第二章铸造成形

第二章铸造成形中南大学CentralSouthUniversity§2.1铸造工艺基础2.1.1液态合金的充型2.1.2铸件的凝固收缩2.1.3铸造内应力，变形和裂纹2.1.4铸件中的气孔2.1.5铸件的质量控制铸造的特点可以生产出形状复杂的零件，特别是具有复杂内腔的零件。适应性广。成本低。铸件的尺寸和形状与零件非常接近。可以减少切削加工量。缺点：工序多，质量不易控制，内部组织缺陷多，力学性能低。§2.1.1液态合金的充型液态合金填充铸型的过程，简称充型。充型能力液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。影响充型能力的因素1、合金的流动性2、浇注条件3、铸型填充能力充型能力不强，则易产生浇不足（shortrun）

、冷隔（shortrun）…等。概念合金的充型能力之一

合金的流动性合金的流动性是指熔融合金的流动能力。流动性好，充型能力强，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。合金的流动性与合金的化学成份有关。流动动性的测定流动性实验几种不同合金流动性的比较*铸铁的流动性*铸钢的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。比较下面几种合金流动性能合金的充型能力之二

浇注条件浇注温度浇注温度越高，充型能力越好。但温度过高。会出现其他铸造缺陷。充型压力压力越大，充型能力越好。合金的充型能力之三

铸型填充条件铸型的蓄热能力散热越快的铸型，充型能力越差。铸型温度金属型铸造和熔模铸造时，铸型温度越高，充型能力越好。铸型中气体铸型中的气体压力增大，液态合金的流动困难，充型能力差。§2.1.2铸件的凝固与收缩1、铸件的凝固方式逐层凝固糊状凝固中间凝固2、铸造合金的收缩3、缩孔与缩松铸件的凝固方式之一逐层凝固纯金属和共晶成份的合金，结晶温度是一固定值。凝固过程由表面向中心逐步进行温度表层中心固液铸件的凝固方式之二糊状凝固结晶温度范围很宽的合金，从铸件的表面至心部都是固液两相混存。铸件的凝固方式之三中间凝固大多数合金属于这种方式。凝固方式与铸件质量的关系：逐层凝固有利于充型，可防止缩孔和缩松。影响铸件凝固方式的因素合金的结晶温度结晶温度范围越小，糊状凝固区越小。铸件的温度梯度温度梯度越大，糊状凝固区越小。合金的性质铸型的蓄热能力浇注温度合金的收缩性1.收缩及其影响因素合金的收缩：铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺寸减少的现象称为收缩。包括：

①液态收缩（体收缩率）浇注温度—液相线②凝固收缩（体收缩率）液相线—固相线③固态收缩（线收缩率）固相线—室温缩孔，缩松应力，变形，裂纹成分(%)

T

①②③铸造合金的收缩合金种类含碳量（%）浇注温度液态收缩凝固收缩固态收缩总收缩（%）铸造碳钢0.3516101.637.812.46白口铸铁3.0014002.44.25.4~6.312~12.9灰口铸铁3.5014003.50.13.3~4.26.9~7.8铸件中的缩孔与缩松缩孔和缩松的形成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的得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞缩孔它是集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞缩松分散在铸件某区域内的细小孔洞，称为缩松顺序凝固原则（定向凝固）所谓顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。实现顺序凝固的措施。合理设计冒口和安放冷铁。铸件上可能产生缩孔或缩松的部位凝固等温线法内切圆法等温线未画到的部位内切圆大的部位可能产生缩孔或缩松§2.1.3铸造内应力、变形

及裂纹1、铸造内应力2、铸件的变形3、铸件的裂纹1、铸造内应力内应力的形成热应力它是由于铸件的壁厚不均匀，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。薄壁处受压应力，厚壁处受拉应力。机械应力它是合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。同时凝固原则尽量减少铸件各处的温度差，使铸件不同壁厚各处在同一时间内凝固。浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，力求使铸件各处同时冷却。同时凝固原则与顺序凝固原则对比2、铸件的变形铸件冷却到室温后，热应力保留在铸件中

残余应力薄壁处受压力，厚壁处受拉力变形防止变形的措施设计铸件时尽可能壁厚均匀，形状对称。采取同时凝固。设计“反变形”量。时效处理：有内应力的铸件在加工前置于露天半年以上，或550~650ºC去应力退火。3、铸件的裂纹与防止热裂热裂是铸件在高温下产生的裂纹。其形状特征是：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。合金性质铸造合金的结晶特点和化学成分对热裂的产生均有明显的影响铸型阻力铸型(包括型芯)的退让性对热力的形成有重要影响。冷裂冷裂是在低温下行成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小，呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。§2.1.4铸件中的气孔气孔的来源1、侵入气孔侵入气孔是由于砂型表面层聚集的气体侵入金属液中而形成的。2、析出气孔溶解于金属液中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出，在铸件中形成的气孔。3、反应气孔浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔。铸件中的偏析铸件内部化学成份不均匀的现象，称为偏析。偏析类型1、晶内偏析结晶温度宽的合金易产生晶内偏析2、区域偏析合金中各成份因熔点的不同，引起不同时凝固。§2.1.5

常见的铸造缺陷（JB302-62简化）类别名称类别名称类别名称孔眼气孔形状、尺寸和重量不合格多肉表面缺陷粘砂缩孔浇不足夹砂缩松落砂冷隔渣眼抬箱成份组织和性能不合格化学成份不合格砂眼错箱金相不合格铁豆偏芯偏析裂纹热裂变形过硬（白口）冷裂物理、机械性能不合格常见铸造缺陷的特征及产生的原因（P11）名称特征主要原因气孔主要为梨形、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1、型砂太紧，透气性太差。2、型砂太湿，水份过多。3、砂芯通气堵塞或未烘干。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。1、冒口设置不正确2、合金成分不合格，收缩过大3、浇注温度过高4、铸件浇注系统设计不合理渣眼孔内充满熔渣，孔形不规则1、浇注温度太低熔渣不易上浮2、浇注时没有挡住熔渣3、浇注系统不合理，挡渣作用差常见铸造缺陷的特征及产生的原因名称特征主要原因砂眼铸件内部或表面有充满砂粒的孔眼1、型砂强度不够或局部没舂紧2、型腔、浇口内散砂未吹干净3、合箱时砂型局部挤坏，掉砂4、浇注系统不合理，冲坏砂型冷隔铸件上有未完全融合的缝隙，接头处边缘圆滑。1、浇注温度过低2、浇注速度太慢3、浇口位置不当或浇口太小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。1、未刷涂料或涂料太薄2、浇注温度过高3、型砂耐火隆不够。常见铸造缺陷的特征及产生的原因名称特征主要原因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。1、型砂强度太低2、浇注温度过高3、内浇口过于集中，使局部型砂烘烤厉害。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。1、铸件设计不合理，壁厚差别太大2、砂型（芯）退让性差阻碍铸件收缩3、浇注系统不当，使铸件各部分冷却收缩不均匀，造成过大的内应力小结合金工艺性能充型能力凝固方式流动性浇注条件铸型条件逐层凝固糊状凝固中间凝固收缩性能液态收缩凝固收缩固态收缩浇注温度充型压力蓄热能力铸型温度铸型中气体缩孔与缩松应力与变形凝固原则顺序凝固原则同时凝固原则铸造合金的分类铸钢铸铁灰口铸铁白口铸铁可锻铸铁球墨铸铁铸造铝合金铸造铜合金…灰口铸铁的特性力学性能较低。良好的铸造性能。良好的切削加工性。减振性。耐磨性缺口敏感低。本节复习1、铸件的常见缺陷有哪些？产生的原因是什么？怎样防止？2、什么是同时凝固原则？什么是顺序凝固原则？下例两图哪个是同时凝固？哪个是顺序凝固？为了防止铸件产生内应力，应采取哪种凝固方式？同时凝固顺序凝固3、区分下列名词：逐层凝固与定向凝固出气口与冒口浇不足与冷隔4、下列哪种情况易产生气孔，为什么？舂砂过紧型芯撑生锈起模时刷水过多5、为什么灰口铸铁的收缩比碳钢小？6、试分析如图所示铸件：

哪些自由收缩？哪些是受阻收缩？受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力？各部分应力属于拉应力还是压应力？课间休息§2.2

铸造工艺及方法§2.2.1砂型铸造造型材料与造型方法铸造工艺设计铸造工艺图§2.2.2其他铸造方法金属型铸造压力铸造熔模铸造离心铸造§2.2.1

砂型铸造（SandCasting）§2.2.1.1造型材料与造型方法§2.2.1.2铸造工艺设计§2.2.1.3铸造工艺图§2.2.1.1造型材料与方法型（芯）砂的组成?型（芯）砂应具备哪些主要性能？型砂是砂、粘结剂、附加物和水组成附加物是什么？起什么作用？煤粉、木屑等。提高性能。可塑性、强度、透气性、耐火性、退让性涂料的组成？作用？扑料？石墨（石英粉）+粘土+水手工造型方法按砂箱特征两箱造型三箱造型地坑造型手工造型方法按模型特征整模造型分模造型挖砂造型活块造型刮板造型假箱造型§2.2.1.2铸造工艺设计Ⅰ、浇注位置（pouringposition）浇注位置是浇注时铸件在铸型中所处的位置。Ⅱ、分型面（moldparting）上Ⅲ、铸造工艺参数的确定1、加工余量（machiningallowance）2、收缩余量（shrinkageallowance）3、拔模斜度（起模斜度patterndraft）4、型芯头（coreprint）5、最小铸出孔上下Ⅰ、浇注位置的选择原则1、铸件的重要加工表面和主要工作面应朝下或呈侧立。2、铸件的大平面应朝下。3、为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔等缺陷，应将面积较大的薄壁部分朝下。4、容易形成缩孔的铸件，应将截止面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面，以便安放冒口。Ⅰ、浇注位置的选择原则1、铸件的重要加工表面和主要工作面应朝下或呈侧立。Ⅰ、浇注位置的选择原则2、铸件的大平面应朝下。不合理合理Ⅰ、浇注位置的选择原则3、为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔等缺陷，应将面积较大的薄壁部分朝下。Ⅰ、浇注位置的选择原则4、容易形成缩孔的铸件，应将截止面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面，以便安放冒口。Ⅱ、分型面的选择原则1、尽量使铸件的大部分或全部置于同一砂箱中，以保证铸件的精度。2、使加工面和加工基准面在同一砂箱中3、应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直的分型面，最好只有一个分型面。4、应尽力减少型芯和活块的数量，以便简化制模、造型、合箱等操作。5、为了便于造型、安放型芯、合箱及检查型腔尺寸，应尽量使型腔和主要型芯置于下箱中。Ⅱ、分型面的选择原则1、尽量使铸件的大部分或全部置于同一砂箱中，以保证铸件的精度。大批量小批量

1、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。

①②上下中Ⅱ、分型面的选择原则Ⅱ、分型面的选择原则1、尽量使铸件的大部分或全部置于同一砂箱中A合理B不合理Ⅱ、分型面的选择原则２、应使铸件的加工面和加工基准面处于同砂箱中.(a)可能产生错箱,导致不同轴Ⅱ、分型面的选择原则３、应尽量减少分型面的数量，尽可能选平直的分型面，最好只有一个分型面。这样可以简化操作，提高铸件精度。不好不好好Ⅱ、分型面的选择原则４、分型面的选择应尽力减少型芯和活块的数量，以便简化制模、造型、合箱等操作。方案Ⅰ凸台妨碍起模Ⅱ、分型面的选择原则5、为了便于造型、安放型芯、合箱及检查型腔尺寸，应尽量使型腔和主要型芯置于下箱中。Ⅱ型腔及型芯大部分位于下型有得利于起模及翻箱Ⅲ、铸造工艺参数的确定

加工余量及铸孔加工余量值与铸件大小、合金种类及造型方法等有关。单件小批生产的铸铁件的加工余量为4.5~5.5mm。小孔可不铸出。单件小批生产时：<30~50mm的孔；成批生产时：<15~30mm的孔：大批量生产时:<12~15mm的孔。不加工孔必须铸出。Ⅲ、铸造工艺参数的确定

拔模斜度、收缩率拔模斜度是指平行于起模方向的模样壁的斜度。通常为15´~3º。收缩率指铸件自高温冷却到室温的尺寸收缩率。灰口铸件为0.7~1.0%铸钢为1.3~2.0%铝硅合金为0.8~1.2%Ⅲ、铸造工艺参数的确定

型芯头分为垂直芯头和水平芯头。垂直芯头高度取决于芯头的截面尺寸。下芯头的斜度3~10º，上芯头的斜度6~15º。芯头与铸型之间的间隙1~4mm。§2.2.1.3铸造工艺图

根据铸件的特点、批量大小、生产方法确定铸造工艺，并将各项工艺设计内容用不同符号和颜色描绘在零件图上，辅以文字说明，构成铸件工艺图。

铸造工艺图是进行生产准备、指导生产的基本工艺文件。在零件图上，把上述工艺内容用红色铅笔画出来，芯子、芯头、冷铁用蓝色铅笔画出来铸造成工艺图示例1—支座普通支承件无特殊质量要求HT150主要考虑简化工艺铸造成工艺图示例1—支座分析：底板上Φ10的孔处有四个凸台、两侧Φ30轴孔处有凸台，凸台妨碍起模。大批量生产时，轴孔要铸出，要考虑下芯小批批量生产时，轴孔不铸出。方案Ⅰ分模造型优点：轴孔下芯方便。缺点：必须采用活块造型，易产生错箱，飞边清理工作量大。方案Ⅱ整模造型优点：不会产生错箱，铸件清理简便。缺点：轴孔凸台妨碍起模，必须采用活块或下芯来克服，当采用活块时，Φ30轴孔处难以下芯。小批生产：轴孔不铸出，采用方案Ⅱ进行活块造型较合理。大批生产：轴孔铸出，采用组合型芯上下Ⅱ下Ⅰ上方案Ⅱ适合于各种批量，是合理的工艺方案收缩率：1%拔模斜度：30´~1°铸造成工艺图示例2——气缸套大批生产不得有裂纹、气孔、缩孔和缩松等缺陷组织致密，需作水压试验。铸造成工艺图示例2——气缸套铸造工艺方案的选择：方案Ⅰ型腔较浅，造型简便，但铸件质量难保证方案Ⅱ造型较方便，不会出现错型现象，采用雨淋式烧口，铸件由下至上定向凝固，铸件质量好，铸造成工艺图示例2——气缸套（P27)图中有多处错误或不当1、加工余量与铸件壁厚比例不当2、下端大径处无加工余量？铸造成工艺图示例3——C6140车床进给箱

铸造成工艺图示例3——C6140车床进给箱方案Ⅰ

分型面在轴孔中心线凸台A用型芯来完成,槽C可用型芯或活块制出。优点：适于铸出轴孔。缺点：D面朝上。方案Ⅱ

从基准面D分型，铸件绝大部分位于下箱,凸台A

不妨碍起模，凸台E和槽C妨碍起模，缺点：轴孔不易铸出。方案Ⅲ

从B面分型，铸件全部置于下箱，全部凸台都要采用活块或型芯，轴孔不易铸出。铸造成工艺图示例3——C6140车床进给箱大批量生产：九个轴孔需要铸出，只能用方案Ⅰ单件或小批生产：三个方案均右考虑§2.2.2特种铸造方法1、熔模铸造2、金属型铸造3、压力铸造4、离心铸件1、熔模铸造工艺过程蜡模制造压型制造蜡模的压制蜡模组装焙烧和浇注脱蜡和造型—脱蜡—造型结壳—浸涂料—撒砂—硬化落砂和清理熔模铸造的特点与应用铸件精度高（IT11~14）、表面粗糙度低（Ra6.3~1.6）。一般不再进行切削加工。适应于各种铸造合金，特别是形状复杂的耐热合金铸件。因为型壳材料是高温的。可做出形状复杂、难于切削加的铸件。如汽轮机叶片。工艺过程复杂，生产成本高，不能生产大型铸件。主要用航空、电器、仪器和刀具。2、金属型铸造

金属型铸造是将液态合金浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。工艺要求：喷刷涂料。使金属铸型保持一定的工作温度。合适的出型时间。防止铸铁件产生白口。金属型铸造的特点一型多铸生产率高冷却速度快，铸件组织致密，机械性能高。表面光洁，尺寸准确。缺点：金属型成本高，加工费用大金属型没有退让性，不宜生产形状复杂的铸件。金属型冷却速度快，易产生裂纹。用于大批量生产有色铸件。3、压力铸造压力铸造是将金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固，获得铸件的方法。工作过程：浇入金属压铸取出铸件压力铸造的特点铸件的精度及表面质量较高（IT11~13、Ra6.3~1.6），因此压铸件可不经机械加工。可压出形状复杂的薄壁件或镶嵌件。铸件的强度和表面硬度都较高。生产率高。缺点：成本高。不适于压高熔点金属。铸件内部常有气孔、缩孔等。不能进行热处理。4、离心铸件将液态合金浇入高速旋转（250~1500r/min）铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶，这种铸造方法称为离心铸造。立式卧式离心铸造的特点利用自由表面产生圆筒型铸件，可省去型芯和浇注系统，省工、省料，降低成本。在离心力作用下成型，不易产生缩孔、气孔、夹渣。充型能力强，便于流动性差的合金及薄件的生产。便于制造双金属铸件缺点：内表面粗糙，加工余量大。本节复习与思考题1、型砂的组成？性能？2、浇注系统的组成及作用3、手工造型方法有哪些？4、铸造工艺的内容包括哪些？5、挖砂造型、活块造型、三箱造型适用于哪几种场合？6、图示零件为单件生产，试确定其造型方法，浇注位置和分型面（P28）。分模造型小孔不铸出分模造型上下7、分析图示三种铸件采用何种手工造型方法。8、试绘制如下图所示连接盘铸造工艺图造型材料型（芯）砂的组成?型（芯）砂应具备哪些主要性能？型砂是砂、粘结剂附加物和水组成可塑性、强度、透气性、耐火性、退让性涂料的组成？作用？扑料？石墨（石英粉）+粘土+水浇注系统的组成及作用引导金属液流入铸型型腔的一系列通道的总称。外浇口：承接金属液并将其平稳地导入直浇道。直浇道：产生静压力、调速。横浇道：分配金属液，阻挡熔渣。内浇道：控制金属液的速度与方向。冒口：储存金属液，补缩、聚渣、冒气、观察课间休息§2.3铸件结构设计§2.3.1铸造工艺对铸件结构的要求；铸件结构与砂型铸造工艺的关系铸件结构与其他铸造方法的关系§2.3.2合金的铸造性能对铸件结构的要求；§2.3.3后续工艺对铸件结构的要求；§2.3.1铸造工艺对铸件结构的要求1、铸件结构与砂型铸造工艺的关系（1）铸件的外形设计（2）铸件的内腔设计（3）铸件结构斜度2、铸件结构与其他铸造方法的关系(1)铸件外形的设计铸件外形的设计应考虑便于起模尽量避免操作费时的三箱造型、挖砂造型、活块造型及不必要的外部型芯。（1）铸件外形的设计a、避免外部侧凹以便于造型。不好好避免外部侧凹以便于造型

（减少分型面数目）（1）铸件外形的设计b、分型面要尽量平面（注意去掉不必要的外圆角）不合理合理分型面要平直（1）铸件外形的设计C、凸台、筋条的设计要方便造型不好好（1）铸件外形的设计C、凸台、筋条的设计要方便造型不好好（2）铸件内腔的设计良好的内腔设计，既可减少型芯数量，又有利于型芯的固定、排气和清理，因而可防止偏芯、气孔等缺陷，并降低成本。（2）铸件内腔的设计A应尽量减少和避免型芯(2)铸件内腔的设计B应尽量减少和避免型芯用吊砂代替型芯铸件内腔的设计之二C便于型芯的固定、排气和清理接上向上排气便于型芯的固定、排气和清理向下排气不好增设工艺孔（3）铸件的结构斜度铸件上垂直于分型面的不加工表面最好具有结构斜度，这样起模省力、铸件精度高。铸件的结构斜度与拔模斜度不同，结构斜度是在设计时设计上去的，不再被加工掉。结构斜度设计斜度a:h角度β适应范围1：511º30ˊh<25mm的钢和铸铁1:10

5º30ˊh=25~500mm………1:203ºh=25~500mm………1:501ºh>500mm…………..1:10030ˊ有色合金

2、铸件结构与铸造方法的关系（1）熔模铸件（2）金属型铸件（3）压铸件铸件结构与铸造方法的关系

熔模铸造便于取出蜡和型芯(与砂型铸造相似)为了便于浸渍和撒砂，孔、槽不宜过小或过深。孔径应>2mm，通孔时，孔径/孔深<4~6，盲孔时，孔深/孔径<2mm。槽宽应>2mm,槽深/槽宽<2~6。应可能满足顺序凝固的要求。应尽量避免有大平面。可在大平面上增设工艺孔和工艺筋。增加工艺孔增加工艺筋铸件结构与铸造方法的关系

金属型铸造铸件应能顺利地出型，尤其便于金属型芯的抽出。铸件结构与铸造方法的关系

压铸件尽量消除侧凹和深腔。在无法避免的情况下，也