第一章鑄造成形工藝?yán)碚摶A(chǔ)(李)-資料下載頁(yè)
2025-03-08 01:46本頁(yè)面
【正文】 熱應(yīng)力thermal stress 。 ? 金屬在冷卻過(guò)程中，從凝固終了溫度到再結(jié)晶溫度階段，處于塑性狀態(tài)，在較小的外力作用下，就可以生塑性變形，變形后應(yīng)力可自行消除。低于再結(jié)晶溫度的金屬處于彈性狀態(tài)，受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形，變形后應(yīng)力繼續(xù)存在 。 ? 內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因： ? 凝固后固態(tài)收縮受阻引起 + + + +表示拉應(yīng)力 表示壓應(yīng)力 鑄件因壁厚不均勻，或鑄件中存在著較大的溫差，在同一時(shí)間內(nèi)鑄件各部分收縮不同，先冷卻的部位阻礙了后冷卻部位的收縮，在其內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。 圖 110 應(yīng)力框及其熱應(yīng)力的形成過(guò)程 三桿熱應(yīng)力分析模型 綜上所述，熱應(yīng)力的特點(diǎn)： 固態(tài)收縮使鑄件厚壁或心部受拉伸。薄壁或表層受壓縮。 合金固態(tài)收縮率愈大，鑄件壁厚差別愈大，形狀愈復(fù)雜，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力愈大。 防止熱應(yīng)力產(chǎn)生的途徑： 縮小鑄件各部位的溫差，使其均勻冷卻。 Ⅰ 、選用彈性模量小的合金； Ⅱ 、設(shè)計(jì)壁厚均勻的鑄件； Ⅲ 、從工藝方面促使鑄件各部位同時(shí)凝固。見圖112 ② 機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力） mechanical stress 機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)應(yīng)力。 上型 下型 鑄件收縮受到鑄型、型芯及澆鑄系統(tǒng)的機(jī)械阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱為機(jī)械阻礙應(yīng)力。簡(jiǎn)稱 機(jī)械應(yīng)力 。 鑄型或型芯退讓性良好，機(jī)械應(yīng)力則小。機(jī)械應(yīng)力在鑄件落砂之后可自行消除。但是機(jī)械應(yīng)力在鑄型中能與熱應(yīng)力共同起作用，增加了鑄件產(chǎn)生裂紋的可能性。 圖 113 ? ⑵鑄件的變形及其防止 ? 如果鑄件存在內(nèi)應(yīng)力， 則鑄件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，鑄件厚的部分受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)力。如果內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的屈服極限時(shí)，則鑄件本身總是力圖通過(guò)變形來(lái)減緩內(nèi)應(yīng)力，因此細(xì)而長(zhǎng)或大又薄的鑄件易發(fā)生變形。 ? 如圖 115所示：車床床身的導(dǎo)軌部分因較厚而受拉應(yīng)力，床壁部分因較薄而受壓應(yīng)力， 圖 116所示為一平板鑄件，盡管其壁厚均勻，但其中心部分因比邊緣散熱慢、收縮慢而受拉應(yīng)力，邊緣處則散熱較快，收縮較快而受壓力。由于鑄型上面比下面冷卻快，于是該平板發(fā)生了如圖所示方向變形。 圖 116 平板鑄件的變形 為了防止鑄件變形，設(shè)計(jì)應(yīng)使鑄件各部 分壁厚盡可能均勻或形狀對(duì)稱。 此外，還可在制摸時(shí)采用 反變形法(將模樣制成與鑄件變形方向相反的形狀，此時(shí)應(yīng)較精確地計(jì)算鑄件的變形量 )；有時(shí)也在薄壁處附加工藝筋 。 ? 實(shí)踐證明，盡管鑄件冷卻時(shí)發(fā)生部分變形、但內(nèi)應(yīng)力仍未徹底消除。在經(jīng)過(guò)機(jī)加工后內(nèi)應(yīng)力發(fā)生重新分布，鑄件仍會(huì)發(fā)生變形，影響零件的精度。因此，對(duì)某些重要的、精密的鑄件，如車床床身等，必須采取去應(yīng)力退火或自然時(shí)效等方法，將殘余應(yīng)力消除，必要時(shí)還可在粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火或人工時(shí)效（自然時(shí)效），然后再進(jìn)行精加工，以確保零件的精度。 ? ⑶ 鑄件的裂紋及防止 ? 如果鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件便會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋分為 熱裂和冷裂 兩種。 ? ① 熱裂： 熱裂是在凝固后期高溫下形成的，主要是由于收縮受到機(jī)械阻礙作用而產(chǎn)生的。 ? 特點(diǎn)： 裂紋短、形狀曲折、縫隙寬、斷面有嚴(yán)重氧化、無(wú)金屬光澤、裂紋沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展等，在鑄鋼和鋁合金鑄件中常見。 ? 防止措施： 除了使鑄件的結(jié)構(gòu)合理外，還應(yīng)合理選用型砂或芯砂的鉆結(jié)劑，以改善其退讓性；大的型芯可采用中空結(jié)構(gòu)或內(nèi)部填以焦炭；嚴(yán)格限制鑄鋼和鑄鐵中硫的含量，選用收縮率小的合金。 ? ②冷裂： 冷裂是在較低溫度下，由于熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力的綜合作用形成的，常出現(xiàn)在鑄件受拉伸部位，特別是有應(yīng)力集中的地方（如內(nèi)尖角處和縮孔、氣孔及其非金屬夾雜物的附近）。 ? 特點(diǎn)： 裂縫細(xì)小，呈連續(xù)直線狀，縫內(nèi) l幾凈，有時(shí)呈輕微氧化色。壁厚差別大，形狀復(fù)雜或大而薄的鑄件易產(chǎn)生冷裂。 ? 防止措施 ：凡是能減少鑄造內(nèi)應(yīng)力或降低合金脆性的因素，都能防止冷裂的形成。同時(shí)在鑄鋼和鑄鐵中要嚴(yán)格控制合金中的磷含量。 ? 此外，設(shè)置防裂筋可有效防止鑄造裂紋如圖 118所示 ； ? 三、合金的吸氣性 ? 液態(tài)合金中吸入的氣體，如果在冷凝過(guò)程中不能逸出，滯留在金屬中，將在鑄件內(nèi)形成氣孔。 ? 氣孔破壞了金屬的連續(xù)性，減少了其承載的有效截面積，并在氣孔附近引起應(yīng)力集中，降低了鑄件的力學(xué)性能。 ? 按照氣體的來(lái)源可分為：侵入氣孔、析出氣孔和反應(yīng)氣孔三類。 ? 1. 侵入氣孔 ? 砂型和型芯中的氣體侵入金屬液中形成的氣孔。 ? 特征： 在砂型和型芯表面附近，尺寸較大，呈橢球形或梨形。 ? 防止： 降低砂型和型芯的發(fā)氣量和增強(qiáng)鑄型的排氣能力。 ? 2. 析出氣體 ? 溶解有氫的金屬液在冷凝過(guò)程中，由于氫的溶解度下降，呈過(guò)飽和狀態(tài)，于是，結(jié)合成分子以氣泡的形式從金屬液中析出。上浮的氣泡若遇阻礙或金屬液因冷卻而粘度增加等情況，則不能浮出金屬液，鑄件中就形成了析出氣孔。 ? 特征： 氣孔尺寸小，分布面積較廣，甚至遍布整個(gè)鑄件面積，而且，用同一種金屬液澆注的所有鑄件均有氣孔，使鑄件成批報(bào)廢。 1mm的稱為針孔，危害較大。 ? 防止： 保證爐料入爐前不含水、油、銹等污物，嚴(yán)格遵守操作工藝，減少金屬液與空氣的接觸，控制爐氣為中性氣氛。 ? 3. 反應(yīng)氣孔 ? 液態(tài)金屬與鑄型材料、芯撐、冷鐵或熔渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成的氣體。 ? 特征： 在芯撐、冷鐵附近形成氣孔。 ? 防止： 芯撐、冷鐵表面不得有銹蝕、油污，并保持干燥。 氣孔多媒體 序號(hào) 影響因素 定 義 影 響 原 因 1 合金的流動(dòng)性 液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能 力 流動(dòng)性好，易于澆出輪廓清晰，薄而復(fù)雜的鑄件；有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除；易于對(duì)鑄件的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮 2 澆注溫度 澆注時(shí)金屬液的溫度 澆注溫度愈高，充型能力愈強(qiáng) 3 充型壓力 金屬液體在流動(dòng)方向上所受的壓力 壓力愈大，充型能力愈強(qiáng)。但壓力過(guò)大或充型速度過(guò)高時(shí)，會(huì)發(fā)生噴射、飛濺和冷隔現(xiàn)象 4 鑄型中的氣體 澆注時(shí)因鑄型發(fā)氣而形 成在鑄型內(nèi)的氣體 能在金屬液與鑄型間產(chǎn)生氣膜，減小摩擦阻力，但發(fā)氣太大，鑄型的排氣能力又小時(shí)，鑄型中的氣體壓力增大，阻礙金屬液的流動(dòng) 5 鑄型的蓄熱系數(shù) 鑄型從其中的金屬吸取并存儲(chǔ)在本身中熱量的能力 蓄熱系數(shù)愈大，鑄型的激冷能力就愈強(qiáng)，金屬液于其中保持液態(tài)的時(shí)間就愈短，充型能力下降 6 鑄型溫度 鑄型在澆注時(shí)的溫度 溫度愈高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差就愈小，充型能力愈強(qiáng) 7 澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 各澆道的結(jié)構(gòu)復(fù)雜情況 結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，流動(dòng)阻力愈大，充型能力愈差 8 鑄件的折算厚度 鑄件體積與表面積之比 折算厚度大，散熱慢，充型能力好 9 鑄件復(fù)雜程度 鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜狀況 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力大，鑄型充填困難 表 2 影響充型能力的因素和原因
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