第六章 铸造(01)

1、材料成形基础铸造1 热加工工艺基础热加工工艺基础 铸铸 锻锻 焊焊 材料成形基础铸造2 第六章 铸造工艺基础 材料成形基础铸造3 GB/T56111998规定： 铸造铸造是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属 浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能的浇入铸型，凝固后获得一定形状、尺寸和性能的 金属零件毛坯的成形方法。金属零件毛坯的成形方法。 用铸造方法获得的金属毛坯或零件称为用铸造方法获得的金属毛坯或零件称为铸件铸件. 铸造被广泛采用，具有如下优点铸造被广泛采用，具有如下优点： 材料成形基础铸造4 它适用于各种合金它适用于各种合金( (如铸铁、铸钢和有色金属

2、等如铸铁、铸钢和有色金属等),),能制出外形能制出外形 和内腔很复杂的零件和内腔很复杂的零件, ,铸件的尺寸、重量和生产批量都不受限制。铸件的尺寸、重量和生产批量都不受限制。 如箱体、气缸体、机床床身、机座等如箱体、气缸体、机床床身、机座等 3. 3. 。 所用原材料来源广，设备投资少，节省工时，材料利用率高。所用原材料来源广，设备投资少，节省工时，材料利用率高。 铸件材质内在质量得到提高，一些现代铸造方法生产出来的铸件铸件材质内在质量得到提高，一些现代铸造方法生产出来的铸件 质量已接近锻件。质量已接近锻件。 材料成形基础铸造5 材料成形基础铸造6 材料成形基础铸造7 所谓：所谓：性能改善形状

3、精，加工量少成本低性能改善形状精，加工量少成本低。 但是，铸造生产过程中的工艺控制较困难，但是，铸造生产过程中的工艺控制较困难， 因而铸件质量不稳定，废品率较高因而铸件质量不稳定，废品率较高; ; 铸造劳动强度大，条件差，环境污染严重。铸造劳动强度大，条件差，环境污染严重。 材料成形基础铸造8 铸造按生产方式不同，可分为：铸造按生产方式不同，可分为： 砂型铸造的铸件占总产量的砂型铸造的铸件占总产量的80%80%以上，其生以上，其生 产过程如图。产过程如图。 材料成形基础铸造9 材料成形基础铸造10 铸件的质量与铸件的工艺过程密切相关，其中影响较大铸件的质量与铸件的工艺过程密切相关，其中影响较大

4、 的是的是铸件的凝固铸件的凝固和和合金的铸造性能合金的铸造性能 合金的铸造性能合金的铸造性能: 指在铸造生产过程中，铸造成形的难指在铸造生产过程中，铸造成形的难 易程度，容易获得正确的外形、内部又健全的铸件，其易程度，容易获得正确的外形、内部又健全的铸件，其 铸造性能就好。应该指出，铸造性能是一个复杂的综合铸造性能就好。应该指出，铸造性能是一个复杂的综合 性能，通常用性能，通常用充型能力、收缩性充型能力、收缩性等指标来衡量。等指标来衡量。 材料成形基础铸造11 1 合金的流动性是指合金本身的流动能力合金的流动性是指合金本身的流动能力 ; 流动性好的合金，充型能力强，易得到形状完整、轮廓清晰、尺

5、流动性好的合金，充型能力强，易得到形状完整、轮廓清晰、尺 寸准确、薄而复杂的铸件。反之，铸件容易产生浇不足、冷隔等寸准确、薄而复杂的铸件。反之，铸件容易产生浇不足、冷隔等 缺陷。缺陷。 一、一、 与以下因素有关：与以下因素有关： 1. 1. 纯金属、共晶成分合金流动性好。纯金属、共晶成分合金流动性好。 2. 2. 如导热性、粘滞性、侵润性等。如导热性、粘滞性、侵润性等。 材料成形基础铸造12 铸造合金流动性的 好坏，通常以螺旋螺旋 形流动性试样形流动性试样的长 度来衡量。将金属 液浇入螺旋形试样 的铸型中，如图6-2 所示。在相同的铸 型及浇注条件下， 得到的螺旋形试样 越长，表示该合金 的流

6、动性越好。 材料成形基础铸造13 二、外界因素二、外界因素 1、铸型条件铸型条件 1.1.）铸型材料；如金属型导热好，散热快，流动性差。）铸型材料；如金属型导热好，散热快，流动性差。 2.2.）铸型温度；型温高，液态保持久，利流动）铸型温度；型温高，液态保持久，利流动. . 3. 3.）铸型中气体阻碍。）铸型中气体阻碍。 2 2、 1.1.）温度高，流动性好；但吸气多，收缩大。）温度高，流动性好；但吸气多，收缩大。 2.2.）压力大，易流动，好充形，如直浇口高低。）压力大，易流动，好充形，如直浇口高低。 3 3、 1 1）铸造结构常用铸件模数（折算厚度）来衡量，即铸件的体积和散热）铸造结构常用

7、铸件模数（折算厚度）来衡量，即铸件的体积和散热 表面积之比（表面积之比（cmcm）。）。 2 2）铸件模数大表示型腔散热表面积小，合金液的充型能力较强；铸件）铸件模数大表示型腔散热表面积小，合金液的充型能力较强；铸件 模数越小则越不易充满。模数越小则越不易充满。 材料成形基础铸造14 材料成形基础铸造15 材料成形基础铸造16 材料成形基础铸造17 材料成形基础铸造18 v综上所述，为提高合金的充型能力应：综上所述，为提高合金的充型能力应： v1 1）尽量选用共晶成分合金，或结晶温度区间小的）尽量选用共晶成分合金，或结晶温度区间小的 合金；合金； v2 2）应尽量提高金属液的质量，金属液）应尽

8、量提高金属液的质量，金属液愈纯愈纯则所含则所含 气体、杂质愈少，气体、杂质愈少，充型能力愈好充型能力愈好。 v但在许多情况下合金是确定的，需从其他方面采取但在许多情况下合金是确定的，需从其他方面采取 措施提高合金的充型能力。措施提高合金的充型能力。 v所以，充型能力可以认为是考虑铸型及其他工艺因所以，充型能力可以认为是考虑铸型及其他工艺因 素影响的液态合金的流动性。素影响的液态合金的流动性。 材料成形基础铸造19 物质由液态转变为固态的过程称为凝固，铸造时由于固态金属均物质由液态转变为固态的过程称为凝固，铸造时由于固态金属均 为晶体，因此金属的凝固过程又称为结晶。为晶体，因此金属的凝固过程又称

9、为结晶。 1 1铸造合金的结晶铸造合金的结晶 铸造合金的结晶通过铸造合金的结晶通过晶核的形成晶核的形成和和晶体晶体的长大这两个相互联系的长大这两个相互联系 的基本过程来实现。实际铸造合金的结晶，大多是以的基本过程来实现。实际铸造合金的结晶，大多是以非均质方式非均质方式 形核形核。 材料成形基础铸造20 晶核的形成一般都是由于液态金属中的一些原子自发地聚晶核的形成一般都是由于液态金属中的一些原子自发地聚 集在一起，按金属晶体结构的固有规律排列起来，形成自发集在一起，按金属晶体结构的固有规律排列起来，形成自发 晶核晶核自发形核自发形核； 另一种则是由于液态金属中一些外来的微细的固态质点而另一种则是

10、由于液态金属中一些外来的微细的固态质点而 形成的外来晶核，即形成的外来晶核，即非均质形核，也称孕育（变质）处理非均质形核，也称孕育（变质）处理。 非均质形核所需能量较小，因而可以在较小过冷度下获得较非均质形核所需能量较小，因而可以在较小过冷度下获得较 多的晶核数目，这也是孕育（变质）处理技术可获得细晶铸多的晶核数目，这也是孕育（变质）处理技术可获得细晶铸 件的原因。件的原因。 材料成形基础铸造21 铸件的宏观组织铸件的宏观组织 u激冷晶区的晶激冷晶区的晶 粒细小粒细小; u柱状晶区的晶柱状晶区的晶 粒垂直于型壁排粒垂直于型壁排 列，且平行于热列，且平行于热 流方向流方向. u内部等轴晶区内部等

11、轴晶区 的晶粒较为粗大的晶粒较为粗大; 表层急冷晶区表层急冷晶区 中间柱状晶区中间柱状晶区 内部等轴晶区内部等轴晶区 材料成形基础铸造22 图图6-3 几种不同类型的铸件宏观组织示意图几种不同类型的铸件宏观组织示意图 （a）只有柱状晶）只有柱状晶;（b）表面细等轴晶加柱状晶）表面细等轴晶加柱状晶;（c）三个晶区都有）三个晶区都有;（d）只有等轴晶）只有等轴晶 材料成形基础铸造23 1. 1.逐层凝固逐层凝固 : 纯金属、共晶成分的合金及凝固区间很窄的合纯金属、共晶成分的合金及凝固区间很窄的合 金，在凝固过程中不存在凝固区，凝固时，随温度下降一层一层金，在凝固过程中不存在凝固区，凝固时，随温度下

12、降一层一层 向中心推进，固液相分界面较分明、光滑，不存在固液交错。合向中心推进，固液相分界面较分明、光滑，不存在固液交错。合 金凝固状态较好。如灰铸铁、铝硅合金、硅黄铜及低碳钢等，倾金凝固状态较好。如灰铸铁、铝硅合金、硅黄铜及低碳钢等，倾 向于逐层凝固方式。如图向于逐层凝固方式。如图6-4a）所示。）所示。 2. 2.体积凝固体积凝固 又称又称: :糊状凝固糊状凝固: :此类合金在凝固过程中凝固区一此类合金在凝固过程中凝固区一 般较大，甚至贯穿整个截面，由于固态枝晶的析出，会阻碍液态般较大，甚至贯穿整个截面，由于固态枝晶的析出，会阻碍液态 合金的流动；随着温度的下降把液态合金分割成多个区域，不

13、仅合金的流动；随着温度的下降把液态合金分割成多个区域，不仅 阻碍液态合金的流动，同时使补缩难以进行，所以会产生多种铸阻碍液态合金的流动，同时使补缩难以进行，所以会产生多种铸 造缺陷。如铝铜合金、锡青铜及球墨铸铁、高碳钢等，倾向于糊造缺陷。如铝铜合金、锡青铜及球墨铸铁、高碳钢等，倾向于糊 状凝固方式。如图状凝固方式。如图6-4b）所示。）所示。 3. 3.中间凝固中间凝固: :该类合金在凝固过程中凝固区的大小介于逐层凝该类合金在凝固过程中凝固区的大小介于逐层凝 固和糊状凝固之间，既有柱状晶又有等轴晶。大多数的合金都属固和糊状凝固之间，既有柱状晶又有等轴晶。大多数的合金都属 于该种凝固方式，但各种

14、合金又各有区别，如灰铸铁倾向于逐层于该种凝固方式，但各种合金又各有区别，如灰铸铁倾向于逐层 凝固，而锡青铜则倾向于糊状凝固。中碳钢、白口铁以及部分特凝固，而锡青铜则倾向于糊状凝固。中碳钢、白口铁以及部分特 种黄铜等，倾向于中间凝固方式种黄铜等，倾向于中间凝固方式 材料成形基础铸造24 逐层凝固逐层凝固中间凝固中间凝固体积凝固体积凝固 从上面的分析中不难发现：逐层凝固时，液态金属的充型能力较 强，而糊状凝固则较弱，尽管大多数的合金都属于中间凝固，在 铸造选材上，宜选择倾向于逐层凝固的合金，如灰铸铁，这样有 利于减少铸造缺陷的形成。 材料成形基础铸造25 1. 1.液态收缩液态收缩 2. 2.凝固

15、收缩凝固收缩 3. 3. 固态收缩固态收缩 材料成形基础铸造26 材料成形基础铸造27 v1合金的收缩 v 合金收缩的三个阶段即液态收缩、凝固收缩和固 态收缩，如图6-5所示。 v （1）液态收缩。金属液体的过热度越高，液态 收缩越大。 v （2）凝固收缩。结晶温度范围越宽，凝固收缩 越大。在凝固阶段若合金体积收缩得不到金属液的 及时补充，则会形成缩孔、缩松等缺陷。 材料成形基础铸造28 v液态收缩和凝固收缩，一般表现为铸型空腔内金属 液面的下降，是铸件产生缩孔或缩松的基本原因。 v 恒温下凝固的合金有确定的体收缩率，仅包括液、 固状态改变的收缩。而在一定温度范围内凝固的合 金其凝固收缩较为复

16、杂，包括液、固状态改变和温 度改变2部分引起的收缩。 材料成形基础铸造29 v（3）固态收缩。它将使铸件的形状、尺寸发生变 化，是铸件产生内应力、裂纹和变形等缺陷的主要 原因。常用的金属材料中，铸钢收缩最大，有色金 属次之，灰铸铁最小。 v灰铸铁收缩小主要是因析出石墨而引起体积膨胀的 结果。 v固态收缩常用线收缩率来表示。 材料成形基础铸造30 2影响收缩的因素 v合金总的收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩3个阶段收缩之和，它和 金属本身的化学成分、浇注温度以及铸型条件和铸件结构等因素有关。 v （1）化学成分不同成分合金的收缩率是不同的，如碳素钢随碳质量 分数的增加，凝固收缩率增加，而固态收

17、缩率略减。几种铁碳合金的收 缩率见表6-3。灰铸铁中，碳、硅质量分数越高，硫质量分数越低，则收 缩率越小。 v （2）浇注温度浇注温度主要影响液态收缩。浇注温度升高，可使合 金液态收缩率增加，则总收缩量相应增大。为减小合金液态收缩及氧化 吸气，并且兼顾流动性，浇注温度一般控制在高于液相线温度50 150。 v （3）铸件结构与铸型条件铸件的收缩并非自由收缩，而是受阻收缩。 其阻力来源于2个方面：一是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 收缩先后不一致，而相互制约产生阻力；二是铸型和型芯对收缩的机械 阻力。铸件收缩时受阻越大，实际收缩率就越小。因此，在设计和制造 模样时，应根据合金的种类和铸

18、件的受阻情况，综合考虑收缩率的影响。 材料成形基础铸造31 合金种类合金种类 铸造碳钢铸造碳钢 白口铸铁白口铸铁 灰铸铁灰铸铁 材料成形基础铸造32 v（1）缩孔与缩松 如果铸件的液态收缩和凝 固收缩得不到合金液体的补充，在铸件最后 凝固的某些部位会出现孔洞 v大而集中的孔洞称为缩孔 ；细小而分散的孔 洞称为缩松。 材料成形基础铸造33 v 缩松形成主要出现在结晶温度范围宽、呈糊 状凝固方式的铸造合金中。缩松形成过程示 意图，如图6-7所示。 这类合金倾向于糊状 凝固或中间凝固方式， v它分布在整个铸件断面上，一般出现在铸件 壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口 附近，也常分布在集中缩孔的下

19、方。 材料成形基础铸造34 预防措施 v为了防止铸件产生缩孔、缩松，在铸件结构 设计时应避免局部金属积聚。 v工艺上，应针对合金的凝固特点制定合理的 铸造工艺，常采取“顺序凝固”和“同时凝 固”2种措施。 材料成形基础铸造35 v1）顺序凝固原则即采用各种工艺措 施，使铸件各部分按规定方向从一 部分到另一部分逐渐凝固（通常是 向冒口方向凝固）。例如，阶梯形 铸件如图6-8所示，金属液从内浇道 通过冒口从厚部进入，此处合金 液温度最高，从而在铸件纵断面上 建立一个从薄部到厚部逐渐递增的 温度梯度，实现冒口 方向的顺序凝固。 材料成形基础铸造36 1)“ 1)“顺序凝固顺序凝固” （定向凝固定向凝

20、固） 定向凝固的主要措施：定向凝固的主要措施：”。 冒口冒口在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空腔。在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空腔。 冒口作用：冒口作用： 冷铁冷铁 冒口分冒口分明明、暗暗冒口，用于铸件内部冒口，用于铸件内部“厚大热节厚大热节”处；处； 材料成形基础铸造37 v2）同时凝固原则即采用相应工 艺措施使铸件各部分温度均匀， 在同一时间内凝固。例如，在阶 梯形铸件在厚壁处放置冷铁， 如图6-9所示。以加快的冷却， 在薄壁处开设多个内浇道，使 此处始终保持高温，则铸件在纵 断面上得到均匀的温度场，从而 达到、三部分同时凝固 的目的。 材料成形基础铸造38 2）铸造应力、变形和裂

21、纹铸件 v固态收缩受到阻碍而引起的内应力称为铸造应力。 当铸造应力达到一定数值时，可导致铸件变形或出 现裂纹。 v 1）铸造应力铸件的固态收缩受到阻碍而引起的 应力称为铸造应力。 v 2）按阻碍收缩的原因可将铸造应力可分为热应 力和机械应力。 材料成形基础铸造39 v机械应力是铸件的固态收缩时受到铸型、型芯及浇 冒口等机械阻碍而引起的应力，如图6-10所示。机 械应力一般都是拉应力。当形成应力的原因一经消 除（如落砂，打断浇、冒口）后，应力也随之消失。 因此，机械应力是一种临时应力。 材料成形基础铸造40 v热应力是因铸件壁厚不均匀，结构复杂，使 各部分冷却收缩不一致，又彼此制约而引起 的应力

22、。 v下面以应力框铸件应力的形成过程为例，讨 论热应力的形成过程，如图6-11所示。 材料成形基础铸造41 v图6-11（a）是应力框铸件，它由粗杆1和2根细杆2 以及上、下横梁3构成。图6-11（b）中的T1和T2是 铸件粗杆1和细杆2的温度变化曲线，横坐标表示铸 件的冷却时间，纵坐标T表示铸件的温度。图6-11 （c）是铸件在冷却过程中粗杆1和细杆2的温差变 化曲线。图6-11（d）为应力框铸件在冷却过程中粗 杆1和细杆2的应力变化曲线。 材料成形基础铸造42 材料成形基础铸造43 材料成形基础铸造44 v 2）铸造变形与裂纹如前所 述，当铸件中存在内应力时， 就将会使其处于不稳定状态。 当铸造应力值超过合金的屈 服强度时，铸件将发生塑性 变形；当铸造应力值超过合 金的抗拉强度时，铸件将产 生裂纹。 材料成形基础铸造45 v对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特 点的杆类、轮类及板类等铸件，当残余 铸造 应力超过铸件材料的屈服强度时，往往产生 翘曲变形。 v一般来说，薄壁或外层部位冷却速度快