第二章 合金铸造性能

1、基本知识基本知识铸造特点及合金铸造性能铸造特点及合金铸造性能合金的充型能力及影响因素合金的充型能力及影响因素合金的收缩及影响因素合金的收缩及影响因素铸造特点及合金铸造性能铸造特点及合金铸造性能1 1 、基本概念、基本概念 熔炼金属，制造铸型，并将熔融熔炼金属，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和性能铸件的成形方法称为铸造铸造。 铸造是机械制造中生产机器零件或铸造是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。毛坯的主要方法之一。 机床、内燃机中铸件机床、内燃机中铸件707080%80%； 农业机械农业机械404070%70%

2、。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铸造成型铸造成型优优 点点2 、铸造特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铸造成形零件内部组织的均匀性、铸造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铸造成形零

3、件易出现缩孔、缩松、铸造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，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低同类材料的塑性成形低铸造成型铸造成型缺缺 点点3 3、合金的铸造性能、合金的铸造性能 合金的铸造性能合金的铸造性能主要是指合金的充主要是指合金的充型能力与合金的收缩等。型能力与合金的收缩等。 铸造的缺陷铸造的缺陷, ,如如浇不足、缩孔、浇不足、缩孔、缩松缩松、铸造应力、变形、裂纹铸造应力、变形、裂纹等都

4、等都与合金的铸造性能有关。与合金的铸造性能有关。铸造缺陷照片铸造缺陷照片合金的充型能力合金的充型能力及及影响因素影响因素 1 1、熔融合金的充型能力、熔融合金的充型能力 这里有二个基本概念即这里有二个基本概念即充型充型与与充型能力充型能力。 熔化合金填充铸型的过程熔化合金填充铸型的过程, ,简称简称充型充型。 熔融合金充满铸型型腔熔融合金充满铸型型腔, ,获得形状完整获得形状完整, ,轮廓清晰铸件的能力轮廓清晰铸件的能力, ,称合金的称合金的充型能力充型能力。2 2、影响合金充型能力的主要因素、影响合金充型能力的主要因素 (1)(1)流动性流动性 流动性指熔融金属的流动能力流动性指熔融金属的流

5、动能力, ,它是影它是影响充型能力的主要因素之一。响充型能力的主要因素之一。 (2)(2)浇注条件浇注条件 指的是指的是浇注温度浇注温度与与充型的压力充型的压力。 (3)(3)铸型条件铸型条件 熔融合金充型时，铸型的熔融合金充型时，铸型的阻力阻力及铸型对及铸型对合金的合金的冷却作用冷却作用都将影响合金的充型能力。都将影响合金的充型能力。（1 1）流动性）流动性 影响合金流动性的因素主要有：影响合金流动性的因素主要有：1 1、合金的种类、合金的种类 合金的流动性与合金的合金的流动性与合金的熔点、热导率、熔点、热导率、粘度粘度等物理性能有关。等物理性能有关。 铸钢熔点高，在铸型中散热快、凝固铸钢熔

6、点高，在铸型中散热快、凝固快，则流动性差。快，则流动性差。2 2、合金的成分、合金的成分 1 1）纯金属纯金属和和共晶合金共晶合金是在恒温下进行是在恒温下进行结晶，结晶时从表面向中心结晶，结晶时从表面向中心逐层凝固逐层凝固，流动性好。流动性好。 特别是特别是共晶合金共晶合金，熔点最低，其流动，熔点最低，其流动性最好。性最好。 2 2）亚共晶合金亚共晶合金在一定在一定温度范围温度范围内结晶，内结晶，其结晶过程是在铸件截面上一定的宽其结晶过程是在铸件截面上一定的宽度区域内同时进行的。在结晶区域中，度区域内同时进行的。在结晶区域中，既有形状复杂的既有形状复杂的枝晶枝晶，又有未结晶的，又有未结晶的液体

7、液体。复杂的枝晶不仅阻碍熔融金属。复杂的枝晶不仅阻碍熔融金属的流动，而且使熔融金属的冷却速度的流动，而且使熔融金属的冷却速度加快，所以流动差。加快，所以流动差。 结晶区间越大，流动性越差结晶区间越大，流动性越差。3 3、杂质、杂质 熔融金属中出现的固态夹杂物，将使熔融金属中出现的固态夹杂物，将使液体的液体的粘度增加粘度增加，合金的流动性下降。，合金的流动性下降。 如灰铁中如灰铁中锰锰和和硫硫，多以，多以MnSMnS（熔点（熔点16501650）的形式悬浮在铁液中，阻碍铁液）的形式悬浮在铁液中，阻碍铁液的流动，使流动性下降。的流动，使流动性下降。4 4、含气量、含气量 熔融金属中的含气量愈少，合

8、金的熔融金属中的含气量愈少，合金的流动性愈好。流动性愈好。 流动性的测定流动性的测定： “ “螺旋形试样螺旋形试样”。流动性愈好，浇出流动性愈好，浇出的试样愈长。的试样愈长。灰铸铁、硅黄铜灰铸铁、硅黄铜最最好，好，铝合金铝合金次之，次之，铸钢最差铸钢最差。（2 2）浇注条件）浇注条件1 1、浇注温度、浇注温度 浇注温度高，液态金属所含的热量多，在浇注温度高，液态金属所含的热量多，在同样冷却条件下，保持液态的时间长，所以同样冷却条件下，保持液态的时间长，所以流动性好。因此，流动性好。因此，提高浇注温度提高浇注温度是改善合金是改善合金充型能力的重要措施。充型能力的重要措施。 但浇注温度过高，会使金

9、属的吸气量和总但浇注温度过高，会使金属的吸气量和总收缩量增大，从而增加铸件其它缺陷的可能收缩量增大，从而增加铸件其它缺陷的可能性（如性（如缩孔、缩松、粘砂、晶粒粗大缩孔、缩松、粘砂、晶粒粗大等）。等）。因此，在保证流动性足够的条件下，浇注温因此，在保证流动性足够的条件下，浇注温度应尽可能低些。度应尽可能低些。控制浇注温度：控制浇注温度： 灰铸铁：灰铸铁：1200120013801380 铸铸 钢：钢：1520152016201620 铝合金：铝合金：6806807807802 2、充型压力、充型压力 压力愈大，充型能力愈好。压力愈大，充型能力愈好。 砂型铸造砂型铸造时，充型压力是由直浇道的静时

10、，充型压力是由直浇道的静压力产生的，适当提高直浇道的高度，可压力产生的，适当提高直浇道的高度，可提高充型能力。提高充型能力。但过高但过高使铸件易产生使铸件易产生砂眼、砂眼、气孔气孔等缺陷。等缺陷。 在在低压铸造、低压铸造、压力铸造压力铸造和和离心铸造离心铸造时，时，因人为加大了充型压力，故充型能力较强。因人为加大了充型压力，故充型能力较强。（3 3）铸型条件）铸型条件 铸型条件影响合金充型能力有以下铸型条件影响合金充型能力有以下四个方面四个方面：1 1、铸型的蓄热能力、铸型的蓄热能力 表示铸型从熔融合金中表示铸型从熔融合金中吸收并传出吸收并传出热热量的能力，铸型材料的量的能力，铸型材料的比热和

11、热导率比热和热导率愈愈大，对熔融金属的的冷却作用愈强，合大，对熔融金属的的冷却作用愈强，合金在型腔中保持流动的时间缩短，合金金在型腔中保持流动的时间缩短，合金的充型能力愈差。的充型能力愈差。2 2、铸型温度、铸型温度 铸型预热铸型预热减小了铸型与熔融金属的温减小了铸型与熔融金属的温度差，减缓了合金的冷却速度，延长了度差，减缓了合金的冷却速度，延长了合金在铸型中的流动时间，则合金充型合金在铸型中的流动时间，则合金充型能力提高。能力提高。3 3、铸型中的气体、铸型中的气体 浇注时因熔融金属在型腔中的浇注时因熔融金属在型腔中的热作用热作用而产而产生大量气体。如果铸型的排气能力差，则型生大量气体。如果

12、铸型的排气能力差，则型腔中气体的压力增大，阻碍熔融金属的充型。腔中气体的压力增大，阻碍熔融金属的充型。铸造时除应尽量减小气体的来源外，应增加铸造时除应尽量减小气体的来源外，应增加铸型的铸型的透气性透气性，并开设，并开设出气口出气口，使型腔及型，使型腔及型砂中的气体顺利排出。砂中的气体顺利排出。4 4、铸件结构的壁厚、铸件结构的壁厚 当铸件当铸件壁厚过小壁厚过小、壁厚急剧变化壁厚急剧变化、结构复杂结构复杂或有或有大的水平面大的水平面时，均会使时，均会使充型困难。充型困难。 在进行铸件结构设计时，铸件的在进行铸件结构设计时，铸件的形状应尽量简单，壁厚应大于规定的形状应尽量简单，壁厚应大于规定的最小

13、壁厚。对于形状复杂、薄壁、散最小壁厚。对于形状复杂、薄壁、散热面大的铸件，应尽量选择流动性好热面大的铸件，应尽量选择流动性好的合金或采取其它相应措施。的合金或采取其它相应措施。合金的收缩及影响因素合金的收缩及影响因素合金的收缩：合金的收缩： 铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺寸减少的现象称为收缩。寸减少的现象称为收缩。）收缩过程及影响因素）收缩过程及影响因素 收缩可分为收缩可分为 液态收缩液态收缩 凝固收缩凝固收缩 固态收缩固态收缩 体收缩体收缩（缩孔、缩松）（缩孔、缩松） 线收缩线收缩（应力、变形、裂纹）（应力、变形、裂纹）收缩过程及影响因素收缩过程及影响因

14、素1 1、收缩过程的三个阶段、收缩过程的三个阶段： 液态收缩、凝固收缩液态收缩、凝固收缩和和固态收缩固态收缩 合金的合金的总收缩总收缩为上述三个阶段收缩之和。它与为上述三个阶段收缩之和。它与合金的成分、温度和相变有关。不同合金收缩合金的成分、温度和相变有关。不同合金收缩率是不同的。率是不同的。2 2、影响收缩的因素、影响收缩的因素 1)1)化学成分化学成分 碳素钢随碳素钢随含碳量含碳量增加，凝固收缩增加，增加，凝固收缩增加，而固态收缩略减。灰铸铁中而固态收缩略减。灰铸铁中碳碳是形成石墨是形成石墨化元素，化元素， 硅硅是促进石墨化元素，是促进石墨化元素，碳硅含量增加碳硅含量增加，收缩率减小。收缩

15、率减小。 硫硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增大。大。 适量的适量的锰锰，可与硫合成，可与硫合成MnSMnS，抵消硫对石，抵消硫对石墨的阻碍作用，使墨的阻碍作用，使收缩率减小收缩率减小。但含锰量。但含锰量过高，铸铁的收缩率又有增加。过高，铸铁的收缩率又有增加。 2)2)浇注温度浇注温度 浇注温度愈高，过热度愈大，浇注温度愈高，过热度愈大，合金的合金的液态收缩液态收缩增加。增加。3 3）铸件结构）铸件结构 铸件冷却时，因形状和尺寸不同，各部铸件冷却时，因形状和尺寸不同，各部分的冷却速度不同，结果对铸件收缩产生分的冷却速度不同，结果对铸件收缩产生阻碍。阻碍。 4 4

16、）铸型）铸型和和型芯对铸件的收缩也产生机型芯对铸件的收缩也产生机械阻力械阻力 铸件的实际线收缩率比自由线收缩率铸件的实际线收缩率比自由线收缩率小。因此设计模样时，应根据合金的种类、小。因此设计模样时，应根据合金的种类、铸件的形状、尺寸等因素，选取适合的收铸件的形状、尺寸等因素，选取适合的收缩率。缩率。缩孔与缩松的形成与防止缩孔与缩松的形成与防止 由于由于液态收缩液态收缩和和凝固收缩凝固收缩所缩减的体积所缩减的体积得不到补充，在铸造件最后凝固部位将形得不到补充，在铸造件最后凝固部位将形成孔洞。成孔洞。 按孔洞的大小和分布可分为按孔洞的大小和分布可分为缩孔缩孔和和缩松缩松。 缩孔是比较集中的孔洞。

17、缩孔是比较集中的孔洞。 缩松是比较分散的孔洞。缩松是比较分散的孔洞。1 1、缩孔、缩孔 缩孔通常隐藏在铸件缩孔通常隐藏在铸件上部上部或或最后凝固最后凝固部位。部位。 缩孔的形成过程。缩孔的形成过程。 液态金属填满铸型后，因铸型吸热，靠近型腔液态金属填满铸型后，因铸型吸热，靠近型腔表面的金属很快降到凝固温度，凝固成一层外表面的金属很快降到凝固温度，凝固成一层外壳，温度下降，合金壳，温度下降，合金逐层凝固逐层凝固，由于液态收缩和，由于液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积缩减，液面下降，补充凝固层的凝固收缩，体积缩减，液面下降，铸件内部出现空隙，直到内部完全凝固，在铸件铸件内部出现空隙，直到内部完全

18、凝固，在铸件上部形成缩孔。上部形成缩孔。 纯金属纯金属或或共晶成分共晶成分的合金易于形成集中缩孔。的合金易于形成集中缩孔。2 2、缩松、缩松 将集中缩孔分散为数量极多的小缩孔。将集中缩孔分散为数量极多的小缩孔。 液一固两相区液一固两相区，形成树枝状结晶。这种凝，形成树枝状结晶。这种凝固方式称固方式称糊状凝固糊状凝固。 枝晶长到一定程度使熔融金属被分离成彼枝晶长到一定程度使熔融金属被分离成彼此孤立的状态，它们继续凝固时也将产生此孤立的状态，它们继续凝固时也将产生收缩，这时铸件中心虽有液体存在，但由收缩，这时铸件中心虽有液体存在，但由于树枝晶的阻碍使之无法补缩，在凝固后于树枝晶的阻碍使之无法补缩，

19、在凝固后形成许多微小的孔洞。这种很细小的孔洞形成许多微小的孔洞。这种很细小的孔洞称为称为疏松疏松。 缩松缩松3 3、缩孔和缩松的防止、缩孔和缩松的防止 按照按照定向凝固定向凝固原则进行凝固，使铸件上从远原则进行凝固，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。的方向定向地凝固。 这样铸件上每一部分的收缩都得到稍后凝固这样铸件上每一部分的收缩都得到稍后凝固部分的合金液的补充，缩孔转移到冒口部位，部分的合金液的补充，缩孔转移到冒口部位，切除后便可得到无缩

20、孔的致密铸件。切除后便可得到无缩孔的致密铸件。 合理地应用合理地应用冒口、冷铁冒口、冷铁和和补贴补贴等工艺措施是等工艺措施是消除消除缩孔、缩松缩孔、缩松的有效措施。的有效措施。铸造应力、铸件的变形铸造应力、铸件的变形与与裂纹裂纹及防止措施及防止措施 铸件收缩时受阻就产生铸件收缩时受阻就产生铸造应力铸造应力当应力超过材料的当应力超过材料的屈服极限屈服极限时，铸时，铸件产生件产生变形变形。 应力超过材料的应力超过材料的抗拉强度抗拉强度时，铸时，铸件就产生件就产生裂纹裂纹。1、铸造应力 按产生的原因不同，可分为按产生的原因不同，可分为热应力、收缩应力热应力、收缩应力 （1 1）热应力）热应力 在凝固

21、和冷却过程中，不同部位由于不均衡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，称的收缩而引起的应力，称热应力热应力。 冷却较慢的冷却较慢的厚壁处或心部厚壁处或心部受拉伸，冷却较快受拉伸，冷却较快的的薄壁处或表面薄壁处或表面受压缩，铸件的壁厚差别愈大、受压缩，铸件的壁厚差别愈大、合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。 定向凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一定向凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件易出现致，产生的热应力较大，铸件易出现变形和裂纹。变形和裂纹。（2 2）收缩应力）收缩应力 固态收缩时，因受固态收缩时，因

22、受铸型、型芯、浇冒口铸型、型芯、浇冒口等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。等外力的阻碍而产生的应力称收缩应力。 一般铸件冷却到弹性状态后，收缩受阻一般铸件冷却到弹性状态后，收缩受阻都会产生收缩应力。都会产生收缩应力。 收缩应力常表现为收缩应力常表现为拉应力拉应力。形成原因一。形成原因一经消除（如铸件落砂或去除浇口后）收缩经消除（如铸件落砂或去除浇口后）收缩应力也随之消之，因此收缩应力是一种临应力也随之消之，因此收缩应力是一种临时应力。但在落砂前，如果铸件的收缩应时应力。但在落砂前，如果铸件的收缩应力和热应力共同作用其瞬间应力大于铸件力和热应力共同作用其瞬间应力大于铸件的抗拉强度时，铸件会产生裂

23、纹。的抗拉强度时，铸件会产生裂纹。铸造应力2 2、减小和消除铸造应力的措施、减小和消除铸造应力的措施（1 1）合理地设计铸件的结构）合理地设计铸件的结构 铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、形状简单、对称、壁厚均匀壁厚均匀。（2 2）采用同时凝固的工艺）采用同时凝固的工艺 所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使所谓同时凝固是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。因铸件各部分温差很小，几乎同时进

24、行凝固。因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。设法改善铸型、型芯的退让性，合理变形小。设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口等。设置浇冒口等。 该工艺是在工件厚壁处加冷铁，冒口设薄壁该工艺是在工件厚壁处加冷铁，冒口设薄壁处。处。（3 3）时效处理是消除铸造应力的有效措施）时效处理是消除铸造应力的有效措施 时效分时效分自然时效、热时效自然时效、热时效和和振动时效振动时效等。等。自然时效：自然时效： 将铸件置于露天场地半年以上，让其内将铸件置于露天场地半年以上，让其内应力消除。应力消除。热时效热时效（人工时效人工时效）： 又称去应力退火，是将

25、铸件加热到又称去应力退火，是将铸件加热到550550650650，保温，保温2 24h4h，随炉冷却至，随炉冷却至150150200 200 ，然后出炉。，然后出炉。振动法：振动法： 将铸件在其共振频率下震动将铸件在其共振频率下震动101060min60min，以消除铸件中的残留应力。以消除铸件中的残留应力。3 3、铸件的变形与防止、铸件的变形与防止在热应力的作用下，铸件在热应力的作用下，铸件薄的部分薄的部分受受压应力压应力, ,厚的部分厚的部分受受拉应力拉应力，但铸件总是，但铸件总是力图通过力图通过变形变形来减缓其内应力。来减缓其内应力。 因此，铸件常发生不同程度的变形。因此，铸件常发生不同

26、程度的变形。铸件的变形使铸件精度降低，严重时可铸件的变形使铸件精度降低，严重时可以使铸件报废，应予防止。以使铸件报废，应予防止。 因铸件变形是由铸造应力引起，减小因铸件变形是由铸造应力引起，减小和防止铸造应力的办法，是防止铸件变和防止铸造应力的办法，是防止铸件变形的有效措施。形的有效措施。防止变形的措施：防止变形的措施：结构上：结构上：壁厚均匀，形状对称；壁厚均匀，形状对称；工艺上：工艺上：同时凝固，冷却均匀；同时凝固，冷却均匀；“反变形法反变形法”：统计铸件变形规律：统计铸件变形规律基础上，在模型上预先作出相当于基础上，在模型上预先作出相当于铸件变形量的铸件变形量的反变形量反变形量，以，以抵消铸抵消铸件的变形件的变形。用于长而易变形的工件。用于长而易变形的工件。4 4、铸件的裂纹与防止、铸件的裂纹与防止当铸造内应力超过金属的当铸造内应力超过金属的强度极限强度极限时，铸件便产生裂纹。时，铸件便产生裂纹。 裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。防止。 裂纹按形成的温度范围分为裂纹按形成的温