热加工工艺--铸造

1、复旦大学四川大学制造科学与工程学院School of Manufacturing Science and Engineering 四川大学制造科学与工程学院热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛高档高档6缸小轿车的内部结构缸小轿车的内部结构热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛高档高档6缸小轿车的发动机壳体缸小轿车的发动机壳体热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛核电泵壳核电泵壳热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛三峡三峡700MW机组的水轮机转轮体机组的水轮机转轮体热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛风力发电机主轴风力发电机主轴热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛自由锻件自由锻件大型锻件大型锻件热加工工艺热加工工艺楊

2、剛楊剛核电汽轮机半转速转子核电汽轮机半转速转子热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛1100MW核电半速转子核电半速转子热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛焊接机器人及焊件焊接机器人及焊件热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛奥运鸟巢奥运鸟巢奥运鸟巢焊接顺序示意图奥运鸟巢焊接顺序示意图热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛不同规格铝合金不同规格铝合金/不锈钢管高频感应钎焊接头件不锈钢管高频感应钎焊接头件热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛兆瓦级风力发电机主轴兆瓦级风力发电机主轴离心复合大型轧辊离心复合大型轧辊大型柴油机机体铸件大型柴油机机体铸件镁合金管接头镁合金管接头热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛汽车发动机摇臂工作示意图汽车发动机摇臂工作示

3、意图汽车发动机的摇臂镶块汽车发动机的摇臂镶块热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛薄膜生产线上卷芯辊用定位套薄膜生产线上卷芯辊用定位套塑料薄膜生产线塑料薄膜生产线热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛金属液态成形金属液态成形(铸造铸造)（第一篇）（第一篇）金属塑性成形金属塑性成形(锻造锻造)（第二篇）（第二篇）金属连接成形金属连接成形(焊接焊接)（第三篇）（第三篇）热加工工艺热加工工艺热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛课程简介p本课程是研究工程材料和机械制造的基础课程，也是了解机器零件常用材料和加工方法的综合性课程p本课程是高等工科院校材料成型专业必修的技术基础课，主要学习铸造、锻造、焊接相关的工艺理论、工艺方法和基础

4、知识p本课程是培养材料成型专业高层次工程技术人才、高层次复合人才和构建多学科知识结构的重要课程热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛教学安排p学 时：32 p学 分：2p周 次：9-16p成绩计算：n平时成绩（平时成绩（1515）n结业考试（结业考试（8585）n考试方式：闭考试方式：闭 卷卷热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛金属液态成形将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，以获得毛坯或零件的工艺方法，亦称铸造金属液态成形示意图金属液态成形示意图一第一章 金属液态成形基础第一篇第一篇 金属液态成形金属液态成形铸造铸造热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛适合做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯对材料的

5、适应性广，铸件的大小几乎不受限制成本低，原材料来源广泛，价格低廉，一般不需要昂贵的设备是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造毛坯或零件的唯一成型工艺液态成形优点热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛工艺过程比较复杂，工序较多，一些工艺过程还难以控制液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低液态成形缺点劳动条件较差，劳动强度较大热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛常用金属材料黑色金属有色金属粉末冶金铸 钢铸 铁铜及铜合金铝及铝合金硬 质 合 金粉末高速钢热加

6、工工艺热加工工艺楊剛楊剛液态成形零件(铸件)合金的铸造性能液态合金充型能力铸件的凝固与收缩合金的铸造缺陷 气孔 应力、变形和裂纹缩孔和缩松 热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛砂型铸造砂型铸造(产量占90%以上)特种铸造特种铸造铸造分类铸造分类金属型铸造熔模铸造离心铸造压力铸造热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛砂型铸造过程热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛液态合金的铸造性能是指合金在铸造成形过程中，获得外形正确、内部无缺陷铸件的性能合金的铸造性能是选择铸造金属材料、确定铸造工艺方案、进行铸件结构设计的依据合金的流动性合金的流动性合金的收缩性合金的收缩性合金的吸气性合金的吸气性合金的偏析性合金的偏析性合金的铸造性能

7、合金的铸造性能第一节 液态合金的铸造性能热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰、形状完整的成型件的能力流动性 简而言之简而言之 液态合金本身的流动能力！液态合金本身的流动能力！一、液态合金的流动性热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛流动性不良流动性不良浇不足浇不足冷冷 隔隔夹夹 砂砂气气 孔孔夹夹 渣渣流动性的决定因素流动性的决定因素合金流动性铸型的性质浇注的条件铸件的结构流动性优良流动性优良 容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的零件容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的零件 有利于夹杂物和气体的上浮与排除有利于夹杂物和气体的上浮与排除 有利于补缩有利于补缩浇不足浇不足 冷隔现象冷

8、隔现象热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 合金的流动性用浇注螺旋形试样的方法来衡量 将合金液浇入铸型中，冷凝后测量充满型腔的试样长度 浇出的试样越长，合金的流动性越好，合金的充型能力就越好合金流动性的测定方法出气口浇口杯热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛浇注的螺旋形试样的截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，便于计量长度热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛铸铁的流动性铸钢的流动性铸铁的流动性好，铸钢的流动性差 0.45%C 铸钢：200 4.30%C 铸铁：1800铸钢和铸铁流动性的比较热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛合金流动性的影响因素合金种类合金种类合金不同，流动性不同化学成分化学成分成分不同的合金

9、具有不同的 结晶特点，流动性也不同结晶特性结晶特性恒温下结晶，流动性较好； 两相区内结晶，流动性较差合金流动性合金流动性的影响因素的影响因素热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛不同种类合金流动性的比较不同种类合金流动性的比较1）合金的种类。合金的熔点、热导率、粘度等物理性能影响流动性。熔点越高，热导率越大，粘度越大，其流动性越差合金种类铸型种类浇注温度/螺旋线长度/铸铁 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 铸钢 wC=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁

10、合金（含Al和Zn） 锡青铜(wSn10%，wZn2%) 硅黄铜（wSi=1.5%4.5%） 砂型 砂型 金属型/300 砂型 砂型 砂型 1600 1640 680720 700 1040 1100 100 200 700800 400600 420 1000 热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛流动性与含碳量的关系流动性与含碳量的关系亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高2）合金的成分。同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流动性也不同热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛结晶特性对流动性的影响结晶特性对流动性的影响3）结晶的特性纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，凝固层表面光滑，阻

11、力小，流动性好(如图a所示)；共晶合金熔点最低，流动性最好亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，流动性差(如图b所示)热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛浇注浇注条件条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大, 充型能力越强浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差浇注条件对流动性的影响热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 浇注温度高，液态金属在铸型中保持液态的时间长，可改善合金的流动性(薄壁铸件)；浇注温度过高，铸件易产生气孔、缩孔、缩松、粘砂等缺陷 生产中常采

12、用“高温出炉、低温浇注”的原则 灰铸铁浇注温度为1200-1380；铸钢为1520-1620；铝合 金为680-780。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限 热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 常采取加高直浇道、扩大内浇道截面、增设出气孔、烘干铸型等工艺，以延长液态合金的流动时间，改善铸型的填充条件热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛铸型温度铸型温度不能过高铸型蓄热系数铸型蓄热系数从金属中吸取热量并储存的能力铸型发气和透气能力铸型发气和透气能力浇铸时产生的气体能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，有利于充型。若发气能力过强而透气能力差时，浇铸速度太快则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱充填条件对流动性的

13、影响热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 折算厚度：折算厚度：折算厚度也称当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填，而大平面铸件则不易成形 复杂程度：复杂程度：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难铸件结构对流动性的影响热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 液态金属由液态转变为固态的过程，从结晶学的角度，就是原子由无序排列经过生核、核心长大成为规则排列的晶体的过程，因此合金凝固又称一次结晶得到的凝固组织称为铸态组织，其晶粒形态、大小、分布、缺陷等取决于成分、冷却速度、形核条件等二、液态金属的凝固热加工工艺热加工工艺

14、楊剛楊剛铸件断面上的温度分布曲线称为铸件铸件的温度场的温度场（右图所示的T曲线是某圆柱形铸件的温度场）热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛铸件的凝固过程在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域液相区、凝固区、固相区对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄铸件的凝固方式依据凝固区的宽窄进行划分铸件的凝固方式逐层凝固糊状凝固中间凝固热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛逐层凝固：逐层凝固：纯金属和共晶成分合金，不存在凝固区糊状凝固：糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金，不存在固相区中间凝固：中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间a)逐层凝固b)中间凝固c)糊状凝固热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛逐层凝固时，合

15、金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松，可获得致密的铸件，如灰铸铁、铝硅合金糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松，难以获得致密铸件。如球铁、锡青铜、铝铜合金的凝固，需采取适当工艺进行补缩大多数合金均为中间凝固方式热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛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，高碳钢为糊状凝固铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围一定的前提下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差 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影响凝固的主要因素热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛合金的收缩体收缩率%100VVVV铸件铸件铸型体

16、收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因 线收缩率%100LLLL铸件铸件铸型线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因 合金从液态冷却至室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象合金从液态冷却至室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形等通常用体收缩率或线收缩率来表示三、液态金属的收缩热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛合金收缩的三个阶段合金收缩的三个阶段合金的收缩过程热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛合金合金收缩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

17、结晶两相区结晶线收缩线收缩裂纹裂纹变形变形应力应力热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 液态收缩(浇注温度-液相线) 凝固收缩 (液相线-结晶结束) 固态收缩 (结晶结束-室温)特点：体积收缩； 浇注温度升 高，液态收缩增加 特点：体积收缩；结晶温度范 围增大，凝固收缩增加 特点：线收缩；只引起铸件外 部尺寸变化，用线收缩 率表示热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛1）液态收缩 浇注温度越高，收缩系数越大，液态收缩率增加。液态时的体积收缩仅表现为型腔内液面的降低，可以从浇注系统中获得液体补充，以保持型腔充满。浇注温度应控制在高于液相线温度50-1502）凝固收缩 合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩；由状态

18、改变和温度下降两部分组成。结晶温度范围越大，凝固收缩率越大。在凝固阶段如果合金的体积收缩得不到及时补充，则会形成缩孔和缩松液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，表现为铸型内液面的降低，这两个阶段的收缩是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛3）固态收缩 指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩，通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，用线收缩率表示。固态收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的主要原因热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛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）合金收缩合金收缩影响收缩的因素热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛铸件结构和铸型铸件在铸型中不

19、是自由收缩，而是限制收缩化学成分在常用铸造合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁最小热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛液态合金在凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞按孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松 缩孔缩孔四、缩孔与缩松热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛缩孔产生原因合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿收缩值，且得不到补偿出现部位出现在铸件最后凝固区域，即热节区域，在铸件最后凝固区域，即热节区域，用画圆方法确定用画圆方法确定形成条件金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件

20、壁成逐层凝固方式铸件壁成逐层凝固方式热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛v合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大v缩孔多集中在铸件最后凝固的部位，其特征是形状不规则，多数呈倒锥形，内表面粗糙v纯金属和共晶成分合金易形成缩孔热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛缩孔出现的部位阶梯形试块阶梯形试块热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛判断缩孔出现的方法热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛缩松v缩松形成的基本原因是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致v缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛热加工工艺热加工工艺楊剛楊剛 合金成分：共晶点附近的合金易形成缩孔，反之易形成缩松 浇注条件：合金的浇注