材料的液态成形工艺

1、名称第四章 材料的液态成形工艺学时共8学时教学目的和要求1. 铸造工艺基础部分。应掌握合金成分、工艺条件对液态合金充型能力、合金收缩性、吸气性等铸造性能的影响，以便能够分析不同合金获得优质铸件的难易程度，并分析应采取的工艺措施。2. 注意有些防止铸件缺陷的工艺措施是相互矛盾的，如高温浇注有利于金属液充型，但易产生粘砂缺陷；铸件顺序凝固有利于补缩，但易产生热应力等。因此，应综合考虑铸件合金、结构等因素，先解决主要矛盾，再采取措施解决其他问题。重点1、合金成分、工艺条件对液态合金充型能力、合金收缩性、吸气性等铸造性能的影响2、液态成形的结构工艺性难点液态成形的结构工艺性教学环节课堂讲授，多媒体习题

2、章后习题第四章 材料的液态成形工艺内 容备注材料可以在液态、固态以及粉体状态下通过各种工艺手段成形，材料的成形是制造零件的前提。液态成形是指将液态(或熔融态、浆状)材料注入一定形状和尺寸的铸型(mold)(或模具)型腔(mold cavity)中，凝固后获得固态毛坯或零件的方法，如金属的铸造工艺、陶瓷的注浆成形、塑料的注射成形等。本章主要介绍金属的铸造成形，其他材料的液态成形将在第七章和第八章中分别加以介绍。 第一节 金属铸造工艺简介 金属铸造(foundry，casting)是指将固态金属熔炼成液态，浇入与零件形状相适应的铸型型腔中，冷凝后获得铸件的工艺过程。作为一种历史悠久的材料成形方法，

3、铸造在现代机械制造工业中仍占有重要的地位。这是因为这种方法适应性强，能适用于各种金属材料，制成各种尺寸和形状的铸件，并使其形状和尺寸尽量与零件接近，从而节省金属，减少加工余量，降低成本。特别是对于具有复杂形状内腔的大型箱体件，铸造工艺有着其他成形方法无法比拟的优势。但液态金属在冷却凝固过程中形成的晶粒较粗大，也容易产生气孑L(blow hole)、缩孔(shrinkage cavity)和裂纹(crack)等缺陷(defect)，所以铸件的力学性能不如相同材料的锻件(forging)好。而且铸造生产过程存在生产工序多，铸件质量不稳定，废品率高，劳动强度较高等问题。随着生产技术的不断发展，铸件性

4、能和质量正在进一步提高，劳动条件正逐步改善。根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸造(sand casting process)和特种铸造(special casting process)两类。砂型铸造是以型砂作为主要造型材料的铸造方法；而特种铸造是指砂型铸造以外的所有铸造方法的总称。常用的特种铸造方法有熔模铸造(investment casting)、金属型铸造(permanent mould casting)、压力铸造(die casting)、低压铸造(10w-pressure die casting)和离心铸造(centrifugal casting)等。 图4l所示为砂型铸造工艺过

5、程示意图。首先根据零件的形状和尺寸设计并制造出模样(pattern)和芯盒，配制好型砂(moulding sand)和芯砂。然后用型砂和模样在砂箱(flask)中制造砂型，用芯砂在芯盒中制造型芯(core)，并把砂芯装入砂型中，合箱即得完整的铸型。将金属液浇入铸型型腔，冷却凝固后落砂清理即得所需的铸件。随着科学技术的发展以及现代化建设的需要，现代铸造技术发展的趋势是，在加强铸造基础理论研究的同时，发展和革新铸造新工艺及新设备，在提高铸件性能、精度和表面质量的前提下发展专业化生产，实现铸造生产过程的自动化和计算机辅助设计和制造，减少公害，节约能源，降低成本，使铸造技术进一步成为可与其他成形工艺相

6、竞争的少余量、无余量成形工艺。概括起来讲，铸造生产应该在优质、精化的前提下，实现高产、低耗、无害、价廉。第二节 铸造工艺基础知识 合金在铸造生产过程中表现出来的工艺性能称为合金的铸造性能，如流动性、收缩性、吸气性、偏析性(即铸件各部位的成分不均匀性)等。合金的铸造性能好，是指熔化时合金不易氧化，熔液不易吸气，浇注时合金液易充满型腔，凝固时铸件收缩小，且化学成分均匀，冷却时铸件变形和开裂倾向小等。合金的铸造性能好则容易保证铸件的质量，铸造性能差的合金容易使铸件产生缺陷，须采取相应的工艺措施才能保证铸件的质量，但却增加了工艺难度，提高了生产成本。一、液态金属的充型能力 液态金属的充型能力(mold

7、 filling capacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。液态金属的充型能力强，则能浇注出壁薄而形状复杂的铸件；反之则易产生冷隔、浇不足等缺陷。充型能力主要受金属液本身的流动性、性质、浇注条件及铸型特性等因素的影响。 1金属液的流动性 液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力越强。流动性的好坏，通常用在特定情况下金属液浇注的螺旋形试样的长度来衡量，如图42所示，试样长度大，说明金属液的流动性好。 液态金属的流动性是金属的固有性质，主要取决于金属的结晶特性和物理性质。不同成分的合金具有不同的结晶特点，纯金属和二元共晶成分的合金是在恒

8、温下结晶，液态合金首先结晶的部分是紧贴铸型型腔的一层(铸件的表层)，然后从铸件表层逐层向中心凝固。由于这类金属凝固时不存在固液两相区，所以已结晶的固体和液体之间的界面比较光滑，对未结晶的液态金属的流动阻力小，有利于金属液充填型腔，故流动性好。共晶成分的合金往往熔点低，在相同的浇注温度下保持液态的时间长，其流动性最好。而其他成分合金的结晶是在一定的温度范围结晶温度范围，即液相线温度与固相线温度的差值)内进行，存在固液两相共存区，在此区域内，已结晶的固相多以树枝晶的形式在液体中伸展，阻碍了液体的流动，故其流动性差。合金的结晶温度范围越大，枝晶越发达，其流动性越差。图43为铁碳合金的流动性与成分的关

9、系。 2浇注(pouring)条件 提高浇注温度(pouring temperature)，可使液态金属粘度下降，流速加快，还能使铸型温度升高，金属散热速度变慢，并能增加金属保持液态的时间，从而大大提高金属液的充型能力。但浇注温度过高，容易产生粘砂(sand adherence)、缩孔(shrinkage cavity)、气孔、粗晶(grain coarsening)等缺陷。因此在保证金属液具有足够充型能力的前提下，浇注温度应尽量降低。 增加金属液的充型压力，如压铸、提高直浇道(sprue)高度等，会使其流速加快，有利于充型能力的提高。 3铸型特性 铸型结构和铸型材料均影响金属液的充型。铸型中

10、凡能增加金属液流动阻力，降低流动速度和加快冷却速度的因素，如：型腔复杂，直浇道过低，浇口(gating system，running system)截面积小或不合理，型砂水分过多，铸型排气不畅和铸型材料导热性过高等，均能降低金属液的充型能力。为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚(wall thickness)不小于规定的“最小壁厚”(如表41所示)。对于薄壁铸件，要在铸造工艺上采取措施，如加外浇口、适当增加浇注系统的截面积、采用特种铸造方法等。表41 一般砂型铸造条件下，铸件的最小壁厚mm铸件尺寸mm铸钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金<200×200846653

11、35200×200500×50010126lO128468>500×500152015206二、合金的凝固特性 合金从液态到固态的状态转变称为凝固(solidification)或一次结晶(crystal1ization)。许多常见的铸造缺陷，如缩孔、缩松(porosity)、热裂(hot tear)、气孔、夹杂(inclusion)、偏析等，都是在凝固过程中产生的，认识铸件的凝固特点对获得优质铸件有着重要意义。 在铸件凝固过程中，其断面上一般存在固相区、凝固区和液相区三个区域，其中凝固区是液相与固相共存的区域，凝固区的大小对铸件质量影响较大，按照凝固区的宽

12、窄，分为以下三种凝固方式： 1逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固”，如图44a。如果合金的结晶温度范围很小，或铸件截面的温度梯度很大，铸件截面上的凝固区域就很窄，也属于逐层凝固方式。 2体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”(或称糊状凝固)，如图44c。 3中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸

13、件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方式，如图44b。 合金的凝固方式影响铸件质量。通常逐层凝固的合金充型能力强，补缩性能好，产生冷隔(cold shuts)、浇不足(short run)、缩孔、缩松、热裂等缺陷的倾向小。因此，铸造生产中应优先使用铸造性能较好的结晶温度范围小的合金。当采用结晶温度范围宽的合金(如高碳钢、球墨铸铁等)时，应采取适当的工艺措施，增大铸件截面的温度梯度，减小其凝固区域，减少铸造缺陷的产生。 影响铸件凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围(取决于合金成分)和铸件的温度梯度。合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于

14、逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固，如图45。温度梯度又受合金性质、铸型的蓄热能力、浇注温度等因素影响。合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部温度均匀倾向愈大，而铸型的冷却能力下降，铸件温度梯度愈小；铸型的蓄热系数大，则激冷能力强，铸件温度梯度大；浇注温度愈高，铸型吸热愈多，冷却能力降低，铸件温度梯度减小。三、合金的收缩性 1收缩及其影响因素 铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为收缩，它是铸造合金固有的物理性质。金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段： 液态收缩

15、从浇注温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。 凝固收缩从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩。 固态收缩从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。 金属的液态收缩和凝固收缩，表现为合金体积的缩小，使型腔内金属液面下降，通常用体收缩率来表示，它们是铸件产生缩孔和缩松缺陷的根本原因；固态收缩虽然也引起体积的变化，但在铸件各个方向上都表现出线尺寸的减小，对铸件的形状和尺寸精度影响最大，故常用线收缩率来表示，它是铸件产生内应力以至引起变形和产生裂纹的主要原因。 影响铸件收缩的主要因素有化学成分、浇注温度、铸件结构与铸型条件等。不同成分合金的收缩率不同，表42列出几种铁碳合金的收缩率。碳素铸钢和白口铸铁的

16、收缩率比较大，灰铸铁和球墨铸铁的较小。这是因为灰铸铁和球墨铸铁在结晶时析出石墨所产生的膨胀抵消了部分收缩。灰铸铁中碳、硅含量越高，石墨析出量就越大，收缩率越小。表42 几种铁碳合金的收缩率合金种类 碳素铸钢 白口铸铁 灰铸铁 球墨铸铁体收缩率线收缩率(自由状态) 1014 2.17 1214 2.18 58 1.08 O81 浇注温度主要影响液态收缩。浇注温度升高，液态收缩增加，则总收缩量相应增大。 铸件的收缩并非自由收缩，而是受阻收缩。其阻力来源于两个方面：一是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷速不同，收缩先后不一致，而相互制约，产生阻力；二是铸型和型芯对收缩的机械阻力。铸件收缩时受阻越大，实际收

17、缩率就越小。因此，在设计和制造模样时，应根据合金种类和铸件的受阻情况，采用合适的收缩率。 2收缩导致的铸件缺陷 合金的收缩对铸件质量产生不利影响，容易导致铸件的缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷。 (1)缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松。当逐层凝固的铸件在结晶过程中凝固壳内部的金属液收缩得不到补充时，则铸件最后凝固的部位就会产生缩孔，缩孔常集中在铸件的上部或厚大部位等最后凝固的区域，如图46所示。具有一定凝固温度范围的合金，存在着较宽的固液两相区，已结晶的初晶常为树

18、枝状。到凝固末期，铸件壁的中心线附近尚未凝固的液体会被生长的枝晶分割成互不连通的小熔池，熔池内部的金属液凝固收缩时得不到补充，便形成分散的孔洞即缩松，如图47所示。缩松常分布在铸件壁的轴线区域及厚大部位。 缩孔和缩松会减小铸件的有效截面积，并在该处产生应力集中，降低铸件力学性能，缩松还严重影响铸件的气密性。防止铸件产生缩孔、缩松的基本方法是采用顺序凝固原则，即针对合金的凝固特点制定合理的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在最后凝固的部位，在此部位设置冒口补缩。使铸件的凝固按薄壁厚壁冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得致密的铸件，如图4

19、8所示。 (2)铸造应力、变形和裂纹 铸件在冷凝过程中，由于各部分金属冷却速度不同，使得各部位的收缩不一致，又由于铸型和型芯的阻碍作用，使铸件的固态收缩受到制约而产生内应力，在应力作用下铸件容易产生变形，甚至开裂。 铸造应力按其形成原因的不同，分为热应力、机械应力等。热应力是因铸件壁厚不均匀，各部位冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而相互制约引起的，一经产生就不会自行消除，故又称为残余内应力。机械应力是由于合金固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍作用而形成的，铸件落砂之后，随着这些阻碍作用的消除，应力也自行消除，因此，机械应力是暂时的，但当它与其他应力相互叠加时，会增大铸件产生变形

20、与裂纹的倾向。 减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，即采取同时凝固原则，如图49所示。此外，改善铸型和砂芯的退让性，如在混制型砂时加入木屑等，可减少机械阻碍作用，降低铸件的机械应力。此外，还可以通过热处理等方法减少或消除铸造应力。 铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源。图4-10为“T”形铸件在热应力作用下的变形情况，虚线表示变形的方向。防止铸件变形的方法除减少铸造内应力这一根本措施外，还可以采取一些工艺措施，如增大加工余量，采用反变形法等，消除或减少铸件变形对质量的影响。 当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹

21、，裂纹有热裂纹和冷裂纹两种。热裂纹是在铸件凝固末期的高温下形成的，其形状特征是：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。铸件的结构不合理，合金的结晶温度范围宽、收缩率高，型砂或芯砂的退让性差，合金的高温强度低等，易使铸件产生热裂纹。冷裂纹是较低温度下形成的裂纹，常出现在铸件受拉伸的部位，其形状细长，呈连续直线状，裂纹断口表面具有金属光泽或轻微氧化色。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。凡是减少铸造内应力或降低合金脆性的因素，都有利于防止裂纹的产生。四、合金的吸气性及气孔 液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气体的能力称为吸气性。吸收的气体以氢气为主，也有氮气和氧气，这些气

22、体便成为铸件产生气孑L缺陷的根源。气孔是铸件中最常见的缺陷。 根据气体来源，气孔可分为以下三类： 1析出性气孔 溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中，随温度下降，合金液对气体的溶解度下降，气体析出并留在铸件内形成的气孔称为析出性气孔。析出性气孔多为裸眼可见的小圆孔(在铝合金中称为针孔)；分布面大，在冒口等热节处较密集；常常一炉次铸件中几乎都有，尤其在铝合金铸件中常见，其次是铸钢件。 防止此类气孔的主要措施有：尽量减少进入合金液的气体，如烘干炉料、浇注用具，清理炉料上的油污，真空熔炼和浇注等；对合金液进行除气处理，如有色合金熔液的精炼除气等；阻止熔液中气体析出，如提高冷却速度使熔液中的气体来不及析出

23、。 2侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液内所形成的气孔称为侵入性气孔。这类气孔一般体积较大，呈圆形、或椭圆形，分布在靠近砂型或砂芯的铸件表面。 防止此类气孔的主要措施有：减少砂型和砂芯的排气量，如严格控制型砂和芯砂中的水含量，适当减少有机粘结剂的用量等；提高铸型的排气能力，如适当减低紧实度，合理设置排气孔等。 3反应性气孔 反应性气孔主要是指金属液与铸型之间发生化学反应所产生的气孔。这类气孔多发生在浇注温度较高的黑色金属铸件中，通常分布在铸件表面皮下l3mm，铸件经过机械加工或清理后才暴露出来，故被称为皮下气孔。 防止反应性气孔的主要措施有：减少砂型水分，烘干炉料、用具；在型腔表面喷涂料，

24、形成还原性气氛，防止铁水氧化等。五、常用铸造合金的铸造性能特点 常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铸造有色合金等，其中以铸铁应用最广。 1铸铁 常用的铸铁材料有灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。 (1)灰铸铁 灰铸铁中的碳当量(C.E=C+Si3)接近共晶成分，熔点较低，属于中间凝固方式，铁水流动性好，可以浇注形状复杂的大、中、小型铸件。由于石墨化膨胀使其收缩率小，故灰铸铁不容易产生缩孔、缩松缺陷，也不易产生裂纹。因而灰铸铁具有良好的铸造性能。 孕育铸铁是铁水经硅铁等孕育剂处理后获得的高强度灰铸铁。与普通灰铸铁相比，它的流动性较差，收缩率较高。故应适当提高浇注温度，在铸件热节处设置补缩冒口。 (2)球墨

25、铸铁 球墨铸铁的铸造性能比灰铸铁差但好于铸钢。其流动性与灰铸铁基本相同。但因球化处理时铁水温度有所降低，易产生浇不足、冷隔缺陷。为此，必须适当提高铁水的出炉温度，以保证必需的浇注温度； 球墨铸铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀(即石墨化膨胀)，当铸型刚度小时，铸件的外形尺寸会胀大，从而增大缩孔和缩松倾向，特别易产生分散缩松。应采用提高铸型刚度，增设冒口等工艺措施，来防止缩孔、缩松缺陷的产生。 另外，由于球化处理时加入Mg，铁水中的MgS与砂型中的水分作用生成H2S气体，使球墨铸铁容易产生皮下气孔。因此，必须严格控制型砂的水分，并适当提高型砂的透气性，还应在保证球化的前提下，尽量少用Mg。

26、(3)可锻铸铁 可锻铸铁是先浇注出白口铸坯，再通过长时间的石墨化退火获得团絮状石墨的铸铁。其碳、硅含量较低，熔点比灰铸铁高，凝固温度范围也较大，故铁水的流动性差。铸造时，必须适当提高铁水的浇注温度，以防止产生冷隔、浇不足等缺陷。 可锻铸铁的铸态组织为白口组织，没有石墨化膨胀阶段，体积收缩和线收缩都比较大，故形成缩孔和裂纹的倾向较大。在设计铸件时除应考虑合理的结构形状外，在铸造工艺上应采取顺序凝固原则，设置冒口和冷铁，适当提高砂型的退让性和耐火性等措施，以防止铸件产生缩孔、缩松、裂纹及粘砂等缺陷。 2铸钢 铸钢的铸造性能差。铸钢的流动性比铸铁差，熔点高，易产生浇不足、冷隔和粘砂等缺陷。生产中常采

27、用干砂型，增大浇注系统截面积，保证足够的浇注温度等措施，提高其充型能力。铸钢用型(芯)砂应具有较高的耐火性、透气性和强度，如选用颗粒大而均匀、耐火性好的石英砂制作砂型，烘干铸型，铸型表面涂以石英粉配制的涂料等。 铸钢的收缩性大，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大，所以，铸钢件往往要设置数量较多、尺寸较大的冒口，采用顺序凝固原则，以防止缩孔和缩松的产生，并通过改善铸件结构，增加铸型(型芯)的退让性和溃散性，增设防裂筋，降低钢水硫、磷含量等措施，防止裂纹的产生。 3铸造有色金属 常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有流动性好，收缩性大，容易吸气和氧化等特点，特别容易产生气孔、夹渣缺陷。有色

28、合金的熔炼，要求金属炉料与燃料不直接接触，以免有害杂质混入以及合金元素急剧烧损，所以大都在坩埚炉内熔炼。所用的炉料和工具都要充分预热，去除水分、油污、锈迹等杂质，尽量缩短熔炼时间。不宜在高温下长时间停留，以免氧化和过多地吸收气体。浇注前常需对金属液进行特殊处理，减少熔液中的气体和熔渣。六、新型材料金属间化合物及其铸造性能特点 金属间化合物是指金属元素间、金属元素与类金属元素间形成的化合物，简称IMC(intermetallics compounds)。目前NiAl、TiAl和FeAl三个系列成为研究的热点。它们均具有抗高温氧化、耐磨、耐蚀、反常的温度强度特性等一系列优异的性能，也均具有室温脆性

29、和加工性能差的缺点。特别是FeAl金属间化合物以其低廉的原料成本而被认为是极具开发价值的新一代高温结构材料。本节以FeAl金属间化合物(Fe3Al)为例，介绍这种新型材料的铸造工艺特性。 Fe3Al合金的熔点超过l500，各种不同成分的Fe3Al合金均在真空中频感应炉内熔炼并在真空中浇铸成各种型号的铸锭。真空感应炉熔炼可分为装料、熔化、精炼与合金化等几个阶段。 装料：所有炉料入炉前均在100150的烘箱内经45 h的烘烤，减少入炉水汽。真空熔炼时应注意易挥发元素的加入方法，活泼元素及微量元素如Al、Ce、Zr、B等应装在炉内加料器中待精炼时加入，同时充Ar保护。其他合金材料如Mo、Nb、Zr等

30、均在装料时直接装入炉中。 熔化：熔化期的主要任务是使炉料熔化、去气、去除低熔点有害杂质和非金属夹杂物，并使合金液有适当的温度和足够的真空度为精炼做准备。一般采取逐级升高功率较慢熔化的工艺措施，以保证炉料中气体尽量排出。这一阶段一般持续60min，温度在l530左右。 精炼：精炼期的主要任务是完成脱气和去除杂质以进一步净化合金，调整合金成分并使之均匀化(即完成合金化过程)。精炼常在高温高真空下进行，对于Fe3Al合金在1550l600下保持1015min为宜。 合金化：合金化是指精炼末期加入合金元素(均为活泼金属和微量元素)，加入时炉内要有高的真空度，一般加入顺序是Al、Ce、B。Al加入时温度

31、可低一些。加Al后将放出大量的热使合金液温度迅速升高，加料速度应当均匀、缓慢，以防产生喷溅。Ce和B也要低温加入。因为这些元素密度都较小，每加完一种应当大功率搅拌一定时间，以加速其溶解和使之分布均匀，防止铸锭成分偏析。 浇注工艺：浇注前应大功率搅拌，使合金液温度和成分进一步均匀化，并将氧化膜及渣面推向炉后壁，以免混入合金锭中。真空浇注可以使合金液的流动性提高，因而浇注温度可适当降低，一般过热度为6080即可。浇注时应以中等功率继续供电，将氧化膜推向后壁不致混入锭中，同时也有利于化学成分均匀化。浇注后保持真空510min取锭。 影响Fe3Al合金液流动性的因素应从以下几个方面考虑： 1) 随着A

32、l含量的增加，合金结晶温度范围增宽，铸件断面上存在着既有发达的树枝晶又有未凝固的液体相混杂的两相区，越靠近合金液流前端枝晶数量越多，使合金液的粘度增加、流速下降。当液流前端的枝晶数量达到某一临界值时合金液就停止流动，故增加Al量，使二元Fe3Al合金液流动性降低。 2) Cr合金元素降低Fe3Al合金液流动性的规律类似于它降低铸铁液的流动性，其原因是Cr提高了液相线温度，这相当于增大了合金液的结晶温度范围，故使三元合金液的流动性下降，但影响程度小于Al、Mo、Nb、Zr等合金元素。浇注温度对合金液的充型能力有决定性的影响，但是随着浇注温度的提高，铸件一次结晶组织粗大，容易产生缩孔、缩松、裂纹等

33、缺陷。针对于Fe28A1配比的Fe3Al合金浇注温度应控制在l5501580，即过热温度在4070左右。第三节 砂型铸造 砂型铸造(sand casting)就是将液态金属浇入砂型的铸造方法。型(芯)砂通常是由石英砂、粘土(或其他粘结材料)和水按一定比例混制而成的。型(芯)砂要具有“一强三性”，即一定的强度、透气性(permeability)、耐火性(refractoriness)和退让性(collapsibility)。砂型可用手工制造，也可用机器造型。 砂型铸造是目前最常用、最基本的铸造方法，其基本过程见图41。砂型铸造的造型材料来源广，价格低廉。所用设备简单，操作方便灵活，不受铸造合金种

34、类、铸件形状和尺寸的限制，并适合于各种生产规模。目前我国砂型铸件约占全部铸件产量的80以上。一、造型方法的选择 造型方法的选择具有较大灵活性，一个铸件往往可用多种方法造型，应根据铸件结构特点、形状和尺寸、生产批量及车间具体条件等，进行分析比较，以确定最佳方案。 1手工造型 手工造型的方法很多，按模样特征分为整模造型、分模造型、活块造型、刮板造型、假箱造型和挖砂造型等；按砂箱特征分为两箱造型、三箱造型、地坑造型、脱箱造型等。 2机器造型 机器造型是用机器来完成填砂、紧实和起模等造型操作过程。与手工造型相比，可以提高生产率和铸型质量，减轻劳动强度。但设备及工装模具投资较大，生产准备周期较长，主要用

35、于成批大量生产。 机器造型按紧实方式的不同分震压造型、抛砂造型和射砂造型等。 (1)震压造型 图411所示为震压造型过程。首先将砂箱放在造型机的模板(图41la、b)上，打开定量砂斗门，型砂从上方填入砂箱内(见图411c)。控制压缩空气经进气口1进入震击活塞底部，顶起震击活塞等并将进气路关闭。活塞在压缩空气的推力下上升，当活塞底部升至排气口以上时压缩空气被排出。震击活塞等自由下落与压实活塞顶面进行一次撞击。此时进气路开通，上述过程再次重复使型砂逐渐紧实，如图41ld所示。控制压缩空气由进气口2通入压实汽缸底部，顶起压实活塞、震击活塞和砂箱等，使砂型受到压板的压实，如图4lle所示。然后排气，压

36、实汽缸等下降，压缩空气推动压力油进入起模压力缸内，四根起模顶杆同步上升顶起砂型，同时振动器振动，模样脱出，如图4llf所示。 (2)抛砂造型 图412为抛砂机的工作原理。抛砂头转子上装有叶片，型砂由皮带输送机连续地送入，高速旋转的叶片接住型砂并分成一个个砂团。当砂团随叶片转到出口处时，由于离心力的作用，以高速抛入砂箱，同时完成填砂与紧实。 (3)射砂造型 射砂紧实方法除用于造型外多用于制芯。图413为射砂机工作原理。由储气筒中迅速进入到射膛的压缩空气，将型芯砂由射砂孔射入芯盒的空腔中，而压缩空气经射砂板上的排气孔排出，射砂赶程是在较短的时间内同时完成填砂和紧实，生产率极高。 二、砂型铸造常见缺

37、陷铸造生产工序繁多，铸件缺陷的种类很多，产生的原因也很复杂。表43列出了铸件常见的几种缺陷及其产生的主要原因。 表43铸件常见缺陷及其原因类别缺陷名称和特征主要原因分析孔洞气孔 铸件内部出现的孔洞，常为梨形、球形，孔的内壁较光滑 1砂型和型芯紧实度过高 2型砂太湿，起模、修型时刷水过多 3砂芯未烘干或通气道堵塞 4浇注系统不正确，气体排不出去缩孔 铸件厚截面处出现的形状极不规则的孔洞，孔的内壁粗糙 缩松 铸件截面上细小而分散的缩孔 1浇注系统或冒口设置不正确，无法补缩或补缩不足 2浇注温度过高，金属液收缩过大 3铸件设计不合理，壁厚不均匀无法补缩 4与金属液化学成分有关，铸铁中C、si含量少、

38、合金元素多时易出现缩松砂眼 铸件内部或表面带有砂粒的孔洞 1型砂和芯砂强度不够或局部没舂实，掉砂 2型腔、浇注系统内散砂未吹净 3合箱时砂型局部挤坏，掉砂 4浇注系统不合理，冲坏砂型(芯)渣气孔 铸件浇注时的上表面充满熔渣的孔洞，常与气孔并存，大小不一，成群集结 1浇注温度太低，熔渣不易上浮 2浇注时没挡住熔渣 3浇注系统不正确，挡渣作用差表 面 缺 陷机械粘砂 铸件表面粘附着一层砂粒和金属的机械混合物，使表面粗糙 1砂型舂得太松，型腔表面不致密 2浇注温度过高，金属液渗透力大 3砂粒过粗，砂粒间空隙过大夹砂 铸件表面产生的疤片状金属突起物。表面粗糙，边缘锐利，在金属片和铸件之间夹有一层型砂

39、1型砂热湿强度较低，型腔表面受热膨胀后易鼓起或开裂 2砂型局部紧实度过大，水分过多，水分烘干后，易出现脱皮 3内浇道过于集中，使局部砂型烘烤厉害 4浇注温度过高，浇注速度过慢裂纹热裂 铸件开裂，裂纹断面严重氧化，呈暗蓝色，外形曲折而不规则冷裂 裂纹断面不氧化，并发亮，有时轻微氧化，呈连续直线状1砂型(芯)退让性差，阻碍铸件收缩而引起过大的内应力 2浇注系统开设不当，阻碍铸件收缩 3铸件设计不合理，薄厚差别大第四节 特种铸造 砂型铸造的工艺灵活性是其他铸造方法无法比拟的，但也存在一些难以克服的缺点，如一型一件，生产率低，铸件表面粗糙，加工余量较大，废品率较高，工艺过程复杂，劳动条件差等。为了克服

40、上述缺点，在生产实践中发展出一些区别于砂型铸造的其他铸造方法，我们统称为特种铸造(special casting processes)。特种铸造方法很多，不同的方法往往在某种特定条件下适应不同铸件生产的特殊要求，以获得更好的质量或更高的经济效益。以下介绍几种常用的特种铸造方法。一、金属型铸造 金属型铸造(permanent mould casting)是将液态金属浇入金属铸型，以获得铸件的铸造方法。由于金属型可重复使用，所以又称永久型铸造。 根据铸件的结构特点，金属型可采用多种型式。图414为活塞的金属型铸造示意图。该金属型由左半型1和右半型2组成，采用垂直分型，活塞的内腔由组合式型芯构成。铸

41、件冷却凝固后，先取出中间型芯4，再取出左、右两侧型芯3，然后沿水平方向拔出左右销孔芯5，最后分开左右两个半型，即可取出铸件。 金属型“一型多铸”，工序简单，生产率高，劳动条件好。金属型内腔表面光洁，刚度大，因此，铸件精度高，表面质量好。金属型导热快，铸件冷却速度快，凝固后铸件晶粒细小，从而提高了铸件的机械性能。金属型导热快，无退让性和透气性，铸件容易产生浇不足、冷隔、裂纹、气孔等缺陷。此外，在高温金属液的冲刷下，型腔易损坏。为此，需要采取如下工艺措施：浇注前预热铸型，使金属型在一定的温度范围内工作；型腔内涂以耐火涂料，以减慢铸型的冷却速度，并延长铸型寿命；在分型面上做出通气槽、出气口等，以利于

42、气体的排出；掌握好开型时间以利于取件和防止铸铁件产生白口组织。 金属型的成本高，制造周期长，铸造工艺规程要求严格，铸铁件还容易产生白口组织。因此，金属型铸造主要适用于大批量生产形状简单的有色合金铸件，如铝活塞、气缸、缸盖、油泵壳体，以及铜合金轴瓦、轴套等。二、熔模铸造 熔模铸造(investment casting)是用易熔材料制成模样，造型之后将模样熔化，排出型外，从而获得无分型面的型腔。由于熔模广泛采用蜡质材料制成，又称“失蜡铸造”。这种铸造方法能够获得具有较高精度和表面质量的铸件，故有“精密铸造”之称。 1基本工艺过程 熔模铸造的工艺过程如图415所示。主要包括蜡模(wax patter

43、n)制造、结壳、脱蜡(dewax)、焙烧和浇注等过程。 (1) 蜡模制造 通常根据零件图制造出与零件形状尺寸相符合的母模(如图415a)，再由母模形成一种模具(称压型)的型腔(如图415b)，把熔化成糊状的蜡质材料压入压型，等冷却凝固后取出，就得到蜡模(如图415c，d，e)。在铸造小型零件时，常把若干个蜡模粘合在一个浇注系统上，构成蜡模组(如图415f)，以便一次浇注出多个铸件。 (2) 结壳 把蜡模组放入粘结剂和石英粉配制的涂料中浸渍，使涂料均匀地覆盖在蜡模表层，然后在上面均匀地撒一层石英砂，再放入硬化剂中硬化。如此反复46次，最后在蜡模组外表形成由多层耐火材料组成的坚硬的型壳(如图415

44、g)。 (3) 脱蜡 通常将附有型壳的蜡模组浸入8595的热水中，使蜡料熔化并从型壳中脱除，以形成型腔。 (4) 焙烧和浇注 型壳在浇注前，必须在800950下进行焙烧，以彻底去除残蜡和水分。为了防止型壳在浇注时变形或破裂，可将型壳排列于砂箱中，周围用砂填紧(如图415h)。焙烧后通常趁热(600700)进行浇注，以提高充型能力。 2熔模铸造的特点和应用 熔模铸件精度高，表面质量好，无分型面，可铸出形状复杂的薄壁铸件，大大减少机械加工工时，显著提高金属材料的利用率。熔模铸造的型壳耐火性强，适用于各种合金材料，尤其适用于那些高熔点合金及难切削加工合金的铸造。并且生产批量不受限制，单件、小批、大量

45、生产均可。但熔模铸造工序繁杂，生产周期长，铸件的尺寸和重量受到铸型(沙壳体)承载能力的限制(一般不超过25 kg)。主要用于成批生产形状复杂、精度要求高或难以进行切削加工的小型零件，如汽轮机叶片和叶轮、大模数滚刀等。三、压力铸造 压力铸造(die casting)是在压铸机上将熔融的金属在高压下快速压入金属型，并在压力下凝固，以获得铸件的方法。 压铸机分为立式和卧式两种，图416为立式压铸机工作过程示意图。合型后，用定量勺将金属液注入压室中(如图416a)，压射活塞向下推进，将金属液压入铸型(如图416b)，金属凝固后，压射活塞退回，下活塞上移顶出余料，动型移开，取出铸件(如图416c)。 压

46、力铸造是在高速、高压下成形，可铸出形状复杂、轮廓清晰的薄壁铸件，铸件的尺寸精度高，表面质量好，一般不需机械加工可直接使用，而且组织细密，力学性能好；在压铸机上生产，生产率高，劳动条件好。 但是，压铸设备投资大，压型制造成本高，周期长，压型工作条件恶劣，易损坏。因此，压力铸造主要用于大批生产低熔点合金的中小型铸件，在汽车、拖拉机、航空、仪表、电器、纺织、医疗器械、日用五金及国防等部门获得广泛的应用。四、低压铸造 低压铸造(10w-pressure die casting)是介于金属型铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。是在较低的压力下，将金属液注入型腔，并在压力下凝固，以获得铸件。如图417所示，

47、在一个密闭的保温坩埚中，通入压缩空气，使坩埚内的金属液在气体压力下，从升液管内平稳上升充满铸型，并使金属在压力下结晶。当铸件凝固后，撤除压力，使升液管和浇口中尚未凝固的金属液在重力作用下流回坩埚。最后开启铸型，取出铸件。 低压铸造充型时的压力和速度容易控制，充型平稳，对铸型的冲刷力小，故可适用各种不同的铸型；金属在压力下结晶，而且浇口有一定补缩作用，故铸件组织致密，力学性能高。另外，低压铸造设备投资较少，便于操作，易于实现机械化和自动化。因此，低压铸造广泛用于大批量生产铝合金和镁合金铸件，如发动机的缸体和缸盖、内燃机活塞、带轮、粗纱锭翼等，也可用于球墨铸铁、铝合金等较大铸件的生产。五、离心铸造

48、 离心铸造(centrifugal casting)是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。离心铸造必须在离心铸造机上进行，按铸型旋转轴线的空间位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种，如图418所示。 离心铸造不用型芯，不需要浇注系统和冒口，工艺简单，生产率和金属的利用率高，成本低。在离心力作用下，金属液中的气体和夹杂物因密度小而集中在铸件内表面，金属液自外表面向内表面顺序凝固，因此，铸件组织致密，无缩孔、气孔、夹渣等缺陷，力学性能高，而且提高了金属液的充型能力。但是，利用自由表面所形成的内孔，尺寸误差大，内表面质量差，且不适于比重偏析大的合金。目

49、前主要用于生产空心回转体铸件，如铸铁管、气缸套、活塞环及滑动轴承等，也可用于生产双金属铸件。六、铸造方法的选择 各种铸造方法均有其优缺点，选用哪种铸造方法，必须依据生产的具体特点来定，既要保证产品质量，又要考虑产品的成本和现场设备、原材料供应情况等，要进行全面分析比较，以选定最适当的铸造方法。表44列出了几种常用的铸造方法，供选择时参考。 表4-4 几种常用铸造方法的比较比较项目铸造方法砂型铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造低压铸造离心铸造适用金属任意不限制，以铸钢为主不限制，以有色合金为主铝、锌等低熔点合金以有色合金为主以铸铁、铜合金为主适用铸件大小任意一般<25kg以中小铸件为主，也可用

50、于数吨大件一般10kg下小件，也可用于中等铸件中、小铸件为主不限制生产批量不限制成批、大量也可单件生产大批、大量大批、大量成批、大量成批、大量铸件尺寸精度ITl4ITl5ITllITl4ITl2ITl4ITllITl3ITl2ITl4ITl2ITl4(孔径精度低)表面粗糙度值Ram粗糙12.51.612.56.33.20.812.53.212.56.3(内孔粗糙)铸件内部质量结晶粗结晶粗结晶粗结晶细，内部多有气孔结晶细缺陷很少铸件加工余量大小或不加工小不加工小内孔加工量大生产率(一般机械化程度)低、中低、中中、高最高中中、高应用举例机床床身、轧钢机机架、变速器箱体、带轮等一般铸件刀具、叶片、自

51、行车零件、机床零件、刀杆、风动工具等铝活塞、水暖器材、水轮机叶片、一般有色合金铸件汽车化油器、喇叭、电器、仪表、照相机零件发动机缸体、缸盖、壳体、箱体、船用螺旋桨、纺织机零件各种铁管、套筒、环、辊、叶轮、滑动轴承等第五节 铸件结构工艺性 铸件结构工艺性通常是指铸件的本身结构应符合铸造生产的要求，既便于整个工艺过程的进行，又利于保证产品质量。铸件结构是否合理，对简化铸造生产过程，减少铸件缺陷，节省金属材料，提高生产率和降低成本等具有重要意义，并与铸造合金、生产批量、铸造方法和生产条件有关。一、铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷 铸件的许多缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形、浇不足、冷隔等，有时是由于铸件结构不合理而引起的。因此，设计铸件结构时应首先从保证产品质量的角度出发，尽量做到以下几点： 1壁厚合理 铸件壁厚大有利于金属液充型，但随着壁厚的增加，金属液冷速降低，铸件晶粒变粗大，力学性能下降。所以从细化结晶组织和节省金属材料考虑，应尽量减小铸件壁厚。但铸件壁厚太小又易导致冷隔、浇不足或生成白口组织等缺陷，故各种不同的合金视铸件大小、铸造方法不同，其最小壁厚应受到限制(参见表41)。 通常情况下，设计铸件壁厚时应首先保证金属液的充型能力，在此前提下尽量减小铸件壁厚。若铸件壁的承载能力或刚度不能满足要求时，可采用加强筋等结构。图419为台钻底板设计中采用加强筋的例子，采用加强筋后，可