热加工工艺-铸造

复旦大学四川大学制造科学与工程学院SchoolofManufacturingScienceandEngineering四川大学制造科学与工程学院高档6缸小轿车的内部结构高档6缸小轿车的发动机壳体核电泵壳三峡700MW机组的水轮机转轮体风力发电机主轴自由锻件大型锻件核电汽轮机半转速转子1100MW核电半速转子焊接机器人及焊件奥运鸟巢奥运鸟巢焊接顺序示意图不同规格铝合金/不锈钢管高频感应钎焊接头件兆瓦级风力发电机主轴离心复合大型轧辊大型柴油机机体铸件镁合金管接头汽车发动机摇臂工作示意图汽车发动机的摇臂镶块薄膜生产线上卷芯辊用定位套塑料薄膜生产线金属液态成形(铸造)（第一篇）金属塑性成形(锻造)（第二篇）金属连接成形(焊接)（第三篇）热加工工艺课程简介本课程是研究工程材料和机械制造的基础课程，也是了解机器零件常用材料和加工方法的综合性课程本课程是高等工科院校材料成型专业必修的技术基础课，主要学习铸造、锻造、焊接相关的工艺理论、工艺方法和基础知识本课程是培养材料成型专业高层次工程技术人才、高层次复合人才和构建多学科知识结构的重要课程教学安排学时：32

学分：2周次：9-16成绩计算：平时成绩（15％）结业考试（85％）考试方式：闭卷金属液态成形将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，以获得毛坯或零件的工艺方法，亦称铸造金属液态成形示意图一第一章金属液态成形基础第一篇金属液态成形——铸造适合做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制成本低，原材料来源广泛，价格低廉，一般不需要昂贵的设备是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造毛坯或零件的唯一成型工艺液态成形优点工艺过程比较复杂，工序较多，一些工艺过程还难以控制液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低液态成形缺点劳动条件较差，劳动强度较大常用金属材料黑色金属有色金属粉末冶金铸钢铸铁铜及铜合金铝及铝合金硬质合金粉末高速钢液态成形零件(铸件)合金的铸造性能液态合金充型能力铸件的凝固与收缩合金的铸造缺陷气孔应力、变形和裂纹缩孔和缩松砂型铸造(产量占90%以上)特种铸造铸造分类金属型铸造熔模铸造离心铸造压力铸造……砂型铸造过程液态合金的铸造性能是指合金在铸造成形过程中，获得外形正确、内部无缺陷铸件的性能合金的铸造性能是选择铸造金属材料、确定铸造工艺方案、进行铸件结构设计的依据合金的流动性合金的收缩性合金的吸气性合金的偏析性合金的铸造性能第一节液态合金的铸造性能液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰、形状完整的成型件的能力流动性简而言之——液态合金本身的流动能力！一、液态合金的流动性流动性不良浇不足冷隔夹砂气孔夹渣流动性的决定因素合金流动性铸型的性质浇注的条件铸件的结构流动性优良容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的零件有利于夹杂物和气体的上浮与排除有利于补缩浇不足冷隔现象合金的流动性用浇注螺旋形试样的方法来衡量将合金液浇入铸型中，冷凝后测量充满型腔的试样长度浇出的试样越长，合金的流动性越好，合金的充型能力就越好合金流动性的测定方法出气口浇口杯浇注的螺旋形试样的截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，便于计量长度铸铁的流动性铸钢的流动性铸铁的流动性好，铸钢的流动性差0.45%C铸钢：2004.30%C铸铁：1800铸钢和铸铁流动性的比较合金流动性的影响因素合金种类——合金不同，流动性不同化学成分——成分不同的合金具有不同的

结晶特点，流动性也不同结晶特性——恒温下结晶，流动性较好；

两相区内结晶，流动性较差合金流动性的影响因素不同种类合金流动性的比较1）合金的种类。合金的熔点、热导率、粘度等物理性能影响流动性。熔点越高，热导率越大，粘度越大，其流动性越差合金种类铸型种类浇注温度/℃螺旋线长度/㎜铸铁wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢wC=0.4%

铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜(wSn≈10%，wZn≈2%)

硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%）砂型砂型金属型/300℃砂型砂型砂型16001640680~72070010401100100200700~800400~6004201000流动性与含碳量的关系亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高2）合金的成分。同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流动性也不同结晶特性对流动性的影响3）结晶的特性纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，凝固层表面光滑，阻力小，流动性好(如图a所示)；共晶合金熔点最低，流动性最好亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，流动性差(如图b所示)浇注条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大,充型能力越强浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差浇注条件对流动性的影响浇注温度高，液态金属在铸型中保持液态的时间长，可改善合金的流动性(薄壁铸件)；浇注温度过高，铸件易产生气孔、缩孔、缩松、粘砂等缺陷生产中常采用“高温出炉、低温浇注”的原则灰铸铁浇注温度为1200-1380℃；铸钢为1520-1620℃；铝合

金为680-780℃。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限常采取加高直浇道、扩大内浇道截面、增设出气孔、烘干铸型等工艺，以延长液态合金的流动时间，改善铸型的填充条件铸型温度——不能过高铸型蓄热系数——从金属中吸取热量并储存的能力铸型发气和透气能力——浇铸时产生的气体能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，

有利于充型。若发气能力过强而

透气能力差时，浇铸速度太快则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱充填条件对流动性的影响

折算厚度：折算厚度也称当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填，而大平面铸件则不易成形

复杂程度：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难铸件结构对流动性的影响

液态金属由液态转变为固态的过程，从结晶学的角度，就是原子由无序排列经过生核、核心长大成为规则排列的晶体的过程，因此合金凝固又称一次结晶得到的凝固组织称为铸态组织，其晶粒形态、大小、分布、缺陷等取决于成分、冷却速度、形核条件等二、液态金属的凝固铸件断面上的温度分布曲线称为铸件的温度场（右图所示的T曲线是某圆柱形铸件的温度场）铸件的凝固过程在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域——液相区、凝固区、固相区对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄铸件的凝固方式依据凝固区的宽窄进行划分铸件的凝固方式逐层凝固糊状凝固中间凝固逐层凝固：纯金属和共晶成分合金，不存在凝固区糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金，不存在固相区中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间a)逐层凝固b)中间凝固c)糊状凝固逐层凝固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松，可获得致密的铸件，如灰铸铁、铝硅合金糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松，难以获得致密铸件。如球铁、锡青铜、铝铜合金的凝固，需采取适当工艺进行补缩铸件的质量与其凝固方式密切相关！大多数合金均为中间凝固方式合金的结晶温度范围

合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固铸件的温度梯度

在合金结晶温度范围一定的前提下，凝固区的宽窄取决于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大，则其凝固区相应由宽变窄影响凝固的主要因素合金的收缩体收缩率体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因线收缩率线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因合金从液态冷却至室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷，如缩孔、缩松、裂纹、变形等通常用体收缩率或线收缩率来表示三、液态金属的收缩合金收缩的三个阶段合金的收缩过程合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔—恒温下结晶缩松—两相区结晶线收缩裂纹变形应力Ⅰ液态收缩(浇注温度-液相线)

Ⅱ凝固收缩(液相线-结晶结束)

Ⅲ固态收缩(结晶结束-室温)特点：体积收缩；浇注温度升高，液态收缩增加

特点：体积收缩；结晶温度范

围增大，凝固收缩增加特点：线收缩；只引起铸件外

部尺寸变化，用线收缩

率表示1）液态收缩浇注温度越高，收缩系数越大，液态收缩率增加。液态时的体积收缩仅表现为型腔内液面的降低，可以从浇注系统中获得液体补充，以保持型腔充满。浇注温度应控制在高于液相线温度50-150℃2）凝固收缩合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩；由状态改变和温度下降两部分组成。结晶温度范围越大，凝固收缩率越大。在凝固阶段如果合金的体积收缩得不到及时补充，则会形成缩孔和缩松液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，表现为铸型内液面的降低，这两个阶段的收缩是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因3）固态收缩

指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩，通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，用线收缩率表示。固态收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的主要原因铸型条件铸件结构浇注温度化学成分（c含量）合金收缩影响收缩的因素铸件结构和铸型——铸件在铸型中不是自由收缩，而是限制收缩化学成分——在常用铸造合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁最小液态合金在凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞按孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松缩孔四、缩孔与缩松缩孔产生原因——合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿出现部位——出现在铸件最后凝固区域，即热节区域，用画圆方法确定形成条件——金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁成逐层凝固方式缩孔形成过程示意图合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大缩孔多集中在铸件最后凝固的部位，其特征是形状不规则，多数呈倒锥形，内表面粗糙纯金属和共晶成分合金易形成缩孔缩孔出现的部位阶梯形试块判断缩孔出现的方法缩松缩松形成的基本原因是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方合金成分：共晶点附近的合金易形成缩孔，反之易形成缩松浇注条件：合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔铸型条件：铸型材料冷却能力愈大，愈有利于减少缩松铸件结构：铸件断面过厚，若补缩不良易形成缩孔；铸件壁厚不

均匀，在厚壁热节处易产生缩孔或缩松缩孔缩松的影响因素定向凝固原则让远离铸件冒口的地方首先凝固、靠近冒口的地方随后凝固、冒口本身最后凝固，实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺方法合理应用冒口、冷铁和补缩等工艺措施消除缩孔和缩松的方法缩孔与缩松减小了铸件受力的有效面积，且缩孔处易产生应力集中，使铸件的力学性能下降，应予以防止解决缩孔的方法—冒口和冷铁采用冒口、冷铁的顺序凝固——使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固，从而可有效消除缩