第一篇金属的液态成形

1、1. 金属的液态成形(铸造)1.0 概述将金属材料加热到高温熔化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷却、凝固后获得所需金属制品，这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。金属的液态成形除了铸造之外，还有液态模锻。1.0.1铸造的定义铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。1.0.2铸造的基本过程 铸造生产的基本过程包括以下三个步骤：根据零件的要求，准备一定的铸型；把金属液体浇满铸型的型腔；金属液体在铸型型腔中冷凝成形，获得一定形状和尺寸的铸件。1.0.3铸造生产的特

2、点 铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形，具有以下特点：§ 优点：适应性广几乎所有金属及其合金，只要能够熔化成液态便能铸造，尤其是适合生产塑性差的材料。工艺灵活性大各种形状、尺寸(壁厚从0.51000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克几百吨)和生产批量的铸件都能生产，能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复杂内腔的毛坯。某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。省工省料铸件毛坯与零件形状相似，尺寸相近，加工余量小，金属利用率高，可以省工省料，精密铸件甚至不需切削加工，就可直接装配。生产成本低铸造用的原材料来源广泛，可直接利用报废的机件和切屑。造型设备投资少，易操

3、作。§ 缺点：铸件内部晶粒比较粗大，组织疏松，容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能和可靠性不如锻件，尤其是冲击韧性较差，不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。生产过程比较复杂，工序多且一些工艺过程难以精确控制，铸件质量不稳定，废品率较高。工人劳动强度大，劳动条件差。1.0.4铸造生产的发展历史我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百多年前，铸铁工具也已相当普遍。我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术)：泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。新中国成立后，在型(芯)砂方面：快速硬化的水玻璃砂及各种自硬

4、砂；在铸造合金方面：球墨铸铁及各种合金铸铁，“以铸代锻，以铁代钢”；在铸造设备方面：机械化、自动化的高压造型生产线；在新工艺、新技术方面：各种特种铸造方法及精密铸造方法广泛应用。代表性范例：河南安阳武官村晚商遗址出土的司母戊大方鼎(重达875kg)、湖北大冶春秋铜矿遗址、湖北随县出土的战国曾侯乙编钟(一套共65件、总重2567kg)、山西太原晋祠铁人(北宋) 河北沧州铁狮子(后周公元953年)重约40吨铜爵(商) 四羊樽(商) 铜斝(jia)(商)吕氏春秋、周礼·考工记、天工开物(明代宋应星)、梦溪笔谈(北宋沈括) 1.1 液态成形基础铸造生产中很少采用纯金属，而是使用各种合金。铸造

5、合金除应具有符合要求的机械性能和物理化学性能外，还必须考虑其铸造性能。液态合金充填铸型的过程，简称充型。合金的充型能力即是其铸造性能。合金的铸造性能包括流动性、收缩性、吸气性、偏析等。铸造性能是保证铸件质量的重要因素，是衡量各种铸造合金优异的重要标志。如果合金熔化时，不易氧化，不易吸收气体；浇注时液态合金容易充满型腔；凝固时铸件不易产生缩孔，且化学成分均匀；冷却时铸件不发生变形和开裂，这样的铸造合金就被认为具有良好的铸造性能，易获得完整而优质的铸件。1.1.1 合金的流动性1.1.1.1 流动性的概念图1-1 测定合金流动性的螺旋试样流动性是指液态(熔融)金属的流动能力。它是影响液态金属充型能

6、力的主要因素之一，也是合金的主要铸造性能之一。合金流动性越好，充型能力越强，越容易获得轮廓细致清晰、薄壁而形状复杂的铸件；同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮排除；还有利于对合金冷凝过程中所产生的收缩进行补缩。流动性较差的铸造合金则易产生浇不足、冷隔及夹渣、气孔等铸造缺陷。1.1.1.2 合金流动性的测定合金的流动性可用螺旋试样测定法进行测定。将液态合金浇入螺旋线形的铸型型腔中，所得的螺旋试样的长度就代表其流动性的好坏。显然，在相同的铸型及浇注条件下，浇出的螺旋试样越长，则表示该合金的流动性越好。在常用铸造合金中，铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。表1-1几种铸造合金的流动性合

7、金种类铸型种类浇注温度/螺旋线长度/mm铸铁：wC+Si=6.2%5.9%5.2%5.0%4.2%砂型1300180013001000800600铸钢：wC = 0.4%wC = 0.4%砂型16001640100200铝硅铝明镁合金金属型（预热300）砂型680680720700400700800400600锡青铜ZQSn10-2ZQSn3-7-5-1硅黄铜砂型1040980110042019510001.1.1.3 影响流动性的因素 影响合金流动性的因素很多，其中化学成分的影响最为显著。 化学成分合金的结晶特性对流动性影响很大：结晶温度范围窄的合金流动性好，故纯金属和共晶成份合金流动性好；

8、结晶温度范围宽的合金流动性差，故远离共晶成分的亚共晶和过共晶合金流动性差。C、Si含量越高，越接近共晶成分，流动性越好；P也可提高流动性，但易引起冷脆；S、Mn则会降低流动性。 浇注条件浇注温度 在一定范围内，浇注温度越高，合金保持液态的时间越长，且使金属液粘度降低，其中的杂质易于上浮或溶解，减少了内摩擦。同时液态合金过热度越高，传给铸型的热量越多，铸型与金属液的温差越小，故合金流动性好，充型能力强。但浇注温度过高，液态合金收缩增大，吸收气体多，氧化严重，流动性反而会下降，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。因此在保证流动性的前提下，浇注温度应尽可能低一些。但对于形状复杂的薄壁件或流动性较

9、差的合金可适当提高浇注温度，以防止浇不足、冷隔等缺陷。生产中每种合金都有一定的浇注温度范围：铸钢为15201620，铸铁为12301450，铝合金为680780。薄壁复杂件取上限，厚壁件取下限。充型压力液态合金在流动方向上所受压力越大，其流动性越好，充型压力也越强。砂型铸造时，可采用增加内浇口截面、直浇口高度或提高浇包位置等方法，以提高充型压力，增加合金流动性；也可采用压力铸造、低压铸造、离心铸造等人工加压的方法，提高充型能力，增加合金流动性。浇注系统的结构浇注系统的结构越复杂，流动的阻力就越大，流动性就越低。故在设计浇注系统时，要合理布置内浇道在铸件上的位置，选择适当的浇注系统结构和各部分(

10、直浇道、横浇道和内浇道)的横截面积。 铸型填充条件液态合金充型时，铸型阻力将影响合金流动速度，而铸型与合金之间的热交换又将影响合金保持液态的时间。因此，铸型的下列因素对充型能力有显著影响：铸型蓄热能力(导热性)铸型材料的导热系数和比热越大，对液态合金的激冷能力越强，合金充型能力越差，流动性越差。例如，金属型中的流动性比在湿砂型中低20%25%，而湿砂型中的流动性比干砂型中低10%20%。铸型温度(冷却速度)在金属型铸造和熔模铸造时，可将铸型预热。由于减少了铸型和液态合金之间的温差，减缓了冷却速度，故增加了合金流动性，提高了充型能力。铸型透气性在高温液态合金的作用下，型腔中的气体膨胀，型砂中的水

11、分汽化，煤粉和其它有机物的燃烧，将产生大量气体。若铸型的透气性差，则型腔中气体压力增加，会阻碍液态合金充型。 铸件结构铸件结构如壁厚、尺寸大小、复杂程度等，对充型能力也有较大影响。当铸件壁厚过小，厚薄部分过渡面多，有大的水平面等结构时，都会降低金属液的流动性。另外，液态合金的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对流动性都有影响。1.1.2铸件的凝固与收缩 浇入铸型型腔的液态金属在冷凝过程中，如果其液态收缩和凝固收缩得不到补充，铸件将产生缩孔或缩松缺陷。为防止上述缺陷产生，必须合理地控制铸件的凝固过程。1.1.2.1 铸件的凝固方式及其影响因素 凝固方式 在铸件凝固过程中，其断面上一般存在着液相区

12、、凝固区和固相区三个区域。其中，对铸件质量影响最大的是液固两相共存的凝固区的宽窄。逐层凝固纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在凝固区，故断面上外层的固体和内层的液体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。随着温度的下降，固体层不断加厚，液体层不断减少，直达铸件中心。这种凝固方式称为逐层凝固。糊状凝固如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而是液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固方式与水泥的凝固类似，即先呈糊状而后固化，故称为糊状凝固。中间凝固大多数合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。铸件质量与其凝固方式密切相

13、关。一般说来，逐层凝固时，液态合金充型能力强，便于防止缩孔、缩松等铸造缺陷；糊状凝固的铸件则容易得到粗大疏松的组织。 影响铸件凝固方式的因素影响凝固方式的因素主要是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢因结晶温度范围窄为逐层凝固，而高碳钢因结晶温度范围宽为糊状凝固。铸件的温度梯度当合金结晶温度范围一定时，凝固区域的宽窄取决于铸件内外层之间的温度梯度。如果铸件的温度梯度由小变大，则其对应的凝固区会由宽变窄。综上所述，趋向于逐层凝固的合金(如灰口铸铁、铝硅合金等)便于铸造，应尽量选用；当必须采用倾向于糊状凝固

14、的合金(如锡青铜、铝铜合金、球墨铸铁等)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。1.1.2.2 铸件的收缩及其影响因素 收缩的定义：收缩是指铸造合金在冷却凝固过程中所产生的体积或尺寸缩小的现象。收缩是金属及合金的物理特性。合金的收缩会给铸造工艺带来许多困难，还会导致铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形等铸造缺陷。 收缩的过程及收缩率 液态金属从浇注温度冷却到室温的收缩过程分为以下三个阶段：表1-2 合金收缩的三个阶段液态收缩（TT液）是产生缩孔、缩松的基本原因凝固收缩（T液TT固）固态收缩（TT固）是产生内应力、变形和裂纹的基本原因液态收缩阶段从浇注温度到开始凝固温度之间

15、的收缩，即液相线以上的收缩。此阶段液态金属不发生状态和组织变化，收缩由温度下降引起，所以过热度越高，液态收缩率越大。表现为型腔内金属液面的降低。凝固收缩(结晶收缩)阶段从开始凝固温度到终止凝固温度之间的收缩，即液相线到固相线之间的、液固共存的收缩。收缩量包括：由液态转变为故态的体积收缩；从液相线到固相线温度下降引起的体积收缩；组织变化引起的体积收缩。合金的结晶温度范围越大，凝固收缩率越大。固态收缩阶段从终止凝固温度到室温之间的收缩，即固相线以下的收缩。此阶段的收缩是由温度下降引起的体积收缩。对于凝固后有相变的合金，相变时也会引起体积变化。以上三种收缩的总和即是合金的总体积收缩。合金的液态收缩和

16、凝固收缩能引起铸件体积的变化，常用单位体积收缩量(即体收缩率)来表示，是造成缩孔、缩松的根本原因；而合金的固态收缩还会引起铸件外形尺寸的变化，常用单位长度上的收缩量(即线收缩率)来表示，是造成铸件内应力、变形和裂纹的根本原因。铸造合金由高温t0降到低温t时的体收缩率和线收缩率可表示如下：式中 V0、L0合金在t0时的体积(cm3)和长度(mm)； V、L合金在t时的体积(cm3)和长度(mm)。表1-3 几种常见合金的收缩率材料种类线收缩率/%体收缩率/%灰口铸铁158铸造有色金属1.55铸造碳钢21014 影响铸件收缩率的因素合金种类不同合金具有不同的收缩率。常用铸造合金中，铸钢的收缩率最大

17、，白口铸铁次之，灰口铸铁最小。灰口铸铁收缩很小是由于其中大部分碳以石墨形式存在，石墨的比容大，在结晶过程中石墨析出所产生的体积膨胀部分抵消了合金的凝固收缩。通常，每析出1%石墨，铸件体积将增加2%。化学成分不同元素对石墨化的影响不同。促进石墨化的元素含量越多，析出的石墨越多，收缩越小；阻碍石墨化的元素越少，则收缩越大。浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液态收缩量增加。通常，每下降100，体积收缩量约为1.6%。所以生产中常采用“高温出炉，低温浇注”的措施来减小收缩量。铸造工艺铸型条件、铸型结构等对收缩量也有较大影响。铸件在铸型中冷却时，不仅由于各部分冷却速度不同，收缩彼此制约，产生阻力，而

18、且还会受到铸型和型芯的阻力，所以铸件的实际收缩量小于自由收缩量。铸件的形状、尺寸和工艺条件不同，实际收缩量也不相同。1.1.2.3 铸件中缩孔、缩松的形成及其防止措施缩孔和缩松是因合金收缩引起的常见铸造缺陷。 缩孔、缩松的形成原因及过程 铸件凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，致使铸件最后凝固的地方出现了一些孔洞。这些孔洞可按大小和分布情况分为缩孔和缩松，大而集中的孔洞称为缩孔，小而分散的孔洞称为缩松。缩孔：在铸件的上部或最后凝固部位形成的、容积较大且呈倒锥形的孔洞。通常隐藏在铸件内部，但有时呈明显凹坑，暴露在铸件上表面。缩孔形成的原因是合金的液态收缩和凝固收缩未能得到液态金

19、属的补充所致。 缩孔产生的条件是：金属在恒温或很窄的温度范围内，以逐层凝固方式结晶。纯金属和共晶成分的合金易产生集中缩孔。缩松：铸件中分散在某一区域内的细小缩孔。缩松形成的原因也是合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，使铸件最后凝固区域的收缩未能得到补偿或因合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补偿而形成的。缩松分为宏观缩松和显微缩松。宏观缩松是用肉眼或放大镜能观察到的、密集的小孔洞，多分布在铸件中轴线处或缩孔下方；显微缩松则是分布在晶粒之间的微小孔洞，用显微镜才能观察到，分布面积更为广泛。结晶温度范围越宽的合金，越易形成显微缩松；它影响铸件的气密性；显微缩松难以完全避免，一般铸

20、件不将其作为缺陷，但有气密性或机械性能、物理化学性能要求很高的铸件则必须减少。 影响缩孔、缩松形成的因素液态收缩和凝固收缩大的合金，易产生缩孔和缩松；浇注温度愈高，液态收缩愈大，缩孔的体积也愈大；纯金属、共晶合金和结晶温度范围窄的合金，容易产生集中缩孔，但缩松倾向较小，如铸造铝青铜、 铝硅合金；结晶温度范围宽的合金，易于形成缩松，如锡青铜、球墨铸铁等； 缩孔、缩松的防止“顺序凝固”原则缩孔和缩松都是铸件的严重缺陷，必须根据技术要求、采取适当的工艺措施进行防止。实践证明，采用顺序凝固可以消除缩孔、缩松。“顺序凝固”是指在铸件上可能出现缩孔的厚截面处(称为热节)，通过设置适当的补缩冒口或冷铁，控制

21、铸件的凝固过程，使铸件上远离浇冒口的部位先凝固，浇冒口处最后凝固的铸件凝固工艺。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的液态金属来补充；后凝固部位的收缩由冒口中的液态金属来补充，从而使铸件各部位的收缩得到补充，将缩孔转移到冒口中。补缩冒口直径应大于热节直径，以保证冒口里的液态合金最后凝固，使缩孔转移到冒口里去。冒口与浇口一样，是铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，还可在铸件上不宜设置冒口的厚大部位(热节)增设冷铁。冷铁仅是加快某些部位的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序，但本身并不起补缩作用。冷铁通常用钢或铸铁制成。为了实现顺序凝固，设置补缩冒口和

22、冷铁的特点如下：§ 优点：冒口补缩作用好；铸件组织致密，机械性能好。§ 缺点：铸件各部分温差较大，冷却速度不一致，易产生铸造应力、变形和裂纹等缺陷；冒口和冷铁消耗金属材料，切割费事，增加铸件的加工工时和成本。因此冒口和冷铁通常用于必须补缩的铸件上，如铸钢件、铸造铝青铜和铝硅合金件等易产生缩孔的合金铸件。顺序凝固原则适用于收缩大的合金或壁厚差大的铸件，如铸钢、可锻铸铁。注意：设置冒口对防止缩孔的效果较好，对防止缩松的效果不显著。适当提高铸型冷却速度或对铸型内的液态金属进行振动或搅拌，可起到细化晶粒，减少铸件产生缩松的效果。1.1.2.4 铸造应力 铸造应力的定义及种类铸件在凝

23、固之后继续冷却，还要进行固态收缩，使铸件尺寸缩小。但由于铸件各部分冷却不均匀，各部分相互牵制，固态收缩受到阻碍而引起内应力，称为铸造应力。阻碍按形成的原因不同可分为热阻碍和机械阻碍。其中，热阻碍是指铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍；机械阻碍是指铸型、型芯对铸件收缩的阻碍。由热阻碍引起的内应力称为热应力；由机械阻碍引起的内应力称为机械应力(收缩应力)。另外，还有铸件固态相变产生体积变化而引起的相变应力，该应力较小，一般很少考虑。铸造应力可能是暂时的(当引起应力的原因消除后，应力随之消失)，称为临时应力；也可能是长期存在的，称为残留应力。热应力的产生原因及防止措施热应力是由于铸件

24、壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，存在着较大的温差，使固态铸件各部分在同一时间内收缩不同而产生的内应力。落砂清理后，热应力仍存在于铸件中，是一种残留应力。由此可知，热应力使铸件厚壁部分或心部受拉伸，薄壁部分或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大，热应力越大；合金的线收缩率越高，弹性模量越大，热应力也越大。铸件产生热应力与变形的规律：薄壁、细小部位：冷得快，受压应力(凸出)；厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉应力(凹进)。为了防止热应力应尽量减少铸件各部分的温差，使其均匀冷却，在工艺上应采用“同时凝固”原则，其工艺是将内浇口开在铸件薄壁处，以增加该处的热量，减缓薄壁处的冷却速度；也可在铸件厚壁处安放冷铁，以加

25、快该处的冷却速度。同时凝固既可减少热应力，防止铸件产生变形和裂纹，又可不用冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松，主要用于灰口铸铁件、锡青铜件或者壁厚均匀的薄壁铸钢件机械应力的产生原因及防止措施铸件冷却到弹性状态、固态收缩时，由于受到铸型、型芯和浇冒口等的机械阻碍而产生的内应力，成为机械应力。机械应力一般为拉应力或剪应力，由于它是在铸件处于弹性状态时产生的，因而当形成应力的原因(如落砂、切除浇冒口等)消除后，应力也随之消失。因此，机械应力是一种暂时应力。但如果它与残留热应力同时作用，增大了某些部位的拉应力。当瞬时超过铸件的强度极限(b)时，铸件将产生裂纹。铸件在有应力的情况下，如受

26、到落砂、清理或运输中的碰撞或加热过快，也会引起裂纹，冬季尤易发生。 铸造应力的防止措施设计铸件时，尽量避免牵制收缩的结构，使各部分能自由收缩；采用“同时凝固”原则，减少铸件各部分的温度差； 造型工艺上合理设置浇冒口，改善铸型、型芯的退让性；对铸件进行自然时效处理或去应力退火处理。对一些重要的铸件(如机床床身、刀架、变速箱等)，在粗加工后还要再次进行去应力退火。1.1.2.5 铸件的变形与防止措施如前所述，具有残余内应力的铸件，壁厚不同时，厚壁部分及心部受拉伸，薄壁部分及表层受压缩，但处于这种状态的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减少其内应力，以趋于稳定状态。显而易见，只有受拉伸的厚壁部分及

27、心部产生压缩变形，受压缩的薄壁部分及表层产生拉伸变形，才能减少或消除铸件中的残余内应力。应力状态：厚拉薄压、后拉先压变形方向：受拉应力的部分向材料内部凹陷，受压应力的部分向材料外部凸起。如图所示为车床床身，其导轨部分因较厚受拉应力，床壁部分较薄受压应力，于是朝着导轨方向发生弯曲变形，使导轨呈内凹。事实上，形状简单的铸件也会处于应力状态，因表层冷却快，受压应力；心部冷却慢，受拉应力。如一平板铸件，壁厚尽量均匀，但其中心部分因比边缘散热慢而受拉应力，边缘则受压应力。由于铸型上面比下面冷却快，于是该平板发生凸起变形。有的铸件虽无明显变形，但经切削加工后，破坏了铸造应力的平衡，又会产生变形甚至裂纹。铸

28、件产生翘曲变形后，常因加工余量不够或放不进夹具，无法加工而报废。因此必须防止铸件产生变形。其主要防止措施如下：在铸件设计时尽可能地使铸件的壁厚均匀、形状对称；对于壁厚不均匀、细长易变形的杆类、板类铸件可采用反变形工艺，即在模型上预先留出相当于铸件变形量的反变形量(如机床导轨上凹)，以抵消铸件的变形；在铸造工艺上应采用“同时凝固”的方法，以使铸件各部分冷却均匀；去应力退火(时效处理) 对于不允许发生变形的重要铸件必须进行时效处理。时效处理可分为自然时效和人工时效两种。时效处理宜在粗加工之后进行，既可消除原有铸造应力，又可将粗加工产生的内应力一并消除。1.1.2.6 铸件的裂纹与防止措施 铸件冷却

29、过程中，当铸件中的内应力超过合金的强度极限b时，铸件便产生裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷，会造成铸件报废。裂纹按照形成原因可分为热裂纹和冷裂纹。 热裂纹热裂纹的产生原因热裂纹是铸件在高温下产生的裂纹，多发生在固相线温度附近，在拉应力作用下，沿晶界开裂。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、外形曲折不规则(裂纹沿晶粒边界产生和发展)，裂纹表面呈氧化色(与空气接触)。热裂是铸钢件、白口铸铁件和某些铝合金铸件常见的缺陷之一。在铸钢件的废、次品总数中，由热裂引起的约占20%以上。凝固末期，合金绝大部分已成固体，但其强度和塑性很低，当铸件的固体线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统等的机械阻碍，产生的机械应力超过该温度下合

30、金的强度极限，就能引起热裂。热裂纹的影响因素影响热裂纹形成的主要因素是合金性质和铸型阻力。合金性质 铸造合金的结晶温度范围越宽，液固两相区的绝对收缩量越大，合金的热裂倾向也越大。在常用合金中灰口铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩小，热裂倾向也小；而铸钢、铸铝、可锻铸铁的热裂倾向大。钢铁中的S，因可形成低熔点的共晶体，扩大了结晶温度范围，增加合金热脆性，故S含量越多，热裂倾向越大。铸型阻力 铸型退让性越好，机械应力越小，热裂倾向也越小。铸型退让性与铸型材料中粘结剂种类有关，如粘土砂高温强度大，用它制作的薄壁铸件的型芯易引起热裂；当采用有机粘结剂配制型芯砂时，因高温强度低，退让性好，热裂倾向小。为提高粘土

31、砂的退让性，可在其中掺入少量锯末、纸屑等。总之，合金的收缩率大、高温强度低、铸件结构不合理、铸造工艺不合理、铸型和型芯机械阻力大等都会加大热裂倾向。热裂纹的防止措施主要措施有：使铸件结构合理，改善铸型和型芯的退让性，减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇口设置应符合同时凝固原则，此外还应减少合金中的S含量等等。 冷裂纹冷裂纹的产生原因冷裂纹是铸件在较低温度或室温下，处于弹性状态时产生的裂纹。其形状特征是：裂纹表面光滑，裂纹细小，呈连续直线或圆滑曲线状(穿过晶粒而发生)，裂纹表面具有金属光泽或微氧化色。冷裂纹往往出现在形状复杂的大型工件的受拉应力部位，特别是应力集中的地方，如尖角、缩孔、气孔、夹渣

32、等缺陷附近，有些冷裂纹是在铸件落砂清理、搬运或机械加工时受震击或碰撞才出现。冷裂纹的影响因素铸件的冷裂倾向与铸件内应力的大小密切相关，不同铸造合金的冷裂纹倾向不同。白口铸铁、高碳钢及某些合金钢(如高锰钢)等塑性差、脆性大的合金易产生冷裂倾向 (塑性好的合金因内应力可通过塑性变形自行缓解，不易冷裂)；铁碳合金中P含量较高也会引起冷裂纹；机械碰撞和结构上的缺陷也会产生冷裂纹。冷裂纹的防止措施主要措施有：设法减小铸造内应力，合理设计铸件结构，控制钢铁的P含量，减少机械碰撞。总之，不管热裂纹或冷裂纹，其防止防止措施如下：设计铸件时，要求壁厚均匀，转角处采用圆角过渡；选择收缩倾向小的合金，严格控制S、P

33、含量；提高铸型退让性，控制落砂或开型温度，减少机械应力。1.1.3合金的吸气性与铸件的气孔1.1.3.1吸气性的定义吸气性是指合金在熔炼和浇注过程中吸收气体的特性。液态金属之所以吸收气体是由于金属在熔化过程中很难与气体隔离。一些双原子气体(如H2、N2、O2等)可从炉料、炉气等途径进入液态合金中。其中，氢气因不与金属形成化合物，且原子直径最小，故较易溶解于金属液中。1.1.3.2影响吸气性的因素1温度 合金的吸气性随着温度升高而增大，气体在液态合金中的溶解度较固态大得多，合金过热度越高，气体的溶解度越高；合金的种类和气体的成份。1.1.3.3 气孔的种类气孔是溶于液态金属中的气体未来得及逸出而

34、在铸件中形成的孔洞，是铸件最常见的缺陷。气孔形成的原因是溶解于液态合金中的气体，在冷凝过程中，由于溶解度降低，以气泡形式析出而上浮时，因上浮气泡遇到阻碍或因冷却合金液粘度增加使其不能上浮，就会滞留在铸件中形成气孔。按气体的来源，气孔可分为：侵入气孔 侵入气孔是指由于砂型表面层聚集的气体侵入液态金属中而形成的气孔。其特征是：多位于铸件上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔的内表面被氧化。 侵入铸件中的气体主要来自造型材料中的水分、粘接剂和各种附加物。当液态金属浇入铸型型腔内，型壁表面的水分汽化，形成一层有一定厚度的水分饱和聚集区。这时气流只能从分型面、通气孔等处逸出，或者在铸型表层聚集成许多高

35、压中心点。如果铸型排气不畅，聚集的气压就会越来越高。当气压超过液态金属的静压力时，部分气体就会侵入到金属液中，其中一部分形成气泡，穿过金属液逸出，其余留在铸件内形成气孔。 防止侵入气孔的措施主要有：降低型(芯)砂的发气量、增加铸型的排气能力。析出气孔析出气体是指溶解于液态金属中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出时，在铸件中形成的气孔。其特征是：分布面积较广，有时遍及整个截面，而气孔的尺寸很小。析出气孔多见于铝合金中，因其直径大多小于1mm，故常称为“针孔”，它不仅会降低铝合金的机械性能，并将严重影响铸件的气密性，致使铸件在承受压力时产生渗漏。防止析出气体的措施主要有：烘干和洁净炉料，使

36、炉料入炉前不含水、锈、油等；严格执行熔炼及浇注操作工艺，减少金属液与空气接触，并控制炉气为中性气氛。反应气孔 反应气孔是指浇入铸型型腔中的液态金属与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔。其特征是：多分布于铸件表层下12mm处，呈皮下气孔。1.1.3.4 防止气孔的措施严格控制气体来源，或对液态金属进行保护；冶金脱气和机械脱气；适当降低浇注温度，让气体排出。1.1.4合金的偏析1.1.4.1 偏析的定义偏析是指在铸件中出现的各部分化学成份不均匀、金相组织不一致的现象。偏析使铸件的性能不均匀，应注意防止。1.1.4.2 偏析的分类 合金的偏析主要有晶内偏析、比重偏析等。

37、晶内偏析(枝晶偏析)：晶内偏析是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。其产生的原因是合金的凝固速度较快，原子来不及充分扩散，又开始下一阶段的结晶过程。晶内偏析对铸件质量影响不大，重要铸件可以通过扩散退火来减小或消除晶内偏析的倾向。区域偏析：区域偏析是指因合金组元的比重或熔点不同，导致铸件内部区域性化学成分不均匀的现象。区域偏析可以通过浇注时充分搅拌或加快合金冷却速度来防止。1.2 常用合金铸件的生产表1-4铸件按材料分类铸 件材 料铸铁件灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、特种性能铸铁(耐热铸铁、耐蚀铸铁和耐磨铸铁等)铸钢件铸造碳钢、铸造合金钢铸铜件铸造青铜、铸造黄铜轻合金铸件铸造铝合金、铸造镁合金其它

38、铸件铸造锌合金、铸造钛合金、铸造轴承合金等1.2.1 铸铁件的生产1.2.1.1 铸铁的种类铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。铸铁的基体组织是铁素体(F)和珠光体(P)，按碳在铸铁中存在形式的不同，可分为：表1-5 白口铸铁碳主要以碳化物(Fe3C)形式存在灰口铸铁碳主要以片状石墨形式存在可锻铸铁碳主要以絮状石墨形式存在球墨铸铁碳主要以球状石墨形式存在 灰口铸铁灰口铸铁是碳以片状石墨的形态存在的铸铁。化学成份表1-6 灰口铸铁的化学成分C/%Si/%Mn/%S/%P/%2.73.61.12.50.61.20.150.5灰口铸铁的组织性能表1-7 灰口铸铁的牌号、性能和用途牌号铸件壁厚/mm

39、抗拉强度b /MPa硬度/HBS用途举例HT1002.5101020203030501301009080110167931408713182122负荷很小的不重要件或薄壁件，如防护罩、盖板、重锤等HT1502.510102020303050175145130120136205119179110167100157承受中等负荷的零件，如机座、支架、箱体、皮带轮、法兰、轴承座、泵体、阀体等HT2002.510102020303050220195170160157236148222134200129190承受中等载荷的重要铸件，如汽缸、齿轮、齿条、刀架、飞轮、一般机床的床身等HT25041010202

40、0303050270240220200174262164247157236160225汽缸、机体、齿轮、床身、油缸、阀体、凸轮、齿轮箱、衬套、联轴器、飞轮等HT300102020303050290250230182272168251161241承受高负荷、耐磨和要求高气密性的铸件，如重型机床床身、压力机床身、活塞环、液压件、凸轮等HT350102020303050290260240199298182272171257影响灰口铸铁组织和性能的因素、化学成份碳：是形成石墨化的元素；硅：是强烈促进石墨化的元素；硫：硫与铁的化合物在晶界上形成低熔点(985)的共晶体，使铸铁热脆性增加，流动性降低，收缩

41、率增大；锰：可以脱硫；磷：含量超过0.3%时，将形成Fe3P与Fe的低熔点共晶体，使铸铁有冷脆性。、冷却速度铸件的冷却速度主要受铸型导热性和铸件壁厚的影响。灰铸铁的工艺性能铸造性能特别好，不能锻、冲，焊接性能较差；流动性好，收缩小，缩孔、缩松倾向很小；吸气性、偏析性均较小，可用于制造各种薄壁复杂铸件。一般用同时凝固，不加冒口和冷铁，即可获得优质铸件。熔炼工艺特点：熔点低，对化学成份的要求不很严格，普通冲天炉即可满足熔炼要求。原材料(生铁、回炉料、废钢铁、石灰石、萤石等)价格低，来源广，铸铁成本低。铸型特点：普通砂型(湿砂型、少量铸件用干型)即可满足要求。 球墨铸铁向一定成份的灰口铸铁铁水中加入

42、球化剂(如稀土镁合金)和孕育剂(如硅铁)进行处理后获得具有球状石墨的铸铁。化学成份(高碳低硅、低硫、低磷)表1-8 球墨铸铁的化学成分C/%Si/%Mn/%S/%P/%3.64.01.41.80.50.90.040.1组织：F、F+P、P+C 球化剂：作用是使石墨结晶时呈球状析出。常用球化剂是稀土镁合金，加入量11.6%； 孕育剂：作用是促进碳的石墨化，防止产生白口。常用孕育剂是75硅铁，加入量是0.41.0%。牌号、性能和用途(GB1348-88)表1-9球墨铸铁的牌号、性能和用途牌号基体b/MPa0.2/MPa/%硬度/HBS用途举例QT400-18QT450-10F40045025031

43、01810130180160210受压阀门、后桥壳、牵引架、铸管、农机件QT500-7F+P5003207170230油泵齿轮、阀门、轴瓦等QT600-3QT700-2QT800-2F+PPP600700800370420480322190270225305245335曲轴、连杆、凸轮轴、水轮机主轴、缸体、缸套、农机配件QT900-2B或回火M9009002280360犁铧、螺旋伞齿轮表1-10几种铸铁与铸钢的屈强比材 料铸 钢(退火后)可锻铸铁球墨铸铁铁素体基体珠光体基体屈强比(0.2/b)0.350.50.50.60.650.750.70.8铸造性能流动性比灰口铸铁差，铸件壁厚不宜太薄；应

44、适当提高铁水出炉温度和浇注温度，增大浇口截面积，缩短浇注时间。收缩大(体收缩率比灰口铸铁大23倍)，缩孔、缩松倾向大，工艺上多采用顺序凝固加冒口补缩。要求铸件壁厚尽量均匀，避免热节，转角处应有较大的圆角。易产生皮下气孔 MgS+H2OMgO+H2S故应降低铸型和型芯水份，提高铸型透气性。铸件易膨胀变形：在铸件凝固后期，先凝固的铸件外壳还不结实，内部凝固时析出大量石墨，体积膨胀，降低继续冷却的速度。熔炼工艺特点由于球铁铸件比灰铸件的性能要求高，在熔炼工艺上应采取相应的措施，才能保证质量。精选炉料，严格控制原铁水的休学成份；适当提高炉温；严格控制球化处理和孕育处理工艺过程，掌握好浇注温度，浇注速度

45、；铁水仓内冲入球化法型腔内球化法球铁的热处理退火：可获得高韧性的铁素体球铁；正火：增加珠光体含量，细化基体，提高强度、硬度和耐磨性；调质：可获得良好的综合机械性能。如曲轴、连杆等；等温淬火：可获得贝氏体基体组织。韧而耐磨，螺旋齿轮等；表面淬火：在工件表面层可获得马氏体组织，硬而耐磨。 可锻铸铁先铸成白口铸铁，再经高温长时间石墨化退火而得到的有较高韧性的铸铁，又称“韧性铸铁”或“马铁”。化学成份C：2.42.8%，Si：0.81.4%组织和性能白心可锻铸铁：白口铸铁在氧化气氛中退火，产生几乎是全部脱碳的可锻铸铁，在我国极少应用；黑心可锻铸铁：白口铸铁在中性气氛中热理，使碳化铁分解成絮状石墨与铁素

46、体，正常断口呈墨绒状并带有灰色外圈的 可锻铸铁。铁素体可锻铸铁：基体主要为铁素体的黑心可锻铸铁；珠光体可锻铸铁：基体主要为珠光体的黑心可锻铸铁；表1-11可锻铸铁的牌号、性能和用途类别牌号b/MPa0.2/MPa/%硬度/HBS用途举例黑心可锻铸铁KTH300-06KTH330-08KTH350-10KTH370-12300330350370300681012150机床扳手、汽车拖拉机的转向机构、后桥壳体、水管零件(如三通、弯头、阀门)、农机零件等珠光体可锻铸铁KTZ450-06KTZ550-04KTZ650-02KTZ700-024505506507002703404305306422150

47、200180230210260240290曲轴、连杆、凸轮轴、活塞环、万向接头、棘轮、线路金属用具铸造工艺特点含碳、硅量较低，熔点较高，结晶温度范围大，流动性差；为防止产生浇不足、冷隔，应适当提高炉温和浇注温度(1360)白口铁收缩大，缩孔、缩松和裂纹倾向大，应设置冒口补缩；要求砂型的耐火性、退让性要好。 稀土系球墨可锻铸铁将一定化学成份的原铁水进行变质处理，控制其石墨化的能力，使用权其按介稳定系凝固，同时析出少量石墨，再经石墨化退火，使渗碳体分解，得到具有球状石墨组织的铸铁。这是我国自行研究开发的一种新型铸造合金。球墨可锻铸铁的特点与球墨铸铁比较：组织均一性好，质量稳定；机械性能与球铁相当，

48、低温冲击韧性优于球铁；抗缩松的能力优于球铁；导热性优于球铁，抗氧化性、抗热疲劳性等与球铁相当；对原材料的要求不如球铁严格，生产成本低于退火球铁。与可锻铸铁比较：机械性能优于可锻铸铁，综合性能好表1-12 球墨可锻铸铁与可锻铸铁的性能比较材 料平均机械性能抗拉强度b /MPa延伸率/%硬度/HBS球墨可锻铸铁42015.12145可锻铸铁36512.75124碳当量可在较宽的范围内选择，允许出现麻口组织；铸造性能优于可锻铸铁；退火周期较可锻铸铁短，节约能源。球墨可锻铸铁的应用 目前，已在汽车配件、玻璃模具、线路金具等产品上应用，取得了良好的效果。1.2.1.2 铸铁的熔炼在铸铁件生产中，铸铁的熔

49、化是获得高质量铸件的一个重要环节。熔化过程中，如果铁水温度过低，则易使铸件产生冷隔、浇不足、气孔和夹渣等缺陷；如果铁水化学成分不合格，即使铸件不产生铸造缺陷，也会使铸件机械性能和物理性能降低。因此，铸铁的熔化应满足如下要求：铁水温度要高，铁水的化学成分能严格控制(有益元素Si、Mn的烧损要少，有害杂质S、P的含量要低)，熔化生产率要高，成本要低。熔炼铸铁的设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉等。其中以冲天炉的应用最广泛。冲天炉的优点是设备简单，热效率高，成本较低，操作简便，熔化率高，且能连续生产。句统计，用冲天炉熔化的铸铁要占铸铁总产量的90%以上。 冲天炉的构造冲天炉的结构形式很多，目前我国普遍应

50、用的是多排小风口曲线炉膛热风冲天炉。这种冲天炉的炉膛内壁呈曲线形。冲天炉由下列几部分组成：炉底 整座炉子通过炉底板由四根支柱支撑在炉基上。炉底上安装有两个半圆形的炉底门，工作时将炉底门关闭，在上面捣结上碳素材料构成炉底。熔化终了时，打开炉底门，以便清除余料和修炉。炉体 炉体由炉身和炉缸两部分组成。从炉底至第一排风口为炉缸；从第一排风口至加料口为炉身。炉体外壳是由612mm厚的钢板焊成。炉身下部设有环形风箱。风箱内侧有多排风口通向炉内，下面一排为风口，上面几排为辅助风口。由鼓风机鼓入的冷风经热风装置(密筋炉胆)转变成热风，再经风箱、风口吹入炉内。烟囱 从加料口至炉顶为烟囱。烟囱外壳与炉身连成一体

51、，内砌耐火砖(或红砖)。烟囱顶部设有除尘装置，用来收集火红的焦炭颗粒和烟尘，以改进环境卫生。前炉 前炉炉壳由612mm钢板焊成，内壁衬有耐火材料。前炉的作用是贮存铁水，均匀铁水化学成分和温度，减少铁水与焦炭的接触时间，从而降低铁水的增碳与吸硫作用。前炉上开有出铁口和出渣口。前炉通过过桥与炉缸相通。熔化时，铁水经过桥流入前炉。冲天炉的生产率通常0.530吨/小时，常见的为1.510吨/小时。炉子内径越大，其生产率越高。 冲天炉炉料冲天炉的炉料有金属炉料、燃料和熔剂等。金属炉料 有新生铁、回炉铁、废钢和铁合金等。新生铁 主要是不同成分的高炉生铁。生铁是由铁矿石在高炉中熔炼而成的，是炼钢和铸造的原材

52、料，只要求控制一定化学成分。铸铁则是用生铁与其它原料适当配合后在冲天炉里重新熔化而成的。回炉铁 包括浇冒口、废铸件和废机铁等。充分利用回炉铁可降低铸件成本。废 钢 包括废钢材、废钢件和钢屑等。加入废钢可降低铁水的含碳量，并提高铸件的机械性能。铁合金 包括硅铁、锰铁和铬铁等，主要用于调整或配制合金铸铁。金属炉料的尺寸不应超过加料口处炉膛直径的1/3。燃料 冲天炉的燃料主要是焦炭。焦炭的主要成分是C，它是热量的主要来源，因此。碳含量要高，灰分、硫、水分和挥发物质的含碳量要低，以保证焦炭有较高的发热量，并对铁水有较低的渗硫作用。焦炭块度依炉子大小不同，底焦为100200mm，层焦为100150mm。

53、熔剂 冲天炉常用的熔剂为石灰石和萤石。石灰石的主要成分CaCO3，萤石的主要成分是CaF2。熔剂的作用是降低炉渣的熔点，稀释炉渣，使熔渣和铁水分离，并从渣口排出。熔剂的加入量为焦炭加入量的25%30%，块度为1550mm。 冲天炉的熔化过程在冲天炉熔化过程中，同时进行着两个重要过程：即燃料(底焦)燃烧和炉料熔化。这两个过程决定了冲天炉的生产率、铁水温度、铁水成分和燃料消耗量等。燃料燃烧冲天炉开风后，经风口进入炉内的空气与底焦发生完全燃烧反应，放出大量热，产生CO2，其反应如下：CO2 = CO2Q (J)由此而生成的高温炉气与剩余O2一起上升。在上升过程中，氧气继续与焦炭发生燃烧反应，致使炉气中CO2含量逐渐增加，O2的含量逐渐减少，直至消失。从第一排风口至炉气中O2完全消失的区域，成为氧化带。氧化带最上层为炉温最高区，约1600°1700°。含有大量CO2的高温炉气，在继续上升过程中，与焦炭发生还原反应，吸收大量的热，其反应如下：CO2C = 2COQ (J)反应结果，使炉气中的CO2含量减少，CO含量增加，炉温下降。当炉温降至1000左右时，CO2的