第四章 凝固成形技术2-1

1、 金属的液态成形与半固态成形技术金属的液态成形与半固态成形技术 金属塑性加工金属塑性加工 粉末材料的成形与固结粉末材料的成形与固结 高分子材料成形与加工高分子材料成形与加工 材料的连接材料的连接金属的液态成形金属的液态成形 与与半固态成形技术半固态成形技术第第 四四 章章v 液态成形概述v 液态成形工艺基础 v 凝固成形的方法v 半固态成形v 快速凝固成形 第四章第四章 金属的液态成形与半固态成形技术金属的液态成形与半固态成形技术【重点【重点】q 影响合金流动性和收缩性的因素；影响合金流动性和收缩性的因素；q 缩孔和缩松的产生原因及防止措施；缩孔和缩松的产生原因及防止措施；【目标要求【目标要求

2、】q 掌握合金的铸造性能及其对铸件质量的影响；掌握合金的铸造性能及其对铸件质量的影响；q 掌握防止缩孔和缩松的措施；掌握防止缩孔和缩松的措施；q 掌握铸造应力和变形的危害及产生原因；掌握铸造应力和变形的危害及产生原因；q 掌握凝固成形基本方法的特点及适用范围。掌握凝固成形基本方法的特点及适用范围。 第四章第四章 金属的液态成形与半固态成形技术金属的液态成形与半固态成形技术第一节第一节 金属的液态成形概述金属的液态成形概述 液态成形液态成形又称又称 “凝固成形凝固成形”、“铸造铸造”。液态成形液态成形-将材料熔化成一定成分和一定温度的将材料熔化成一定成分和一定温度的液体，然后在重力或外力作用下浇

3、入到具有一定形状、液体，然后在重力或外力作用下浇入到具有一定形状、尺寸大小的型腔中，经凝固冷却后便形成所需要的零件尺寸大小的型腔中，经凝固冷却后便形成所需要的零件的技术。的技术。 铸造一般按造型方法来分类铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为，习惯上分为 1）普通砂型铸造普通砂型铸造（包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型）三类（包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型）三类 2）特种铸造：特种铸造： 特种铸造按特种铸造按造型材料造型材料的不同的不同，又可分为两大类：，又可分为两大类： （1）以天然矿产砂石作为主要造型材料：）以天然矿产砂石作为主要造型材料：如熔模铸造、壳型铸 造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造

4、、陶瓷型铸造等； （2）以金属作为主要铸型材料：）以金属作为主要铸型材料：如金属型铸造、离心铸造、压 力铸造、低压铸造等。 铸造工艺可分为铸造工艺可分为三个基本部分三个基本部分: :铸造金属准备铸造金属准备、铸型准备铸型准备和和铸件处铸件处理理。 1 1）铸造金属准备：）铸造金属准备： 铸造金属铸造金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合一种金属元素为主要成分，并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金习惯上称为铸造合金，主要有铸铁

5、、铸钢和铸造有色合金。 金属熔炼金属熔炼不仅仅是单纯的熔化，还包括冶炼过程，使浇进铸不仅仅是单纯的熔化，还包括冶炼过程，使浇进铸型的金属，在型的金属，在温度、化学成分和纯净度方面温度、化学成分和纯净度方面都符合预期要求。都符合预期要求。 2 2）铸型准备：）铸型准备：不同的铸造方法有不同的铸型准备内容。不同的铸造方法有不同的铸型准备内容。 砂型铸造，铸型准备包括造型材料准备和造型造芯两大项工作。 造型材料：造型材料：砂型铸造中用来造型造芯的各种原材料，如铸造砂、型砂粘结剂和其他辅料，以及由它们配制成的型砂、芯砂、涂料等统称为造型材料。 造型造芯造型造芯是根据铸造工艺要求，在确定好造型方法，准备

6、好造型材料的基础上进行的。 铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。铸件的精度和全部生产过程的经济效果，主要取决于这道工序。 3）铸件处理：）铸件处理： 铸件自浇注冷却的铸型中取出后，有浇口、冒口及金属毛刺披缝铸件自浇注冷却的铸型中取出后，有浇口、冒口及金属毛刺披缝，砂型铸造的铸件还粘附着砂子，因此必须经过清理工序。，砂型铸造的铸件还粘附着砂子，因此必须经过清理工序。 进行这种工作的设备有抛丸机、浇冒口切割机等。有些铸件因特殊要求，还要后处理：热处理、整形、防锈、粗加工等。 1 1）优点：）优点： （1 1）可以生产形状复杂的零件，尤其复杂内腔的毛坯；）可以生产形状复杂的零件，

7、尤其复杂内腔的毛坯； （2 2）工艺灵活性大，适应性广，工业常用的金属材料均可铸造。几克）工艺灵活性大，适应性广，工业常用的金属材料均可铸造。几克几百吨，壁厚几百吨，壁厚0.3mm0.3mm1m1m； （3 3）铸造成本较低：原材料来源广泛，价格低廉；）铸造成本较低：原材料来源广泛，价格低廉； （4 4）铸件的形状尺寸与零件非常接近）铸件的形状尺寸与零件非常接近, ,减少切削量，属少无切削加工。减少切削量，属少无切削加工。 2 2）缺点）缺点: : （1 1）力学性能较差）力学性能较差( (组织疏松、晶粒粗大，缩孔、缩松、孔缺陷组织疏松、晶粒粗大，缩孔、缩松、孔缺陷) )； （2 2） 铸件工

8、序多，质量不稳定；铸件工序多，质量不稳定； （3 3） 砂型铸造中，单件、小批，工人劳动强度大。砂型铸造中，单件、小批，工人劳动强度大。3 3） 应用应用 内燃机关键零件，铸件重量占内燃机关键零件，铸件重量占80809090；汽车中铸件占汽车中铸件占1919（轿车）、（轿车）、2323（卡车）；（卡车）；机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中，铸件重量占机床、拖拉机、液压泵、阀和通用机械中，铸件重量占65658080。【教学内容【教学内容】 液态金属的结构与性质；液态金属的结构与性质； 液固特征差别；液固特征差别； 铸件的凝固；铸件的凝固； 液态成形性能：液态成形性能：合金的充型能力、收缩性及影

9、响的因素；合金铸造性能的概念；铸造性能对铸件质量的影响（产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹、气孔、夹杂等缺陷）及如何应对。第二节 液态成形工艺基础第二节 液态成形工艺基础【教学目标【教学目标】掌握掌握合金的铸造性能及其对铸件质量的影响；合金的铸造性能及其对铸件质量的影响； 掌握掌握防止缩孔和缩松的措施；防止缩孔和缩松的措施；掌握掌握铸造应力和变形的产生原因、危害及减小和消铸造应力和变形的产生原因、危害及减小和消除的措施。除的措施。 实验表明，金属的熔化是从晶界开始的，是原子间结实验表明，金属的熔化是从晶界开始的，是原子间结合的局部破坏。合的局部破坏。 液态金属的结构：液态金属的结构： l l）液

10、态金属是由游动的原子团构成。原子团呈液态金属是由游动的原子团构成。原子团呈近程有序状态。近程有序状态。2 2）液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬液态金属中的原子热运动强烈，原子所具有的能量各不相同，且瞬息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为息万变，这种原子间能量的不均匀性，称为能量起伏。能量起伏。3 3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，此起彼伏的，称为此起彼伏的，称为结构起伏结构起伏。4 4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不对于多元素液态金属而言，同一种元素在不

11、同原子团中的分布量不同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。成分起伏。 金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上就是原子由近程有序状金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上就是原子由近程有序状态过渡为长程有序状态的过程态过渡为长程有序状态的过程. .液态金属的结构特征液态金属的结构特征液态金属的性质：液态金属的性质：具有具有粘度粘度和和表面张力表面张力等特性。等特性。 粘度粘度是介质中一部分质点对另一部分质点作相对是介质中一部分质点对另一部分质点作相对运动时所受到的阻力。运动时所受到的阻力。 表面张力表面张力是在液体表面上平行于表面方向、且

12、在是在液体表面上平行于表面方向、且在各方向均相等的张力。各方向均相等的张力。 体积改变体积改变：材料由液态转变成固态后，体积一般将缩小：材料由液态转变成固态后，体积一般将缩小3%3%5%5%，原子平均间距减小，原子平均间距减小1%1%1.7%1.7%。外形改变外形改变：外形保持液：外形保持液固转变前的容器形状。固转变前的容器形状。产生凝固潜热产生凝固潜热：熵值改变熵值改变：熵值减小，说明固体结构比液体更：熵值减小，说明固体结构比液体更“整齐整齐”。结构改变结构改变：由液相的：由液相的“近程有序近程有序”变为固体的变为固体的“远程有序远程有序”。发生溶质再分配发生溶质再分配：凝固的具体条件不同，

13、溶质再分配的规律：凝固的具体条件不同，溶质再分配的规律亦不同。亦不同。亚共晶灰铸铁冷却曲线亚共晶灰铸铁冷却曲线 微元体凝固过程的溶质再分配现象微元体凝固过程的溶质再分配现象 凝固凝固: :物质由液态转变为固态的过程称为物质由液态转变为固态的过程称为凝固凝固。 铸造的实质铸造的实质就是液态金属逐步冷却凝固而成形。就是液态金属逐步冷却凝固而成形。 铸件的宏观组织铸件的宏观组织指的是铸态晶粒的形态、大小、指的是铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况；取向和分布等情况；铸件的微观组织铸件的微观组织的概念包括晶粒内部的亚结构的形状、的概念包括晶粒内部的亚结构的形状、大小和相对分布，以及各种缺陷等。大小和

14、相对分布，以及各种缺陷等。 铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、理化性能铸件的凝固组织对金属材料的力学性能、理化性能影响很大。影响很大。 一般可能存在有三个不同的晶区一般可能存在有三个不同的晶区：表面细晶粒区，表面细晶粒区，它是紧靠型壁的一个外壳层，由紊乱它是紧靠型壁的一个外壳层，由紊乱排列的细小等轴晶所组成；排列的细小等轴晶所组成；柱状晶区，柱状晶区，由自外向内沿着热流方向彼此排列的柱状由自外向内沿着热流方向彼此排列的柱状晶所组成；晶所组成；内部等轴晶区，内部等轴晶区，由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。由紊乱排列的粗大等轴晶所组成。 铸件宏观组织铸件宏观组织铸件可能有的几种组织铸件可能有的几种组

15、织a)a)除激冷区外全为柱状晶除激冷区外全为柱状晶 b) b) 部分柱状晶部分等轴晶部分柱状晶部分等轴晶 c) c) 全部等轴晶全部等轴晶 铸件宏观组织铸件宏观组织 铸锭三个晶区形成的基本过程：铸锭三个晶区形成的基本过程： 表面细晶粒区表面细晶粒区: : 柱状晶区柱状晶区: : 内部等轴晶区内部等轴晶区: : 铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响铸件结晶组织对铸件质量和性能的影响 (1)(1)表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。表面细晶粒区薄，对铸件的质量和性能影响不大。 铸件的质量与性能铸件的质量与性能主要取决于主要取决于柱状晶区柱状晶区与与等轴晶等轴晶区的区的比例比例以及以及晶粒的晶

16、粒的大小大小。 铸件宏观组织铸件宏观组织 生长过程中凝固区域生长过程中凝固区域窄窄，横向生长受到相邻晶体的阻，横向生长受到相邻晶体的阻碍，枝晶不能充分发展，分枝少，碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间结晶后显微缩松等晶间杂质少，组织致密。杂质少，组织致密。 但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能具有明显的方向性：具有明显的方向性：纵向好、横向差。纵向好、横向差。凝固界面前方常汇凝固界面前方常汇集有较多的第二相杂质气体集有较多的第二相杂质气体 ，将导致铸件热裂。，将导致铸件热裂。 柱状晶的晶界平行排列，柱状晶的晶界平行排列，有益

17、于提高高温下工作零件有益于提高高温下工作零件的蠕变抗力；还能使磁性材料的性能大为提高；特别可以的蠕变抗力；还能使磁性材料的性能大为提高；特别可以使航空发动机叶片的寿命和性能大幅度提高。使航空发动机叶片的寿命和性能大幅度提高。 获得柱状晶的理想途径是定向凝固技术。获得柱状晶的理想途径是定向凝固技术。 （1 1）柱状晶）柱状晶 晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之晶界面积大，杂质和缺陷分布比较分散，且各晶粒之间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。间位向也各不相同，故性能均匀而稳定，没有方向性。 若进一步加以细化，则能克服等轴枝晶分枝发达，显若进一步加以细化，则能克服等轴枝晶分枝

18、发达，显微缩松多的缺点，可进一步提高综合性能。微缩松多的缺点，可进一步提高综合性能。 因此，等轴晶等轴晶是是生产中生产中( (对一般钢铁材料和塑性较差对一般钢铁材料和塑性较差的有色金属）的有色金属）优选的优选的宏观组织形态。宏观组织形态。（2 2）等轴晶）等轴晶 强化非自发形核，促进晶粒游离，抑制柱状晶区的形成和发展。 工艺上能采取的工艺措施有下列几条：工艺上能采取的工艺措施有下列几条： 适当降低浇注温度：适当降低浇注温度： 合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用： 孕育处理孕育处理: : 动态晶粒细化：动态晶粒细化：在合金凝固初期，直接对合金液施以振动、搅拌

19、或旋转，都可以在液相中产生大量的游离晶体，细化等轴晶。 （3 3）等轴晶组织的获得和细化）等轴晶组织的获得和细化合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用合理运用铸型对液态合金的强烈激冷作用 a)a)砂型砂型 b) b) 金属型金属型” 1、原始炉料、原始炉料 合金原材料的原始状态对合金熔体及最终产品的微观合金原材料的原始状态对合金熔体及最终产品的微观组织有着特殊的遗传效应。组织有着特殊的遗传效应。 2 2、孕育处理、孕育处理 向液态合金中添加少量物质，以达到细化晶粒，改善向液态合金中添加少量物质，以达到细化晶粒，改善组织的一种常用方法。组织的一种常用方法。 向铸铁液中加添加剂的方法，称为向铸铁液中

20、加添加剂的方法，称为孕育处理孕育处理； 向有色合金中加添加剂的方法叫向有色合金中加添加剂的方法叫变质处理变质处理。 3 3、铸件的温度场、铸件的温度场 铸件的温度场：铸件的温度场：合金液充满型腔后，在凝固和冷却的合金液充满型腔后，在凝固和冷却的某某瞬间瞬间，铸件横断面上的温度分布曲线铸件横断面上的温度分布曲线称为铸件的温度场。称为铸件的温度场。 温度梯度：温度梯度：温度场的变化速率称温度梯度，即铸件的冷温度场的变化速率称温度梯度，即铸件的冷却速率。却速率。 冷却速度越大，金属液的过冷度越大，产生的晶核数冷却速度越大，金属液的过冷度越大，产生的晶核数目越多，则晶粒越细。目越多，则晶粒越细。 4

21、4、铸件的凝固区域、铸件的凝固区域 铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外，断面上一般都存在三个区域：，断面上一般都存在三个区域：液相区液相区、凝固区凝固区( (固液固液两相区两相区) )和和固相区。固相区。 三个区域中，三个区域中，固液两相区固液两相区的性质与凝固件最终的的性质与凝固件最终的健全性关系最为密切。健全性关系最为密切。 金属或合金凝固分区示意金属或合金凝固分区示意 1 1）凝固动态曲线的绘制）凝固动态曲线的绘制 在凝固件横断面处设置温度传感元件-热电偶，以测量冷却曲线，即温度-时间曲线。根据不同断面的冷却曲线，结合该合金的相图，便可以

22、绘出凝凝固件断面固件断面液相线液相线- -固相线固相线与与凝固时间凝固时间的关系的关系凝固动态曲线凝固动态曲线。 由凝固件断面的凝固动态曲线，可以看出合金在凝固件中的凝固由凝固件断面的凝固动态曲线，可以看出合金在凝固件中的凝固方式。方式。表示凝固时的固相边界的曲线，叫“凝固终点波”；表示凝固时的液相边界的曲线，叫“凝固始点波”。 5 5、凝固动态曲线与凝固方式凝固动态曲线与凝固方式工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线工业纯铝铸件断面的凝固动态曲线 在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。两相并存的凝固区的宽窄。铸件的铸件

23、的“凝固方式凝固方式”就是依据凝就是依据凝固区的宽窄来划分的。固区的宽窄来划分的。 三种凝固方式：三种凝固方式：逐层凝固：逐层凝固：糊状凝固：糊状凝固：中间凝固：中间凝固：2 2）凝固方式）凝固方式 凝固动态曲线中，固液相线凝固动态曲线中，固液相线间距很窄，凝固的自始至终，间距很窄，凝固的自始至终，仅有很薄一层的两相共存区，仅有很薄一层的两相共存区，凝固壳由表面至中心逐渐加凝固壳由表面至中心逐渐加厚，这种凝固方式就是厚，这种凝固方式就是逐层逐层凝固凝固；纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。2 2）凝固方式）凝固方式-

24、凝固动态曲线中，凝固动态曲线中，固液相线的间距很宽，固液相线的间距很宽，在很长一段凝固时间内，在很长一段凝固时间内，固液共存的两相凝固区固液共存的两相凝固区几乎贯穿于整个铸件的几乎贯穿于整个铸件的断面，这种凝固方式被断面，这种凝固方式被称为糊状凝固。称为糊状凝固。2 2）凝固方式）凝固方式- 大多数合金的凝大多数合金的凝固是介于逐层凝固和固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为糊状凝固之间，称为中间凝固。中间凝固。2 2）凝固方式）凝固方式- 凝固方式一般由凝固方式一般由合金固液相线温度间隔合金固液相线温度间隔和和凝固件断面温度梯度凝固件断面温度梯度两两个因素决定。个因素决定。 （1）合金固液相线

25、温度间隔）合金固液相线温度间隔范围范围 凝固温度间隔大的合金，倾向于糊状凝固凝固温度间隔大的合金，倾向于糊状凝固；范围小范围小,凝固区窄凝固区窄,愈愈倾向于逐层凝固倾向于逐层凝固。 （2 2）温度梯度温度梯度 当合金成分确定后，温度梯度则成为主要因素。当合金成分确定后，温度梯度则成为主要因素。梯度很大的温度场可以使宽结晶温度范围的合金成为中间凝固方式，甚至成为逐层凝固方式；梯度很小的温度场可以使窄结晶温度范围的合金成为糊状凝固方式。 影响影响温度梯度的因素温度梯度的因素： a. a. 铸型条件铸型条件 b. b. 合金热导率合金热导率 c. c. 合金本身的凝固温度合金本身的凝固温度 3）凝固

26、方式的影响因素）凝固方式的影响因素铸型条件对温度梯度的影响铸型条件对温度梯度的影响 合金固液相线温度间隔对凝固方式的影响合金固液相线温度间隔对凝固方式的影响 合金的热导率对温度梯度的影响合金的热导率对温度梯度的影响 合金凝固温度对温度梯度的影响合金凝固温度对温度梯度的影响 四、合金液态成形性能 铸件在液态成形过程中将经历金属液的充填、凝固、铸件在液态成形过程中将经历金属液的充填、凝固、收缩、吸气、偏析和形成非金属夹杂物等一系列过程，收缩、吸气、偏析和形成非金属夹杂物等一系列过程，这些过程将极大地影响铸件质量和铸造工艺。这些过程将极大地影响铸件质量和铸造工艺。 合金铸造性能的概念合金铸造性能的概

27、念合金铸造性能：合金铸造性能：合金在铸造成形的整个工艺过程中，合金在铸造成形的整个工艺过程中，容易容易获得获得外形正确外形正确、内部健全内部健全铸件的能力，称为铸造性铸件的能力，称为铸造性能。能。 优质铸件：优质铸件： 1)轮廓清晰、尺寸准确、表面光洁轮廓清晰、尺寸准确、表面光洁。能生产出近于终。能生产出近于终形铸件是现代铸造要达到的目标。形铸件是现代铸造要达到的目标。 2)质地致密，无铸造缺陷。质地致密，无铸造缺陷。 合金的铸造性能通常用合金的铸造性能通常用充型能力充型能力、流动性、流动性、收缩性收缩性等来衡量。等来衡量。液态合金的充型能力液态合金的充型能力：液态金属充满型液态金属充满型腔，

28、获得腔，获得形状完整形状完整，轮廓清晰轮廓清晰铸件的能力。铸件的能力。 1 1、合金的充型能力、合金的充型能力充型能力不足充型能力不足:易产生浇不足、冷隔等，不能得到完整易产生浇不足、冷隔等，不能得到完整的零件。的零件。 冷冷 隔隔 未未 注注 满满 液态金属的充型能力，液态金属的充型能力，首先首先取决于取决于液态金属本身的液态金属本身的流动能力流动能力，即熔融金属的流动性，同时又受外界条件，即熔融金属的流动性，同时又受外界条件，如铸型条件、浇注条件、铸件结构如铸型条件、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各等因素的影响，是各种因素的综合反映。种因素的综合反映。 这些因素通过两个途径发生作用：这

29、些因素通过两个途径发生作用： 金属与铸型之间的金属与铸型之间的热交换热交换条件，流动时间；条件，流动时间； 金属液在铸型中的金属液在铸型中的水动力学水动力学条件，流动速度。条件，流动速度。 影响充型能力的因素影响充型能力的因素 （1 1）内在因素）内在因素合金的流动性合金的流动性 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，是影响合是影响合金充型能力的内在因素金充型能力的内在因素，它主要与合金本身的它主要与合金本身的成分，温成分，温度度和和物理性质物理性质有关有关。 合金的流动性是金属的铸造性能之一。合金的流动性是金属的铸造性能之一。 影响充型能力的因素影响充型能力

30、的因素 流动性用金属液在流动性试样铸型内流动的最大长度流动性用金属液在流动性试样铸型内流动的最大长度(L(Lf f) )来表来表示。示。 测定流动性的方法：测定流动性的方法：铸造合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试样的长度来衡量。合金的化学成分是影响合金流动性的主要因素合金的化学成分是影响合金流动性的主要因素：v 恒温下结晶的纯金属和共晶合金具有逐层凝固方式，流动性好；恒温下结晶的纯金属和共晶合金具有逐层凝固方式，流动性好；v 宽结晶温度范围的合金呈糊状凝固方式，流动性差。宽结晶温度范围的合金呈糊状凝固方式，流动性差。合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性合金液的粘度、结晶

31、潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响都有影响 影响充型能力的因素影响充型能力的因素合合 金金造型材料造型材料浇 注 温 度浇 注 温 度()()螺旋线长度螺旋线长度(mm)(mm)铸铁铸铁(C+Si(C+Si=6.2=6.2) )(C+Si(C+Si=5.9=5.9) ) (C+Si(C+Si=5.2=5.2) ) (C+Si(C+Si=4.9=4.9) ) 砂砂 型型13001300130013001300130013001300180018001300130010001000600600铸钢铸钢(C(C，4.24.2) )砂砂 型型160016001600160010010020

32、0200铝硅合金铝硅合金金属型金属型(300)(300)690690720720100100800800镁合金镁合金(Mg-Al-Zn)(Mg-Al-Zn)砂砂 型型700700400400600600锡青铜锡青铜(Sn(Sn，9 9llll) )(Zn(Zn，2 2一一4 4) )硅黄铜硅黄铜(Si(Si，1.51.54.54.5) )砂砂 型型104010401100110042042010001000常用铸造合金的流动性常用铸造合金的流动性 铸型条件铸型条件、浇注条件浇注条件和和铸件结构铸件结构等因素对合金的充型等因素对合金的充型能力有重要影响。能力有重要影响。 铸型条件：铸型条件： 铸

33、型导热能力铸型导热能力: : 导热导热 金属降温快金属降温快，充充。 铸型温度铸型温度: : t t ，充充。 铸型中气体铸型中气体: : 排气能力排气能力 ，充充 。减少气体来源,提高透气性；少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.（2 2）影响充型能力的外界因素）影响充型能力的外界因素浇注条件：浇注条件： 浇注温度浇注温度: t,: t,充型能力充型能力。但过高，缩孔，粘砂，气孔等。但过高，缩孔，粘砂，气孔等。 充型压力充型压力: : 在流动方向上所受的压力在流动方向上所受的压力，充型能力，充型能力 铸件结构条件：铸件结构条件： 铸型结构若不合理，充铸型结构若不合

34、理，充。 铸件模数铸件模数（折算厚度）-铸件的体积和散热表面积之比。铸件的体积和散热表面积之比。 设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值厚值 。（2 2）影响充型能力的外界因素）影响充型能力的外界因素 为了提高合金的充型能力，（内在因素）应尽量选为了提高合金的充型能力，（内在因素）应尽量选用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金；应尽量用共晶成分合金，或结晶温度范围小的合金；应尽量提高金属液的质量，金属液愈纯，则所含气体、杂质提高金属液的质量，金属液愈纯，则所含气体、杂质愈少，充型能力愈好。但在许多情况下，合金成分是愈少，充型能力愈好。但

35、在许多情况下，合金成分是确定的，如对上述因素（外在条件）能加以控制或改确定的，如对上述因素（外在条件）能加以控制或改变，则可提高合金的充型能力。变，则可提高合金的充型能力。 充型能力可以认为是考虑铸型及其他工艺因素影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。响的液态合金的流动性。 1 1、合金的充型能力、合金的充型能力 1 1）收缩：）收缩：铸件在凝固和冷却到室温过程中，其体积和尺寸都将铸件在凝固和冷却到室温过程中，其体积和尺寸都将减少，这种现象被称收缩减少，这种现象被称收缩。 2 2）合金收缩的三个阶段：）合金收缩的三个阶段：液态收缩、液态收缩、凝固收缩凝固收缩、固态收

36、缩固态收缩 液态收缩液态收缩液态合金从液态合金从浇注温度浇注温度降低到降低到凝固开始凝固开始的温度时，所的温度时，所发生的体积收缩。发生的体积收缩。 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比。 合金的液态收缩主要表现为液面的降低合金的液态收缩主要表现为液面的降低。 为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度浇注温度一般一般控制在高于液相线温度控制在高于液相线温度5050150150。2 2、合金的收缩、合金的收缩 1 1）收缩：）收缩：铸件在凝固和冷却到室温过程中，

37、其体积和尺寸都将铸件在凝固和冷却到室温过程中，其体积和尺寸都将减少，这种现象被称收缩减少，这种现象被称收缩。 2 2）合金收缩的三个阶段：）合金收缩的三个阶段：液态收缩、液态收缩、凝固收缩凝固收缩、固态收缩固态收缩 2 2、合金的收缩、合金的收缩铸件温度降低铸件温度降低浇注温度浇注温度室温室温凝固终止温度凝固终止温度开始凝固温度开始凝固温度液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固态收缩固态收缩 体积收缩体积收缩线收缩线收缩液态收缩液态收缩液态合金从液态合金从浇注温度浇注温度降低到降低到凝固开始凝固开始的温度时，所发生的体积收缩。的温度时，所发生的体积收缩。 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温

38、度液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝固的温度的温差成正比的温差成正比。 合金的液态收缩主要表现为液面的降低合金的液态收缩主要表现为液面的降低。 为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度浇注温度一般控制在高于液相线温度一般控制在高于液相线温度5050150150。2 2、合金的收缩、合金的收缩-液态收缩液态收缩 凝固收缩凝固收缩指合金在指合金在液相线液相线和和固相线固相线之间凝固阶段的收缩。之间凝固阶段的收缩。 纯金属和共晶合金等的结晶温度为一定值，凝固收缩只由液、固状态纯金属和共晶合金等的结晶温度为一定值，凝固收缩只由液、固状态改变引

39、起。大多数合金，都具有一定的结晶温度范围，使得凝固收缩由改变引起。大多数合金，都具有一定的结晶温度范围，使得凝固收缩由状状态改变态改变和和温度下降温度下降两部分引起，结晶温度范围越大，则凝固收缩率越大。两部分引起，结晶温度范围越大，则凝固收缩率越大。 固态收缩固态收缩指合金从指合金从固相线固相线温度冷却到温度冷却到常温时常温时的收缩。的收缩。 固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，通常用线收缩率表示固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，通常用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大。它对铸件形状和尺寸精度影响很大。 合金的合金的总体积收缩总体积收缩为液态收缩，凝固收缩和固态收缩三个

40、阶段收缩之和为液态收缩，凝固收缩和固态收缩三个阶段收缩之和，它和金属本身的成分、温度以及冷却凝固过程中的组织转变有关。，它和金属本身的成分、温度以及冷却凝固过程中的组织转变有关。2 2、合金的收缩、合金的收缩3 3）合金的收缩对铸件的质量影响合金的收缩对铸件的质量影响 液态收缩液态收缩和和凝固收缩凝固收缩都使合金体积减小，都使合金体积减小，液态收缩液态收缩一般表现为铸型内液面的降低。一般表现为铸型内液面的降低。凝固收缩凝固收缩如果没有外来如果没有外来金属液的补充，则在铸件内形成缩孔和缩松，是铸件中金属液的补充，则在铸件内形成缩孔和缩松，是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因产生缩孔或缩松的基本原因；

41、 而而固态收缩固态收缩则是铸件产生铸造则是铸件产生铸造应力，变形，应力，变形，裂纹的裂纹的主要原因。主要原因。它对铸件形状和尺寸精度影响很大它对铸件形状和尺寸精度影响很大。2 2、合金的收缩、合金的收缩4 4）合金的收缩量的计算）合金的收缩量的计算合金的收缩量可以用体收缩率和线收缩率来表示。它们分别定义为：合金的收缩量可以用体收缩率和线收缩率来表示。它们分别定义为： 体收缩率体收缩率 线收缩线收缩率率V V0 0, ,V V1 1是合金在温度为是合金在温度为T T0 0，T T1 1时的体积，时的体积，l l0 0 ，l l1 1是合金在温度为是合金在温度为T T0 0， T T1 1时的长时

42、的长度，度，v v，1 1是合金在是合金在( (T T0 0 T T1 1) )温度范围的体收缩系数和线收缩系数。温度范围的体收缩系数和线收缩系数。合金的体收缩系数和线收缩系数之间存在合金的体收缩系数和线收缩系数之间存在v v=3=31 1, , v v=3=3l l的关系。的关系。 %100)(%10010010ttVVVvv%100)(%10010010ttlllllv2 2、合金的收缩、合金的收缩在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔

43、的尺寸。模型腔的尺寸。3.33.34.24.20.10.13.63.6140014003.503.50灰口铸铁灰口铸铁5.45.46.36.34.24.22.42.4140014003.003.00白口铸铁白口铸铁7.867.863.03.01.61.6161016100.350.35碳钢碳钢固态收缩固态收缩（）（）凝固收缩凝固收缩（）（）液态收缩液态收缩（）（）浇注温度浇注温度（ ）碳含量碳含量（）（） 合合 金金 种种 类类 表表 典型合金的收缩率典型合金的收缩率V V2 2、合金的收缩、合金的收缩5 5）影响）影响铸件铸件收缩的因素收缩的因素铸件的实际收缩不仅与合金本身的收缩性能有关，还

44、与铸件的实际收缩不仅与合金本身的收缩性能有关，还与浇注条件、铸型条件和铸件结构等因素有关。浇注条件、铸型条件和铸件结构等因素有关。 化学成分化学成分: 铸铁中促进石墨形成的元素增加铸铁中促进石墨形成的元素增加，收缩减少收缩减少 浇注温度浇注温度: : 温度温度 液态收缩液态收缩 铸件结构与铸型条件铸件结构与铸型条件 铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍，铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍，实际收缩实际收缩小小于于自由收缩自由收缩。 2 2、合金的收缩、合金的收缩 体积大而集中的孔洞称为体积大而集中的孔洞称为缩孔缩孔；细小而分散的孔洞称；细小而分散的孔洞称为为缩松缩松。 （1）缩孔）缩孔 形成

45、：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充形成：凝固体积收缩，得不到液态金属的补充 逐层逐层凝固凝固 通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固通过液态金属的流动使收缩集中于铸件最后凝固部位部位集中集中缩孔。缩孔。 缩孔产生的部位在铸件的最后凝固区域缩孔产生的部位在铸件的最后凝固区域，如壁的上部，如壁的上部或中心处。或中心处。 6 6）缩孔和缩松）缩孔和缩松“缩孔形成过程缩孔形成过程” 热节热节-是铸件上凝固较慢的节点或区域是铸件上凝固较慢的节点或区域。（铸件两壁相交处因金属积聚凝固较晚，也易产生缩孔，此处称为热节。） 生产中常用画生产中常用画 凝固等温线凝固等温线 和和画画 内切圆内切圆 的方法的

46、方法来近似确定缩孔位置。来近似确定缩孔位置。6 6）缩孔和缩松）缩孔和缩松用凝固等温线确定缩孔位置的示意图用凝固等温线确定缩孔位置的示意图内切圆法确定缩孔位置内切圆法确定缩孔位置 （2）缩松缩松： 糊状凝固糊状凝固糊状区、液固共存糊状区、液固共存液体流动困难液体流动困难晶间树枝间得不到补充晶间树枝间得不到补充 分散的小缩孔分散的小缩孔6 6）缩孔和缩松）缩孔和缩松缩松形成过程的示意缩松形成过程的示意 （ 3 ）危害：）危害：受力有效受力有效F ，应力集中，强度，应力集中，强度 ， 气密性气密性 、耐蚀性耐蚀性 、 铸造裂纹铸造裂纹（4）缩孔、缩松的控制）缩孔、缩松的控制 收缩必然性收缩必然性缩

47、孔或缩松缩孔或缩松取决于凝固方式（层、糊）取决于凝固方式（层、糊） 影响凝固方式因素：影响凝固方式因素： 成分、温度梯度成分、温度梯度2 2、收缩、收缩6 6）缩孔和缩松）缩孔和缩松防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则： 针对合金的收缩和凝固特点针对合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的使铸件在凝固过程中建立良好的补缩补缩条件，尽可能使条件，尽可能使缩缩松转化为缩孔松转化为缩孔，并通过控制铸件的凝固过程使之符合，并通过控制铸件的凝固过程使之符合顺顺序凝固原则序凝固原则，并在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的，并在铸件

48、最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔移至冒口中，就可以获得合格的铸件。冒口，使缩孔移至冒口中，就可以获得合格的铸件。实现实现顺序凝固顺序凝固，合理应用，合理应用冒口冒口、冷铁冷铁等工艺措施补缩。等工艺措施补缩。 顺序凝固原则顺序凝固原则 在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建在铸件上从远离冒口或浇口到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺立一个递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固。序地凝固。 顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件。孔的合金铸件。 冒口：

49、冒口：是铸型内用以储存金属液的空腔。是铸型内用以储存金属液的空腔。 冷铁冷铁：用铸铁、钢和铜等金属材料制成的激冷物称冷铁。用铸铁、钢和铜等金属材料制成的激冷物称冷铁。防止缩孔及缩松的主要工艺措施防止缩孔及缩松的主要工艺措施使铸件实现同时凝固使铸件实现同时凝固同时凝固原则同时凝固原则 即采用相应工艺措施即采用相应工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝固。间内凝固。同时凝固适用于各种合金的薄壁铸件。同时凝固适用于各种合金的薄壁铸件。 合理确定内浇口位置及浇注工艺。合理确定内浇口位置及浇注工艺。 防止缩孔及缩松的主要工艺措施防止缩孔及缩松的主要工艺措施 1 1）铸

50、造铸造应力应力 铸造应力：铸造应力：铸件在凝固、冷却过程中，由于各部分体积变化不一致铸件在凝固、冷却过程中，由于各部分体积变化不一致、彼此制约而引起的应力称为铸造应力。、彼此制约而引起的应力称为铸造应力。 临时应力临时应力（瞬时内应力）：铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原铸造应力可能是暂时性的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残留应力。因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；否则为残留应力。 残留应力残留应力（残余内应力）：加工结束后最终存在于材料内部的应力。加工结束后最终存在于材料内部的应力。 铸造应力是导致铸件变形和裂纹的主要原因。铸造应力是导致铸件变形和裂

51、纹的主要原因。3 3、合金的铸造应力、变形和裂纹、合金的铸造应力、变形和裂纹 根据铸造应力产生的机理，可分成根据铸造应力产生的机理，可分成热应力热应力，相变应相变应力力和和机械阻碍应力机械阻碍应力。 热应力热应力由于铸件上壁厚不均匀的各部位冷却速由于铸件上壁厚不均匀的各部位冷却速度和线收缩量不均衡，相互阻碍收缩而引起的应力。度和线收缩量不均衡，相互阻碍收缩而引起的应力。 热应力的形成热应力的形成 热应力分布规律：热应力分布规律：热应力是一种热应力是一种残留残留应力，其应力，其分布规律分布规律一般是一般是厚壁厚壁或或冷却慢的部分冷却慢的部分产生产生应力应力，薄壁薄壁或或冷却快冷却快的部分形成的部

52、分形成应力。应力。 3 3、合金的铸造应力、变形和裂纹、合金的铸造应力、变形和裂纹 框形铸件热应力形成过程框形铸件热应力形成过程 HLtFFFE22HLtFFFE2铸件热应力由下式计算：铸件热应力由下式计算： a.a.应力应力与材料的与材料的E E、L L、铸件壁厚差和温度差有关。、铸件壁厚差和温度差有关。b.b.热应力热应力在铸件冷却至室温后仍残留在铸件内的不同部在铸件冷却至室温后仍残留在铸件内的不同部位，是一种位，是一种残留残留应力，应力，c.c.热应力分布规律热应力分布规律: :一般是厚壁或冷却慢的部分产生拉应一般是厚壁或冷却慢的部分产生拉应力，薄壁或冷却快的部分形成压应力。力，薄壁或冷

53、却快的部分形成压应力。 相变应力相变应力具有固态相变的合金铸件，冷却过程中各部分发生具有固态相变的合金铸件，冷却过程中各部分发生相变的相变的时间不一致时间不一致，以及相变时的体积变化，导致各部分的，以及相变时的体积变化，导致各部分的体积体积和长度变化时间也不一致和长度变化时间也不一致，由此引起的应力。，由此引起的应力。机械阻碍应力机械阻碍应力铸件收缩时，受铸件浇注系统，冒口和本身的铸件收缩时，受铸件浇注系统，冒口和本身的机械阻碍而产生的应力。机械阻碍而产生的应力。铸造应力是热应力、铸造应力是热应力、相变应力相变应力和机械应力等的代数和。和机械应力等的代数和。影响：铸造应力使铸件的精度和使用寿命

54、大大降低影响：铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降低。当铸造应力。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，铸件将产生冷裂纹。超过合金的抗拉强度时，铸件将产生冷裂纹。 1 1）铸造铸造应力应力主要途径是：主要途径是：针对铸件的结构特点，在制定铸造工艺时采用同针对铸件的结构特点，在制定铸造工艺时采用同时凝固原则（减小热应力），提高铸型和型芯的退让性，减小机时凝固原则（减小热应力），提高铸型和型芯的退让性，减小机械阻碍。械阻碍。 具体措施具体措施：（1 1）按同时凝固原则设计铸造工艺；）按同时凝固

55、原则设计铸造工艺；（2 2）在造型工艺上采取改善铸型、型芯退让性，合理设置浇、）在造型工艺上采取改善铸型、型芯退让性，合理设置浇、冒口系统等措施；冒口系统等措施；（3 3）铸件上避免有牵制收缩的结构，应使壁厚均匀，两壁连接）铸件上避免有牵制收缩的结构，应使壁厚均匀，两壁连接处热节小而分散；处热节小而分散；（4 4）时效）时效处理（人工、自然、共振）处理（人工、自然、共振）。（5 5）在零件满足工作条件的前提下，选择弹性模量和收缩系数）在零件满足工作条件的前提下，选择弹性模量和收缩系数小的合金材料。小的合金材料。 减小和消除铸造应力的方法减小和消除铸造应力的方法2 2）变形）变形 变形的主要原因

56、：变形的主要原因： 残留应力的存在残留应力的存在和和铸件的应力松弛特性铸件的应力松弛特性(应力随时间而逐渐减小的现象)。 铸件各部分的应力松弛程度不同，表现为不均匀的塑性变形，因铸件各部分的应力松弛程度不同，表现为不均匀的塑性变形，因而造成而造成铸件翘曲铸件翘曲。 变形的规律：变形的规律： 铸件总是趋向减少残余应力而发生变形。铸件总是趋向减少残余应力而发生变形。 热应力使铸件的厚部或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。热应力使铸件的厚部或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率越高，弹性模量越大，热应力越大。壁厚差别愈大，合金的线收缩率越高，弹性模量越大，热应力越大。厚

57、壁部分表面内凹，薄壁部分表面外凸；对于壁厚均匀的各种铸件，厚壁部分表面内凹，薄壁部分表面外凸；对于壁厚均匀的各种铸件，则散热慢的表面内凹，散热快的表面外凸则散热慢的表面内凹，散热快的表面外凸。 按同时凝固原则设计铸造工艺按同时凝固原则设计铸造工艺，使铸件冷却均匀，尽，使铸件冷却均匀，尽量减少铸造残余应力；量减少铸造残余应力； 在造型工艺上采取在造型工艺上采取改善铸型、型芯退让性，合理设置改善铸型、型芯退让性，合理设置浇、冒口系统等措施浇、冒口系统等措施； 去应力退火去应力退火，即人工时效；，即人工时效； 改进铸件结构改进铸件结构，如，如采用对称截面、空心截面采用对称截面、空心截面是提高铸是提高

58、铸件刚度的主要途径，可以有效地减小变形。件刚度的主要途径，可以有效地减小变形。 采取反变形措施采取反变形措施等。等。即在模样上做出与挠曲量相等，即在模样上做出与挠曲量相等，但方向相反的预变形量，以抵铸件的变形。但方向相反的预变形量，以抵铸件的变形。防止或减少铸件变形的措施防止或减少铸件变形的措施3 3）裂纹）裂纹 当瞬时铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便形成当瞬时铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便形成裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷， 按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂两种。按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂两种。 （1 1）热裂）热裂 热裂是在凝固末期高温下形成

59、的裂纹。热裂是在凝固末期高温下形成的裂纹。 特征：特征：裂纹短、缝宽、其裂口表面呈氧化色。裂纹短、缝宽、其裂口表面呈氧化色。 多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，形状曲折。多发生在应力集中或局部凝固缓慢处，形状曲折。 灰铁、球铁热裂少，铸钢、铸铝、白口铁大。灰铁、球铁热裂少，铸钢、铸铝、白口铁大。 （1）热裂）热裂原因原因: : a. a. 凝固末期、合金呈完整骨架凝固末期、合金呈完整骨架+ +液体，强、塑液体，强、塑 b. b. 含含S S热脆热脆 c. c. 退让性不好退让性不好 防止热裂的措施防止热裂的措施 a. a. 改进铸件结构；改进铸件结构； b. b. 改善退让性，防止铸造应力；改

60、善退让性，防止铸造应力； c. c. 控制含控制含S S量量 等。等。（1 1）热裂）热裂 冷裂是铸件在较低温度下形成的裂纹。冷裂是铸件在较低温度下形成的裂纹。 特征：特征：裂口具有金属光泽或呈微氧化色，常穿过晶粒发展，裂口具有金属光泽或呈微氧化色，常穿过晶粒发展，外形规则呈圆滑曲线或直线状。外形规则呈圆滑曲线或直线状。 冷裂往往出现在铸件受拉应力冷裂往往出现在铸件受拉应力( (特别是应力集中特别是应力集中) )的部位以及的部位以及脆性大、塑性差的合金以及某些合金钢，大型复杂铸件。脆性大、塑性差的合金以及某些合金钢，大型复杂铸件。 防止冷裂的方法防止冷裂的方法： 1) 1) 严格控制合金的熔炼