第4章材料的液态成形工艺-1

1、第四章第四章 材料的液态成形工艺材料的液态成形工艺第四章第四章 材料的液态成形工艺材料的液态成形工艺液态材料液态材料铸型模腔铸型模腔凝固凝固固态毛坯固态毛坯浇注浇注金属的铸造工艺金属的铸造工艺陶瓷的注浆成形陶瓷的注浆成形塑料的注射成形塑料的注射成形 材料的液态成形，与材料的固态塑性变材料的液态成形，与材料的固态塑性变形、连接成形以及粉末冶金成形是制造业获形、连接成形以及粉末冶金成形是制造业获得毛坯件的主要手段。得毛坯件的主要手段。本章本章重点重点内容：内容： 金属铸造基础知识，金属铸造基础知识，即合金的铸造性能即合金的铸造性能； 金属铸造方法；金属铸造方法； 金属铸件结构工艺性。金属铸件结构工

2、艺性。u 将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。u 铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。u铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。什么是什么是铸造铸造？4-1 金属铸造工艺简介金属铸造工艺简介金属铸造（金属铸造（foundry,casting） 1. 定义：定义：将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状尺寸相适应的铸型型腔（尺寸相适应的铸型型腔（mold cavity）内）内,待其冷待其冷却凝固后却凝固后,获得毛坯或零件的方法。获得毛坯或零件的方法。 2.铸造方法：砂型铸造（铸

3、造方法：砂型铸造（sand casting process） 特种铸造（特种铸造（special casting process）优点与缺点优点与缺点n 与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点： （1）原材料来源广。 （2）生产成本低。 （3）铸件形状与零件接近，形状、尺寸不受限制。尤其适于制造内腔复杂的大型箱体件尤其适于制造内腔复杂的大型箱体件。因此，铸造在机器制造业中应用极其广泛。n 但铸造生产目前还存在着若干问题，如铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。劳劳动环境差等动环境差等

4、。用于核反应堆的大型铸件，重量达用于核反应堆的大型铸件，重量达6060多吨。多吨。零件（零件（Part）模样（模样（Pattern） 型砂型砂（Molding sand）芯盒（芯盒（Core box） 砂箱（砂箱（Flask）型芯（型芯（Core）配制的型砂配制的型砂模样模样砂型砂型配制的芯砂配制的芯砂芯盒芯盒砂芯砂芯合箱合箱熔化的合金熔化的合金浇注浇注检验检验冷却冷却落砂清理落砂清理合格的铸件合格的铸件砂型铸造基本工艺过程砂型铸造基本工艺过程铸造的基本工艺过程铸造的基本工艺过程4-2 铸造工艺基础知识铸造工艺基础知识合金的铸造性能合金的铸造性能：合金在铸造过程中表现出来的工艺：合金在铸造过程

5、中表现出来的工艺性能即铸造性能。包括性能即铸造性能。包括流动性、收缩性、氧化性、吸气流动性、收缩性、氧化性、吸气性、偏析性（成分不均匀性）等性、偏析性（成分不均匀性）等。 一、液态金属的充型能力（一、液态金属的充型能力（mold filling capacity） 定义：指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮定义：指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。廓清晰铸件的能力。 充型能力差充型能力差浇不足（浇不足（short run）、冷隔（）、冷隔（cold shuts） 影响因素影响因素：包括金属液的流动性、性质、浇注条件及：包括金属液的流动性、性质、浇注条件及铸型条件等。铸

6、型条件等。金属流动性试样金属流动性试样 指液态合金自指液态合金自身的流动能力。流身的流动能力。流动性好，则充型能动性好，则充型能力强。力强。 流动性的测试流动性的测试通常用通常用螺旋形试样螺旋形试样来衡量来衡量， l ，流动性，流动性 1. 金属液的流动性金属液的流动性合金种类合金种类：灰口铸铁，硅黄铜，流动性最好，l 1000 mm 。铸钢的流动性最差， l 200 mm；成分成分：共晶合金共晶合金的流动性最好的流动性最好；结晶特征结晶特征：结晶温度范围越大，结晶温度范围越大，枝晶越发达，流动性越差；枝晶越发达，流动性越差；结晶结晶间隔越小，则流动性越好间隔越小，则流动性越好；粘度粘度：粘度

7、越大，流动性越差；粘度越大，流动性越差；结晶潜热：结晶潜热：结晶潜热越小，流动结晶潜热越小，流动性越差。性越差。影响流动性因素影响流动性因素：2. 浇注（浇注（pouring）条件）条件3. 铸型特性铸型特性铸型的铸型的导导热能力热能力 ，T液液 ，充型能力，充型能力 ；铸型的温度铸型的温度 ，充型能力，充型能力 ，所以金属型要预热，所以金属型要预热；铸型的排气能力铸型的排气能力 ，流动阻力，流动阻力 ，充型能力，充型能力 ；铸型结构不宜太复杂。铸型结构不宜太复杂。铸件壁厚最小壁厚（铸件壁厚最小壁厚（wall thickness）浇注温度：浇注温度：T浇浇 粘度粘度 充型能力充型能力 ；但；但

8、T浇浇 粘砂（粘砂（sand adherence）、缩孔（）、缩孔（shrinkage cavity）、气孔（）、气孔（blow hole）、）、粗晶（粗晶（grain coarsening）等缺陷）等缺陷充型压力：充型压力：充型充型压力压力 充型能力充型能力 ； 二、合金的凝固（二、合金的凝固（solidification）特性）特性 合 金 从 液 态 变 为 固 态 ， 称 为 凝 固 或 一 次 结 晶合 金 从 液 态 变 为 固 态 ， 称 为 凝 固 或 一 次 结 晶（crystallization）。在此过程，易产生缺陷：缩孔、缩松）。在此过程，易产生缺陷：缩孔、缩松（por

9、osity）、气孔、夹杂（）、气孔、夹杂（inclusion）、热裂（）、热裂（hot tear）、）、偏析等。偏析等。1.铸件的凝固方式铸件的凝固方式 铸件断面上有三个区域：固相区、液相区、铸件断面上有三个区域：固相区、液相区、凝固区凝固区。逐层凝固逐层凝固：不存在凝固区（纯金属或共晶成分合金）不存在凝固区（纯金属或共晶成分合金）；体积凝固（糊状凝固）体积凝固（糊状凝固）：凝固区很宽（结晶温度范围宽或凝固区很宽（结晶温度范围宽或铸件截面温度梯度小）铸件截面温度梯度小）；中间凝固中间凝固：介于二者之间。介于二者之间。（1 1）逐层凝固方式）逐层凝固方式 纯金属或共晶成纯金属或共晶成分在凝固过程

10、中不存在分在凝固过程中不存在固液二相共存区，故外固液二相共存区，故外层的固体和内层的液体层的固体和内层的液体之间有一条界线清楚地之间有一条界线清楚地分开。分开。 灰铸铁、铝硅合金灰铸铁、铝硅合金等倾向于逐层凝固，易等倾向于逐层凝固，易于获得紧实铸件。于获得紧实铸件。（2 2）糊状凝固（体积凝固）方式）糊状凝固（体积凝固）方式 合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并存的凝固区贯穿整个断面，如图存的凝固区贯穿整个断面，如图c）（表层不存在固体层，（表层不存在固体层，类似水泥）类似水泥）。球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝球墨铸铁、锡青铜、铝铜

11、合金等倾向于糊状凝固。固。（3 3）中间凝固方式）中间凝固方式 金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截面温金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截面温度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间。影响凝固方式的因素：影响凝固方式的因素：合金的结晶温度范围。越窄越窄逐层凝固逐层凝固铸件的温度梯度。梯度越大梯度越大逐层凝固逐层凝固 合金的凝固方式影响铸件质量。逐层凝固合金的凝固方式影响铸件质量。逐层凝固的合金产生缺陷的倾向小。的合金产生缺陷的倾向小。三、合金的收缩性三、合金的收缩性1. 收缩及其影响因素收缩及其影响因素成分成分(%) T 液体金属

12、在凝固和冷却过程中，液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。合金的收缩。 收缩是多种收缩是多种铸造缺陷铸造缺陷产生的根产生的根源。源。合金的收缩经历三个阶段：合金的收缩经历三个阶段： （1 1）液态收缩液态收缩：从浇注：从浇注液相线温度液相线温度 （2 2）凝固收缩凝固收缩：液相线：液相线固相线固相线 （3 3）固态收缩固态收缩：固相线：固相线室温室温n液态收缩液态收缩 表现为铸型腔内液态金属的液面下降。表现为铸型腔内液态金属的液面下降。n凝固收缩凝固收缩 共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，凝固收缩只由状态改变凝

13、固收缩只由状态改变引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。 液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩减，液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩减，用体收缩率（单位体积的百分收缩量）表示。用体收缩率（单位体积的百分收缩量）表示。它们是它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。铸件产生缩孔和缩松的根本原因。n固态收缩固态收缩 通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线收缩率（单位长度的百分收缩量表示）。率（单位长度的百分收缩量表示）。固态收缩是铸件固态收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。产生应力、变形和裂纹的根本原

14、因。影响铸件收缩的主要因素：影响铸件收缩的主要因素：化学成分：铸钢和白口铸铁收缩率大，灰铸铁、球墨铸化学成分：铸钢和白口铸铁收缩率大，灰铸铁、球墨铸铁铁小铁铁小(结晶时石墨产生的膨胀抵消了部分收缩）结晶时石墨产生的膨胀抵消了部分收缩）；浇注温度：浇注温度：T 收缩率大；收缩率大；铸件结构：壁厚不均匀铸件结构：壁厚不均匀 收缩受阻收缩受阻 收缩率小；收缩率小；铸型条件：铸型、型芯阻碍收缩力铸型条件：铸型、型芯阻碍收缩力 收缩率小收缩率小2. 收缩导致的铸件缺陷收缩导致的铸件缺陷 在合金冷却和凝固过程中，若在合金冷却和凝固过程中，若液态液态收缩和凝固收缩收缩和凝固收缩所缩减的体积得不所缩减的体积得

15、不到补足，则在铸件的最后凝固部位到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。会形成一些孔洞。 按照孔洞的大小和分布，可将其分按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。其中容积较大为缩孔和缩松两类。其中容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。缩松。 危害：使力学性能下降；因渗漏而危害：使力学性能下降；因渗漏而报废。报废。 缩孔缩孔（1）缩孔和缩松）缩孔和缩松缩松形成示意图缩松形成示意图缩孔和缩松的形成过程缩孔和缩松的形成过程缩孔和缩松的防止措施缩孔和缩松的防止措施 顺序（定向）凝固：顺序（定向）凝固： 采取一定措施，先使铸件上远离采取一定措施，先使铸件上

16、远离冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。冒口本身凝固。使先凝固的收缩量由后凝固的液体补充，使先凝固的收缩量由后凝固的液体补充，最后将缩孔转移至冒口中最后将缩孔转移至冒口中 。安放冷铁安放冷铁 当仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔时。应在该厚大部位设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。 实现定向凝固方法实现定向凝固方法 合理安放冒口合理安放冒口 n定向凝固的缺点：定向凝固的缺点：一、冒口浪费金属；一、冒口浪费金属；二、铸件内应力大，易于变形和开裂。二、铸件内应力大，易于

17、变形和开裂。 n应用：应用： 主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号灰铸主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。 对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。什么是铸造应力？什么是铸造应力？ 铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各部分体铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各部分体积变化不一致，彼此制约引起的应力为铸造内应积变化不一致，彼此制约引起的应力为铸造内应力，简称铸造应力。力，简称铸造应力。 按应力产生的原因，铸造应力分为热应力和机械按应力产生的原因，铸造应力分为热应力和机械应力两种。应

18、力两种。 （2）铸造应力、变形和开裂）铸造应力、变形和开裂热应力热应力n 热应力是指因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度不同，热应力是指因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度不同，致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力。致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力。n 铸件厚、大部分或心部受拉应力（铸件厚、大部分或心部受拉应力（+），薄壁或表层受），薄壁或表层受压应力（压应力（-）。）。热应力的预防与消除热应力的预防与消除铸件残留热应力预防原则及措施：铸件残留热应力预防原则及措施： 铸件残留热应力预防原则：减小铸件各部分间的温铸件残留热应力预防原则：减小铸件各部分间的温度差，使其均匀冷却度差，使其均匀冷却.

19、具体措施：具体措施： 设计时，尽量使铸件壁厚均匀设计时，尽量使铸件壁厚均匀 ； 生产上，采取生产上，采取“同时凝固同时凝固”措施。措施。残留热应力的消除方法：残留热应力的消除方法： 去应力退火。去应力退火。 同时凝固的具体工艺同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄是将内浇口开在铸件的薄壁处，再在铸件厚壁处放壁处，再在铸件厚壁处放置冷铁。置冷铁。 同时凝固的原则可降同时凝固的原则可降低铸件产生应力、变形和低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；只是铸件的裂纹的倾向；只是铸件的心部会产生缩孔或缩松缺心部会产生缩孔或缩松缺陷。陷。 同时凝固原则只用于同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件普通灰铸铁和锡

20、青铜铸件的生产。的生产。“同时凝固同时凝固”方法：方法：机械应力机械应力 铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力。的应力。它是暂时的它是暂时的。防止措施是改善铸型和型芯的退让性防止措施是改善铸型和型芯的退让性。 铸件的变形铸件的变形 产生原因：铸件内部有残留应力。受拉内应力的部产生原因：铸件内部有残留应力。受拉内应力的部位趋于变短。位趋于变短。受拉部分趋于变短受拉部分趋于变短防止变形的措施防止变形的措施（1）尽可能使铸件的壁厚均匀或截面形状对称。尽可能使铸件的壁厚均匀或截面形状对称。（2）采取相应的工艺措施使其同时凝固）采取相应的工艺措施使其

21、同时凝固（3）“反变形反变形”法法-模型制成与变形方向正好相反的模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形。形状以抵消其变形。 （4）对于不允许发生变形的重要机件必须进行）对于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处时效处理。理。铸件的裂纹铸件的裂纹 当铸件的内应力超过其强度极限时便会产生裂纹当铸件的内应力超过其强度极限时便会产生裂纹 按照形成温度的不同，裂纹可分为热裂和冷裂。按照形成温度的不同，裂纹可分为热裂和冷裂。 热裂热裂是在铸件是在铸件凝固末期的高温下凝固末期的高温下形成的裂纹。形成的裂纹。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。是铸钢和铸铝是铸钢和铸铝常见的缺

22、陷。常见的缺陷。） 冷裂冷裂是铸件凝固后，是铸件凝固后，冷却到较低温度下冷却到较低温度下形成的裂形成的裂纹。（脆性材料）纹。（脆性材料）n 两种裂纹的形状特点两种裂纹的形状特点 热裂：热裂： 裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；属呈氧化色； 冷裂冷裂 ： 裂纹细小、呈连续直线状裂纹细小、呈连续直线状或圆滑曲线或圆滑曲线状状、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。n 裂纹的预防措施：裂纹的预防措施：降低内应力，适时落砂可减轻机械降低内应力，适时落砂可减轻机械应力的作用。降低钢铁中杂质应力的作用。降低钢铁中杂质S的含量可减轻热裂纹

23、的含量可减轻热裂纹倾向，降低杂质倾向，降低杂质P的含量可减轻冷裂纹倾向。的含量可减轻冷裂纹倾向。四、合金的吸气性及气孔四、合金的吸气性及气孔1. 析出性气孔析出性气孔 当当金属液冷却时，金属液冷却时，由于由于对气体的溶解度下降而析出的对气体的溶解度下降而析出的气体气体来不及跑出时，会在铸件中形成析出气孔。来不及跑出时，会在铸件中形成析出气孔。 特点特点：裸眼可见的小圆孔，分布面大，热节处密集，多见：裸眼可见的小圆孔，分布面大，热节处密集，多见于铝合金和铸钢件。于铝合金和铸钢件。 防止：防止：清理清理炉料油污，烘干炉料，真空熔炼，除炉料油污，烘干炉料，真空熔炼，除气处理等气处理等。 各种铸造合金

24、尤其是有色金属和合金，在液态时都有吸各种铸造合金尤其是有色金属和合金，在液态时都有吸气（气（H2为主）的特性。为主）的特性。 气孔气孔2. 侵入性气孔侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液中形成的气孔。造型材料中的气体侵入金属液中形成的气孔。 特点特点：体积较大，圆形或椭圆形，分布在铸件表面。：体积较大，圆形或椭圆形，分布在铸件表面。 防止防止：控制型砂中的含水量，提高铸型排气能力等。：控制型砂中的含水量，提高铸型排气能力等。3. 反应性气孔反应性气孔 金属液与铸型之间发生化学反应产生的气孔。金属液与铸型之间发生化学反应产生的气孔。 特点：多见于黑色金属铸件，分布在表皮下面，又称皮特点：多见于黑色金属铸件，分布在表皮下面，又称皮下气孔。下气孔。 防止：型腔表面喷涂料，烘干炉料，减少型砂水分等。防止：型腔表面喷涂料，烘干炉料，减少型砂水分等。 五、常用铸造合金的铸造性能特点五、常用铸造合金的铸造性能特点1. 铸铁铸铁 （1）灰铸铁灰铸铁 铸造性能良好。铸造性能良好。 接近共晶成分，流动性好；收缩率小。接近共晶成分，流动性好；收缩率小。 孕育铸铁孕育铸铁：高强度灰铸铁（硅铁孕育）：高强度灰铸铁（硅铁孕育） 流动性差，收缩率高；流动性差，收缩率高；提高浇注温度，设置冒口提高浇注温度，设置冒口。 （2）球墨铸铁球