第1章_铸造基础知识

1、LOGOu 将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。工艺过程称为铸造。u 铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸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。铸件的材型制造、浇注凝固和落砂清理等。铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。等。铸造是什么？铸造是什么？铸造的特点：铸造的特点： 优点优点：1具有较强的适应性具有较强的适应性 2铸件成本低铸件成本低 原材料：来源广、价格低、投资少、易原材料：来源广、价格低

2、、投资少、易生产生产 铸件：机械加工量相对较小，成本低铸件：机械加工量相对较小，成本低 缺点缺点：1废品率较高，生产过程难以控制；废品率较高，生产过程难以控制； 2铸件力学性能较差，铸件力学性能较差， 3砂型铸造铸件精度较差。砂型铸造铸件精度较差。性材料材质：不限，特别是脆结构：复杂外形、内腔壁厚：尺寸：几毫米十几米重量：几克几百吨mmm12 . 0本篇主要内容本篇主要内容 围绕金属或合金的铸造性能，掌握铸造成型的围绕金属或合金的铸造性能，掌握铸造成型的基础知识和基本概念（基础知识和基本概念（如充型能力、凝固与收缩、变形与裂纹如充型能力、凝固与收缩、变形与裂纹等）等） 回顾砂型铸造的造型方法和

3、生产过程，学习砂回顾砂型铸造的造型方法和生产过程，学习砂型铸造工艺方案的制定。型铸造工艺方案的制定。 了解几种特种铸造方法，掌握它们的原理、特了解几种特种铸造方法，掌握它们的原理、特点及适用范围。点及适用范围。 了解铸件结构设计（工艺性）了解铸件结构设计（工艺性）第一章第一章 铸造工艺基础（铸造性能）铸造工艺基础（铸造性能） 合金在铸造生产过程中表现出来的工艺性合金在铸造生产过程中表现出来的工艺性能称为能称为合金的铸造性能合金的铸造性能。 铸造性能包括合金的铸造性能包括合金的流动性流动性、收缩性收缩性、偏偏析析和和吸气性能吸气性能等。等。 围绕合金的铸造性能，学习与之相关的主围绕合金的铸造性能

4、，学习与之相关的主要缺陷的形成与防止。要缺陷的形成与防止。第一节第一节 液态合金的充型液态合金的充型 液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清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晰铸件的能力，称为，称为液态合金充型能力液态合金充型能力。 充型能力不足会产生充型能力不足会产生浇不足、冷隔浇不足、冷隔等缺陷。等缺陷。 影响充型能力的主要因素：影响充型能力的主要因素：（1 1）金属成分（）金属成分（流动性流动性）。）。（2 2）浇铸条件（浇铸温度、充型压力）浇铸条件（浇铸温度、充型压力）（3 3）铸型的充型条件（铸型蓄热能力（材料）、）铸型的充型条件（铸型蓄热能力（材料）、铸型温

5、度、铸型的排气能力等）铸型温度、铸型的排气能力等）（4 4）铸件结构（薄壁、结构复杂）等）铸件结构（薄壁、结构复杂）等 合金的流动性合金的流动性 流动性是液态属自身的流动能力。流动性是液态属自身的流动能力。合金的流合金的流动性愈好，充型能力愈强动性愈好，充型能力愈强。 液体合金的流动性常采用的液体合金的流动性常采用的螺旋形试样螺旋形试样长度长度来衡量。来衡量。 流动性的影响因素很多，但以流动性的影响因素很多，但以化学成分化学成分的影响最的影响最为显著。常用合金中为显著。常用合金中铸铁铸铁和和硅黄铜硅黄铜的流动性的流动性最好最好，铝硅合金铝硅合金次之次之，铸钢铸钢最差最差。共晶成分的合金共晶成分

6、的合金流动性流动性最好。（最好。（逐层凝固；过冷度大，处于液态的时间长逐层凝固；过冷度大，处于液态的时间长）第二节第二节 铸件的凝固与收缩铸件的凝固与收缩一、铸件的凝固方式一、铸件的凝固方式 在凝固过程中，铸件的断面上一般存在三个区在凝固过程中，铸件的断面上一般存在三个区域：即固相区、凝固区和液相区。依据凝固区的宽域：即固相区、凝固区和液相区。依据凝固区的宽窄，铸件的凝固划分成三种方式：窄，铸件的凝固划分成三种方式：（1 1）逐层凝固方式逐层凝固方式（2 2）糊状凝固方式糊状凝固方式 （3 3）中间凝固方式中间凝固方式（1）逐层凝固方式）逐层凝固方式 纯金属或共晶成纯金属或共晶成分分在凝固过程

7、中不存在在凝固过程中不存在固液二相共存区，如图固液二相共存区，如图a)a)。在常用合金中，。在常用合金中，灰灰铸铁、铝硅合金铸铁、铝硅合金等倾向等倾向于逐层凝固，易于获得于逐层凝固，易于获得紧实铸件。紧实铸件。（2）糊状凝固（体积凝固）方式）糊状凝固（体积凝固）方式 合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并存的凝固区贯穿整个断面，如图液并存的凝固区贯穿整个断面，如图c c）（表层不存在（表层不存在固体层，类似水泥）固体层，类似水泥）。球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于等倾向于糊状凝固。糊状凝固。（3）中间凝固方式）中间凝固方

8、式 金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截面温度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝面温度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图固之间，如图b b所示。所示。影响凝固方式的因素：影响凝固方式的因素：合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围铸件断面的温度梯度铸件断面的温度梯度凝固方式对铸件质量的影响：凝固方式对铸件质量的影响： 逐层凝固方式逐层凝固方式合金的充型能力强，补缩合金的充型能力强，补缩性能强，便于防止缩孔和缩松性能强，便于防止缩孔和缩松。 糊状凝固方式糊状凝固方式合金液流动性差，不易补合金液流动性差，不易补缩，铸件在铸造工程中所产生的

9、缺陷较多，缩，铸件在铸造工程中所产生的缺陷较多，难以获得结晶坚实的铸件难以获得结晶坚实的铸件。二、铸造合金的收缩二、铸造合金的收缩 液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。减少的现象，称为合金的收缩。 收缩收缩是多种是多种铸造缺陷产生的根源。铸造缺陷产生的根源。 合金的收缩经历三个阶段：合金的收缩经历三个阶段： （1 1）液态收缩液态收缩：从浇注：从浇注液相线温度液相线温度 （2 2）凝固收缩凝固收缩：液相线：液相线固相线固相线 （3 3）固态收缩固态收缩：固相线：固相线室温室温液态收缩液态收缩 表现为铸型腔内液态金属的液面下降。

10、表现为铸型腔内液态金属的液面下降。凝固收缩凝固收缩 共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，凝固收缩只由状态凝固收缩只由状态改变引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。改变引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。 液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩减，用的缩减，用体收缩率体收缩率（单位体积的百分收缩量）表（单位体积的百分收缩量）表示。示。它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。p固态收缩固态收缩 通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线线收缩率收缩率（单位长度

11、的百分收缩量表示）。（单位长度的百分收缩量表示）。固态收缩固态收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。三、铸件中的缩孔和缩松三、铸件中的缩孔和缩松 在合金冷却和凝固过程中，若在合金冷却和凝固过程中，若液液态收缩和凝固收缩所缩减的体积态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足得不到补足，则在铸件的，则在铸件的最后凝最后凝固部位固部位会形成一些孔洞。会形成一些孔洞。 按照孔洞的大小和分布，可将其按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。其中容积分为缩孔和缩松两类。其中容积较大的孔洞叫缩孔，细小且分散较大的孔洞叫缩孔，细小且分散的孔叫缩松。的孔叫缩松。 危害

12、：危害：使力学性能下降；因渗漏使力学性能下降；因渗漏而报废而报废。 缩孔三、铸件中的缩孔和缩松三、铸件中的缩孔和缩松 （1 1）缩孔）缩孔 缩孔是缩孔是容积较大而集中的孔洞容积较大而集中的孔洞。通常隐藏在通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位铸件上部或最后凝固的部位。其外。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑。逐层凝固的形特征为倒锥形，内表面不光滑。逐层凝固的合金产生缩孔的倾向较大。合金产生缩孔的倾向较大。 （2）缩松）缩松 缩松分布于缩松分布于铸件的轴线区域铸件的轴线区域、厚大部位或浇口、厚大部位或浇口附近（缩孔的下方）的附近（缩孔的下方）的细小而分散的孔洞细小而分散的孔洞。 p 糊状凝糊状凝固的合

13、金固的合金缩孔倾向缩孔倾向小，但极小，但极易产生缩易产生缩松。松。（3）防止缩孔和缩松措施）防止缩孔和缩松措施 定向（顺序）凝固定向（顺序）凝固： 采取一定措施，先使铸件上采取一定措施，先使铸件上远离冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝远离冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。固，最后冒口本身凝固。使先凝固的收缩量由后凝使先凝固的收缩量由后凝固的液体补充，最后将缩孔转移至冒口中固的液体补充，最后将缩孔转移至冒口中 。安放冷铁安放冷铁 当仅靠铸件顶部的冒口补当仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔时。应在该位不出现缩孔时。

14、应在该厚大厚大部位设置冷铁部位设置冷铁，以加快其冷却，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现速度，使其最先凝固，以实现自下而上自下而上的顺序凝固。的顺序凝固。 实现定向凝固方法实现定向凝固方法 合理安放冒口合理安放冒口 实现定向凝固方法实现定向凝固方法 设置补贴设置补贴 对于一些壁厚均匀的对于一些壁厚均匀的铸件，如图所示，采用顶铸件，如图所示，采用顶部设冒口和底部安放冷铁部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后，也难以保的工艺措施后，也难以保证其垂直壁上不出现缩孔证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其和缩松。因此，需在其立立壁上增加补贴，即一个楔壁上增加补贴，即一个楔形厚度形厚度，使其形成一个从

15、，使其形成一个从下而上递增的温度梯度，下而上递增的温度梯度，才能实现该铸件的顺序凝才能实现该铸件的顺序凝固。固。 n定向凝固的缺点：定向凝固的缺点：一、冒口浪费金属；一、冒口浪费金属；二、铸件内应力大，易于变形和开裂。二、铸件内应力大，易于变形和开裂。n应用：应用： 主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。 对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工对于形成糊状凝固的合金一般不采用此工艺方法。艺方法。第三节第三节 铸件内应力、变形和裂纹铸件内应力、变形和裂纹一、铸造内应力一、铸造内应力 铸件在

16、凝固之后的冷却过程中，由于铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各部分体积变化不一致，彼此制约引起的应各部分体积变化不一致，彼此制约引起的应力为铸造内应力力为铸造内应力。 按应力产生的原因，铸造应力分为按应力产生的原因，铸造应力分为热应力热应力和和机械应力机械应力两种。两种。1. 1. 热应力热应力 热应力是指热应力是指因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度不因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度不同，致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力同，致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力。p铸件厚、大部分或心部受拉应力（铸件厚、大部分或心部受拉应力（+ +），薄壁或表层），薄壁或表层受压应力（受压应力（- -）。）。

17、热应力的预防与消除热应力的预防与消除铸件残留热应力预防原则及措施铸件残留热应力预防原则及措施 铸件残留热应力预防原则铸件残留热应力预防原则：减小铸件各减小铸件各部分间的温度差，使其均匀冷却部分间的温度差，使其均匀冷却. . 具体措施：具体措施： 设计时，设计时，尽量使铸件壁厚均尽量使铸件壁厚均匀匀 生产上，生产上，“同时凝固同时凝固”残留热应力的残留热应力的消除方法消除方法： 去应力退火去应力退火 同时凝固的具体工艺同时凝固的具体工艺是是将内浇口开在铸件的薄将内浇口开在铸件的薄壁处，再在铸件厚壁处放壁处，再在铸件厚壁处放置冷铁置冷铁。 同时凝固的原则可降同时凝固的原则可降低铸件产生应力、变形和

18、低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；只是铸件的裂纹的倾向；只是铸件的心部会产生缩孔或缩松缺心部会产生缩孔或缩松缺陷。陷。 同时凝固原则只用于同时凝固原则只用于普通灰铸铁普通灰铸铁和和锡青铜铸件锡青铜铸件的生产。的生产。同时凝固减少铸造内应力同时凝固减少铸造内应力机械应力机械应力机械应力机械应力 铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力而形成的应力。它是暂时的它是暂时的。防止措施是防止措施是改善铸型改善铸型和和型芯的退让性型芯的退让性。二、二、 铸件的变形铸件的变形 产生原因：产生原因：铸件内部有残留应力铸件内部有残留应力。受拉内应。受拉内应力的部位趋于

19、变短。力的部位趋于变短。受拉部分趋于变短受拉部分趋于变短防止变形的措施防止变形的措施（1 1）尽可能使）尽可能使铸件的壁厚均匀或截面形状对称铸件的壁厚均匀或截面形状对称。（2 2）采取相应的工艺措施使其）采取相应的工艺措施使其同时凝固同时凝固。（3 3）“反变形反变形”法法-模型制成与变形方向正好模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形。相反的形状以抵消其变形。 （4 4）对于不允许发生变形的重要机件必须进行）对于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处理时效处理。三、铸件的裂纹三、铸件的裂纹 当铸件的内应力超过其强度极限时便会产生当铸件的内应力超过其强度极限时便会产生裂纹裂纹 按照形成温度

20、的不同，裂纹可分为按照形成温度的不同，裂纹可分为热裂热裂和和冷冷裂裂。 热裂热裂是在铸件是在铸件凝固末期的高温下凝固末期的高温下形成形成的裂纹。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。的裂纹。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。是铸钢和铸铝常见的缺陷。）是铸钢和铸铝常见的缺陷。） 冷裂冷裂是铸件凝固后，是铸件凝固后，冷却到较低温度冷却到较低温度下下形成的裂纹。（脆性材料）形成的裂纹。（脆性材料） 两种裂纹的形状特点两种裂纹的形状特点 热裂热裂：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；缝内金属呈氧化色； 冷裂冷裂 ：裂纹细小、呈连续直线状或：裂纹细小、呈连续直线状或圆滑曲线状

21、、裂纹表面有金属光泽或呈微圆滑曲线状、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。氧化色。防止热裂的方法防止热裂的方法i）选择结晶温度范围窄的合金生产铸件选择结晶温度范围窄的合金生产铸件。因为结晶。因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁。量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁。iiii）减少铸造合金中的有害杂质减少铸造合金中的有害杂质，如减少铁，如减少铁- -碳合金碳合金中的磷、硫含量，可提高铸造合金的高温强度。中的磷、硫含量，可提高铸造合金的高温强度。iiiiii）改善铸型和型芯的退让性改善铸型和

22、型芯的退让性。退让性愈好，机械。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。应力愈小，形成热裂的可能性愈小。iviv）减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则应符合同时凝固原则。 防止冷裂的方法防止冷裂的方法 设法减小铸造应力和降低铸造合金的脆性设法减小铸造应力和降低铸造合金的脆性。如尽量减小如尽量减小Fe-Fe3C合金中的磷含量，可合金中的磷含量，可降低其脆性；降低其脆性； 铸件在浇注之后，勿过早落砂铸件在浇注之后，勿过早落砂。 第四节第四节 铸件中的气孔铸件中的气孔 气体在金属中的含量气体在金属中的含量超过其溶解度超过其溶解

23、度，或侵，或侵入的气体不被金属溶解时，会以分子状态入的气体不被金属溶解时，会以分子状态的的气泡气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡存在于液态金属中。若凝固前气泡来不及排除来不及排除，就会在金属内，就会在金属内形成孔洞形成孔洞。这。这种因气体分子聚集而在铸件表面和内部产种因气体分子聚集而在铸件表面和内部产生的孔洞称为气孔。生的孔洞称为气孔。 气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔。气孔的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增

24、加缺口源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。降低。气孔分类：气孔分类： 按按气体来源和形成机理气体来源和形成机理可分为可分为析出性气孔、析出性气孔、侵入性气孔、反应性气孔侵入性气孔、反应性气孔。 按按类别类别分为分为氢气孔、氮气孔、一氧化碳气氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔孔等。等。 按气孔的按气孔的形状和位置形状和位置分为分为针孔、皮下气孔针孔、皮下气孔。一、析出性气孔一、析出性气孔 金属在熔化或浇注过程中，金属在熔化或浇注过程中，H2、O2、N2等少等少量气体被高温金属液所吸收，液态金属在冷量气体被高温金属液所吸收，液态金属在冷却凝固过程中，因却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔