第一章 铸造成形工艺理论基础

材料成形工艺基础

主编华中科技大学

沈其文

主讲制造教研室储开宇学时32FundamentalofMaterialsForming材料科学与工程的四大要素合成加工组织结构材料科学与工程性能使用效能材料科学与工程的多学科化材料科学与工程物理学冶金学化学陶瓷学计算数学生物学材料科学与材料工程的差异

材料科学和材料工程是一个整体，不可分割；它们之间的差异主要表现在学科的侧重点不同。

材料科学侧重于发现和揭示四个要素之间的关系，提出新概念、新理论。

材料工程侧重于寻求新手段实现新材料的设计思想并使之投入应用，二者相辅相成。

尼龙纤维的研制：

1928年杜邦公司开始研究天然尼龙Carother等成功合成聚酯等高分子物理化学家发现聚酯能够冷拉丝成形利用X射线发现拉伸纤维强度源于高分子链的高度取向Carother等提出熔融纺纤的新概念工程技术人员发明尼龙熔融纺纤技术小分子流体力学不使用于高分子物质纺纤设备的要求铜容器腐蚀造成尼龙熔体颜色污染1938年首批合成尼龙纤维产品问世材料科学材料科学材料科学材料工程材料工程材料工程材料科学材料工程材料工程所涉及的三大制备技术

根据所需材料的性能、结构要求，进行材料的提纯净化、原料(成分)配制和合成或合金化的过程．是材料制备工程的首要环节。

熔融凝固制备技术原材料熔融精炼凝固坯料

常用于金属、无机非金属化合物、半导体材料坯锭和玻璃制品的制备。

粉末冶金制备技术原料粉末压制烧结混合

这是陶瓷材料、水泥以及硬质合金以及铁基合金等材料的主要成材途径。

单体聚合制备技术

这是高分子材料的典型的制备技术。天然气聚合聚合物单体煤炭石油材料工程的加工成形技术

通过上述三种材料制备技术得到的材料，大多数不是材料的最终产品，需要进一步的后续加工处理。

玻璃材料有它的特殊性，从原材料配制、熔化，到熔体快冷成形为制品，必须一步完成。

材料的常规加工技术主要有锻造、冲压、轧制、挤压、拉拔、焊接以及注射成形等。课程的主要目的

《材料成形工艺基础》是机械类或近机械类专业的一门学科基础课，学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、压力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。其主要任务是介绍以下内容：1）制定铸造过程图，了解合金的熔炼与浇注过程的基本知识以及砂型铸造、特种铸造等；2）制定锻造过程图，了解材料塑性变形基本规律；了解粉末成形、塑料、橡胶、陶瓷成型过程和板料冲压成形过程；3）了解常用金属材料焊接过程基本知识；4）了解有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。为后续课程的学习及从事机械零件设计、制造及管理工作打下必要的技术基础学习方法和计计分方法理论与实践讲课和多媒体体金工实习平时（20%）+考试（80%）材料与人类文文明人类的文明进进程是依据什什么而划分的的？材料应用的发发展是人类发发展的里程碑碑：——石器时代、铜铜器时代、铁铁器时代……。——发展得越来越越快。历史大型推想壁画画—古代采矿冶炼炼图技术项目名称中国发明时间与国外发明时间比较块炼铁春秋晚期公元前1250年赫梯国王哈图斯里三世在一封信中说到铁的生产和贸易生铁冶铸至迟在公元前六世纪比欧洲早1900多年水排（水力鼓风机）至迟在西汉、东汉之交（公元开始时）比欧洲早1200年装有活门的简单木风箱(木扇)至迟在北宋时比欧洲早500-600年活塞式木风箱至迟在公元1637年前比欧洲早100多年焦炭炼铁公元1368-1644年1709年英国A达比用焦炭炼铁成功生铁柔化处理技术至迟在公元前五世纪比欧洲早2300年生铁炼钢（炒钢）西汉后期（公元前一世纪）1784年英国科特在反射炉中用搅炼法炼炼钢铜镍合金公元四世纪1823年英国人汤麦逊和德国人罕·宁格兄弟仿制成功炼锌公元十世纪初英国1738年湿法炼铜公元前二世纪欧洲比我国晚1500多年<<考工记>>记载铸造各类青铜器不同合金成分配比—"六齐"公元前三世纪中外古代冶金金技术重大发发明时间对照照表战国早期著名名的青铜乐器器，1978年出土于湖北北随县曾侯乙乙墓。它是我我国及世界迄迄今为止发现现的最古老、、数量最大、、保存最好的的一套古代编编钟。该钟群群分8组65枚，重2500多公斤。钟上上错金铭文计计2800余字，标记音音名和音律，，所有钟都可可发双音，以以割肄为基调调，音域宽达达五个半八度度，半音齐备备，可以旋宫宫转调，演奏奏各类乐曲和和谐动听。因因其音乐艺术术与金属工艺艺的精巧结合合，而被誉为为“世界第八八大奇迹”。。中国古代三大大铸造技术在我国古代金金属加工工艺艺中，铸造占占着突出的地地位和广泛的的社会影响，，像“模范”、““陶冶”、““熔铸”、““就范”等习语，就是是沿用了铸造造业的术语。。劳动人民通创创造了具有我我国民族特色色的传统铸造造工艺。特别别是泥范、铁范和和熔模铸造最重要，，称古代三大大铸造技术。。泥范铸造我国自新石器器晚期，就进进入铜石并用用时代。河北北唐山等地出出土的早期铜铜器，有锻打打成形的，也也有熔铸成形形的，说明范范铸技术在我我国源远流长长，很早就发发展起来。熔模铸造传统的熔模铸铸造一般称失失蜡、出蜡或或捏蜡、拨蜡蜡。它和现代代熔模铸造（（如制造汽轮轮机叶片、铣铣刀等精密铸铸件），无论论在所用蜡料料、制模、造造型材料、工工艺方法等方方面，都有很很大不同。但但是，它们的的工艺原理是是一致的，并并且现代的熔熔模铸造是从从传统的熔模模铸造发展而而来的。历史失蜡法：古代金属铸造造的一种方法法，其过程是是用蜡制成模模，外敷造型型材料，成为为整体铸型，，加热将蜡化化去，形成空空腔铸范。我我国目前最早早使用失蜡法法制成的铸件件是河南出土土的春秋晚期期的铜禁、铜铜盞部件和湖湖南宁乡出土土的四羊方尊尊。铜禁春秋中中期河南淅淅川出土铁范（金属型型）铸造铸型材料从石和泥、砂改改用金属，从一次型经经多次型又改改进成为耐用用性更高的所所谓“永久””型（金属型型），在铸造造技术的历史史发展上具有有重要的意义义。1953年河河北兴隆铁范的发现，证明明我国早在战战国时期已经经用白口铁的的金属型浇注注生铁铸件。。这批铁范包括锄、镰、、斧、凿、车车具等类共87件，大部部完整配套。。其中，镰和凿是一范两件，，锄和斧还采用了金属属芯。它们的的结构十分紧紧凑，颇具特特色。范的形状和铸件相吻合合，使壁厚均均匀，利于散散热；范壁带带有把手，以以便握持，又又能增加范的的刚度。可以以说是创造了了一种中国风风格的金属型型，并且在那那个时候已经经大体定型了了。近年来，在河河南南阳、郑郑州、镇平和和河北满城、、山东莱芜等等地又陆续出出土汉代铁范范许多件，品品种比战国时时期显著增多多，型式却基基本相同。河河南泥池汉魏魏铁器窖藏中中还有铸造成成形铁板和矢矢镞的铁范以以及长达半米米的大型铁犁犁范。4,500BC——1,000BC青铜时代（BronzeAge）从矿石中提炼炼铜——冶金业的黎明明这张埃及古墓墓壁画是人人类冶金业的的最早纪录之之一青铜，古称金或吉金金，是红铜与与其它化学元元素（锡、镍镍、铅、磷等等）的合金。。史学上所称的的“青铜时代代”是指大量量使用青铜工工具及青铜礼礼器的时期。。保守的估计计，这一时期期主要从夏商商周直至秦汉汉，时间跨度度约为两千年年左右，这也也是青铜器从从发展、成熟熟乃至鼎盛的的辉煌期。到春秋战国时时期，齐国工工匠总结科技技经验写成的的《考工记》一书中，提出出了「金有六六齊」，這是是世界科技史史上最早的冶冶铜经验总结结。青铜：第一种种合金夏钺（yue）戈历史青铜文化商代青铜bronze文化仰韶文化的后后期，即大约约在公元前3500年以以后的一个时时期，我们的的祖先已经知知道了铜，并并且已会制造造简单的小件件铜器。现已已知道的最早早的青铜器物物，是1975年在甘肃肃东乡县林家家的甘肃仰韶韶文化马家窑窑类型遗址中中出土的一件件公元前3000年左右右青铜刀。到了商代，青青铜器冶铸工工艺高度发展展，商代晚期期即殷墟时期期，已经出现现特别巨大或或精细的器物物，技术水平平和艺术水平平都很高。西西周晚期，事事实上是青铜铜器走向衰落落的时期。青铜文化四羊方尊商代青铜器物物。1938年湖南宁乡出出土，铜尊高高58.3厘米，重约34.5公斤。现藏于于北京的中国国历史博物馆馆。其设计独特，，金属加工工工艺高超，集集浅雕、浮雕雕、圆雕于一一身，把平面面图像和立体体浮雕结合起起来，把器皿皿和动物形象象结合起来,成为了冶铸与与艺术相结合合的典型代虎食人卣（you）此卣作虎形，，踞坐以后足足及尾支撑，，前爪抱住一一人，张口噬噬人首。人体体与虎相对，，手扶虎肩，，脚踏在虎后后爪上，转面面向左侧视。。虎肩部附提提梁，梁两端端有兽首，上上饰长形夔纹纹，以雷纹衬衬地。虎背上上部为椭圆形形器口，有盖盖，盖立一鹿鹿。虎两耳竖竖起，面上及及颚侧饰鳞纹纹和云纹，利利牙如锯似钩钩。虎背饰牛牛首纹，自盖盖后端沿虎脊脊设一道扉棱棱，棱中部有有钩状突起。。人物头发向向后直披，面面容静穆，着着衣，从背后后可见方口衣衣领和窄袖口口。人的大腿腿到臀部饰一一对蛇纹。器器外底有阴线线纹饰，中为为游龙，两侧侧名为一角。。此卣形制复复杂，铸造技技术高超，虎虎噬人被表现现得动人心魄魄，触目惊心心，使之成为为造型艺术品品的杰作。现现藏于日本泉泉屋博物馆。。共有两件另一一件藏于法国国巴黎市立东东方美术馆，，重6.5公斤，长24厘米，高32厘米，宽19厘米。虎食人卣（you）:商代晚期。是是一种极特别别的酒器，出土于湖南省省安化县。通通高35.7㎝，重5.09㎏。口缘直径10.4×9.0㎝青铜文化二里冈出土饕饕餮（tāotiè）乳钉纹方鼎鼎商早期，饪食食器。1974年河南省郑州州市出土，高高100厘米、重82.55千克。正方体，平沿沿外折，拱形形立耳，以饕饕餮纹与乳钉钉纹作主要纹纹饰。郛钉纹纹方鼎的发现现对研究商代代青铜铸造业业的发展，探探讨郑州商城城的历史沿革革提供了宝贵贵的资料1974年河南省郑州州市张寨南街街出土，是目目前发现的商商代早期最大大的青铜礼器器，现藏中国国历史博物馆馆。器体呈长方形形，立耳，四四柱状足，为为商代后期鼎鼎常见的样式式。鼎腹的四四面各以浮雕雕式人面作主主体装饰，面面部较为写实实，特征突出出，十分醒目目。表情威严严肃穆，高颧颧骨，双眼圆圆睁，眉弯曲曲，唇紧闭。。双耳肥大，，上饰勾云纹纹，下有手爪爪形纹饰。地地衬云雷纹。。腹部四角有有外凸的扉棱棱，并带有齿齿状凸饰，使使形体庄重而而富于动势。。足上部饰兽兽面纹，也饰饰扉棱，与腹腹部呼应，下下有三道弦纹纹。耳外侧饰饰阴线夔龙纹纹。整个装饰饰层次丰富，，清晰精致，，主题鲜明。。

鼎腹腹内壁铸“大大禾”两字铭铭文，此鼎亦亦被称之为大大禾方鼎。大禾人面方鼎大禾人面方鼎鼎：礼器，商代后后期，高38.5厘米，口长29.8厘米，宽23.7厘米，1959年湖南省宁乡乡县黄村寨子子山出土，湖湖南省博物馆馆藏。青铜文化饕餮纹鼎司母辛方鼎司母戊鼎青铜文化商代青铜文化化司母戊鼎：商王为祭祀其其母所铸的重重器。1939年安安阳武官村出出土，长166厘米，高133厘米，宽79厘米。重833千克克，是中国目目前发现最重重的青铜器。。据估计，铸造造这样大型青青铜器，需300多人同同时工作。它它是商代青铜铜文化顶峰时时期的代表作作，其造型典典雅厚重，纹纹饰美观，充充分显示了商商代青铜冶铸铸业生产规模模的宏大和技技术水平的高高超。青铜文化豕(shi)尊豕尊，商后期，容酒器器，俗称猪尊尊，1981年出土于湘潭县九华乡乡桂花村船形形山一个叫“金盆盆养鲤”的地地方。用豕的的形象作器形形，在古代青青铜器中是极极其个别的。。豕的两眼圆圆睁状，两耳耳成招风状，，长嘴上翘微微张，犬齿尖尖长，背上鬃鬃毛竖起，四四支刚健，臀臀、腹滚圆，，生殖器刻画画仔细，活脱脱脱一头野公公猪形象。我我们再仔细看看，头部阴刻刻兽面纹，腹腹、背、盖面面为鳞甲纹；；四肢和臀部部饰倒立的夔夔纹，夔首反反顾，夔尾盘盘曲，并以云云雷纹填饰；；盖孔呈椭圆圆形，腹空，，实测容积为为13升。该器前后肘部部的圆孔分别别为21和21.5厘米，直径1.4厘米，两边对对穿，腹内为为圆管状，是是供抬绳穿系系而特意设计计的，圆管与与尊身二次铸铸成，然后焊焊接。值得注注意的是，该该器当年使用用过程中曾多多次修复，大大体有六处：：第一处颈、、背交接处；；第二处，臀臀部；第三处处，盖钮；第第四处，左边边犬齿；第五五处，猪鬃的的左侧。从这这些修补处，，可以感受到到当年使用的的频繁。司母辛觥(gong)司母辛觥：商代晚期，通通高36.5㎝、通长47.4㎝；1976年河南安阳小小屯五号墓出出土，中国社社会科学院考考古研究所藏藏。兽鸟合体，站站立状，造型型别致。器身身扁长，前窄窄后宽，宽长长流，前端有有一圆形流孔孔，流下有一一条直通胸部部的扉棱。底底略外鼓，下下有四足。前前两中兽形奇奇蹄，足外侧侧饰龙纹，龙龙口向下。后后两足如鸟足足。有四爪，，足底有凹下下的浇口，足足饰羽毛纹。。兽头半圆形鋬，胸部部两侧各饰一一条阴线小龙龙；前足上部两侧侧各有一形体体较大的倒立立龙纹；腹后端端分饰并拢的的双翅和下垂垂的短尾，与两两鸟足合成一一体。均以雷雷纹为地。鋬下下壁面有一阴阴线兽面纹，，兽口向下。底底内中部有铭铭文三字。盖盖前端为一一兽头，大卷卷角。盖面饰龙纹，龙的的中脊突起作作扉棱形，口口向流端，身尾尾特长。在龙龙的右侧饰一一虎形纹，双足足前屈，长尾尾后垂；左侧侧饰虎形纹和龙龙纹。盖下周周沿有子口，，与器口相合。。盖内有铭文文三字。湖北江陵楚墓墓出土越王勾勾践宝剑历史三星堆立人像铸于商商代晚期，人人像高172厘米，底座高高90厘米，通高262厘米，是世界界上最大的青青铜立人像，，被尊称为““世界铜像之之王”。突目面具铸于于商代晚期，，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱柱状外突长达达13.5厘米，其造型型在世界上亦亦属首见。历史永乐大钟：明明永乐年间(1403——1424)铸造，现存于于北京大钟寺寺。它是我国国目前发现的的最大青铜钟钟，也是世界界上著名的大大钟之一。铜铜钟高6.75米，钟外径2.4米，钟壁厚度度不等，最厚厚处185毫毫米，最薄处处94毫米，，重约46吨。钟体内外铸有有佛教经文23万余字，如《诸佛如来菩萨萨尊者神僧名名经》，《弥陀经》，《十二因缘咒》，《妙法莲花经》，《金刚经》等17种经咒。铜钟合金成分分为：铜80.54％、、锡16.40％、铝1.12％，，为泥范铸造。。永乐大钟历史永乐大钟铸造造场景模拟：：上图：制模中图：熔炼下图：铸造中国古代铁器中带有球状石墨的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄历史现代铸造在过去的10年中，国内企企业如一重、、二重等在大大型铸件领域域开展了探索索，如研制制成功300MW核电大型铸锻锻件、550MW水轮机组成套套大型铸锻件件等。目前，，我国可以生生产的最大普普通碳钢铸钢钢件为450t，不锈钢铸件件为180t；具有一次性性生产700t级钢液、一次次性浇注单重重500t级铸钢件、400墩优质铸钢件件的能力。我国已成功地地生产出了世世界上最大的的轧钢机机架架铸钢件（重重410t）和长江三峡电电站巨型水轮轮机的特大型型铸件中信重工采用用10炉冶炼6包合浇的方式式一次性组织织850吨精炼钢水，，成功浇铸了了目前世界最最大、最先进进的自由锻造造油压机的上上横梁，横梁梁长11.95米，宽3.8米，高4.59米，毛坯总重重达520吨，需要浇铸铸钢水829.5吨，是目前世世界上一次组组织钢水最多多、浇铸吨位位最重的特大大型铸钢件。。预示着重达达18500吨的自由锻造造油压机制造造进入倒计时时。大飞机、航空空母舰。第一篇金属的铸造成成形工艺第一章铸造造成形工艺理理论基础第一节铸铸造成形工艺艺的特点和分分类定义：所谓金金属液态成型型，即铸造，，casting，是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件件的工艺。注意2个过程程：（1）充填型腔（2）凝固冷却手工造型的两两箱造型图解解型芯Core上箱flask下箱分型面P/L型腔Cavatity浇注系统gatingsystem排气孔

实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。砂型铸造概略图一、铸造工艺艺特点（1）适应性广。适应铸铁，，碳钢，有色色金属等材料料；铸件大小小，形状和重重量几乎不受受限制；壁厚厚1mm到1m，质量零点几克克到数百吨（（三峡的水轮轮机叶轮重达达430T）。（2）可复杂成形。适合形状复复杂，尤其是是有复杂内腔腔的毛坯或零零件。（3）成本较低。可直接利用用成本低廉的的废机件和切切屑，设备费费用较低；在在金属切削机机床中，铸件件占机床总重重量75%以以上，而生产产成本仅占15-30%（4）存在不足。如组织疏松松、晶粒粗大大，铸件内部部常有缩孔、、缩松、气孔孔等组织缺陷陷产生，导致致铸件力学性性能，特别是是冲击性能较较低，质量不不稳定。（发发展了铸锻联联合工艺）因因此，铸件多多数做为毛坯坯用。污染环境，工工作环境较差差。铸造生产产会产生粉尘尘、有害气体体和噪声对环环境的污染，，比起其他机机械制造工艺艺来更为严重重，需要采取取措施进行控控制。（特种种铸造工艺））二、铸件成形形工艺分类按照形成铸件件的铸型可分分为：砂型铸造、金金属型铸造、、熔模铸造、、壳型铸造、、陶瓷型铸造造、消失模铸铸造、磁型铸铸造等。按充型条件的的不同可分为为：重力铸造、压压力铸造、离离心铸造等。。传统上，将有有别于砂型铸铸造工艺的其其他铸造方法法统称为“特特种铸造”。。砂型铸造应用用最为广泛，，世界各国用用砂型铸造生生产的铸件占占铸件总产量量的90％以上。砂型型铸造可分为为手工造型和和机器造型两两种，其工艺流程程如图1所示。工艺三大块块：冶炼，，造型（芯芯）和浇注落砂shakeout清理cleaning铸件检验入库砂型sandmould铸造工艺流流程图合型浇注凝固冷却型砂moldingsand配制造型砂型干燥工装准备炉料准备合金冶炼芯砂coresand配制造芯coremaking型芯干燥砂型铸造造造型生产线线动画铸件的质量量(品质)：直接影响响到机械产产品的质量量(品质)。提高铸造造生产工艺艺水平是机机械产品更更新换代、、新产品的的开发的重重要保证，，是机械工工业调整产产品结构、、提高生产产质量(品质)和经济效益益、改变行行业面貌的的关键之一一。我国铸造现现状：铸造是材料料成形工艺艺发展历史史上最悠久久的一种工工艺，在我我国已有6000多年历史了了，目前我我国铸件年年产量已超超过1000万t。由于历史原原因，长期期以来，我我国的铸造造生产处于于较落后状状态。与当当前世界工工业化国家家先进水平平相比，我我国的铸造造生产的差差距不是表表现在规模模和产量上上，而是集集中在质量量和效率上上。国内外外铸造生产产技术水平平的比较见见表1。表1国内外铸造造生产技术术水平的比比较比较项目国

外国

内尺寸精度汽缸体和汽缸盖：一般为CT8～CT9CT10，与国外差2～4级表面粗糙度汽缸体和汽缸盖：<25μm>50μm使用寿命汽缸套为6000～10000h3000～6000h铸件废品率美、英、法、日约为2%8～15%耗能/吨铸件360～370kg标准煤(合格铸件)650kg标准煤劳动生产率65t/人年8t/人年熔炼技术富氧送风，铁水温度>1500℃1400℃造型工艺广泛采用流水线，采用高压造型、射压造型、和气冲造型除汽车等行业中少数厂采用半自动、自动化流水线外，多数厂普遍采用40年代造型技术铸造工艺装备造型机精度和精度保持能力很高。造型线精度可保持1～2年，设备综合开工率>80%，装备全部标准化、系列化、商品化精度低，精度保持能力差(<半年)。设备综合开工率<50%。装备标准化、系列化、商品化程度很低铸造用工艺材料质量很高，如日本硅砂都经水洗，含泥量小于0.2%质量很差，砂只作筛分，含泥量在2%以上与工业发达达国家相比比，我国大大型铸钢件件生产在产产品品种、、工艺水平平、质量等等级以及制制造装备等等整体水平平方面均存存在着较大大差距。在大型核电电设备中。。主泵、核核电汽轮机机缸体等大大型铸钢件件多采用不不锈钢材料料，其质量量要求极高高，我国尚尚未掌握自自主生产技技术，基本本全部依赖赖进口。主主要差距表表现为:①我国企业没没有掌握这这类大型不不锈钢铸件件整体铸造造工艺及技技术;②对材料冶炼炼中化学成成分控制，，特别是有有害微量元元素控制以以及钢的纯纯度控制水水平不高;③在材料力学学性能控制制及铸件质质量的稳定定性控制等等方面均存存在差距。。大型水电机机组中铸钢钢件转轮的的上冠、下下环和叶片片。与国外外差距主要要表现在:①产品设计水水平不高;②制造技术水水平低，如如在铸造技技术、热处处理技术等等方面存在在较大差距距;③铸件产品质质量稳定性性不高，尺尺寸检验、、质量检测测技术水平平低。我国大型铸铸件行业在在劳动生产产率、热加加工产值产产量和质量量成本等综综合指标、、能力比先先进国家落落后约5—10年。第二节合合金的铸铸造性能合金的铸造造性能是指在铸造造过程中获获得尺寸精精确、结构构完整的铸铸件的能力力。主要包括合合金的流动动性、收缩缩性、吸气气性及其成成分偏析倾倾向性等性性能。一、合金的的充型液态合金填填充铸型的的过程简称称充型；液态金属充充满铸型，，获得尺寸寸精确、轮轮廓清晰的的铸件的能能力，简称称充型能力。。在液态合金金充型过程程中，一般般伴随结晶晶现象，若若充型能力力不足时，，在型腔被被填满之前前，形成的的晶粒将充充型的通道道堵塞，金金属液被迫迫停止流动动，于是铸铸件将产生生浇不足或冷冷隔等缺陷。浇浇不足使铸铸件未能获获得完整的的形状；冷冷隔时，铸铸件虽可获获得完整的的外形，但但因存有未未完全熔合合的垂直接接缝，铸件件的力学性性能严重受受损。充型能力首首先取决于于金属液本本身的流动动能力，同同时又受铸铸型性质、、浇注条件件及铸件结结构等因素素的影响。。影响充型能能力的因素素有：合金的流动动性、合金金的收缩性性、合金的的吸气性等等。1.流动性定义义：flowability,液态合金充满型腔，形成成轮廓清晰晰，形状和和尺寸符合合要求的优优质铸件的的能力(CSS,configuration,shapeandsize)。。流动性通义义是流体的的流动能力力，但不同同学科对流流动性有不不同的定义义，这里是是材料成形形学的定义义。它的定定义说流动动性是这样样的一种能能力，这种种能力体现现在2个方方面：（1）充满满型腔；（2）形成成符合要求求的优质铸铸件。这个定义突出地表明明了流动性性对金属液液态成型工工艺的重要要性。如果流动动性不好，，就不能充充满型腔，，就不能形形成符合要要求的优质质铸件。也也说明不同同的合金具具有不同的的流动性特特点。在进进行铸件设设计和铸造造工艺制定定时，必须须考虑合金金流动性。。那么，我我们怎样衡衡量合金的的流动性呢呢？图1-1螺旋型试样样螺旋形流动动性试样在相同的浇浇注工艺条条件下，将将金属液浇浇入铸型中中，测出其其实际螺旋旋线长度。。浇出的试试样愈长，，合金的流流动性愈好好！合金种类铸型种类浇注温度/℃螺旋线长度/㎜铸铁wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢wC=0.4%

铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%）硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%）砂型砂型金属型（300℃）砂型砂型砂型16001640680～72070010401100100200700～800400～6004201000表1-1常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）液态金属本本身的流动动能力。流动性充型能力易薄壁壁复杂铸件件气孔、、夹渣、缩缩孔灰铸铁、硅硅黄铜的流流动性较好好；铸钢较差；；铝合金居中中。不同成分合合金的结晶晶特性示意意图见图1-2含碳量温度，T碳钢铸铁共晶点图1-2不同成分合合金的结晶晶特性铸件凝固过过程中铸件件断面上存存在的三个个区域：固相区、凝凝固区和液液相区。其中凝固区区对铸件质质量有较大大影响。铸铸件的凝固固方式也可可根据凝固固区的宽窄窄来划分，，如图1-2。液态金属的的凝固铸件的凝固固方式1.逐层层凝固纯金属或共共晶成分的的合金的凝凝固，如图图1-2a；2.糊状状凝固结晶温度范范围很宽的的合金的凝凝固，如图图2-1c；3.中间间凝固介于逐层凝凝固和糊状状凝固之间间，大多数数合金为此此凝固方式式，如图2-1b所示。表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固图2-1acb凝固区（2）铸件件的温度梯梯度在合金结晶晶温度范围围已定的前前提下，凝凝固区域的的宽窄取决决与铸件内内外层之间间的温度差差。若铸件件内外层之之间的温度度差由小变变大，则其其对应的凝凝固区由宽宽变窄。。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2（1）合金金的结晶温温度范围合金的结晶晶温度范围围愈小，凝凝固区域愈愈窄，愈倾倾向于逐层层凝固。。影响铸件凝凝固方式的的主要因素素：合金流动性性主要取决决于合金化化学成分所所决定的结晶特点PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）0合金的种类类:合金不同流流动性不同同合金的成分分：同种合金，，成分不同同，其结晶晶特点不同同，流动性性也不同。。如图所示铅锡合金金的流动性性与相图的的关系；铅锡合金的的流动性与与相图的关关系图1-3结晶特性对对流动性的的影响a)恒温下b)一定温度范范围结晶特性:恒温下结晶晶，流动性性较好；两两相区内结结晶，流动动性较差纯金属和共共晶合金在恒温下结结晶，为逐逐层凝固方方式，如图1-3a所示，凝固固层表面光光滑，阻力力小，故流流动性好，，同时共晶晶合金熔点点最低，故故流动性最最好。而亚共晶合合金，为中间凝凝固方式，，复杂枝晶晶阻碍流动动，故流动动性差，如图1-3b所示。2.浇注条件（1）浇注温度度浇注时熔融融合金的温温度。要求：比液液相线温度度高，即存存在过热度度，推迟它它的凝固时时间，以保保持良好的的流动性。。浇注温度粘度过热度蓄热多多保温时时间流动性。浇注温度金属属收缩吸气氧化缩孔、缩缩松、气孔孔和粘砂。充型能力足足够时浇注注温度应尽尽可能低。。所以，每种种合金有自自己的合理理浇注温度度范围。浇浇注温度：：铸钢15201620℃℃；铸铁12301450℃℃；铝合金金680780℃（2）浇注压力力浇注压力合金的流动动性。采用方法：：增加直浇道道高度、压压力铸造、、离心铸造造来提高浇注压力。。3.铸型填充条条件（1）铸型导热热能力金属型铸型型合金的流动动性。干砂型铸型（加加热）合金的流动动性（2）铸型的阻阻力铸型型腔狭狭窄、复杂杂或铸型材材料发气量量大型腔内气体体（如排气不不畅）金属液流流动阻力合金的流动动性。二、合金的的收缩性（（constriction）1.合金的收缩缩合金在浇注注、凝固直直至冷却到到室温的过过程中体积积或尺寸缩缩减的现象象称为收缩。合金的收缩缩（控制不不好）缩缩孔、缩松松、变形、、裂纹。合金在浇注注、凝固直直至冷却到到室温的收收缩过程有有三个阶段段：要经历液态收缩、、凝固收缩缩和固态收收缩三个互相联联系的收缩缩阶段。液态收缩液、凝固收缩缩凝、固态收缩缩固液态收缩液凝固收缩凝固态收缩固①液态收缩缩液从浇注温度度（T浇）到到凝凝固固开开始始温温度度（（即即液液相相线线温温度度T液）间间的的收收缩缩。。T浇T液Liquidshrinkage②凝凝固固收收缩缩凝从凝凝固固开开始始温温度度（（T凝）到到凝凝固固终终止止温温度度（（即即固固相相线线温温度度T固）间间的的收收缩缩。。T凝T固Solidificationshrinkage③固固态态收收缩缩固从凝凝固固终终止止温温度度（（T固）到到室室温温T室温温间的的收收缩缩。。T固T室温温Solidshrinkage固态态收收缩缩将将引引起起铸铸件件外外部部尺尺寸寸的的变变化化，，故故称称尺尺寸寸收收缩缩或或线线收收缩缩。。体收收缩缩率率是是铸铸件件产产生生缩孔或缩缩松的根本原原因。体收缩率率：线收缩率率：线收缩率率是铸件件产生应力、变变形、裂裂纹的根本原原因。液态收缩缩和凝固固收缩将将引起液液体铸件件体积的的变化，，故称体体积收缩缩或体收收缩。合金的总总收缩为为上述三三种收缩缩之和。。2.影响合金金收缩的的因素⑴化学成成分碳素钢C凝固；灰铸铁C、Si收缩率率；S收缩率率。⑵浇注温温度浇注温度度T过液、总收缩率率。⑶铸件结结构和铸铸型条件件凝是受阻收收缩，不不是自由由收缩。。①各部V冷不同各各部收缩缩不一致致对收收缩产生生阻力；；②铸型和和型芯收缩机机械阻力力实际际收缩率率比自由由收缩率率小。3.铸件中的的缩孔shrinkagecavity与缩松铸件凝固固结束后后常常在在某些部部位出现现孔洞，，大而集中中的孔洞称称为缩孔，细小而分分散的孔洞称称为缩松。影响：铸铸件力学学性能、、气密性性和物理理化学性性能大大大降低，，以至成成为废品品。⑴缩孔与与缩松的的形成由液、凝体积（得不不到补充充）最最后凝固固部分产产生孔洞洞形成成集中孔孔洞（缩缩孔）、、细小分分散的孔孔洞（缩缩松）。。①缩孔的的形成（（见图1-5）：假定定合金在在恒温下下凝固或或凝固温温度范围围很窄。。图1-5铸件缩孔孔形成过过程示意意图缩孔形成成过程图图解树枝状晶晶体分隔隔开的液液体区难难以得到到补缩所所致。缩缩松大多多分布在在铸件中中心轴线线处、热热节处、、冒口根根部、内内浇口附附近或缩缩孔下方方缩松分为为宏观缩缩松和显显微缩松松：宏观缩松松用肉眼眼或放大大镜即可可看到；；显微缩松松用显微微镜才能能观察到到。图1-6铸件缩松松的形成成过程②缩松的的形成（（见图1-6）：假定定合金在在恒温下下凝固或或凝固温温度范围围较宽缩松形成机理：树枝状晶体dendriticcrystal所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。

缩松动画缩孔形成机理：逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补充而形成的空隙。

缩孔动画缩孔种类

分布特征存在部位容积大小形状特征发生材料缩孔集中上部，最后较大倒锥状近共晶缩松分散特殊区域细小不规则远共晶定向凝固固directionalfreezing：是通过安安放冒口口和冷铁铁等工艺艺措施，，实现人人为的顺顺序凝固固。冒口riser：铸型中中特设的的空腔，，用于储储备多余余金属液液体以弥弥补收缩缩引起的的金属液液体不足足。冷铁铁Chill：型壁上上外设的的铁块，，用于加加快该处处的冷却却速度。。⑵缩孔和和缩松的的防止①缩孔的防防止防止产生生缩孔的的有效措措施：定向凝固固定向凝固固directionalfreezing图解浇注系统统Pouringsystem型腔mouldcavity冒口Riser温度距离123缩孔shrinkagecavity定向凝固固动画冷铁的使使用图解解123冷铁ChillChillsaremetallicobjects,whichareplacedinthemouldtoincreasethecoolingrateofcastingstoprovideuniformordesiredcoolingrate.在生产中中，通常常采用“定向凝凝同原则则”，使铸件件在凝固固过程中中建立良良好的补缩条件件，并设法使使分散的的缩松转转化为集集中的缩缩孔，再再使集中中的缩孔孔转移到到冒口中中，最后后将冒口口割去，，即可获获得健全全的铸件件。通过没置置冒口和和冷铁，，使铸件件从远离离冒口的的地方开开始凝回回并逐渐渐向冒口口推进，，冒口最最后凝固固—亦即使铸铸件进行行定向（顺顺序）凝凝固。在铸件凝凝固过程程中，冒冒口始终终保持液液态并对对铸件的的液态收收缩和凝凝固收缩缩进行补补充，合合金的液液态收缩缩和凝固固收缩转转移到冒冒口中，，最终获获得健全全的铸件件。见图图1-7。防止缩孔孔和缩松松常用的的工艺措措施就是是控制铸铸件的凝凝固次序序，使铸铸件实现现“顺序序凝固””。寻找热节节的方法法等温线法法内切圆法法冷铁同时凝固固—整个铸件件几乎同同时凝固固。同时凝固固可有效效防止热热应力。。凝固期期间不容容易产生生热裂，，凝固后后也不易易引起应应力、变变形；由由于不用用冒口或或冒口很很小而节节省金属属，简化化工艺、、减少工工作量。。缺点是铸铸件中心心区域往往往有缩缩松，铸铸件不致致密。暗冒口冒口—储存补缩缩用金属属液的空空腔。顺序凝固固—铸件按照照一定的的次序逐逐渐凝固固。冷铁热节定向凝固固的优点点：冒口补缩缩作用好好，可防防止缩孔孔和缩松松，铸件件致密。。对于凝凝固收缩缩大，结结晶温度度范围较较小的合合金，常常采用定定向凝固固原则以以保证铸铸件质量量。定向凝固固的缺点点：由于铸件件各部分分有温差差，凝固固期间容容易产生生热裂，，凝固后后也容易易使铸件件产生应应力和变变形。定定向凝固固使清理理工作量量大。②缩松的的防止缩松的防防止比缩缩孔困难难，目前前多采用用在热节节处加冷冷铁和加加大结晶晶压力的的办法，，减少金金属液流流动的阻阻力，能能达到部部分防止止缩松的的效果。。缩松转转化为为缩孔孔的方方法：：尽量选选择凝凝固区区域较较窄的的合金金，使使合金金倾向向于逐逐层凝凝固；；对凝固固区域域较宽宽的合合金，，可采采用增增大凝凝固的的温度度梯度度办法法。4.铸造内内应力力stress及铸件件的变变形deform和裂纹纹铸件的的固态态收缩缩受到到阻碍碍时，，在铸铸件内内部产产生的的内应应力称称为铸造内内应力力。它是产产生变变形和和裂纹纹的主主要原原因。。⑴内应力力的形形成①铸件件在凝凝固和和其后后的冷冷却过过程中中，因因壁厚厚不均均，各各部分分冷却却速度度不同同，造造成同同一时时刻各各部分分收缩缩不一一致，，从而而在铸铸件中中相互互制约约产生生内应应力。。这种种内应应力称称为热应力力thermalstress。金属在在冷却却过程程中，，从凝凝固终终了温温度到到再结结晶温温度阶阶段，，处于于塑性性状态态，在在较小小的外外力作作用下下，就就可以以生塑塑性变变形，，变形形后应应力可可自行行消除除。低低于再再结晶晶温度度的金金属处处于弹弹性状状态，，受力力时产产生弹弹性变变形，，变形形后应应力继继续存存在。内应力力产生生原因因：凝固后后固态态收缩缩受阻阻引起起+-+--++表示拉拉应力力-表示压压应力力铸件因因壁厚厚不均均匀，，或铸铸件中中存在在着较较大的的温差差，在在同一一时间间内铸铸件各各部分分收缩缩不同同，先先冷却却的部部位阻阻碍了了后冷冷却部部位的的收缩缩，在在其内内部产产生了了内应应力。。图1-10应力框框及其其热应应力的的形成成过程程三杆热热应力力分析析模型型综上所所述，，热应应力的的特点点：固态收收缩使使铸件厚厚壁或或心部部受拉伸伸。薄壁或或表层层受压缩缩。合金固固态收收缩率率愈大大，铸铸件壁壁厚差差别愈愈大，，形状状愈复复杂，，所产产生的的热应应力愈愈大。。防止热热应力力产生生的途途径：：缩小铸铸件各各部位位的温温差，，使其其均匀匀冷却却。Ⅰ、选用用弹性性模量量小的的合金金；Ⅱ、设计计壁厚厚均匀匀的铸铸件；；Ⅲ、从工工艺方方面促促使铸铸件各各部位位同时时凝固固。见见图1-12②机械应应力（（收缩缩应力力）mechanicalstress机械应应力是是暂时时应力力。上型下型铸件收收缩受受到铸铸型、、型芯芯及浇浇铸系系统的的机械械阻碍碍而产产生的的应力力称为为机械械阻碍碍应力力。简简称机械应应力。铸型或或型芯芯退让让性良良好，，机械械应力力则小小。机机械应应力在在铸件件落砂砂之后后可自自行消消除。。但是是机械械应力力在铸铸型中中能与与热应应力共共同起起作用用，增增加了了铸件件产生生裂纹纹的可可能性性。图1-13⑵铸件件的变变形及及其防防止内应力力影响响：内应力力使铸铸件处处于一一种不不稳定定状态态，铸铸件厚厚的部部分受受拉应应力，，薄的的部分分受压压应力力。当内应力超超过合金的的屈服极限限时，则铸铸件本身总总是力图通通过变形来来减缓内应应力，因此此细而长或大又薄的铸件易发发生变形。。如图1-15所示：车床床床身的导导轨部分因因较厚而受受拉应力，，床壁部分分因较薄而而受压应力力，图1-16所示为一平平板铸件，，其壁厚均均匀，但其其中心部分分因比边缘缘散热慢、、收缩慢而而受拉应力力，边缘处处则散热较较快，收缩缩较快而受受压力。由由于铸型上上面比下面面冷却快，，于是该平平板发生了了如图所示示方向变形形。图1-16平板铸件的的变形防止铸件变变形的措施施：1.应使铸件各各部分壁厚尽可可能均匀或或形状对称称。2.在制摸时采采用反变形法(将模样制成成与铸件变变形方向相相反的形状状，此时应应较精确地地计算铸件件的变形量量)；3.可在薄壁处处附加工艺筋。实践证明：：尽管铸件冷冷却时发生生部分变形形、但内应应力仍未彻彻底消除。。在经过机机加工后内内应力发生生重新分布布，铸件仍仍