第7章铸造工艺基础

1、11/24/2021 3:11 AM热加工工艺基础1金属材料导论金属材料导论2金属液态成形金属液态成形（铸造）（铸造）3金属塑性成形金属塑性成形（金属压力加工）（金属压力加工）4金属连接成形金属连接成形（焊接）（焊接）热加工工艺热加工工艺11/24/2021 3:11 AM第2篇 金属的液态成形 （铸造） 铸铸 造造工艺基础工艺基础铸件生产铸件生产结构设计结构设计 铸造工艺铸造工艺1234工艺性能 铸造的发展史11/24/2021 3:11 AM什么是金属的液态成形什么是金属的液态成形:金属的液态成形的方法金属的液态成形的方法: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，

2、金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）. .其中砂型铸造是最基本的液态成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的其中砂型铸造是最基本的液态成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%80%以上以上. . 将将熔炼熔炼好的液态金属浇入与零件形状相适应的好的液态金属浇入与零件形状相适应的铸型铸型空腔中，待其冷却凝固，空腔中，待其冷却凝固，以获得以获得毛坯或零件毛坯或零件的工艺方法的工艺方法, ,亦称铸造亦称铸造. .工艺过程简介工艺过程简介11/24

3、/2021 3:11 AM砂型铸造过程11/24/2021 3:11 AM铸造的优点适于做复杂外形，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1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2成本低，原材料来源广，成本低，原材料来源广， 价格低廉价格低廉,一般不需要昂贵一般不需要昂贵的设备的设备3对于某些塑性很差的材料对于某些塑性很差的材料(如铸铁等如铸铁等)是制造其毛坯或是制造其毛坯或零件的唯一成型工艺零件的唯一成型工艺411/24/2021 3:11 AM铸造的缺点工艺过程比较复杂，一些工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制工艺过程还难以控

4、制1液态成形零件内部组织的均液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差匀性、致密性一般较差2液态成形零件易出现缩孔、液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品夹砂、裂纹等缺陷，产品 质质量不够稳定量不够稳定3由于铸件内部晶粒粗大，组由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴织不均匀，且常伴 有缺陷，有缺陷，其力学性能比同类材料的塑其力学性能比同类材料的塑性成形低性成形低411/24/2021 3:11 AM第第7章章 铸造工艺基础铸造工艺基础教学要求：教学要求： 1.1.要重点掌握铸造合金液体的流动要重点掌握铸造合金液体的流动性及其影响因素；

5、性及其影响因素； 2.2.缩孔与缩松的产生与防止；缩孔与缩松的产生与防止； 3.3.铸造应力、变形与裂纹的产生与铸造应力、变形与裂纹的产生与防止。防止。 4.4.掌握铸件质量的综合控制方法。掌握铸件质量的综合控制方法。 7.2 铸造合金的凝固与收缩铸造合金的凝固与收缩7.1 液态合金的充型液态合金的充型7.3 铸造内应力、变形与裂纹铸造内应力、变形与裂纹7.4 铸件的气孔与偏析铸件的气孔与偏析（自学）（自学）教学内容教学内容液态合金的工艺性能铸造性能铸造性能通常是指合金的通常是指合金的流动性流动性、收缩性收缩性吸气性吸气性及及偏析偏析等性能等性能合金铸造性能是合金铸造性能是选择铸造金属材料选择

6、铸造金属材料，确定铸件的确定铸件的铸造工艺方案铸造工艺方案及进行及进行铸件结构设计铸件结构设计的依据的依据11/24/2021 3:11 AM 7.1 液态合金的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状准液态金属充满铸型型腔，获得形状准确、轮廓清晰的成型件的能力确、轮廓清晰的成型件的能力充型能力的概念充型能力的概念:充型能力充型能力不足不足 浇不足浇不足 冷冷 隔隔夹夹 砂砂气气 孔孔夹夹 渣渣铸造工艺基础铸造工艺基础气孔缺陷11/24/2021 3:11 AM测试合金流动性的方法测试合金流动性的方法: : 如右图如右图, ,将合金液浇入铸型将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式中，冷凝后测

7、出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好金的流动性越好, ,合金充型能合金充型能力越好力越好几种不同合金流动性的比较*铸钢的流动性铸钢的流动性*铸铁的流动性铸铁的流动性7.1.1 合金流动性对充型能力的影响合金流动性对充型能力的影响铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM合金的种类合金的种类: 合金不同流动性不同合金不同流动性不同 化学成分化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同点，流动性也不同。铸造工艺基础铸造工艺基础结晶特性结晶特性: 恒温下结晶，流动性较好；两恒温

8、下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差相区内结晶，流动性较差合金流动性的决定因数合金流动性的决定因数11/24/2021 3:11 AM7.1.2 浇注条件对充型能力的影响浇注条件对充型能力的影响浇注浇注条件条件浇注温度浇注温度充型压力充型压力浇注系统浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热过热度高，金属液内含热 量多，保持量多，保持液态的时间长，充型液态的时间长，充型 能力强。能力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大充型压力。充型压力越大, 充型能力越充型能力越强。强。浇

9、注系统的结构越复杂，则流动浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，充型能力越差。阻力越大，充型能力越差。7.1.3 铸型条件对充型能力的影响铸型条件对充型能力的影响铸型蓄热系数铸型蓄热系数:即从液态金属中吸取即从液态金属中吸取热量并储存的能力热量并储存的能力铸型温度铸型温度(不能过高不能过高) 铸型的发气和透气能力：铸型的发气和透气能力：铸型发气能力过强铸型发气能力过强,透气能力又差透气能力又差时时,若浇铸速度太快若浇铸速度太快,则型腔中的则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱。气体压力增大，充型能力减弱。铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM7.1.4 铸件结构对充型能力

10、的影响 折算厚度：折算厚度： 折算厚度也叫当量厚度或折算厚度也叫当量厚度或模数模数,是是铸件体积与铸件表面铸件体积与铸件表面积之比积之比。折算厚度越大，热量。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。散失越慢，充型能力就越好。 铸件壁厚相同时，垂直壁比铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填水平壁更容易充填.(大平面铸大平面铸件不易成形件不易成形)复杂程度：复杂程度： 铸件结构越复杂，铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。型的充填就越困难。找到了影响因素，就可提出改进或提高合金充填能力的措施铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM什么是金属

11、的液态成形？什么是金属的液态成形？铸造的优缺点铸造的优缺点7.1液态合金的充型液态合金的充型充型能力不足充型能力不足浇不足、冷浇不足、冷 隔、夹隔、夹 砂、夹砂、夹 渣、气渣、气 孔、孔、合金的流动性合金的流动性合金的种类合金的种类: 合金不同流动性不同合金不同流动性不同化学成分化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同同的结晶特点，流动性也不同。浇注条件浇注条件：浇注温度、充型压力、浇注系统浇注温度、充型压力、浇注系统铸型性质铸型性质：铸型蓄热系数、铸型温度、铸型的发气和透气能力铸型蓄热系数、铸型温度、铸型的发气和透气能力铸件结构铸件结构

12、：折算厚度、复杂程度折算厚度、复杂程度找到了影响因素，就找到了影响因素，就可提出改进或提高合可提出改进或提高合金充填能力的措施金充填能力的措施11/24/2021 3:11 AM1.1.液态合金的充型能力与合金的流动性液态合金的充型能力与合金的流动性有何关系有何关系? ?2.2.不同化学成分的合金为何流动性不同不同化学成分的合金为何流动性不同? ?3.3.如何提高合金液的充填能力？如何提高合金液的充填能力？思思 考考 题题11/24/2021 3:11 AM7.2 液态金属的凝固与收缩7.2.1 铸件的凝固铸件的凝固 在铸件的凝固过程中，在铸件的凝固过程中，截面一般存在三个区域，截面一般存在三

13、个区域，即即液相区液相区、凝固区凝固区、固固相区相区。对铸件质量影响。对铸件质量影响较大的主要是液相和固较大的主要是液相和固相并存的相并存的凝固区凝固区的宽窄。的宽窄。铸件的凝固方式就是依铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分据凝固区的宽窄来划分的。的。凝固方式有：凝固方式有： 逐层凝固逐层凝固 中间凝固中间凝固 糊状凝固糊状凝固铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM7.2.2 合金的收缩 合金的收缩过程合金的收缩过程: 合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会

14、造成许多铸造缺陷。（如：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、应力、裂纹、变形等）。缩孔、缩松、应力、裂纹、变形等）。1 合金收缩的三个阶段合金收缩的三个阶段液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固态收缩固态收缩什什 么么 结结 果果 ？铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM 结果：合金收缩合金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:两相区结晶两相区结晶固态收缩固态收缩裂纹裂纹变形变形应力应力缩孔、缩松、应力、裂纹、变形等。缩孔、缩松、应力、裂纹、变形等。线收

15、缩11/24/2021 3:11 AM7.2.3 缩孔与缩松的形成缩孔的形成缩孔的形成: : 纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金, ,浇注后在型浇注后在型腔内是由表及里的腔内是由表及里的逐层凝固逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件液的补充，在铸件最后凝固的地方最后凝固的地方就会产生缩孔就会产生缩孔. .铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM缩松的形成原因缩松的形成原因: 铸件最后凝固的收缩未能得到补充，或者结晶温度范围宽的合铸件最后凝固的收缩未能得到补充，或者结晶温度范围宽的合金呈金呈糊

16、状凝固糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝，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。晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。结论结论：纯金属、共晶成分纯金属、共晶成分（逐层凝固）（逐层凝固）和凝固温度范围窄的合金易和凝固温度范围窄的合金易产生产生缩孔；缩孔；凝固区域较宽凝固区域较宽（糊状凝固）（糊状凝固）的合金易产生的合金易产生缩松缩松11/24/2021 3:11 AM缩孔与缩松的形成演示缩孔与缩松的形成演示缩孔易出现的部位缩孔易出现的部位11/24/2021 3:11 AM定向凝固原则定向凝固原则是铸件让远离冒口

17、的地方先是铸件让远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。到冒口中去。原则原则合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。消除缩孔和缩松的方法消除缩孔和缩松的方法A等温线法等温线法B B内切圆法内切圆法判断缩孔出现的方法判断缩孔出现的方法11/24/2021 3:11 AM解决缩孔的方法演示冒口和冷铁冒口和冷铁定向凝固原则定向凝固原则11/24/2021 3:11 A

18、M1.1.合金的收缩分为哪几个阶段合金的收缩分为哪几个阶段? ?影响影响的因素有哪些的因素有哪些? ?2.2.缩孔和缩松是如何形成的，对铸缩孔和缩松是如何形成的，对铸件质量有何影响，怎样防止或减小件质量有何影响，怎样防止或减小它们的危害它们的危害? ?思思 考考 题题11/24/2021 3:11 AM7.3 铸造内应力、变形与裂纹内应力内应力热应力热应力机械应力机械应力变形变形裂纹裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的的壁厚不均匀壁厚不均匀，导致不同部位，导致不同部位不均衡的不均衡的收缩收缩而引起的应力。而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、铸

19、件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力浇冒口、砂箱等外力阻碍阻碍而产生的应力。而产生的应力。残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。力，以回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹当热应力大到一定程度会导致出现裂纹(热裂纹与冷裂纹）。热裂纹与冷裂纹）。铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM7.3.1 铸造热应力的形成过程分析t0t1 高温阶段，塑性状态，塑性变形消除t1 t2 杆弹性状态，塑性状态，杆受拉应力，

20、 受压应力，塑性变形消除t2 t3 杆弹性状态，比温度高，收缩大于， 收缩受的阻碍，产生拉应力铸造工艺基础铸造工艺基础11/24/2021 3:11 AM 1 机械应力形成过程 机械应力：机械应力：应适时开箱加以解决应适时开箱加以解决。机械应力与热应力共同作机械应力与热应力共同作用，当大于材料的用，当大于材料的强度极限强度极限时会导致时会导致裂纹的裂纹的形成形成, 11/24/2021 3:11 AM 2 减小和消除铸造应力的方法 铸件的结构：铸件的结构：铸件各部分能自由收缩铸件各部分能自由收缩 工艺方面：工艺方面：采用采用同时凝固原则同时凝固原则时效处理：时效处理：人工时效；自然时效人工时效

21、；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀铸件的壁厚尽可能均匀11/24/2021 3:11 AM LL+AAF+APLdLd退火：退火：降低硬度，便于机加工。消除应降低硬度，便于机加工。消除应力。力。淬火：淬火：获得马获得马氏体（氏体（M)M)组织。高硬度组织。高硬度正火：正火：用于普通结构件的最终热处理用于普通结构件的最终热处理回火：回火：主要是消除淬火内应力，降低钢的主要是消除淬火内应力，降低钢的脆性，防止产生裂纹脆性，防止产生裂纹金属的液态成形金属的液态成形 （铸造）（铸造）铁碳合金状态图在工程铁碳合金状态图在工程中的应用中的应用11/24/2021 3:1

22、1 AM7.3.2 铸件的变形结论：结论：最后凝固厚部、心部最后凝固厚部、心部受拉受拉应力，出现应力，出现内凹变形内凹变形。薄部、表面薄部、表面受压应力，出受压应力，出现现外凸变形外凸变形。原因铸造工艺基础铸造工艺基础受压伸长、受拉缩短受压伸长、受拉缩短11/24/2021 3:11 AM铸件的变形的消除方法 防止变形的方法：防止变形的方法：与防止应力的方法基本相同。带有残余与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。问题问题 分析有长、短不一的两根弹簧，将其固定，使其达到同等长分析有长、短不一的两根弹簧，将其固定，使其

23、达到同等长度，即其中一弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应力度，即其中一弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应力状态？然后将其固定约束去掉，试分析其变形趋势？状态？然后将其固定约束去掉，试分析其变形趋势？ 将一长度为的圆柱体铸件：将一长度为的圆柱体铸件： 1）将中间钻一通孔；）将中间钻一通孔； 2）将外表面车掉一层；）将外表面车掉一层； 问：在这两种情况下其长度会发生什么变化？问：在这两种情况下其长度会发生什么变化？ 若将应力框中间的粗杆沿中间锯断：若将应力框中间的粗杆沿中间锯断： 问：应力框中间的间隙会发生什么变化问：应力框中间的间隙会发生什么变化？ 只有只有原来受拉伸原来受拉伸部分产

24、生部分产生压缩变压缩变形形、受压缩受压缩部分产生部分产生拉伸变形拉伸变形，才，才能使残余应力减少或消除。能使残余应力减少或消除。11/24/2021 3:11 AM 7.3.3 铸件的裂纹 当铸造应力超过金属的强度极限时，当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹，裂纹是严重的铸件便产生裂纹，裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。铸造缺陷，必须设法防止。 1 1 热裂热裂热裂一般分布在应力集中部位热裂一般分布在应力集中部位( (尖角或断面突变处尖角或断面突变处) )或热节处。或热节处。 铸钢件结构对热裂的影响铸钢件结构对热裂的影响 铸造工艺基础铸造工艺基础防止方法防止方法热裂热裂改善铸型和型

25、芯的退改善铸型和型芯的退让性，减小浇、冒口对铸件收让性，减小浇、冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇口设置应缩的机械阻碍，内浇口设置应符合同时凝固原则，此外减少符合同时凝固原则，此外减少合金中有害杂质硫、磷含量，合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度。特别是可提高合金高温强度。特别是硫增加合金的热脆性，使热裂硫增加合金的热脆性，使热裂倾向大大提高。倾向大大提高。11/24/2021 3:11 AM2 2 冷裂冷裂 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。 轮形铸件的冷裂轮形铸件的冷裂 防止方法：防止方法：冷裂冷裂尽量减小铸造应力尽量减小铸造应力 。把内浇

26、口开在薄的轮辐处，以实现同时凝固。把内浇口开在薄的轮辐处，以实现同时凝固。较早打箱，以去除铸型对收缩的阻碍，打箱后立即用砂子埋好铸件，使其较早打箱，以去除铸型对收缩的阻碍，打箱后立即用砂子埋好铸件，使其缓慢冷却。缓慢冷却。修改结构，加大轮辐和轮缘的连接圆角，以增加强度和减少应力集中。修改结构，加大轮辐和轮缘的连接圆角，以增加强度和减少应力集中。 如何判别冷裂纹与热裂纹？如何判别冷裂纹与热裂纹？11/24/2021 3:11 AM缩孔与缩松的形成缩孔与缩松的形成纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金 逐层凝固逐层凝固 缩孔缩孔 凝固区域较宽的合金凝固区域较宽

27、的合金 糊状凝固糊状凝固 缩松缩松消除缩孔和缩消除缩孔和缩松的松的方法方法定向凝固原则定向凝固原则原则原则合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。内应力、内应力、变形与裂纹变形与裂纹内应力内应力热应力热应力机械应力机械应力铸件的壁厚不均匀，导致不同部铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时受阻铸件在固态收缩时受阻变形与裂纹变形与裂纹热应力的形成过程分析热应力的形成过程分析热应力的消除方法热应力的消除方法铸件的结构：铸件的结构：铸件各部分能自由收缩铸件各部分能自由收缩工艺方面：工艺方面：采用采用同时凝固原则同时凝固原则时效处理：时效处理：人工时效；自然时效人工时效；自然时效铸件结构对称铸件结构对称铸件壁厚均匀铸件壁厚均匀铸件变形的判定铸件变形的判定厚部、心部厚部、心部受拉应力，出现受拉应力，出现内凹变形内凹变形。薄部、表面薄部、表面受压应力，出现受压应力，出现外凸变形外凸变形。11/24/2021 3:11 AM小结合金工艺性能合金工艺性能充充 型型 能能 力力凝凝 固固 方方 式式应力