铸造工艺基础充型收缩

关于铸造工艺基础充型收缩机器生产过程：原材料——毛坯——零件——机器机器制造方法：

原材料选取择与改性（热处理）；

毛坯成形（铸、锻、焊等）；

零件成形（切削加工等）与装配。第2页,共60页，2024年2月25日，星期天主要教学内容各种毛坯制造方法的生产原理、特点和应用液态成形：铸造固态塑性成形：塑性加工冶金连接成形：焊接各种毛坯的结构工艺性各种毛坯工艺的制订新技术、新工艺第3页,共60页，2024年2月25日，星期天第一章材料成形理论基础

第一节液态成形基础

第二节塑性成形基础

第三节冶金连接成型基础

第4页,共60页，2024年2月25日，星期天第一节液态成形基础

一、金属的凝固

1、液态金属的结构和性质

液态金属结构：由许多近程有序排列的“游动的原子集团”所组成。

液态金属具有黏度和表面张力等特性。

1200℃1700℃1400℃第5页,共60页，2024年2月25日，星期天2、铸件的凝固组织

凝固过程：形核+晶体长大

凝固组织：宏观状态指铸态晶粒的形态、大小、取向和分布等情况。微观组织的概念包括晶粒内部亚结构的形状、大小和相对分布，以及各种缺陷等。

晶粒越细小均匀，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性越好。

影响铸件凝固组织的因素：

原始炉料；

冷却速度；

孕育处理。第6页,共60页，2024年2月25日，星期天第7页,共60页，2024年2月25日，星期天3、铸件的凝固方式和控制铸件凝固的工艺原则

（1）铸件的凝固方式第8页,共60页，2024年2月25日，星期天逐层凝固方式：纯金属或共晶合金。

如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。糊状凝固方式：合金的结晶温度范围宽。

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。中间凝固方式：介于上述二者之间。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。第9页,共60页，2024年2月25日，星期天

（2）控制铸件凝固的工艺原则

顺序凝固原则

采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照原理冒口的部分最先凝固，然后是靠近毛口部分，最后才是冒口本身凝固的次序进行。

第10页,共60页，2024年2月25日，星期天第11页,共60页，2024年2月25日，星期天

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。

第12页,共60页，2024年2月25日，星期天第13页,共60页，2024年2月25日，星期天二、金属和合金的铸造性能

合金铸造性能

合金在铸造成形的整个工艺过程中，容易获得外形准确、内部健全铸件的能力。通常用下面两个物理性质来衡量：

充型能力收缩性第14页,共60页，2024年2月25日，星期天

1)充型能力的概念液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态合金充填铸型的能力，简称液态合金的充型能力。液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属的流动性。1、合金的充型能力第15页,共60页，2024年2月25日，星期天液态金属的流动性流动性定义：液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。流动性不好：不能充满型腔，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂等缺陷。流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。

冷隔浇不足气孔第16页,共60页，2024年2月25日，星期天

液态合金的流动性通常以“螺旋形试样”长度来衡量。第17页,共60页，2024年2月25日，星期天2)影响充型能力的因素（1）合金性质

化学成分对合金的流动性影响最为显著：合金的熔点越低，结晶温度区间越小，流动性越好。

黏度、结晶潜热：粘度愈大、结晶潜热愈小，其流动性愈差。第18页,共60页，2024年2月25日，星期天Fe-C合金的流动性与状态图的关系(a)相同过热温度的流动性(b)相同浇注温度的流动性第19页,共60页，2024年2月25日，星期天纯金属或共晶合金，逐层凝固方式，流动性好。

合金的结晶温度范围很宽，如亚共晶合金，糊状凝固方式，流动性差。铸钢(<0.6%)，熔点高，过热度比铸铁小，液流时间短，散热快，流动能力相对差。合金液如高铬耐热钢液含较多Cr2O3，使粘度显著增大，流动性很差。第20页,共60页，2024年2月25日，星期天合金铸型浇注温度/℃螺旋线长度/mm铸铁：w(C+Si)=6.2%w(C+Si)=5.9%w(C+Si)=5.2%w(C+Si)=4.2%砂型1300130013001300180013001000600铸钢：w(C)=0.4%砂型16001640100200铝硅合金金属型(300℃)690～720100～800镁合金（Mg-Al-Zn）砂型700400～600锡青铜：w(Sn)=9%～11%w(Zn)=2%～4%硅黄铜：w(Si)=1.5%～4.5%砂型104011004201000常用合金的流动性（试样截面8㎜×8㎜）灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。第21页,共60页，2024年2月25日，星期天（2）铸型条件：铸型材料的导热系数：金属型<砂型铸型中气体（3）浇注条件:浇注温度、充型压力、浇注速度、浇注系统浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。但是也不能太高，否则造成氧化，吸气，过收缩，粘砂，胀砂等不良后果。所以，每种合金有自己的合理浇注温度范围。浇注温度：铸钢1520-1620℃；铸铁1230-1450℃；铝合金680-780℃。第22页,共60页，2024年2月25日，星期天

（4）铸件结构铸件壁厚过小、壁厚急剧变化、结构复杂、大水平面等均使合金液流动困难。通过两个途径发生作用：影响金属与铸型之间的热交换条件，改变金属液的流动时间；影响金属液在铸型中的水动力学条件，改变金属液的流动速度。第23页,共60页，2024年2月25日，星期天

2、合金的收缩收缩：合金从液态冷却到常温的过程中，体积和尺寸缩小的现象。合金收缩经历如下三个阶段：液态收缩：从浇注温度到液相线温度间的收缩；凝固收缩：从液相线温度到固相线温度间的收缩；固态收缩：从固相线温度到室温间的收缩。

前两个阶段的收缩使合金体积减少，表现为铸型内液面的降低，用体收缩率表示，是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。

后一阶段表现为铸件的外形尺寸减小，用线收缩率表示，是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。第24页,共60页，2024年2月25日，星期天体收缩率：线收缩率：合金种类体收缩率/%线收缩率/%碳素铸钢10～14.5～2白口铸铁12～14～2灰铸铁5～8～1

表1.4铁碳合金的收缩率V0，V1——金属在t0和t1时的体积，m3；l0，l1——金属在t0和t1时的长度，m；

——金属在t0和t1温度范围内的体收缩系数和线收缩系数，1/oC第25页,共60页，2024年2月25日，星期天阶段特点Ⅰ液态收缩

浇注温度—液相线体积收缩，浇注温度升高，液态收缩增加。

Ⅱ凝固收缩

液相线—结晶完了体积收缩，结晶温度区间升高，凝固收缩增加。

Ⅲ固态收缩

结晶完了—室温除体积收缩外，还有尺寸上的缩减，常用线收缩率表示。第26页,共60页，2024年2月25日，星期天影响收缩的因素化学成分：不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。

浇注条件：

合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。铸件结构与铸型条件：

铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的受阻收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的受阻收缩率就越小。第27页,共60页，2024年2月25日，星期天第28页,共60页，2024年2月25日，星期天三、铸造性能对铸件质量的影响铸造性能

合金在铸造成型的整个工艺过程中，容易获得外形准确、内部健全铸件的性能。通常用充型能力、收缩性来衡量。充型能力不好：铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。合金的收缩：是铸件中许多缺陷（缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等）产生的基本原因。第29页,共60页，2024年2月25日，星期天1、缩孔和缩松

铸件凝固结束后在某些部位出现孔洞，大而集中的空洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。

第30页,共60页，2024年2月25日，星期天第31页,共60页，2024年2月25日，星期天缩孔特点常出现于纯金属、共晶成分合金和结晶温度范围较窄的以层状凝固方式凝固的铸造合金中；多集中在铸件的上部和最后凝固的部位；铸件厚壁处、两壁相交处及内浇口附近等凝固较晚或凝固缓慢的部位（称为热节），也常出现缩孔；缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑。

第32页,共60页，2024年2月25日，星期天缩孔、缩松产生的基本原因：合金的液态收缩和凝固收缩值远大于固态收缩值。缩孔形成条件：金属在恒温或很小的温度范围内结晶，铸件以逐层凝固方式进行。缩松形成条件：主要出现在结晶温度范围宽、呈糊状凝固方式的合金中，或铸件厚壁中。第33页,共60页，2024年2月25日，星期天第34页,共60页，2024年2月25日，星期天缩松的特点形成缩松的原因与缩孔相同；缩松多出现在结晶温度范围宽、呈糊状凝固方式的合金中缩松常出现在缩孔附近或铸件厚壁的中心部位。第35页,共60页，2024年2月25日，星期天

缩孔和缩松的防止危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。缩孔缩松第36页,共60页，2024年2月25日，星期天防止措施：基本原则：针对合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并通过控制铸件的凝固过程使之符合顺序凝固的原则，并在铸件最后凝固的对方安置一定尺寸的冒口，使缩孔移至冒口中，就可以获得合格的铸件。主要工艺措施：合理确定内浇口位置及浇注工艺；合理应用冒口、冷铁等工艺措施。第37页,共60页，2024年2月25日，星期天

安放冒口和冷铁实现顺序凝固，主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸钢件等。对于糊状凝固倾向的合金，由于发达的树枝晶堵塞了冒口的补缩通道，难以避免显微缩松。生产铸件宜选用具有层状凝固倾向的合金，如近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金。冒口只能在其有效补缩范围进行补缩。第38页,共60页，2024年2月25日，星期天第39页,共60页，2024年2月25日，星期天第40页,共60页，2024年2月25日，星期天

在铸件凝固末期高温下形成的，此时合金处于热脆区。2、铸件的热裂热裂纹形成示意图第41页,共60页，2024年2月25日，星期天形状特征：缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂经常出现在铸件最后凝固的部位或铸件表面易产生应力集中的地方。形成热裂的主要原因：铸件的凝固方式宽凝固温度范围呈糊状凝固方式的合金最易产生热裂。共晶合金最不容易产生热裂。含硫量愈高，热裂倾向愈大。凝固时期受到阻碍的大小铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向愈小退让性：指型（芯）砂随铸件冷却收缩是否易被压缩的性能第42页,共60页，2024年2月25日，星期天

防止热裂方法：铸件结构合理，壁厚均匀，避免热节；改善铸型和型芯的退让性，减小浇、冒口机械阻碍；采用同时凝固原则；提高合金质量，减少合金中有害杂质含量。如限制铸钢和铸铁中的S和P含量。生产时选用结晶温度区间小的合金。第43页,共60页，2024年2月25日，星期天3、铸造应力1）铸造应力形成的原因铸造应力：铸件在凝固、冷却过程中由于各部分体积变化不一致、彼此制约而引起的应力。铸造应力是铸件产生变形和开裂的基本原因。按其形成原因分为：热应力和机械应力。铸造应力热应力机械应力

铸件收缩受到机械阻碍机械应力一般为拉应力铸件各部分因冷却速度不同，各部位收缩不一致产生第44页,共60页，2024年2月25日，星期天（1）热应力

铸件凝固后，在继续冷却凝固的过程中，由于铸件壁厚不均匀、各部分冷却速度不同，在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。

落砂后热应力仍存在与铸件之中，属于残余应力。第45页,共60页，2024年2月25日，星期天第46页,共60页，2024年2月25日，星期天细杆：压应力粗杆：拉应力第47页,共60页，2024年2月25日，星期天铸件热应力的产生第48页,共60页，2024年2月25日，星期天

分析下列铸件内的纵向残余应力厚壁筋板内拉伸应力薄壁筋板内压缩应力中心近轴线部位受拉外部近圆周部位受压第49页,共60页，2024年2月25日，星期天（2）机械应力：铸件冷却到弹性状态后，由于收缩受到铸型、型芯和浇、冒口等的阻碍而引起的应力。

机械应力一般为拉应力，在落砂、去浇冒口之后，应力随之消失，属于临时应力。第50页,共60页，2024年2月25日，星期天

铸造应力是热应力和机械阻碍应力等的代数和。尽管机械阻碍应力为临时应力，若与热应力同时作用，在超过抗拉强度瞬间，铸件产生裂纹。

第51页,共60页，2024年2月25日，星期天2）减小和消除铸造应力的方法

同时凝固原则

提高铸型和型芯的退让性、合理设置浇、冒口。

减小机械阻碍

在结构上避免阻碍收缩的结构。如壁厚均匀、壁之间连接均匀、热节小而分散的结构。去应力退火

将铸件加热到弹塑性状态（铸铁为500-600度），在此温度下保温一段时间，使应力消失，再缓慢冷却到室温。第