1.铸造工艺基础

1、第三章 液态成型原理工艺 概述 不锈钢劳斯莱斯标志性的欢庆女神雕像：不锈钢劳斯莱斯标志性的欢庆女神雕像： 生产商：保利卡斯特有限公司生产商：保利卡斯特有限公司 设计师：查里斯设计师：查里斯.罗宾逊罗宾逊.赛克斯赛克斯 发布时间：发布时间：1911年年 更多信息：更多信息： 工艺方法：失腊铸造法工艺方法：失腊铸造法 铸件的应用 常用铸件常用铸件 铸铁件 铸钢件 铸铝 铸铜 铸件毛坯铸件毛坯 形状复杂 有内腔 大、小件 受力简单 铸铝件 球铁铸件 铸 铜 什么是什么是金属的液态成形金属的液态成形: : 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中， 待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦称铸

2、造. 通过铸造所铸出的金属制品称为铸件。 金属的液态成形的作用金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。 按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特 种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）.其中砂型铸造 是最基本的液态成形方法，所生产的铸件要占铸件总量 的80%以上. 液态成型的优点液态成型的优点 适于做复杂外形，特别是适于做复杂外形，特别是 复杂内腔的毛坯复杂内腔的毛坯 对材料的适应性广，铸件对材料的适应性广，铸件 的大小几乎不受限制的大小几乎不受限制 成本低，原材料来源广泛，成本低，原材料来源广泛， 价格低廉价格低廉,一般不需要昂一般不需要昂 贵的设备贵的设

3、备 是某些塑性很差的材料是某些塑性很差的材料 (如铸铁等如铸铁等)制造其毛坯或制造其毛坯或 零件的唯一成型工艺零件的唯一成型工艺 液态成型液态成型 优优 点点 液态成型的缺点液态成型的缺点 工艺过程比较复杂，一些工艺工艺过程比较复杂，一些工艺 过程还难以控制过程还难以控制 液态成形零件内部组织的均匀性、液态成形零件内部组织的均匀性、 致密性一般较差致密性一般较差 液态成形零件易出现缩孔、缩松、液态成形零件易出现缩孔、缩松、 气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等 缺陷，产品缺陷，产品 质量不够稳定质量不够稳定 由于铸件内部晶粒粗大，组织不均由于铸件内部晶粒粗大，组织不均

4、匀，且常伴匀，且常伴 有缺陷，其力学性能有缺陷，其力学性能 比同类材料的塑性成形低比同类材料的塑性成形低 液态成型液态成型 缺缺 点点 u铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、 浇注凝固和落砂清理等。浇注凝固和落砂清理等。 熔炼金属熔炼金属 铸型铸型 浇注浇注铸件铸件 铸件生产过程框图 铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。 第一节第一节 铸造工艺过程铸造工艺过程 一一 、充型能力：、充型能力： 液态合金充满铸型型腔，获得形状完液态合金充满铸型型腔，获得形状完 整、轮廓清晰铸件的能力。整

5、、轮廓清晰铸件的能力。 合金的充型能力合金的充型能力 液态金属液态金属充满铸型型腔充满铸型型腔，获得尺寸精确获得尺寸精确、轮廓清晰轮廓清晰 的成型件的能力的成型件的能力 充型能力的概念充型能力的概念: 充型能力不足充型能力不足 浇不足浇不足冷冷 隔隔夹夹 砂砂气气 孔孔夹夹 渣渣 充型能力不足：浇不足、冷隔等缺陷；充型能力不足：浇不足、冷隔等缺陷； 充型能力好：铸件轮廓清晰、能够铸出薄而充型能力好：铸件轮廓清晰、能够铸出薄而 复杂的铸件、有利于非金属夹杂物和气体的复杂的铸件、有利于非金属夹杂物和气体的 上浮与排除、有利于补缩上浮与排除、有利于补缩； 浇不足浇不足 冷隔冷隔 几种不同合金流动性的

6、比较几种不同合金流动性的比较 *铸铁的流动性铸铁的流动性*铸钢的流动性铸钢的流动性 实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。 比较下面几种合金流动性能比较下面几种合金流动性能 1、合金的流动性、合金的流动性： u液态合金本身的流动能力，是合金主要铸造性能之一。液态合金本身的流动能力，是合金主要铸造性能之一。 u衡量流动性方法：螺旋形试样，衡量流动性方法：螺旋形试样，如图所示；如图所示； u 化学成分对流动性影响：合金成分离共晶点越近，流动性化学成分对流动性影响：合金成分离共晶点越近，流动性 越好；（铸铁的流动性好、铸钢的流动性差），如图所示；越好；（铸铁

7、的流动性好、铸钢的流动性差），如图所示； 充型能力的充型能力的 决定因素决定因素 合金的流动性合金的流动性 铸型性质铸型性质 浇注条件浇注条件 铸件结构等铸件结构等 出气口 浇口杯 PbSb 20406080 20 40 60 80 0 流动性（流动性（cm） 100 200 300 温度温度（） 0 合金的成分合金的成分。同种合金，成分。同种合金，成分 不同，其结晶特点不同，流动不同，其结晶特点不同，流动 性也不同。如图性也不同。如图2-42-4所示铅锡合所示铅锡合 金的流动性与相图的关系；纯金的流动性与相图的关系；纯 金属和共晶合金在恒温下结晶，金属和共晶合金在恒温下结晶， 为逐层凝固方式

8、，凝固层表面为逐层凝固方式，凝固层表面 光滑，阻力小，故流动性好，光滑，阻力小，故流动性好， 同时共晶合金熔点最低，故流同时共晶合金熔点最低，故流 动性最好。而亚共晶合金，为动性最好。而亚共晶合金，为 中间凝固方式，复杂枝晶阻碍中间凝固方式，复杂枝晶阻碍 流动，故流动性差。流动，故流动性差。 图图2-4铅锡合金的流动性与相图的关系铅锡合金的流动性与相图的关系 铸造性能流动性 合金种类铸型种类浇注温度（）螺旋线长度（mm） 铸铁C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 100

9、0 600 铸钢C=0.4%砂型 砂型 1600 1640 100 200 铝硅合金（铝硅明） 镁合金（含Al及Zn） 锡青铜（Sn=10%,Zn=2%） 硅黄铜（Si=1.54.5%） 金属型（300） 砂型 砂型 砂型 680720 700 1040 1100 700800 400600 420 1000 常用合金的流动性（砂型，试样截面常用合金的流动性（砂型，试样截面8 88 8mmmm） 2、浇注条件：、浇注条件： （1）浇注温度：）浇注温度： u浇注温度越高浇注温度越高充型能力越好；充型能力越好； u浇注温度过高浇注温度过高缺陷：缩孔、缩松、粘砂、气孔、缺陷：缩孔、缩松、粘砂、气孔、

10、 晶粒粗大等；如图所示；晶粒粗大等；如图所示； （2）充型压力：）充型压力： 充型压力越大充型压力越大充型能力越好；充型能力越好； 3、 浇注系统浇注系统 浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充 型能力越差。型能力越差。 浇注浇注 条件条件 浇注温度浇注温度 充型压力充型压力 浇注系统浇注系统 浇注温度越高，液态金属的粘度越浇注温度越高，液态金属的粘度越 小，过热度高，金属液内含热小，过热度高，金属液内含热 量多，量多， 保持液态的时间长，充型保持液态的时间长，充型 能力强。能力强。 液态金属在流动方向上所受的压力液态金属在流动方向上所受的压力 称为充

11、型压力。充型压力越大称为充型压力。充型压力越大, 充充 型能力越强。型能力越强。 浇注系统的结构越复杂，则流动浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，充型能力越差。阻力越大，充型能力越差。 3、铸型填充条件：、铸型填充条件： 铸型材料：铸型材料： 导热系数、比热容越大导热系数、比热容越大充型能力越差；充型能力越差； 铸型温度：铸型温度： 温度越高温度越高充型能力越好；充型能力越好； 铸型中气体铸型中气体 气压越大气压越大阻碍液态合金的充型；阻碍液态合金的充型； 铸型充填条件对充型能力的影响铸型充填条件对充型能力的影响 铸型温度铸型温度(不能过高不能过高) 铸型蓄热系数铸型蓄热系数: 即从金属中

12、吸取热量即从金属中吸取热量 并储存的能力并储存的能力 铸型的发气和铸型的发气和 透气能力：透气能力： 浇铸时产生气体浇铸时产生气体 能在金属液与铸型间形成气膜，能在金属液与铸型间形成气膜， 减小摩擦阻力，有利于充型。减小摩擦阻力，有利于充型。 但发气能力过强但发气能力过强,透气能力又差时透气能力又差时, 若浇铸速度太快若浇铸速度太快, 则型腔中的气体压力增大，则型腔中的气体压力增大， 充型能力减弱。充型能力减弱。 4铸件结构对充型能力的影响铸件结构对充型能力的影响 折算厚度：折算厚度： 折算厚度也叫当量厚度折算厚度也叫当量厚度 或模数或模数,是铸件体积与铸件是铸件体积与铸件 表面积之比。折算厚

13、度越表面积之比。折算厚度越 大，热量散失越慢，充型大，热量散失越慢，充型 能力就越好。铸件壁厚相能力就越好。铸件壁厚相 同时，垂直壁比水平壁更同时，垂直壁比水平壁更 容易充填容易充填.(大平面铸件不大平面铸件不 易成形易成形) 复杂程度：复杂程度： 铸件结构越复杂，铸件结构越复杂， 流动阻力就越大，铸流动阻力就越大，铸 型的充填就越困难。型的充填就越困难。 二、二、 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩 1、铸件的凝固方式、铸件的凝固方式： 铸件的凝固过程，其断面一般存在三个区域：铸件的凝固过程，其断面一般存在三个区域： 固相区、凝固区、液相区，如图所示；固相区、凝固区、液相区，如图所示； ab

14、表层中心 t铸件 固相线 液相线 成分 温度 表层中心 t铸件 液 固 液 c 表层中心 S t铸件 温度 液相线 固 凝固区 1）、逐层凝固）、逐层凝固（壳状凝固）：（壳状凝固）： 纯金属或共晶成分的合金，纯金属或共晶成分的合金，如图如图所示所示； 2）、糊状凝固：）、糊状凝固： 合金的结晶温度范围（温度间隔）很宽，合金的结晶温度范围（温度间隔）很宽，如图所如图所 示示： 3）中间凝固（介于两者之间）：）中间凝固（介于两者之间）： 多数合金属于此种方式，如图所示；多数合金属于此种方式，如图所示； 总之总之： 逐层凝固时，合金的充型能力强，不易产生缩逐层凝固时，合金的充型能力强，不易产生缩 松

15、，铸件致密性好，热裂倾向小；如灰铸铁；松，铸件致密性好，热裂倾向小；如灰铸铁； 糊状凝固时，铸件致密性差，缩松严重，热裂糊状凝固时，铸件致密性差，缩松严重，热裂 倾向大；如铝合金、球墨铸铁等；倾向大；如铝合金、球墨铸铁等； 2 影响凝固的主要因素影响凝固的主要因素 *合金的结晶温度范围：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。灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。 *铸件的温度梯度：铸件的温度梯度： 在合金结晶温度范围已定的前提下，

16、凝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。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。凝固区相应由宽变窄。 表层中心 S t铸件 温度 成分 温度 S1 T1 T2 T浇 T液 T固 T室 3、铸造合金的收缩：、铸造合金的收缩： u合金从浇注、凝固直至冷却至室温，其体积和尺寸合金从浇注、凝固直至冷却至室温，其体积和尺寸 缩减的现象，称为收缩；缩减的现象，称为收缩； u合金的收缩包括：合金的收缩包括：液态收缩、凝固收缩、固态收缩；液态收缩、凝固收缩、固态收缩； 图图

17、2-6 铸造合金收缩过程示意图铸造合金收缩过程示意图 I液态收缩液态收缩 II凝固收缩凝固收缩 III固态收缩固态收缩 a) 合金状态图合金状态图 b) 一定温度范围合金一定温度范围合金 c) 共晶合金共晶合金 a) b) c) 1 1）液态收缩。）液态收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。 2 2）凝固收缩。）凝固收缩。指合金在液相指合金在液相 线和固相线之间凝固阶段的收线和固相线之间凝固阶段的收 缩。结晶温度范围越大，收缩缩。结晶温度范围越大，收缩 率越大。率越大。液态和凝固收缩时金液态和凝固收缩时金 属液体积缩小，是形成缩孔和属

18、液体积缩小，是形成缩孔和 缩松的基本原因。缩松的基本原因。 3 3）固态收缩。）固态收缩。指合金从固相指合金从固相 线温度冷却到室温时的收缩。线温度冷却到室温时的收缩。 用线收缩率表示。用线收缩率表示。它对铸件形它对铸件形 状和尺寸精度影响很大，是铸状和尺寸精度影响很大，是铸 造应力、变形和裂纹等缺陷产造应力、变形和裂纹等缺陷产 生的基本原因生的基本原因 。 合金的收缩合金的收缩 合金收缩合金收缩 固态合金冷却固态合金冷却 液态合金冷却液态合金冷却 液态收缩液态收缩 凝固收缩凝固收缩 缩孔缩孔:恒温下结晶恒温下结晶 缩松缩松:两相区结晶两相区结晶 线形收缩线形收缩 裂纹裂纹 变形变形 应力应力

19、 4 影响收缩的因素影响收缩的因素 铸型条件铸型条件 铸件结构铸件结构 浇注温度浇注温度 化学成分化学成分(c含量含量) 合金收缩合金收缩 5、铸件中的缩孔与缩松：、铸件中的缩孔与缩松： 1 1）、缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位）、缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位 容积较大的孔洞，如图所示；容积较大的孔洞，如图所示； 液态金属填满铸型之后（图液态金属填满铸型之后（图a a），由于铸型吸热，靠近铸型），由于铸型吸热，靠近铸型 表面的金属很快凝结成一层外壳，而内部仍然是高于凝固温度表面的金属很快凝结成一层外壳，而内部仍然是高于凝固温度 的液体（图的液体（图b)b)。温度继续下降、外壳加厚，但

20、内部液体因液态。温度继续下降、外壳加厚，但内部液体因液态 收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积减小，液面下降，使铸件收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积减小，液面下降，使铸件 内部出现了空隙（图内部出现了空隙（图c c）。直到内部完全凝固，在铸件上部形成）。直到内部完全凝固，在铸件上部形成 了缩孔（图了缩孔（图d d）。已经产生缩孔的铸件继续冷却到室温时，因固）。已经产生缩孔的铸件继续冷却到室温时，因固 态收缩是铸件的外轮廓尺寸略有缩小（图态收缩是铸件的外轮廓尺寸略有缩小（图d d） 2）缩松：分散在铸件某区域内的细小孔洞，）缩松：分散在铸件某区域内的细小孔洞， 如图所示如图所示。 分为：宏观缩松、微

21、观缩松；分为：宏观缩松、微观缩松； 缩松的形成原因缩松的形成原因: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者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架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所 致。致。 缩孔和缩松的形成缩孔和缩松的形成 常出现于常出现于纯金属、共晶成分纯金属、共晶成分合金和合金和结晶温度范围结晶温度范围 较窄较窄的以的以层状凝固方式凝固层状凝固方式凝固的铸造合金中；的铸造合金中； 多集

22、中在铸件的上部和最后凝固的部位；铸件多集中在铸件的上部和最后凝固的部位；铸件厚厚 壁处壁处、两壁相交处及、两壁相交处及内浇口附近内浇口附近等凝固较晚或凝等凝固较晚或凝 固缓慢的部位（称为热节），也常出现缩孔；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，表面不光滑缩孔尺寸较大，形状不规则，表面不光滑。 缩 孔 特 点 缩 松 的 特 点 缩松多出现于缩松多出现于结晶温度范围较宽结晶温度范围较宽的合金中；的合金中； 显微缩松一般出现在显微缩松一般出现在枝晶间和分枝之间枝晶间和分枝之间； 常分布在常分布在缩孔附近或铸件厚壁的中心部位缩孔附近或铸件厚壁的中心部位； 5 5缩孔和

23、缩松的防止缩孔和缩松的防止 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的 凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。 顺序凝固：使铸件远离冒口的地方先凝固，而后靠近冒地方先凝固，而后靠近冒 口的地方凝固，最后才是冒口本身凝固。按照这样的凝固口的地方凝固，最后才是冒口本身凝固。按照这样的凝固 顺序，先凝固的部位的收缩，由后凝固部位的金属夜来补顺序，先凝固的部位的收缩，由后凝固部位的金属夜来补 充；后凝固部位的收缩有冒口中的金属液补充，从而使各充；后凝固部位的收缩有冒口中的金属液补充，从而使各 个部位的收缩均能得到补充。个部位的收缩均能得到补充。 消除缩孔和缩松的方法消除缩孔和缩松的方法 顺序凝固原则顺序凝

24、固原则 是铸件让远离冒口的地方先凝是铸件让远离冒口的地方先凝 固，靠近冒口的地方次凝固，固，靠近冒口的地方次凝固， 最后才是冒口本身凝固。实现最后才是冒口本身凝固。实现 以厚补薄，将缩孔转移到冒口以厚补薄，将缩孔转移到冒口 中去。中去。 原理原理 合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理布置内浇道及确定浇铸工艺。 方法方法 合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。 顺序凝固：如图所示；顺序凝固：如图所示； u实现顺序凝固的方法：安放冒口和局部加冷铁，实现顺序凝固的方法：安放冒口和局部加冷铁， 如图所示如图所示: 对于凝固温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不对于凝固

25、温度范围宽的合金，定向凝固通过在铸件的不 同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状同部位放置冷铁实现。这时凝固界面的温度梯度很大，糊状 凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好，凝固区域明显减小，因此补缩得到改善，铸件完整性变好， 同时铸件的机械性能也得以提高。同时铸件的机械性能也得以提高。 暗冒口 冒口 储存补缩用金属 液的空腔。 顺序凝固 铸件按照一定 的次序逐渐凝固。 冷铁 冷铁 同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。 三、液态成形内应力、变形与裂纹三、液态成形内应力、变形与裂纹 内应力内应力 热应力热应力 机械应力机械应力 变形变形 裂纹裂纹 铸件在凝固和冷却的过程中，

26、由于铸件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的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的 收缩而引起的应力。收缩而引起的应力。 铸件在固态收缩时，因受到铸型、型铸件在固态收缩时，因受到铸型、型 芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生 的应力。的应力。 残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定残余热应力的存在，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。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。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。 1 热应力的形

27、成过程演示热应力的形成过程演示 +表示拉应力，表示拉应力，-表示压应力表示压应力 所示的框形铸件来分析热应力的形成。当铸件处于高温阶段(图中 t0t1），两杆均处于塑性状态，尽管两杆的冷却运度不同，收缩不一 致，但瞬时的应力均可通过塑性变形而消失。 继续冷却后，冷速较快的细杆已进入弹性状态，而粗杆I仍处于塑 性状态(图中t1t2间)。由于细杆冷速快，收缩大于I杆，所以细杆H 受拉伸、细杆I受压缩(图b)，形成了暂时内应力，但这个内应力随之 便被粗杆I的微量塑性变形(压短)而消失(图c)。 当进一步冷却到更低温度时(图中t2t3)，粗杆I也处于弹性状态，此 时，尽管两杆长度相同，但所处的温度不同。粗杆的温度较高，还将 进行较大的收缩；细杆H的温度较低，收缩已趋停止。因此，粗杆I的 收缩必然受到细杆的强烈阻碍，于是，