金属液态成形pptConvertor

1、金属材料加工工艺材料加工工艺基础金属材料加工系 刘少平制作第一篇 液态金属的铸造成形目 录概 述第一章 液态金属成形过程及控制第二章 铸造工艺方案第三章 典型铸造方法1 造型材料2 砂型铸造方法3 特种铸造方法 本篇主要介绍常见的金属液态成形工艺方法的基本原理、铸造工艺方案的确定、浇注系统设计等内容。要求学生了解并掌握液态成形工艺方法的基本原理、各种液态成形工艺方法和零件的结构工艺性等相关知识。教学目的和要求一、铸造生产的特点及重要性 铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能零件和毛坯生产

2、过程。 具有生产成本低，工艺灵活性大，几乎不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度限制等特点。铸件的质量可由几克到数百吨，壁厚可由 0.3mm到 1m以上。现代铸造技术在生产中占据重要位置。铸件在一般机器中占总质量4080，但其制造成本只占机器总成本的 2530。 概 述（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。 铸造生产的特点1、可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。2、适应性强3、成 本 低4、废品率高、表面质量较低、劳动条件差。铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为重力铸造、

3、压力铸造、离心铸造等。按照形成铸件的铸型分可分为砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。传统上，将有别于砂型铸造工艺的其它铸造方法统称为“特种铸造”。其中砂型铸造应用最为广泛，世界各国用 砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的80以上。 二、铸造生产分类三、砂型铸造工艺流程 （一）工艺流程图（二）简单铸件工艺过程实例比较项目国 外国 内尺寸精度汽缸体和汽缸盖：一般为CT8CT9 CT10，与国外差24级表面粗糙度汽缸体和汽缸盖：50m使用寿命汽缸套为600010000h 30006000h铸件废品率美、英、法、日约为2% 815%耗能/吨件360370kg标准煤

4、(合格铸件) 650kg标准煤劳动生产率65t/人年 8t/人年熔炼技术富氧送风，铁水温度1500 1400造型工艺广泛采用流水线，采用高压造型、射压造型、和气冲造型 除汽车等行业中少数厂采用半自动、自动化流水线外，多数厂普遍采用40年代造型技术铸造工艺装备造型机精度和精度保持能力很高。造型线精度可保持12年，设备综合开工率80%，装备全部标准化、系列化、商品化 精度低，精度保持能力差(半年)。设备综合开工率50%。装备标准化、系列化、商品化程度很低铸造用工艺材料质量很高，如日本硅砂都经水洗，含泥量小于0.2% 质量很差，砂只作筛分，含泥量在2%以上四、国内外铸造生产技术水平比较第一章液态金属

5、成形过程及控制1 金属的充型过程及流动液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足会使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。一、影响充型能力的因素1、合金的流动性 液态金属本身的流动能力。流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮

6、和排除；易于对铸件收缩进行补缩。 2、浇注温度 浇注时金属液的温度。浇注温度愈高，充型能力愈强。 3、充型压力 是指金属液体在流动方向上所受的压力。压力愈大，充型能力愈强。但压力过大或充型速度过高时，会发生喷射、飞溅和冷隔现象。4、铸型中的气体 浇注时因铸型发气而形成在铸型内的气体。能在金属液与铸型间产生气膜，减小摩擦阻力，但发气太大，铸型的排气能力又小时，铸型中的气体压力增大，阻碍金属液的流动。 5、铸型的蓄热系数 铸型从金属吸取并存储在本身中热量的能力。蓄热系数愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降。 6、铸型温度 铸型在浇注时的温度。温度愈高，液态金属

7、与铸型的温差就愈小，充型能力愈强。7、浇注系统的结构 各浇道的结构复杂情况。结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能力愈差。 8、铸件的折算厚度 铸件的体积与表面积之比。折算厚度大，散热慢，充型能力好。 9、铸件复杂程度 铸件结构复杂状况。结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难。测定流动性的螺旋试样1、粘性液体流动 液态金属是具有粘性的液体，粘度大小与成分及温度有关。温度降低或已经出现晶体时，粘度要增大，流速和流态也发生变化。实践表明，由于液态金属有一定过热度，加之浇注系统长度不大，充型时间短，浇注过程不会发生结晶现象，粘度变化对流动性影响不大。 2、不稳定流动 液态金属温度不断降低，铸型 T，之间热交换

8、呈不稳定状态，T， 粘度，流动阻力增大，流速和流态也发生变化，导致充性不稳定。二、充型（砂型）过程的水力学特性3、多孔管中流动 砂型具有一定孔隙，可将浇注系统看成是多孔管道或容器，流动时往往将外界气体卷入。 4、紊流流动 液态金属在浇注系统流动时，其雷诺系数Re大于临界值时，属于紊流流动。例如铸铝 ZAlSi9Mg在 760 浇注时，液流在直径 20mm的直浇道中以50cm/s 速度流动，Re 为25000，远大于2300的临界值，液流表面的氧化膜被破碎，如控制在临界值以下，就会获得优质的铸件。对于一些水平浇注的薄壁和后大铸件，液流上升速度缓慢，也可以得到层流流动。 一、浇注系统的类型 （一）

9、按内浇道在铸件上的位置分 1、顶注式浇注系统 金属液自型腔顶部引入的浇注系统。 优点：易于充满，薄件可避免浇不到、冷隔等缺陷；自下向上逐层凝固，高温金属位于顶部，顶部冒口补缩效果最好；结构简单，易于清理。 缺点：对型腔底部冲击力较大，易于出现激溅、氧化、卷入空气等，冲型不平稳，可能因此造成的砂眼、铁豆、气孔、夹渣等缺陷。2 浇注系统的设计1）简单顶注式 适于高度不大、不所要求高的简易小件。 顶注式浇注系统的形式2）楔形 浇道窄而长，断面积较大，适用于浇注薄壁类零件。3）压边式 浇注系统底面压在型腔边缘上所形成的缝隙式浇注系统，使金属液经压边缝隙自上而下顺壁进入型腔，充型缓慢，有一定档渣作用。4

10、）雨淋式 金属液经顶部浇道底部许多小孔均匀分流而连续落入型腔，状似雨淋。可减少对底部冲击，排气方便；顺序凝固，补缩效果好；夹杂物易于上浮。适于较高的圆筒类零件。5）搭边式 自下而上引入金属液，在湿形薄壁铸件中有广泛的应用。金属液自铸型底部引入型腔的浇注系统。其内浇道开设在铸型的底部。 优点：充型平稳，不会产生激溅、氧化等；横浇道呈充满状态，有利档渣；型腔气体与排除。 缺点：不利于补缩，温度场分布于靠重力补缩的顺序相反，高温金属液位于底部；内浇道附近易过热，该处易出现缩孔、缩松和晶粒粗大；液面上升过程中与空气接触时间较长，（Al合金）氧化严重；高大薄壁件不易充满；浇制系统金属消耗相对较大。2、底

11、注式浇注系统底注式浇注系统的形式1）基本形式用于易氧化、结构复杂的钢铁及易氧化的非铁合金。2）牛角式用于铸造齿轮和圆盘状铸件。3）底注雨淋式浇注系统用于同一水平横截面上要求金相组织和硬度均匀且表面质量要求较高的筒类铸件。当型腔分布在上、下箱内时，内浇道设在分型面上，可使金属液自铸型中部引入型腔。这种自中部引入金属液的浇注系统称为中注式浇注系统。3、中注式浇注系统内浇道以下的型腔部位为顶注式；以上的部位相当于底注式。因此兼有顶、底注式的优缺点，且内浇道、横浇道都开设在分型面上，造型方便，广泛应用于高度不大的铸件。冒口浇口杯指铸件不同高度方向开设若干内浇道，使金属液从底部开始逐层从不同的高度引入型

12、腔的浇注系统。 优点：自下而上充型；充型能力强且平稳，避免冷隔和充型不足；腔内气体顺利排出；上部金属液温度高于下部，有利于顺序凝固和补缩。 缺点：造型复杂，有时要求几个分型面；设计和计算必须正确，否则容易出现各层内浇道同时引入金属液的“混流”现象或造成底层进入过多，底部温度过高，受热时间过长。 适于高度大的中大型铸件。4、阶梯式浇注系统普通形式多直浇道用球塞法控制控制各组元比例 带缓冲直浇道 带反直浇道阶梯式浇注系统的形式金属液沿型腔全部或部分高度方向设置的单层薄片内浇道进入型腔的浇注系统。 优点：金属液通过缝隙均匀地自下而上引入，始终让高温金属处于上部，充型更平稳，自下5、缝隙式浇注系统而上

13、顺序凝固，有利冒口补缩作用，利于熔渣上浮等。 缺点：消耗液体金属多；工艺出品率低；浇道切割麻烦、费工。 适于轻金属及合金。（二）按浇注系统各组元截面比例分1、封闭式浇注系统 直浇道出口、横浇道截面积总和及内浇道出口面积总和依次缩小。在正常浇注条件下，所有组元都能为金属液充满，也称收缩式浇注系统。 浇注系统中，将截面积最小的浇道称为“阻流”组元，其中内浇道口为阻流截面，一般为： 容易为金属液所充满，撇渣能力强，可防止气体的卷入，可用于中小型铸件。但金属液流速大，有时甚至向型腔产生喷射现象。不适于易氧化的非铁合金或压头高的铸件及柱塞浇包的铸钢件。2、开放式浇注系统 直浇道出口、横浇道截面积总和及内

14、浇道出口面积总和依次扩大浇注系统，也称为扩张式浇注系统。直浇道下端为阻流截面。 难于充满所有组元，撇渣能力较差，熔渣及气体将随金属液流入型腔，造成废品。但内浇道金属液流速不高，流动平稳、冲刷力小，受氧化程度轻微。主要用于易氧化的合金铸件、球铁铸件和柱塞包浇注的中大型铸钢件。铝、镁合金各组元常用的比例为：2、半开放式浇注系统 A直A横A内，而且A内A直的浇注系统，称为半开放式浇注系统，也叫半扩张式浇注系统。 优缺点介于封闭与开放浇注系统之间，液流比较平稳，充型能力和挡渣能力较好。 适于小型、结构简单的铸件。浇注系统是液态金属流入型腔的通道，通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道等单元组成。如果设计

15、不当，所引起的废品约占铸件废品的30左右。其组成如图。二、金属在浇注系统中流动情况浇注系统的组成（一）液态金属在浇口杯中流动情况1、浇口杯的作用 （1）承接来自浇包的金属液并引入直浇道，防止金属液的飞溅和溢出，便于浇注； （2）分离熔渣和气泡并阻 止起进入型腔； （3）增加充型压力头； （4）减轻液流对型腔的冲击。 2、浇口杯的类型 按结构形状可分为漏斗形浇口杯和盆形（池形）浇口杯两大类。（1）漏斗形浇口杯 优点：结构简单、制作方便、消耗液体少。 带过滤孔芯的漏斗形浇口杯缺点：档渣作用差，金属液易于产生绕垂直轴旋转的涡流而卷入气体及熔渣，可在杯底安放滤孔芯，对金属液其缓冲作用。主要适用于对档渣

16、要求不高的砂型铸件及金属型小型铸件；在机器造型中广泛应用。（2）池盆形浇口杯 对于大中型铸件，为发挥撇渣功能，可选用盆形浇口杯，简称浇口盆或池形浇口杯。杯内液体深度大，可阻止垂直轴旋转的水平旋涡的形成，有利于分离熔渣和气泡。 制作费事，消耗金属量较多。 大型浇口盆深度应大于直浇道上端直径的5倍。盖金属片自耗式 拔塞式 浮塞式3、浇口杯中液体流动情况 当金属液从各方向流入浇口杯时，各向流量不均匀，当某一股流向偏离直浇道中心，会在浇口杯内形成水平旋涡。越靠近中心部位压力越低，浮在上面的熔渣会沿着弯曲的液面，一边旋转一边和空气一起进入直浇道，有可能形成氧化夹渣等铸造缺陷。 主要影响因素有：杯内液面

17、的高度、浇注高度及浇口杯结构 等。a）液面深度大时,不易出现水平旋涡。b）液面深度浅时，易出现水平旋涡。c）浇包距浇口杯越高，水平旋涡越容易产生。1、直浇道的作用 连接浇口杯与横浇道（有时直接连接内浇道和直接通向型腔）。将金属液导入横浇道、内浇道或直接进入型腔。提供压力头克服流动阻力，在规定时间内以适当速度充满型腔。直浇道截面一般为圆形。 存在充满式流动和非充满式流动。在等截面圆柱形和上小下大的倒锥形直浇道中，直浇道呈非充满状态，液流自上而下呈渐缩形，会带动表层气体向下运动，充入型内上升的金属液中。而上大下小的直浇道液流呈充满状态，不会带动表层气体向下运动，无负压吸气现象。（二）液态金属在直浇

18、道中流动情况直浇道的结构形式砂型铸造用直浇道形式及常用断面形状a) 圆柱形 b) 蛇形 c) 片状形 d) 阶梯型2、直浇道窝在直浇道的底部，常设有半圆形或圆锥台形的窝坑，称为直浇道窝。其作用有： 1）缓冲作用 液流下降的动能大部分被窝内液体吸收，减轻对直浇道底部铸型的冲刷（冲砂）。 2）缩短拐弯处的高速紊流区 可缩短高速紊流区（过渡区），并改善横浇道内压力分布 。 3）改善内浇道的流量分布 有利于流量分布均匀化 。 4）减少拐弯处局部阻力系数及水头损失。 直浇道横浇道浇道窝又称档渣道，除将金属液平稳均匀分配给内浇道外，还有捕集、保留由浇包经直浇道流入浮渣物的作用。 档渣原理：当横浇道呈充满状

19、态（档渣必要条件），渣团能浮于横浇道顶部且距内浇道有一定垂直距离时，渣团便附着（三）液态金属在横浇道中流动情况a) 横浇道拐弯增加流动阻力的缓流式 ；在顶部不进入型腔。档渣措施：b)水平缝隙阻流段和垂直缝隙阻流片阻流式；c)过滤网形式，靠孔眼阻力及下部不断扩大来聚减液流流速；d)离心集渣式，液体沿切向进入，离心力作用下，杂质向中心集中并浮于液面。1、内浇道的作用 是浇注系统中将金属液引入型腔的单元。其功用是控制充型速度和方向，分配金属液，调节铸件各部位温度分布和凝固顺序，在某种情况下还有一定补缩作用。（四）液态金属在内浇道中流动情况横浇道上有多个等截面内浇道时，远离直浇道内浇道流量最大，且先进

20、入。为保证流量均匀：每经一个内浇道，横浇道相应减小约一个内浇道截面积。1、内浇道的作用 1）壁厚均匀的铸件，应采用同时凝固方式，可选多个内浇道分散金属液。壁厚不均匀铸件，可从薄壁处引进，这样可平衡各部分温差，使之大体同时冷却和凝固。2）需要采用冒口补缩的铸件，应获得通顺序凝固条件，从厚壁处引入金属液，形成从薄壁到厚壁，最后到冒口的先后凝固顺序。 3）内浇道应使液流顺壁流入，不冲击型壁、型芯和凸出部分。顺序（定向）凝固示意图4）结构复杂铸件，采用单一的同时或顺序凝固方式来考虑内浇道设置不能很好解决问题，需采用同时和顺序凝固相结合的方法。其中壁厚相差大的按顺序凝固开设内浇道，从厚处引进，但对整个铸

21、件，则需要按同时凝固方式采用多个内浇道分散充型。当必须从薄处引进时，可在厚处或热节处安放冷铁，加大冒口补缩等。5）内浇道应避免开在重要部位，防止晶粒粗大、降低各种性能等缺陷。 6）内浇道位置应使造型、清理操作方便，且不阻碍铸件收缩。一、液态金属凝固过程的工艺特点 （一）铸件的凝固方式 液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的关键问题，其在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，起决定性的作用。 一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固（或称糊状凝固）方式和中间凝固方式。 铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。亦即宽度影响

22、凝固方式。3 液态金属凝固过程分析恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间凝固情况如动画，tc是结晶温度，T1 和 T2 是铸件断面上两个不同时刻温度场。 恒温下结晶，在凝固过程 中其铸件断面上凝固区域 宽度等于零，断面上固相 和液相由一条界线清楚地 分开。随温度的下降，固 体层不断加厚，逐步达到 铸件中心，这种情况称为 “逐层凝固”。1、逐层凝固方式如果合金的结晶温度范围很宽（如左图），或因铸件断面温度场较平坦（如右图），铸件凝固的某一段时间内，其 凝固区域很宽，甚 至贯穿至整个铸件 断面，而表面温度 尚高于 ts ，这种情 况称为 “ 体积凝固 方式”，或称“糊状 凝固方式”。2、体积凝固方

23、式中间凝固方式如果合金的结晶温度范围较窄（如左图），或因铸件断面的温度梯度较大（如右图），铸件断面上凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。3、中间凝固方式1、逐层凝固时，凝固区域窄，凝固前沿较平滑，充型通道光滑，阻力小，充型能力好。液体补缩通道短，阻力小，补缩容易。当铸件凝固后期收缩受阻出现热裂纹时，由于液体能重新补充而愈合的可能性较大。容易获得致密优质铸件。出现在恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金。 2、体积凝固时，凝固区域宽，枝晶发达，由于凝固阻力大，流速小，充型能力差。液体补缩通道长，补缩困难，很容易形成分散的缩孔和缩松。一般铸造条件下难以排除。热裂倾向严重，致密性差。结晶

24、温度范围很宽的合金结晶的情况。凝固方式对铸件质量的影响1、顺序凝固 铸件相邻部位按一定先后顺序和方向凝固。 优点：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。因此对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用顺序凝固原则以保证铸件质量。（二）铸件的凝固方向缺点：由于铸件各部分有温差，凝固期间易产生热裂，凝固后也易使铸件产生应力和变形。顺序凝固原则需加冒口和补贴（在靠近冒口的铸件壁上逐渐增加的厚度，也称衬补、增肉），工艺出品率低，且切割冒口费工。如图，凝固前沿的纵断面呈楔形，角是两侧等固（液）相线夹角，称为扩张角或补缩通道扩张角，角越大顺序凝固特征越明显。顺序凝固示意图铸钢板形件顺序凝固2、同时

25、凝固 铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束时间相同或相近，甚至同时完成凝固过程，无先后的差异及明显方向性，称为同时凝固。 优点：凝固期间 不易产生热裂，凝固 后也不易引起应力、 变形；由于不用冒口 或很小而节省金属， 简化工艺、减少工作 量。 缺点：铸件中心区域往往有缩松，不致密。 （1）碳硅含量高的灰铸铁，其体积收缩较小甚至不收缩，合金本身不易产生缩孔和缩松。 （2）结晶温度范围大，易产生缩松的合金（如锡青铜），对气密性要求不高时，可采用。 （3）壁厚均匀的铸件，尤其是壁厚均匀的薄壁铸件。 （4）球墨铸铁件利用石墨化膨胀力实现自身补缩时，则必须采用同时凝固原则。 （5）合金的性质宜采用定向

26、凝固原则的铸件，当热裂、变形成主要矛盾时，也可采用同时凝固原则。二、合金的铸造性能合金的铸造性能主要包括：流动性、收缩、氧化性、吸气性、偏析等。 （一）流动性 合金的流动性是 指熔融金属的流动能 力。它是影响熔融金 属充型能力的主要因 素之一。一、合金的铸造性能影响流动性的因素 1、化学成分 纯金属和共晶成份合金流动性好，结晶温度范围宽的合金流动性差；Si、P可提高流动性，S可降低流动性。 2、浇注温度 随浇注温度的提高，流动性增加；过低易产生浇不足、冷隔等缺陷。 3、铸型充填条件 铸型传热速度、充型压力、排气口以及铸型型壁厚度等。（二）收缩性收缩是铸造合金在凝固、冷却过程中，其体积或尺寸减少

27、的现象。收缩性是指铸件在收缩的过程中产生逐层凝固获得良好的补缩性能的能力。 收缩是铸件中许多缺陷（例如缩孔、缩松、裂纹、变形和残余应力等）产生的基本原因。为了获得形状和尺寸符合技术要求，组织致密的健全的铸件，必须对收缩加以控制。 材料种类线收缩率体收缩率灰口铸铁1%58%铸造有色金属1.5%5%铸造碳钢2%5%金属从浇注温度冷却到室温要经历三个互相联系的收缩阶段： （1）液态收缩 金属在液体状态时的收缩，原因是气体排出、空穴减少、原子间间距减小。 （2）凝固收缩 金属在凝固过程时的收缩，其原因是由于空穴减少；原子间间距减小。 液态收缩和凝固收缩在外部表现皆为体积的减小，一般表现为液面降低，因此

28、称为体积收缩。是缩孔或缩松形成的基本原因。 （3）固态收缩 金属在固态过程中的收缩，其原因在于空穴减少；原子间间距减小。收缩的三个阶段影响收缩的因素 （1）化学成分 铸钢，随着碳含量增加，收缩率增大。灰口铸铁，随着碳和硅的含量增加，则石墨增加，收缩率下降。合金的化学成分不同，收缩率也不同。 （2）浇注温度 高，液态收缩量增加，总收缩量增大。 （3）铸件结构和铸型条件 铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩。阻力来于铸型和型芯；铸件壁厚不同，各处的冷却速度不同，冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。因此实际线收缩率比自由线收缩率要小。第 页砂型铸造几种合金收缩率经验值22第 页合金在熔炼和浇注过

29、程中吸收气体的特性，称为吸气性。 1、影响吸气性的因素 温度； 合金的种类和气体的成份。 2、危害 可导致铸件产生气孔，力学性能。又严重影响铸件的气密性。 使金属氧化； 钢中过量的氢易使钢塑性降低（氢脆），甚至产生裂缝。（三）吸气性413、防止气孔的措施： 严格控制气体来源，或对液态金属保护； 冶金脱气和机械脱气； 适当降低浇注温度，让气体排出。气孔的来源A、析出性气孔B、反应性气孔C、侵入性气孔1、定义 铸件中化学成份不均匀的现象。 2、分类：晶内偏析（）、区域偏析。 晶内偏析 也叫枝晶偏析。晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。对铸件质量影响不大。 区域偏析 是由于合金组元的比重不同或因合金组

30、元的熔点不同，导致铸件区域性化学成分不均匀的现象。它可以通过浇注时充分搅拌或加快合金冷却速度来防止。（四）成份偏析 三、液态金属凝固过程的缺陷（一）缩孔和缩松 缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一。 缩孔的形成过程1、缩孔和缩松的形成过程 对逐层凝固的铸件，当液态收缩与凝固收缩之和大于其固态收缩时，则出现缩孔。缩孔一般在顶部或最后凝固的部位，如果在这些部位设置冒口，缩孔将被移至冒口中。 当铸件呈体积凝固时，凝固区的结晶骨架将残余金属液分割，甚至封闭在枝晶之间，液态及凝固收缩将由被分割成分散的残余液体分担。若液态收缩与凝固收缩之和大于其固态

31、收缩时，相应部位出现分散空洞缩松。 集中缩孔易于检查和修补，便于防止。但缩松分布面广，既难以补缩，又难以发现。 ZG230-450 缩孔中碳钢残余缩孔Cr17钢缩孔及横晶 补缩为主的冒口（1）合金成分 结晶温度间隔大的合金，易于产生缩松；纯金属或共晶成分的合金，易于形成集中的缩孔，如图所示。 （2）浇注温度 合金浇注温度愈高，液态收缩也就愈大（每提高 100 ，体积收缩增加 1.6%左右），愈容易产生缩孔。 相图与缩孔/缩松和铸件致密性的关系2、缩孔和缩松形成的原因（3）铸件结构 壁厚不均匀，在局部厚大部位或内角处，因散热缓慢而形成热节，当热节处得不到相邻金属补缩，就会出现缩孔或缩松。 （4）

32、工艺因素 冒口设计不合理，可能造成局部过热或补缩能力降低；当冷铁尺寸和布置不当时，将阻隔补充来源以及浇注工艺不合理等形成缩孔或缩松。产生原因解决方法（1）采取适当的凝固方式及凝固方向 采用逐层凝固方式和顺序凝固方向，其出发点是减小凝固区域宽度。方法是采用冷铁或其它激冷物提高激冷能力，实现逐层凝固； 合理设计冒口、冷铁和补贴，设计 利于顺序凝固的浇注系统，合理浇 注温度和速度等，实现顺序凝固。3、缩孔和缩松的防止冒口储存补缩用金属液的空腔。（2）压力补缩 铸型置于压力容器中，浇注后使之表面承受压应力。金属经蠕变、扩散，增大补缩能力，使内部孔洞焊合，提高致密性。（二）铸造应力及变形 铸件凝固后继续

33、冷却，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。铸造应力分为热应力和收缩应力。 热应力和收缩应力都可能使铸件产生裂纹和破坏，收缩应力也称为机械应力，它会随铸件打箱后约束消除而消失，但是热应力一般不会马上消失，它会逐步释放。在这两类应力中，危害程度和危害持续性最为严重的是热应力。因此，对热应力的形成条件和产生的后果的了解是非常必要的。 另外，还有相变应力，金属发生固态相变时会引起体积变化，是各部分相变不同时进行引起的。1、热应力 铸造热应力是由于铸件壁厚有厚薄，冷却有先后，造成铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率就愈高，弹性模

34、量愈大，热应力也就愈大。 2、收缩应力 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，称收缩应力。法兰收缩受机械阻碍 收缩应力使铸件产生拉应力或切应力，并是暂时的。在落砂、打断浇冒口后，这种应力也随之消失。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，铸件将产生裂纹。3、铸件的变形 带有残余应力的铸件是不稳定的，有自发地变形使残余应力减少而趋于稳定的趋势。如对于厚薄不均匀，截面不对称及具有细长特点的杆类、板类和轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服点时，往往会发生翘曲变形。 防止应力和变形的方法 铸造热应力是由于铸件壁厚大小不同，冷却有先后，

35、致使铸件收缩不一致而形成。防止热应力和变形的方法就是创造一个凝固条件，保证铸件结构的温度尽量均匀一致。 同时凝固原则则是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固，消除应力的方法。 其优点是凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。一、冒口 （一）作用及要求 1、作用 冒口是铸型内储存并提供补缩铸件熔融金属的空腔，也指该空腔中被充填的液体。主要作用： （1）补偿凝固收缩 设置在最后凝固部位，由冒口中液体补充体收缩，是收缩空洞移入冒口； （2）调整凝固时的温

36、度分布，控制凝固顺序； （3）排气、汇集浮渣及非金属夹杂物。 冒口最后要切掉，应尽量的小，以节约金属和提高成品率。4 冒口、冷铁与铸肋2、对冒口的要求 （1）凝固时间要大于或等于铸件的（或被补缩部位）凝固时间； （2）有足够的金属液补充铸件（或被补缩部位）的收缩； （3）铸件上被补缩部位在凝固时必须存有金属液流补充通道，既扩张角始终向着冒口。对于结晶温度范围较宽、易于产生分散性缩松的合金铸件，还需将冒口与浇注系统、冷铁、补贴等配合使用，使铸件在较大的温度梯度下，自远离冒口的末端区逐渐向着冒口的方向实现顺序凝固。可理解为冒口是实现顺序凝固的措施之一。（二）冒口的种类和形状 1、冒口的种类通用冒口

37、普通冒口特种冒口明冒口暗冒口（多用于侧冒口）保温冒口发热冒口加氧冒口按位置覆盖否顶冒口侧冒口加压方式加热方式大气压力冒口压缩空气冒口发气压力冒口易割冒口2、冒口的形状及类型 圆柱形、球顶圆柱形、长（腰）圆柱形、球型及扁球形等。常用冒口形状常用冒口类型（三）冒口位置的确定原则1、就近设在铸件热节的上方或旁边。 2、尽量设在最高、最厚部位，对低处热节设补贴或使用冷铁，造成补缩有利条件，如图。3、不应设在铸件重要的、受力大部位，以防晶粒粗大降低力学性能。4、不要设在应力集中处，应注意减轻对铸件的收缩阻碍，以免引起裂纹。 5、尽量用一个冒口补缩几个热节，如图。 6、布置在加工面上，可借加工精整铸件的表

38、面，零件外观质量好。 7、不同高度设多个冒口时，应使用冷铁使各冒口补缩范围隔开，如图。压力缸体铸钢件铸钢三通管工艺方案1、冒口与铸件间的补缩通道（四）冒口补缩原理为使冒口中的金属液能不断补偿铸件的体收缩，冒口与被补缩部位之间应始终保持着畅通的补缩通道。如图夹角 范围内都处于液态，始终和冒口及凝固区相通。2、冒口有效补缩距离 如图平板铸件，中间设一冒口，逐渐末端比中部多一个冷却端面，形成温梯度。因此末端晶体生长比中部快，凝固前沿呈楔形，扩张角 向冒口扩大，末端 l3是致密无缩孔、无缩松区。靠近冒口部分，金属液热量集中而造成温差，结晶速度比中部慢，凝固前沿也呈楔形，因此 l1 区也是致密区， l1

39、区称冒口作用区（也称冒口区）。如果末端区与冒口区相连，便 可获得致密铸 件，如图中的 左半部分。致密区轴线缩松区如果有一个邻接末端区l3与冒口区l1的中间区域l2时，在l2内冒口对其加热和末端激冷都作用不到，上下凝固前沿相互平行。凝固后期，由于树枝晶生长隔断了补缩通道，便产生轴线缩松。 因此，一个冒口只能在某一段长度（或厚度）范围内有补缩效果。这个长度称为冒口有效补缩距离，用L表示： L=冒口区+末端区 实际上冒口的补缩作用不仅仅在长度方向，周围各方向也存在。以圆形冒口为例，以冒口中心为圆心，用冒口半径加上有效补缩距离为半径作圆，圆内既是冒口的有效补缩距离。二、冷铁 为增加铸件的局部冷却速度，

40、在砂型、砂芯表面或型腔中安放的激冷物。与浇注系统和冒口相配合，控制铸件的凝固过程。 两冒口之间安放冷铁，相当于铸件中间增加激冷端，形成两个末端区，显著增加有效补缩距离。末端加冷铁会使末端区长度略有增加。用多边布置多块外冷铁的方法可大大延长冷铁末端区的长度，如图，因采用多边外冷铁，铸件只用一个冒口。（一）冷铁的作用 1、用在冒口难于补缩的部位，防止缩孔和缩松； 2、防止壁厚交叉部位及急剧变化的部位产生裂纹； 3、与冒口配合，加强顺序凝固条件，扩大冒口的有效补缩距离，减少冒口的数目或体积； 4、加速个别热节的冷却，使整个铸件接近同时凝固，既可防止变形又可提高工艺出品率； 5、改善局部组织和力学性能

41、。 冷铁材料有钢、铸铁、铜、铝，还可采用蓄热系数比硅砂大的石墨、铬镁砂、铬沙、镁砂等。（二）外冷铁 有直接外冷铁（明冷铁）和间接外冷铁（隔砂冷铁或暗冷铁）两类。前者激冷作用强，而后者有10 15mm的砂层相隔，激冷作用减弱，可避免铸铁白口。直接外冷铁间接外冷铁外冷铁应用注意事项1、不应破坏顺序凝固条件及堵塞补缩通道；2、每块冷铁不宜过大、过长；3、侧面做成45斜度，使交界处平稳过渡。适用条件 外冷铁厚度适用条件 外冷铁厚度 灰 铁 球 铁 可 铁=(0.250.5)T=(0.30.8)T=1.0T铸 钢铜合金轻合金=(0.250.5)T 铸铁=(1.02.0T 铜 =(0.61.0)T=(0.

42、81.0)T外冷铁厚度（经验法）（三）内冷铁 内冷铁激冷作用比外冷铁强，能有效防止厚壁铸件中心部位缩松、偏析等。在外冷铁激冷作用不足时使用，主要用于壁厚大而技术要求不太高的铸件上，特别是铸钢件。 一般采用“熔接内冷铁”，要求与铸件熔合在一起。个别情况如加工孔的中心才允许“非熔接内冷铁”，加工时被钻去。a) 长圆柱形 b)用钉子 c)螺旋形 d)短圆柱形阶段：浇注后，很短的时间内，冷铁吸热升温，使靠近冷铁表面的金属液过冷，产生类似纯金属的粒状等轴晶； 阶段：自等轴晶晶表面陆续生长出树枝晶。随着时间的延长，结晶速度减小，直到停止，此时冷铁温度已升到固相线附近；冷铁中心线冷铁中心线阶段：冷铁作用区温

43、度升高，冷铁周围已形成的树枝晶重新熔化，冷铁表面达到熔点； 阶段：内冷铁局部或全部融化，最后由于外壁结晶前沿向中心推进而使凝固结束。冷铁中心线冷铁中心线三、补贴为增加冒口补缩效果，沿冒口补缩距离，向着冒口方向铸件断面逐渐增厚的多余金属。冒口附近有热节或铸件尺寸超出冒口有效补缩距离时，利用补贴可造成冒口敞开的补缩通道，实现补贴。为克服加工清理的困难，也可应用“加热补贴”和发热（保温）补贴块等。四、铸肋三角肋井字肋弧形肋长肋（一）割肋比铸件薄，先凝固获得强度，以承担铸件收缩时引起的拉应力而避免裂纹，如图。（二）拉肋断面呈U 字形或 V 字形的铸件，铸后经常发现变形，结果是开口尺寸增大。为防止这 一

44、类铸件变形，可设拉肋。其厚度为铸件厚度0.40.6倍。在个别情况下，浇注系统当拉肋，以节约金属。铸造半齿轮的拉肋轮船后立稳钢铸件拉肋欢迎继续下一章 铸造工艺方案第二章 铸造工艺方案1 铸件的结构设计铸件的结构设计的合理与否，对铸件的质量、生产率以及成本有很大的影响。 设计铸件时，不仅要保证使用性能的要求，还要满足铸件在制造过程中工艺性的要求。即考虑铸造生产工艺和合金铸造性能对铸件结构要求。应尽量使生产工艺中制模、造型、制芯、装配、合型和清理等各个环节简化，节约工时，防止废品产生，符合合金铸造性能的要求。1、尽量避免曲面分型6、防止细长或大薄平板件弯曲719、型芯必须安装方便、稳固可靠，排气通畅

45、一、浇注位置的确定 浇注位置是浇注状态下铸件在铸型内所处的位置。浇注位置与造型（合箱）位置、铸件凝固后的冷却位置可以不同。就铸件本身而言，可采用水平浇注、垂直浇注和倾斜浇注。 确定浇注位置很大程度着眼于控制凝固顺序，也要顾及到铸件上部易发生缺陷的可能性。根据凝固理论分析和防止缺陷出发，确定浇注位置时要注意以下原则。2 浇注位置和分型面的确定（一）铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或位于侧面。因为下部或侧面出现缺陷可能性小。同时凝固过程中，下部金属受金属液的静压力作用得到补缩，组织致密。个别加工表面朝上时，可适当放大加工余量。（二）大平面应尽可能朝下上表面容易产生砂眼、气孔、夹渣，大平面还常产生

46、夹砂缺陷。同时也有利于排气、减小金属液对铸型的冲刷力，并避免浇不到、冷隔等。（三）尽量将铸件大面积的薄壁部分放在铸型的下部或垂直、倾斜能增加薄壁处金属液的压强，提高金属液的流动性，防止薄壁部分产生浇不足或冷隔缺陷。（四）热节处应位于分型面附近上部或侧面容易形成缩孔的铸件（例如铸钢、球墨铸铁、可锻铸铁、黄铜）浇注时应把厚的部位放在分型面附近的上部或侧面，以便安放冒口，实现顺序凝固，进行补缩。（五）便于型芯固定和排气，减少型芯数量二、分型面的选择是指两半型（一般为上、下）或多个铸型（多箱造型）相互接触配合的表面。b)、c)分型面太多，易错箱，且工艺复杂，总有一个法兰端面位于顶部，易出现缺陷。（一）

47、保证模样能从型腔中顺利取出 （分型面设在铸件最大截面处）可减少活块或砂芯，砂箱不致于过高，操作也方便。这是因为： 多一个分型面多一份误差，使精度下降； 分型面多，造型工时大，生产率下降； 机器造型只能两箱造型，所以如果分型面多，就不能进行大批量生产。（二）应使铸件有最少的分型面，并尽量做到只有一个分型面（三）应使型芯和活块数量尽量减少（四）应使铸件全部或大部放在同一砂箱（五）尽量使加工基准面与大部分加工面在同一砂箱内，以使铸件加工精度得以保证（六）应尽量使型腔及主要型芯位于下箱以便于造型、下芯、合箱及检验。但下箱型腔也不宜过深（否则不宜起模、按放型芯），并力求避免吊芯和大的吊砂。（七）应尽量使

48、用平直分型面简化模具制造及造型工艺，避免挖砂。（八）应尽量使铸型总高度为最低这样不仅节约型砂，而且还能减轻劳动量，对机器造型有较大的经济意义。铸造工艺图是铸造过程最基本和最重要的工艺文件之一，它对模样制造、工艺装备的准备、造型造芯、型砂烘干、合型浇注、落砂清理等，起着指导和依据作用。 铸造工艺图是利用红、兰两色铅笔，将各种简明的工艺符号，标注在产品零件图上的。 可从以下方面进行分析： 分型面和分模面；工艺参数；浇注位置、浇冒口的位置、形状、尺寸和数量；型芯的形状、位置和数目，型芯头定位方式和安装式；冷铁的形状、位置、尺寸和数量等。3 铸造工艺图的制定铸造工艺设计实例1铸造工艺设计实例2铸造工艺设计实例3车床进给箱铸造 工艺设计分析车床进给箱铸造工艺设计分析欢迎继续下一章 典型铸造方法的学习第三章 典 型 铸 造 方 法1、型砂、芯砂应具有一定强度（湿态