,外层总是力图变长。
当外表面被加工掉一层后,心部所受拉应力减小,铸件变短如图5—17(b>。
当在心部钻孔后,表层所受压应力减小,铸件变长如图5—17(c>。
若从侧面切去一层,则会产生图5—17(d>所示的弯曲变形。
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时效处理分自然时效和人工时效两种。
自然时效是将有残留应力的铸件放置露天场地,经数月至半年以上,使其内应力慢慢自然释放。
人工时效是将铸件加热到550~650℃进行去应力退火,它比自然时效速度快、内应力去除较彻底,故应用广泛。
时效处理宜在粗加工之后进行,这样既有利于原有内应力的消除,又可将粗加工过程中所产生的内应力一并消除。
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3.铸件的裂纹与防止
当铸造内应力超过金属的强度极限时,铸件将产生裂纹。
裂纹是铸件的严重缺陷,多使铸件报废。
按裂纹形成的温度范围可分热裂和冷裂两种。
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(1>热裂热裂是铸件在高温下产生的裂纹。
其裂纹特征是:
裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内有氧化色。
实验证明,热裂是在合金凝固末期的高温下形成的。
因为合金的线收缩并不是在完全凝固后开始的,而是在田5-18所示GMsIasNXkA
钢铁中的硫、磷含量较多时,形成低熔点的共晶体,扩大了结晶温度范围,降低了钢的高温强度,故含量愈多、热裂倾向愈严重。
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(2>冷裂冷裂是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。
其形状特征是:
裂纹细小,呈连续直线状,具有金属光泽或呈轻微氧化色。
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为防止铸件冷裂,除应设法减小铸造内应力外,还应控制钢、铁的含磷量。
三、铸件中的气孔
根据气体的来源,可将气孔分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔3种类型。
1.侵入气孔
侵入气孔是由于砂型表面聚集的气体侵人金属液中而形成的气孔。
侵入气孔的特征是:
多位于铸件上表面附近,尺寸较大,呈梨形或椭圆形,孔的内表面被氧化。
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侵入性气体主要来自造型材料中的水分、粘结剂和各种附加物。
水不仅发气量大,且发气的临界温度最低。
侵入气孔的形成过程,当金属液浇入铸型后,型壁表层的水分迅速汽化、并向型壁里层δ处迁移(图5—19>
预防侵入气孔的基本途径是降低型砂(芯砂>的发气量和增加铸型的排气能力。
2.析出气孔
溶解于金属液中的气体在冷凝过程中,因气体溶解度下降而析出,铸件因此而形成的气孔称为析出气孔。
析出气孔的特征是:
尺寸细小,多而分散,形状多为圆形、椭圆形或针状,有时遍及整个铸件截面.zvpgeqJ1hk
金属所以吸收气体是由于金属在熔化和浇注过程中很难与气体隔离,一些双原子气体(如H2\N2、O2等>可从炉料、炉气等进入金属液中。
其中,氢因不与金属形成化合物,原子直径较小,故较易溶解于金属。
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合金的吸气性随温度升高而加大。
如图5—20所示。
预防析出性气孔的基本途径是:
尽量减少金属液在熔化过程中的吸气量;对已溶于金属液中的气体采取驱气处理等方法。
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3.反应气孔
浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间,固化学反应产生气体而形成的气孔称为反应气孔。
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- 三节 铸造 缺陷 分析