9知识资料第九章知识资料铸造

第9章铸造9.1.1铸造成形概述铸造：把金属熔化注入铸模，冷却后获得一定形状的铸件的工艺叫做铸造。铸造的实质：液态一次成形铸造的应用：主要用于受力较小，形状复杂或不宜锻焊的零件毛坯。9.1铸造工艺理论基础1）适应性大（铸件重量、合金种类、零件形状都不受限制）2）成本低3）工序多，质量不稳定，废品率高4）机械性能较同样材料的锻件差

原因：晶粒粗大，组织疏松，成分不均匀含碳0.3%的铸钢与锻钢机械性能比较3.铸造生产的特点：

液态合金的充型及收缩是影响成形工艺及铸件质量的两个最基本的问题，许多工艺参数及工艺方案（如熔炼和浇注温度、浇冒系统位置及尺寸等）和铸造缺陷（如冷隔、浇不足、缩松、缩孔、变形、应力、裂纹等）都与这两大问题有关。9.1.2合金的铸造性能

合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能，称为合金的铸造性能。包括液态合金的充型能力、收缩、偏析、氧化和吸气等。1.流动性合金的流动性是指液态合金的流动能力。

流动性差，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔及夹杂等缺陷。

流动性好，易于充满型腔，便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件；同时有利于液态金属中的气体和非金属夹杂物的上浮，有利于对铸件进行补缩。合金流动性的大小通常用浇注螺旋形流动性试样的方法来衡量。是将液态合金在相同的浇注温度或相同的过热度条件下，浇注成如下图所示的试样，然后比较各种合金浇注的试样的长度，浇注的试样越长，合金的流动性越好。一、液态合金的流动性和充型能力螺旋形金属流动性试样

表为常用铸造合合流动性的比较，由表可见，灰口铸铁和硅黄铜的流动性最好；铸钢的流动性最差。2.影响液态合金流动性的因素1）化学成分

纯金属和共晶成分的合金，在恒温下结晶，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好，见图a。在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差，见图b。2）合金的比热、密度、导热系数、结晶潜热、黏度等物理能

比热、密度、结晶潜热越大，导热系数越小，流动性越好。液态合金黏度越小，流动性也越好。

铁碳合金的流动性与相图的关系

图中表明，纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加，其流动性变差。

3.充型能力及其影响因素

充型能力是指液态金属充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力。液态合金的充型能力主要取决于合金本身的流动性和各种工艺因素；对于流动性较差的合金，可通过改善工艺条件来提高其充型能力。影响液态合金充型能力的工艺因素：(1)浇注条件

a.浇注系统的结构

b.充型压力

c.浇注温度(2)铸型条件

a.铸型蓄热能力

b.铸型的发气

c.铸型的温度

d.铸件结构(1)

浇注条件

a.烧注系统的结构系统越复杂，液态合金流动的阻力越大，其充型能力有所下降。

b.充型压力浇注时液态合金所受的静压力越大，其充型能力就越好。在砂型铸造中，常用加高直浇道等工艺措施来提高金属的静压力；在压力铸造和低压铸造等特种铸造中，液态合金在压力下充型，能有效地提高其充型能力。

c.浇注温度浇注温度越高，合金的流动性越好。因而提高浇注温度能显著地提高液态合金的充型能力。

充型时，凡是增加液态金属流动的阻力，降低其流动速度以及提高其冷却能力的因素，均降低液态合金的充型能力。a.铸型的蓄热能力

铸型的蓄热能力越大，即铸型从液态合金吸收并储存热量的能力越强，铸型对液态合金的冷却能力越强，使合金保持在液态的时间就越短，充型能力下降，如液态合金在金属型比砂型中的充型能力差。b.铸型的发气

在液态金属的热作用下铸型中将产生大量的气体，型腔中气体的压力增大，则阻碍液态金属充型。因而在砂型铸造中，应设法减少型腔中气体，提高其透气性，必要时在远离浇口的最高部位开设出气口。c.铸型温度铸型温度越高，铸型对液态金属的冷却能力越小，可使液态金属较长时间保持液态，因而提高了其充型能力。d.铸件结构铸件结构越复杂，铸件壁厚越薄，液态合金充型越困难。（2）铸型条件

实际生产中提高液态合金的充型能力主要是通过提高浇注温度来实现的。但并非浇注温度越高越好，应在保证充型能力的前提下，采用较低的浇注温度。对铸铁件，可采用“高温出炉，低温浇注”。高温出炉能使铁水中一些难熔的固体质点熔化，铁水中的未熔质点和气体在浇包中的镇静阶段有机会上浮而除去。在保证铁水具有足够流动件的条件下，应选择尽可能低的浇注温度。二、铸件的凝固与收缩1.铸件的凝固方式

在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中，液相和固相并存的凝固区的宽窄对铸件质量影响较大。(1)逐层凝固纯金属或共晶成分合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。(2)糊状凝固方式

合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。(3)中间凝固大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固。铸件的凝固方式

合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩小的现象称为收缩。收缩是铸造合金本身的物理性质，是铸件产生缩孔、缩松、热应力、变形及裂纹等铸造缺陷的基本原因。2.铸造合金的收缩

液态收缩凝固收缩固态收缩(1)液态收缩液态金属由浇注温度冷却到凝固开始温度（液相线温度）之间的收缩，表现为型腔内液面的降低。(2)凝固收缩从凝固开始温度到凝固终了温度（固相线温度）之间的收缩。合金结晶的温度范围越大，则凝固收缩越大。液态收缩和凝固收缩使金属液体积缩小，表现为型内液面降低，常用单位体积收缩量（即体收缩率）来表示，它们是缩孔和缩松形成的基本原因。(3)固态收缩合金从凝固终了温度冷却到室温之间的收缩。是铸造应力、变形和开裂的基本原因。该阶段收缩不仅表现为合金体积的缩减，还直接表现为铸件外形尺寸的减小，常用单位长度收缩量(线收缩率)来表示。几种常见金属的收缩率影响收缩性的因素铸件收缩的大小主要取决于合金的成分、浇注温度、铸件结构和铸型。a.合金成分灰铸铁的体收缩率约为7%，线收缩率为0.7~1.0%，碳素铸钢的体收缩率为12%，线收缩率为1.5~2.0%。这是因为铸铁中的碳大部分以石墨形式存在，而石墨比容大，其体积膨胀会补偿一部分收缩。b.浇注温度浇注温度越高，合金的液态收缩增加，因而体收缩也越大。c.铸件结构和铸型铸件的收缩不同于合金的自由收缩，它要受到因铸件各部分冷却速度不同而导致收缩不一致造成的牵制；还要受到铸型和型芯的阻碍，属于受阻收缩，因此铸件的实际线收缩率（受阻收缩）总比其自由线收缩率要小。

液态合金在铸型内冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞。根据孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。

缩孔是指集中在铸件上部或最后凝固部位、容积较大的孔洞。多呈倒圆锥形，内表面粗糙。

缩松是指分散在铸件某些区域内的细小缩孔。3.缩孔和缩松(1)缩孔和缩松的形成①缩孔的形成假设铸件呈逐层凝固。

铸件中的缩孔是合金的液态收缩和凝固收缩得不到补充而产生的。

合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大。②缩松的形成

缩松主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，是被树枝状晶体分割开的小液态区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇道附近或缩孔下方。由以上分析可见：

a.纯金属及共晶成分的合金在恒温下凝固，其铸件通常逐层由表向里凝固，倾向于形成集中缩孔；凝固温度范围宽的合金，其铸件通常在截面上较宽的区域内同时凝固，易于形成缩松。

应尽量选择共晶成分、近共晶成分或凝固温度范围小的合金作为铸造合金。

b.对于给定成分的铸件。在一定的浇注条件下，缩孔和缩松的总容积是一定的。适当地增大铸件的冷却速度可促进缩松向缩孔转化。例如，在砂型铸造中，湿型比干型对铸件的激冷能力强，使铸件的凝固区域变窄，缩松量减少，而缩孔体积增加；在金属型铸造中，铸型的激冷能力更大，缩松的量显著减小。c.合金的液态收缩和凝固收缩越大，铸件的缩孔体积越大。

d.铸造合金的浇注温度越高，液态收缩越大，缩孔的体积也越大。

e.缩孔和缩松总是存在于铸件的最后凝固部位。如果铸件设计得壁厚不均匀，则在厚壁处易于出现缩孔或缩松。③缩孔和缩松的防止

虽然收缩是铸造合金的物理本性，但铸件中的缩孔并不是不可避免的。在进行铸造工艺设计时，只要采取一定的工艺措施，就能有效地防止在铸件中产生缩孔。

通常采用定向凝固原则，并设法使分散的缩松转化为集中的缩孔再使集中的缩孔转移到冒口中，最后将冒口割去，即可获得健全的铸件。通过放置冒口和冷铁，使铸件从远离冒口的地方开始凝固并逐渐向冒口推进，冒口最后凝固----亦即使铸件进行顺序凝固。

冒口始终保持液态并对铸件的液态收缩和凝固收缩进行补充，合金的液态收缩和凝固收缩转移到冒口中，最终获得健全的铸件。为实现铸件的顺序凝固，可采取下列工艺措施：

a.合理地选择内浇口在铸件上的引入位置。内浇口开在铸件的厚实处，可增大铸件各部分的温差，有利于实现顺序凝固。内浇口开在铸件顶部时，有利于实现自下向上的顺序凝固。

b.开设冒口。为了防止铸件产生缩孔而专门设置的储存液体合金的空腔，其主要作用是补缩，还有出气和集渣的作用。冒口通常设置在铸件易产生缩孔的部位。

c.冷铁。冷铁是用来控制铸件凝固顺序、加速铸件某些部位冷却的激冷物，使用冷铁可以减小铸件补缩所需的冒口的尺寸和数量，消除铸件局部热节可能产生的缩孔和缩松，还可以细化冷铁所在部位的晶粒，提高铸件的硬度和耐磨性。

1.铸造内应力

铸件凝固后将在冷却至室温的过程中继续收缩，有些合金还会因发生固态相变而引起收缩或膨胀，这些收缩或膨胀如果受到阻碍或因铸件各部分互相牵制，都将使铸件内部产生应力。内应力是铸件产生变形和裂纹的主要原因。(1)热应力在凝固和其后的冷却过程中，因壁厚不均，各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩不一致，从而在铸件中产生内应力，称为热应力。三、铸造内应力、变形和裂纹

结论：铸件的厚壁或心部受拉，薄壁或表层受压。合金固态收缩率愈大，铸件壁厚差别愈大，形状愈复杂，产生的热应力愈大。(2)机械应力铸件收缩受到铸型、型芯及浇注系统的机械阻碍而产生的应力称为机械应力。铸型和型芯退让性良好，机械应力小，机械应力在铸件落砂之后可自行消除。2.铸件的变形及防止为了防止铸件变形，设计时应使铸件各部分壁厚尽可能均匀或形状对称。在铸造工艺上可采取同时凝固原则。所谓同时凝固原则，就是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。采用该原则，可使铸件内应力较小；还可采用反变形法；在薄壁处附加工艺筋。铸件变形的防止：（1）尽可能壁厚均匀形状对称；（2）同时凝固原则；（采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固，采用该原则，可使铸件内应力较小）（3）去应力退火（4）或者反变形法以及附加工艺筋

3.铸件的裂纹及防止如果铸造内应力超过合金的强度极限时，铸件便会产生裂纹。裂纹分为热裂和冷裂两种。(1)热裂：热裂是在凝固后期高温下形成的，主要是由于收缩受到机械阻碍作用而产生的，具有裂纹短、形状曲折、缝隙宽、断面有严重氧化、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和发展等特征。在铸钢和铝合金铸件中常见。防止热裂的主要措施是；

a.使铸件的结构合理外，还应合理选用型砂或芯砂的粘结剂，以改善其退让性,大的型芯可采用中空结构或内部填以焦炭;b.严格限制铸钢和铸铁中硫的含量；

c.选收缩率小的合金。(2)冷裂：在较低温度下形成的，常出现在铸件受拉伸部位，特别是有应力集中的地方。其裂缝细小、呈连续直线状，缝内干净，有时呈轻微氧化色。形状复杂或大而薄的铸件易产生冷裂。因此，凡是能减少铸造内应力或降低合金脆性的因素都能防止冷裂的形成。同时在铸钢和铸铁中要严格控制含合金中的磷含量。合金在熔炼和浇注时吸收气体的能力称为合金的吸气性。按气体来源不同铸件中的气孔可分为三类：(1)侵入性气孔由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。(2)析出性气孔溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。(3)反应性气孔浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。四、合金的吸气性9.2.1砂型铸造的生产过程及其特点

砂型铸造是应用最广泛的铸造方法，生产过程如图所示，砂型铸造首先是根据零件图设计出铸件图及模型图，制出模型及工装设备，并用模型、砂箱等和配制好的型砂制成相应的砂型，然后把熔炼好的合金液浇入型腔，等合金液在型腔凝固冷却后，就可以把砂型破坏，取出铸件。最后清除铸件上附着的型砂和浇冒系统，经检验，就可获得所需要的铸件。9.2砂型铸造9.2.2砂型铸造工艺过程1.造型(造型、造芯、涂料、开设浇注系统、合型等)2.熔炼和浇注合金3.落砂与清理铸型：由上砂型、下砂型、型腔、型芯、浇注系统和砂箱等部分组成。砂型铸造工艺过程简介：1、造型：用砂型及模样等工艺设备制造铸型的过程。

1）手工造型2）机器造型3）造芯4）涂料

5）开设浇注系统6）合型2、熔炼与浇注3、落砂与清理（中间注入浇注系统）1-浇口杯2-出气冒口

2、机器造型用机器代替人工填砂、紧实型砂、起模。特点：生产效率高，铸件质量好。但设备和工装费用高，生产准备时间长，适用于中、小型铸件的成批或大量生产。按砂型紧实成型方式不同，可分为两大类：1、手工造型特点：操作灵活，工装简单，准备时间短，适应性强，适用于各种形状的铸件。但铸件精度低，质量不稳定，工人的劳动强度大。主要用于单件小批量生产。手工造型的两箱造型图解型芯上箱下箱型腔浇注系统分型面机器造型：造型机1.浇注位置的选择铸件的浇注位置是浇注时铸件在铸型内所处的空间位置，对铸件质量、造型方法、砂箱尺寸、机械加工余量等都有着很大的影响。一般应遵循以下几个原则（三下一上）：

(1)

铸件的重要加工面应朝下或位于侧面。

(2)

铸件的大平面应朝下。

(3)

面积较大的薄壁部分应置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置。

(4)对于容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放于分型面附近的上部或侧面。9.2.3铸造工艺设计

面积较大薄壁部分应置于铸型下部，或使其处于垂直或倾斜位置2.铸型分型面的选择分型面是指两半铸型相互接触的表面。分型面的选择合理与否，对铸件质量及制模、造型、造芯、合型及清理等工序的复杂程度均有很大影响。选择铸型分型面时应考虑以下原则：

(1)分型面应选在铸件的最大截面上，并力求采用平面。(2)尽量减少分型面的数量，并尽量做到只有—个分型面，以便采用工艺简便的两箱造型或采用机器造型，避免三箱造型。(3)尽量减少活块和型芯的数量，注意减少砂箱高度，这样可简化制模及造型工艺，便于起模和修型。

(4)尽量把铸件的大部分或全部放在—个砂箱内，并使铸件的重要加工面、工作面、加工基准面及主要型芯位于下型内，以便于型芯安放和检验，使上型的高度减低，便于合箱。3.工艺参数的确定铸造生产的工艺方案决定以后，还应根据产品零件图的形状、尺寸和技术要求，确定铸造工艺参数，以保证铸件的形状和尺寸等符合要求。包括：铸造收缩率

由于合金的收缩，铸件的实际尺寸要比模样的尺寸小，必须按合金的收缩率放大模样尺寸。(2)机械加工余量

铸件加工表面留出准备切去的金属层厚度。(3)起模斜度

为方便起模，在模样、芯盒的出模方向留有一定斜度，以免损坏砂型或砂芯，这个在铸造工艺设计时所规定的斜度称为起模斜度。大小取决于立壁的高度、造型方法、模型材料等。对木模，起模斜度通常为15’~3°。(4)铸造圆角为了便于造型，避免铸件在尖角处产生裂纹和应力集中，避免因尖角砂在浇注时造成冲砂、砂眼和粘砂等缺陷，提高铸件强度，应将模样上的尖角做成圆角。因此铸件的最明显的特征结构就是铸造圆角。(5)型芯头指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分。它主要用于定位、支承和固定砂芯。大致可以分为垂直芯头和水平芯头两种(6)最小铸出孔及槽一般来说，较大的孔、槽等，应铸出来，以便节约金属和加工工时。同时，还可避免铸件的局部过厚所造成的热节，提高铸件质量。较小的孔、糟，则不宜铸出。9.3特种铸造砂型铸造→改变铸型材料： 金属型、陶瓷型铸造

砂型铸造→改变模型材料：熔模铸造

砂型铸造→改变浇注方法：压力铸造、离心铸造

1、熔模铸造的工艺过程1）制母模2）制压型3）制蜡模4）组合蜡模5）蜡模结壳6）失蜡7）焙烧、浇注9.3.1熔模铸造（失蜡铸造）2、熔模铸造的特点及应用范围1）铸件精度高，尺寸精度(IT11~IT14)，表面光洁度好，表面粗糙度(Ra12.5~1.6

m)，节省加工工时和材料。2）合金液的流动性好，可铸出形状复杂的薄壁铸件，最小壁厚0.3mm,最小孔径0.5mm。3）因型壳采用高级耐火材料制成，特别适合那些高熔点难切削合金的铸造。4）生产批量不受限制。5）因蜡模强度有限，所以只适用于中小件的生产。6）工艺过程复杂，生产周期长，成本高。主要用于形状复杂的高熔点难切削合金铸件的精密铸造。如麻花钻头、气轮机叶片等。

在重力下将液体金属浇入金属铸型中冷凝后获得铸件的方法。按分型面位置的不同，可分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式。1、金属型铸造的工艺特点1）预热铸型2）加强排气3）喷刷涂料4）及时开型9.3.2金属型铸造（永久型铸造）2、金属型铸造的特点及应用范围1）简化了造型等工序，使生产率提高，改善了劳动条件。便于实现机械化、自动化生产。2)有较高的尺寸精度(IT12~IT16)和较好的表面光洁度，表面粗糙度(Ra12.5~6.3

m），机加工余量少。3）由于冷却快，晶粒细小，铸件机械性能好。4）金属型制造成本高，周期长，不适合单件小批量生产。5）铸件的外形尤其是内腔不能太复杂。6）铸件不宜过薄，以防浇不足等缺陷。7）用于高熔点合金时，金属型的寿命低。铸铁件还易出现白口组织。主要用于有色金属铸件的大批量生产。如内燃机活塞、缸体、油泵壳体、轴瓦等铸件。

将熔融金属在高压（30~70MPa)下，快速（0.01~0.2s)压入金属型中，并在压力作用下凝固，获得铸件的方法。9.3.3压力铸造压力铸造的特点及应用范围

1）铸件精度高,尺寸精度(IT11~IT13),表面粗糙度(Ra0.8~3.2

m）2）铸件强度、硬度高3）可压铸形状复杂的薄壁铸件4）可嵌铸，便于生产双金属件5）生产率高6）成本高，不适于单件小批量生产7）不适