机械工程材料成型及工艺8

第9章铸造绪论铸造成形理论基础流动性和充型能力

合金的凝固与收缩

铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸造合金的偏析和气孔绪论1、何为铸造？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和性能铸件的成形方法，称为铸造。

砂型铸造生产工艺流程图2

铸造生产的工艺流程

铸造生产基本上由铸型制备、合金熔炼及浇注、落砂及清理等三个相对独立的工艺过程所组成。

3铸造方法的分类铸造砂型铸造特种铸造湿型铸造干型铸造表干型铸造熔模铸造金属型铸造离心铸造压力铸造铸铁铸造铸钢铸造有色合金铸造齿轮毛坯的砂型铸造

砂型铸造——以铸造用型砂为主要原材料制成铸型，且液态金属完全靠重力充满整个铸型型腔形成铸件的方法称为砂型铸造。4、铸造优缺点

优点：

1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯。如各种箱体、床身、机架等。

2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。缺点：

1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。

2）铸件质量不够稳定。5我国铸造技术的发展

铸造技术历史悠久。三千年前,青铜器已有应用,二千五百年前,铸造工具已经相当普通。大量历史文物显示着我国古代人民在铸造技术上的精湛创造:早在5000多年前,我们的祖先就能冶炼红铜和青铜等合金,并铸出了简单的铜斧。早在4000年以前,我们的祖先就已开始和使用瓷器,到商代已经有了高度发达的青铜冶炼和铸造技术,从河南安阳商代遗址出土的司母戊鼎提供了有力的证明；四羊方尊也是其中杰出的代表。河南安阳商遗址出土的司母戊鼎重达875kg,外形尺寸(133×78×110)cm,是迄今世界上最古老的大型青铜器.曾侯乙编钟（战国时期，距今2400余年），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆。右图为出土现场。巧夺天工的曾侯乙尊盘。是一件外形美丽、工艺复杂的铸件。远处望去似象牙雕刻楼空的丛花，边缘许多层次和变化近看又是细长的盘龙上下游弋，各不相连，堪称稀世珍品。战国时代的“冰箱”——曾侯乙冰鉴明永乐大钟，铸于永乐18年前后（公元1418～1422年），中国现存最大的青铜钟。铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54％、锡16.40％、铝1.12％，为泥范铸造。现存北京大钟寺。中国五五代后后周大大型铸铸件。。在今今河北北省沧沧州市市东南南20千米米的沧沧州故故城开开元寺寺前。。五代代后周周广顺顺三年年（953）铸铸，狮狮身左左肋铸铸有““山东东李云云造””五字字。铁狮身身长5.3米，，高5.4米，，宽3米，，重约约40吨，，采用用泥范范明注注式整整体铸铸成。。狮身铸铸有““狮子子王””字样样，背背驮莲莲座，，前胸胸及臀臀部饰饰束带带，发发鬈曲曲呈波波浪形形，形形态威威武，，作奔奔走状状。沧州铁铁狮的的历史史照片片四羊羊方方尊尊湖北北当当阳阳铁铁塔塔，，铸铸造造于于北北宋宋嘉嘉佑佑六六年年（（公公元元1061年年）），，八八面面十十三三层层，，高高16.945米米,据据铭铭文文记记载载的的铁铁塔塔重重七七万万六六千千六六百百斤斤,当当时时是是就就地地设设炉炉分分层层铸铸造造,采采用用堆堆土土法法而而建建起起来来,各各层层之之间间重重叠叠摆摆放放,没没有有焊焊接接,整整个个塔塔身身玲玲珑珑隽隽秀秀,从从上上到到下下,自自里里而而外外全全生生铁铁浇浇铸铸,仅仅塔塔刹刹在在清清代代以以青青铜铜重重铸铸.江苏苏吉吉鑫鑫风风能能科科技技有有限限公公司司的的展展品品是是目目前前最最大大发发电电功功率率的的3MW轮轮毂毂铸铸件件，，该该产产品品采采用用无无冒冒口口铸铸造造工工艺艺，，可可耐耐-40℃℃低低温温，，工工艺艺水水平平和和产产品品质质量量均均达达到到了了世世界界领领先先水水平平。。三峡700MW水轮机机组配套套的大型型水轮机机叶片在在力学性性能、表表面质量量等方面面均达世世界一流流水平铸造产品品铸造形成成理论基基础流动性和和充型能能力合金的凝凝固与收收缩铸造内应应力及铸铸件的变变形、裂裂纹铸造合金金的偏析析和吸气气性一、流动动性和充充型能力力（一）合合金的流流动性1.流动性流动性是是指熔融融金属的的流动能能力。合合金金流动性性的好坏坏，通常常以“螺螺旋形流流动性试试样”的的长度来来衡量，，将金属属液体浇浇入螺旋旋形试样样铸型中中，在相相同的浇浇注条件件下，合合金的流流动性愈愈好，所所浇出的的试样愈愈长。2.流动性的的影响因因素1）合金的种种类不同种类类的合金金，具有有不同的的螺旋线线长度，，即具有有不同的的流动性性。其中中灰铸铁铁的流动动性最好好，硅黄黄铜、铝铝硅合金金次之，，而铸钢钢的流动动性最差差。2）化学成分分和结晶晶特征纯金属和和共晶成成分的合合金，凝凝固是由由铸件壁壁表面向向中心逐逐渐推进进，凝固固后的表表面比较较光滑，，对未凝凝固液体体的流动动阻力较较小，所所以流动动性好，，见下图图a。在在一定定凝固温温度范围围内结晶晶的亚共共晶合金金，凝固固时铸件件内存在在一个较较宽的既既有液体体又有树树枝状晶晶体的两两相区。。凝固温温度范围围越宽，，则枝状状晶越发发达，对对金属流流动的阻阻力越大大，金属属的流动动性就越越差，见见下图b。不同结晶晶特征的的合金的的流动性性铁碳合金金的流动动性与相相图的关关系见下下图。图图中表明明，纯铁和共晶铸铁铁的流动性性最好，，亚共晶晶铸铁和和碳素钢钢随凝固固温度范范围的增增加，其其流动性性变差。。铁碳合金金的流动动性与相相图的关关系3）合金金的物理理性质与合金有有关的物物理性质质有比热热容、密密度、导导热系数数、结晶晶潜热和和黏度。。液态合合金的比比热容和和密度越越大，导导热系数数越小，，凝固时时结晶潜潜热释放放得越多多，都能能使合金金较长时时间保持持液态，，因而流流动性越越好；液液态合金金的黏度度越小，，流动时时的内摩摩擦力也也就越小小，流动动性就越越好。3）液液态合合金的的温度度温度越越高，，液态态合金金的流流动性性就越越好，，但如如液态态合金金的温温度过过高，，会导导致合合金的的氧化化、吸吸气非非常严严重，，使铸铸件产产生气气孔、、夹渣渣、粘粘砂、、缩松松、缩缩孔等等缺陷陷。（二））合金金的充充型能能力1.充充型型能力力概念：：液态态合金金充满满铸型型型腔腔，获获得形形状完完整、、轮廓廓清晰晰的铸铸件的的能力力。合合金的的流动动性是是金属属本身身的属属性，，不随随外界界条件件的改改变而而变化化，而而合金金的充充型能能力不不仅和和金属属的流流动性性相关关，而而且也也受外外界因因素的的影响响。2.充充型型能力力的影影响因因素1）铸铸型条条件a）铸型型的蓄蓄热能能力即铸型型从金金属液液中吸吸收和和储存存热量量的能能力。。铸型型的热热导率率和质质量热热容越越大，，对液液态合合金的的激冷冷作用用越强强，合合金的的充型型能力力就越越差。。2）浇浇注条条件a）浇浇注系系统的的结构构；b）充充型压压力；；c）浇浇注温温度。。b）铸型温温度提高铸铸型温温度，，可以以降低低铸型型和金金属液液之间间的温温差，，进而而减缓缓了冷冷却速速度，，可提提高合合金液液的充充型能能力。。c）铸型中中的气气体铸型中中气体体越多多，合合金的的充型型能力力就越越差。。d)铸件结结构铸件结结构越越复杂杂，铸铸件壁壁厚越越薄，，液态态金属属充型型越困困难。。二合合金的的凝固固与收收缩（一））铸件件的凝凝固方方式及及影响响因素素1.铸铸件件的凝凝固方方式（1））逐层层凝固固方式式合合金在在凝固固过程程中其其断面面上固固相和和液相相由一一条界界线清清楚地地分开开，这这种凝凝固方方式称称为逐逐层凝凝固。。常见见合金金如灰灰铸铁铁、低低碳钢钢、工工业纯纯铜、、工业业纯铝铝、共共晶铝铝硅合合金及及某些些黄铜铜都属属于逐逐层凝凝固的的合金金。（2））糊状状凝固固方式式合合金金在凝凝固过过程中中先呈呈糊状状而后后凝固固，这这种凝凝固方方式称称为糊糊状凝凝固。。球墨墨铸铁铁、高高碳钢钢、锡锡青铜铜和某某些黄黄铜等等都是是糊状状凝固固的合合金。。（3））中间间凝固固方式式大多数数合金金的凝凝固介介于逐逐层凝凝固和和糊状状凝固固之间间，称称为中中间凝凝固方方式。。中碳碳钢、、高锰锰钢、、白口口铸铁铁等具具有中中间凝凝固方方式。。铸件的凝固固方式2.凝固固方式的影影响因素（1）合金金凝固温度度范围的影影响合合金的液相相线和固相相交叉在一一起，或间间距很小，，则金属趋趋于逐层凝凝固；如两两条相线之之间的距离离很大，则则趋于糊状状凝固；如如两条相线线间距离较较小，则趋趋于中间凝凝固方式。。（2）铸件件温度梯度度的影响增增大温温度梯度，，可以使合合金的凝固固方式向逐逐层凝固转转化；反之之，铸件的的凝固方式式向糊状凝凝固转化。。二）铸造造合金的收收缩铸造合金从从液态冷却却到室温的的过程中，，其体积和和尺寸缩减减的现象称称为收缩。。它主要包包括以下三三个阶段：：1.液态收收缩金属在液态态时由于温温度降低而而发生的体体积收缩。。2.凝固收收缩熔融金属在在凝固阶段段的体积收收缩。液态收缩和和凝固收缩缩是铸件产产生缩孔和和缩松的基基本原因。3.固态收收缩金属在固态态时由于温温度降低而而发生的体体积收缩。。固态收缩缩对铸件的的形状和尺尺寸精度影影响很大，，是铸造应力力、变形和和裂纹等缺缺陷产生的的基本原因因。（三）影影响合金收收缩的因素素1.化学学成分不同成分的的合金其收收缩率一般般也不相同同。在常用用铸造合金金中铸钢的的收缩最大大，灰铸铁铁最小。2.浇注注温度合金浇注温温度越高，，过热度越越大，液体体收缩越大大。3.铸件件结构与铸铸型条件铸件冷却收收缩时，因因其形状、、尺寸的不不同，各部部分的冷却却速度不同同，导致收收缩不一致致，且互相相阻碍，又又加之铸型型和型芯对对铸件收缩缩的阻力，，故铸件的的实际收缩缩率总是小小于其自由由收缩率。。这种阻力力越大，铸铸件的实际际收缩率就就越小。（四）收缩缩对铸件质质量的影响响1.缩孔孔和缩松（（1））缩孔的形形成缩缩孔总是出出现在铸件件上部或最最后凝固的的部位，其其外形特征征是：内表表面粗糙，，形状不规规则，多近近于倒圆锥锥形。通常常缩孔隐藏藏于铸件的的内部，有有时经切削削加工才能能暴露出来来。缩孔形形成的主要要原因是液液态收缩和和凝固收缩缩。缩孔形形成过程见见下图。缩孔形成过过程示意图图（2））缩缩松松的的形形成成宏观观缩缩松松多多分分布布在在铸铸件件最最后后凝凝固固的的部部位位，，显显微微缩缩松松则则是是存存在在于于在在晶晶粒粒之之间间的的微微小小孔孔洞洞，，形形成成缩缩松松的的主主要要原原因因也也是是液液态态收收缩缩和和凝凝固固收收缩缩所所致致。。缩缩松松形形成成过过程程见见下下图图。。缩松松形形成成过过程程示示意意图图（3））缩缩孔孔、、缩缩松松的的防防止止措措施施a））采采用用定定向向凝凝固固的的原原则则所所谓谓定定向向凝凝固固或或顺顺序序凝凝固固，，是是使使铸铸件件按按规规定定方方向向从从一一部部分分到到另另一一部部分分逐逐渐渐凝凝固固的的过过程程。。冒冒口口和和冷冷铁铁的的合合理理使使用用，，可可造造成成铸铸件件的的定定向向凝凝固固，，有有效效地地消消除除缩缩孔孔、、缩缩松松。。定定向向凝凝固固原原则则见见下下图图。。定向向凝凝固固原原则则：：b）合理确确定铸件的的浇注位置置、内浇道道位置及浇浇注工艺浇注位置的的选择应服服从定向凝凝固原则；；内浇道应应开设在铸件件的厚壁处处或靠近冒冒口；要合合理选择浇浇注温度和浇注速速度，在不不增加其它它缺陷的前前提下，应应尽量降低浇注温温度和浇注注速度。2.铸造应力、、变形和裂裂纹在铸件的凝凝固以及以以后的冷却却过程中，，随温度的的不断降低低，收缩不不断发生，，如果这种种收缩受到到阻碍，就就会在铸件件内产生应应力，引起起变形或开开裂，这种种缺陷的产产生，将严严重影响铸铸件的质量量。（1）铸铸造应力的的产生铸铸造应力力按其产生生的原因可可分为三种种：a）热应力力铸件在凝固固和冷却过过程中，不不同部位由由于不均衡衡的收缩而而引起的应应力。b）固态相相变应力铸件由于固固态相变，，各部分体体积发生不不均衡变化化而引起的的应力。c）机械应应力铸件在固态态收缩时，，因受到铸铸型、型芯芯、浇冒口口、箱挡(箱带）等等外力的阻阻碍而产生生的应力。。铸件铸出后后存在于铸铸件不同部部位的内应应力称为残残留应力。。（2）铸造造应力的防防止和消除除措施a）采用同同时凝固的的原则同时凝固是是指通过设设置冷铁、、布置浇口口位置等工工艺措施，，使铸件温温差尽量变变小，基本本实现铸件件各部分在在同一时间间凝固。如如下图所示示。

b））提高铸型型温度c）改善善铸型和型型芯的退让让性d）进行去去应力退火火同时凝固原原则：（3）铸件件的变形和和防止铸件的变变形包括括铸件凝凝固后所所发生的的变形以以及随后后的切削削加工变变形。防防止铸件件变形有有以下几几种方法法：a)采采用反变变形法可在模样样上做出出与铸件件变形量量相等而而方向相相反的预预变形量量来抵消消铸件的的变形，，此种方方法称为为反变形形法。b)进进行去应应力退火火铸件机加加工之前前应先进进行去应应力退火火，以稳稳定铸件件尺寸，，降低切切削加工工变形程程度。c)设设置工艺艺肋为了防止止铸件的的铸态变变形，可可在容易易变形的的部位设设置工艺艺肋。d）采用用同时凝凝固原则则。（4）铸铸件的裂裂纹及防防止a)铸铸件裂纹纹的分类类及其形形貌铸铸件一一般有热裂和冷裂两种开裂裂方式。。热裂是是在凝固固后期高高温下形形成的，，主要是是受到机机械阻碍碍作用而而产生的的，热裂裂裂纹一一般沿晶晶界产生生和发展展，其外外形曲折折短小，，裂纹缝缝内表面面呈氧化化色；冷冷裂是在在较低温温度下形形成的，，常出现现在铸件件受拉伸伸部位，，特别是是有应力力集中的的地方，，冷裂常常常是穿穿晶断裂裂，裂纹纹细小，，外形呈呈连续直直线状或或圆滑曲曲线状，，裂纹缝缝内干净净，有时时呈轻微微氧化色色。b）铸铸件裂纹纹的防止止应应尽可可能采取取措施减减小铸造造应力；；同时金金属在熔熔炼过程程中，应应严格控控制有可可能扩大大金属凝凝固温度度范围元元素的加加入量及及钢铁中中的硫、、磷含量量，选用用收缩率率小的合合金，改改善合金金的退让让性。三、铸造造合金的的偏析和和吸气性性1.偏析析铸件中出出现化学学成分不不均匀的的现象称称为偏析析。铸件件的偏析析可分为为晶内偏偏析、区区域偏析析和比重重偏析三三类。(1)晶内内偏析析（又又称枝枝晶偏偏析））是指晶晶粒内内各部部分化化学成成分不不均匀匀的现现象，，这种种偏析析出现现在具具有一一定凝凝固温温度范范围的的合金金铸件件中。。为防防止和和减少少晶内内偏析析的产产生，，在生生产中中常采采取缓缓慢冷冷却或或孕育育处理理的方方法。。(2)区区域域偏偏析析是指指铸铸件件截截面面的的整整体体上上化化学学成成分分和和不不均均匀匀。。避避免免区区域域偏偏析析的的发发生生，，主主要要应应该该采采取取预预防防措措施施，，如如控控制制浇浇注注温温度度不不要要太太高高，，采采取取快快速速冷冷却却使使偏偏析析来来不不及及发发生生，，或或采采取取工工艺艺措措施施造造成成铸铸件件断断面面较较低低的的温温度度梯梯度度，，使使表表层层和和中中心心部部分分接接近近同同时时凝凝固固。。(3)比比重重偏偏析析铸件件上上、、下下部部分分化化学学成成分分不不均均匀匀的的现现象象称称为为比比重重偏偏析析。。为为防防止止比比重重偏偏析析，，在在浇浇注注时时应应充充分分搅搅拌拌金金属属液液或或加加速速合合金金液液的的冷冷却却，，使使液液相相和和固固相相来