材料工程基础课件-金属材料加工工艺-第二章

1、第一节第一节 概述概述 第二节第二节 铸造的工艺基础铸造的工艺基础第三节第三节 砂型铸造砂型铸造第四节第四节 特种铸造特种铸造第二章第二章 铸铸 造造 金属的成形方法可分为金属的成形方法可分为铸造、塑性成形（或称压力加铸造、塑性成形（或称压力加工）、切削加工、焊接和粉末冶金工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大类。五大类。 铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于

2、批量生产。 第一节第一节 概概 述述 但它的缺点是公差较大，易产生但它的缺点是公差较大，易产生内部缺陷。内部缺陷。 第二节第二节 铸造的工艺基础铸造的工艺基础q 定义：定义：铸造是指将熔融态的金属（或合金）浇注于铸造是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。q 铸造的基本过程：铸造的基本过程：q 实质：实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中 凝固和冷却。凝固和冷却。砂型铸造概略图砂型铸造概略图q 主要影响因素主要影响因素 铸造的主要影响因素主要体现在二个方面：一是影响铸造

3、的主要影响因素主要体现在二个方面：一是影响充型的主要因素和影响凝固收缩的主要因素。充型的主要因素和影响凝固收缩的主要因素。 阶阶 段段主要影响因素主要影响因素 铸铸 造造 充充 型型 金属的流动性金属的流动性 浇注温度浇注温度 充型压力充型压力 凝凝 固固 收收 缩缩 凝固方式凝固方式 冷却速度冷却速度 改善金属改善金属的流动性的流动性加快凝固中液体的补缩加快凝固中液体的补缩排除内部夹杂物和气体排除内部夹杂物和气体形成薄壁复杂的铸件形成薄壁复杂的铸件有利于有利于 实验如右图所示：实验如右图所示： T浇注浇注t凝固凝固流动性流动性粘度粘度充填路径充填路径充型能力充型能力 P充型充型V流动流动充型

4、能力充型能力 在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。是固液两相并存的凝固区的宽窄。 纯金属和共晶成分的合纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。一直向铸件中心移动。 铸件在结晶过程中，当结铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域

5、。区贯穿整个区域。 大多数合金的凝固是介于逐大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。间凝固。 一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。 柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。 因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出因此，钢铁或镍合金（塑形较差

6、）应避免柱状晶的出现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。 收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。程中，其体积或尺寸缩减的现象。分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。铸件温度降低铸件温度降低浇注温度浇注温度室温室温凝固终止温度凝固终止温度开始凝固温度开始凝固温度液态收缩液态收缩凝固收缩凝固收缩固态收缩固态收缩 体积收缩体积收缩线收缩线收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。是指单

7、位长度上的收缩量（线收缩率）。 %100110VVVV%100110LLLL 其中其中 V V0 0，L L0 0表示铸件在高温表示铸件在高温T T0 0时的体积和一维方向的长度；时的体积和一维方向的长度； V V1 1，L L1 1表示铸件在高温表示铸件在高温T T1 1时的体积和一维方向的长度。时的体积和一维方向的长度。 在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。模型腔的尺寸。 合金的收缩合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来

8、较给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是大困难，是多数铸造缺陷产生的根源多数铸造缺陷产生的根源。 3.34.20.13.614003.50灰口铸铁灰口铸铁5.46.34.22.414003.00白口铸铁白口铸铁7.863.01.616100.35碳钢碳钢固态收缩固态收缩（）（）凝固收缩凝固收缩（）（）液态收缩液态收缩（）（）浇注温度浇注温度（ ）碳含量碳含量（）（） 合合 金金 种种 类类 表表2-1 2-1 典型合金的收缩率典型合金的收缩率V V q 铸造缺陷铸造缺陷缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容

9、积较大的孔洞。的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。先先凝固区域堵住液凝固区域堵住液体流动的通道，体流动的通道，后凝固区域收缩后凝固区域收缩所缩减的容积得所缩减的容积得不到补充。不到补充。 疏松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件疏松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小的

10、区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松即缩松。 另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。顺序凝固示意图顺序凝固示意图

11、安装冒口或放置冷铁等工安装冒口或放置冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固口的部位先凝固（图中（图中），尔后在靠近冒口的，尔后在靠近冒口的部位凝固部位凝固（图中（图中、），最后是冒口本身凝固。最后是冒口本身凝固。是指通过在铸件上可能出现疏松的后大部位是指通过在铸件上可能出现疏松的后大部位内置冷铁法内置冷铁法外置冷铁法外置冷铁法 设置冒口法设置冒口法 冒口、冷铁共用法冒口、冷铁共用法 在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。铸造应力铸造应力相变应力相变应力热应力热应力机械应力机械应力 铸件特殊位置的裂纹示意图铸件特殊位置的裂纹示意图以有

12、利于释放铸造应力为原则；以有利于释放铸造应力为原则；1 1、采用正确的铸造工艺（、采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；正确设计浇注系统、补缩系统等）；2 2、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；3 3、对铸件进行热处理。、对铸件进行热处理。 鼓鼓 泡泡 渗渗 漏漏 冷冷 隔隔 未未 注注 满满第三节第三节 砂型铸造砂型铸造 砂型铸造砂型铸造是指用砂粒制备铸型来生产铸件的铸造方是指用砂粒制备铸型来生产铸件的铸造方法。可追溯到公元前法。可追溯到公元前30004000年，用石头和金属型做年，用石头和金属型做出铜器。出铜器。砂型铸造概略图砂型铸

13、造概略图q 铸模设计：铸模设计： 浇注位置：浇注位置： 指浇注时铸件再铸型中所处的位置。指浇注时铸件再铸型中所处的位置。分型面：分型面： 指铸型的分割或装配面。指铸型的分割或装配面。 正确设置浇注位置和分型面是完成造型、取模、设置正确设置浇注位置和分型面是完成造型、取模、设置浇冒系统和安装砂芯的需要。浇冒系统和安装砂芯的需要。 正确选择收缩量、正确选择收缩量、机械加工余量和拔模机械加工余量和拔模斜度等。斜度等。拔模斜度拔模斜度 浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道；通常由浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道；通常由交口杯、直浇道、横浇道和内浇道等组成。交口杯、直浇道、横浇道和内浇道等组成。

14、设计原则：设计原则：确保液态金属能够平稳确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔。而合理地充满型腔。 为消除缩孔和疏松，必须为消除缩孔和疏松，必须设置冒口、冷铁等补缩系统。设置冒口、冷铁等补缩系统。浇注系统示意图浇注系统示意图设计原则：设计原则：1 1、冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间。固时间。2 2、冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩。充铸件内部的体收缩。3 3、在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅的补在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩

15、通道。缩通道。4 4、为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷能力强的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。能力强的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。q 生产准备：生产准备： 模型的内轮廓应该与铸件的外轮廓的形状相一致，并模型的内轮廓应该与铸件的外轮廓的形状相一致，并且在尺寸上比铸件且在尺寸上比铸件大出一个收缩量大出一个收缩量。 对于有孔或中空的铸件，需在模腔中对于有孔或中空的铸件，需在模腔中放置型芯放置型芯来获得。来获得。型芯的尺寸设计也要考虑到收缩量的问题。型芯的尺寸设计也要考虑到收缩量的问题。 技术要求：技术要求：型（芯）砂具有一定

16、的强度、透气性、退让性型（芯）砂具有一定的强度、透气性、退让性和溃散性等。和溃散性等。影响因素：影响因素：1 1、 主要指砂型主要指砂型 的紧实程度。的紧实程度。（右图表示了（右图表示了几种常用的压几种常用的压实型砂的方法实型砂的方法) )2 2、型砂的影响：、型砂的影响： 1 1）原砂、粘结剂和稀释剂的成分配比；）原砂、粘结剂和稀释剂的成分配比； 型型 砂砂稀释剂稀释剂原原 砂砂粘结剂粘结剂铬铁矿砂铬铁矿砂水溶剂水溶剂粘粘 土土水玻璃水玻璃树树 脂脂石英砂石英砂锆英砂锆英砂2 2）原砂的形状、粒度状况）原砂的形状、粒度状况 一般认为：粒度在小尺寸范围呈正态分布，有利于一般认为：粒度在小尺寸范

17、围呈正态分布，有利于 砂型强度的提高，但透气性较差。砂型强度的提高，但透气性较差。 q 特点及应用：特点及应用：1 1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制；、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制；2 2、属于一次性铸造成形，造型工作量大；、属于一次性铸造成形，造型工作量大；3 3、铸件精度和表面质量差；、铸件精度和表面质量差；4 4、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差；、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差；5 5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。第四节第四节 特种铸造特种铸造 为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在为获得高

18、质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。金属型金属型铸造铸造熔模铸造熔模铸造消失模消失模铸造铸造连续铸造连续铸造离心铸造离心铸造低压铸造低压铸造压力铸造压力铸造q 金属型铸造：金属型铸造： 金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。也称永久型铸

19、造。 1 1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高；、可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高； 2 2、铸件精度高，表面粗糙度较低；、铸件精度高，表面粗糙度较低； 3 3、金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好；、金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好； 4 4、不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。、不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。 5 5、适于生产大批量有色金属铸件。、适于生产大批量有色金属铸件。q 熔模铸造：熔模铸造： 1 1、铸件尺寸精度高，表面光洁；、铸件尺寸精度高，表面光洁； 2 2、可铸造形状复杂零件；、可铸造形状复杂零件； 3 3、工艺过程复杂，生产周期

20、长，成本高；、工艺过程复杂，生产周期长，成本高； 4 4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或 无切削精密铸件。无切削精密铸件。 航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随着航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方法来提合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加工难度。高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加工难度。 目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空环境目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空环境下的熔模铸造来解决这一技术难题。下的熔模铸

21、造来解决这一技术难题。q 压力铸造：压力铸造： 大型压铸机及压铸模大型压铸机及压铸模 1 1、浇注时间短，易于机械化、自动化作业；、浇注时间短，易于机械化、自动化作业； 2 2、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好； 3 3、铸件尺寸精度高，表面光洁；、铸件尺寸精度高，表面光洁； 4 4、凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔；、凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔； 5 5、模具成本高，铸件尺寸受限；、模具成本高，铸件尺寸受限； 6 6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。q 低压铸造：低压铸造： 低压铸造火车车轮示意图低压铸造火车车轮示意图 1 1、充型压力和充型速度易于控制，气孔、夹渣较少；、充型压力和充型速度易于控制，气孔、夹渣较少； 2 2、铸型散热快，组织致密，机械性能好；、铸型散热快，组织致密，机械性能好； 3 3、无需冒口设置，金属利用率高；、无需冒口设置，金属利用率高； 4 4、铸件尺寸精度高，表面光洁；、铸件尺寸精度高，表面光洁； 5 5、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。q 离心铸造