铸造成形技术基本知识ppt课件

1、材料成型工艺基础材料成型工艺基础总学时：总学时：32 理论学时：理论学时：26 第一章第一章 金属的铸造成形金属的铸造成形 本章学习的根本目的是掌握铸造成形本章学习的根本目的是掌握铸造成形工艺的特点、常用铸造成形方法、铸件工艺的特点、常用铸造成形方法、铸件的工艺设计及结构设计。的工艺设计及结构设计。掌握影响铸造成形工艺性的主要因素；掌握影响铸造成形工艺性的主要因素；掌握砂型、金属型、熔模、实型、压力掌握砂型、金属型、熔模、实型、压力 铸造等成形过程；铸造等成形过程； 了解铸造工艺方案的制定及铸造工艺参数了解铸造工艺方案的制定及铸造工艺参数确定的原则；确定的原则； 了解铸件外形、内腔、壁厚、壁间

2、连接等了解铸件外形、内腔、壁厚、壁间连接等设计的基本原则；设计的基本原则； 了解铸件缺陷产生的原因及防止方法。了解铸件缺陷产生的原因及防止方法。 重点：铸造成形的理论及主要成形方法。重点：铸造成形的理论及主要成形方法。 难点：铸件的工艺设计及结构设计。难点：铸件的工艺设计及结构设计。基本知识基本知识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铸造。和性能铸件

3、的成形方法称为铸造。 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7080%7080%； 农业机械农业机械4070%4070%。砂型铸造工艺过程2 2、主要特点、主要特点（l l成形方便，工艺灵活性大成形方便，工艺灵活性大 外形、尺寸、质量不受限制。外形、尺寸、质量不受限制。 尤其是复杂内腔的零件，铸造往往是尤其是复杂内腔的零件，铸造往往是最佳的成形方法。如箱体、缸体、床身、最佳的成形方法。如箱体、缸体、床身、机架等。机架等。 材料范围很广，铸铁、铸钢、铜合金、材料范围很广，铸铁、铸钢、铜合金、铝合金

4、、镁合金、锌合金等均可用于铸铝合金、镁合金、锌合金等均可用于铸造，其中铸铁材料应用最广。造，其中铸铁材料应用最广。（2 2成本低廉，设备简单、周期短成本低廉，设备简单、周期短 材料来源广泛，且可以利用金属废料和废机件。 一般不需要大型、精密设备。而且由熔融金属直接就可获得形状和尺寸与零件接近的毛坯或直接获得零件精密铸造），节省材料、减少加工工时以及生产组织和半成品运输等费用，降低了铸件的生产成本。（3 3砂型铸件的力学性能较差，质量砂型铸件的力学性能较差，质量 不够稳定不够稳定 铸件中常常有许多缺陷(如气孔，缩松等)，而且内部组织粗大、不均匀，其力学性能比相同材料的锻件低。 此外，铸造工序繁多

5、，一些工艺过程较难控制，使铸件质量不够稳定，废品率较高。（4砂型铸造劳动强度大，生产条件砂型铸造劳动强度大，生产条件差差 生产过程中的废气、粉尘等对周围环境造成污染。 近几十年来，液态成形技术发展很快。许多新型液态成形材料、新工艺、新技术和新设备的出现和现代化液态成形车间或工厂的建立，使液态成形劳动条件大大改善，环境污染得到控制，铸件的质量和性能也大大提高，铸件应用范围也日益扩大。3 3、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合金的铸造性能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, ,如浇不足、缩孔、如浇不足、缩孔、缩松、铸造应

6、力、变形、裂纹等都缩松、铸造应力、变形、裂纹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及影响因素合金的充型能力及影响因素 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充型与充这里有二个基本概念即充型与充型能力。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, ,获得形获得形状完整状完整, ,轮廓清晰铸件的能力轮廓清晰铸件的能力, ,称合金称合金的充型能力。的充型能力。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)流动性 流动性指

7、熔融金属的流动能力,它是影响充型能力的主要因素之一。 (2)浇注条件 指的是浇注温度与充型的压力。 (3)铸型条件 熔融合金充型时，铸型的阻力及铸型对合金的冷却作用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熔点、热导率、合金的流动性与合金的熔点、热导率、粘度等物理性能有关。粘度等物理性能有关。 铸钢熔点高，在铸型中散热快、凝铸钢熔点高，在铸型中散热快、凝固快，则流动性差。固快，则流动性差。2 2、合金的成分、合金的成分 1纯金属和共晶合金是在恒温下进行结晶，纯金属和共晶合金是在恒温

8、下进行结晶，结晶时从表面向中心逐层凝固，流动性好。结晶时从表面向中心逐层凝固，流动性好。 特别是共晶合金，熔点最低，其流动性最好。特别是共晶合金，熔点最低，其流动性最好。 2 2亚共晶合金在一定温度范围内结晶，亚共晶合金在一定温度范围内结晶，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，既有形状复杂的枝晶，又有未结晶的既有形状复杂的枝晶，又有未结晶的液体。复杂的枝晶不仅阻碍熔融金属液体。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

9、。 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，将使液体的粘度增加，合金的流动性下降。 如灰铁中锰和硫，多以MnS熔点1650的形式悬浮在铁液中，阻碍铁液的流动，使流动性下降。4、含气量 熔融金属中的含气量愈少，合金的流动性愈好。 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、硅黄铜最灰铸铁、硅黄铜最好，铝合金次之，好，铝合金次之，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

10、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，提高浇注温度是改善合金流动性好。因此，提高浇注温度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缩孔、缩松、粘砂、晶粒粗大等）。性如缩孔、缩松、粘砂、晶粒粗大等）。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：1200138012

11、001380 铸铸 钢：钢：1520162015201620 铝合金：铝合金：6807806807802 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。 砂型铸造时，充型压力是由直浇道的静砂型铸造时，充型压力是由直浇道的静压力产生的，适当提高直绕道的高度，可压力产生的，适当提高直绕道的高度，可提高充型能力。但过高使铸件易产生砂眼、提高充型能力。但过高使铸件易产生砂眼、气孔等缺陷。气孔等缺陷。 在低压铸造、压力铸造和离心铸造时，在低压铸造、压力铸造和离心铸造时，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

12、影响合金充型能力有以下四个方面：铸型条件影响合金充型能力有以下四个方面： 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吸收并传出热量表示铸型从熔融合金中吸收并传出热量的能力，铸型材料的比热和热导率愈大，对的能力，铸型材料的比热和热导率愈大，对熔融金属的的冷却作用愈强，合金在型腔中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，合金的充型能力愈差。保持流动的时间缩短，合金的充型能力愈差。2 2、铸型温度、铸型温度 铸型预热减小了铸型与熔融金属的温度差，减缓了合金的冷却速度，延长了合金在铸型中的流动时间，则合金充型能力提高。3、铸型中的气体 浇注时因熔融金属在型腔中的热作

13、用而产生大量气体。如果铸型的排气能力差，则型腔中气体的压力增大，阻碍熔融金属的充型。铸造时除应尽量减小气体的来源外，应增加铸型的透气性，并开设出气口，使型腔及型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 当铸件壁厚过小、壁厚急剧变化、结构复杂或有大的水平面时，均会使充型困难。 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。

14、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 体收缩缩孔、缩松）体收缩缩孔、缩松） 线收缩应力、变形、裂纹）线收缩应力、变形、裂纹）收缩过程及影响因素收缩过程及影响因素1 1、收缩过程的三个阶段：、收缩过程的三个阶段： 液态收缩、凝固收缩和固态收缩液态收缩、凝固收缩和固态收缩 合金的总收缩为上述三个阶段收缩之和。它与合金的总收缩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)化学

15、成分 碳素钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态收缩略减。灰铸铁中碳是形成石墨化元素， 硅是促进石墨化元素，碳硅含量增加，收缩率减小。 硫阻碍石墨的析出，使铸铁的收缩率增大。 适量的锰，可与硫合成MnS，抵消硫对石墨的阻碍作用，使收缩率减小。但含锰量过高，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，合金的液态收缩增加。合金的液态收缩增加。3 3铸件结构铸件结构 铸件冷却时，因形状和尺寸不同，各部分的冷却速度不同，结果对铸件收缩产生阻碍。 4铸型和型芯对铸件的收缩也产生机械阻力 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

16、的种类、铸件的形状、尺寸等因素，选取适合的收缩率。缩孔与缩松的形成与防止缩孔与缩松的形成与防止 由于液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸造件最后凝固部位将形成孔洞。 按孔洞的大小和分布可分为缩孔和缩松。 缩孔是比较集中的孔洞。 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上部或最后凝固部位。缩孔通常隐藏在铸件上部或最后凝固部位。 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，合金逐层凝固，由于液态收缩和壳，温

17、度下降，合金逐层凝固，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，直到内部完全凝固，在铸件上部形成缩孔。上部形成缩孔。 纯金属或共晶成分的合金易于形成集中缩孔。纯金属或共晶成分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，形成树枝状结晶。这种凝液一固两相区，形成树枝状结晶。这种凝固方式称糊状凝固。固方式称糊状凝固。 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，

18、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，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疏松。称为疏松。 缩松缩松3 3、缩孔和缩松的防止、缩孔和缩松的防止 按照定向凝固原则进行凝固，使铸件上从远按照定向凝固原则进行凝固，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

19、。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。 合理地应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施是合理地应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施是消除缩孔、缩松的有效措施。消除缩孔、缩松的有效措施。铸造应力、铸件的变形与裂纹及防止措施铸造应力、铸件的变形与裂纹及防止措施 铸件收缩时受阻就产生铸造应力当应力超过材料的屈服极限时，铸件产生变形。 应力超过材料的抗拉强度时，铸件就产生裂纹。1、铸造应力 按产生的原因不同，可分为热

20、应力、收缩应力按产生的原因不同，可分为热应力、收缩应力 （1 1热应力热应力 在凝固和冷却过程中，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，称热应力。的收缩而引起的应力，称热应力。 冷却较慢的厚壁处或心部受拉伸，冷却较快冷却较慢的厚壁处或心部受拉伸，冷却较快的薄壁处或表面受压缩，铸件的壁厚差别愈大、的薄壁处或表面受压缩，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，铸件易出现变形和裂纹。致，产生的热应力较

21、大，铸件易出现变形和裂纹。（2 2收缩应力收缩应力 固态收缩时，因受铸型、型芯、浇冒口固态收缩时，因受铸型、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。 收缩应力常表现为拉应力。形成原因一收缩应力常表现为拉应力。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

22、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形状简单、对称、在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、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

23、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 时效分自然时效、热时效和振动时效等。自然时效： 将铸件置于露天场地半年以上，让其内应力消除。热时效人工时效）： 又称去应力退火，是将铸件加热到550650，保温24h，随炉冷

24、却至150200 ，然后出炉。振动法： 将铸件在其共振频率下震动1060min，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，铸件薄的部分受压应力,厚的部分受拉应力，但铸件总是力图通过变形来减缓其内应力。 因此，铸件常发生不同程度的变形。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。 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，是防止铸件变形的有效措施。防止变形的措施：防止变形的措施：结构上：壁厚均匀，形状对称；结构上：壁厚均匀，形状对称；工艺上：同时凝固，冷却均匀；工艺上：同时凝固，冷却均匀；“反变形法反变形法”：统计铸件变形：统计

25、铸件变形规律基础上，在模型上预先作规律基础上，在模型上预先作出相当于铸件变形量的反变形出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。用于量，以抵消铸件的变形。用于长而易变形的工件。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强度极限时，铸件便产生裂纹。 裂纹是严重的铸造缺陷，必须设法防止。 裂纹按形成的温度范围分为热裂和冷裂两种。（1 1） 热裂热裂 热裂的产生热裂的产生 一般是在凝固末期，金属处于固相一般是在凝固末期，金属处于固相线附近的高温时形成的。其形状特征是线附近的高温时形成的。其形状特征是裂缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧裂缝短，缝隙宽，形状曲

26、折，缝内呈氧化颜色。铸件结构不合理，合金收缩大，化颜色。铸件结构不合理，合金收缩大，型芯砂退让性差以及铸造工艺不合型芯砂退让性差以及铸造工艺不合理等均可引发热裂。理等均可引发热裂。 钢和铁中的硫、磷降低了钢和铁的韧钢和铁中的硫、磷降低了钢和铁的韧性，使热裂倾向增大。性，使热裂倾向增大。 热裂的防止热裂的防止 合理地调整合金成分严格控制钢和铁中合理地调整合金成分严格控制钢和铁中的硫、磷含量），合理地设计铸件结构，采的硫、磷含量），合理地设计铸件结构，采用同时凝固的原则和改善型芯砂的退让用同时凝固的原则和改善型芯砂的退让性，都是防止热裂的有效措施。性，都是防止热裂的有效措施。（2 2） 冷裂冷裂 冷裂的产生 冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时所产生的热应力和收缩应力的总和，如果大于该温度下合金的强度，则产生冷裂。 冷裂是在较低温度下形成的，其裂缝细小，呈连续直线状，缝内干净，有时呈轻微氧化色。壁厚差别大、形状复杂的铸件，尤其是大而薄的铸件易于发生冷裂。 冷裂的防止冷裂的防止 凡是减小铸