铸造实用技术问答 第2版(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)


发布时间:2020-08-23 20:38:38

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作者:杜西灵,杜磊

出版社:机械工业出版社

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铸造实用技术问答  第2版

铸造实用技术问答 第2版试读:

第2版前言

《铸造实用技术问答》出版6年了,其内容因紧密结合铸造生产实际,结合技工技能培训,以提高铸造过程质量和铸件质量为核心,以问答形式解析了生产中出现和遇到的工艺技术和质量问题,具有很好的实用性和参考价值,而深受广大铸造工人、技术人员、管理者的青睐。

现代科学技术的发展,要求金属铸件具有高的力学性能、尺寸精度和表面质量,以满足某些特殊性能,如耐磨性、耐高温、耐蚀性等的要求,同时要求铸件产量大,成本低。为了满足国民经济需要和促进铸造事业的发展,近年来制定和修订了许多铸造技术相关标准。这些新标准具有科学性、先进性、实用性,促进了铸造行业的发展和铸件质量的提高。

为了与时俱进,适应铸造行业发展和读者需要,我们决定对《铸造实用技术问答》进行修订,出版第2版。第2版仍继续坚持原版的特点,即以铸造过程的质量为主,突出铸造过程的操作技能、质量控制和检验,突出用铸造专业知识对工序操作进行指导,增加科学性,减少盲目性,以此保证最终铸造出优质产品。这次修订增加了特种铸造等技术内容,由第1版中的760多个问题增加到了830多个问题;贯彻了铸造技术相关最新标准,更新了相关内容;修正了第1版中的错误,调整了章节结构,更加方便读者阅读使用。

真心希望本书能成为铸造技术人员的好参谋、铸工的好帮手。

本书由杜西灵和杜磊(Larry Du)编著,由杜西灵统稿。

由于作者水平有限,书中的错误和纰漏之处在所难免,敬请广大读者批评指正,在此作者表示衷心感谢。作者

第1版前言

1986年12月,《铸造工艺问答》一书由机械工业出版社出版。该书深受铸造行业读者喜爱,1990年5月曾被选入何祚庥、周林主编,钱三强作序,辽宁科学技术出版社出版发行的《中国优秀科技图书要览》中。进入21世纪,有的读者还记得这本小册子,希望《铸造工艺问答》一书能够修订再版。为了满足广大读者需求,现以《铸造实用技术问答》为题,以《铸造工艺问答》为基础,吐故纳新,纳入近年涌现的新技术、新工艺、新材料、新标准,以满足读者的企望。

铸造业对我国国民经济的发展起着重要作用。在汽车、石化、钢铁、电力、造船、纺织、装备制造等支柱产业中,在各种类型机器上,在矿冶(钢铁、有色金属)、能源(火电、水电、核电等)、海洋和航空航天等工业的重、大、难装备中,铸件都占有很大比重,为国民经济发展做出了很大的贡献。我国有2万多家铸造厂,从2000年以来连续6年铸件产量以年平均10%左右的速度递增,到2005年已达2242万t,位居世界第一,成为铸造大国。可以预料,我国铸件产量将随我国国民经济的稳定提升而同步增长。我国的铸造业已成为世界铸造业最具活力的部分,备受世界铸造市场的关注。

全世界铸件年总需求量在8000万t左右,除各国自产自销外,约有2000万t铸件在世界铸件市场流通。发达国家进口铸件占世界铸件流通量的80%以上。经济全球化、信息化的飞速发展,为我国铸造业提供了巨大的发展机遇,同时我们应清醒地认识到目前我国铸造技术的现状与工业发达国家的差距,把握现代铸造业技术的发展趋势,从而有效地迎接挑战。我们必须主动把握中国铸造业的发展方向,铸造业应加强产业结构调整与优化,形成现代意义的专业化生产;尽快建立以企业为主体的技术创新体制,加快企业技术创新能力建设;开发绿色铸造技术,提高清洁化生产水平;开拓国际市场,提高经贸意识和国际化经营水平;实施人才战略,营造优良用人机制。其中造就一大批科技创新、经营管理的复合型人才队伍,加强全员职能培训,全面提升员工技能素质是重要一环。《铸造实用技术问答》一书在21世纪初出版,希望能为铸造业提升员工技能素质,提供技术支持和参考。本书的特点是以铸造过程的质量为主,突出铸造过程的操作技能、质量控制和检验,突出用铸造专业知识对工序操作进行指导,增加科学性,减少盲目性,以此保证最终铸造出优质产品。因此,本书是一本针对性和实用性较强的技术图书。希望本书能成为铸造技术人员的好参谋、铸造工人的好帮手。本书可作自学和技术培训教材,适合于铸造技术人员、铸造工人阅读,也可供相关专业在校师生参考。

本书由杜西灵和杜磊(Larry Du)编著,由杜西灵统稿。

由于铸造过程工序多,影响因素复杂;又由于铸造科技不断发展,有的还处于研发探讨之中;加上作者水平有限,书中错误之处,恳请读者指正。作者

第1章 铸造成形的工艺基础

铸造是零件毛坯最常用的生产工艺之一,是现代大机械工业的基础。与其他成形工艺相比,铸造不受零件毛坯重量、尺寸和形状的限制。重量从几克到几百吨,壁厚由0.3mm到1m,形状十分复杂,用机械加工十分困难,耗费大量机床工时,甚至难以制得的零件,都可用铸造的方法获得。

铸造工艺(造型、制芯、浇注、落砂、清理及其后处理等)是铸造生产技术的核心,是能否生产优质铸件的关键。古今中外都把提高和发展工艺水平,视为推动行业技术进步,满足经济和社会发展需要的一个重要组成部分。

研究铸件从浇注金属液开始,在充型、结晶、凝固和冷却过程中发生的一系列力学、物理化学的变化,包括铸件内部的变化,以及铸件与铸型的相互作用,对铸件成形很重要。它是指导铸造工艺设计、完善铸造工艺、防止铸件缺陷、提高铸件质量的重要技术基础。

本章围绕液态金属的充型、液态金属与铸型的相互作用、铸件的一次结晶、铸件的凝固、铸件的收缩、铸件中的气体和非金属夹杂物等铸件成形过程中的多种复杂变化和伴随现象,提出了54个直接关系铸件质量的问题,并进行了解答。

1-1.什么是液态金属的充型能力?影响液态金属充型能力的因素有哪些?它对铸件质量有什么影响?

液态金属充满铸型的型腔,获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力,称为液态金属的充型能力。

影响液态金属充型能力的因素主要是金属液本身的流动能力(即流动性),同时还与铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素有关,是各种因素的综合反应。(1)液态金属本身的流动性。金属液完全填满型腔,才能获得完好的铸件,金属液这种充填铸型的能力,叫做流动性。液态金属的流动性是金属很重要的铸造性能之一。流动性好坏是用浇注流动性试样的方法衡量的。生产和科学试验中应用最多的流动性试样是螺旋形试样。

影响金属流动性的内因主要是合金的化学成分,合金的流动性与成分之间存在着一定的规律性。铸钢和铸铁相比,由于化学成分不同,流动性相差很大,铸钢的流动性比铸铁差得多。就铸钢本身而言,由于化学成分不同,流动性也不同。例如,普通低碳铸钢的熔点比高碳铸钢的熔点高,在相同的浇注温度下,低碳铸钢的流动性不如高碳钢好。如果钢中再含有易氧化的合金元素(如高铬合金钢等),在高温下被氧化成不溶性的氧化夹杂,则钢液的流动性就更差了。总之,凡能增加金属液与铸型间摩擦阻力,或能引起金属液温度下降的因素,都降低金属液的流动性,故在编制工艺或操作中,应引起足够重视。

流动性对铸件质量的影响表现在以下几方面:

1)流动性好时,可以使气体和非金属夹杂物在浇注前去除,或在浇注及凝固过程中浮出,提高铸件内部质量。

2)流动性好是生产薄壁铸件的关键。流动性好易获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件。

3)流动性好可使铸件在凝固期间及时得到金属液补充,防止产生缩孔和缩松缺陷。

4)流动性好可使凝固末期因受阻而产生的热裂纹容易得到金属液弥合。流动性不好,可能使铸件产生浇不足、冷隔等缺陷。

生产中提高流动性的方法有:①提高浇注温度;②提高充型压力;③设置出气孔,加速排气,以利充型。(2)铸型性质。铸型性质(主要指铸型材料、铸型温度、铸型中的气体等)对充型能力有重要影响。表现在以下几方面:

1)铸型材料的导热性好(如金属型铸造),金属液浇入后散热快,保温时间短,流动性会急剧下降,充型能力下降;相反,铸型材料导热性差(如砂型铸造),则流动性就会好些,使充型能力也好些。

2)铸型温度。预热铸型能减小金属液与铸型的温差,使金属液冷却速度减慢,液态时间延长,从而提高其充型能力。

3)铸型中的气体。铸型材料的发气量大,透气性小,浇注时型腔产生大量气体,来不及排除,会阻碍金属液向前流动,甚至会出现金属液浇不进去,或在浇口杯、顶冒口中出现翻腾的现象,甚至有可能飞溅出来伤人。(3)浇注条件(主要指浇注温度、充型压头、浇注系统结构等)

1)浇注温度越高,充型能力越好。在一定温度范围内,充型能力随浇注温度的提高而直线上升。

2)金属液在流动方向上所受的压力越大,充型能力就越好。

3)浇注系统结构越复杂,流动阻力越大,在静压头相同情况下,充型能力越低。(4)铸件结构。衡量铸件结构特点的因素是铸件的模数和复杂程度,这些决定着铸型型腔的结构特点。

1)模数。在铸件体积和浇注条件相同时,模数大的铸件与铸型的接触表面积相对较小,热量散失较缓慢,则充型能力较高。铸件的壁越薄,模数越小,则越不容易被充满。因此,对薄壁件应选择正确的浇注位置。

2)铸件复杂程度。铸件结构越复杂,则铸型型腔结构就复杂、弯道多,流动阻力就大,铸型的充填就困难。

1-2.金属液浇入铸型后与铸型表面层直接接触,相互都发生哪些作用?这些作用不利时,铸件容易产生哪些缺陷?

金属液浇入铸型后,与铸型的相互作用有:热作用、物理化学作用和机械作用。当这些作用不利时,铸件可能产生夹砂、砂眼、气孔、粘砂、表面氧化或脱碳等铸造缺陷。(1)热作用。金属液浇入铸型后,金属液的热能通过传导、辐射和对流等方式传给铸型。铸型表面层在热作用下,要发生水分迁移,铸型各层间存在很大温度差,造成各层间发生大小不同的体积膨胀,由此引起层与层间的切应力。当这种内应力大于铸型水分凝聚区的强度时,砂型表层拱起开裂。这是造成铸件夹砂的主要原因。(2)物理化学作用。物理化学作用表现在:铸型中水分蒸发和有机物烧失、碳酸盐分解等而产生大量气体;金属液渗入铸型表面孔隙;金属液与铸型材料在高温下发生化学反应而形成低熔点化合物等。这些作用在不利的情况下,使铸件产生气孔、粘砂、铸件表面氧化或脱碳等缺陷。(3)机械作用。机械作用表现在:型腔表面砂粒或涂料层在流动的液态金属摩擦或动压力作用下脱落。此种散落物如留在铸件中,则造成砂眼、渣气孔、多肉等缺陷。而对高大铸件,常因金属液静压力较大,铸件下部壁增厚经常发生。这种由于型壁移动造成铸件壁增厚的现象称为缩沉。

1-3.什么是金属的结晶?金属结晶的条件是什么?

金属的结晶就是金属原子由不太规则堆积的液体状态转变为作规则排列的晶体状态的过程。

金属结晶的条件有两个:(1)能量条件。自然界中任何物质所处的能量状态,一般都能自发地由高能量状态向低能量状态转变。金属结晶是否能自发地进行,则要看液态和固态所处的总能量状态。只有使液态金属过冷到平衡结晶温度以下,才能具备结晶所需要的能量条件。过冷度越大,液态与固态之间的能量差值越大,固态金属越稳定,液态金属结晶成固态金属的推动力越大。(2)结构条件。在固态金属内,其原子是规则排列的,这种结构特征称为“远程有序”结构。液态金属内部则仅在小范围的原子集团内呈有规则排列,这种结构特征称为“近程有序”结构。近程有序的原子集团不稳定,时而变大,时而变小,时而产生,时而消失,这种现象称之为“结构起伏”。结晶就是使具有“近程有序”结构的液体转变为具有“远程有序”结构的固体。这种时聚时散规则排列的小原子集团(即结构起伏)是液态金属均质形核结晶的结构条件。

1-4.晶核形成有哪些方式?

晶核的形成有均质形核和异质形核两种方式。

不依靠杂质,只依靠液态金属本身在一定过冷度的条件下形成晶核的叫做均质形核,或称自发形核。

依附于液态金属中某些杂质质点而形成晶核的叫做异质形核,或称非自发形核。因为液态金属不可能绝对的纯净,其中,总是或多或少的含有某些固态杂质,所以实际金属的结晶大都是异质形核。

1-5.什么是铸件的一次结晶?为什么说一次结晶对铸件的性能有很大的影响?钢和铸铁的结晶有什么不同?

铸件的晶体组织主要是在凝固过程中形成的,称为一次结晶。一次结晶主要是从物理化学观点出发,研究液态金属的生核、长大、结晶组织的形成规律。

一次结晶对铸件的性能有很大的影响。一次结晶时,液态金属的补缩和裂纹的产生与晶体的长大方式有关。根据结晶条件不同,铸件可能是柱状晶组织、粒状晶(等轴晶)组织或两种晶体不同组合的组织。(1)柱状晶。就其形成条件而言,柱状晶有利于液体的补缩,减少微观缩松,但晶界上富集杂质和缺陷,故横向性能差。但是,如减少金属中有害杂质,改善晶间联系,则柱状晶在纵向或横向性能上均可超过粒状晶;又如,使柱状晶平行于铸件的拉应力方向,可使高温持续时间大幅度增加,并提高耐热疲劳性能;对于磁性钢,如使柱状晶方向与磁场方向重合,则可显著提高其电磁性能。(2)粒状晶(等轴晶)。粒状晶的晶界长,杂质和缺陷较分散,各项性能差异小,并且细粒状晶的抗疲劳性能较好,故一般希望铸件为细粒状晶组织。

钢和铸铁的结晶是不同的,其区别在于:钢属于固溶体型合金,在结晶过程中,只形成一个或主要形成一个固溶体相。铸铁属于共晶型合金,结晶时都经过一个共晶转变阶段,转变产物或同为固溶体,或另一相为非金属相——石墨、碳化物。共晶转变时,总在固-液相界面析出“领先相”,构成共晶团的骨架,决定共晶团的形状和大小。领先相则充填于骨架之间,构成共晶团的基体。领先相往往是高熔点相,共晶点都偏向低熔点组元一边。当高熔点相析出受阻时,另一相也可能领先析出。非金属相(常称第二相)脆(渗碳体)、弱(石墨),其形状、分布和大小对这些合金的性能起着决定性的作用。

1-6.液态金属结晶时,如果晶核不多而生长速度较快,则凝固后的晶粒是粗还是细?为什么?晶粒的粗细对金属的力学性能有什么影响?

金属液中的晶核越多,则晶粒越细。如果晶核不多,而生长速度较快,则凝固后的晶粒是粗晶粒。这是因为晶粒的粗细与晶核数目多少和晶核长大速度有关。液态金属中晶核不多而生长速度较快,则每个晶核长大的余地就大,长成的晶粒就粗。如果晶核越多,每个晶核长大的余地越小,长成的晶粒越细。铸造生产中采用孕育处理来细化晶粒,就是将高熔点的物质加入金属液内,这些物质的质点起着外来晶核的作用,因此等于增加了晶粒数目,相应地减小了晶粒的尺寸。

晶粒的粗细对金属的力学性能有很大影响。晶粒细,晶界就多。由于晶界处的晶格排列方向极不一致,犬牙交错,相互咬合,从而加强了金属的结合力,故金属的晶粒越细,力学性能越好。一般细晶粒的金属强度比粗晶粒的高,塑性也好,因而为了改善力学性能需要控制晶粒大小。细化晶粒是铸造工艺一项重要任务。

1-7.常见的金属晶格类型主要有哪三种?

金属在固态下都是晶体。因原子排列方式不同,晶格有不同类型,常见的金属晶格主要有图1-1所示的三种。图1-1 常见金属晶格类型a)体心立方晶格 b)面心立方晶格 c)密排六方晶格(1)体心立方晶格。其晶胞是一个立方体,立方体的8个顶点和立方体的中心各一个原子,如图1-1a所示。铬、钒、钨、钼、铌、α-Fe都是体心立方晶格。(2)面心立方晶格。其晶胞也是一个立方体,立方体的8个顶点和6个面的中心各有一个原子,如图1-1b所示。铝、铜、镍、γ-Fe都是面心立方晶格。(3)密排六方晶格。其晶胞是一个六方柱体,柱体的每个角上和上下底面中心各有一个原子,晶胞中间还有三个原子,如图1-1c所示。镁、铍、镉、锌等都属密排六方晶格。

1-8.什么是金属的同素异构转变?纯铁的同素异构转变是什么?

大多数金属结晶完成后晶格不再发生变化,但也有少数金属(如铁、钴、钛、锡等),在结晶成固态后继续冷却时,还会发生晶格变化,即从一种晶格转变为另一种晶格。固态金属在不同的温度下具有不同的晶体结构的属性称为同素异构性。金属在固态下的这种晶格变化称为同素异构转变。

纯铁的同素异构转变如下:液态纯铁在1538℃进行结晶,得到具有体心立方晶格的δ-Fe;继续冷却到1394℃时,发生同素异构转变,转变为面心立方晶格的γ-Fe;继续冷却到912℃时,又发生同素异构转变,转变为体心立方晶格的α-Fe;再继续冷却,晶格类型不再变化。

1-9.金属的结晶过程是如何进行的?

金属的结晶过程是由生核(即产生微细的晶核)和长大(即晶核成长)两个基本过程组成。当金属液的温度降至凝固点以下时,其中活动能力较弱的原子,在原子间相互引力的作用下呈有规则的排列,形成一批极微小的晶体,然后再以它们为结晶核心,这些极微小的晶体叫做晶核。晶核随结合到上面原子的增多而逐渐长大。同时,还会有新的晶核从液体中产生和成长,直至全部金属液转变为固体。

1-10.枝晶是怎样形成的?

大多数金属与合金形成的晶体都是树枝状的。晶体生长时的形状取决于两个方面:一是金属的晶体结构,那些晶体结构较简单的金属常以树枝状方式成长;二是冷却条件,获得树枝晶的冷却条件最根本的是在晶体生长的前沿要有一过冷区,一旦晶体前沿有些部分生长较快,伸向过冷区,就获得了更好的生长条件,便形成尖端发达的树枝状晶体。

1-11.什么是过冷度?影响过冷度大小的因素是什么?

要使某金属的结晶过程得以进行,必须将金属液体冷至理论结晶温度以下。这就是说,金属的实际结晶温度将更低,它与理论结晶温度之差,称为过冷度。

影响过冷度大小的因素是冷却速度。当冷却速度越大时,金属液的实际结晶温度就越低,过冷度也就越大。

1-12.铸造过程中,细化晶粒的方法有哪几种?

铸造过程中,细化晶粒的方法可概括为三种:(1)增大过冷度。当过冷度增大时,液体金属中生核率增加较大,长大速度增加较小,可使晶粒细化。例如,采用低温浇注是减少柱状晶、细化粒状晶的有效方法;采用金属型和冷铁等可增加冷却速度,细化晶粒等。(2)孕育处理。在液态金属结晶前,加入一些能促使生核或降低晶核长大速度的物质,使晶粒细化。(3)附加振动。液态金属结晶时附加振动(机械振动、超声波振动或电磁振动),使已生长的晶粒破碎。破碎的枝晶尖端可起晶核作用,增加生核率,细化了晶粒。

1-13.什么叫孕育处理?进行孕育处理的目的是什么?

在铸造生产中,常在液态合金中有意地加入一些能够促进异质形核的物质,使晶核数目大为增加,从而获得细晶粒组织。这种人为地利用异质形核以细化晶粒的方法叫做孕育处理,所加入的用来细化晶粒的物质叫做孕育剂。

孕育处理是铸造生产中最为常用的细化铸件晶粒的操作方法。在浇注前,在一定的条件下向液体合金中加入一定量的孕育剂,可以改变铸造合金的凝固过程,改善结晶组织,从而达到提高铸件性能的目的。

孕育处理在铸钢、铸铁及铸造非铁合金中都有应用。例如,钢在结晶前加入少量铝,能得到晶粒细化的铸钢件;普通灰铸铁的石墨和基体组织都较粗大,加入硅铁或硅钙作孕育剂,使铁液内同时生成大量均匀分布的晶核,获得既细小而又均匀的石墨,且细化基体,从而提高灰铸铁的强度;在某些情况下,加入的孕育剂能起机械阻碍作用,它们吸附在晶核表面,阻碍晶核长大,也同样起到细化晶粒作用,如铝硅合金在结晶前加入少量的钠盐(质量分数为0.01%~0.1%),可使铝硅合金铸件强度提高一倍,伸长率增加近三倍。

1-14.什么是合金?合金与纯金属相比较具有哪些优点?什么叫组元?什么叫相?

两种或两种以上的金属元素,或金属元素与非金属元素熔合在一起,得到的具有金属特性的物质,叫做合金。

合金具有比组成该合金的纯金属更高的硬度和强度,而且可以根据使用方面的不同要求,按组元的不同比例配制出一系列不同成分的合金,满足不同的性能要求。

组成合金的最基本的独立物质称为组元。组元一般是组成合金的元素,也可以是稳定的化合物。例如,普通黄铜是铜和锌组成的二元合金。

合金中,成分、结构及性能相同的组成部分称为相。不同的两相之间具有明显的界面。例如,铁碳合金中的奥氏体、铁素体、渗碳体是三个不同的相。

1-15.什么是固溶体?什么是固溶强化?什么叫金属化合物?

固溶体是液态下互相溶解呈均匀液相的二组元。结晶时,以一组元为基体金属保持原有晶格类型,另一组元的原子均匀地分布在基体金属的晶格里,形成均匀一致的合金相。通常称基体金属为“溶剂”,进入基体金属的元素称为“溶质”。

根据溶质原子在溶剂晶格中的不同位置,固溶体分为以下两类:(1)间隙固溶体。只有溶质原子尺寸很小,溶剂晶格的间隙较大的情况下,溶质原子分布在溶剂晶格的间隙中,才能形成间隙固溶体。碳溶于铁中形成的固溶体,一般属于间隙固溶体。(2)置换固溶体。两种元素的原子直径大小相近,溶剂晶格的结点上有部分原子被溶质原子所置换,形成的固溶体称为置换固溶体。

固溶体(间隙固溶体或置换固溶体)由于溶质原子的溶入而使溶剂晶格发生歪扭,造成晶体平面间相互滑移变得困难,从而提高合金抵抗塑性变形的能力,这种现象称为固溶强化。

二个组元按照一定的原子数目比相互化合,形成一种完全不同于原来组元晶格的固体物质,称为金属化合物。常见的金属化合物有正常价化合物、电子化合物和间隙化合物。

1-16.什么叫奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体?各自的性能怎样?

铁碳合金的基本组织有奥氏体、铁素体、渗碳体、珠光体、莱氏体等。其中奥氏体、铁素体、渗碳体都是单相组织。珠光体、莱氏体是由单相混合组成的多相组织。(1)奥氏体。碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体叫奥氏体。用符号A或γ表示。奥氏体为面心立方晶格,存在于727~1495℃之间,1148℃时最大溶碳的质量分数为2.11%。

奥氏体是单一的固溶体,故其塑性良好,变形抗力较低。奥氏体的强度和硬度比铁素体高。(2)铁素体。铁素体是碳在铁中的间隙固溶体,为体心立方晶格,分为以下两种:

1)碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体叫α铁素体。用符号F或α表示。α铁素体存在于912℃以下,727℃时最大溶碳的质量分数为0.034%。α铁素体的性能与纯铁相似,具有良好的塑性和韧性,而强度和硬度较低。

2)碳溶于δ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体叫δ铁素体。存在于1392~1538℃之间,1495℃时最大溶碳的质量分数为0.086%。(3)渗碳体。碳在铁中的溶解能力有限,且随温度不同而变化。当碳的质量分数超过碳在铁中的溶解度时,多余的碳和铁以一定的比例化合形成的间隙化合物(碳化铁),称为渗碳体。渗碳体具有复杂的正交晶格,其碳的质量分数为6.69%。用符号FeC表示。渗碳3体是一个不稳定的化合物,它在一定条件下发生分解而形成铁素体与石墨,或奥氏体与石墨的混合物。

渗碳体硬度很高(800HBW),伸长率和冲击韧度几乎等于零,脆性很大。(4)珠光体。铁素体和渗碳体组成的混合组织叫珠光体。用符号P表示。珠光体是奥氏体在冷却过程中,在727℃恒温下共析转变的产物,因此它只存在于727℃以下。

珠光体性能介于铁素体和渗碳体之间,强度较高,硬度适中,有一定的塑性。(5)莱氏体。碳的质量分数为4.3%的铁碳合金,在1148℃时,从液体中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物,叫莱氏体,用符号Ld表示。由于奥氏体在727℃时转变为球光体,因此,在室温时,莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为了区别,把727℃以上的莱氏体称为高温莱氏体(Ld),727℃以下的莱氏体称为低温莱氏体(Ld)。

莱氏体性能和渗碳体相似,硬度很高(>700HBW),塑性很差。

1-17.什么叫合金相图、铁碳合金相图?

(1)合金相图。表示合金的状态与温度、成分之间关系的图形叫合金相图。合金相图是在十分缓慢的冷却条件(平衡条件)下获得的。它是根据长期生产实践和科学试验总结出的一种研究合金结晶过程和合金中各种组织形成及变化规律的工具。(2)铁碳合金相图。表示铁碳合金成分、温度与组织结构之间关系的图形叫铁碳合金相图。它是分析钢、铸铁组织和性能的理论基础,也是制订铸造、锻造、热处理工艺的基本依据。

1-18.什么是双重相图?在铁碳双重相图上都反映了哪些关系?双重相图中有哪些组成物?各在什么应用场合下应用?

铸铁中含的碳能够以FeC或石墨两种独立相存在,因此,铁碳3合金存在着Fe-FeC和Fe-C(石墨)双重相图,如图1-2所示。图1-23中的实线表示Fe-Fe C亚稳定系相图,虚线表示Fe-C(石墨)稳定系3相图。

铁碳双重相图反映了在平衡条件下,不同的铁碳合金成分、温度与金相组织的关系;表示出了合金中相的组成、相的相对数量和相的温度等;还反映了在不同的过冷度条件下,铁碳合金以亚稳定状态或以稳定状态进行转化,得到的金相组织也不同。

在Fe-FeC和Fe-C(石墨)双重相图中的组成物包括:液相L、3奥氏体γ(或A)、铁素体α(或F)、渗碳体FeC、石墨G、莱氏体Ld3和珠光体P。

研究钢的结晶过程、组织、性能及热处理工艺时,常用Fe-FeC3亚稳定系相图。

研究铸铁的结晶过程、组织、性能及铸造、热处理工艺时,常用Fe-FeC和Fe-C(石墨)双重相图。3图1-2 Fe-FeC和Fe-C(石墨)双重相图31-19.为了叙述简便,在分析铁碳合金时,将铁碳双重相图中实用意义不大的左上角部分(液相向δ-Fe及δ-Fe向γ-Fe转变部分),以及左下角GPQ线左边部分予以省略,形成简化的Fe-FeC相图。简化后的Fe-FeC相图上的主要点和33特性线各代表什么物理意义?(1)经简化的Fe-FeC相图见图1-3。3图1-3 简化后的Fe-FeC相图3(2)Fe-FeC相图中的六个主要点如表1-1所示。3表1-1 Fe-FeC相图中的六个主要点(对照图1-3)3(3)Fe-FeC相图中六条特性线如表1-2所示。3表1-2 Fe-FeC相图中六条特性线(对照图1-3)3(续)1-20.铁碳合金按其在Fe-FeC相图上的位置分类分为哪几3类?

铁碳合金按其在Fe-FeC相图上的位置不同,即碳的质量分数不3同,分为两大类:钢和白口铸铁。(1)碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金叫钢。根据碳的质量分数和室温组织,钢分为以下三种:

1)亚共析钢,其碳的质量分数小于0.77%。

2)共析钢,其碳的质量分数等于0.77%。

3)过共析钢,其碳的质量分数大于0.77%。(2)碳的质量分数为2.11%~6.69%的铁碳合金叫白口铸铁。根据碳含量和室温组织,白口铸铁分为以下三种:

1)亚共晶白口铸铁,其碳的质量分数小于4.3%。

2)共晶白口铸铁,其碳的质量分数等于4.3%。

3)过共晶白口铸铁,其碳的质量分数大于4.3%。1-21.为了掌握铸铁的凝固过程,试问怎样采用碳当量或共晶度来判断某一具体成分的铸铁属于亚共晶还是过共晶?为什么说碳当量或共晶度是较为重要的参数?(1)用碳当量来判断。以各元素对共晶点实际碳含量的影响,将这些元素的量折算成碳含量的增减,这样算得的碳含量称为碳当量,用w(CE)(%)表示。

碳当量可用下面简化公式计算:

w(CE)=w(C)+w(Si+P)/3

式中 w(CE)——铸铁的碳当量(%);

w(C)——铸铁中碳的质量分数(%);

w(Si+P)——铸铁中硅、磷的质量分数(%)。

判断依据:将碳当量w(CE)(%)和共晶点碳的质量分数(4.26%)相比,就可以判断某具体成分铸铁偏离共晶点的方向和程度。w(CE)<4.26%,为亚共晶铸铁;w(CE)=4.26%,为共晶铸铁;w(CE)>4.26%,为过共晶铸铁。(2)用共晶度来判断。铸铁偏离共晶点的方向和程度,还可以用铸铁碳含量与共晶点实际碳含量的比值来表示,这个比值称为共晶度,用Sc表示。

共晶度(Sc)可用下面公式计算:

式中 Sc——共晶度;

w(C)——铸铁中碳的质量分数(%);

w′(C)——铸铁中共晶点实际碳的质量分数(%)(稳定系)。判断依据:Sc<1时,为亚共晶成分铸铁;Sc=1时,为共晶成分铸铁;Sc>

1时,为过共晶成分铸铁。碳当量的高低和共晶度的大小,除了衡量铸铁偏离共晶点的程度对凝固过程

的影响外,还能间接地推断出铸造性能的好坏,以及石墨化能力的大小,因此,

碳当量或共晶度是较为重要的参数。1-22.有一铸铁件化学成分(质量分数,%)为:C3.8,Si2.1,Mn0.4,P0.05,S0.03。试分别采用碳当量和共晶度判断此铸铁是属于亚共晶铸铁,还是属于过共晶铸铁?(1)用碳当量来判断。将铸铁件化学成分(C、Si、P),代入碳当量计算公式,并计算如下:

w(CE)=w(C)+w(Si+P)/3=3.8%+(2.1+0.05)%/3=4.52%

铸铁共晶点(稳定态)碳的实际质量分数为4.26%(在生产中,为简化计算,此值又常采用4.3%)。因碳当量w(CE)=4.52%>4.26%,故此铸铁属于过共晶成分铸铁。(2)用共晶度来判断。将铸铁件化学成分(C、Si、P)的质量分数,代入共晶度计算式,并计算如下:

因共晶度Sc=1.07>1,所以此成分铸铁属于过共晶铸铁。1-23.铁碳相图在机械制造业中主要应用于哪些工艺中?

铁碳相图表示了合金系中合金的状态与温度、成分间的关系,是研究钢和铸铁的金相组织、力学性能、物理化学性能、工艺性能和热处理工艺等的理论基础。它较全面地说明了铁碳合金组织结构形式和转变过程,被广泛应用于铸、锻、热处理等热加工工艺中,是制订各种钢和铸铁热加工工艺的依据。(1)在铸造工艺中的应用。由图1-4的Fe-FeC相图可以看出:3①用Fe-FeC相图找出不同碳含量铁碳合金的熔点,从而确定合金的3熔化和浇注温度的浇注区。②接近共晶成分的铁碳合金,不仅熔点低,凝固温度区间也较小,因此,它们的流动性较好,分散缩孔较少,容易得到冒口的补缩,易得到致密的铸件。图1-4 Fe-FeC相图与铸造、锻造工艺的关系3(2)在锻造工艺中的应用。由图1-4的Fe-FeC相图可以看出:3锻轧区在奥氏体区内,钢处于奥氏体区域时的强度较低,塑性较好,利于塑性变形。因此,钢材轧制、锻造的温度范围需选在Fe-FeC相3图中均匀单一的奥氏体区域内进行。(3)在热处理工艺中的应用。铸钢件热处理温度与Fe-FeC相图3的关系如图1-5所示。图1-5a所示为Fe-FeC相图与退火温度的关系;3图1-5b所示为Fe-FeC相图与碳钢正火温度的关系;图1-5c所示为Fe-3FeC相图与铸钢件淬火温度的关系。因此,从图1-5中可以选择退火、3正火、淬火等热处理的温度。图1-5 Fe-FeC相图与铸钢件热处理温度的关系3a)Fe-FeC相图与退火温度的关系 b)Fe-FeC相图与碳钢正火温度的关系33图1-5 Fe-FeC相图与铸钢件热处理温度的关系(续)3c)Fe-FeC相图与铸钢件淬火温度的关系31-24.什么叫铸造合金?常用的有哪几类?实际应用铸铁中碳的质量分数在什么范围?按碳在铸铁中的形态不同铸铁分哪些类?各自的性能特点是什么?

铸件用的合金统称为铸造合金。铸造合金的种类很多,常用的有三大类:铸铁、铸钢和铸造非铁合金。

实际应用铸铁中碳的质量分数在2.0%~4.5%之间。

按碳在铸铁中的形态不同,铸铁一般分为五类:白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁。各种铸铁的特点见表1-3。表1-3 各种铸铁的特点(续)1-25.铸钢是碳的质量分数小于2.1%的铁碳合金,按化学成分不同分为碳素铸钢和合金铸钢两大类。碳素铸钢和合金铸钢又细分为哪几类?(1)碳素铸钢。根据碳的质量分数不同分为以下三类:

1)低碳铸钢:w(C)<0.25%。

2)中碳铸钢:w(C)=0.25%~0.6%。

3)高碳铸钢:w(C)>0.60%。(2)合金铸钢。为改善和提高铸钢的某些性能,在铸钢中加入一种或几种合金元素进行合金化,就成为合金铸钢。按加入合金元素含量不同,合金铸钢分为以下三类:

1)低合金铸钢:w(合金元素)<5%。

2)中合金铸钢:w(合金元素)=5%~10%。

3)高合金铸钢:w(合金元素)>10%。1-26.什么是非铁金属元素?常用的铸造非铁金属元素有哪些?什么是非铁合金?常用的铸造非铁合金有哪几种?

工业上把黑色金属元素(Fe、Cr、Mn)以外的金属元素称为非铁金属元素(又称有色金属元素)。常用的铸造非铁金属元素有铜(Cu)、铝(Al)、镁(Mg)、锡(Sn)、铅(Pb)、锌(Zn)、锑(Sb)、钛(Ti)等。

以一种非铁金属元素为基本元素,再添加一种或几种其他元素所组成的合金,称为非铁合金。纯金属的铸造性能和力学性能都比合金差,故一般都采用非铁合金制作零件。

常用的铸造非铁合金(有色合金)有:铸造铝合金、铸造镁合金、铸造钛合金、铸造铜合金、铸造锌合金、铸造轴承合金和铸造高温合金。1-27.什么是铸造铝合金?常用的铸造铝合金有哪几类?铸造铝合金的代号怎样表示?

铸造铝合金是在纯铝的基础上,加入其他金属或非金属元素形成的铸造合金。铸造铝合金不仅保持了纯铝的基本性能,而且由于合金化及热处理的作用,使其具有良好的综合性能。

铸造铝合金按其所含的主要元素不同,可分为五类:铸造铝硅合金、铸造铝铜合金、铸造铝镁合金、铸造铝锌合金、铸造铝稀土合金等。其中常用的是铸造铝硅合金及铸造铝铜合金两类。

铸造铝合金代号的表示方法与铜合金有所不同,它是以一定的数字代号表示某一铝合金。例如ZL101,其中“ZL”表示铸铝,三个数字中的第一个数字,表示不同类的铝合金,“1”为铝硅合金,“2”为铝铜合金,“3”为铝镁合金,“4”为铝锌合金。后面两位数字,表示同类铝合金的不同代号。1-28.铸造铜合金分为哪些种类?各自的特点和应用如何?

铸造铜合金分为:铸造青铜、铸造黄铜、铸造白铜和特殊用途铸造铜合金。(1)铸造青铜。按化学成分可分为铸造锡青铜和铸造无锡青铜(又称特殊青铜)。

1)铸造锡青铜。以Cu和Sn为主要成分的合金称为锡青铜。目前广泛应用的锡青铜中,锡的质量分数一般为3%~11%。为了改善锡青铜的力学、物理和工艺性能,在Cu-Sn二元合金基础上,再添加一定数量的锌(Zn)、铅(Pb)、镍(Ni)或磷(P)等形成一系列的多元锡青铜。

铸造锡青铜的特点是具有优良的耐蚀性,特别是在大气、淡水、海水、碱性溶液和过热的蒸汽中。因此,其在泵、阀、给排水管路和船舶设备方面有着广泛的应用。

2)铸造无锡青铜。用铝(Al)、锰(Mn)、硅(Si)等元素代替锡(Sn)元素的合金,称为无锡青铜。无锡青铜又可分为铝青铜、铅青铜、铍青铜、硅青铜、锰青铜和铬青铜等。无锡青铜中以铝青铜应用最广。(2)铸造黄铜。黄铜可分普通黄铜和特殊黄铜。

1)以锌为主要合金元素的Cu-Zn二元合金,通称为黄铜或普通黄铜。

2)在Cu-Zn二元合金基础上,再添加其他合金元素(Al、Si、Mn等元素)组成的多元合金,称为特殊黄铜(铝黄铜、硅黄铜、锰黄铜、铅黄铜)。

普通黄铜具有一定的强度、硬度和良好的铸造性能,但耐磨性、耐蚀性,尤其是对流动海水、蒸汽和无机酸的耐蚀性能较差。特殊黄铜(包括海军黄铜、易切削黄铜、高强度锰黄铜以及压铸黄铜)能满足各种使用条件。

大多数黄铜兼作压力加工和铸造合金使用,但高强度特殊黄铜则主要作铸造合金使用,其中熔点较低的合金用于压铸。(3)铸造白铜。以镍为主要合金元素的铜合金称为白铜。铸造白铜有铁白铜、铌白铜、铝白铜、铍白铜、锌白铜等。

铸造白铜具有优良的耐蚀性和较高的强度,良好的铸造工艺性能,广泛应用于制造耐蚀结构制品。(4)特殊用途铸造铜合金。有铜-锰基阻尼合金、艺术铜合金。

1)铜-锰基阻尼合金能减振、降低噪声和提高疲劳寿命,在制作防振和消声设备方面有重要作用,主要用于舰船螺旋桨和防振设备的紧固件、泵体、刀具支架、机座、框架、压缩机机体和减速器上的齿轮等,例如,潜艇用螺旋桨、凿岩机杆、机械滤波器、垃圾处理机、高速纸带穿孔打字机、滚珠轴承、消声车轮等。

2)艺术铜合金系指专门用于制造鼎、钟、鼓、镜、佛像、兵器和装饰等工艺品的铜合金。与普通铜合金的区别在于对其色调、耐蚀性和响度、磨削加工性等有特殊要求。

艺术铜合金主要有锡青铜(钟用锡青铜、镜用锡青铜、鼓用锡青铜、钱用锡青铜),黄铜(如锌的质量分数为12%和20%的黄铜),白铜(镍的质量分数为20%的白铜制造银币和奖牌,锌白铜制作装饰品和乐器)等。1-29.铸造锡青铜、铸造铝青铜、铸造黄铜的牌号是怎样表示的?

铸造锡青铜、铸造铝青铜、铸造黄铜的牌号命名是:牌号的第一个字母为“铸造”的汉语拼音第一字母Z,接着是材料名称的汉语拼音第一个字母,后面用化学元素符号及数字相结合的方法,表示合金的含量。

例1:铸造锡青铜牌号ZQSn6-6-3,其中Z表示铸造;Q表示青铜;Sn6-6-3表示锡的质量分数为6%,锌的质量分数为6%,铅的质量分数为3%。

例2:铸造铝青铜牌号ZQAl9-4,其中Z表示铸造,Q表示青铜,Al9-4表示铝的质量分数为9%,铁的质量分数为4%。

例3:铸造黄铜牌号ZHMn58-2,其中Z表示铸造,H表示黄铜,Mn58-2表示铜的质量分数为58%,锰的质量分数为2%。1-30.什么是金属的铸造性能?金属的铸造性能主要有哪些?

金属的铸造性能是指金属铸造成形过程中获得外形正确、内部完好铸件的能力。铸造性能是铸造工艺的前提条件和基本要求。

金属的铸造性能主要指流动性、收缩性和偏析等。1-31.什么叫铸件的凝固?为什么说认识铸件凝固规律对获得优质铸件十分重要?控制铸件凝固的措施较多,指导运用这些措施的基本原则有几种?

金属液浇入铸型后,由于铸型和周围环境的冷却作用,金属液温度会逐渐下降。当温度降到液相线和固相线温度范围时,合金就从液态向固态转变,这种状态的变化称为铸件的凝固。这个状态变化过程称为凝固过程。可见,一次结晶和凝固虽然指的是同一个状态变化过程,但凝固是从传热学的观点出发研究铸件与铸型的传热过程、铸件断面上的凝固区域的大小、凝固方式与铸件质量的关系,以及铸件的凝固时间等。

铸件许多缺陷,如缩孔、缩松、热裂、气孔、偏析、夹杂物等,都产生在凝固过程中。因此,认识铸件凝固规律,对防止铸件缺陷的产生,从而获得优质铸件是十分重要的。

根据合金的凝固规律,制订正确的工艺规程,有效控制铸件凝固,促使铸件在凝固过程中伴生的各种不利因素向有利方向转化,使铸件在凝固终了具有良好的质量。控制铸件凝固的具体措施很多,但指导运用这些措施的基本原则只有三个,即定向凝固、同时凝固和均衡凝固。1-32.什么是凝固区?凝固区宽度对铸件质量有什么关系?

铸件凝固过程中,其断面上一般存在着三个区域,即固态区、凝固区、液态区,如图1-6所示。

凝固区就是位于液态区和固态区之间的“固态和液态共存”的区域。其宽度δ称为凝固区宽度。凝固区宽度对铸件质量有很大影响,铸件的凝固方式正是根据铸件断面上所呈现的凝固区宽度大小,而区分为逐层凝固、糊状凝固和中间凝固。图1-6 凝固区宽度1—铸型 2—固态区 3—凝固区 4—液态区

1)凝固区宽度很窄时,属逐层凝固方式。其凝固前沿直接与液态金属接触。属于窄凝固区的金属有纯金属(工业用铜、工业用锌、工业用锡),共晶合金(铝硅合金、近共晶合金如灰铸铁),窄结晶范围的合金(如低碳钢、铝青铜、结晶温度范围小的黄铜)。

当液态凝固成为固态而发生体积收缩时,可以不断得到液体的补充,产生分散缩松的倾向小,而是在铸件最后凝固的部位留下集中缩孔。集中缩孔容易消除,因而补缩性良好。由于收缩受阻而产生的晶间裂纹,容易得到金属液的填充,使裂纹愈合,故铸件的热裂倾向性小。在充型过程中发生凝固时也具有较好的充型能力。

2)凝固区宽度很宽时,属糊状凝固方式。属于宽凝固区的金属有铝合金,镁合金(铝铜合金、铝镁合金、镁合金),铜合金(锡青铜、铝青铜、结晶温度范围大的黄铜),铁碳合金(高碳钢、球墨铸铁)。

凝固区越宽的金属,铸造时金属液中气泡、夹杂物越不易集中上浮去除,补缩也较困难。铸件产生热裂倾向性很大。当晶间出现裂纹时,也得不到液态金属的充填使之愈合。这类合金在充填过程中发生凝固时,其充型能力也很差。

3)介于窄凝固区和宽凝固区的称为中间凝固区。属于中间凝固区的合金有中碳钢、高锰钢、一部分特种黄铜和白口铸铁等。其补缩特征、热裂倾向和充型能力介于逐层凝固和糊状凝固方式之间。这类铸件凝固的控制,主要是调整有关工艺参数,在铸件截面上建立有利的温度梯度,缩小铸件截面上的凝固区域,使凝固方式由糊状凝固转变为逐层凝固,以获得合格的铸件。1-33.从金属相图推断,什么成分的金属具有较好的流动性?

图1-7所示为金属相图与流动性的关系,从图1-7中可知:

1)纯金属(图1-7中A和B)和共晶成分的金属(图1-7中C)的流动性较好。因为它们是在一定的温度下结晶,形成较窄的凝固区宽度,凝固层的内表面具有比较平滑的特点,对金属液流动阻力较小。尤其是共晶成分金属,除在一定的温度下结晶外,又因其熔点最低,在同样浇注温度浇注,过热度最高,使其流动性最好。

2)随金属的液相线(图1-7中ACB)与固相线(图1-7中ADCEB)的距离变大(即结晶温度范围变大),则流动性变差。这是因为形成的凝固区宽度较大,凝固层内表面参差不齐,对流动阻力较大。图1-7 流动性与相图的关系1-34.什么叫偏析?偏析的形式有几种?防止或消除偏析可用什么方法?

铸件各部分化学成分的不均匀性,称为偏析。

铸件偏析有以下三种形式:(1)晶内偏析。晶内偏析指在同一个晶粒(包括晶界)内各部分化学成分的不均匀性。(2)区域偏析。区域偏析指铸件截面上各部分化学成分的不均匀性。(3)重力偏析。重力偏析指同一铸件中的上下部分化学成分的不均匀性。

由于偏析的成因不同,所以防止和消除偏析的方法也不一样。消除晶内偏析的方法是对铸件缓慢冷却或对铸件进行长时间高温退火。区域偏析应以预防为主,主要是控制铸件冷却速度,使铸件局部减慢或加快地进行冷却。防止重力偏析,可在浇注前充分搅拌金属液使成分均匀;或提高铸件冷却速度,使金属液中某些成分没有充分时间上浮或下沉。1-35.什么叫吸气性?金属中气体对铸件质量有什么影响?什么是析出性气孔?有什么特点?铸件的析出性气孔怎样防止?

在加热过程中,金属不断吸收(溶解)与其相接触的气体的性质,叫做吸气性。

金属中气体对铸件质量有重要影响。由于铸件中气孔的存在,而且气体还可和金属化合形成非金属夹杂物,都可以破坏金属基体的连续性,使铸件受力的有效面积减小,造成铸件承载能力降低;在气孔内有很大内压力造成许多微观裂纹,使铸件金属变脆,韧性降低;有时铸件收缩产生孔洞被气体占有,影响补缩,使铸件不致密。

铸件在凝固过程中,气体的溶解度下降,金属所吸收的气体不断以气泡形式逸出,若气泡留在铸件中则形成气孔,称为析出性气孔。合金液原始含气量越高,合金在固态和液态时的气体溶解度差值越大,则越容易产生析出性气孔;收缩率大和结晶温度间隔宽的合金形成析出性气孔的倾向大;铸件凝固时外界压力越小,形成析出性气孔的倾向性越大。

析出性气孔的特点:析出性气孔在铸件断面上呈大面积分布,在铸件最后凝固部位(如冒口附近、热节中心)最为密集。析出性气孔的形状为圆形、多角形和断续裂纹状。这些气孔常发生在同一炉或同一浇包浇注的全部或大部分铸件中。

防止铸件产生析出性气孔的措施如下:

1)压力可影响气体的析出,例如,铝合金放在4~6大气压(405.3~607.95kPa)的压力室内结晶,能阻止气体在冷凝过程中析出,得到无气孔的铸件。

2)熔炼时设法减少气体和金属液接触的机会,防止气体进入金属,例如,金属液表面加覆盖剂保护或采用真空熔炼和浇注。

3)金属液中通入不溶解于金属液的气体来驱除析出的气孔,例如,铝合金液中通入氯气,当不溶解的氯气上浮时,氢原子不断扩散到氯气泡内而被带出。1-36.气体在金属中的溶解和析出过程是怎样进行的?

气体在金属中的溶解过程是:当温度升高,金属由固态变为液态时,与金属表面接触的气体分子分解为原子,扩散到金属的内部。金属溶解气体的能力随金属液进一步过热而不断增加。

金属液冷却时析出气体。在凝固温度,气体从金属中析出较为迅速,但因金属液的温度已较低,析出的气体难以聚集成较大气泡而浮出,以分散的小气泡存在于铸件中,形成所谓析出气孔。未能析出的气体,仍溶解在金属中。1-37.铸件收缩的概念是什么?金属液充填型腔后,其收缩可分几个阶段?对铸件质量有什么影响?

铸件在液态、凝固态、固态的冷却过程中,所发生的体积减小现象,称为收缩。

任何液态金属浇入铸型型腔后,从浇注温度冷却到常温都要经历相互关联的三个收缩阶段:

第一阶段是液态收缩阶段。此阶段是指从浇注温度冷却到液相线温度(即从金属液浇入铸型到开始凝固之前),金属处于液态,收缩完全在液态下进行。当开始凝固的温度不变时,浇注温度越高,液态收缩就越大。金属体积减小,表现为型腔内液面的降低。

第二阶段是凝固收缩。此阶段是自液相线温度冷却到固相线温度(包括状态的改变)。从凝固开始到凝固完毕,由液态转变为固态所表现的体积收缩。

1)对于一定温度下结晶的纯金属和共晶成分的合金,凝固收缩只是由于合金的状态改变,而与温度无关或基本无关。

2)具有结晶温度间隔的合金,凝固收缩不仅与状态改变有关,而且随结晶温度间隔的增大而增大。

液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。

第三阶段是固态收缩。此阶段是指自固相线温度冷却至常温,收缩是在固态下进行的。在此阶段,铸件各个方向都表现出线尺寸的缩小,对铸件的形状和尺寸精度影响最大,也是铸件产生应力、变形、裂纹的基本原因。固态收缩常用线收缩率表示。

上述三阶段的收缩可归结为体收缩和线收缩。在制订铸造工艺时,一定要着重考虑,处理不当,常会使铸件产生缩孔、裂纹等危害性较大的缺陷,影响铸件质量。1-38.简述铸件缩孔形成的过程。在凝固过程中,液态及凝固收缩之和等于固态收缩时,铸件会不会产生缩孔?

图1-8所示为用窄凝固区的金属浇注的圆柱形铸件。铸件缩孔形成过程如下:

如图1-8a所示,金属液浇满型腔,由于传热使金属液的温度降低,金属产生液态体收缩,减少的金属液由还未凝固的浇注系统补充,因此液面不发生下降,型腔仍保持充满状态。

如图1-8b所示,当铸件与铸型接触的表层温度下降到凝固温度时,就结成硬壳。内浇道也已凝结,结成的硬壳如同一个封闭容器,内部包住了液体。

如图1-8c所示,进一步冷却时,壳内液态金属产生液态收缩,硬壳同时增厚产生凝固收缩,两者收缩造成液面下降,硬壳的固态收缩可使壳内液面下降变慢;但由于液体收缩和凝固收缩之和大于固态收缩,在重力作用下,金属液顶面与硬壳脱开。

如图1-8d所示,逐层凝固一直继续到铸件中心,结果在铸件上部形成缩孔并保留下来。

铸件在凝固过程中,金属的液态和凝固收缩之和大于固态收缩是产生缩孔的基本原因。如果液态收缩和凝固收缩之和等于固态收缩,则铸件就不会产生缩孔。图1-8 铸件缩孔形成过程1-39.灰铸铁的收缩为什么比碳钢的收缩小?

一是铸铁和铸钢的主要区别在于碳含量不同。从相图得知,w(C)<2.11%的铁碳合金为钢,而实际应用的铸钢碳的质量分数一般不超过0.6%。w(C)>2.11%的铁碳合金为铸铁,实际应用的铸铁碳的质量分数在2.4%~4.0%之间,比铸钢高出几倍。在冷凝过程中,铸钢和铸铁都存在从液态转变为固态而产生的收缩。

二是铸铁还有独特之处,即石墨析出而发生膨胀(即石墨化膨胀),每析出质量分数为1%的石墨,就会使铸件体积胀大2%。

综上所述原因,灰铸铁的收缩要比碳钢的收缩小。1-40.为什么提高铸型的刚度能使球墨铸铁缩孔的容积减小?

球墨铸铁趋于糊状凝固方式(灰铸铁是逐层凝固)。在凝固过程后期,表层仍不能形成一个完整的硬壳,此时石墨化膨胀的方向有可能向铸型方向进行。若铸型刚度较差时,型腔尺寸会由于铸件外壳胀大而扩大,从而增大了缩孔容积。如果提高铸型刚度,便可使球墨铸铁的缩孔容积减小。

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