材料成型工艺基础第一章

1、潘健怡潘健怡/ 66672413602416724 / 666724 第一章第一章 液态成形理论基础液态成形理论基础 液态成形特点（了解）：液态成形特点（了解）： 适于复杂外形和内腔；适于复杂外形和内腔； 适应性广，大小几乎不受限制；适应性广，大小几乎不受限制； 价格低廉；价格低廉； 性能不如锻件，质量不稳定；性能不如锻件，质量不稳定； 劳动条件差。劳动条件差。 2材料成型技术基础材料成型技术基础 各类机械中铸件比重各类机械中铸件比重 机械类别 % 机床、内燃机、重型机械 风机、压缩机 拖拉机 农业机械 汽 车 7090 6080 5070 4070 50-70 第一

2、章第一章 液态成形理论基础液态成形理论基础 液态成形过程（理解）液态成形过程（理解） （1）充满型腔）充满型腔 （2）凝固成形）凝固成形 4材料成型技术基础材料成型技术基础 第一章第一章 液态成形理论基础液态成形理论基础 液态成形过程（理解）液态成形过程（理解） （1）充满型腔）充满型腔 5材料成型技术基础材料成型技术基础 影响铸件的影响铸件的 形状形状 尺寸尺寸 第一章第一章 液态成形理论基础液态成形理论基础 液态成形过程（理解）液态成形过程（理解） （1）充满型腔）充满型腔 （2）凝固成形）凝固成形 6材料成型技术基础材料成型技术基础 影响铸件的影响铸件的 形状形状 尺寸尺寸 决定铸件的决

3、定铸件的 内部组织内部组织 力学性能力学性能 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 铸造生产中，液态金属一般高于铸造生产中，液态金属一般高于 熔点熔点 100 - 300C。 金属的凝固过程就是一个金属的凝固过程就是一个结晶过程结晶过程。 结晶过程结晶过程包括包括形核形核和和 晶体长大晶体长大两个基本过程。两个基本过程。 凝固组织凝固组织 宏观上，指晶粒的形态、大小和分布等情况；宏观上，指晶粒的形态、大小和分布等情况； 微观上，指晶粒内部结构的形状、大小和分布等情况。微观上，指晶粒内部结构的形状、大小和分布等情况。 一般情况下，一般情况下，晶粒越细小均匀，铸件的强度、硬度越高，晶粒越细小均匀，铸

4、件的强度、硬度越高， 塑性和韧性也越好。塑性和韧性也越好。 7材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 影响凝固组织的因素（了解）：影响凝固组织的因素（了解）： 炉料炉料 铸件的冷却速度铸件的冷却速度 生产工艺生产工艺 8材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 铸件凝固过程断面上的三个区域：（了解）铸件凝固过程断面上的三个区域：（了解） 固相区固相区 凝固区凝固区 液相区液相区 9材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 铸件的凝固方式（掌握）铸件的凝固方式（掌握）： 逐层凝固（定向凝固）逐层凝固（定向凝固）

5、 糊状凝固（体积凝固）糊状凝固（体积凝固） 中间凝固中间凝固 10材料成型技术基础材料成型技术基础 11材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 铸件的凝固方式（掌握）：铸件的凝固方式（掌握）： 逐层凝固（定向凝固）逐层凝固（定向凝固） 热流保持一维传导，使凝固界面保持沿逆热流热流保持一维传导，使凝固界面保持沿逆热流 方向推进，完成凝固过程。方向推进，完成凝固过程。 特点：特点：结晶温度范围窄，断面温度梯度大结晶温度范围窄，断面温度梯度大。（。（纯金属，共晶纯金属，共晶 合金合金） 随着温度的下降，固相层不断加厚，液相层不断减少，直达随着温度的下降，固相层不断加厚，

6、液相层不断减少，直达 铸件的中心。铸件的中心。 12材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 铸件的凝固方式（掌握）：铸件的凝固方式（掌握）： 糊状凝固（体积凝固）糊状凝固（体积凝固） 凝固区域是在整个液相中进行；凝固区域是在整个液相中进行； 特点：常见于具有特点：常见于具有较大凝固温度范围的固溶较大凝固温度范围的固溶 体型合金体型合金的凝固过程；的凝固过程； 铸件表面不存在固体层，铸件表面不存在固体层，液、固并存液、固并存的凝固区贯穿整个断面。的凝固区贯穿整个断面。 13材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 铸件的凝固方式（掌握）：

7、铸件的凝固方式（掌握）： 中间凝固中间凝固 逐层凝固和糊状凝固属于两种极端情况，逐层凝固和糊状凝固属于两种极端情况， 如果凝固区域的宽度如果凝固区域的宽度介于两者之间介于两者之间，属于，属于 中间凝固方式；中间凝固方式； 凝固区域的宽度由凝固区域的宽度由合金结晶温度范围合金结晶温度范围和和温度梯度温度梯度两个量决定。两个量决定。 14材料成型技术基础材料成型技术基础 1.1液态金属的凝固液态金属的凝固 影响铸件凝固方式的因素：（理解）影响铸件凝固方式的因素：（理解） （1）合金的结晶温度范围；）合金的结晶温度范围； 范围越小范围越小，凝固区域越窄，越，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固倾向于逐层凝

8、固。 （2）铸件断面的温度梯度。）铸件断面的温度梯度。 温度梯度由小变大，则对应的凝固区由宽变窄温度梯度由小变大，则对应的凝固区由宽变窄 温度梯度主要取决于：温度梯度主要取决于： a . 合金的性质合金的性质 b. 铸型的蓄热能力铸型的蓄热能力 c. 浇注温度浇注温度 15材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 液态合金的液态合金的铸造性能铸造性能是指在铸造过程中，获得形状完整、是指在铸造过程中，获得形状完整、 内部质量良好的铸件的能力。内部质量良好的铸件的能力。 它它包括包括：合金的：合金的流动性；流动性； 收缩性；收缩性； 吸气性吸气性等。（了解）等。

9、（了解） 它是选择铸造材料，确定铸件铸造工艺方案以及进行铸件它是选择铸造材料，确定铸件铸造工艺方案以及进行铸件 结构设计的依据。结构设计的依据。 16材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 合金的流动性合金的流动性 液态金属本身的流动能力。液态金属本身的流动能力。 充型能力充型能力液态金属充满液态金属充满 铸型型腔，铸型型腔， 获得尺寸精确，获得尺寸精确， 轮廓清晰轮廓清晰 的成形件的能力。的成形件的能力。 合金的流动性是反映充型合金的流动性是反映充型 能力的能力的 内因。内因。 17材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造

10、性能 影响充型能力的因素：（了解）影响充型能力的因素：（了解） 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。 18材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 影响合金流动性的因素：影响合金流动性的因素： （了解）（了解） （1）合金的种类）合金的种类 （2）合金的成分）合金的成分 （3）浇注条件）浇注条件 （4） 铸型的充填条件铸型的充填条件 19材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 （3）浇注条件）浇注条件 浇注温度浇注温度 充型压力充型压力 浇注系统结构浇注系统结

11、构 20材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 影响合金流动性的因素：影响合金流动性的因素： （了解）（了解） （1）合金的种类）合金的种类 （2）合金的成分）合金的成分 （3）浇注条件）浇注条件 （4） 铸型的充填条件铸型的充填条件 21材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 （4）铸型的充填条件）铸型的充填条件 铸型的蓄热能力铸型的蓄热能力 表示铸型从熔融合金中吸收并传出热量的能力。表示铸型从熔融合金中吸收并传出热量的能力。 铸型温度铸型温度 铸型中的气体铸型中的气体 铸型结构铸型结构 22材料成型技术基础材料成型

12、技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 合金的收缩性（掌握）合金的收缩性（掌握） 铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其 体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。 收缩是合金的物理本性，在铸造过程中，因收缩可能收缩是合金的物理本性，在铸造过程中，因收缩可能 会导致铸件产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等缺会导致铸件产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等缺 陷。陷。 23材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 24材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液

13、态合金的铸造性能 25材料成型技术基础材料成型技术基础 液态收缩液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收金属在液态时由于温度降低而发生的体积收 缩。缩。 凝固收缩凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。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液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松缩孔和缩松的基本原的基本原 因。因。 固态收缩固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积收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，缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸是铸 造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因造应力、变形和裂纹等缺

14、陷产生的基本原因。（理解）。（理解） 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 26材料成型技术基础材料成型技术基础 影响收缩的因素（了解）影响收缩的因素（了解） (1 1)化学成分化学成分 收缩率：铸钢灰铸铁。灰铸铁中因为结晶时析出石墨导致体积膨收缩率：铸钢灰铸铁。灰铸铁中因为结晶时析出石墨导致体积膨 胀，抵消了合金的部分收缩。胀，抵消了合金的部分收缩。 (2 2)浇注温度浇注温度 浇注温度越高，合金总收缩率越大，形成缩孔倾向越大。浇注温度越高，合金总收缩率越大，形成缩孔倾向越大。 (3 3)铸件结构和铸型条件铸件结构和铸型条件 铸件在铸型中的冷凝过程是铸件在铸型中的冷凝过程是受阻收缩受阻

15、收缩的过程；的过程； 铸件在冷却时，铸型（芯）阻碍了收缩，实际收缩量小于自由收缩铸件在冷却时，铸型（芯）阻碍了收缩，实际收缩量小于自由收缩 量；量； 铸件铸件越复杂越复杂，铸型（芯）强度，铸型（芯）强度越高越高，收缩差别，收缩差别越大越大。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 27材料成型技术基础材料成型技术基础 缩孔和缩松缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往 在铸件最后凝固的部位出现空洞，在铸件最后凝固的部位出现空洞，容积大而集中的孔洞为缩容积大而集中的孔洞为缩 孔，细小而分散的孔洞为缩松。（了解）孔，细

16、小而分散的孔洞为缩松。（了解） 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 28材料成型技术基础材料成型技术基础 缩孔的形成缩孔的形成: : （理解）（理解） 纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，容易形成集中纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，容易形成集中 的缩孔。的缩孔。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 29材料成型技术基础材料成型技术基础 缩松的形成缩松的形成: : （理解）（理解） 铸件最后凝固的铸件最后凝固的收缩未能得到补足收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金，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，枝呈糊状凝固，凝固区

17、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晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩小液体区难以得到补缩，从而形成缩松。，从而形成缩松。 缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止: (: (理解理解) ) 原理原理顺序凝固原则顺序凝固原则 即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口 处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道。处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 30材料成型技术基础材料成型技术基础 缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止: (: (理解理解) ) 合理应用合

18、理应用冒口冒口、冷铁冷铁和和补贴补贴等工艺措施。等工艺措施。 冒口：冒口：在铸件厚壁处和热节部位设置冒在铸件厚壁处和热节部位设置冒 口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。 冒口的尺寸应保证冒口比铸件被补缩部冒口的尺寸应保证冒口比铸件被补缩部 位凝固的晚，并有足够的金属液供给。位凝固的晚，并有足够的金属液供给。 冷铁：冷铁：由金属材料制成的激冷物称激铁，由金属材料制成的激冷物称激铁， 包括铸铁、钢材、铜等金属材料。将冷铁包括铸铁、钢材、铜等金属材料。将冷铁 放入铸型某一特定部位，用以加速铸件某放入铸型某一特定部位，用以加速铸件某 局部热节的冷却，是消除铸件中缩孔和缩

19、局部热节的冷却，是消除铸件中缩孔和缩 松的有效措施。松的有效措施。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 31材料成型技术基础材料成型技术基础 缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止: (: (理解理解) ) 合理应用合理应用冒口冒口、冷铁冷铁和和补贴补贴等工艺措施。等工艺措施。 补贴：补贴：对于板件和壁后均匀的薄壁件，对于板件和壁后均匀的薄壁件， 由于冒口的有效补缩距离所限，往往由于冒口的有效补缩距离所限，往往 在铸铁的内部仍产生缩孔和缩松。若在铸铁的内部仍产生缩孔和缩松。若 在铸件壁上部靠近冒口处增加一个在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔楔 形厚度，使铸件壁厚变成朝冒口铸件形厚度，使铸件壁厚

20、变成朝冒口铸件 增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐 递增的温度梯度。所增加的楔形部分，递增的温度梯度。所增加的楔形部分， 称为称为“补贴补贴”。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 32材料成型技术基础材料成型技术基础 铸造应力、变形与裂纹铸造应力、变形与裂纹: : 铸件在凝固之后的继续冷却过程中，随温度的不断降低，铸件在凝固之后的继续冷却过程中，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，称为生应力，称为铸造应力铸造应力，这种缺陷的产生，将严重影响铸，这种缺陷的产生，将

21、严重影响铸 件的质量。（了解）件的质量。（了解） 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 33材料成型技术基础材料成型技术基础 铸造应力：（了解）铸造应力：（了解） 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 34材料成型技术基础材料成型技术基础 铸 造 应 力 热应力热应力 相变应力相变应力 收缩应力收缩应力 铸件在冷却过程中会产生固态相 变，由于铸件各部分冷却速度不 同，导致相变不同时发生，则会 产生相变应力。 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。 铸件在凝固和冷却过程中，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。 铸件铸出

22、后存在于铸件不同部位的内应力称为铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残余应力残余应力。 热应力的形成过程热应力的形成过程: : 热应力是铸件的热应力是铸件的厚壁或心部受拉伸厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩薄壁或表层受压缩。铸件的壁。铸件的壁 厚差别越大，合金的线收缩率越高，热应力越大。热应力的预防是厚差别越大，合金的线收缩率越高，热应力越大。热应力的预防是 尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀地冷却，如在厚大处防尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀地冷却，如在厚大处防 止冷铁、提高浇注温度、铸件的壁厚均匀等。止冷铁、提高浇注温度、铸件的壁厚均匀等。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的

23、铸造性能 35材料成型技术基础材料成型技术基础 减少和消除铸造内应力的措施减少和消除铸造内应力的措施: :（了解）（了解） （1 1）合理设计铸件结构）合理设计铸件结构 （2 2）合理选用合金）合理选用合金 （3 3）采用同时凝固的工艺）采用同时凝固的工艺 （4 4）减少收缩应力）减少收缩应力 （5 5）对铸件进行时效处理）对铸件进行时效处理 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 36材料成型技术基础材料成型技术基础 铸件的变形铸件的变形: : 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 37材料成型技术基础材料成型技术基础 结论：结论： 铸件的变形使铸件精度降低，铸件的变形使铸件精度降

24、低， 甚至报废，必须予以防止。甚至报废，必须予以防止。 铸件的变形是由铸造应力引铸件的变形是由铸造应力引 起的。起的。 铸件的裂纹铸件的裂纹: : 裂纹裂纹当铸造应力大到一定程度，超过金属的强度极限时，当铸造应力大到一定程度，超过金属的强度极限时， 铸件便将产生裂纹。是严重的铸造缺陷，必须防止。铸件便将产生裂纹。是严重的铸造缺陷，必须防止。 按裂纹形成的温度范围分为按裂纹形成的温度范围分为热裂热裂和和冷裂冷裂。（了解）。（了解） 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 38材料成型技术基础材料成型技术基础 铸件的裂纹铸件的裂纹: : 热裂热裂铸件在合金凝固末期的高温下形成的。外观形状曲铸件

25、在合金凝固末期的高温下形成的。外观形状曲 折而不规则，裂口表面呈氧化色，裂口沿晶粒边界通过。折而不规则，裂口表面呈氧化色，裂口沿晶粒边界通过。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 39材料成型技术基础材料成型技术基础 铸件的裂纹铸件的裂纹: : 冷裂冷裂铸件在低温下形成的裂纹。外观形状呈连续直线铸件在低温下形成的裂纹。外观形状呈连续直线 状或圆滑曲线，而且常是穿过晶粒；裂口干静，具有金属状或圆滑曲线，而且常是穿过晶粒；裂口干静，具有金属 的光泽或呈轻微氧化色。的光泽或呈轻微氧化色。常出现在铸件受拉应力的部位。常出现在铸件受拉应力的部位。 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 40

26、材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 合金的吸气性（了解）合金的吸气性（了解） 在冶炼和浇注时吸收气体的性能。在冶炼和浇注时吸收气体的性能。 一般液态金属在高温下会吸收大量气体，若凝固过程一般液态金属在高温下会吸收大量气体，若凝固过程 不能逸出，在会使铸件内部形成不能逸出，在会使铸件内部形成气孔气孔缺陷。缺陷。 气孔可分为：气孔可分为：侵入气孔侵入气孔 析出气孔析出气孔 反应气孔反应气孔 41材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 合金的吸气性合金的吸气性 侵入气孔侵入气孔 产生原因：产生原因：在浇注时，由于在高温的

27、作用下，水分汽化、有在浇注时，由于在高温的作用下，水分汽化、有 机附加物的燃烧产生的气体，同时这些气体不能及时排出而卷机附加物的燃烧产生的气体，同时这些气体不能及时排出而卷 入金属液中。入金属液中。 主要特征：主要特征：位于在铸件上表面和型腔表面附近位于在铸件上表面和型腔表面附近； 呈光滑梨形或椭圆形呈光滑梨形或椭圆形的大孔洞。的大孔洞。 防止措施：防止措施：尽量降低型尽量降低型( (芯芯) )砂的水份和其他有机物；砂的水份和其他有机物； 增强砂型增强砂型( (芯芯) )的排气能力；的排气能力； 合理设计浇冒口系统（以便于排气）。合理设计浇冒口系统（以便于排气）。 42材料成型技术基础材料成型

28、技术基础 1.2液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 合金的吸气性合金的吸气性 析出气孔析出气孔 产生原因：产生原因：在冶炼和浇注时，溶解在金属液中的气体，随在冶炼和浇注时，溶解在金属液中的气体，随 温度的下降，溶解度减小，必然从金属液中逸出。温度的下降，溶解度减小，必然从金属液中逸出。 主要特征：主要特征：体积小，分布广体积小，分布广，在铸件截面上。，在铸件截面上。 防止措施：严格控制炉料质量：含水、氧化物和油污；防止措施：严格控制炉料质量：含水、氧化物和油污； 控制铸造工艺：加覆盖剂，尽量缩短熔炼时间；控制铸造工艺：加覆盖剂，尽量缩短熔炼时间； 43材料成型技术基础材料成型技术基础 1.2

29、液态合金的铸造性能液态合金的铸造性能 合金的吸气性合金的吸气性 反应气孔反应气孔 产生原因：产生原因：化学反应的化学反应的 附加物。附加物。 主要特征：主要特征：数量多而尺寸较小数量多而尺寸较小(孔径一般为孔径一般为13mm)； 大多数产生于铸件表皮下大多数产生于铸件表皮下13mm处；处； 形状多呈针状或球状。形状多呈针状或球状。 防止措施：防止措施：控制型砂的水分；控制型砂的水分； 控制合金液的合气量；控制合金液的合气量； 保证冷铁、芯撑干燥，无锈、无油污等。保证冷铁、芯撑干燥，无锈、无油污等。 44材料成型技术基础材料成型技术基础 1.3铸件质量与检验铸件质量与检验 铸件的质量（了解）铸件的质量（了解） 外观质量外观质量 铸件的表面粗糙度，表面质量，尺寸公差，形位公差，铸件的表面粗糙度，表面质量，尺寸公差，形位公差， 质量