机械制造基础

1、上海第二工业大学上海第二工业大学机电工程学院机电工程学院金属材料金属材料热加工热加工1 12021-12-301第第1 1章章 铸造铸造二二一六年三月一六年三月概述概述合金的铸造性合金的铸造性铸造方法铸造方法铸造工艺设计铸造工艺设计铸件结构工艺性铸件结构工艺性2021-12-302021-12-302冷冲冷冲热锻热锻冷轧冷轧板、棒、板、棒、型材、管材型材、管材机加工机加工冷轧冷轧热拔热拔1 1 概述概述1.1 1.1 常用毛坯的成形方法常用毛坯的成形方法2021-12-302021-12-303将熔融金属浇入铸型将熔融金属浇入铸型中，待其冷却凝固后中，待其冷却凝固后获得所需毛坯或零件获得所需毛

2、坯或零件的方法，称为铸造。的方法，称为铸造。主要工序包括制造模主要工序包括制造模样和芯盒、备制型砂样和芯盒、备制型砂和芯砂、造型、造芯、和芯砂、造型、造芯、合箱、浇注、落砂清合箱、浇注、落砂清理和检验等。理和检验等。1.2 1.2 铸造及工艺过程铸造及工艺过程2021-12-302021-12-304铸造生产过程中，合金铸造成形的难易程度。容易获得正确的外形、铸造生产过程中，合金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，其铸造性能就好。内部又健全的铸件，其铸造性能就好。合金的铸造性是一个复杂的综合性能，通常用合金的铸造性是一个复杂的综合性能，通常用充型能力充型能力、收缩性收缩性

3、等来等来衡量。衡量。影响铸造性的因素很多，除影响铸造性的因素很多，除合金的化学成分合金的化学成分外，还有外，还有工艺因素工艺因素。了解。了解和掌握合金的铸造性，采取合理的工艺措施，可以防止铸造缺陷，提和掌握合金的铸造性，采取合理的工艺措施，可以防止铸造缺陷，提高铸件质量。高铸件质量。 2 2 合金的铸造性合金的铸造性2.1 2.1 合金的充型能力合金的充型能力熔融金属充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整铸件的能力叫做液态合金熔融金属充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整铸件的能力叫做液态合金的充型能力。其主要影响因素有合金的流动性和外界条件两方面。的充型能力。其主要影响因素有合金的流动性和外界条件两方面

4、。2021-12-302021-12-3051-1-流道流道 2-2-浇口杯浇口杯 3-3-冒口冒口 4-4-试样凸点试样凸点2.1.1 2.1.1 合金的流动性：合金的流动性：铸造合金流动性的好坏，通常以螺旋形流动性试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。样的长度来衡量。铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。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、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。反之薄而复杂的铸件。反之, ,铸件容易产生浇不足、冷隔等缺陷。

5、铸件容易产生浇不足、冷隔等缺陷。 冷隔冷隔 浇不足浇不足 2021-12-302021-12-306影响合金流动性的主要因素：影响合金流动性的主要因素：合金的成分合金的成分与与铸件的凝固方式铸件的凝固方式纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：只存在固、液两相区纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：只存在固、液两相区倾向于逐层凝固方式。倾向于逐层凝固方式。结晶温度范围大的合金：存在固相区、凝固结晶温度范围大的合金：存在固相区、凝固( (固固- -液两相液两相) )区和液相区，区和液相区，倾向于糊状凝固方式。倾向于糊状凝固方式。 在相同的浇注温度下，共晶成分合在相同的浇注温度下，共晶成分合

6、金凝固温度最低，即液态金属的过金凝固温度最低，即液态金属的过热度较大，推迟了液态金属的凝固，热度较大，推迟了液态金属的凝固，从流动性考虑，宜选用共晶成分或从流动性考虑，宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。金。凝固前沿平滑凝固前沿平滑凝固前沿粗糙凝固前沿粗糙2021-12-302021-12-3072.2.2 2.2.2 外界条件外界条件浇注条件：浇注条件：在一定范围内，提高浇注温度，可使液态合金粘度下降，流速加快，在一定范围内，提高浇注温度，可使液态合金粘度下降，流速加快，还能使铸型温度升高，金属散热速度变慢，从而大大提高金属液的充型能力。但还能使铸

7、型温度升高，金属散热速度变慢，从而大大提高金属液的充型能力。但如果浇注温度过高，则容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。因此，在保证如果浇注温度过高，则容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。因此，在保证金属液具有足够充型能力的前提下应尽量降低浇注温度。铸钢：金属液具有足够充型能力的前提下应尽量降低浇注温度。铸钢：1520-16201520-1620，铸铁：铸铁：1230-14501230-1450，铝合金：，铝合金：680-780680-780。浇口杯浇口杯 直浇道直浇道 横浇道横浇道内浇道内浇道 浇注压力浇注压力浇注系统结构浇注系统结构薄壁复杂件取上限，厚大件取下限。薄壁复杂件取上限，厚大件

8、取下限。提高金属液的充型压力和浇注速度可使充型能力提高金属液的充型压力和浇注速度可使充型能力增加，如增加直浇口的高度，用人工方法（压力增加，如增加直浇口的高度，用人工方法（压力铸造、真空吸铸及离心铸造等）；浇注系统结构铸造、真空吸铸及离心铸造等）；浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越低。越复杂，流动阻力越大，充型能力越低。2021-12-302021-12-308铸型条件铸型条件: :铸型的导热速度越大或对金属液流动阻力越大，合铸型的导热速度越大或对金属液流动阻力越大，合金的充型能力越差。如，液态合金在金属型中的充型能力比金的充型能力越差。如，液态合金在金属型中的充型能力比在砂型中差。

9、在砂型中差。铸型结构铸型结构: :当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂以及有当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂以及有大的水平面等结构时，都使金属液的流动困难。铸件设计时，大的水平面等结构时，都使金属液的流动困难。铸件设计时，壁厚必须大于最小允许壁厚值。见表壁厚必须大于最小允许壁厚值。见表8.2.28.2.2有时还需设计流动通道。有时还需设计流动通道。2021-12-302021-12-309 铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象叫做收缩。合金的收缩铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象叫做收缩。合金的收缩量通常用体收缩率和线收缩率来表示。金属从液态到常温的体积改变量量通常用体收缩率

10、和线收缩率来表示。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩，金属在固态由高温到常温的线性尺寸改变量称为线收缩。称为体收缩，金属在固态由高温到常温的线性尺寸改变量称为线收缩。 2.2 2.2 合金的收缩性合金的收缩性液态收缩：液态收缩：合金从浇注温度合金从浇注温度t t浇浇（A A点）到冷却至开始凝固（液相线）温点）到冷却至开始凝固（液相线）温度（度（B B点）之间的收缩。金属液体的过热度越高，液态收缩越多。点）之间的收缩。金属液体的过热度越高，液态收缩越多。 凝固收缩：凝固收缩：合金从开始凝固（合金从开始凝固（B B点）至凝固结束（固相线）温度（点）至凝固结束（固相线）温度（C C点）点）之间的

11、收缩。结晶温度范围越宽，凝固收缩越大。之间的收缩。结晶温度范围越宽，凝固收缩越大。t t 体收缩率体收缩率 t t浇浇 A A B B C C c c2021-12-302021-12-3010影响收缩的因素：影响收缩的因素：化学成分化学成分、浇注温度浇注温度、铸件结构与铸型条件铸件结构与铸型条件。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。生缩孔或缩松的基本原因。固态收缩：固态收缩：合金在固态下，冷却至室温的收缩。固态收缩会使铸件形状、合金在固态下，冷却至室温的收缩。固态收缩会使铸件形状、

12、尺寸发生变化，是产生铸造应力导致铸件变形，产生裂纹的主要原因。尺寸发生变化，是产生铸造应力导致铸件变形，产生裂纹的主要原因。常用的金属材料中，常用的金属材料中，铸钢收缩最大铸钢收缩最大，有色金属次之有色金属次之，灰口铸铁最小灰口铸铁最小。灰。灰口铸铁收缩小是因析出石墨而引起体积膨胀的结果。口铸铁收缩小是因析出石墨而引起体积膨胀的结果。t t 体收缩率体收缩率 t t浇浇 A A B B C C c c2021-12-302021-12-30112.3.1 2.3.1 缩孔与缩松缩孔与缩松 如果铸件在冷却收缩过程中的液态收缩和凝固收缩得不到合金液体如果铸件在冷却收缩过程中的液态收缩和凝固收缩得不

13、到合金液体的补充，在铸件最后凝固的某些部位出现的孔洞，大而集中的孔洞称为的补充，在铸件最后凝固的某些部位出现的孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。其形成条件是金属或合金在恒温或者很小的温度范围内结晶，如纯金属、其形成条件是金属或合金在恒温或者很小的温度范围内结晶，如纯金属、共晶成分的合金，铸件壁以逐层凝固方式进行凝固。如下图所示。共晶成分的合金，铸件壁以逐层凝固方式进行凝固。如下图所示。2.3 2.3 收缩对铸件质量

14、的影响收缩对铸件质量的影响散热方向散热方向凝固层凝固层空穴空穴缩孔缩孔冒口冒口缩孔形成过程缩孔形成过程 2021-12-302021-12-3012缩孔和缩松都使铸件的力学性能、气密性和物理性能大大降低，甚至成缩孔和缩松都使铸件的力学性能、气密性和物理性能大大降低，甚至成为废品，两者都是极为有害的铸造缺陷，需设法防止。为废品，两者都是极为有害的铸造缺陷，需设法防止。结晶温度范围越结晶温度范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大；结晶温度范围越宽的合金，产生缩松小的合金，产生缩孔的倾向越大；结晶温度范围越宽的合金，产生缩松的倾向越大。的倾向越大。缩松形成原因和缩孔基本相同，但是形成条件却不同，主要出现

15、在结晶缩松形成原因和缩孔基本相同，但是形成条件却不同，主要出现在结晶温度宽、呈糊状凝固方式的合金中，如下图所法所示。温度宽、呈糊状凝固方式的合金中，如下图所法所示。散热方向散热方向凝固层凝固层缩松缩松 缩松形成过程缩松形成过程 2021-12-302021-12-3013定向凝固：定向凝固：在铸件可能出现缩孔或最后凝固的部位（多在铸件厚壁或在铸件可能出现缩孔或最后凝固的部位（多在铸件厚壁或顶部）设置冒口，使铸件按照远离冒口的部分先凝固、靠近冒口的部顶部）设置冒口，使铸件按照远离冒口的部分先凝固、靠近冒口的部位后凝固，最后才是冒口凝固的顺序来进行。适于收缩大的合金铸件。位后凝固，最后才是冒口凝固

16、的顺序来进行。适于收缩大的合金铸件。如铸钢件，可锻铸铁件，铸造黄铜件等。如铸钢件，可锻铸铁件，铸造黄铜件等。同时凝固：同时凝固：通过使用冷铁等使铸铁各部分几乎同时冷却凝固的处理方通过使用冷铁等使铸铁各部分几乎同时冷却凝固的处理方法，适于收缩小的合金铸铁。法，适于收缩小的合金铸铁。缩孔与缩松的防止方法：在铸件结构设计时，通过制定合理的铸造工艺，缩孔与缩松的防止方法：在铸件结构设计时，通过制定合理的铸造工艺，来避免金属局部集聚。常用措施有来避免金属局部集聚。常用措施有定向凝固定向凝固和和同时凝固同时凝固两种。两种。顺序凝固顺序凝固同时凝固同时凝固2021-12-302021-12-3014机械应力

17、：机械应力：铸件进入弹性状态时，收缩受机铸件进入弹性状态时，收缩受机械阻碍引起的应力，如铸件收缩受到铸型、械阻碍引起的应力，如铸件收缩受到铸型、型芯或浇冒口的阻碍而引起的应力，落砂后型芯或浇冒口的阻碍而引起的应力，落砂后阻碍消除，应力将自行消失。阻碍消除，应力将自行消失。相变应力：相变应力：铸件在冷却过程中往往会产生固态相变。铸件在冷却过程中往往会产生固态相变。 碳钢发生碳钢发生 转变时体积转变时体积缩小。缩小。 碳钢发生碳钢发生 转变时体积转变时体积增大。增大。 铸件各部分冷却速度不同，发生相变不同步，出现铸造应力。铸件各部分冷却速度不同，发生相变不同步，出现铸造应力。2.3.2 2.3.2

18、 铸造应力、变形和裂纹铸造应力、变形和裂纹铸造应力铸造应力 铸件在冷却过程中，如果其固态收缩受到制约，就会在铸件内部产生铸铸件在冷却过程中，如果其固态收缩受到制约，就会在铸件内部产生铸造应力。它包括造应力。它包括机械应力机械应力和和热应力热应力。2021-12-302021-12-3015热应力：热应力：铸件各部分壁厚不均匀，结构复杂，冷却收缩不一致，又彼此制约而铸件各部分壁厚不均匀，结构复杂，冷却收缩不一致，又彼此制约而引起的应力。引起的应力。t t1 1残余应力残余应力2021-12-302021-12-3016变形和裂纹变形和裂纹当铸件中存在内应力时，会使其处于不稳定状态。当铸造应力值超

19、过合当铸件中存在内应力时，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。强度时，铸件将产生冷裂纹。 一般来说，薄壁或外层部位冷却速度快，存在一般来说，薄壁或外层部位冷却速度快，存在压应力，如果铸件刚度不够，应力释放后往往会压应力，如果铸件刚度不够，应力释放后往往会引起伸长或外凸变形；反之，厚壁或心层部位冷引起伸长或外凸变形；反之，厚壁或心层部位冷却速度慢，存在拉应力，会导致压缩或内凹变形。却速度慢，存在拉应力，会导致压缩或内凹变形。导轨面正确位置导轨面

20、正确位置模样反挠度模样反挠度2021-12-302021-12-3017金属型铸造：一般金属型用铸铁或耐热钢制造，由于金属型可重复使用金属型铸造：一般金属型用铸铁或耐热钢制造，由于金属型可重复使用多次，故又称为永久型。多次，故又称为永久型。垂直分型式垂直分型式4-4-模底板模底板 5-5-动型动型 6-6-定型定型压力铸造：将熔融金属在高压下压力铸造：将熔融金属在高压下快速压入压型，并在压力下凝固，快速压入压型，并在压力下凝固，而获得铸件的方法称为压力铸造。而获得铸件的方法称为压力铸造。水平分型式水平分型式1-1-型芯型芯 2-2-上型上型 3-3-下型下型 3 3 铸造方法铸造方法3.1 3

21、.1 砂型铸铁和特种铸造砂型铸铁和特种铸造2021-12-302021-12-3018熔模铸造：用易熔材料制成模样，然后用造型材料将其表面包覆，经熔模铸造：用易熔材料制成模样，然后用造型材料将其表面包覆，经过硬化后再将模样熔去，从而制成无分型面的铸型壳，最后经浇铸而过硬化后再将模样熔去，从而制成无分型面的铸型壳，最后经浇铸而获得铸件的方法。获得铸件的方法。母模母模 压型压型 熔蜡熔蜡 制造蜡模制造蜡模 蜡模蜡模 蜡模组蜡模组结壳、脱蜡结壳、脱蜡 填砂、浇注填砂、浇注 2021-12-302021-12-30194 4 铸造工艺设计铸造工艺设计2021-12-302021-12-3020铸件的重

22、要表面朝下或处于侧面铸件的重要表面朝下或处于侧面 ：铸件的薄大平面朝下：铸件的薄大平面朝下：铸件的厚大部分朝铸件的厚大部分朝上，便于补缩：上，便于补缩：浇注位置应利于减少型芯，便于安装：浇注位置应利于减少型芯，便于安装：浇注位置：浇注位置：是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。4.1 4.1 浇注位置和分型面的选浇注位置和分型面的选择择2021-12-302021-12-3021分型面：分型面：铸型时，砂箱与砂箱之间的结合面称为分型面。分型面一般铸型时，砂箱与砂箱之间的结合面称为分型面。分型面一般选在最大截面上，就同一铸件而言，可以有几种不同的分型方案，应选在最大

23、截面上，就同一铸件而言，可以有几种不同的分型方案，应从中选出一种最佳方案，使得起模方便，造型工艺简化。从中选出一种最佳方案，使得起模方便，造型工艺简化。 应尽量使铸件位于同一砂箱内：应尽量使铸件位于同一砂箱内：尽量使分型面平直尽量使分型面平直：尽量减少分型面：尽量减少分型面：2021-12-302021-12-3022型芯头尺寸：型芯头尺寸：工艺参数的选择：指铸造收缩率、加工余量、起模斜度、型芯头尺寸、工艺参数的选择：指铸造收缩率、加工余量、起模斜度、型芯头尺寸、铸造圆角等。铸造圆角等。铸造收缩率铸造收缩率: :因铸件收缩的影响，铸件冷却后其尺寸要比模样的尺寸小，因铸件收缩的影响，铸件冷却后其

24、尺寸要比模样的尺寸小，为了保证铸件要求的尺寸，必须加大模样的尺寸。为了保证铸件要求的尺寸，必须加大模样的尺寸。加工余量加工余量: :预先增加而在机加工中再切去的金属层厚度。预先增加而在机加工中再切去的金属层厚度。起模斜度起模斜度: :为便于起模，在平行于模样或芯盒起模方向的侧壁上的斜度。为便于起模，在平行于模样或芯盒起模方向的侧壁上的斜度。 铸造圆角：铸造圆角可使转角处减少应力集中，还可避免产生冲砂、缩铸造圆角：铸造圆角可使转角处减少应力集中，还可避免产生冲砂、缩孔和裂纹。一般小型铸件，外圆角半径取孔和裂纹。一般小型铸件，外圆角半径取 2-8mm2-8mm，内圆角半径取，内圆角半径取 4-4-

25、16mm16mm。4.2 4.2 确定主要铸造工艺参确定主要铸造工艺参数数2021-12-302021-12-3023浇口杯浇口杯 直浇道直浇道 横浇道横浇道 内浇道内浇道 金属液流入铸型型腔的通道，通常由浇口金属液流入铸型型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道所组成杯、直浇道、横浇道和内浇道所组成 。在零件图上用规定的在零件图上用规定的工艺符号表示出铸造工艺符号表示出铸造工艺内容的图形。它工艺内容的图形。它决定了铸件的形状、决定了铸件的形状、尺寸、生产方法和工尺寸、生产方法和工艺过程。是制造模样、艺过程。是制造模样、芯盒、造型、造芯和芯盒、造型、造芯和检验铸件的依据。铸检验铸件的依

26、据。铸造工艺图多采用红、造工艺图多采用红、蓝铅笔将各种工艺符蓝铅笔将各种工艺符号直接标注在零件图号直接标注在零件图样上。样上。 4.3 4.3 确定浇注系统确定浇注系统连接盘零件简图和铸造工艺图连接盘零件简图和铸造工艺图（a a）零件图）零件图 (b)(b)铸造工艺图铸造工艺图 （a a） (b)(b)4.3 4.3 绘制铸造工艺绘制铸造工艺图图2021-12-302021-12-3024 铸件结构工艺性是指铸件的结构应在满足使用要求的前提下，还要满铸件结构工艺性是指铸件的结构应在满足使用要求的前提下，还要满足铸造性能的一种特性。合理的铸件结构不仅能保证铸件质量，满足足铸造性能的一种特性。合理

27、的铸件结构不仅能保证铸件质量，满足使用要求，而且工艺简单、生产率高、成本低。使用要求，而且工艺简单、生产率高、成本低。 铸件壁厚要合理铸件壁厚要合理铸件壁厚要均匀铸件壁厚要均匀 铸件壁的连接和圆角铸件壁的连接和圆角5 5 铸件结构工艺性铸件结构工艺性5.1 5.1 铸造性能对铸件结构的要求铸造性能对铸件结构的要求2021-12-302021-12-3025防止铸件翘曲变形防止铸件翘曲变形2021-12-302021-12-3026铸件外形力求简单铸件外形力求简单5.2 5.2 铸造工艺对铸件结构的要求铸造工艺对铸件结构的要求2021-12-302021-12-3027考虑结构斜度考虑结构斜度铸

28、件内腔设计铸件内腔设计2021-12-302021-12-3028铸造是液态金属成形的方铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是法，铸造过程是熔炼金属，熔炼金属，制造铸型制造铸型，并将熔融金属在，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁重力、压力、离心力、电磁力等外力场力等外力场的作用下充满铸的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程，是生性能铸件的生产过程，是生产产金属零件和毛坯的主要形金属零件和毛坯的主要形式之一。式之一。第一章第一章 铸造铸造1.1 1.1 什么是铸造？什么是铸造？2021-12-302021-12-30292021-12-302021-1

29、2-30302021-12-302021-12-30312021-12-302021-12-3032铸造的优点：铸造的优点：生产成本低生产成本低 ；工艺灵活性大；工艺灵活性大；不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度的限制。不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度的限制。铸件的质量可由几克到数百吨，壁厚可由铸件的质量可由几克到数百吨，壁厚可由1mm1mm到到1m1m以以上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。铸件在一般机器中占总质量的铸件在一般机器中占总质量的40408080，但其制造成本，但其制造成本只占机器总成本的只占机器总成本的252530

30、30。铸造的缺点：铸造的缺点：晶粒粗大，容易产生气孔、缩孔和裂纹等缺陷，力学性晶粒粗大，容易产生气孔、缩孔和裂纹等缺陷，力学性能较差；能较差；工序多，铸件质量不稳定，废品率高；工序多，铸件质量不稳定，废品率高；工作条件差，劳动强度高。工作条件差，劳动强度高。2021-12-302021-12-3033铸件的质量铸件的质量( (品质品质) )直接影响到机械产品的质量直接影响到机械产品的质量( (品质品质) )。提。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生产质量的重要保证，是机械工业调整产品结构

31、、提高生产质量( (品品质质) )和经济效益、改变行业面貌的关键之一。和经济效益、改变行业面貌的关键之一。在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有种工艺，在我国已有60006000多年多年历史了，目前我国铸件年产历史了，目前我国铸件年产量已超过量已超过18001800万万t(2005)t(2005)。由于历史原因，长期以来，我。由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产进水平相比，我国的铸

32、造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。量上，而是集中在质量和效率上。 2021-12-302021-12-30342021-12-302021-12-3035第一节第一节 铸造工艺基础铸造工艺基础合金的流动性主要影响合金的充型能力。合金的流动性主要影响合金的充型能力。液态合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，液态合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。充型能力不足，会使铸件产生称为液态合金的充型能力。充型能力不足，会使铸件产生浇浇不足不足或或冷隔缺陷冷隔缺陷。所谓所谓浇不足是指铸件的形状不完整浇不足是指铸件的形状不完整；冷隔是指铸

33、件上某处由冷隔是指铸件上某处由于两股或两股以上金属液流未熔合而形成的接缝于两股或两股以上金属液流未熔合而形成的接缝。铸造性能铸造性能是指在铸造生产过程中，铸造成形的难易程度。是指在铸造生产过程中，铸造成形的难易程度。合金的铸造性能主要指合金的合金的铸造性能主要指合金的流动性能流动性能和和收缩性能收缩性能等。等。1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-3036浇不足和冷隔缺陷浇不足和冷隔缺陷2021-12-302021-12-3037第一节第一节 铸造工艺基础铸造工艺基础合金的流动性：合金的流动性：合金的流动性是指液态合金自身的流动能力，它是合金的一合金的

34、流动性是指液态合金自身的流动能力，它是合金的一种主要铸造性能。种主要铸造性能。良好的流动性不仅易于铸造出薄而复杂的铸件，而且也利于良好的流动性不仅易于铸造出薄而复杂的铸件，而且也利于铸件在凝固时的铸件在凝固时的补缩补缩以及以及气体和非金属夹杂物的逸出和上浮气体和非金属夹杂物的逸出和上浮。反之，流动性差的合金，易使铸件上出现反之，流动性差的合金，易使铸件上出现浇不足、冷隔、气浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩孔等缺陷孔、夹渣和缩孔等缺陷。 流动性用浇注流动性用浇注“流动性试样流动性试样”的方法进行衡量。的方法进行衡量。1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-30

35、382021-12-302021-12-3039第一节第一节 铸造工艺基础铸造工艺基础影响流动性的因素影响流动性的因素（1 1）合金的种类、成分和结晶特征）合金的种类、成分和结晶特征合金的种类不同，其流动性不同，铸铁和硅黄铜的流动性最合金的种类不同，其流动性不同，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。 1630200mm1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-3040（二）影响流动性的因素（二）影响流动性的因素（1 1）合金的种类、成分和结晶特征）合金的种类、成分和结晶特征合金的成分和结晶特征对流动性的影响

36、最为显著。共晶成分合金的成分和结晶特征对流动性的影响最为显著。共晶成分的合金，逐层凝固，已凝固层的内表面光滑，对液态合金的的合金，逐层凝固，已凝固层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小，流动性最好。流动阻力小，流动性最好。结晶温度范围大的合金在其已凝固层和纯液态区之间存在一结晶温度范围大的合金在其已凝固层和纯液态区之间存在一个液固两相共存的区域，使得已凝固层的内表面粗糙。所以个液固两相共存的区域，使得已凝固层的内表面粗糙。所以非共晶成分的合金流动性变差，且随合金成分偏离共晶点愈非共晶成分的合金流动性变差，且随合金成分偏离共晶点愈远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈差远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈

37、差 。第一节第一节 铸造工艺基础铸造工艺基础1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-30412021-12-302021-12-3042（二）影响流动性的因素（二）影响流动性的因素（2 2）浇注条件）浇注条件浇注温度浇注温度对合金充型能力的影响极为显著。对合金充型能力的影响极为显著。在一定范围内，在一定范围内，提高液态合金的浇注温度能改善其流动性，因而提高其充型提高液态合金的浇注温度能改善其流动性，因而提高其充型能力能力。但是。但是浇注温度过高浇注温度过高，又会，又会使液态合金吸气严重、收缩使液态合金吸气严重、收缩增大，反而易使铸件产生其它缺陷，如气孔、

38、缩孔、疏松、增大，反而易使铸件产生其它缺陷，如气孔、缩孔、疏松、粘砂和晶粒粗大等粘砂和晶粒粗大等。通常在保证液态合金流动性足够的前提下，浇注温度应尽可通常在保证液态合金流动性足够的前提下，浇注温度应尽可能低。通常灰铸铁浇注温度为能低。通常灰铸铁浇注温度为1200120013801380；铸钢为；铸钢为1520152016201620；铝合金为；铝合金为680680780780。薄壁复杂件取上。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。限温度值，厚件则取下限。1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-3043（二）影响流动性的因素（二）影响流动性的因素（2 2）

39、浇注条件）浇注条件充型压力充型压力，液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能，液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能力愈好。砂型铸造时，是由力愈好。砂型铸造时，是由直浇道高度提供静压力作为充型直浇道高度提供静压力作为充型压力，压力，所以直浇道的高度应适当。所以直浇道的高度应适当。铸型的充型条件铸型的充型条件 ，在，在铸型凡能增大液态合金流动阻力、降铸型凡能增大液态合金流动阻力、降低流速和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。低流速和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-3044（二）影响流动性的因素（二）影响

40、流动性的因素（2 2）浇注条件）浇注条件铸件的结构铸件的结构 铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金的铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金的充型能力愈差。应采取适当提高充型能力愈差。应采取适当提高浇注温度、提高充型压力和浇注温度、提高充型压力和预热铸型预热铸型等措施来改善其充型能力。等措施来改善其充型能力。（3 3）铸型条件）铸型条件铸型材料铸型材料 导热性导热性铸型温度铸型温度 预热预热铸型中的气体铸型中的气体 1.1 1.1 合金的铸造性能合金的铸造性能2021-12-302021-12-3045（一）铸件的凝固方式（一）铸件的凝固方式1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图

41、7 7 铸件的凝固方式铸件的凝固方式2021-12-302021-12-3046二、铸件的凝固与收缩二、铸件的凝固与收缩（一）铸件的凝固方式（一）铸件的凝固方式逐层凝固逐层凝固：纯金属和共晶成分的合金，在恒温下的凝固。：纯金属和共晶成分的合金，在恒温下的凝固。常见于灰铸铁、低碳钢、工业纯铁、纯铝。常见于灰铸铁、低碳钢、工业纯铁、纯铝。糊状凝固糊状凝固：其它成分的合金，在一定温度范围内凝固。：其它成分的合金，在一定温度范围内凝固。常见于球墨铸铁、高碳钢、锡青铜。常见于球墨铸铁、高碳钢、锡青铜。中间凝固中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间。：介于逐层凝固和糊状凝固之间。常见于中碳钢、高锰钢、白口铸

42、铁。常见于中碳钢、高锰钢、白口铸铁。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3047（二）铸造合金的收缩（二）铸造合金的收缩从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸减小的现象称为收缩，收缩是合金的物理属性。或尺寸减小的现象称为收缩，收缩是合金的物理属性。铸造合金的收缩铸造合金的收缩，是形成，是形成缩孔、疏松、变形和裂纹缩孔、疏松、变形和裂纹等多种铸等多种铸造缺陷的根本原因。造缺陷的根本原因。合金的收缩量用体收缩率和线收缩率来表示。合金的收缩量用体收缩率和线收缩率来表示。%100)(

43、%100%100)(%1001001010010 TTLLLTTVVVLLVV 1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3048图图8 8 铸造合金的收缩阶段铸造合金的收缩阶段tt t浇浇体收缩率体收缩率液液态态收收缩缩凝凝固固收收缩缩固固态态收收缩缩液态收缩液态收缩：液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为：液态合金从浇注温度冷却到液相线温度之间的收缩为液态液态收缩。收缩。凝固收缩凝固收缩：从液相线温度到固相线温度之间的收缩为：从液相线温度到固相线温度之间的收缩为凝固收缩。凝固收缩。固态收缩固态收缩：自固相线温度至室温间的收缩为：自固相线温度

44、至室温间的收缩为固态收缩。固态收缩。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3049（二）铸造合金的收缩（二）铸造合金的收缩液态收缩液态收缩和和凝固收缩凝固收缩一般表现为型内液面降低，是铸件产生一般表现为型内液面降低，是铸件产生缩孔和疏松缩孔和疏松的基本原因。的基本原因。固态收缩固态收缩直接表现为铸件外形尺寸的减小，是直接表现为铸件外形尺寸的减小，是铸造应力、变铸造应力、变形和裂纹形和裂纹等缺陷产生的基本原因。等缺陷产生的基本原因。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3050（二）铸造合金的收缩（二）铸

45、造合金的收缩影响收缩的因素有：影响收缩的因素有：化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件。条件。碳素铸钢的收缩大而灰铸铁的收缩小。铸铁中的碳绝大部分碳素铸钢的收缩大而灰铸铁的收缩小。铸铁中的碳绝大部分以石墨的形式存在，石墨的析出抵消了部分收缩。以石墨的形式存在，石墨的析出抵消了部分收缩。含碳量越高含碳量越高 ，灰铸铁收缩越小。，灰铸铁收缩越小。浇注温度越高，收缩越大。浇注温度越高，收缩越大。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3051（三）铸件中的（三）铸件中的缩孔与疏松缩孔与疏松浇入铸型中的液态合金，在随后的冷却

46、和凝固过程中，若其浇入铸型中的液态合金，在随后的冷却和凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩引起的容积缩减得不到补充液态收缩和凝固收缩引起的容积缩减得不到补充，则，则在铸件在铸件上最后凝固的部位形成一些孔洞上最后凝固的部位形成一些孔洞。其中。其中容积较大的孔洞叫缩容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫疏松。孔，细小且分散的孔叫疏松。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3052（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松1.1.缩孔缩孔缩孔缩孔一般出现在铸件上部或最后凝固的部位，形状多呈倒圆一般出现在铸件上部或最后凝固的部位，形状多呈倒圆锥形，内表

47、面粗糙，通常隐藏在铸件的内层。锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层。结晶温度范围愈窄的结晶温度范围愈窄的铸造合金，愈倾向于逐层凝固，也就愈铸造合金，愈倾向于逐层凝固，也就愈容易形成缩孔。容易形成缩孔。铸造合金的铸造合金的液态收缩和凝固收缩愈大，缩孔的体积就愈大。液态收缩和凝固收缩愈大，缩孔的体积就愈大。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3053（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松1.1.缩孔缩孔1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图9 9 缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图2021-12-302021-12-305

48、41.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3055（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松2.2.疏松疏松疏松是铸件最后凝固的区域疏松是铸件最后凝固的区域无法得到液态合金的补给而无法得到液态合金的补给而造成的分散、细小的缩孔。造成的分散、细小的缩孔。疏疏松松1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图10 10 疏松示意疏松示意2021-12-302021-12-3056（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松2.2.疏松疏松1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩a) a) 型壁散热型壁散热 b) b) 外层结壳外层

49、结壳 c) c) 糊状凝固糊状凝固 d) d) 凝固末期凝固末期 e) e) 形成疏松形成疏松 f) f) 凝固收凝固收缩缩图图11 11 疏松形成过程示意图疏松形成过程示意图a) b) c) d) e) f)a) b) c) d) e) f)2021-12-302021-12-3057（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松2.2.疏松疏松根据的分布形态，疏松分为根据的分布形态，疏松分为宏观疏松宏观疏松和和微观疏松微观疏松两类。两类。倾向于逐层凝固的合金，如纯金属、共晶成分的合金或结晶倾向于逐层凝固的合金，如纯金属、共晶成分的合金或结晶温度范围窄的合金，形成缩孔的倾向大，不易形成疏松

50、；而温度范围窄的合金，形成缩孔的倾向大，不易形成疏松；而另一些另一些倾向于糊状凝固倾向于糊状凝固的合金如结晶温度范围宽的合金，的合金如结晶温度范围宽的合金，产产生缩孔的倾向小，却极易产生疏松生缩孔的倾向小，却极易产生疏松。缩孔和疏松可在一定范围内互相转化。缩孔和疏松可在一定范围内互相转化。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-30581.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图11 11 铸件的缩孔与疏松示意铸件的缩孔与疏松示意2021-12-302021-12-3059（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松3.3.缩孔与疏松的防

51、止缩孔与疏松的防止（1 1）顺序凝固顺序凝固：顺序凝固是指，采用一些适当的工艺措施，：顺序凝固是指，采用一些适当的工艺措施，使铸件远离冒口或浇口的部位最先凝固，然后沿冒口方向顺使铸件远离冒口或浇口的部位最先凝固，然后沿冒口方向顺序地凝固进行。铸件最先凝固部位的由冷却和凝固引起的体序地凝固进行。铸件最先凝固部位的由冷却和凝固引起的体积缩减，可由较后凝固的部位的液态合金补充；最后部位的积缩减，可由较后凝固的部位的液态合金补充；最后部位的收缩由冒口中的液态合金来补充，使铸件各部位的收缩均能收缩由冒口中的液态合金来补充，使铸件各部位的收缩均能得到补充，将缩孔转移至冒口中。去除冒口，获得致密的铸得到补充

52、，将缩孔转移至冒口中。去除冒口，获得致密的铸件。件。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3060（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松3.3.缩孔与疏松的防止缩孔与疏松的防止（1 1）顺序凝固）顺序凝固由于由于顺序凝固加大了铸件各部分的温度差顺序凝固加大了铸件各部分的温度差，增大了，增大了铸件产生变形和裂纹铸件产生变形和裂纹的倾向的倾向。因此顺序凝固主要应用于必须补缩的场合，如铝青铜件和铸钢。因此顺序凝固主要应用于必须补缩的场合，如铝青铜件和铸钢件的生产上。件的生产上。 1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图12 12 顺

53、序凝固示意顺序凝固示意2021-12-302021-12-3061（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松3.3.缩孔与疏松的防止缩孔与疏松的防止（2 2）浇注系统的引入位置及浇注工艺）浇注系统的引入位置及浇注工艺用高的浇注温度缓慢地浇注，有利于用高的浇注温度缓慢地浇注，有利于“顺序凝固顺序凝固”；通过多个内浇道低温快浇，；通过多个内浇道低温快浇，有利于实现同时凝固。有利于实现同时凝固。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图13 13 按内浇道的位置来区分的浇注系统示意按内浇道的位置来区分的浇注系统示意2021-12-302021-12-3062（三）铸件中的缩孔与疏松（

54、三）铸件中的缩孔与疏松3.3.缩孔与疏松的防止缩孔与疏松的防止（3 3）冒口、补贴和冷铁的作用）冒口、补贴和冷铁的作用冒口是用以贮存补缩金属液的空腔。冒口常设置在铸件的冒口是用以贮存补缩金属液的空腔。冒口常设置在铸件的厚厚壁处壁处或或热节部位热节部位，以防止缩孔和疏松的产生。冒口的形状多，以防止缩孔和疏松的产生。冒口的形状多采用圆柱形。采用圆柱形。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-30631.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图14 14 铸钢主缸体的顺序凝固工艺铸钢主缸体的顺序凝固工艺2021-12-302021-12-30641

55、.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图15 15 阀体铸件的冒口和冷铁位置阀体铸件的冒口和冷铁位置2021-12-302021-12-3065（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松3.3.缩孔与疏松的防止缩孔与疏松的防止（3 3）冒口、补贴和冷铁的作用）冒口、补贴和冷铁的作用补贴是在铸件垂直壁上部与冒口根部的联接处，增加的一个补贴是在铸件垂直壁上部与冒口根部的联接处，增加的一个楔形厚度楔形厚度，使，使铸件的壁厚朝冒口方向逐渐增大，就会形成一铸件的壁厚朝冒口方向逐渐增大，就会形成一个从铸件到冒口逐渐增大的温度梯度，从而增大冒口的有效个从铸件到冒口逐渐增大的温度梯度，从而增大

56、冒口的有效补缩距离，消除该处的缩孔和疏松。补缩距离，消除该处的缩孔和疏松。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3066（三）铸件中的缩孔与疏松（三）铸件中的缩孔与疏松3.3.缩孔与疏松的防止缩孔与疏松的防止（3 3）冒口、补贴和冷铁的作用）冒口、补贴和冷铁的作用冷铁是用铸铁、钢或铜等金属材料制成的、用增大铸件局部冷铁是用铸铁、钢或铜等金属材料制成的、用增大铸件局部冷却速度的激冷物。冷却速度的激冷物。一般在造型时设放在需要提高冷却能力一般在造型时设放在需要提高冷却能力的局部铸型处，以调节的局部铸型处，以调节铸件的凝固方式。铸件的凝固方式。1.2 1

57、.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-30671.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩图图14 14 铸钢主缸体的顺序凝固工艺铸钢主缸体的顺序凝固工艺2021-12-302021-12-3068三、铸造内应力三、铸造内应力铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造内应力。它是受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造内应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。铸件产生变形和裂纹的基本原因。铸造应力超过材料的屈服强度，将产生变形。铸造应力超过材料的屈服强度

58、，将产生变形。铸造应力超过材料的抗拉强度，将产生裂纹。铸造应力超过材料的抗拉强度，将产生裂纹。铸造应力分为三种：铸造应力分为三种：热应力、机械应力和相变应力热应力、机械应力和相变应力。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3069三、铸造内应力三、铸造内应力1 1、热应力、热应力热应力热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件是由于铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。各部分的收缩不同步而引起的。铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的厚壁处或心部厚壁处或心部受拉应力受

59、拉应力、薄壁或表层受压应力薄壁或表层受压应力。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-30701.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-30711.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021-12-3072三、铸造内应力三、铸造内应力2 2、机械应力、机械应力机械应力是由于金属在冷却过程中转入弹性状态后，因收缩机械应力是由于金属在冷却过程中转入弹性状态后，因收缩受到机械阻碍而产生的。受到机械阻碍而产生的。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩2021-12-302021

60、-12-3073三、铸造内应力三、铸造内应力3 3、铸件的变形与防止、铸件的变形与防止具有残留内应力的铸件，厚的部位受拉应力、薄的部位受压具有残留内应力的铸件，厚的部位受拉应力、薄的部位受压应力。处于这种状态的铸件是不稳定的，将自发地变形以减应力。处于这种状态的铸件是不稳定的，将自发地变形以减小其内应力，以趋于稳定状态。变形的结果是小其内应力，以趋于稳定状态。变形的结果是受拉应力的部受拉应力的部位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸长变形位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸长变形，以使铸件以使铸件中的残余应力减小或消除。中的残余应力减小或消除。1.2 1.2 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩20