第二篇 铸造(第一章铸造工艺基础)

1、07.10.2020,第二篇 铸 造,铸造工艺基础 常用合金铸件的生产 砂型铸造 特种铸造 铸件结构设计 讲授学时：10学时,07.10.2020,铸造概念： 将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，称为金属的液态成形。即铸造。液态金属浇注过程。砂型铸造工艺演示。,铸造是历史最为悠久的金属成型方式，直到今天仍然是毛坯生产的主要方法。机器中铸件所占比例很大。 铸造生产在机械制造业中的地位：视频。,07.10.2020, 铸造生产的优点： 1）铸件可以生产形状复杂，特别是内腔复杂的毛坯；铸件的轮廓尺寸可从几毫米至几十米；重量可从几克至几百吨

2、。 2）适应范围广。铸造可用各种合金来生产铸件。 3）铸造批量不限。从单件、小批，直到大量生产。 4）铸件与零件的形状、尺寸很接近，因而铸件的加工余量小，可节省金属，减少切削加工量，从而降低制造成本。 5）铸件所用的原材料大部分来源广泛、价格低廉，还可以使用废料和废零件；设备费用较低，因此铸件的成本低廉。 铸造生产的缺点： 1）工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制。 2）液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差。 3）液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品 质量不够稳定。 4）由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形

3、能力低。,07.10.2020,金属液态成形可分为： 砂型铸造和特种铸造。 1、砂型铸造：是最基本的工艺方法，占铸件的90%。 2、特种铸造方法：熔模、金属型、压力、离心铸造等。,07.10.2020,第一章 铸造工艺基础,液态合金填充铸型的过程- 充型。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 - 液态合金的充型能力。,第一节 液态合金的充型,学习目的及要求： 1.掌握影响充型能力的各种因素； 2.了解凝固与收缩、内应力、变形和裂纹产生的原因及防止措施； 3.了解铸件质量控制的方法。 重点及难点：1.充型能力；2.内应力的形成。 铸造生产过程复杂，影响铸件质量的因素颇多，废品

4、率一般较高。铸造废品的产生不仅与铸型工艺有关，还与铸型材料、铸造合金性能、熔炼、浇注等密切相关。,充型能力不足 可能有,浇不足,冷 隔,夹 砂,气 孔,夹 渣,07.10.2020,一、合金的流动性： 液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性，是合金主要铸造性能之一。 合金的流动性越好，充型能力越强，越便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。,充型能力的决定因素：,合金的流动性 铸型性质 浇注条件 铸件结构等,充型能力不足原因： 在液态合金的充型过程中，有时伴随着结晶现象，若充型能力不足，在型腔被填满之前，形成

5、的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。,07.10.2020,流动性衡量方法： 液态合金的流动性通常以“螺旋形试样”长度来衡量。 测试合金充型能力的方法： 将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好，合金充型能力越好。,试验得知：灰口铸铁，硅黄铜（长度l1000mm）流动性最好。铸钢（长度l200mm）的流动性最差。 显然，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。 影响合金流动的性因素很多，但以化学成分的影响最为显著。,07.10.2020,共晶合金：结晶是在恒温下进行的，液态合金从表层逐层向中心凝

6、固，由于已结晶固体层表面比较光滑，对金属液的流动阻力小，故流动性最好。 其它成分的合金：一定温度范围内逐步凝固和结晶是同时进行的，由于初生的树枝状晶体使固体层表面粗糙，所以合金的流动性变差。显然结晶间隔越小，则流动性越好。铸件晶粒组织 由图亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高。实验证明铸铁的流动性好， 铸钢的流动性差。,07.10.2020,合金流动性对充型能力的影响 合金流动性的决定因数： 1）合金种类: 合金不同，流动性不同 2）化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同。 3）结晶特性：恒温下结晶，流动性较好；两相区（2区）内结晶，流动性较差。,

7、07.10.2020,二、浇注条件 浇注条件对充型能力的影响：,浇注 条件,浇注温度,充型压力,浇注系统,浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强。,液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大, 充型能力越强。,浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。,对薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防浇不足或冷隔缺陷。但浇注温度过高，容易产生缩孔缩松等缺陷，故保证充型能力前提下，不宜过高。,07.10.2020,（2）铸型温度： 铸型的温度 充型能力铸型可先预热。,（1）铸型材料： 导热系数和比热容激冷能力充型能力

8、,（3）铸型中气体： 砂型铸造产生大量气体，排气能力差，型腔中气压流动阻力充型能力，所以铸型要留出排气口。,三、铸型填充条件 铸型充填条件对充型能力的影响：影响合金在型腔内流动的时间和速度。 影响因素有：,四、铸件结构条件 铸件结构对充型能力的影响。 折算厚度： 折算厚度也叫当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。(大平面铸件不易成形) 复杂程度： 铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。,07.10.2020,第二节 铸件的凝固与收缩 浇入铸型中的金属液在冷凝过程中，其收缩得不到补充，铸件将

9、产生缩孔和缩松缺陷。为防止缺陷应合理控制铸件凝固过程 一、铸件的凝固方式 铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区，即固相区、凝固区和液相区。对铸件影响较大的是凝固区的宽窄。 凝固方式有： 1）逐层凝固-纯金属或共晶合金在凝固中不存在液、固并存的凝固区。特点：合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松。,2）糊状凝固-合金的结晶温度范围很宽，则整个断面为液、固并存的凝固区。特点：难以获得结晶紧实的铸件。 3）中间凝固-多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间。,07.10.2020,二、铸件合金的收缩 合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩 - 收缩是多种铸造缺陷产生的根源

10、。(如：缩孔、缩松、裂纹、变形等)。,影响凝固的主要因素 1）合金的结晶温度范围： 合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。 2）铸件的温度梯度： 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄。,合金的收缩经历有三个阶段： 1）液态收缩、2）凝固收缩 、3）固态收缩,07.10.2020,合金收缩,固态合金冷却,液态合金冷却,液态收缩,凝固收缩,缩孔：恒温下结晶,缩松：两相区结晶,固态收缩,裂纹,变形,应力,体积的收缩，体积收缩率表示,铸件尺

11、寸上的收缩，线收缩率表示,合金的收缩过程：,07.10.2020,三、铸件的缩孔与缩松 1、缩孔与缩松的形成 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照空洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。 1）缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞，称为缩孔。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。通常隐藏在铸件内层，但有时表面有凹坑。动画演示。 收缩率,浇注温度,铸件愈厚，则缩孔。,07.10.2020,2）缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。缩松分为宏观缩松和纤维缩松。动画演示 缩松的形成原因： 铸件最后凝固的收缩未能得到

12、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。动画 凝固合金的缩孔和缩松的倾向： （1）逐层凝固合金- 缩孔倾向大，缩松倾向小(纯金属、共晶合金或结晶温度范围窄)； （2）糊状凝固合金- 缩松倾向小，但极易产生缩松。,07.10.2020,2、缩孔和缩松的防止 缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还可以使铸件因渗漏而报废。因此，必须予以防止。 防止原理：只要能使铸件实现“定向凝固”(即顺序凝固)，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件。 定向凝固原则：是铸件让远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次

13、凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。,顺序凝固：动画演示 定向凝固缺点：安放冒口和冷铁，耗费许多金属和工时，加大了铸件成本。同时，扩大了铸件各部分的温度差，促进铸件变形和裂纹倾向。,方法：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口和增设冷铁等措施，动画演示。,07.10.2020,第三节 铸造内应力、变形和裂纹,一、内应力的形成,可见，热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大、合金线收缩率越高、弹性模量越大，热应力越大。,1）热应力 由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。框形铸件热应力形成过

14、程 固态金属在再结晶温度以上时，塑性状态，变形之后应力自行消除。再结晶温度以下时，弹性状态，变形之后应力继续存在。,铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力，内应力有时在冷却过程中暂存的，有时保留到室温，称残余内应力。,按照内应力的产生原因，可分为热应力和机械应力。,铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。,07.10.2020,同时凝固原则： 安放冷铁和浇注口位置的正确布置可实现同时凝固。但可能形成缩孔等。动画 为防止缩孔等缺陷安放冒口等。 应用：同时凝固原则主要用于灰铸铁、锡青铜等。它们使缩孔缩松倾向小。,预防热应力的基本途径： 是尽量减少各个部位的温度

15、差，使其均匀地冷却。 热应力的消除方法： 1）铸件的结构：铸件的结构尽可能对称；铸件的壁厚尽可能均匀可使铸件各部分能自由收缩。,2）工艺方面：采用同时凝固原则可减少铸造内应力，防止铸件的变形和裂纹缺陷，又可免设冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松。 3）时效处理：人工时效；自然时效。,07.10.2020,2）机械应力 是合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。 影响：机械应力会导致形成裂纹，应适时开箱加以解决。 机械应力使铸件产生暂时性的正应力或剪应力，这种应力在铸件落砂后便可自行消失。,二、铸件变形与防止 具有残余应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定状态。如图，厚受拉，薄受压。,07.10.2020,三、铸件裂纹与防止 当铸造内应力超过金属的强度极限时，便将产生裂纹。 1、热裂： 热裂是在高温下形成。特征：缝隙宽、曲折、缝内呈氧化。 熱裂是在合金凝固末期