重力鑄造
鋁合金重力鑄件應力和裂紋的種類,鋁合金鑄造澆注溫度對鑄件的影響

鋁合金重力鑄件應力和裂紋的種類,鋁合金鑄造澆注溫度對鑄件的影響

鋁合金重力鑄件應力和裂紋的種類,鋁合金鑄造澆注溫度對鑄件的影響

1、澆注溫度過高將大大提高廢品比例

澆注溫度過高會引起砂型漲大,特別是具有復雜砂芯的灰鑄鐵件,當澆注溫度≥1420℃時廢品增多,澆注溫度為1460℃時廢品達50%。在生產中,利用感應電爐熔煉能較好地控制鐵液溫度。

2、澆注溫度過低時可能形成的缺陷

(1)硫化錳氣孔 

此種氣孔位于灰鑄鐵件表皮以下且多在上面,常在加工后顯露出來,氣孔直徑約2~6mm。有時孔中含有少量熔渣,金相研究表明,此缺陷是由MnS偏析與熔渣混合而成,原因是澆注溫度低,同時鐵液中含Mn和S量高。

這樣的含S量和適宜的含Mn量(0.5%~0.65%),可以顯著改善鐵液純度,從而有效地防止這類缺陷。

(2)砂芯氣體引起的氣孔 


氣孔和多空性氣孔常因砂芯排氣不良而引起。因為造芯時砂芯多在芯盒中硬化,這就常使砂芯排氣孔數量不夠。為了形成排氣孔,可在型芯硬化后補充鉆孔。

(3)液體夾渣 

加工后灰鑄鐵件表皮之下會發現一個個單體的小孔,孔的直徑一般為1~3mm。個別情況下只有1~2個小孔。金相研究表明,這些小孔與少量的液體夾渣一起出現,但該處未發現S的偏析。研究表明,這種缺陷與澆注溫度有關,澆注溫度高于1380℃時,鑄件中未發現這種缺陷,故澆注溫度應控制在1380—1420℃。值得一提的是改變澆注系統設計,未能消除此缺陷,故此種缺陷可以認為是由于澆注溫度低以及鐵液在微量還原氣氛下澆注時形成的。

1.鑄造應力

鑄造應力按產生的原因不同,主要可分為熱應力、收縮應力兩種。


(1)熱應力

鑄件在凝固和冷卻過程中,不同部位由于不均衡的收縮而引起的應力,稱熱應力。熱應力使冷卻較慢的厚壁處受拉伸,冷卻較快的薄壁處或表面受壓縮,鑄件的壁厚差別愈大合金的線收縮率或彈性模量愈大,熱應力愈大。定向凝固時,由于鑄件各部分冷卻速度不一致,產生的熱應力較大,鑄件易出現變形和裂紋。

(2)收縮應力

鑄件在固態收縮時,因受鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產生的應力稱收縮應力。、一般鑄件冷卻到彈性狀態后,收縮受阻都會產生收縮應力。收縮應力常表現為拉應力。形成原因一經消除(如鑄件落砂或去除澆口后)收縮應力也隨之消之,因此收縮應力是一種臨時應力。但在落砂前,如果鑄件的收縮應力和熱應力共同作用其瞬間應力大于鑄件的抗拉強度時,鑄件會產生裂紋。

2.減小和消除鑄造應力的措施

(1)合理地設計鑄件的結構

鑄件的形狀愈復雜,各部分壁厚相差愈大,冷卻時溫度愈不均勻,鑄造應力愈大。因此,在設計鑄件時應盡量使鑄件形狀簡單、對稱、壁厚均勻。

(2)采用同時凝固的工藝

所謂同時凝固是指采取一些工藝措施,使鑄件各部分溫差很小,幾乎同時進行凝固。因各部分溫差小,不易產生熱應力和熱裂,鑄件變形小。設法改善鑄型、型芯的退讓性,合理設置澆冒口等。同時凝固的示意圖,該工藝是在工件厚壁處加冷鐵,冒口設薄壁處。 

(3)時效處理是消除鑄造應力的有效措施。

時效分自然時效、熱時效和共振時效等。所謂自然時效,是將鑄件置于露天場地半年以上,讓其內應力消除。熱時效(人工時效)又稱去應力退火,是將鑄件加熱到550-650℃,保溫2-4h,隨爐冷卻至150-200T,然后出爐。共振法是將鑄件在其共振頻率下震動10-60ndn,以消除鑄件中的殘留應力。
3.鑄件的變形與防止

如前所述,在熱應力的作用下,鑄件薄的部分受壓應力,厚的部分受拉應力,但鑄件總是力圖通過變形來減緩其內應力。因此,鑄件常發生不同程度的變形。鑄件的變形往往使鑄件精度降低,嚴重時可以使鑄件報廢,應予防止。因鑄件變形是由鑄造應力引起,減小和防止鑄造應力的辦法,是防止鑄件變形的有效措施。

3.鑄件的裂紋與防止

當鑄造內應力超過金屬的強度極限時,鑄件便產生裂紋。裂紋是嚴重的鑄造缺陷,必須設法防止。裂紋按形成的溫度范圍分為熱裂和冷裂兩種。

(1)熱裂

① 熱裂的產生
一般是在凝固末期,金屬處于固相線附近的高溫時形成的。其形狀特征是裂縫短,縫隙寬,形狀曲折,縫內呈氧化顏色。鑄件結構不合理,合金收縮大,型(芯)砂退讓性差以及鑄造工藝不合理等均可引發熱裂。鋼和鐵中的硫、磷降低了鋼和鐵的韌性,使熱裂傾向增大。

② 熱裂的防止
合理地調整合金成分(嚴格控制鋼和鐵中的硫、磷含量),合理地設計鑄件結構,采用同時凝固的原則和改善型(芯)砂的退讓性,都是防止熱裂的有效措施。

(2)冷裂

① 冷裂的產生
冷裂是鑄件冷卻到低溫處于彈性狀態時所產生的熱應力和收縮應力的總和,如果大于該溫度下合金的強度,則產生冷裂。冷裂是在較低溫度下形成的,其裂縫細小,呈連續直線狀,縫內干凈,有時呈輕微氧化色。壁厚差別大、形狀復雜的鑄件,尤其是大而薄的鑄件易于發生冷裂。

② 冷裂的防止
凡是減小鑄造內應力或降低合金脆性的措施,都能防止冷裂的形成。例如:鋼和鑄鐵中的磷能顯著降低合金的沖擊韌性,增加脆性,容易產生冷裂傾向,因此在金屬熔煉中必須嚴格加以限制。
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