哈工程材料成型课件--铸造成形理论基础

1、1 铸造成形技术 将液态金属材料熔化成液态后，浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔（称铸型）中，待其冷却凝固后获得具有一定形状和尺寸的毛坯或零件的方法。铸造的概念1 铸造成形技术铸造的特点成形能力强成形能力强 能够制造形状复杂的铸件，尤其是能制造具有复杂内腔的毛坯或零件。 工艺适应性强工艺适应性强 铸件的合金成分、尺寸、形状、质量和生产批量等几乎不受限制。 经济性好经济性好 原材料来源广泛， 铸件的形状和尺寸与零件非常接近，可以节约金属，减少后续加工费用，因而生产成本低。铸 造优 点1 铸造成形技术铸造的特点铸造缺点用同样金属材料制造的铸件，其力学性能不如锻件。 铸造工序繁多，且难以

2、精确控制，故铸件质量有时会不够稳定。劳动条件较差，劳动强度较大。1 铸造成形技术1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制 液态金属充满铸型型腔，获得尺寸正确、轮廓清晰的铸件的液态金属充满铸型型腔，获得尺寸正确、轮廓清晰的铸件的能力。充型能力首先取决于合金本身的流动性，还与外界条件，能力。充型能力首先取决于合金本身的流动性，还与外界条件，如铸型条件、铸件结构及浇注条件等因素有关。如铸型条件、铸件结构及浇注条件等因素有关。充型能力的概念充型能力的概念:充型能力不足充型能力不足浇不足浇不足冷冷 隔隔夹夹 砂砂气气 孔孔夹夹 渣渣充型能力的决定因素充型能力的决定因素（1）合金的流动性合金

3、的流动性（2）铸型性质）铸型性质（3）浇注条件）浇注条件（4）铸件结构）铸件结构1.1.5 铸件成形过程控制1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制：充型能力的控制：（1） 合金本身的流动性。合金本身的流动性。流动性是指液态合金本身的流动能力，它与合金本身的化学成分、温度、杂质含量及物理性质等有关1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制充型能力的控制1） 合金本身的流动性合金本身的流动性 铸造合金流动性的好坏，通常以浇注标准螺旋线试样的方法进行测定。将金属液浇入到右图所示的螺旋形的铸型中，显然，在相同的铸型及浇注条件下，得到的螺旋形试样越长，表示该合金

4、的流动性越好。 螺旋形试样螺旋形试样 1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制充型能力的控制1） 合金本身的流动性合金本身的流动性 合金的种类。不同种类的合金因熔点、热导率和粘度等物理性质以及结晶特性的不同，其流动性也不同。 合金的化学成分。同种合金中，成分不同的合金具有不同的结晶特点，其流动性也不同。图：不同结晶特征合图：不同结晶特征合金的流动性金的流动性 u亚共晶铸铁随含碳量亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围的增加，结晶温度范围减小，流动性提高。减小，流动性提高。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制充型能力的控制1

5、） 合金本身的流动性合金本身的流动性 杂质含量。液态金属中含有固态夹杂物，将会使液体的粘度增加，因而会降低合金的流动性；液态金属中的含气量越多，其流动性也越差。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制充型能力的控制2） 铸型条件铸型条件铸型温度：铸型温度：预热铸型能减小它与金预热铸型能减小它与金属液之间的温差，降低属液之间的温差，降低换热强度，从而提高金换热强度，从而提高金属液的充型能力。属液的充型能力。铸型蓄热系数铸型蓄热系数: :即从金属液中吸取即从金属液中吸取并储存热量的能力。并储存热量的能力。铸型中的气体：铸型中的气体：浇铸时产生气体能在金属液浇铸时产

6、生气体能在金属液与铸型间形成气膜，减小流与铸型间形成气膜，减小流动阻力，有利于充型。但动阻力，有利于充型。但发发气量过大气量过大, ,铸型排气不畅铸型排气不畅, ,在在型腔内产生的气体的反压力型腔内产生的气体的反压力增大，充型能力减弱。增大，充型能力减弱。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制充型能力的控制3）铸件结构）铸件结构 当铸件的壁厚过小、壁厚急剧变化或有较大的水平面等结构时，会使合金液充型困难。因此，设计铸件结构时，铸件的壁厚必须大于最小允许值；有的铸件则需要设计流动通道；在大平面上设置筋条。这不仅有利于合金液的顺利充型，亦可防止夹砂缺陷的产生。

7、1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制1. 充型能力的控制充型能力的控制4）浇注条件）浇注条件 浇注温度； 充型压力。浇注温度充型压力浇注温度越高，使合金粘度下降，且保持流动的时间越长，故充型 能力强。反之，充型能力下降。但浇注温度过高，吸气、氧化现象严重。易产生缺陷，结晶组织粗大。液态金属在流动方向上所受的压力越大,则流速越大，充型能力越强。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制2. 铸件的凝固方式及控制铸件的凝固方式及控制1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制2. 铸件的凝固方式及控制铸件的凝固方式及控制1） 凝固方式凝固方式铸件断面一般存在

8、三个区域，即液相区、凝固区、固相区。凝固方式有：逐层凝固糊状凝固中间凝固。(a) 逐层凝固方式逐层凝固方式 (b) 中间凝固方式中间凝固方式 (c) 糊状凝固方式糊状凝固方式 1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制2. 铸件的凝固方式及控制铸件的凝固方式及控制2） 凝固方式的控制凝固方式的控制（1）合金的结晶温度范围；（2）铸件截面的温度梯度。t液t固LLT2T1S2S1中 心表 面温度梯度对凝固区域的影响温度梯度对凝固区域的影响 铸件的温度梯度主要受以下以个因素的影响： 合金的性质：合金的凝固温度越高、导温系数越小或结晶潜热越小，铸件内部温度均匀化的能力就越小，温度梯度就越大

9、。 1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制2. 铸件的凝固方式及控制铸件的凝固方式及控制2） 凝固方式的控制凝固方式的控制（2）铸件截面的温度梯度。t液t固LLT2T1S2S1中 心表 面温度梯度对凝固区域的影响温度梯度对凝固区域的影响 铸件的温度梯度主要受以下以个因素的影响： 铸型条件 铸型的蓄热能力和导热性越好，对铸件的激冷能力就越强，铸件的温度梯度就越大。 1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制2. 铸件的凝固方式及控制铸件的凝固方式及控制2） 凝固方式的控制凝固方式的控制（1）合金的结晶温度范围；（2）铸件截面的温度梯度。t液t固LLT2T1S2S1中

10、心表 面温度梯度对凝固区域的影响温度梯度对凝固区域的影响 铸件的温度梯度主要受以下以个因素的影响： 浇注温度:提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。 铸件的壁厚:铸件的壁厚越小，温度梯度就越大。 1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制2. 铸件的凝固方式及控制铸件的凝固方式及控制 因此在选用铸造材料时，应尽量选用倾向于逐层凝固的合金（如灰铸铁、铝硅合金等）。当必须采用倾向于糊状凝固的合金时，可考虑采用适当的工艺措施（如选用金属型铸造），以减小其凝固区域。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制3. 合金的收缩合金的收缩1） 收缩的概念收缩的概

11、念 合金从液态冷却到常温的过程中，体积和尺寸缩小的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，它不仅影响铸件的几何形状和尺寸，以及致密性，而且还决定着铸件产生缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹等缺陷的倾向性。合金的收缩量通常用体积收缩率和线收缩率来表示。金属从液态到常温的体积改变量称为体收缩。金属在固态由高温到常温的线尺寸改变量称为线收缩。 1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制3. 合金的收缩合金的收缩2） 合金收缩的三个阶段合金收缩的三个阶段 液态收缩; 凝固收缩; 固态收缩液 态 收 缩凝 固 收 缩固 态 收 缩T浇T液T固液 相 线固 相 线成 分温度液态收缩。从浇注温度冷却至

12、凝固开始温度（液相线温度）期间发生的收缩称为液态收缩。合金的液态收缩主要表现为液面的降低液面的降低。凝固收缩。从凝固开始温度至凝固终了温度（固相线温度）期间发生的收缩称为凝固收缩。凝固收缩仍主要表现为液面的下降。液面的下降。固态收缩。从凝固终了温度至冷却到室温期间发生的收缩称为固态收缩。此阶段的收缩表现为铸件线尺寸的减小。铸件线尺寸的减小。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制3. 合金的收缩合金的收缩 合金的液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔、缩松缩孔、缩松的主要原因；而固态收缩是铸件产生铸造应力、变形和裂纹应力、变形和裂纹的根本原因，并直接影响铸件的尺寸精度。1.1 铸件成形

13、理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制3. 合金的收缩合金的收缩3） 影响收缩的主要因素影响收缩的主要因素 合金的化学成分。不同种类的合金，其收缩率不同。同类合金中，化学成分不同，其收缩率也不同。在铁碳合金中，铸钢和白口铸铁在铁碳合金中，铸钢和白口铸铁的收缩率大，灰铸铁的收缩率小的收缩率大，灰铸铁的收缩率小。这是由于灰铸铁在凝固过程中碳大部分是以石墨状态存在的，石墨的比容大，由此产生的体积膨胀可以抵消部分凝固收缩。 浇注温度。浇注温度主要影响液态收缩浇注温度主要影响液态收缩。提高浇注温度，合金的液态收缩增大。1.1 铸件成形理论基础 1.1.5 铸件成形过程控制3. 合金的收缩合金的收缩3）

14、影响收缩的主要因素影响收缩的主要因素铸型条件和铸件结构:如果铸件结构复杂或壁厚不均，冷却时各部分相互牵制也会阻碍收缩。 不同结构铸件的收缩情况不同结构铸件的收缩情况 自由线收缩率为2.5%受阻较小的线收缩率为1.5%受阻较大的线收缩率为1.0%受阻特别大的线收缩率为0.5%1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷、1.1.6 铸件常见缺陷 铸造应力铸造应力 金属在凝固和冷却过程中体积变化受到外界或其本身的制约，变形受阻而产生的应力。铸造应力可能是暂时性的，若引起应力的原因消除以后，应力便随之消失，称为临时应力；若引起应力的原因消除后应力不消失，则称为残余应力。常见的铸造应力有热应力、

15、机械阻碍应力和相变应力三种。（1）热应力：由于铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，铸件各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分的收缩量不一致，而且各部分之间还存在约束作用，此时产生的内应力称为热应力。 、01234s /MPa/0123s/41234s /t/tLtYt00(a )应 力 框 铸 件(b )两 杆 温 度 变 化 曲 线(c )两 杆 温 差 变 化 曲 线(d )两 杆 应 力 变 化 曲 线00+-bat/tm a xtHTTTT粗杆；细杆；横梁tL浇注温度; tY合金线收缩开始温度;tH两杆卸载时的温差；T、 T 粗、细杆固态冷却曲线壁厚不同的应力框铸件热应力的形

16、成过程壁厚不同的应力框铸件热应力的形成过程 、1.1.6 铸件常见缺陷 铸造应力铸造应力（1）热应力：由于铸件各部分厚薄不同，在凝固和其后的冷却过程中，铸件各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分的收缩量不一致，而且各部分之间还存在约束作用，此时产生的内应力称为热应力。 、1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷1. 铸造应力铸造应力1） 铸造应力的形成铸造应力的形成（2）机械阻碍应力：这种应力是由于铸件的收缩受到机械阻碍而产生的，是暂时性的。只要机械阻碍一消除，应力也随之消失。、套筒铸件收缩受到机械阻碍套筒铸件收缩受到机械阻碍 1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷1.

17、铸造应力铸造应力1） 铸造应力的形成铸造应力的形成（3）相变应力：固态发生的合金，由于铸件各部分冷却条件不同，它们到达相变温度的时刻不同，且相变的程度也不同而产生的应力称为相变应力。 、1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷、1. 铸造应力铸造应力2） 减小和消除铸造应力的方法减小和消除铸造应力的方法 在零件满足工作条件的前提下，尽量选择弹性模量和收缩系数小的合金材料； 在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀； 为了提高铸型和型芯的退让性；减小砂型的紧实度，或在型砂中加入适量的木屑、焦炭等，采用壳型或树脂砂型，效果尤为显著。 使铸件按“同时凝固”原则进行凝固； 铸件产生热

18、应力后，可用自然时效、人工时效和共振时效等方法消除。 铸件同时凝固示意图铸件同时凝固示意图 1.1.6 铸件常见缺陷2. 变形和裂纹变形和裂纹 当铸造应力值超过合金的屈服强度时，铸件将发生塑性变形；当铸造应力值超过合金的抗拉强度时，铸件将产生裂纹。铸件产生变形以后，常因加工余量不够或因铸件放不进夹具导致无法加工而报废。1） 铸件的变形：铸件的变形：带有铸造应力的铸件处于不稳定状态，它会自发地通过变形使应力减小而趋于稳定状态。显然，只有受拉应力的部分缩短，受压应力的部分伸长，铸件中的应力才有可能减小或消除。 、1.1.6 铸件常见缺陷2. 变形和裂纹变形和裂纹 当铸造应力值超过合金的屈服强度时，

19、铸件将发生塑性变形；当铸造应力值超过合金的抗拉强度时，铸件将产生裂纹。铸件产生变形以后，常因加工余量不够或因铸件放不进夹具导致无法加工而报废。1） 铸件的变形：铸件的变形：带有铸造应力的铸件处于不稳定状态，它会自发地通过变形使应力减小而趋于稳定状态。显然，只有受拉应力的部分缩短，受压应力的部分伸长，铸件中的应力才有可能减小或消除。 、(a)(b)(c)(d)T形梁铸件的变形形梁铸件的变形 1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷2. 变形和裂纹变形和裂纹1） 铸件的变形铸件的变形、1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷2. 变形和裂纹变形和裂纹1） 铸件的变形铸件的变形、

20、机床床身的挠曲变形和反挠度机床床身的挠曲变形和反挠度 1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷2. 变形和裂纹变形和裂纹2） 铸件的裂纹铸件的裂纹（1）热裂纹：热裂纹是凝固后期在高温下形成的。其特征是：裂纹其特征是：裂纹形状曲折而不规则，裂口表面严重氧化而无金属光泽，裂纹沿晶界产形状曲折而不规则，裂口表面严重氧化而无金属光泽，裂纹沿晶界产生和通过。生和通过。热裂纹常出现于铸件内部最后凝固的部位或铸件表面易产生应力集中的部位。 （2）冷裂纹：冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时，铸造应力超过合金的抗拉强度而产生的。其特征是：表面光滑，具有金属光泽或其特征是：表面光滑，具有金属光泽或呈微氧

21、化色，裂口常穿过晶粒延伸到整个断面，呈圆滑曲线或连续直呈微氧化色，裂口常穿过晶粒延伸到整个断面，呈圆滑曲线或连续直线状，裂缝细小，宽度均匀。线状，裂缝细小，宽度均匀。冷裂常出现在铸件受拉伸部位，特别是内尖角、缩孔、非金属夹杂物等应力集中处。 、1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷2. 变形和裂纹变形和裂纹2） 铸件的裂纹铸件的裂纹、1.1.6 铸件常见缺陷3. 缩孔和缩松缩孔和缩松 液态合金在铸型内冷凝过程中，当其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞。根据孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为

22、缩松。 、1.1 铸造成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷3. 缩孔和缩松缩孔和缩松1） 缩孔的形成缩孔的形成 趋向于逐层凝固方式结晶的金属（如纯金属、共晶合金和结晶温度范围窄的合金），易产生集中缩孔。、缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图 1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷3. 缩孔和缩松缩孔和缩松 2） 缩松的形成缩松的形成 主要表现在呈糊状凝固方式的合金中或截面较大的铸件壁中，是被树枝晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。、缩松形成过程示意图缩松形成过程示意图 1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷3. 缩孔和缩松缩孔和缩松3） 防止缩孔缩松的方法防止缩孔缩

23、松的方法 采用顺序凝固法、铸件的顺序凝固铸件的顺序凝固 1.1.6 铸件常见缺陷3. 缩孔和缩松缩孔和缩松 缩孔和缩松都会使铸件的力学性能下降，缩松对铸件承载能力的影响比集中缩孔要小，但它易影响铸件的致密性和物理、化学性能。因此，必须采取适当的工艺措施，防止缩孔和缩松的产生。3） 防止缩孔缩松的方法防止缩孔缩松的方法 采用顺序凝固法、铸件的顺序凝固铸件的顺序凝固 1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷3. 缩孔和缩松缩孔和缩松3） 防止缩孔缩松的方法防止缩孔缩松的方法、加压补缩将铸型置于压力室中，浇注后，迅速关闭压力室，使铸件在压力下凝固，可以消除缩松或缩孔。将呈胶状的浸渗剂渗入铸

24、件的孔隙，然后使浸渗剂硬化并与铸件孔隙内壁联成一体，从而达到堵漏的目的。浸渗技术将缩松转 化为缩孔尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固。对于一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固温度梯度的办法，使合金尽可能地趋向于逐层凝固。 1.1 铸造成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷4. 浇不足和冷隔浇不足和冷隔1） 浇不足的形成浇不足的形成浇不足是由于金属液未完全充满型腔而产生的铸件缺肉现象。、浇浇不不足足缺缺陷陷浇道铸件砂型浇不足1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷4. 浇不足和冷隔浇不足和冷隔1） 浇不足的形成浇不足的形成浇不足是由于金属液未完全充满型腔而产生的铸件缺肉

25、现象。、浇浇不不足足缺缺陷陷1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷、4. 浇不足和冷隔浇不足和冷隔1） 冷隔的形成冷隔的形成金属液充型时，由于冷却过快，两股对流的金属在未完全融合前就因凝固而停止流动，故在金属液的交接处融合不好，而且在铸件中会产生穿透的或不穿透的缝隙，这种缝隙便称为冷隔。冷隔冷隔1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷4. 浇不足和冷隔浇不足和冷隔2） 浇不足和冷隔的防止措施浇不足和冷隔的防止措施严格按照熔炼工艺操作，防止液体金属氧化，提高出炉温度，增加金属液的流动性。合理地布置浇注系统，增加内浇道的截面积，增加内浇道数量或改变铸件的浇注位置，使薄壁大面积处容易充型。提高型砂的透气性，适当设置出气冒口，使型腔内的气体顺利排出。减少铸型的发气量，使铸型干透。选择合理的浇注方案和浇注系统结构，如顶注式浇注系统、直浇道。尽量缩短浇注系统的总长度，让金属液流程缩短，充型过程流畅，在不喷溅的情况下浇注速度越快越好。 、1.1 铸件成形理论基础 1.1.6 铸件常见缺陷5. 气孔气孔1） 析出性气孔析出性气孔2） 侵入性