金属材料及热处理 课件 铸造成形

铸造成形概述第一节铸造工艺基础第二节常用的铸造方法第三节铸造成形的工艺与结构设计第四节铸造技术的发展趋势铸造成形概述一、概念：铸造：是一种液态金属成形的方法，即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。二、特点及应用：1.优点：1）可制形状复杂制件；液态金属流动性→复杂外形型芯→复杂内腔

2）成本低廉；

3）工艺灵活,适应范围广；

4）可实现机械化和自动化；2.缺点:1)力学性能低于同种材质的锻件←铸造组织粗大，有缺陷。

2)工作条件较差;3)废品率较高←铸造工序繁多砂型铸造工艺：3.应用：形状复杂，受力简单的制件。铸造产品第一节铸造工艺基础一、液态合金的充型二、铸造合金的收缩一、液态合金的充型一）合金的充型能力对铸件质量的影响

充型:

液态合金填充铸型的过程。

充型能力:

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。充型能力强：有利于获得形状完整、轮廓清晰的铸件；充型能力不足:易产生1)浇不足:不能得到完整的零件;2)冷隔:没完整融合缝隙或凹坑,机械性能下降;3）气孔、夹渣等缺陷。浇不足：铸件形状不完整冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝冷隔形成示意图二）影响合金充型能力的因素1.合金的流动性（液态合金本身的流动能力）显然，流动性好，充型能力高。

（1）流动性对铸件质量影响

1）流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.2）流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除.3）流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩.

（2）测定流动性的方法:

以螺旋形试件的长度来测定:如灰口铁:浇铸温度1300℃试件长1800mm.

铸钢:

1600℃

100mm（3）影响流动性的因素

主要是化学成分:

1)

纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小;2)共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大;3)非共晶成分流动性差:结晶在一定温度范围内进行,初生树枝状晶阻碍液流。理由：（1）共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，液态合金从表层逐层向中心凝固，已结晶的固体层内表面光滑，对金属液的流动阻力小；非共晶成分合金有液、固两相共存区；已结晶固体层内表面粗糙，流动阻力大；(2）在同样浇铸温度下，共晶成分合金液体的过热度大，在液态时间长。2.浇注条件（1）浇注温度t浇---t浇充型能力原因：t浇合金粘度内摩擦阻力t浇过热度流动时间（2）充型压力充型压力----充型能力但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高，在保证流动性的前提下，尽量采用“高温熔炼、低温浇注”。3.铸型填充条件（1）铸型蓄热能力充型能力充型能力（3）铸型中的气体（2）铸型温度充型能力4.铸件结构铸件结构若不合理,如壁厚小,直浇口低,浇口小等

，充型能力↓二、铸造合金的收缩一）收缩三阶段二）收缩对铸件质量的影响

1.缩孔和缩松

2.铸造应力与变形

3.铸件的裂纹及防止一）收缩的三阶段1.收缩的概念：液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象---称为收缩。收缩是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因。2.收缩的三阶段：

(1)液态收缩----从浇注温度t浇到凝固开始温度t液间的收缩；液态收缩减少的体积与浇注温度和开始凝固的温度的温差成正比。常用体收缩率表示。

(2)凝固收缩----从凝固开始温度t液到凝固终止温度t固间的收缩。同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如:35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%。常用体收缩率表示。

(3)固态收缩----从凝固终止温度t固到室温t室间的收缩。固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示。前两个阶段是形成缩孔和缩松的主要原因，后一个阶段是产生铸件应力、变形和裂纹的主要原因。t浇t液t固t室液态收缩凝固收缩固态收缩固相线液相线LL+SS返回3.影响合金收缩的因素：

1）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。

2）浇注温度：合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。

3）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，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。二、收缩对铸件质量的影响1.缩孔和缩松（1）缩孔的形成

在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,容积大而集中的孔洞----缩孔，缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位。外形特征：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。形成原因：铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩。形成过程：见图。铸件缩孔的形成过程示意图缩孔的形成（2）缩松的形成

由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至的小而分散的孔洞－－缩松。缩松的类型：

1)宏观缩松：肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心。非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松。

2)微观缩松：凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成的晶间微小孔洞。

凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少。

缩松产生的原因：与缩孔相类似。缩松形成的过程：如下。缩松的形成(3)缩孔与缩松的防止措施：

缩孔与缩松的危害：降低铸件的机械性能；缩松还降低铸件的气密性。

基本原则:制定合理工艺—补缩,缩松转化成缩孔。防止措施：非常有效的措施是使铸件实现定向凝固。在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。

定向凝固：是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。定向凝固原则如下图。定向凝固的不足：

1）浪费金属和加工工时，增加成本；

2）易使铸件产生变形和裂纹；用途：主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸钢件等。结晶范围很宽的合金，补缩效果很差，难以避免微观缩松的产生，故选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的。其它防止措施：合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺－－－浇注位置的选择应服从定向凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。冒口：指在铸型中能储存一定金属液的，并对铸件进行补缩以防止产生缩孔和缩松的专门工艺“空腔”。冷铁：用来控制铸件凝固的一种激冷物。2.铸造应力与变形

在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。

（1）铸造应力的产生

铸造应力按其产生的原因可分为三种：

a）热应力：铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。

b）机械应力：铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。

铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。应力存在易引起变形和裂纹等缺陷。1）热应力的分布规律：

厚壁或心部受拉；薄壁或表面受压；

2）热应力与机械应力的区别：

a.形成原因不同；

b.热应力可一直保留到室温，形成残余应力；机械应力是暂时的，在铸件落砂之后可自行消除，不会形成残余应力。

(2)铸造应力的防止和消除措施:

1）采用同时凝固的原则

同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固，如下图。2）提高铸型温度；

3）改善铸型和型芯的退让性；

4）进行去应力退火；冷铁浇口（3）铸件的变形和防止:

应力超过一定的值就会产生一定的变形。如教材图8-7，8-8。

铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削加工变形。

防止铸件变形有以下几种方法：

a)采用反变形法可在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。

b)进行去应力退火铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。

c)设置工艺肋

为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺肋。3.铸件的裂纹与防止

铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹.

1）热裂纹:

高温下形成裂纹

特征:裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在应力集中或凝固处.

灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大.

原因:a.凝固末期,合金呈完整骨架+液体,强,塑↓；

b.含S—热脆

；

c.退让性不好；预防:

设计结构合理,

改善退让性,

控制含S量，选用收缩率小的合金。2)冷裂纹:

低温下裂纹

特征:裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干净,具有金属光泽,有时有轻微氧化色

原因:复杂、大工件受拉应力部位和应力集中处易发生;材料塑性差;

P—冷脆

预防:合理设计,减少内应力,控制P含量,提高退让性第二节常用的铸造方法一、砂型铸造二、特种铸造一、砂型铸造

砂型铸造是将液态金属浇注到砂型型腔内，从而获得铸件的生产方法。砂型铸造适用于各种形状、大小及各种合金铸件的生产，是目前应用最广泛的一种铸造方法。

砂型铸件占铸件总量的90%以上,用于铸造各种机械零件。造型是砂型铸造最基本的工序,造型方法选择的是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影响。常用的造型方法有手工造型和机器造型。一）手工造型

手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。优点：操作灵活,适应性强,模型成本低,生产准备时间短。缺点：铸件质量差,生产率低,劳动强度高，要求工人技术水平较高。应用：单件,小批。方法：根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。见教材表8-2。二）机器造型

机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂、起模操作的造型工序。

优点:生产率高,铸件尺寸精确,光洁度高,加工余量少,劳动强度小,大批量生产。

缺点:厂房,设备等要求高,投资大,批量生产才经济,只适于两箱(中箱无法紧实),不宜用活块。

方法：常用的方法有：震压造型、射压造型等。二、特种铸造

特种铸造是指砂型铸造以外的其它铸造方法。特点：铸件精度高，表面粗糙度值低，易实现少、无屑加工；铸件内部组织致密，力学性能较好；金属液消耗少，工艺简单，生产效率高；但在工艺和应用上各有一定的局限性。常用的有熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造和消失模铸造等。一）熔模铸造1.概念：熔膜铸造是用易熔材料制成模型,然后在模型上涂挂耐火材料,经硬化后,再将模型熔化排出型外,从而获得无分型面的铸型,铸型焙烧后进行浇注而获得铸件的一种方法。又称失蜡铸造。2.工艺过程：蜡模制造结壳脱蜡焙烧浇注母模压型制造熔蜡造型3.熔模铸造的特点及应用：特点：1）铸件的精度和表面质量较高；

2）适用于各种合金铸件；

3）可制造形状较复杂的铸件；

4）单件,小批,大批量生产均可；

5）工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费用较高，多用于小型零件（从几十克到几千克），一般不超过25kg。应用：使用高熔点合金精密铸件的成批,大量生产,形状复杂,难以切削加工的小零件.

如:汽轮机叶片,工艺品

等。二）金属型铸造1.概念：将液态金属浇入金属铸型中以获得铸件的工艺过程，称为金属型铸造。金属型可反复多次使用，故又称永久型铸造。2.金属型铸件的工艺特点：（1）金属型：

金属型多采用铸铁制成。金属型可分为整体型、水平分型、垂直分型和综合分型等四种，其中垂直分型便于开设浇冒口和安放金属芯，易于排气便于实现机械化，应用较广。（2）工艺特点：1)铸型必须预热，以保证合理的工作温度；

2)型腔须喷刷涂料，以减缓铸件冷却速度和防止高温金属液对金属型的影响；

3)合理控制开型时间；3.金属型铸造的特点及应用：

特点：

①“一型多铸”,便于机械化和自动化，生产效率高；

②铸件精度高、表面质量好；

③铸件的力学性能好。

④制造金属型成本高，周期长，不适于小批量生产。

⑤容易出现浇不足、冷隔、裂纹等缺陷；金属型铸造的应用：

金属型铸造主要适用于大批生产、形状简单的非铁合金铸件和灰铸铁件，如活塞、缸体、液压泵壳体、轴瓦和轴套等。对于其它铁合金铸件，只限于形状简单的中、小型件。三）压力铸造1.概念：指在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔中，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。2.压铸设备及过程：设备：压铸机

;专用压型;压铸机：压铸机是压力铸造生产的主要设备，按压室（压射室）分,一般分热压室压铸机（压室浸于金属液中）和冷压室压铸机（压室与金属液保温炉分开）两大类。

目前应用较多的是卧式冷压室压铸机。压铸工艺过程：见教材图8-14。3.压力铸造的特点及应用：优点：

1）铸件的尺寸精度最高，质量好；

2）铸件强度和表面硬度都较高；

3）生产效率高，易于机械化和自动化；

4）可压铸形状复杂的薄壁件；

缺点：

1）压速高,铸件易产生气孔；

2）压铸合金的品种有限，主要适用于低熔点有色金属；

3）设备投资大，生产准备周期长。应用：主要用于大批量生产铝、镁、铜等非铁合金的中、小型铸件，如仪表壳体等。四）低压铸造1.概念：低压铸造是指金属液在气体压力作用下完成充型和凝固的铸造方法。其压力较小。2.工艺过程：向坩埚中通压缩空气→金属液上升充型→保压、凝固→将坩埚上部与空气相通→取出铸件。见教材图8-15。3.特点及应用：特点：1）可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁铸件；

2）金属的实际利用率高;3）设备简单,投资少,操作简便,劳动条件好,易于实现机械化、自动化。

4）浇注时压力较低,底注充型,平稳且易控制;五）离心铸造1.概念：离心铸造是将金属液浇入绕水平、倾斜或立轴旋转的铸型中，在离心力的作用下凝固的铸造方法。2.铸造设备－－离心铸造机离心铸造机是离心铸造所用的设备,按其旋转轴空间位置的不同分为立式、卧式两种。其中立式铸造机适合于高度小于直径的圆环类铸件；卧式铸造机适合于长度较大的套筒类铸件。低压铸造应用：主要用于生产铸造质量要求高的铝合金、镁合金铸件，如气缸体等。3.离心铸造的特点及应用：特点：

①铸件组织致密,力学性能好;②铸造圆形中空铸件时,不用型芯和浇注系统,降低了金属消耗;③提高了金属液的充型能力,可浇注流动性差的合金及薄壁铸件;④可生产双金属铸件,如钢套内镶铜轴承等；

⑤适应性较广,铸造合金的种类几乎不受限制;应用：主要用于生产各种管、套、环类铸件，也可用于生产齿轮、叶轮、涡轮等成形铸件。六）消失模铸造

1.概念：

消失模铸造又称实型铸造，是采用泡沫聚苯乙烯塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样直接浇入金属液，在液体金属的热作用下，泡沫塑料模样气化消失获得所需铸件的铸造方法。2.特点及应用：特点：1）不必起模和修型，工序少，生产效率高；

2）铸件尺寸精度高、表面粗糙度值小；

3）易实现少、无削加工；

4）劳动强度低，劳动条件好；应用：主要用于铝合金、铸铁件的生产。各种铸造方法的比较：

见教材表8-3第三节铸造成形的工艺与结构设计一、铸造成形的工艺设计二、铸造成形的结构设计一、铸造成形的工艺设计

铸造工艺设计的主要内容是绘制铸造工艺图、铸件图和铸型装配图等。单件、小批生产时只需绘制铸造工艺图。铸造工艺图是指直接在零件图上绘出制造模样和铸型所需数据的图样，如铸件的浇注位置、分型面、加工余量、收缩率、起模斜度、反变形量、工艺补正量、浇冒系统、内外冷铁的尺寸和位置以及芯头的大小等。它是制造模样、模板、芯盒等工装，进行生产准备和验收的依据。一）浇注位置的选择

浇注位置是浇注时铸件在铸型内所处的空间位置。浇注位置的选择原则：

1）重要加工面、主要工作面等质量要求较高部位应置于下面或侧面。车床的浇注位置如下图。2）具有大平面的铸件，应将铸件的大平面朝下。3）具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置。见下图。箱盖的浇注位置4)易产生缩孔的铸件，应按定向凝固的原则，将壁厚较大的部位和铸件的热节部置于上部或侧部，以便设置冒口进行补缩。如下图。二）铸型分型面的选择

分型面是指两半铸型相互接触的表面。其选择是否合理，对铸件质量及制模、造型、造芯、合型或清理等工序复杂程度有很大影响。分型面的选择原则：

1）尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷，保证铸件尺寸的精确。见教材图8-22。

2）应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。见教材图8-23。

3）应尽量使分型面平直、数量少，避免不必要的活块和型芯等，以便于起模，使造型工艺简化。见教材图8-24，8-25。4）应尽量使型腔及主要型芯位于下型，以便于造型、下芯、合型和检验铸件壁厚。5）应尽量选在铸件最大截面处。三）工艺参数的确定：

1）铸造收缩率：为确保铸件的尺寸，必须按合金收缩率放大模样尺寸。通常灰铸铁的收缩率为0.7%~1.0%，铸钢为1.6%~2.0%，非铁合金为1.0%~1.5%。

2）机械加工余量：指为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。

零件上需要加工的表面，应需有适当的加工余量。加工余量过大，浪费金属和加工工时，增大零件成本；加工余量过小，不能完全去除表面缺陷，达不到设计要求。铸件加工余量的大小取决于铸件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工面与基准面的距离及加工面在铸型中的位置、加工精度要求等。灰铸铁件较铸钢件线收缩率小、熔点低，铸件表面较光洁、平整，故其加工余量小，铸钢件因浇注温度高、表面粗糙、变形大、其加工余量应比铸铁件大；非铁合金铸件表面光洁、且材料昂贵、加工余量应比铸铁件小；铸件的尺寸愈大或加工面与基准面的距离愈大，铁件的尺寸误差也愈大，故余量也应随之加大；3）起模斜度：为使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度称为起模斜度。凡垂直于分型面（分盒面）的没有结构斜度的壁均应设起模斜度。起模斜度的大小，应根据模壁测量面高度、模样材料及造型方法确定。4）芯头：指伸出铸件以外不与金属接触的砂芯部分，其主要用于定位和固定砂芯，使砂芯在铸型中有准确的位置。芯头分为垂直芯头和水平芯头两大类。见教材图8-28。5）最小铸出孔及槽：较大的孔、槽等应铸出来，以便节约金属和机构加工工时，同时还避免铸件局部过厚所造成的热节，提高铸件的质量，较小的孔槽，则不宜铸出，直接加工反而方便；如有特殊要求，且无法实行机加工的孔如弯曲孔，则一定要铸出。二、铸造成形的结构设计

铸件结构是指铸件外形、内腔、壁厚及壁之间的连接形式、加强肋及凸台等。在进行铸件设计时，不但要保证其工作性能和力学性能要求，还必须认真考虑铸造工艺、铸造方法和合金铸造性能对铸件结构的要求。其结构是否合理，即其结构工艺性是否良好，对铸件质量、生产率及成本有很大的影响。

一）铸造工艺对结构设计的要求二）合金铸造性能对铸件结构设计的要求三）铸造方法对铸件结构设计的要求一）铸造工艺对结构设计的要求原则：

1）减少和简化分型面，如下图。2）铸件外形应力求简单，如右图。3）应有一定的结构斜度-----凡是垂直于分型面的不加工面应有一定的倾斜度，如下图。4）铸件结构要有利于节省性芯以及便于性芯的定位、固定、排气和清理，如下图。轴承支架二）合金铸造性对铸件结构的要求原则：1）铸件壁厚要合理-----过小，易产生浇不到、冷隔等缺陷；过大，易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。2）铸件壁厚应均匀