第六章 金属液态成型(一-理论基础)

1、机械制造基础机械制造基础机械工程学院机械工程学院 陈列陈列 TELQ：56930436制造业是一个国家的立国之本、民族产业和支柱产业制造业是一个国家的立国之本、民族产业和支柱产业压力加工油漆车身装配内部装饰驱动桥装配变速箱装配轮胎装配底盘装配 车身安装 最后试验发动机装配发动机试验机械加工热处理锻造熔化造型浇铸压铸油漆机械加工自动线热处理 性质：机械制造基础性质：机械制造基础( (金属工艺学金属工艺学) )是一门有关制造金属是一门有关制造金属零件常用的加工及工艺方法的综合性技术基础课。零件常用的加工及工艺方法的综合性技术基础课。 加工方法加工方法 铸造铸造 压力加工压

2、力加工 焊接焊接 热处理热处理 切削加工切削加工 用材（金属及合金）用材（金属及合金） 钢材、锻件、铸件等。钢材、锻件、铸件等。热加工工艺热加工工艺毛坯毛坯金属材料金属材料冷加工工艺冷加工工艺零件零件金属材料或毛坯金属材料或毛坯改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能改善金属材料或毛坯的加工性能和力学性能 金属液态成型金属液态成型是指将液态金属填充到铸是指将液态金属填充到铸型的型腔中待其冷却凝固后获得所需形型的型腔中待其冷却凝固后获得所需形状、尺寸和性能的铸件毛坯（或零件）状、尺寸和性能的铸件毛坯（或零件）的成型方法，即：铸造。的成型方法，即：铸造。套筒砂型铸造工艺示意图套筒砂型铸造工艺示意图机

3、床、内燃机、重型机器机床、内燃机、重型机器机机 械械 类类 别别风机、压缩机风机、压缩机拖拉机拖拉机农业机械农业机械汽车汽车 %709060 8050 70 40 7020 30表表 各类机械工业中铸件重量比各类机械工业中铸件重量比 铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的机器设备中铸件占很大比重。如表所示。的机器设备中铸件占很大比重。如表所示。 优点：优点：1、制造各种尺寸和形状复杂的铸件，尤其是内腔复杂的铸件、制造各种尺寸和形状复杂的铸件，尤其是内腔复杂的铸件2、铸件的形状和尺寸与零件接近、铸件的形状和尺寸与零件接近3、绝大多数金属均能用液态成

4、型的方法制成铸件、绝大多数金属均能用液态成型的方法制成铸件4、液态成型适用于各种生产类型、液态成型适用于各种生产类型5、原材料来源广泛，价格低廉，并可回收使用、原材料来源广泛，价格低廉，并可回收使用 不足不足1、生产工序多，工艺过程难以精确控制、生产工序多，工艺过程难以精确控制2、铸件表面较粗糙，尺寸精度不高、铸件表面较粗糙，尺寸精度不高3、工人劳动强度大，劳动条件差，对环境造成、工人劳动强度大，劳动条件差，对环境造成 污染污染 生活中哪些零件或物品是用铸造的方法制造的呢？生活中哪些零件或物品是用铸造的方法制造的呢？一一. . 凝固方式凝固方式 三种凝固方式三种凝固方式逐层凝固逐层凝固：纯金属

5、或共晶成分：纯金属或共晶成分的合金是恒温凝固，凝固的合金是恒温凝固，凝固区宽度几乎为零，凝固前沿清楚地将液、固相分开，由区宽度几乎为零，凝固前沿清楚地将液、固相分开，由表层逐层向中心凝固。（表层逐层向中心凝固。（灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜） 糊状凝固糊状凝固：合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分：合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较为平坦，凝固时，铸件表面并不存在固体层，而液、布较为平坦，凝固时，铸件表面并不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面，先呈糊化而后再固化。固并存的凝固区贯穿整个断面，先呈糊化而后再固化。（球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄

6、铜） 中间凝固中间凝固：多数合金的凝固介于两者之间，为中间凝固多数合金的凝固介于两者之间，为中间凝固方式。（方式。（中碳钢、高锰钢、白口铸铁） 二二. . 合金的铸造性能合金的铸造性能合金在液态成型过程中表现出的工艺性能称为合金在液态成型过程中表现出的工艺性能称为铸造性能。它包括液态合金的充型能力，合金铸造性能。它包括液态合金的充型能力，合金的凝固与收缩，铸造应力与裂纹，吸气与偏析的凝固与收缩，铸造应力与裂纹，吸气与偏析等。等。液态合金填充铸型型腔的过程称为充型。液态合金填充铸型型腔的过程称为充型。充型能力是使液态金属充满型腔并使铸件充型能力是使液态金属充满型腔并使铸件形状形状完整完整、轮廓清

7、晰轮廓清晰和和尺寸准确尺寸准确的能力。它首先与的能力。它首先与合金本身的流动性有关，同时浇注条件、铸型合金本身的流动性有关，同时浇注条件、铸型填充条件、铸件结构等对充型能力也有影响。填充条件、铸件结构等对充型能力也有影响。1.合金的合金的流动性流动性（1）概念：概念： 指液态金属的流指液态金属的流动能力，在铸造过程中即表现动能力，在铸造过程中即表现为液态金属充填铸型的能力。为液态金属充填铸型的能力。合金流动性的大小，通常以螺合金流动性的大小，通常以螺旋形试样的长度来衡量。旋形试样的长度来衡量。合金的流动性合金的流动性充型能力充型能力合金的流动性愈好，充型能力愈强，流动性良合金的流动性愈好，充型

8、能力愈强，流动性良好时，不仅易于铸造出好时，不仅易于铸造出轮廓清晰、薄而复杂轮廓清晰、薄而复杂的铸的铸件，而且有助于合金在铸型中件，而且有助于合金在铸型中收缩时得到补充收缩时得到补充，有利于液态金属中的有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体的上浮非金属夹杂物和气体的上浮与排除与排除。若流动性不足，则铸件易产生。若流动性不足，则铸件易产生浇不足、浇不足、冷隔冷隔、缩孔、缩孔、气孔气孔、夹渣夹渣等缺陷。等缺陷。（2）影响流动性的因素影响流动性的因素合金的种类合金的种类 不同合金，其浇注温度和不同合金，其浇注温度和凝固温度范围均不相同。凝固温度范围均不相同。 如：如： 铸铁铸铁 导热性差，不易散导热性

9、差，不易散热，凝固慢，流动性？；热，凝固慢，流动性？； 铸钢铸钢 熔点高，散热快，熔点高，散热快，凝固快，流动性？；凝固快，流动性？；铝合金铝合金 导热性好，散热快，导热性好，散热快，流动性？；流动性？；1.1.合金合金合金的成分合金的成分 不同成分的铸造合金主要是由于其结晶特点的不同不同成分的铸造合金主要是由于其结晶特点的不同而影响其流动性的。而影响其流动性的。 纯金属及共晶合金在恒温下结晶，结晶时液态金属纯金属及共晶合金在恒温下结晶，结晶时液态金属从表层逐层向中心凝固，对金属液的流动阻力小，流动从表层逐层向中心凝固，对金属液的流动阻力小，流动性好。性好。 其它合金的结晶是在一定温度范围内凝

10、固，固态的其它合金的结晶是在一定温度范围内凝固，固态的树枝状晶体对金属液的流动阻力大，流动性差。树枝状晶体对金属液的流动阻力大，流动性差。合金的成分？合金的成分？ 合金成分中凡能形成低熔点化合物、降低合金液合金成分中凡能形成低熔点化合物、降低合金液的粘度和表面张力的元素，均能的粘度和表面张力的元素，均能？合金的流动性，如合金的流动性，如铸铁中的磷。铸铁中的磷。 凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会？合金的流合金的流动性。动性。 如铸铁中硫和锰化合生成的如铸铁中硫和锰化合生成的MnSMnS，熔点为，熔点为16201620 ，成为固态夹杂物悬浮在铁水中，阻碍了铁水流动，

11、降低流成为固态夹杂物悬浮在铁水中，阻碍了铁水流动，降低流动性。动性。浇注条件浇注条件（1）浇注温度浇注温度 浇注温度愈高，合金的粘度下降，金属液的流动阻浇注温度愈高，合金的粘度下降，金属液的流动阻力减小；且因过热度高，金属液的流动时间长，所以流力减小；且因过热度高，金属液的流动时间长，所以流动性好，可防止铸件产生浇不足、冷隔和夹渣等缺陷。动性好，可防止铸件产生浇不足、冷隔和夹渣等缺陷。 浇注温度越高越好浇注温度越高越好? ? 浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。因此在保证足够流动性的前提下，浇注温气孔等缺陷。因此在保证足够流动性的前提

12、下，浇注温度不易过高。通常遵循度不易过高。通常遵循“高温出炉，低温浇注高温出炉，低温浇注”的原则。的原则。通常灰铸铁的浇注温度为通常灰铸铁的浇注温度为12001380；铸钢的浇注温度为铸钢的浇注温度为15201620；铝合金的浇注温度为铝合金的浇注温度为680780； 形状复杂或薄壁件取上限。形状复杂或薄壁件取上限。 液态合金在流动方向上所受到的压力越大，液态合金在流动方向上所受到的压力越大，充型能力愈好。充型能力愈好。3.铸型特点铸型特点（1）铸型的蓄热能力越强，铸型的蓄热能力越强， 充型能力越差；充型能力越差；（2）铸型温度铸型温度越高，越高， 充型能力越好；充型能力越好；（3）铸型结构铸

13、型结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型；大平面都影响充型；（4）铸型中的气体铸型中的气体 阻碍充型。阻碍充型。（5） 浇注系统结构，冒口和型砂等浇注系统结构，冒口和型砂等 总之，铸型中凡能增加金属流动阻力、降低流速、总之，铸型中凡能增加金属流动阻力、降低流速、加快冷却速度的因素，均能降低合金的流动性；反之，加快冷却速度的因素，均能降低合金的流动性；反之，则可提高合金的流动性。则可提高合金的流动性。1.合金收缩的概念合金收缩的概念液态液态固态固态 液态合金在液态、凝液态合金在液态、凝固态和固态过程中所发生固态和固态过程中所发生的体积和尺寸减

14、小的现象的体积和尺寸减小的现象叫做收缩。叫做收缩。 收缩是铸件中许多缺收缩是铸件中许多缺陷（如：陷（如：缩孔、缩松、热缩孔、缩松、热裂、应力、变形和裂纹裂、应力、变形和裂纹）等产生的基本原因。等产生的基本原因。 液态收缩液态收缩 凝固收缩凝固收缩 固态收缩固态收缩金属液温度下降，液面降低，液态金金属液温度下降，液面降低，液态金属体积减小。（与浇注温度有关）属体积减小。（与浇注温度有关）液态金属凝固，体积显著减小。（与液态金属凝固，体积显著减小。（与合金结晶的温度范围有关）合金结晶的温度范围有关）固态金属继续冷却，体积减小。一般固态金属继续冷却，体积减小。一般直接表现为铸件外型尺寸的变小。直接表

15、现为铸件外型尺寸的变小。 合金的总收缩为上述三种收缩的总和。其中合金的总收缩为上述三种收缩的总和。其中液态收缩液态收缩和和凝固收缩凝固收缩形成铸件的形成铸件的缩孔和缩松缩孔和缩松，固，固态收缩使铸件产生态收缩使铸件产生内应力、变形和裂纹内应力、变形和裂纹。 （1）化学成分化学成分 不同种类的合金，收缩率不同；同类合金，不同种类的合金，收缩率不同；同类合金，化学成分不同，收缩率也不同。化学成分不同，收缩率也不同。C、Si：强烈促进铸铁石墨化，铸铁体收缩减小；强烈促进铸铁石墨化，铸铁体收缩减小；S：对铸铁石墨化有一点阻碍，铸铁收缩增大对铸铁石墨化有一点阻碍，铸铁收缩增大; ;Mn：可抵消对可抵消对

16、S 石墨化的阻碍作用，适量的石墨化的阻碍作用，适量的 Mn 可使可使铸铁收缩减小。铸铁收缩减小。 合金的浇铸温度越高，过热度越大，液态收合金的浇铸温度越高，过热度越大，液态收缩也越大，总收缩也越大。因此在满足足够流动缩也越大，总收缩也越大。因此在满足足够流动性的前提下，尽量采用低的浇注温度。遵循性的前提下，尽量采用低的浇注温度。遵循“ 高高温出炉，低温浇铸温出炉，低温浇铸 ”的原则。的原则。（3）铸件结构与铸型条件铸件结构与铸型条件 铸件的结构、大小、壁的厚薄、砂型和砂芯铸件的结构、大小、壁的厚薄、砂型和砂芯的退让性、浇冒口的类型和位置、砂箱的结构等。的退让性、浇冒口的类型和位置、砂箱的结构等

17、。 由于铸件各部分冷速不同，铸型和型芯对铸由于铸件各部分冷速不同，铸型和型芯对铸件收缩的阻力，因此铸件的件收缩的阻力，因此铸件的实际线收缩率实际线收缩率比比合金合金自由收缩率？自由收缩率？ 小小（1）缩孔与缩松缩孔与缩松 浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液浇入铸型的液态合金在凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补充，在铸件最后凝固的部位会形成空洞，容积大而在铸件最后凝固的部位会形成空洞，容积大而集中的是缩孔，容积小而分散的是缩松。集中的是缩孔，容积小而分散的是缩松。缩孔与缩松？缩孔与缩松？ 尽量避免产生缩松或尽量使缩松转化为缩孔。尽量避免

18、产生缩松或尽量使缩松转化为缩孔。合理选择铸造合金合理选择铸造合金 选择共晶成分或结晶温度范围窄的合金选择共晶成分或结晶温度范围窄的合金合理选用凝固原则合理选用凝固原则 顺序原则顺序原则 同时原则同时原则缩孔与缩松的防止措施：缩孔与缩松的防止措施： 顺序凝固原则示意图 浇注口、冒口和冷铁浇注口、冒口和冷铁 铸造应力铸造应力：铸造应力分为：铸造应力分为热应力热应力和和机械应力机械应力铸造应力的形成铸造应力的形成热应力热应力：由于铸件壁厚不均，各部分的冷却速度由于铸件壁厚不均，各部分的冷却速度不同而导致各部分收缩不一致引起的铸件内部不同而导致各部分收缩不一致引起的铸件内部应力。应力。合金收缩率、铸件

19、壁厚差、形状复杂度合金收缩率、铸件壁厚差、形状复杂度减少和消除铸造应力的措施减少和消除铸造应力的措施 采用采用“同时凝固同时凝固”原则；原则； 改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇、冒口改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇、冒口等；等； 采用能自由收缩的铸件结构（形状简单，壁厚采用能自由收缩的铸件结构（形状简单，壁厚均匀）；均匀）； 对铸件进行时效处理，消除内应力。对铸件进行时效处理，消除内应力。 铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降低。铸造应力使铸件的精度和使用寿命大大降低。在存放、加工或使用过程中铸件内部的残余应在存放、加工或使用过程中铸件内部的残余应力将重新分布，使铸件发生变形或裂纹。力将重

20、新分布，使铸件发生变形或裂纹。 铸件的变形与裂纹铸件的变形与裂纹铸件的变形铸件的变形由于铸件厚壁或心部受拉伸，薄壁或由于铸件厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩表层受压缩，因此，铸件厚的部分向，因此，铸件厚的部分向内凹，薄的部分向外凸。如：床身铸内凹，薄的部分向外凸。如：床身铸件的变形。件的变形。 对厚薄均匀的平板铸件，中心部对厚薄均匀的平板铸件，中心部位冷却慢受拉应力，周边受压应力，位冷却慢受拉应力，周边受压应力，且上面比下面冷却快，因此中间向外且上面比下面冷却快，因此中间向外凸。凸。变形的原因变形的原因： 处于应力状态的铸件不稳定，将通过变形来减处于应力状态的铸件不稳定，将通过变形来减小内应

21、力，逐渐趋于稳定。小内应力，逐渐趋于稳定。防止铸件变形的方法：防止铸件变形的方法：尽量减少铸件内应力；尽量减少铸件内应力；使铸件结构对称，内应力互相平衡而不易变形；使铸件结构对称，内应力互相平衡而不易变形；采用反变形法以补偿铸件变形；采用反变形法以补偿铸件变形；在铸件上设置拉筋来承受一部分应力，待铸件经热在铸件上设置拉筋来承受一部分应力，待铸件经热处理后再去掉。处理后再去掉。铸件的裂纹铸件的裂纹热裂热裂产生：产生：凝固末期，金属的强度和塑性都很低，若凝固末期，金属的强度和塑性都很低，若铸件收缩受阻产生的很小应力也能超过该温度铸件收缩受阻产生的很小应力也能超过该温度下金属的强度，即发生热裂。发生

22、热裂的地方下金属的强度，即发生热裂。发生热裂的地方？ 热裂分布在应力集中部位或热节处。热裂分布在应力集中部位或热节处。防止：防止：采用合理的铸件结构；改善铸型、型芯的采用合理的铸件结构；改善铸型、型芯的 退让性；内浇口设置应符合退让性；内浇口设置应符合“同时凝固同时凝固”原则；原则；减少硫含量等。减少硫含量等。冷裂冷裂产生：产生：在较低的温度下，由于热应力和机械应在较低的温度下，由于热应力和机械应力的综合作用，使铸件的应力大于金属的强度力的综合作用，使铸件的应力大于金属的强度极限而产生冷裂。发生冷裂的地方极限而产生冷裂。发生冷裂的地方？ 冷裂往往出现在铸件受拉应力的部位，尤冷裂往往出现在铸件受拉应力的部位，尤其是应力集中处。其是应力集中处。防止：防止：尽量减小铸造内应力；降低材料的脆性，尽量减小铸造内应力；降低材料的脆性，主要是减少主要是减少S、P 的含量。的含量。1.1. 合金的偏析合金的偏析 铸件凝固时出现化学成分、金相组织不均匀铸件凝固时出现化学成分、金相组织不均匀的现象称为合金的偏析。偏析造成了铸件性能的的现象称为合金的偏析。偏析造成了铸件性能的不均匀，使铸件整体的机械性能下降，并影响铸不均匀，使铸件整体的机