第二章铸造工艺

1、第二章 液态材料的成型 铸造工艺 金属的成形方法：金属的成形方法：铸造、压力加工、切削加工、铸造、压力加工、切削加工、 焊接和粉末冶金焊接和粉末冶金五大类。五大类。 铸造铸造：指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型， 凝固后获得一定形状、尺寸和性能的零件毛坯的成形方法。凝固后获得一定形状、尺寸和性能的零件毛坯的成形方法。 特点：特点：成本低，适用性广等。成本低，适用性广等。缺点是公差较大，易产生内缺点是公差较大，易产生内 部缺陷等。部缺陷等。 商商. .三羊尊（盛酒器）三羊尊（盛酒器） 鸟兽纹觥鸟兽纹觥gonggong盛酒器盛酒器 二、铸造的分类

2、二、铸造的分类 铸造铸造 第二节第二节 铸造工艺的工艺特点铸造工艺的工艺特点 铸造性能铸造性能（Castability）:合金在铸造生产中所表现出来合金在铸造生产中所表现出来 的性能，包括的性能，包括合金的流动性、收缩性合金的流动性、收缩性等。等。 铸造性能好是指，熔化时合金不易氧化，溶液不易吸气，铸造性能好是指，熔化时合金不易氧化，溶液不易吸气， 浇注时熔液易充满型腔，凝固时铸件收缩小，且化学成浇注时熔液易充满型腔，凝固时铸件收缩小，且化学成 分均匀，冷却时铸件变形和开裂倾向小。分均匀，冷却时铸件变形和开裂倾向小。 一、液态金属的充型能力一、液态金属的充型能力(mo1d filling ca

3、pacity) 液态金属充满铸型型腔、获得形状完整、轮廓液态金属充满铸型型腔、获得形状完整、轮廓 清晰的铸件的能力，叫做液态金属的充型能力。清晰的铸件的能力，叫做液态金属的充型能力。 1.合金的流动性合金的流动性（fluidity） 流动性：流动性：熔融金属本身的流动能力。熔融金属本身的流动能力。 试验方法：试验方法：螺旋形试样法，是以螺旋螺旋形试样法，是以螺旋 形流动试样的长度来衡量。试样越长，形流动试样的长度来衡量。试样越长， 流动性越好流动性越好。 *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

4、下面两种合金流动性能比较下面两种合金流动性能 2.流动性对铸件质量的影响流动性对铸件质量的影响 3.影响合金流动性的因素影响合金流动性的因素 （1）化学成分）化学成分 纯金属、共晶合金流动性好纯金属、共晶合金流动性好（恒温下结晶）。（恒温下结晶）。 亚、过共晶合金流动性差亚、过共晶合金流动性差（在一定温度范围内结晶）。（在一定温度范围内结晶）。 改善金属改善金属 的流动性的流动性 加快凝固中液体的补缩加快凝固中液体的补缩 排除内部夹杂物和气体排除内部夹杂物和气体 形成薄壁复杂的铸件形成薄壁复杂的铸件 有利于有利于 （2）充型条件）充型条件 充型条件好，流动性好充型条件好，流动性好。如直浇口高，

5、压力大，流动。如直浇口高，压力大，流动 性提高；铸型光滑，流动性提高。性提高；铸型光滑，流动性提高。 2、浇铸（、浇铸（pouring ）条件对充型能力的影响）条件对充型能力的影响 a 浇注温度浇注温度 提高浇注温度，提高浇注温度， 流速加快；流速加快；使铸型温度升高，使铸型温度升高， 金属散热速度变慢金属散热速度变慢 但浇注温度过高，容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。但浇注温度过高，容易产生粘砂、缩孔、气孔、粗晶等缺陷。 保证足够充型能力的前提下，浇注温度应尽量降低。保证足够充型能力的前提下，浇注温度应尽量降低。 b充型压力充型压力 如压铸、提高直浇口高度如压铸、提高直浇口高度 c浇注系

6、统浇注系统 结构越复杂，则流动阻力越大，充性能力越差结构越复杂，则流动阻力越大，充性能力越差 3、铸型条件对充型能力的影响、铸型条件对充型能力的影响 为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚不小于规为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚不小于规 定的定的“最小壁厚最小壁厚”(见表见表2-2)，在铸造工艺上也要采取相应的措施。，在铸造工艺上也要采取相应的措施。 二、合金的凝固特性二、合金的凝固特性 三种凝固方式三种凝固方式 逐层凝固逐层凝固 中间凝固中间凝固 体积凝固体积凝固 影响凝固方式的主要因素：影响凝固方式的主要因素： a 合金的结晶温度范围（取决于合金成分）合金的结晶温

7、度范围（取决于合金成分）(范围范围 越小越趋于逐层凝固越小越趋于逐层凝固)，如纯金属和共晶合金。，如纯金属和共晶合金。 b 铸件的温度梯度铸件的温度梯度 （梯度越大越趋于逐层凝固）（梯度越大越趋于逐层凝固） 凝固方式对铸件质量影响：通常，逐层凝固时，合凝固方式对铸件质量影响：通常，逐层凝固时，合 金的充型能力强，产生冷隔、浇不足、缩孔、编析、金的充型能力强，产生冷隔、浇不足、缩孔、编析、 热裂等缺陷的倾向小。热裂等缺陷的倾向小。 定义：定义：指液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减指液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减 少的现象。少的现象。 分类分类 液态收缩：液态收缩：产生缩孔、缩松产

8、生缩孔、缩松 凝固收缩：凝固收缩：产生缩孔、缩松产生缩孔、缩松 固态收缩：固态收缩：产生内应力以致裂纹和变形产生内应力以致裂纹和变形 铸件温度降低铸件温度降低 浇注温度浇注温度 室温室温 凝固终止温度凝固终止温度 开始凝固温度开始凝固温度 液态收缩液态收缩 凝固收缩凝固收缩 固态收缩固态收缩 体积收缩 体积收缩 线收缩线收缩 三、合金的收缩性三、合金的收缩性（contractility） 液面下降液面下降 4. 收缩性对铸件质量的影响收缩性对铸件质量的影响 u收缩率收缩率：尺寸愈精确、组织愈致密。尺寸愈精确、组织愈致密。 u收缩率收缩率：易产生铸造缺陷易产生铸造缺陷-缩孔和缩松、铸造应力、缩孔

9、和缩松、铸造应力、 变形和裂纹。变形和裂纹。 3.影响收缩的因素影响收缩的因素 p化学成分：化学成分：不同化学成分的合金，收缩率不同。不同化学成分的合金，收缩率不同。如铸如铸 件中碳、硅量件中碳、硅量，锰、硫量，锰、硫量，收缩收缩 。 p浇注温度：浇注温度：浇注温度浇注温度，液态收缩率，液态收缩率。 p铸件结构和铸型条件：铸件结构和铸型条件：型腔形状复杂或铸件结构设型腔形状复杂或铸件结构设 计不合理，铸型材料的退让性差，铸件会因收缩受阻计不合理，铸型材料的退让性差，铸件会因收缩受阻 铸造应力铸造应力 裂纹。裂纹。 （1）缩孔和缩松）缩孔和缩松（Shrinkage Cavity and Poro

10、sity） n缩孔：缩孔：铸件在凝固过程中，由于补缩不良产生的孔洞铸件在凝固过程中，由于补缩不良产生的孔洞 常出现的部位：常出现的部位：铸件上部或最后凝固的部位。铸件上部或最后凝固的部位。 外形特征外形特征：倒锥形，内表面不光滑。倒锥形，内表面不光滑。 产生原因产生原因先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区 域收缩所缩减的容积得不到补充。域收缩所缩减的容积得不到补充。 n缩松：缩松：指铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。指铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。 常出现的部位：常出现的部位：铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近 外形

11、特征外形特征：细小的空洞。细小的空洞。 产生原因：产生原因：凝固过程中有较宽的体积凝固两相并存的区域。凝固过程中有较宽的体积凝固两相并存的区域。 形成形状不一的分散性孔洞即缩松。形成形状不一的分散性孔洞即缩松。 缩孔与缩松的防止缩孔与缩松的防止 方法方法：使铸件实现顺序凝固：使铸件实现顺序凝固 主要措施：主要措施：”。 定向凝固定向凝固：使铸件上远离冒口的部位最先凝固，而使铸件上远离冒口的部位最先凝固，而 后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。 冒口冒口（riser）：在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空在铸型内储存供补缩铸件用熔融金属的空 腔。如

12、图所示。腔。如图所示。作用作用是是 冷铁冷铁（chill）：）： 冒口、冷铁共用法冒口、冷铁共用法 （2）铸造应力）铸造应力（casting stress） 在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。 热应力形成规律：热应力形成规律：铸件的厚壁或心部受拉应力，薄壁铸件的厚壁或心部受拉应力，薄壁 或表层受压应力。或表层受压应力。 铸造应力铸造应力 相变应力相变应力 热应力热应力 机械应力机械应力 减小应力的措施减小应力的措施 同时凝固原则同时凝固原则。 去应力退火：去应力退火：加热到加热到550650之之 间保温，可消除残余内应力。间保温，可消除残余内应力。 （3）

13、变形和裂纹）变形和裂纹（deformation and crack） 变形变形：指铸件的尺寸与图样不符的现象。指铸件的尺寸与图样不符的现象。 规律规律：厚大受拉易内凹；薄外受压易外凸。厚大受拉易内凹；薄外受压易外凸。 变形的防止与消除变形的防止与消除 l壁厚设计均匀、形状对称；壁厚设计均匀、形状对称； l铸造工艺上用铸造工艺上用“同时凝固原则同时凝固原则”； 热裂热裂：是铸件在高温下形成的裂缝是铸件在高温下形成的裂缝。 特征特征：。 冷裂冷裂：低温形成的裂纹为冷裂。低温形成的裂纹为冷裂。 特征特征：外形呈连续直线状或圆滑曲线状，断口具有金属外形呈连续直线状或圆滑曲线状，断口具有金属 光泽光泽

14、方法：方法：除降低内应力外，还应控制钢铁中除降低内应力外，还应控制钢铁中P的含量。的含量。 当铸造应力超过材料的强度极限时，逐渐会产生裂纹。当铸造应力超过材料的强度极限时，逐渐会产生裂纹。 分类：分类：根据产生温度的不同，分为根据产生温度的不同，分为热裂热裂和和冷裂冷裂。 l细长易变形件运用细长易变形件运用“反变形法反变形法”； l重要件人工时效（重要件人工时效（550650去应力退火）加自然时效去应力退火）加自然时效。 注意：注意：时效处理应在粗加工后进行时效处理应在粗加工后进行 。 裂纹的防止与消除裂纹的防止与消除 第三节第三节 砂型铸造砂型铸造 型（芯）砂通常由石英砂、粘土（或其它粘型（

15、芯）砂通常由石英砂、粘土（或其它粘 结材料）和水按一定的比例混制而成的。型结材料）和水按一定的比例混制而成的。型 （芯）砂要具有（芯）砂要具有“一强三性一强三性” ，即一定的强即一定的强 度、透气性、耐火性和退让性度、透气性、耐火性和退让性。 砂型铸造的特点砂型铸造的特点 应用：应用：机床床身、轧钢机机器、混速器箱体、机床床身、轧钢机机器、混速器箱体、 带轮等一般铸件常用砂型铸造。带轮等一般铸件常用砂型铸造。 一 、砂型铸造工艺过程 二、铸件结构工艺性二、铸件结构工艺性（manufacturability of Casting Structure） 定义定义：指所设计的零件在满足使用要求的前提

16、下，铸造成指所设计的零件在满足使用要求的前提下，铸造成 形的可行性和经济性。形的可行性和经济性。 1.铸造工艺对铸件结构设计的要求铸造工艺对铸件结构设计的要求 （1）外形尽可能）外形尽可能 简单简单 尽量使分型面少且平尽量使分型面少且平 总的原则：总的原则：保证质量、降低成本、条件可能。保证质量、降低成本、条件可能。 指铸型的分割或装配指铸型的分割或装配 面面 整模造型整模造型 返回返回 分模造型分模造型 返回返回 活块造型活块造型 返回返回 举例举例 确定零件的分型面确定零件的分型面 外形力求简单、平直外形力求简单、平直 起重臂起重臂 避免活块和凸台避免活块和凸台 （2）内腔设计）内腔设计

17、尽量减少型芯尽量减少型芯 轴承支架轴承支架 有利于砂芯的固定和排气有利于砂芯的固定和排气 轴承架轴承架 增设工艺孔增设工艺孔 （3）铸件要有结构斜度）铸件要有结构斜度 2. 铸件结构应利于避免产生铸件缺陷铸件结构应利于避免产生铸件缺陷 （1）铸件的壁厚）铸件的壁厚 1）铸件壁厚应合理。）铸件壁厚应合理。 最小壁厚：最小壁厚：在各种工艺条下，铸造合金能充满型腔的最小在各种工艺条下，铸造合金能充满型腔的最小 厚度。主要取决于合金的种类、铸件的大小及形状等因素。厚度。主要取决于合金的种类、铸件的大小及形状等因素。 临界壁厚：临界壁厚：各种铸造合金都存在一个临界壁厚，在砂型铸各种铸造合金都存在一个临界

18、壁厚，在砂型铸 造条件下，各种铸造合金临界壁厚约等于其最小壁厚的造条件下，各种铸造合金临界壁厚约等于其最小壁厚的3倍。倍。 缺陷分析：缺陷分析：如果所设计铸件的壁厚太小，铸件就易产生浇如果所设计铸件的壁厚太小，铸件就易产生浇 不足、冷隔等缺陷；在铸造厚壁铸件时，容易产生缩孔、不足、冷隔等缺陷；在铸造厚壁铸件时，容易产生缩孔、 缩缩 松、结晶组织粗大等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。松、结晶组织粗大等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。 结论：铸件壁厚介于临界壁厚和最小壁厚之间结论：铸件壁厚介于临界壁厚和最小壁厚之间 2）铸件壁厚应均匀）铸件壁厚应均匀 缺陷分析缺陷分析：铸件如果壁厚过大会出现集中的

19、缩孔：铸件如果壁厚过大会出现集中的缩孔 （2）壁的连接）壁的连接 1）应有结构圆角，避免热节形成；改善应力分布）应有结构圆角，避免热节形成；改善应力分布 2）应避免交叉、锐角接头）应避免交叉、锐角接头 缺陷分析缺陷分析：锐角连接处易出现热应力，并会导致锐角连接处易出现热应力，并会导致 应力集中，从而产生裂纹、缩孔等缺陷。应力集中，从而产生裂纹、缩孔等缺陷。 3）不同壁厚连接应逐渐过渡）不同壁厚连接应逐渐过渡 （3）避免变形和开裂的结构）避免变形和开裂的结构 1）减缓肋、辐收缩的阻碍）减缓肋、辐收缩的阻碍 方案方案a a）的轮辐数为偶数，每条轮辐均与另一条成直线排的轮辐数为偶数，每条轮辐均与另一

20、条成直线排 列。这样，势必使两轮辐的收缩互相牵制、彼此受阻，轮列。这样，势必使两轮辐的收缩互相牵制、彼此受阻，轮 辐内将产生大的铸造应力，会使轮辐产生裂纹。为此，改辐内将产生大的铸造应力，会使轮辐产生裂纹。为此，改 为为方案方案b b）和）和c c）的设计，则可以通过轮辐或轮缘的微量变的设计，则可以通过轮辐或轮缘的微量变 形来减缓轮幅内的铸造应力，以减小产生裂纹的危险。形来减缓轮幅内的铸造应力，以减小产生裂纹的危险。 （a） （b） （c） 2）避免出现过大的水平面）避免出现过大的水平面 缺陷分析缺陷分析：浇注时铸件朝上的水平面易产生气孔、砂浇注时铸件朝上的水平面易产生气孔、砂 眼、夹渣等缺陷

21、。因此，设计铸件时应尽量减小过大的眼、夹渣等缺陷。因此，设计铸件时应尽量减小过大的 水平面或采用倾斜的表面。水平面或采用倾斜的表面。 3）合理设置加强肋）合理设置加强肋 筋的作用筋的作用： 增加铸件的刚度和强度，防止铸件变形。增加铸件的刚度和强度，防止铸件变形。 减小铸件壁厚，防止铸件产生缩孔、裂纹。减小铸件壁厚，防止铸件产生缩孔、裂纹。 加强筋的设计加强筋的设计： 加强筋的厚度适当。加强筋的厚度加强筋的厚度适当。加强筋的厚度 不宜过大不宜过大,一般取为被加强壁厚度的一般取为被加强壁厚度的0.6-0.8。 加强筋布加强筋布 置要合理。置要合理。 铸件壁较厚，容易产生缩孔。将壁厚减薄，采铸件壁较

22、厚，容易产生缩孔。将壁厚减薄，采 用加强筋，可防止以上的缺陷用加强筋，可防止以上的缺陷 。 薄而大的平板，收缩易发生翘曲变形，加上几条薄而大的平板，收缩易发生翘曲变形，加上几条 筋之后便可避免。如下图所示。筋之后便可避免。如下图所示。 第四节第四节 特种铸造特种铸造（special casting ） 定义定义：铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进 行铸造的方法。行铸造的方法。 金属型金属型 铸造铸造 熔模铸造熔模铸造 消失模消失模 铸造铸造 连续铸造连续铸造 离心铸造离心铸造 低压铸造低压铸造 压力铸造压力铸造 常见的特种铸造方法常见的特种铸造方法

23、 一、熔模铸造一、熔模铸造（investment casting） 定义定义：指用易熔材料（如蜡料）制成模样，在模样上涂指用易熔材料（如蜡料）制成模样，在模样上涂 覆若干层耐火材料制成型壳，熔出模样后经高温焙烧，即覆若干层耐火材料制成型壳，熔出模样后经高温焙烧，即 可浇注的铸造方法。又称可浇注的铸造方法。又称失蜡铸造失蜡铸造。 应用应用： 特点：特点： u铸件尺寸精度高，表面光洁；铸件尺寸精度高，表面光洁； u可铸造形状复杂零件；可铸造形状复杂零件； u工艺过程复杂，生产周期长，成本高；工艺过程复杂，生产周期长，成本高； u适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或适于铸造小尺寸的各类合金铸

24、件，特别是少切削或 无切削精密铸件。无切削精密铸件。 u铸件尺寸不能太大，质量一般小于铸件尺寸不能太大，质量一般小于25Kg25Kg。 熔模铸造熔模铸造 二、金属型铸造二、金属型铸造（permanent mold casting） 定义定义：指在重力作用下将金属液浇注入金属铸型获得铸指在重力作用下将金属液浇注入金属铸型获得铸 件的方法。件的方法。 也称也称永久型铸造永久型铸造。 应用范围应用范围：主要用于有色金属件的大批量生产。例如：主要用于有色金属件的大批量生产。例如： 铝活塞、汽缸体等。铝活塞、汽缸体等。 特点：特点： u可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高；可重复使用，生产效率高

25、，劳动条件好，但成本高； u铸件精度高，表面粗糙度较低；铸件精度高，表面粗糙度较低； u金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好；金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好； u不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。 金属型铸造金属型铸造 三、压力铸造三、压力铸造（pressure casting） 定义定义： 应用范围应用范围:目前主要用于大批生产的低熔点合金中小型目前主要用于大批生产的低熔点合金中小型 ( 几克至几克至2030kg) 铸件，应用广泛。铸件，应用广泛。 特点：特点： n浇注时间短，易于机械化、自动化作业；浇注时间短，易于机械化、自动化作业； n铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好； n铸件尺寸精度高，表面光洁；铸件尺寸精度高，表面光洁； n投资大，成本高，生产率高，投资大，成本高，生产率高，。 压力铸造压力