缩,由后凝固部位的液态金属来补充;后凝固部位的收缩由冒口中的液态金属来补充,从而使铸件各部位的收缩得到补充,将缩孔转移到冒口中。补缩冒口直径应大于热节直径,以保证冒口里的液态合金最后凝固,使缩孔转移到冒口里去。冒口与浇口一样,是铸件的多余部分,在铸件清理时将其去除。
为了实现顺序凝固,在安放冒口的同时,还可在铸件上不宜设置冒口的厚大部位(热节)增设冷铁。冷铁仅是加快某些部位的冷却速度,以控制铸件的凝固顺序,但本身并不起补缩作用。冷铁通常用钢或铸铁制成。
为了实现顺序凝固,设置补缩冒口和冷铁的特点如下: ? 优点:
①冒口补缩作用好;
②铸件组织致密,机械性能好。 ? 缺点:
①铸件各部分温差较大,冷却速度不一致,易产生铸造应力、变形和裂纹等缺陷; ②冒口和冷铁消耗金属材料,切割费事,增加铸件的加工工时和成本。
因此冒口和冷铁通常用于必须补缩的铸件上,如铸钢件、铸造铝青铜和铝硅合金件等易产生缩孔的合金铸件。
顺序凝固原则适用于收缩大的合金或壁厚差大的铸件,如铸钢、可锻铸铁。 注意:设置冒口对防止缩孔的效果较好,对防止缩松的效果不显著。适当提高铸型冷却速度或对铸型内的液态金属进行振动或搅拌,可起到细化晶粒,减少铸件产生缩松的效果。
1.1.2.4 铸造应力
⑴ 铸造应力的定义及种类
铸件在凝固之后继续冷却,还要进行固态收缩,使铸件尺寸缩小。但由于铸件各部分冷却不均匀,各部分相互牵制,固态收缩受到阻碍而引起内应力,称为
铸造应力。阻碍按形成的原因不同可分为热阻碍和机械阻碍。其中,热阻碍是指铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍;机械阻碍是指铸型、型芯对铸件收缩的阻碍。由热阻碍引起的内应力称为热应力;由机械阻碍引起的内应力称为机械应力(收缩应力)。另外,还有铸件固态相变产生体积变化而引起的相变应力,该应力较小,一般很少考虑。铸造应力可能是暂时的(当引起应力的原因消除后,应力随之消失),称为临时应力;也可能是长期存在的,称为残留应力。
⒈热应力的产生原因及防止措施
热应力是由于铸件壁厚不均匀,各部分冷却速度不同,存在着较大的温差,使固态铸件各部分在同一时间内收缩不同而产生的内应力。落砂清理后,热应力仍存在于铸件中,是一种残留应力。
由此可知,热应力使铸件厚壁部分或心部受拉伸,薄壁部分或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大,热应力越大;合金的线收缩率越高,弹性模量越大,热应力也越大。
铸件产生热应力与变形的规律:
①薄壁、细小部位:冷得快,受压应力(凸出); ②厚壁、粗大部位:冷得慢,受拉应力(凹进)。
为了防止热应力应尽量减少铸件各部分的温差,使其均匀冷却,在工艺上应采用“同时凝固”原则,其工艺是将内浇口开在铸件薄壁处,以增加该处的热量,减缓薄壁处的冷却速度;也可在铸件厚壁处安放冷铁,以加快该处的冷却速度。
同时凝固既可减少热应力,防止铸件产生变形和裂纹,又可不用冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松,主要用于灰口铸铁件、锡青铜件或者壁厚均匀的薄壁铸钢件 ⒉机械应力的产生原因及防止措施
铸件冷却到弹性状态、固态收缩时,由于受到铸型、型芯和浇冒口等的机械阻碍而产生的内应力,成为机械应力。机械应力一般为拉应力或剪应力,由于它是在铸件处于弹性状态时产生的,因而当形成应力的原因(如落砂、切除浇冒口等)消除后,应力也随之消失。因此,机械应力是一种暂时应力。但如果它与残留热应力同时作用,增大了某些部位的拉应力。当瞬时超过铸件的强度极限(σb)时,铸件将产生裂纹。铸件在有应力的情况下,如受到落砂、清理或运输中的碰撞或加热过快,也会引起裂纹,冬季尤易发生。 ⑵ 铸造应力的防止措施
①设计铸件时,尽量避免牵制收缩的结构,使各部分能自由收缩;
②采用“同时凝固”原则,减少铸件各部分的温度差; ③造型工艺上合理设置浇冒口,改善铸型、型芯的退让性; ④对铸件进行自然时效处理或去应力退火处理。对一些重要的铸件(如机床床身、刀架、变速箱等),在粗加工后还要再次进行去应力退火。 1.1.2.5 铸件的变形与防止措施
如前所述,具有残余内应力的铸件,壁厚不同时,厚壁部分及心部受拉伸,薄壁部分及表层受压缩,但处于这种状态的铸件是不稳定的,它将自发地通过变形来减少其内应力,以趋于稳定状态。显而易见,只有受拉伸的厚壁部分及心部产生压缩变形,受压缩的薄壁部分及表层产生拉伸变形,才能减少或消除铸件中的残余内应力。
①应力状态:厚拉薄压、后拉先压 ②变形方向:受拉应力的部分向材料内部凹陷,受压应力的部分向材料外部凸起。
如图所示为车床床身,其导轨部分因较厚受拉应力,床壁部分较薄受压应力,于是朝着导轨方向发生弯曲变形,使导轨呈内凹。事实上,形状简单的铸件也会处于应力状态,因表层冷却快,受压应力;心部冷却慢,受拉应力。如一平板铸件,壁厚尽量均匀,但其中心部分因比边缘散热慢而受拉应力,边缘则受压应力。由于铸型上面比下面冷却快,于是该平板发生凸起变形。
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,又会产生变形甚至裂纹。
铸件产生翘曲变形后,常因加工余量不够或放不进夹具,无法加工而报废。因此必须防止铸件产生变形。其主要防止措施如下:
①在铸件设计时尽可能地使铸件的壁厚均匀、形状对称;
②对于壁厚不均匀、细长易变形的杆类、板类铸件可采用反变形工艺,即在模型上预先留出相当于铸件变形量的反变形量(如机床导轨上凹),以抵消铸件的变形;
③在铸造工艺上应采用“同时凝固”的方法,以使铸件各部分冷却均匀;
④去应力退火(时效处理) 对于不允许发生变形的重要铸件必须进行时效处理。时效处理可分为自然时效和人工时效两种。时效处理宜在粗加工之后进行,既可消除原有铸造应力,又可将粗加工产生的内应力一并消除。
1.1.2.6 铸件的裂纹与防止措施
铸件冷却过程中,当铸件中的内应力超过合金的强度极限σb时,铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷,会造成铸件报废。裂纹按照形成原因可分为热裂纹和冷裂纹。 ⑴ 热裂纹
⒈热裂纹的产生原因
热裂纹是铸件在高温下产生的裂纹,多发生在固相线温度附近,在拉应力作用下,沿晶界开裂。其形状特征是:裂纹短、缝隙宽、外形曲折不规则(裂纹沿晶粒边界产生和发展),裂纹表面呈氧化色(与空气接触)。
热裂是铸钢件、白口铸铁件和某些铝合金铸件常见的缺陷之一。在铸钢件的废、次品总数中,由热裂引起的约占20%以上。
凝固末期,合金绝大部分已成固体,但其强度和塑性很低,当铸件的固体线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统等的机械阻碍,产生的机械应力超过该温度下合金的强度极限,就能引起热裂。 ⒉热裂纹的影响因素
影响热裂纹形成的主要因素是合金性质和铸型阻力。
①合金性质 铸造合金的结晶温度范围越宽,液固两相区的绝对收缩量越大,合金的热裂倾向也越大。
在常用合金中灰口铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩小,热裂倾向也小;而铸钢、铸铝、可锻铸铁的热裂倾向大。钢铁中的S,因可形成低熔点的共晶体,扩大了结晶温度范围,增加合金热脆性,故S含量越多,热裂倾向越大。 ②铸型阻力 铸型退让性越好,机械应力越小,热裂倾向也越小。
铸型退让性与铸型材料中粘结剂种类有关,如粘土砂高温强度大,用它制作的薄壁铸件的型芯易引起热裂;当采用有机粘结剂配制型芯砂时,因高温强度低,退让性好,热裂倾向小。为提高粘土砂的退让性,可在其中掺入少量锯末、纸屑等。
总之,合金的收缩率大、高温强度低、铸件结构不合理、铸造工艺不合理、铸型和型芯机械阻力大等都会加大热裂倾向。 ⒊热裂纹的防止措施
主要措施有:使铸件结构合理,改善铸型和型芯的退让性,减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍,内浇口设置应符合同时凝固原则,此外还应减少合金中的S含量等等。 ⑵ 冷裂纹
⒈冷裂纹的产生原因
冷裂纹是铸件在较低温度或室温下,处于弹性状态时产生的裂纹。其形状特征是:裂纹表面光滑,裂纹细小,呈连续直线或圆滑曲线状(穿过晶粒而发生),裂纹表面具有金属光泽或微氧化色。
冷裂纹往往出现在形状复杂的大型工件的受拉应力部位,特别是应力集中的地方,如尖角、缩孔、气孔、夹渣等缺陷附近,有些冷裂纹是在铸件落砂清理、搬运或机械加工时受震击或碰撞才出现。 ⒉冷裂纹的影响因素
铸件的冷裂倾向与铸件内应力的大小密切相关,不同铸造合金的冷裂纹倾向不同。白口铸铁、高碳钢及某些合金钢(如高锰钢)等塑性差、脆性大的合金易产