《铸造工艺学》PPT课件-2.ppt

铸造工艺 引言 第一节 合金的铸造性能 第二节 常用铸造合金 第三节 砂型铸造 第四节 特种铸造 第五节 零件结构的铸造工艺性 铸 造 引言 1、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。 图9-1 砂型铸造 2、铸造优缺点 优点： 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。 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。 图9-2 铸造产品 第一节 合金的铸造性能 （一）合金的流动性 1. 流动性 流动性是指熔融金属的流动能力。 合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量， 将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，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。 2. 流动性的影响因素 1）合金的种类 不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具 有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次 之，而铸钢的流动性最差。 一、流动性和充型能力 2）化学成分和结晶特征 纯金属和共晶成分的合金，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9-3a。 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9-3b。 图9-3 不同结晶特征的合金的流动性 铁碳合金的流动性与相图的关系见图9-4。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。 图9-4 铁碳合金的流动性与相图的关系 （二）合金的充型能力 1. 充型能力 考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。合 金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合 金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响 。 2. 充型能力的影响因素 1）铸型填充条件 a）铸型的蓄热能力 即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型 的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充 型能力就越差。 b）铸型温度 提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差， 进而减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。 c）铸型中的气体 铸型中气体越多，合金的充型能力就越差。 （二）合金的充型能力 1. 充型能力 考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。合 金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合 金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响 。 2. 充型能力的影响因素 1）铸型填充条件 a）铸型的蓄热能力 即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型 的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充 型能力就越差。 b）铸型温度 提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差， 进而减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。 c）铸型中的气体 铸型中气体越多，合金的充型能力就越差。 （一）铸件的凝固方式及影响因素 1. 铸件的凝固方式 （1）逐层凝固方式 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。常见合金如灰铸铁、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。 （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。 二 合金的凝固与收缩 （3）中间凝固方式 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。 图9-5 铸件的凝固方式 2. 凝固方式的影响因素 （1）合金凝固温度范围的影响 合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于 逐层凝固；如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固； 如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。 （2）铸件温度梯度的影响 增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反 之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。 （二） 铸造合金的收缩 铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现 象称为收缩。它主要包括以下三个阶段： 1.液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。 2.凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固 收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。 3.固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固 态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形 和裂纹等缺陷产生的基本原因。 （三） 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。 （四）收缩对铸件质量的影响 1. 缩孔和缩松 （1）缩孔的形成 缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是： 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。缩孔形成的主要 原因是液态收缩和凝固收缩。缩孔形成过程见图9-6。 图9-6 缩孔形成过程示意图 （2）缩松的形成 宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶 粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩 所致。缩松形成过程见图9-7。 图9-7 缩松形成过程示意图 （3）缩孔、缩松的防止措施 a）采用定向凝固的原则 所谓定向凝固，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。定向凝固原则见图9-8。 图9-8 定向凝固原则 b）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。 2. 铸造应力、变形和裂纹 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）固态相变应力 铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变 化而引起的应力。 c）收缩应力 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。 （2）铸造应力的防止和消除措施 a）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。如图9-9所示。 b）提高铸型温度 c）改善铸型和型芯的退让性 d）进行去应力退火 图9-9 同时凝固原则 （3）铸件的变形和防止 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。 （4）铸件的裂纹及防止 a) 铸件裂纹的分类及其形貌 铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。当固态合金的线收缩受到 阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂；而 冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产 生的。热裂裂纹一般沿晶界产生和发展，其外形曲折短小，裂纹 缝内表面呈氧化色；冷裂裂纹常常是穿晶断裂，裂纹细小，外形 呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色 。 b）铸件裂纹的防止 为有效地防止铸件裂纹的发生，应尽可能采取措施减小铸造应力 ；同时金属在熔炼过程中，应严格控制有可能扩大金属凝固温度 范围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量。 1.偏析 铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏 析、区域偏析和体积质量偏析三类。 (1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现 象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减 少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方 法。 (2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区 域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高 ， 采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的 温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。 (3)比重偏析 铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。 为防止 比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却， 使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。 三、铸造合金的偏析和吸气性 2. 铸件中的气孔和合金的吸气 （1）侵入性气孔 侵入性气孔是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 析出性气孔是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。 铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这 些合金中，碳的质量分数超过了在共晶温度时能保留在奥氏体 固溶体中的量。 （一） 铸铁的分类 1. 根据碳在铸铁中的存在形式分类 （1）白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁， 断口呈银白色。 （2）灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口 呈灰色。它是工业中应用最广的铸铁。 （3）麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以 石墨形式出现，断口灰白相间。 第二节 常用铸造合金 一、铸铁 2. 根据铸铁 中石墨形态分类 （1）普通灰铸铁 石墨呈片状，见图9-10； 图 9-10 灰口铸铁 （2）蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状，见图9-11； 图9-11 蠕墨铸铁 （4）球墨铸铁 石墨呈球状，见图9-13。 图9-13 球墨铸铁 3. 根据铸铁 的化学成分分类 （1）普通铸铁 （2） 合金铸铁 （二） 灰铸铁 1.灰铸铁 的显微组织 及其性能 （1）灰铸铁的显微组织 灰铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与片状石墨组成 。 灰口铸铁的组织： 铁素体+片状石墨 铁素体珠光体+片状石墨 珠光体+片状石墨 （2）灰铸铁的性能 a) 力学性能 由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减 少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的 抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，断裂强度通常为120250Mpa ；塑性和冲击韧 性近于0，属于脆性材料。 b) 工艺性能 灰铸铁 属于脆性材料，不能进行冲压 ；同时，其焊 接性能也很差。但灰铸铁的切削加工性能较好。 c) 减振性 灰铸铁 具有良好的减振性，其减震能力约为钢 的510 倍。工业上常用它来制造机床床身、机座等。 d) 耐磨性好 e) 缺口敏感性低 2.灰铸铁 的孕育处理 孕育是以少量材料加入熔融金属，促进成核，以改善其组织和性 能的方法。加入的材料称为孕育剂。常用的孕育剂是FeSi75，熔 点为1300，经孕育处理后的铸铁 称孕育铸铁 。孕育铸铁 的强 度、硬度比普通灰铸铁有显著提高。孕育铸铁适用于对强度、硬 度和耐磨性要求较高的重要铸件，尤其是厚大铸件，如床身、凸 轮、凸轮轴、气缸体和气缸套等。灰铸铁的孕育处理见图914 。 图9-14 灰口铸铁的孕育处理 （三）可锻铸铁 可锻铸铁是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理 ，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。 可锻铸铁实际上并非可以锻造，这个名子只表示它具有 一定的塑性和韧性。 1.可锻铸铁 件的微观组织 及其性能特点 （1）可锻铸铁的显微组织 可锻铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与 团絮状石墨组成。 （2）可锻铸铁的性能 可锻铸铁的强度一般为300400Mpa，最高可达700 Mpa ，同时，可锻铸铁具有一定的塑性和较高的冲击韧度。 可锻铸铁的铸造性能 可锻铸铁的碳、硅质量分数低，熔点比灰铸铁高，凝固温 度范围大，故铁液的流动性差，必须适当提高铁液的出炉 温度，以防产生冷隔、浇不到等缺陷。同时，可锻铸铁的 凝固过程没有石墨化膨胀阶段，体积收缩和线收缩较大， 易形成缩孔和裂纹等缺陷。在设计铸件时除应考虑合理的 结构形状外，在铸造工艺上应采用定向凝固的原则设置冒 口和冷铁，适当提高型砂的耐火度，退让性和透气，为挡 住熔渣，在浇注系统中应安放过滤网。 （四）球墨铸铁 球墨铸铁是铁液经过球化处理后使石墨大部分或全部呈球状，有 时少量为团絮状的铸铁。 1. 球墨铸铁 的组织 与性能 （1）球墨铸铁的显微组织 球墨铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与球状石墨 组成。 （2）球墨铸铁的性能 球墨铸铁不仅强度远远高于灰铸铁，优于可锻等铁，甚至可与钢 媲美，尤其屈强比（一般大于0.7）明显高于碳钢（仅0.6左右） ，疲劳强度与中碳钢接近，而且其耐磨性远高于45钢表面淬火。 球墨铸铁还具有优良的热处理性能，球墨铸铁的铸造性能、减振 性、切削加工性及缺口敏感性较灰铸铁差，但仍优于铸钢。其塑 性和韧性虽低于钢，但仍能满足一般零件的要求。 球墨铸铁的铸造工艺特点 球墨铸铁的铸造性能介于灰铸铁与铸钢之间。其流动 性与灰铸铁相近，可生产壁厚3mm4mm铸件。球墨铸 铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀，在铸造 工艺上应采用定向凝固原则，用干型或水玻璃砂快干 型提高铸型的强度，并增设冒口以加强补缩。球墨铸 铁凝固时有较大的内应力、变形和冷裂倾向，故对重 要的球墨铸铁件要退火以消除应力。 （五） 蠕墨铸铁 指大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁。蠕墨铸铁的力 学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间。 （一）铸钢的种类与性能 铸钢按化学成分的不同，可分为以下两大类： 1. 碳素铸钢 指以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。根据碳质量分 数的高低可分为低碳、中碳和高碳铸钢。铸钢的强度与球墨铸铁相 近，但铸钢的冲击韧度和疲劳强度都高得多，另外，铸钢的焊接性 能远比铸铁优良。 2. 铸造合金钢 对于具有