金属的凝固成形

第二章金属的凝固成形1编辑课件一、什么是液态成型（铸造生产）

将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。2编辑课件零件图铸造工艺图铸型型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理检验铸件二、砂型铸造的工艺过程浇注冷却凝固3编辑课件（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。

三、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。4编辑课件第一节金属的凝固特点充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。（一）液态合金的流动性合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。充型——液态合金填充铸型的过程。充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。一

液态金属的充型能力与流动性5编辑课件0.45%C铸钢：200mm出气口浇口杯4.3%C铸铁：1800mm6编辑课件出气口浇口杯PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）07编辑课件合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点

a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）08编辑课件3.浇注系统的的结构

浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。

（二）浇注条件（三）铸型充填条件1.铸型的蓄热系数

铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热量并储存在本身的能力。1.浇注温度

一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。2.充型压力

液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。9编辑课件2.铸型温度

铸型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。3.铸型中的气体（2）铸件复杂程度

铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。

（四）铸件结构（1）折算厚度

折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。10编辑课件二、液态金属的凝固与收缩（一）铸件的凝固方式

1.逐层凝固2.糊状凝固

3.中间凝固

影响铸件凝固方式的主要因素：（1）合金的结晶温度范围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

。表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液表层中心St铸件温度液相线固凝固区11编辑课件（2）铸件的温度梯度

在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变，则其对应的凝固区由宽变窄。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2（二）合金的收缩1.收缩的概念T浇T液T固T室合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩

从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T浇

—T液12编辑课件体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。体收缩率：线收缩率：线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。（3）

固态收缩

从凝固终止温度到室温间的收缩。

T固

—T室（2）

凝固收缩

从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。

T液

—T固13编辑课件2.缩孔与缩松

液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。1)缩孔和缩松的形成14编辑课件2)缩孔和缩松的防止

防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。

15编辑课件暗冒口冒口—储存补缩用金属液的空腔。顺序凝固—铸件按照一定的次序逐渐凝固。冷铁热节16编辑课件确定热节的方法等温线法内切圆法冷铁同时凝固—整个铸件几乎同时凝固。17编辑课件三、铸造内应力、变形与裂纹

（一）铸造内应力

铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。

1.机械应力（收缩应力）

合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。上型下型18编辑课件2．热应力

热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。

tT12t0t1t2t3THT临T室t0~t1:塑性状态弹性状态12+-12t1~t2：t2~t3：+-1212-+1219编辑课件

热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图框形梁铸件所示。ⅠⅡⅡ20编辑课件

热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。

热应力是永久应力。（二）铸件的变形与防止

+-反变形法21编辑课件防止变形的方法：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。（三）铸件的裂纹与防止

1．热裂

热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。热裂的防止：①应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。②应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。③对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。

22编辑课件2．冷裂

冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。

冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。

23编辑课件四、液态成形件的质量与控制

常见铸件缺陷及特征

名称特征名称特征气孔主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现。缩孔缩松1．缩孔：形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。2．缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。粘砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。裂纹1．热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。2．冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。夹砂铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。化学成分及力学性能不合格铸件的化学成分和硬度、强度、伸长率、冲击韧度、耐热、耐蚀及耐磨等性能不符合技术条件要求。白口灰铸铁件断面全部或表面出现亮白色组织，常在铸件薄的断面，棱角及边缘部分。24编辑课件

铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、合金的熔炼与浇注、铸造合金的选择、铸件结构设计、技术要求的设计是否合理等各个环节密切相关。因此，应从以下几个方面控制铸件质量：1．合理选定铸造合金和铸件结构2．合理制定铸件的技术要求具有缺陷的铸件并不都是废品，在合格铸件中，允许存在那些缺陷及其存在的程度，应在零件图或有关的技术文件中做出具体规定，作为铸件质量要求的依据。3．铸件质量检验铸件质量检验是控制铸件质量的重要措施。铸件检验的项目有：铸件外观质量，包括铸件表面缺陷、表面粗糙度、重量公差和尺寸公差等；铸件内在质量，包括铸件内部缺陷、化学成分、金相组织和材质性能等；铸件使用性能，包括铸件在强力、高速、耐蚀、耐热、耐低温等不同条件下的工作能力。铸件质量检验最常用的是宏观法。它是通过肉眼观察（或借助尖咀锤）找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、粘砂、缩孔、浇不到、冷隔、尺寸误差等。对于内部缺陷则要用仪器检验，如着色渗透检验、超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、荧光探伤、耐压试验等。此外，若有必要还应对铸件进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分分析等。25编辑课件

用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，其主要工序包括：制造模样，制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。

一、造型方法的选择

二、铸造工艺设计第二节砂型铸造26编辑课件

用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。

（一）手工造型

手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。1.手工造型方法分类

根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。各种手工造型方法的示意图如图1-15所示。2.各种手工造型方法的主要特征及其适用范围一、造型方法的选择27编辑课件两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。

a)两箱造型28编辑课件三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生产的铸件。

b)三箱造型29编辑课件

c)地坑造型30编辑课件组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。

d)组芯造型31编辑课件整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。

e)整模造型32编辑课件挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。

f)挖砂造型33编辑课件假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。

j)假箱造型34编辑课件分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。

g)分模造型35编辑课件活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。

h)活块造型36编辑课件刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。

i)刮板造型37编辑课件（二）机器造型

机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小，但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。

1.机器造型方法分类

常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。

2.各种机器造型方法的主要特征及其适用范围38编辑课件压实紧实方法单纯借助压力紧实砂型，机器结构简单、噪声小，生产率高，消耗动力少，型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀，上下紧实度相差很大。主要适用于成批生产高度小于200mm薄而小的铸件。

a)压实紧实

39编辑课件高压紧实主要是用较高压实比压（一般在0.7MPa-1.5MPa）压实砂型。砂型紧实度高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度Ra值小，废品率低，生产率高、噪声低、灰尘小、易于机械化、自动化、但机器结构复杂、制造成本高。主要适用于需大量生产的中、小型铸件，如汽车、机械车辆、缝纫机等产品较为单一的制造业。

b)高压紧实40编辑课件震击紧实主要依靠震击力坚实砂型。该方法机器结构简单，制造成本低，但噪声大、生产率低、要求厂房基础好。砂型坚实度沿砂箱高度方向愈往下愈大。主要适用于需成批生产的中，小型铸件。

c)震击紧实41编辑课件震压紧实是经过多次震击后再压实砂型。该方法生产率高，能量消耗少，机械磨损少，砂型坚实度较均匀，但噪声大。广泛用于成批生产中、小型铸件。

c)震压紧实42编辑课件微震紧实是在加压坚实型砂的同时，砂箱和模板作高频率、小振幅震动。此方法生产率较高、紧实度均匀、噪声小。广泛用于成批生产中、小型铸件。

e)微震紧实43编辑课件抛砂紧实是利用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力下完成填砂和坚实。该方法生产率高，能量消耗少、噪声低、型砂坚实度均匀、适用性广。主要适用于单件、小批、成批、大量生产中、大型铸件或大型芯。

f)抛砂紧实44编辑课件射压紧实是使压缩空气骤然膨胀，将型砂射人砂箱进行填砂和坚实，再进行压实。该方法生产率高，坚实度均匀，砂型型腔尺寸精确、表面光滑、工人劳动强度低、易于自动化、但造型机调整维修复杂。主要适用于大批、大量生产的形状简单的中、小型铸件。

g)射压紧实射砂紧实是用压缩空气将型（芯）砂高速射入砂箱或芯盒而进行紧实。因其将填砂、紧实两个工序同时完成，故生产率高，但用于造型，其坚实度不高、需进行辅助压实。广泛用于制芯、并开始用于造型。

45编辑课件一、熔模铸造

二、金属型铸造

三、压力铸造第三节特种铸造46编辑课件

一金属型铸造液态金属浇入金属型铸件获得（一)金属型的材料及结构材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢。金属型的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等。47编辑课件（二）金属型的铸造工艺

1．加强金属型的排气2．在金属型的工作表面上喷刷涂料3．预热金属型并控制其温度4．及时开型（三）金属型铸造的特点及适用范围1．金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。

2．铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精度达IT12~IT14，Ra值平均可达6.3~12.5μm。

3．生产率高，劳动条件得到改善。48编辑课件4．金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生

气孔、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷。

应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。二、熔模铸造成形工艺

在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。（一）熔模铸造的工艺过程49编辑课件压型蜡模组结壳脱蜡单个蜡模焙烧、浇注50编辑课件（二）熔模铸造的特点和适用范围1．铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11~IT13，表面粗糙度Ra值达1.6~12.5μm。2．合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。

3．可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的凹槽、直径大于2mm的小孔均可直接铸出。

4．生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。

5．工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。51编辑课件应用：它最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量生产。三、压力铸造成形工艺液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。（一）压铸机和压铸工艺过程52编辑课件（二）压力铸造的特点和适用范围

1．铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为

IT11~IT13级，Ra为3.2~0.8μm。2．铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高25~30%，但伸长率有所下降。

3．可压铸出形状复杂的薄壁件。

4．生产率高。国产压铸机每小时可铸50~150次，最高可达500次。

53编辑课件5．压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。6．由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。7．压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。（三）在压铸件的设计和使用中，应注意的问题应使铸件壁厚均匀，并以3~4mm壁厚为宜，最大壁厚应小于6~8mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。2.压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件内气孔中的气体膨胀，导致铸件表面鼓泡或变形。54编辑课件3.压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。4.由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不适宜制造承受冲击的制件。应用：有色薄壁小件的大批量生产。四、低压铸造成形工艺

低压铸造是在0.2~0.7大气压的低压下将金属液注入型腔，并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。（一）低压铸造的工艺过程55编辑课件56编辑课件（二）低压铸造的特点及应用范围应用：目前广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等，也可用于球墨铸铁、铜合金等浇注较大的铸件，如球铁曲轴、铜合金螺旋桨等。1．浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型。2．铸件的气孔、夹渣等缺陷较少。

3．便于实现顺序凝固，使铸件组织致密、力学性能高。

4．由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到90~98%。

57编辑课件

第四节铸造工艺分析一、铸件结构设计

（一）铸件壁厚的设计1．合理设计铸件壁厚

1）铸件的最小壁厚铸造方法铸件尺寸（mm）合金种类铸钢灰口铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金铜合金砂型铸造<200×20085～66533～5200×20~500×50010～126～1012846～8>500×50015～2015～2015～2010～12610～1258编辑课件2）铸件的临界壁厚在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。在砂型铸造条件下，临界壁厚≈3×最小壁厚

3）铸件截面形状在一定铸造工艺条件下，所能浇注出的铸件最小壁厚。

2．铸件壁厚应均匀、避免厚大截面59编辑课件（二）铸件壁的连接1．铸件的结构圆角2．避免锐角连接3．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡4．减缓筋、辐收缩的阻碍60编辑课件（三）铸件外形的设计

1．避免外部侧凹、凸起；2．分型面应尽量为平直面；上中中下上下3．凸台、筋条的设计应便于起模。61编辑课件（四）铸件内腔的设计1．应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。芯撑2．便于型芯的固定、排气和清理。62编辑课件（五）铸件结构设计应考虑的其它问题1．铸造方法2．组合铸件的设计63编辑课件二、砂型铸造工艺设计铸造工艺图—将工艺设计的内容（工艺方案）用工艺符号或文字在零件图上表示出来所形成的图样。64编辑课件（一）浇注位置的选择浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。1.铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面上下②①下上上下3.铸件的大平面应朝下

2.应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置上下4.为防止铸件产生缩孔、缩松的缺陷，应使铸件的厚大部位朝上或侧放上下下上①②65编辑课件（二）分型面的选择

1.分型面应选在铸件的最大截面处。2.应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。3.应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。

①②①②上下中66编辑课件4.为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。上下上下上下上下①②①②67编辑课件（三）工艺参数的确定

生产批量最小铸出孔直径灰口铸铁件铸钢件大量生产成批生产单件、小批生产12～1515～3030～5030～50501．机械加工余量和铸孔

2．起模斜度68编辑课件3．铸造圆角

4．铸造收缩率5．型芯及芯头圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/3~1/2。通常灰铸铁为0.7~1.0%，铸造碳钢为1.3~2.0%，铝硅合金为0.8~1.2%，锡青铜为1.2~1.4%。型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。

芯头的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排气作用。69编辑课件70编辑课件（四）浇、冒口系统

1.浇注系统1）浇注系统的组成及作用2）浇注系统的常见类型

①封闭式浇注系统

ΣF直>ΣF横>ΣF内

ΣF直∶ΣF横∶ΣF内=1.15∶1.1∶1②开放式浇注系统

ΣF直<ΣF横<ΣF内

ΣF直∶ΣF横：ΣF内=1∶2∶471编辑课件72编辑课件2.冒口冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。

冒口普通冒口特种冒口明冒口暗冒口保温冒口发热冒口大气压力冒口易割冒口73编辑课件三、液态成形工艺设计实例

①②③上下材料：HT200收缩率：1.0%74编