《工程材料及成形技术基础》课件 第9章 铸造

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：主要内容：1）铸造成型基本原理铸造的基本过程铸造性能与缺陷防止2）铸造成型工艺及应用砂型与特种铸造铸造方法的选择3）铸件结构设计简述

学习要求：了解铸造生产的常用方法及应用；理解金属的铸造性能，铸件的结构工艺性等；重点掌握铸造生产的特点、缺陷的防止措施及应用。导言铸造是历史最悠久的金属材料成型方法，在金属加工工艺中占有突出的地位。中国古代铸造技术历史：最早的青铜器来自新时期时代的铜刀；商代司母戊鼎是世界现存最大的青铜器；来源：浑铸法整体铸造；特点：分范制范后组合成铸型，发展有大型熔炉熔化青铜；工艺：二次铸造，鼎身铸好后再安模、翻范，浇注鼎耳。青铜铸造中国古代铸造技术历史：包含了商周以来青铜器铸造经验的总结；来源：铸造；特点：从战国开始，铜镜合金中普遍含有铅，使得合金溶液在铸范中流动性良好、在凝冷时不会收缩，铸造出来的镜背花纹特别整齐清晰；工艺：多采用“开放式”和“合铸式”两种方法。青铜镜在现代工业中的重要地位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。一、铸造的基本过程液态金属充型铸件凝固收缩何为铸造？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。

合金的流动性定义：熔融金属的流动能力，是熔融金属本身的性质。合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长流动性越好。螺旋形标准试样影响合金的流动性的因素①化学成分：化学成分的影响最为显著，不同种类的合金具有不同的流动性。②合金结晶特征：同类合金中，成分不同的合金因具有不同的结晶特点，流动性也不同。合金流动性与成分的关系合金结晶特征影响合金的结晶特征在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。逐层凝固纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。糊状凝固铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。影响合金的结晶特征在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。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，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。合金的充型能力定义：指液体金属或合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。影响合金的充型能力的因素①合金的流动性：流动性越好，其充型能力越强。②铸型条件（影响大）：蓄热系数、温度以及铸型中的气体等均影响流动性，从而影响充型能力。③浇注温度（影响大）：提高浇注温度可以降低液态金属的黏度，使液态金属冷却速度变慢，因而提高充型能力。T浇注↑t凝固↑流动性↑δ粘度↓充填路径↑充型能力↑三、合金的收缩定义：合金从液态冷却至室温的过程中，体积或尺寸缩小的现象称为收缩。分为三类：液态收缩、凝固收缩和固态收缩。铸件温度降低浇注温度室温凝固终止温度开始凝固温度液态收缩凝固收缩固态收缩体积收缩线收缩注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。3.3～4.20.13.614003.50灰口铸铁5.4～6.34.22.414003.00白口铸铁7.863.01.616100.35碳钢固态收缩（％）凝固收缩（％）液态收缩（％）浇注温度（℃）碳含量（％）

合金种类

表2-1典型合金的收缩率εV

合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。缩孔的形成：纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔。

缩孔的形成过程示意图缩孔与缩松的形成缩孔与缩松的形成缩松的形成：

铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。

缩松的形成过程示意图缩孔与缩松的形成基本原则：采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。冒口：在铸件厚壁处和热节部位设置的多余的铸件部分，切除后便得到致密的铸件。缩孔与缩松的防止①顺序凝固法：采用各种措施，使铸件从冒口到远离冒口之间的温度梯度逐渐递减，使远离冒口的部分先凝固，然后向冒口的方向顺序地凝固，使缩孔转移到冒口中。缩孔与缩松的防止注意：对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。思考②合理确定内浇道位置及浇注工艺：内浇道的引入位置,应按照顺序凝固的原则确定。缩孔与缩松的防止浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定，慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，消除缩孔。③冒口和冷铁联合补缩：冒口与冷铁起使用，可实现顺序凝固。缩孔与缩松的防止冷铁，用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度，调节凝固顺序。铸造应力及铸件的变形和裂纹内应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。残余内应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，新旧两相的比容差越大，相变应力就越大。铸件变形的防止消除热应力铸件的结构：铸件各部分能自由收缩

工艺方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀铸件变形的防止采用反变形法防止铸件的变形在模样上预先做出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。铸件裂纹的防止

热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的裂纹。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。是铸钢和铸铝常见的缺陷。）

冷裂是铸件凝固后，冷却到较低温度下形成的裂纹。（脆性材料）铸件裂纹的防止防止热裂的方法①选择结晶温度范围窄的合金生产铸件。因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁。②减少铸造合金中的有害杂质，如减少铁-碳合金中的磷、硫含量，可提高铸造合金的高温强度。③改善铸型和型芯的退让性。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。④减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则。防止冷裂的方法①防止冷裂的方法是尽量减小铸造应力。②控制铸造合金中的含磷量，避免生成冷脆的铁磷共晶物Fe3P。课堂练习二1.防止铸件产生裂纹的基本方法之一是（C

）A.提高铸件金属的硫、磷含量B.提高浇注温度C.使铸件壁厚均匀D.提高型砂质量2.合金在凝固过程中的收缩可分为三个阶段，依次为

、

和

。

(*)液态收缩、凝固收缩、固态收缩3.为减少和消除铸件产生的应力，在结构上应使壁厚

，在工艺上应采取

原则，铸件成形后可采用

热处理来消除应力。

(*)均匀、同时凝固、去应力退火四、常用合金的铸造性能

铸铁：

①灰铸铁可以浇注出形状复杂的优质铸件：共晶型合金，具有良好的流动性；结晶时伴有石墨化，线收缩较小。②球墨铸铁的处理工艺上都比灰铸铁的要求高：过共晶型合金，其流动性比灰铸铁差，收缩也较大；球化处理和孕育处理需要浇注温度比灰铸铁高。③可锻铸铁的处理工艺相对复杂：是白口铸铁件经过退火使渗碳体分解为团絮状石墨，比灰铸铁具有更好的强度和塑性。铁液流动性差，收缩大，容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷；浇注温度高，砂型应有较好的退让性，以降低铸造应力。四、常用合金的铸造性能

铸钢：常用铸造合金中，铸钢流动性最差，收缩率最大，并随着碳质量分数的增加而增加；更容易产生缩孔、缩松和裂纹等缺陷；采用顺序凝固法，并可用较多的冒口和冷铁，以严格掌握铁液温度。铸造铝合金：常用的铸造铝合金中，Al-Si合金具有优良的铸造工艺性能，收缩率小；Al-Cu合金和Al-Mg合金因其远离共晶成分，所以铸造性能较差。铸造铜合金：多数铸造铜合金收缩性较大，需要设置冒口和冷铁，采用顺序凝固法。一、砂型铸造是应用最广泛的铸造方法，其主要工序为：制造模样芯盒、制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂清理与检验等。常用的手工造型方法：两箱造型铸型装配图三箱造型工艺过程挖砂造型工艺过程假箱造型工艺过程刮板造型工艺过程平板的地坑造型实例机械造型方法：常用的手工造型方法：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。铸件的主要缺陷及产生原因二、特种铸造为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。金属型铸造

定义：金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。

特点和应用：

1、可重复使用，生产效率高，但成本高；

2、铸件精度高，表面粗糙度较低；

3、金属散热好，晶粒细化，机械性能好；

4、不透气且无退让，铸件浇不足或开裂。

5、适于生产大批量有色金属铸件。

特点和应用：

1、铸件精度高，表面光洁；

2、可铸造形状复杂零件；

3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；

4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。熔模铸造

定义：是指利用易熔材料制成模型，并在模型表面粘结一定厚度的耐火材料，然后将、模型熔化而使金属液充满型腔的一种铸造方法。

特点和应用：

1、浇注时间短，易于机械化作业；

2、铸型散热快，晶粒细化；

3、铸件尺寸精度高，表面光洁；

4、凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔；

5、模具成本高，铸件尺寸受限；

6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。压力铸造

定义：是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸件的一种铸造方法。

特点和应用：

1、充型易于控制，气孔、夹渣较少；

2、铸型散热快，组织致密，机械性能好；

3、无需冒口设置，金属利用率高；

4、铸件尺寸精度高，表面光洁；

5、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。低压铸造

定义：是指液态金属在气体压力作用下从坩埚中自下而上地充填型腔并凝固的一种铸造方法。

特点和应用：

1、离心力改善补缩条件，缺陷减少；2、改善金属的流动性，提高了充型能力；

3、简化了中空圆柱形铸件的生产过程；

4、成分偏析严重，尺寸难以控制；

5、特别适于横截面呈圆柱的铸件生产。离心铸造

定义：是指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。三、铸造方法的选择各种铸造方法精度比较工艺名称尺寸精度表面粗糙度砂型铸造IT14-1650~12.5熔模铸造IT11-1412.5~1.6金属型铸造IT12-1612.5~6.3压力铸造IT11-136.3~1.6低压铸造IT12-1612.5~3.2正确选择铸造方法的原则根据生产批量大小和工厂设备、技术的实际水平以及其它有关条件，结合各种铸造方技的基本技术恃点，在保证零件技术要求的前提下，选择技术简便、品质稳定和成本低廉的铸造方法。（1）零件的使用性能零件所受的载荷情况及所处的工作环境（例如：温度、压力、气态或液态介质的性质等）对铸件尺寸精度和表面粗糙度的要求。（2）零件的铸造技术性能零件所采用的合金材料的铸造性能、零件结构形状的复杂程度、质量、轮廓尺寸、壁厚差、不加工壁的最小厚度和孔径等。（3）经济的合理性各种铸造方法生产费用的比较，以及成品零件生产总费用的综合比较。在合理选择铸造方法时，后一种比较是主要的。一、总体要求要保证使用性能的要求；要满足铸件在制造过程中工艺性的要求，即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求；应尽量使生产工艺中的制模、造型