第二讲(上)材料成型基础

1、12:03:30主讲：主讲：周哲波周哲波教授教授12:03:30第二讲 铸造(casting)2-1 2-1 概述概述一学习的目的一学习的目的1.1.解决产品设计中解决产品设计中结构的工艺结构的工艺和工艺人和工艺人员对产品的工艺性审查；员对产品的工艺性审查；2.2.解决实际生产中产品解决实际生产中产品质量缺陷质量缺陷的改进的改进和质量分析；和质量分析；3.3.选择合理的选择合理的工艺参数工艺参数，满足产品性能，满足产品性能与成本的平衡。与成本的平衡。12:03:30二定义：二定义： 液态成型（铸造）：将液态成型（铸造）：将熔炼熔炼一一定化学成分的合金定化学成分的合金浇注浇注到具有与零到具有与零

2、件形状相适应的件形状相适应的铸型空腔铸型空腔中，待其中，待其冷却凝固冷却凝固后获得一定后获得一定形状、尺寸和形状、尺寸和机械性能机械性能的成型方法。的成型方法。 举例：举例：在矿山机械重机中占整机在矿山机械重机中占整机7090（基础件、床身等），在（基础件、床身等），在汽车、运输机械中占汽车、运输机械中占5070左右左右(箱体等箱体等)。12:03:30三优缺点三优缺点 1. 1.优点：优点：1）制造）制造复杂的型腔复杂的型腔，箱体、壳体、机座等内，箱体、壳体、机座等内腔零件中存在许多内部复杂结构；腔零件中存在许多内部复杂结构；2）适应性广）适应性广: (1)选材广泛选材广泛，铸铁、钢、有色金

3、属、合金钢，铸铁、钢、有色金属、合金钢等；等； (2)大小皆宜大小皆宜，重量、尺寸大小范围广，如垫，重量、尺寸大小范围广，如垫片、机座等；片、机座等； (3)不分批量不分批量，单件、小批、中批、大批生产。，单件、小批、中批、大批生产。3）原材料来源广，）原材料来源广，成本低，投资少成本低，投资少，也可用，也可用废旧机件，废钢和切屑等作原材料；废旧机件，废钢和切屑等作原材料；4）加工余量小，节约材料加工余量小，节约材料，减小加工工作量。，减小加工工作量。 12:03:302.2.缺点：缺点： 1）机械性能差机械性能差，有，有缩孔、缩松、气孔、缩孔、缩松、气孔、晶粒粗大、组织不致密晶粒粗大、组织不

4、致密等；等；2）质量稳定性差质量稳定性差，铸造过程复杂，影响，铸造过程复杂，影响因素多；因素多；3）劳动强度大劳动强度大，工作条件差。，工作条件差。四应用四应用1.可形成可形成原材、铸钢锭、锻造件原材、铸钢锭、锻造件的坯料；的坯料；2.直接直接形成零件，形成零件，精度无严格要求精度无严格要求（球磨（球磨机的钢球，熔蜡铸造件）机的钢球，熔蜡铸造件）3.型腔复杂型腔复杂的毛坯件。的毛坯件。12:03:302-2 2-2 铸造的工艺基础铸造的工艺基础一概述一概述1. 1.工艺性能（铸造性能）：工艺性能（铸造性能）：铸造工艺过程中获得铸造工艺过程中获得外形正确、内腔健全外形正确、内腔健全铸件性能，反映

5、了铸造铸件性能，反映了铸造成型的成型的难易程度难易程度，是一个综合性能，不是单，是一个综合性能，不是单一的物理性能。它包含一的物理性能。它包含流动性、收缩性、吸流动性、收缩性、吸气性和偏析气性和偏析等。等。2.2.学习目的学习目的1）掌握）掌握影响影响铸件质量的铸件质量的因素因素，改善改善铸件质量的铸件质量的工艺工艺；2）选择合理铸造）选择合理铸造工艺方法工艺方法和和工艺参数工艺参数（温度、（温度、造型方造型方 法、浇注系统等）；法、浇注系统等）； 3）改进改进设计和设计和合理合理选材。选材。12:03:30二二流动性流动性1.定义：定义：金属在金属在液态下液态下的的流动能力流动能力或液态金属

6、或液态金属充满型腔的充满型腔的能力能力。2.测量方法测量方法：在在相同工艺参数相同工艺参数的条件下，浇注试件的的条件下，浇注试件的截面截面形状尺寸相同形状尺寸相同，浇注合金液的，浇注合金液的螺旋形试样螺旋形试样，以形成试，以形成试样的样的长度长度来衡量。见来衡量。见P2表表1-1。3.液态金属的凝固方式液态金属的凝固方式 1）层状凝固层状凝固：恒温恒温下在凝固过程中，下在凝固过程中，固液两相界面清楚固液两相界面清楚，随温度随温度下降下降固体不断固体不断加厚加厚，直至液体中心。，直至液体中心。2）糊状凝固糊状凝固：由于铸件截面的温度场比较平坦，由于铸件截面的温度场比较平坦，结晶的结晶的温度范围很

7、宽温度范围很宽，在某一段时间内，在某一段时间内，凝固区贯穿整个截凝固区贯穿整个截面面，内表面粗糙，液体流动阻力大，在凝固区域内，内表面粗糙，液体流动阻力大，在凝固区域内，既有既有结晶的晶体也有液体结晶的晶体也有液体。3）中间凝固中间凝固：如果结晶温度如果结晶温度较窄较窄，但铸件截面的温度，但铸件截面的温度变变化较大化较大，凝固区介于两者之间。，凝固区介于两者之间。12:03:30a)b)C)123412:03:30 4.4.影响因素影响因素 热交换条件、流动时间、流体的动力学条件热交换条件、流动时间、流体的动力学条件，流动，流动速度，具体来讲就是速度，具体来讲就是合金成分、浇注温度、铸型的填合

8、金成分、浇注温度、铸型的填充条件充条件。 1 1）合金的种类及成分）合金的种类及成分 种类不同，成分不同，结晶的特性不同，流动性种类不同，成分不同，结晶的特性不同，流动性差别较大差别较大。例如，我们用铸铁制造形状复杂零件，铸例如，我们用铸铁制造形状复杂零件，铸钢制造形状较简单的零件。钢制造形状较简单的零件。 （1 1）纯金属及共晶成分纯金属及共晶成分的合金，的合金，流动性好流动性好。（。（c c4.3%4.3%） 共晶成分的合金的结晶一般是在共晶成分的合金的结晶一般是在恒温或温度变化恒温或温度变化范围很窄范围很窄的情况下发生的，均属的情况下发生的，均属层状凝固层状凝固方式，液态方式，液态金属在

9、填充型腔的过程中，由于金属金属在填充型腔的过程中，由于金属表面表面的散热条件的散热条件好，首先好，首先凝固结壳凝固结壳，再，再逐层向内逐层向内凝固，凝固，无无明显明显树枝晶树枝晶存在，其内表面存在，其内表面光滑光滑，无尖端防热，不会发生阻止金，无尖端防热，不会发生阻止金属液流动的金枝，金属流动的阻力小。属液流动的金枝，金属流动的阻力小。 缺陷是缺陷是易产生缩孔易产生缩孔。12:03:3012:03:30（2）结晶温度范围结晶温度范围越窄越窄，流动性越好流动性越好 非共晶非共晶的合金，结晶的产生是在的合金，结晶的产生是在一定温度范围内一定温度范围内。如果。如果合金合金的成分与的成分与共共晶晶的成

10、分的成分相差越大相差越大，则，则结晶温度结晶温度的间隔的间隔越大越大，形成，形成初晶初晶的的温度越高温度越高，产生初晶，产生初晶的的数量越多数量越多，树枝状树枝状的晶体愈的晶体愈发达发达，在，在金属由金属由外向内的凝固外向内的凝固过程中，内部过程中，内部产生产生许多树枝状许多树枝状的晶体，从而的晶体，从而阻碍阻碍了金属原了金属原有的有的流动性流动性。 缺陷是缺陷是易产生缩松、缩孔易产生缩松、缩孔。注：注：一般来讲，一般来讲，越接近共晶越接近共晶成分的合金，成分的合金，其其流动性越好流动性越好，铸造性能越好铸造性能越好。12:03:31 （3 3）固溶性能好坏的影响）固溶性能好坏的影响 以固溶形

11、态存在的合金，以固溶形态存在的合金，增大固溶度增大固溶度可可提高提高合金的合金的流动性流动性。 杂质与含气量：其越多，则流动性越差。杂质与含气量：其越多，则流动性越差。 合金的质量热容、密度、热导率：质量热容、合金的质量热容、密度、热导率：质量热容、密度越大、热导率越小，流动性越好。密度越大、热导率越小，流动性越好。 Si、P由于具有热（冷）脆性，由于具有热（冷）脆性， S总以化合总以化合物的形态分布在晶体的晶界上，熔点低具有热物的形态分布在晶体的晶界上，熔点低具有热脆性，且脆性，且S的负电性较大，极易以的负电性较大，极易以FeS的形式的形式存在构成结晶的晶核，产生枝晶，阻碍金属的存在构成结晶

12、的晶核，产生枝晶，阻碍金属的流动。流动。（ 4 4）产生的缺陷：）产生的缺陷：缩松、冷隔、缩孔、浇不到缩松、冷隔、缩孔、浇不到等。等。（ 5 5）措施：）措施：尽量选择尽量选择合适的合金合适的合金（接近共晶成（接近共晶成分），分），降低部分元素的含量降低部分元素的含量，如硫。，如硫。12:03:312 2）铸型特点影响（）铸型特点影响（散热条件、液态存在时间长短散热条件、液态存在时间长短）（1 1）型砂对流动性的影响）型砂对流动性的影响 含水量大、透气性差含水量大、透气性差，易造成型腔内，易造成型腔内气隔气隔，阻碍金，阻碍金属流动。属流动。水水在在高温高温的金属中易产生的金属中易产生汽化汽化，

13、故造成金属，故造成金属充腔充腔阻力增大阻力增大。气体越多，压力越大，排气不畅，则。气体越多，压力越大，排气不畅，则充型能力下降。充型能力下降。 缺陷是易产生缺陷是易产生气孔气孔。（ 2 2）导热性的影响）导热性的影响 导热性好导热性好的铸模，金属液以的铸模，金属液以液态液态的形式存在的的形式存在的时时间短间短，导致熔化的金属过，导致熔化的金属过早凝固早凝固，出现，出现初晶初晶的可能性的可能性和和数量大数量大，阻碍阻碍其其流动流动。蓄热系数越大，蓄热能力强。蓄热系数越大，蓄热能力强,导热性愈好导热性愈好,对液态合金的激冷能力愈强对液态合金的激冷能力愈强, 则合金的流则合金的流动性愈差。动性愈差。

14、 缺陷是易产生缺陷是易产生浇不足、冷隔、气孔浇不足、冷隔、气孔等缺陷。等缺陷。（ 3）浇注系统）浇注系统的影响的影响 型腔过窄，直浇口过低型腔过窄，直浇口过低，压差小压差小，金属的流动，金属的流动动力动力不足不足。浇口。浇口截面尺寸太小，布置不当截面尺寸太小，布置不当，截面形状的，截面形状的不不合理性合理性，阻碍金属的流动。，阻碍金属的流动。 缺陷是易产生缺陷是易产生浇不足浇不足。12:03:3112:03:31 （4 4）零件结构设计不合理的影响）零件结构设计不合理的影响 壁厚壁厚设计设计不合理不合理，小于最小壁厚小于最小壁厚，壁厚壁厚不均匀，急剧变化不均匀，急剧变化，导致流动阻力大，流，导

15、致流动阻力大，流动性差。动性差。 铸件的折算厚度（体积铸件的折算厚度（体积/表面积表面积)越大，越大，铸件结构形状越简单，其充型能力越好。铸件结构形状越简单，其充型能力越好。（5 5）产生的缺陷：）产生的缺陷：浇不足、冷隔、气孔、夹渣浇不足、冷隔、气孔、夹渣等。等。 （6 6）措施）措施 1改善型砂改善型砂水水的的含量含量，对沙进行，对沙进行烘干烘干； 2设计设计合理合理的的浇注系统浇注系统，加高直浇口加高直浇口，扩大扩大内浇口内浇口，增加出气口增加出气口； 3合理的合理的选材选材及合理的零件及合理的零件结构设计结构设计； 4铸型加热铸型加热保温保温150400。12:03:31 3 3）浇注

16、条件的影响）浇注条件的影响 （1）浇注条件包括浇注条件包括浇注系统的结构、充型压浇注系统的结构、充型压力和浇注温度力和浇注温度。 （2）浇注系统越）浇注系统越复杂复杂，液态合金流动的，液态合金流动的阻阻力越大力越大，其，其充型能力越差充型能力越差； （3） 液态合金所受的液态合金所受的静压力越大静压力越大，其充型，其充型能力就能力就越好越好，如在砂型铸造中，常用，如在砂型铸造中，常用加高加高直浇道直浇道等工艺措施等工艺措施提高提高金属的金属的静压力静压力，而，而在在压力铸造和低压铸造压力铸造和低压铸造等特种铸造中，液等特种铸造中，液态合金在态合金在压力下压力下充型，能有效地提高其充充型，能有效

17、地提高其充型能力；型能力； （4） 浇注浇注温度越高温度越高，合金的，合金的流动性越好流动性越好。12:03:31 （5） 提高提高浇注浇注温度温度能显著能显著提高提高液态合金的液态合金的充型能力充型能力。 实际生产中提高液态合金的充型能力主实际生产中提高液态合金的充型能力主要是通过要是通过提高浇注温度提高浇注温度来实现的。但对铸来实现的。但对铸件件质量质量而言，而言，并非浇注温度越高越好并非浇注温度越高越好，应应在在保证保证充型能力的前提下，充型能力的前提下，采用较低采用较低的浇的浇注温度。注温度。 对铸铁件，可采用对铸铁件，可采用“高温出炉、低温浇高温出炉、低温浇注注”，高温出炉能使铁液中

18、一些难熔的固，高温出炉能使铁液中一些难熔的固体质点熔化，铁液中的未熔质点和气体在体质点熔化，铁液中的未熔质点和气体在浇包中的镇静阶段有机会上浮而除去。浇包中的镇静阶段有机会上浮而除去。 在保证铁液具有足够流动性的条件下，在保证铁液具有足够流动性的条件下，应选择尽可能低的浇注温度应选择尽可能低的浇注温度。12:03:31（5 5） 产生的缺陷产生的缺陷 1 1晶粒粗大晶粒粗大；（温度过高，人为地增大；（温度过高，人为地增大了结晶温度的范围）了结晶温度的范围） 2产生产生缩孔、缩松、粘沙缩孔、缩松、粘沙等缺陷。等缺陷。 原因：原因：温度过高，金属的总收缩量增大，温度过高，金属的总收缩量增大，吸气多

19、，氧化严重，金属流动性太好，吸气多，氧化严重，金属流动性太好，将冲坏型腔产生粘沙等缺陷。将冲坏型腔产生粘沙等缺陷。 （6 6）措施：）措施：选择选择合理合理的的浇注温度浇注温度，保证充，保证充满型腔的前提下尽量将温度降低些。满型腔的前提下尽量将温度降低些。w举例：举例： 灰铸铁：灰铸铁：12301450C，w 铸钢：铸钢：15201620C， 铝合金：铝合金： 680780 C。12:03:31 三收缩三收缩1 1收缩的概念收缩的概念 合金从合金从液态冷却至室温液态冷却至室温的过程中，其的过程中，其体体积或尺寸缩小积或尺寸缩小的现象称为收缩。的现象称为收缩。 收缩是铸造合金本身的收缩是铸造合金

20、本身的物理性质物理性质。它。它是铸件产生是铸件产生缩孔、缩松、热应力、变形缩孔、缩松、热应力、变形及裂纹及裂纹等等铸造缺陷的基本原因。铸造缺陷的基本原因。12:03:31收缩的实质：收缩的实质： 随着温度下降，合金中空穴数量随着温度下降，合金中空穴数量减少，原子间距缩短。减少，原子间距缩短。铸件铸件裂纹裂纹铸造铸造变形变形铸造铸造应力应力缩松缩松缩孔缩孔影响影响因素因素收缩收缩阶段阶段收缩收缩特性特性12:03:312 收缩的过程收缩的过程 液态金属注入铸型以后，从浇注温液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷却到空温要经历度冷却到空温要经历三个三个互相联系的收互相联系的收缩缩阶段阶段：12:03:

21、311) 1)液态收缩液态收缩 从从浇注温度冷却至始固的液相线浇注温度冷却至始固的液相线温度温度(50150)的收缩。的收缩。（1 1）表现：）表现：金属处于液态，型腔内金属金属处于液态，型腔内金属液液面下降，放热面下降，放热。 （2） 改进方法：改进方法：设计设计保温冒口保温冒口，可以，可以补充补充金属液金属液。2)2)凝固收缩凝固收缩 从从液相线冷却至固相线的温度液相线冷却至固相线的温度(凝固的终凝固的终止温度止温度)的收缩。的收缩。 表现：表现：型腔内金属液面型腔内金属液面继续下降继续下降，放放出部出部分分热热量，合金的凝固温度范围越大，（硬量，合金的凝固温度范围越大，（硬壳内金属液面下

22、降），产生壳内金属液面下降），产生缩孔缩孔。12:03:31（3)3)固态收缩固态收缩 凝固终止温度至冷却至室温凝固终止温度至冷却至室温之间的收缩。之间的收缩。表现：表现：合金合金体积的缩减体积的缩减，铸件外形，铸件外形尺寸的减尺寸的减小，产生应力、变形和裂纹小，产生应力、变形和裂纹。3.3.产生的缺陷产生的缺陷1）在）在液态和凝固态产生缩孔、缩松液态和凝固态产生缩孔、缩松；2）在）在固态固态产生产生尺寸变小尺寸变小；3）在）在固态冷却固态冷却速度过快，铸造速度过快，铸造应力、变形、应力、变形、裂纹裂纹。 12:03:314.4.影响因素影响因素1 1）化学成分：）化学成分：不同合金、不同成分

23、不同合金、不同成分, ,其收缩率不其收缩率不同同。 C C的含量增大：温度降低时，的含量增大：温度降低时，C C在合金中的溶在合金中的溶解度下降，析出游离态的石墨，石墨的解度下降，析出游离态的石墨，石墨的比重小，比重小，体积增大体积增大，可，可抵消抵消部分部分凝固收缩的体积。例凝固收缩的体积。例如：如：铸钢、白口铸铁，收缩大。铸钢、白口铸铁，收缩大。 S的含量增大：的含量增大：阻止阻止了石墨的析出，了石墨的析出，不能可抵不能可抵消消凝固收缩的体积，凝固收缩的体积，2 2）浇注条件：）浇注条件：与与温度、冷却速度温度、冷却速度相关，相关，浇注浇注温度越高温度越高，过热度越大，冷却速度越快，过热度

24、越大，冷却速度越快，则则收缩越严重收缩越严重。3 3）铸件结构与铸型条件：）铸件结构与铸型条件：与与铸件形状复杂程铸件形状复杂程度、壁厚、各部分的冷却速度、型腔表面度、壁厚、各部分的冷却速度、型腔表面的摩擦的摩擦等相关。（自由收缩受阻）等相关。（自由收缩受阻）12:03:31（1）铸件各部分的）铸件各部分的冷却速度不同冷却速度不同，相互制约和相互制约和牵制产生收缩阻力牵制产生收缩阻力（壁厚不均匀、位置不（壁厚不均匀、位置不当）；当）；（2）铸型与型芯对收缩的）铸型与型芯对收缩的机械阻力机械阻力（退让性不（退让性不好）。好）。5 5缩孔与缩松缩孔与缩松 在铸件的凝固过程中，由于合金的在铸件的凝固

25、过程中，由于合金的液态收缩液态收缩和凝固收缩和凝固收缩，使铸件的，使铸件的最后凝固部位出现孔最后凝固部位出现孔洞洞。容积较大而集中容积较大而集中的孔洞称为的孔洞称为缩孔缩孔，细小细小而分散而分散的孔洞称为的孔洞称为缩松缩松。 铸件中不论铸件中不论存在存在何种形态的何种形态的孔洞孔洞，都会，都会减减少少铸件的有效铸件的有效受力而积受力而积，产生，产生应力集中应力集中，使，使其承载能力和气密性等使用其承载能力和气密性等使用性能下降性能下降，因此，因此，缩孔和缩松是铸件的重要缺陷，必须设法防缩孔和缩松是铸件的重要缺陷，必须设法防止。止。12:03:311) 1)缩孔缩孔 缩孔通常缩孔通常隐藏隐藏在在

26、铸件铸件上部或最后凝固部位上部或最后凝固部位，经机械经机械加工后加工后可可暴露暴露来。来。 有时，有时， 缩孔产生在铸件的上缩孔产生在铸件的上表面上表面上，呈明，呈明显显凹坑凹坑。缩孔的外形特征是近于。缩孔的外形特征是近于倒锥形倒锥形。内内表表面不光滑面不光滑。 铸件缩孔的形成过程如下图所示。假定合金铸件缩孔的形成过程如下图所示。假定合金在在恒温恒温下凝固或下凝固或凝固温度凝固温度范围很范围很窄窄，合金由，合金由表表及里逐层及里逐层凝固。凝固。 液态金属填满铸型以后，由于铸型的表面液态金属填满铸型以后，由于铸型的表面不断向外散热，使靠近型腔表面的金属温度很不断向外散热，使靠近型腔表面的金属温度

27、很快就降低到凝固温度，凝固成一层外壳。温度快就降低到凝固温度，凝固成一层外壳。温度继续下降，外壳不断加厚。继续下降，外壳不断加厚。 kakaka12:03:3112:03:31 12:03:31 同时，内部的剩余液体由于本身的液同时，内部的剩余液体由于本身的液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，其体态收缩和补充凝固层的凝固收缩，其体积减小。液态收缩和凝固收缩造成的体积减小。液态收缩和凝固收缩造成的体积缩减逐渐积累，在重力的作用下液面积缩减逐渐积累，在重力的作用下液面与顶面相脱离。如此进行下去，外壳不与顶面相脱离。如此进行下去，外壳不断加厚，液面不断下降。待合金完全凝断加厚，液面不断下降。待合金完全凝

28、固，就在铸件中形成了缩孔。已经产生固，就在铸件中形成了缩孔。已经产生缩孔的铸件自凝固终了温度冷却到室温，缩孔的铸件自凝固终了温度冷却到室温，因固态收缩使外形尺寸略有缩小。因固态收缩使外形尺寸略有缩小。 由此可知，由此可知，铸件中的铸件中的缩孔缩孔是由于是由于合金合金的液态收缩和凝固收缩而产生的液态收缩和凝固收缩而产生的的。12:03:312)2)缩松缩松 缩松多分布于铸件的缩松多分布于铸件的轴线区域轴线区域、内浇内浇道附近道附近, ,甚至甚至厚大铸件的整个断面厚大铸件的整个断面，它，它分分布面广布面广， 难于控制难于控制。对铸件的力学性能。对铸件的力学性能影响很大影响很大，是铸件最危险的缺陷之

29、一。，是铸件最危险的缺陷之一。 12:03:31缩孔与缩松的形成过程12:03:31 缩松的形成过程如上图所示。具有缩松的形成过程如上图所示。具有较宽较宽凝固温度范围凝固温度范围的合金在铸件的截面上温度的合金在铸件的截面上温度梯度又较小的条件下凝固时，液态金属最梯度又较小的条件下凝固时，液态金属最后在后在心部较宽的区域内同时析出心部较宽的区域内同时析出，初生的，初生的树枝晶把液体分隔成许多小的封闭区树枝晶把液体分隔成许多小的封闭区。 这些这些小封闭区小封闭区液态金属的液态金属的收缩得不到收缩得不到外界金届液的补充外界金届液的补充，便形成，便形成细小、分散的细小、分散的孔洞孔洞即缩松。缩松形成的

30、基本原因和缩孔即缩松。缩松形成的基本原因和缩孔一样，一样，也是合金的也是合金的液态收缩和凝固收缩液态收缩和凝固收缩所所致致。12:03:313 3）产生的部位）产生的部位（ 1 1）缩孔：）缩孔：壁厚过大壁厚过大部位。部位。（ 2 2）缩松：）缩松：铸件铸件芯部，较深层芯部，较深层。4 4）影响因素）影响因素（ 1）液态金属）液态金属收缩大收缩大，收缩容积大，易产生，收缩容积大，易产生缩缩松松；（ 2）浇注温度高浇注温度高，易产生，易产生缩孔缩孔，液态收缩越大液态收缩越大，则则产生缩孔倾向越大产生缩孔倾向越大；（3）结晶）结晶温度间隔大温度间隔大易易产生缩松产生缩松。5 5）改进措施）改进措施

31、（1）顺序凝固顺序凝固的工艺措施（控制各处的冷却速的工艺措施（控制各处的冷却速度）。度）。 任何合金的收缩都是一定要发生的，为了防任何合金的收缩都是一定要发生的，为了防止缩松和缩孔的产生，可通过止缩松和缩孔的产生，可通过改善改善各处的各处的冷却冷却速度速度来实现。来实现。 12:03:31 在实际生产中，通常采用在实际生产中，通常采用顺序凝固顺序凝固原则，原则，并设法使并设法使分散分散的缩松的缩松转化转化为为集中集中的缩孔，再的缩孔，再使使集中的缩孔转移集中的缩孔转移到到冒口冒口中，最后将冒口中，最后将冒口去去除除，即可获得完好的铸件。即通过设置冒口，即可获得完好的铸件。即通过设置冒口和冷铁使

32、铸件从远离冒口的地方开始凝固和冷铁使铸件从远离冒口的地方开始凝固并逐渐向冒口推进，冒口最后凝固。并逐渐向冒口推进，冒口最后凝固。 铸件凝固顺序：铸件凝固顺序：薄壁薄壁厚壁厚壁冒口冒口。 铸件顺序凝固示意图铸件顺序凝固示意图 12:03:31 为了实现铸件的顺序凝固，应合为了实现铸件的顺序凝固，应合理地选择理地选择内绕道在铸件上的引入位置内绕道在铸件上的引入位置，开设冒口并放置冷铁开设冒口并放置冷铁。生产上为提高。生产上为提高液态金属的补缩效果，常采用发热保液态金属的补缩效果，常采用发热保温冒口。温冒口。 冒口补缩示意图冒口补缩示意图 12:03:31（2 2）合理布置浇注系统和浇注工艺）合理布

33、置浇注系统和浇注工艺 1 1壁厚处设冒口壁厚处设冒口，不断补充冷却收缩所需要的，不断补充冷却收缩所需要的液体金属；液体金属； 2 2 最远处放冷铁，远端先冷最远处放冷铁，远端先冷，不断补充金属液。，不断补充金属液。 3 3一般采取一般采取高温慢浇高温慢浇，顺序凝固顺序凝固的工艺方法的工艺方法注注 1 1冒口冒口的作用：的作用：补缩、排气、浮渣补缩、排气、浮渣； 2 2冷铁冷铁用来用来调节冷却速度，不起补缩作调节冷却速度，不起补缩作 用用。（3 3）合理设计铸件的结构：）合理设计铸件的结构：壁厚均匀壁厚均匀且且大于允许大于允许的最小壁厚的最小壁厚。6 6）铸造应力、变形和裂纹）铸造应力、变形和裂

34、纹 铸件在铸件在冷却冷却的过程中，的过程中，收缩受阻收缩受阻，为保持平，为保持平衡，则必然要衡，则必然要产生附加的应力产生附加的应力。12:03:31（1 1）铸造应力）铸造应力 1 1热应力热应力：与零件的与零件的结构相关结构相关，各部分，各部分的的冷却速度不一致冷却速度不一致所至。所至。 2 2机械应力机械应力：在在冷却冷却过程中，铸件过程中，铸件收收缩缩受到受到铸型、型芯、以及浇注系统铸型、型芯、以及浇注系统的机的机械械阻碍阻碍而而产生产生的的应力应力。它是它是暂时的暂时的，当，当经过落砂、除去浇冒口和清理后消失。经过落砂、除去浇冒口和清理后消失。（2)2)变形及防止变形及防止 1 1产

35、生的原因：产生的原因：热应力热应力引起的，铸件引起的，铸件由于存在由于存在结构结构上和铸造上和铸造工艺工艺上的上的不足不足，引起引起一定的铸造一定的铸造应力应力，残留残留在铸件内部，在铸件内部，最终最终释放释放后而后而导致的变形导致的变形。12:03:31 如果铸件如果铸件存在内应力存在内应力，则铸件处于，则铸件处于一种一种不稳定状态不稳定状态。铸件铸件厚的部厚的部分分受拉受拉应力应力，薄的部薄的部分分受压应力受压应力。铸件本身。铸件本身总是力图通过变形来减缓内应力，因总是力图通过变形来减缓内应力，因此此细而长、厚又薄细而长、厚又薄的铸件的铸件易发生变形易发生变形。 12:03:31（3 3）

36、热应力的形成过程）热应力的形成过程12:03:31 如图所示，车床床身的导轨部分因较如图所示，车床床身的导轨部分因较厚厚而受而受拉应力拉应力，床身腹部分因较，床身腹部分因较薄薄而受而受压压应力应力，于是导轨会产生向下的，于是导轨会产生向下的挠曲变形挠曲变形。w 受受拉应力部分（厚壁），向拉应力部分（厚壁），向内凹内凹;w 受压应力部分（薄壁），向受压应力部分（薄壁），向外凸外凸。2 2防止的方法防止的方法 设计设计合理结构合理结构，如，如壁厚均匀、对称分布、壁厚均匀、对称分布、壁厚差均匀过渡壁厚差均匀过渡。 选择合理的工选择合理的工艺措施艺措施：拉应力处采用：拉应力处采用顺顺序冷却，反向补偿，

37、提高型砂的退让性序冷却，反向补偿，提高型砂的退让性。 采用适当的采用适当的热处理工艺热处理工艺，退火退火、人工时人工时效效等。等。 12:03:313 3）铸件裂纹及防止）铸件裂纹及防止1 1产生根本原因产生根本原因：如果铸造如果铸造内应力内应力超过合金的超过合金的强强度极限度极限，则会产生，则会产生裂纹裂纹。裂纹分为。裂纹分为热裂和冷裂热裂和冷裂两种。两种。2 2热裂：热裂：在凝固的过程中在凝固的过程中固相线高温附近固相线高温附近形成的。形成的。 形状：形状：裂纹裂纹短、形状曲折、缝隙宽、断面有严短、形状曲折、缝隙宽、断面有严重氧化、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和扩展重氧化、无金属光泽、裂纹沿

38、晶界产生和扩展。常见的铸件：常见的铸件：铸钢和铝合铸钢和铝合金铸件中。金铸件中。产生的原因：产生的原因：在在凝固后期凝固后期，其结晶的骨架已形，其结晶的骨架已形成，在成，在晶粒间晶粒间还还存在少量的液态金属存在少量的液态金属，强度低，强度低，如果如果线收缩受阻线收缩受阻（型芯和铸型退让性差），（型芯和铸型退让性差），收收缩产生的应力缩产生的应力超过该状态下的超过该状态下的强度强度。12:03:31.结构不好，冷却速度不均匀，收缩不结构不好，冷却速度不均匀，收缩不协调；协调；.金属材料收缩率大，高温强度低；金属材料收缩率大，高温强度低；.型砂、型芯退让性差。型砂、型芯退让性差。防止措施：防止措施

39、：.设计设计合理合理的铸件结构（壁厚均匀、避的铸件结构（壁厚均匀、避免应力集中等）；免应力集中等）；. 选择选择退让性好退让性好的型砂；的型砂； .大的型芯可采用中空结构或内部填以大的型芯可采用中空结构或内部填以焦炭；焦炭； .严格限制铸钢和铸铁中严格限制铸钢和铸铁中硫硫的质量分数；的质量分数；选用选用收缩率小收缩率小的合金等。的合金等。12:03:313 3冷裂：冷裂：在在低温低温下形成的。下形成的。 形状特征：形状特征：位于位于受拉部位受拉部位，应力集中处应力集中处，其裂缝其裂缝细小细小，呈，呈连续直线状连续直线状，干净、干净、光滑光滑的断口，有时呈的断口，有时呈轻微氧化轻微氧化色，色，延

40、延伸至伸至铸件的铸件的表面表面。 常见铸件：常见铸件：壁厚差别大壁厚差别大，形状复杂形状复杂或或大大而薄而薄的铸件易产生冷裂。的铸件易产生冷裂。 产生原因：产生原因：在在热应力和收缩应力热应力和收缩应力同时作同时作用下引起的。用下引起的。防止措施：防止措施： .提高合金力学性能；提高合金力学性能；.减小铸造减小铸造应力应力，合理设计零件结构。，合理设计零件结构。12:03:31四吸气性四吸气性 在在冶炼和浇注冶炼和浇注时吸收气体的性能。时吸收气体的性能。 1.侵入气孔侵入气孔 1）产生原因：）产生原因：在浇注时，由于在在浇注时，由于在高温高温的作用下，的作用下，水分汽化、有机附加物的燃烧水分汽

41、化、有机附加物的燃烧产生的气体，同产生的气体，同时这些气体不能及时排出而时这些气体不能及时排出而卷入卷入金属液中。金属液中。2）主要特征：）主要特征：（1）位于在铸件）位于在铸件上表面和型腔表面上表面和型腔表面附近；附近；（2）呈）呈光滑梨形或椭圆形光滑梨形或椭圆形的的大孔洞大孔洞。 3）防止措施：）防止措施：（1）尽量降低型）尽量降低型(芯芯)砂的砂的水份和其他有机物水份和其他有机物；（2）增强砂型）增强砂型(芯芯)的的排气排气能力；能力；（3）合理设计）合理设计浇冒口浇冒口系统（以便于排气）。系统（以便于排气）。12:03:312.2.析出气孔析出气孔 1 1）产生原因：）产生原因：在在冶

42、炼和浇注冶炼和浇注时，时，溶解溶解在金属在金属液中的气体，随温度的下降，溶解度减小，液中的气体，随温度的下降，溶解度减小，必然从金属液中逸出。必然从金属液中逸出。 2 2）主要特征：）主要特征：体积较小体积较小，分布于铸件，分布于铸件截面上截面上。3 3）防止措施：）防止措施：（1）严格控制炉料质量：）严格控制炉料质量：含水、氧化物和油污含水、氧化物和油污；（2）把好冶炼工艺：加）把好冶炼工艺：加覆盖剂覆盖剂，尽量，尽量缩短熔炼缩短熔炼时间时间；（3）抓好烧注操作：保证）抓好烧注操作：保证工具干燥、干净工具干燥、干净；避；避免剧烈搅拌免剧烈搅拌；（4）合理设计浇注系统。）合理设计浇注系统。 1

43、2:03:313.3.反应气孔反应气孔1 1）产生原因：）产生原因：化学反应化学反应的的 附加物。附加物。2 2）主要特征：）主要特征：（1）数量多而尺寸小数量多而尺寸小(孔径一般为孔径一般为13mm)；（2）大多数）大多数产生产生于铸件于铸件表皮下表皮下13mm处；处；（3）形状多呈）形状多呈针状或球状针状或球状。 3 3）防止措施：）防止措施：（1）控制型砂的）控制型砂的水分水分；（2）控制合金液的合）控制合金液的合气量气量；（3）保证）保证冷铁、芯撑干燥，无锈、无油污冷铁、芯撑干燥，无锈、无油污等。等。12:03:31 2-3 铸造方法（铸造方法（casting）一在重力作用下的铸造方法

44、（合金液在一在重力作用下的铸造方法（合金液在自身重力下充型，不需外力）自身重力下充型，不需外力）1.砂型铸造砂型铸造 采用具有一定性能的采用具有一定性能的型型(芯芯)砂砂来制造来制造 铸型及砂芯铸型及砂芯，是目前各种液态成型方法，是目前各种液态成型方法中最基本、应用最广泛的成型方法。它中最基本、应用最广泛的成型方法。它具有具有灵活性大、生产周期短、成本最低灵活性大、生产周期短、成本最低等优点。据不完全统计，砂型铸造的铸等优点。据不完全统计，砂型铸造的铸件约占铸件总产量的件约占铸件总产量的80一一90。其工。其工艺过程如下艺过程如下:12:03:3112:03:311) 1)砂型的分类砂型的分类

45、 常用的砂型种类有常用的砂型种类有湿型、干型、表面干型和各湿型、干型、表面干型和各种化学硬化砂型种化学硬化砂型等。等。（1 1）湿型：）湿型：不烘干不烘干就浇注。就浇注。1 1湿型优缺点：湿型优缺点：周期短，节能；（不周期短，节能；（不经烘干即可浇注的）。经烘干即可浇注的）。效率高，成本低；效率高，成本低；易于实现机械化作业。易于实现机械化作业。强度低，水分高，不易保证铸件质量。强度低，水分高，不易保证铸件质量。2 2应用：应用：适应于中、小型零件（大型零件和壁厚零件不适应于中、小型零件（大型零件和壁厚零件不适宜）适宜）质量要求不高的铸件。质量要求不高的铸件。12:03:31（2 2）干型：）

46、干型：烘干烘干后浇注。后浇注。 1 1干型优缺点：干型优缺点：强度高、透气性好；强度高、透气性好；水分少，铸件质量高；水分少，铸件质量高；生产周期长，耗能；生产周期长，耗能；设备投资大，难以实现机械化、自动化生产。设备投资大，难以实现机械化、自动化生产。 2 2应用：应用：中、大型铸件；中、大型铸件；单件、小批生产。单件、小批生产。（3 3）表面干型：）表面干型：仅将砂型仅将砂型表面烘干表面烘干，内部湿度不，内部湿度不变。变。1 1特点特点：表层的强度高，生产周期短，节能；表层的强度高，生产周期短，节能；透气性和铸件质量一般。透气性和铸件质量一般。2 2应用：应用：用于生产中、大型铸件，各种用

47、于生产中、大型铸件，各种 批量的生批量的生产均宜产均宜。12:03:31（4 4）化学硬化：）化学硬化：靠靠粘结剂粘结剂自身的自身的化学反应化学反应来硬来硬化砂型。如水玻璃秒型、水泥砂型、树脂砂化砂型。如水玻璃秒型、水泥砂型、树脂砂型等。型等。 1 1特点：特点：不用烘干，周期短、节能；不用烘干，周期短、节能；效率高、劳动条件好；效率高、劳动条件好；产品质量高。产品质量高。旧砂不可回收，成本高旧砂不可回收，成本高(如树脂砂型如树脂砂型)，易粘砂，易粘砂 (如水玻璃砂型如水玻璃砂型) 。 2 2应用：应用：中、大型质量高铸件；中、大型质量高铸件；多用树脂砂型。多用树脂砂型。12:03:31 2

48、2）手工造型）手工造型 紧砂、起模、修型、下芯及合箱紧砂、起模、修型、下芯及合箱等主等主要操作过程全是手工操作。要操作过程全是手工操作。（1 1）特点：）特点： 1 1适应性强，制造成本低；适应性强，制造成本低； 2 2生产率低，劳动强度大，生产率低，劳动强度大， 3 3铸件质量稳定差。铸件质量稳定差。（2 2）应用：）应用：单件、小批单件、小批生产中，特别是生产中，特别是大型、复杂大型、复杂的铸件。的铸件。12:03:31（3 3）分类）分类（取出模型的方式）（取出模型的方式）1 1整模造型：整模造型：模型为模型为整体整体，型腔在，型腔在一个砂箱中一个砂箱中。 特点：特点：造型简单，不会错箱

49、。造型简单，不会错箱。 应用：分型面在应用：分型面在在端部、且为平面的铸件。在端部、且为平面的铸件。2 2分模造型：分模造型：模型为模型为对分型对分型，型腔位于，型腔位于上、下上、下砂箱内砂箱内。 特点：特点：模型制造复杂，造型方便。模型制造复杂，造型方便。 应用：应用：最大截面位于零件上的某一位置上。最大截面位于零件上的某一位置上。3 3挖砂造型：挖砂造型：模型为模型为整体整体，阻碍拔模的型砂挖阻碍拔模的型砂挖掉掉。 特点：特点：分型面是曲面，费时。分型面是曲面，费时。 应用：应用：单单件小批生产、分型面为非平面件小批生产、分型面为非平面的铸件。的铸件。（手轮）（手轮）12:03:314 4

50、活块造型：活块造型：妨碍起模的部分单独妨碍起模的部分单独制成制成可分离可分离的的独立块独立块。 特点：特点：操作难度大，费时，易产生错位。操作难度大，费时，易产生错位。 应用：应用：单件、小批单件、小批，带有，带有凸起部分的、难以起凸起部分的、难以起模模的铸件。的铸件。5 5刮板造型：刮板造型：不用模型不用模型，只使用与铸件回转形，只使用与铸件回转形面相同的面相同的母面样板母面样板。 特点：特点：模型简单，费时，操作水平高。模型简单，费时，操作水平高。 应用：应用：单件、小批单件、小批生产，生产，大型回转大型回转类零件的铸类零件的铸件（大齿轮坯等）件（大齿轮坯等） 。6 6三箱造型：三箱造型：

51、采用采用三个砂箱三个砂箱来造砂型。（中间来造砂型。（中间砂箱有高度要求）砂箱有高度要求） 特点：特点：操作复杂，易位错，机械化程度低。操作复杂，易位错，机械化程度低。 应用：应用：单件，小批，中间截面小单件，小批，中间截面小的零件。（两的零件。（两端带法兰的零件）端带法兰的零件）12:03:317 7假箱造型：假箱造型：利用利用预先制好预先制好的半个铸型的半个铸型（假箱）假箱）代替底板，省去挖砂。代替底板，省去挖砂。 特点：特点：假箱参与造型，不组成铸型，造假箱参与造型，不组成铸型，造型效率高，操作复杂。型效率高，操作复杂。 应用：应用：形状复杂的小批形状复杂的小批量生产。量生产。8 8地坑造

52、型：地坑造型：不用砂箱不用砂箱，利用地下坑地造，利用地下坑地造型。型。 特点：特点：成本低，占地面积大，生产环境成本低，占地面积大，生产环境差，生产率低。差，生产率低。 应用：应用：单件、大型单件、大型铸件。铸件。12:03:31手工造型分类按砂箱特征分按砂箱特征分两箱造型两箱造型 适用各种批量、大小铸件适用各种批量、大小铸件三箱造型三箱造型用于有两个分型面的单件、小批量生用于有两个分型面的单件、小批量生产产脱箱造型脱箱造型 用于小型铸件用于小型铸件地坑造型地坑造型 用于生产批量小的大中型铸件用于生产批量小的大中型铸件12:03:32 按模型特按模型特征分征分整模造型整模造型用于铸件最大截面靠

53、一端且为平面用于铸件最大截面靠一端且为平面的铸件，不会错箱的铸件，不会错箱挖砂造型挖砂造型用于分型面是曲面的单件、小批量用于分型面是曲面的单件、小批量生产的铸件生产的铸件假箱造型假箱造型用于成批生产需要挖砂的铸件用于成批生产需要挖砂的铸件活块造型活块造型用于单件、小批量生产带有凸出部用于单件、小批量生产带有凸出部分、难以起模的铸件分、难以起模的铸件刮板造型刮板造型用于有等截面或回转体的大、中型用于有等截面或回转体的大、中型铸件，单件、小批生产铸件，单件、小批生产12:03:323 3）机器造型）机器造型 用机器来完成用机器来完成部分或全部部分或全部造型操作的方造型操作的方法。法。（1 1）特点

54、：）特点： 1 1效率高、劳动条件好；效率高、劳动条件好； 2 2产品质量稳定；产品质量稳定； 3 3采用模板造型；（模板固定模样、浇采用模板造型；（模板固定模样、浇冒口的底版冒口的底版)， 4 4不宜采用三箱不宜采用三箱造型。造型。（2 2）应用：）应用：大批、大量大批、大量生产；生产；12:03:32（3 3）分类）分类（按紧砂方式分）（按紧砂方式分） 1 1震压造型震压造型: : 用机用机械震动来紧实械震动来紧实型砂。型砂。 特点：特点：设备简单，造价低，紧实度较均设备简单，造价低，紧实度较均匀，紧实力低，噪声大，为匀，紧实力低，噪声大，为0.15-0.4MP。应用：应用：大量、小件大量

55、、小件铸造。铸造。2 2微振压实造型：微振压实造型：高频、低幅、利用砂的高频、低幅、利用砂的惯性惯性紧实；紧实； 特点：特点：效率高、紧实度均匀，场地要抗效率高、紧实度均匀，场地要抗震，噪音大、机械寿命短；震，噪音大、机械寿命短； 应用：应用：大批量、形状较复杂大批量、形状较复杂的零件的零件。12:03:32 3 3高压造型：高压造型：较高的比压较高的比压（0.7-1.5MPa）紧实型砂。紧实型砂。特点：特点：紧实度高、铸件质量高，噪声小，紧实度高、铸件质量高，噪声小，生产率高，使用成本高。生产率高，使用成本高。应用：应用：大量或成批生产小型大量或成批生产小型铸件。铸件。4 4抛砂造型：抛砂造

56、型：利用利用离心力抛砂离心力抛砂紧实。紧实。 特点：特点：紧实度均匀、效率低、操作简单、紧实度均匀、效率低、操作简单、噪音小。噪音小。应用：应用：单件、小批，大、中型单件、小批，大、中型铸件。铸件。12:03:324 4气冲造型气冲造型：用：用燃气或压缩空气燃气或压缩空气瞬时膨瞬时膨胀账来紧实型砂。胀账来紧实型砂。特点特点：紧实度高、精度高、设备简单、：紧实度高、精度高、设备简单、能耗低、噪音小。能耗低、噪音小。应用：应用：成批、小型、复杂成批、小型、复杂零件。零件。5 5负压造型：负压造型：型砂型砂不用粘结剂不用粘结剂，利用，利用高高密密封、抽真空密密封、抽真空来紧实型砂。来紧实型砂。特点：

57、特点：投资少、精度高、旧砂可回用、投资少、精度高、旧砂可回用、能耗低、污染小、效率低。能耗低、污染小、效率低。应用：应用：单件、小批、形状不复杂单件、小批、形状不复杂的零件。的零件。12:03:324 4）制芯）制芯 单件小批用手工制作，成批大量用机械制作单件小批用手工制作，成批大量用机械制作（射芯机、壳芯机）；（射芯机、壳芯机）；2.2.金属型铸造金属型铸造 金属液浇注到金属液浇注到金属材料制成的铸型金属材料制成的铸型中中,以获以获得成品的方法。得成品的方法。1 1）特点：）特点： （1） 节省材料节省材料,污染小污染小(一型多件一型多件)； （2） 工艺简短、机械化程度高；工艺简短、机械化

58、程度高； （3）精度高，力学性能好；）精度高，力学性能好； （4）造价高，排气和退让性差，易产生裂纹及）造价高，排气和退让性差，易产生裂纹及其他缺陷；其他缺陷；（5）冷却速度快，不已铸造结构复杂、薄壁的）冷却速度快，不已铸造结构复杂、薄壁的大型零件。大型零件。12:03:323 3）金属模的结构）金属模的结构（1 1）金属型模体：）金属型模体：材料一般是材料一般是耐热铸铁耐热铸铁（高温（高温不熔化和变形）、不熔化和变形）、铸钢铸钢； 1 1组成：组成： 型腔：形成一定形状的铸件。型腔：形成一定形状的铸件。 浇注系统：采用底浇注，缝隙式、浇注系统：采用底浇注，缝隙式、 直浇道；有时采用斜形直浇道

59、；有时采用斜形 和蛇形，以阻渣和降低和蛇形，以阻渣和降低 流速。流速。 排气槽、合模销。排气槽、合模销。2 2型芯：型芯：形成铸件的内腔（孔、槽）；形成铸件的内腔（孔、槽）；3 3外围结构：外围结构：夹紧、开合机构、顶出机构等。夹紧、开合机构、顶出机构等。12:03:3212:03:32 金属型铸造演示12:03:324 4）工艺特性）工艺特性 （1 1）铸型必须预热：）铸型必须预热：其导热性好，金属液流动其导热性好，金属液流动性将受影响，易产生性将受影响，易产生冷隔、浇不到、气孔冷隔、浇不到、气孔等等缺陷。缺陷。注：注： 1 1浇注浇注HTHT时，时，250350250350，浇注铝合金，浇

60、注铝合金时，时， 200300200300。 2 2浇注过程中应注意散热，以免型温高，浇注过程中应注意散热，以免型温高，造成组织粗大，模具的热蚀和变形。造成组织粗大，模具的热蚀和变形。 （2 2）型腔喷刷涂料：）型腔喷刷涂料：防止金属防止金属直接冲蚀和热击直接冲蚀和热击金属模体。涂层厚度一般为金属模体。涂层厚度一般为0.30.5mm。 注：注： 1 1涂料的种类应与不同的浇注合金相适应；涂料的种类应与不同的浇注合金相适应；列如：铝合金用氧化锌，水玻璃等混合物；列如：铝合金用氧化锌，水玻璃等混合物； 2 2涂层不能调节铸件的冷却速度涂层不能调节铸件的冷却速度 。12:03:32（4 4）及时开型