金属的液态成形技术汇总

1、1基本内容：基本内容：1. 铸造成形工艺的铸造成形工艺的特点特点和和分类分类2. 合金的铸造合金的铸造性能性能重点与难点：重点与难点： 铸造性能铸造性能2铸造：金属液态成形是指将液态（或熔融态、浆金属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状）材料注入一定形状和尺寸的铸型(Mold)(Mold)（或（或模具）型腔模具）型腔(Mold Cavity)(Mold Cavity)中，凝固后获得固态毛中，凝固后获得固态毛坯或零件的方法坯或零件的方法 。历史悠久，应用广泛。历史悠久，应用广泛。（古代（古代的工艺品、农具和兵器等等）的工艺品、农具和兵器等等）。合金：由两种或两种以上

2、的金属元素，或金属由两种或两种以上的金属元素，或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质。3传统砂型铸造流程简图传统砂型铸造流程简图4铸造特点：优点： 1复杂零件（外形、内腔）； 2. 成本低； 2尺寸和重量不受限制。缺点： 1废品率较高，生产过程难以控制； 2铸件力学性能较差； 3砂型铸造铸件精度较差。 5铸造生产流水线铸造生产流水线678v根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸造造(Sand Casting Process)和特种铸造和特种铸造(Special Casting Process)两类。两类

3、。910 合金的铸造性能合金的铸造性能：是指合金在铸造过程中获得外：是指合金在铸造过程中获得外形准确内部健全的铸件的能力。形准确内部健全的铸件的能力。流动性流动性充型能力充型能力偏析和吸气性偏析和吸气性收缩性收缩性合金的铸造性能合金的铸造性能偏析：偏析：是由于凝固或固态相变而导致的合金中化是由于凝固或固态相变而导致的合金中化学成分的不均匀分布。学成分的不均匀分布。 11螺旋形流动性试样螺旋形流动性试样12131415 合金的流动性越好，合金的流动性越好，充填铸型能力充填铸型能力就就越强，越容易获得越强，越容易获得轮廓清晰的复杂薄壁铸件；轮廓清晰的复杂薄壁铸件； 此外还有利于液态合金中气体和熔渣

4、上浮与排除，越有此外还有利于液态合金中气体和熔渣上浮与排除，越有助于对凝固过程中所产生的收缩进行补缩。反之产生相应助于对凝固过程中所产生的收缩进行补缩。反之产生相应的缺陷。的缺陷。 若液态合金的充型能力不足，铸件将产生浇不足、冷若液态合金的充型能力不足，铸件将产生浇不足、冷隔等缺陷。隔等缺陷。16 合金化学成分对流动性的影响： 17合金成分对流动性的影响合金成分对流动性的影响ab成分温度铸件铸件液相线固相线固中心液表层表层中心ab液a共晶成分合金共晶成分合金b过共晶成分合金过共晶成分合金18结晶区间越大，流动性越差，共晶成分合金的流动性最好。结晶区间越大，流动性越差，共晶成分合金的流动性最好。

5、过共晶成分合金在结晶时因有液固两相存在，流动性较差。过共晶成分合金在结晶时因有液固两相存在，流动性较差。P P可提高流动性，可提高流动性，S S可使流动性下降。可使流动性下降。19表表1-1常用合金的流动性常用合金的流动性灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。 合金合金铸型铸型浇注温度浇注温度/螺旋线长度螺旋线长度/mm铸铁：铸铁：w(C+Si)=6.2%w(C+Si)=5.9%w(C+Si)=5.2%w(C+Si)=4.2%砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢：铸钢：w(C)=0.4%砂型砂型16001

6、640100200铝硅合金铝硅合金金属型金属型680720700800镁合金（镁合金（Mg-Al-Zn）砂型砂型700400600锡青铜：锡青铜：w(Sn)=9%11% w(Zn)=2%4%硅黄铜：硅黄铜：w(Si)=1.5%4.5%砂型砂型10401100420100020 合金充型能力的影响因素：1. 1. 流动性流动性2浇铸条件 （1）浇注温度：对合金流动性的影响很显著。对合金流动性的影响很显著。灰铸铁灰铸铁12001380、铸造碳钢、铸造碳钢15201620、铝合金铝合金680780。“高温出炉，低温浇注高温出炉，低温浇注”（2）充型压力 充型压力 充型能力v液态金属的充型能力液态金属

7、的充型能力(Mold Filling Capacity)是指液态是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。力。21 3铸型条件 （1）铸型的蓄热能力（2）铸型预热温度 （3）铸型透气性（4）铸件结构的壁厚 22v合金从液态到固态的状态转变称为凝固合金从液态到固态的状态转变称为凝固(Solidification)或或一次结晶一次结晶(Crystallization) 1、逐层凝固、逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，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，截面上固液两过程中

8、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，这种凝固方式称为扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝逐层凝固固”。 23v2、体积凝固体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温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，这种凝固方式称为固方式称为“体积凝固体积凝固”（或称糊状凝固）。（或称糊状凝固）

9、。24v 3、中间凝固、中间凝固v 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，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，称为固与体积凝固之间，称为“中间凝固中间凝固”方法。方法。v 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝逐层凝固；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，对应固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应

10、的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。 2526 合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。尺寸缩减的现象。 收缩是合金的物理本性，但如果在铸造过程中，不能对收缩是合金的物理本性，但如果在铸造过程中，不能对收缩进行控制，常常会导致铸件产生收缩进行控制，常常会导致铸件产生缩孔、缩松、应力、变缩孔、缩松、应力、变形和裂纹等缺陷形和裂纹等缺陷。1 1、合金收缩过程、合金收缩过程272 2、影响收缩的因素：、影响收缩的因素：（1）化学成分化学成分 含含C量对碳钢收缩不大量对碳钢收缩不大;灰铸铁随灰铸铁随

11、C、Si含量的增加，石墨化含量的增加，石墨化程度加大，故灰铸铁收缩率减小程度加大，故灰铸铁收缩率减小;而而S可阻碍石墨析出，使灰铸可阻碍石墨析出，使灰铸铁收缩率增大。铁收缩率增大。（2）浇注温度：浇注温度：浇注温度越高，收缩率越大。浇注温度越高，收缩率越大。 （3）铸型条件和铸件结构铸型条件和铸件结构 冷却速度不同冷却速度不同机械阻力机械阻力28金属由液态向固态的冷却收缩过程金属由液态向固态的冷却收缩过程29体收缩率体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。 %100 铸件铸件铸件铸件铸型铸型LLLL 体收缩率体收缩率：线收缩率线收缩率：线收缩率线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。%1

12、00 铸铸件件铸铸件件铸铸型型VVVV 合金种类体收缩率/%线收缩率/%碳素铸钢1014.51.32.0白口铸铁12141.52.0灰铸铁580.71.0铁碳铁碳合金的收缩率合金的收缩率 收缩率收缩率303 3、收缩导致的铸件缺陷、收缩导致的铸件缺陷(1)(1)缩孔和缩松缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固铸件在凝固过程中，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。的称缩孔，细小而分散的称缩松。

13、31缩孔形成过程示意图 纯金属、共晶合金：因铸型吸热，近型腔表面的金属很快凝固成壳，纯金属、共晶合金：因铸型吸热，近型腔表面的金属很快凝固成壳，温度下降，合金逐层凝固，凝固层加厚，内部的剩余液体，由于体收温度下降，合金逐层凝固，凝固层加厚，内部的剩余液体，由于体收缩，液面下降，得不到金属液补缩，内部出现空隙，直到完全凝固，缩，液面下降，得不到金属液补缩，内部出现空隙，直到完全凝固，在铸件上部形成在铸件上部形成缩孔缩孔。 缩孔（缩孔（shrinkage cavity）形状不规则，孔壁粗糙，一般位于铸件厚）形状不规则，孔壁粗糙，一般位于铸件厚大部位和热节处大部位和热节处 。 32缩松缩松：分散、细

14、小的孔，包括宏观缩松和显微缩松。 当合金结晶温度较宽时，铸件表面结壳后，内部有较宽的液、固当合金结晶温度较宽时，铸件表面结壳后，内部有较宽的液、固两相共存的凝固区域。凝固后期，树枝晶相互接触，将合金液分割成两相共存的凝固区域。凝固后期，树枝晶相互接触，将合金液分割成多个小的封闭区域，当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时，就多个小的封闭区域，当封闭区域内合金液凝固收缩得不到补充时，就形成了形成了缩松缩松。 缩松缩松一般出现在铸件壁的一般出现在铸件壁的轴线区域轴线区域、热节处热节处、冒口根部，冒口根部，也常分布在也常分布在集中缩孔集中缩孔的下方。的下方。 33几种铁碳合金的缩孔率几种铁碳合金的缩

15、孔率材料浇注温度/化学成分的质量分数/%缩孔率/%金属基体组织CSiMnPSMg碳 钢白口铸铁灰铸铁灰铸铁球墨铸铁154012501270129012900.242.653.233.403.220.011.102.934.123.700.050.480.450.600.510.050.160.110.090.090.040.090.030.030.010.066.455.702.561.655.50铁素体铁素体-珠光体珠光体莱氏体莱氏体-珠光体珠光体铁素体铁素体-珠光体珠光体铁素体铁素体珠光体珠光体-铁素体铁素体34 缩孔的防止。缩孔的防止。具体办法是：采用具体办法是：采用冒口冒口和和冷铁冷铁

16、。35阀阀体体件件的的铸铸造造方方案案热节浇口暗冒口冷铁明冒口36 缩松的防止缩松的防止A、在热节处安放、在热节处安放冷铁冷铁或或在砂型的局部表面涂敷在砂型的局部表面涂敷激冷激冷涂料涂料的办法，加大铸件的冷却速度；的办法，加大铸件的冷却速度；B、加大结晶压力加大结晶压力，以破碎枝晶，减少金属液的流动，以破碎枝晶，减少金属液的流动阻力，从而达到部分防止缩松的效果。阻力，从而达到部分防止缩松的效果。37(2) 铸造应力、变形和裂纹铸造应力、变形和裂纹 铸造应力按其形成原因分为铸造应力按其形成原因分为热应力热应力、机械应力机械应力等。等。 当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，当铸造应力超

17、过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹有裂纹有热裂纹热裂纹和和冷裂纹冷裂纹两种。两种。 38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凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸铸件凝固冷却过程中，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。39铸件因铸件因壁厚不均匀壁厚不均匀，或铸件中存在着，或铸件中存在着较大的较大的温差温差，在同一时间内铸件，在同一时间内铸件各部分收缩不同各部分收缩不同，先冷，先冷却的部位阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产却的部位阻碍了后冷却部位的收缩，在其内部产生了生了内应力

18、内应力。热应力热应力40TT再再塑性状态塑性状态塑性变形（即永久变形）塑性变形（即永久变形）内应力内应力在变形后可在变形后可自行消除自行消除；TT再再弹性状态弹性状态弹性变形弹性变形变形后应力仍然存在变形后应力仍然存在。41变形：变形：金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。金属在外力的作用下尺寸和形状的变化。（1 1）弹性变形）弹性变形 去除外力后，物体的变形能完去除外力后，物体的变形能完全恢复原状。全恢复原状。（2 2）塑性变形）塑性变形 当外力取消后，物体的变形不当外力取消后，物体的变形不能完全恢复，而产生永久变形。能完全恢复，而产生永久变形。42tKt固T123温度时间TT 高温阶段（T0

19、T之间）临时应力自行消失 中温阶段（TT之间）受拉伸、受压缩 低温阶段（TT之间）杆受压、杆受拉 请观看动画请观看动画43a a、热应力的特点是、热应力的特点是铸件缓冷处（厚壁处或心部）铸件缓冷处（厚壁处或心部）受拉伸，快冷处（薄壁处或表层）受压缩受拉伸，快冷处（薄壁处或表层）受压缩；b b、铸件冷却时各处的、铸件冷却时各处的温差温差愈大，定向凝固愈明显，愈大，定向凝固愈明显，合金的固态收缩愈大，合金的固态收缩愈大，弹性模量弹性模量愈大，则热应力愈大。愈大，则热应力愈大。热应力热应力44铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。生变化。

20、下表为钢的各种组织的比容。下表为钢的各种组织的比容。钢的组成相铁素体渗碳体奥氏体w(C)=0.9%珠光体马氏体比容/cm3g-10.12710.13040.12750.12860.1310相变应力相变应力45铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力阻碍而产生的应力称为机械应力。收缩应力使铸件产等外力阻碍而产生的应力称为机械应力。收缩应力使铸件产生拉应力或切应力，并且是暂时的。但是如果在某一瞬间收生拉应力或切应力，并且是暂时的。但是如果在某一瞬间收缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强

21、度极限时，铸件将产生裂纹。产生裂纹。机械应力机械应力46回顾？回顾？v1. 什么是铸造？什么是铸造？v2. 铸造应力产生的原因？铸造应力产生的原因？47防止和减小铸造应力的措施防止和减小铸造应力的措施 合理设计铸件结构合理设计铸件结构铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。采用同时凝固的工艺采用同时凝固的工

22、艺所谓所谓同时凝固同时凝固是指采取一些工艺是指采取一些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固，因各措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固，因各部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。部分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变形小。48顺序凝固与同时凝固顺序凝固与同时凝固 同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减同时凝固的具体工艺是将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却；再在铸件厚壁处放置冷铁，以加快其冷却。总之，缓其冷却；再在铸件厚壁处放置冷铁，以加快其冷却。总之，同时凝固原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；这种同时凝固原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾

23、向；这种工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材料。只是铸件工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材料。只是铸件的心部会产生缩孔和缩松缺陷，所以同时凝固原则只用于普通的心部会产生缩孔和缩松缺陷，所以同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜等铸造性能好的铸件的生产。灰铸铁和锡青铜等铸造性能好的铸件的生产。 49变形的实质原因：变形的实质原因：各部位受力不均，后冷却部位受拉应各部位受力不均，后冷却部位受拉应力，先冷却部位受压应力力，先冷却部位受压应力 铸件的变形与防止措施：铸件的变形与防止措施：残余内应力使铸件内部的不同部位被拉伸或压缩，处于一种不残余内应力使铸件内部的不同部位被拉伸或压缩，处于一

24、种不稳定状态，有自发通过变形来缓解其应力、回到稳定的平衡状态稳定状态，有自发通过变形来缓解其应力、回到稳定的平衡状态倾向。显然，只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产倾向。显然，只有原来受拉伸部分产生压缩变形、受压缩部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余内应力减少或消除。根据此规生拉伸变形，才能使铸件中的残余内应力减少或消除。根据此规律可预计铸件变形的方向。律可预计铸件变形的方向。501.1.中心受拉，边缘受压中心受拉，边缘受压2.2.上面比下面冷却快上面比下面冷却快51A、为了防止铸件的变形，除减小应力外，最好是将铸件设计为了防止铸件的变形，除减小应力外，最好是将铸件设计成成对称结构对称

25、结构，使其应力互相平衡。，使其应力互相平衡。B、铸造生产中最有效的防止变形的方法是采用铸造生产中最有效的防止变形的方法是采用反变形法反变形法。D、人工时效、人工时效（加热到（加热到550650C去应力退火）或去应力退火）或自然时效。自然时效。C C、齿圈设置齿圈设置拉肋拉肋以防变形以防变形52热裂热裂在铸件凝固后（固相线以下一定温度范围）在铸件凝固后（固相线以下一定温度范围） 的高温状态下形成。如：的高温状态下形成。如： 30钢钢 室温下室温下 b480Mpa 13001400 b0.75 Mpa防止措施防止措施：凝固温度范围小、热裂倾向小的合金，：凝固温度范围小、热裂倾向小的合金， 型砂退让

26、性，严格控制硫含量等。型砂退让性，严格控制硫含量等。特征特征：裂纹短，隙裂纹短，隙缝宽，形状曲折，缝宽，形状曲折，裂纹内呈氧化色裂纹内呈氧化色53冷裂冷裂-较低温下形成，铸件形状复杂，易形成较低温下形成，铸件形状复杂，易形成冷裂。应力集中处：尖角、缩孔、气孔和渣眼等冷裂。应力集中处：尖角、缩孔、气孔和渣眼等附近。附近。防止措施：防止措施：壁厚均匀，减小铸造应力，提高冶炼壁厚均匀，减小铸造应力，提高冶炼质量等。质量等。特征特征：裂纹细小，隙裂纹细小，隙缝宽，直线状，断口缝宽，直线状，断口圆滑、干净，裂缝内圆滑、干净，裂缝内光亮金属色泽。光亮金属色泽。54设置设置防裂肋防裂肋能有效地防止冷、热裂纹能有效地防止冷、热裂纹冷裂与热裂请观看视频冷裂与热裂请观看视频55v 铸件的质量控制铸件的质量控制v 1 1）铸件缺陷难以避免。）铸件缺陷难以避免。v 常见缺陷有：气孔、粘砂、夹砂、缩孔、缩松；裂纹；常见缺陷有：气孔、粘砂、夹砂、缩孔、缩松；裂纹；合金成分、性能不合格等。合金成分、性能不合格等。v 2 2）铸件中，可许存在一些合乎技术要求的铸造缺陷。）铸件中，可许存在一些合乎技术要求的铸造缺陷。v 3 3）铸件质量检验）铸件质量检验外部、内部、成分、性