第二篇第1章 铸造工艺基础

第一篇铸造一、铸造(金属液态成型技术)

将液体金属浇铸到与零件形状、尺寸相适应的铸型空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的生产方法.

称为铸造。用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。

绪论铸造成形的原理

二.铸造方法

手工造型

机器造型

金属型铸造熔模铸造压力铸造低压铸造陶瓷型铸造离心铸造液态成型工艺砂型铸造特种铸造2/5/20234（一）砂型铸造

1、手工造型

整模造型:整体模,分型面是平面时,整模两型造型

分模造型:分开模

三箱造型:铸型由上中下三型构成,分型面是平面

活块造型

挖砂造型

刮板造型等手工造型2/5/20235（一）砂型铸造

2、机器造型(只用于两箱造型)

优点:生产效率高,铸件尺寸精度好,手工余量少,成本低,

劳动强度低,铸件质量稳定.

震压造型机2/5/20236三.铸造特点

优点:1、适应范围广。可以生产形状复杂的零件,尤其复杂内腔的零件(如汽车用多缸水冷整铸汽缸体)铸件大小几乎不限（铸件外形尺寸可从几毫米到十几米，壁厚可从1mm到1m）；生产的批量不限。2、可以制造各种合金铸件（如铸铁、铝合金、铜合金、合金钢、碳素钢等）。3、铸件尺寸精度高。4、铸件形状、尺寸与零件相近，减少了切削加工余量，所以成本低廉。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；在金属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上，而生产成本仅占15~30%。∴

应用广泛:农业机械40~70%

机床:70~80%在汽车中占40-60%(重量)

典型铸件示例缸体缸盖

缺点:

1、机械性能不如锻件(组织粗大,缺陷多等)2、铸造工序多，生产周期长。工人劳动强度大.3、铸件凝固过程不能精确控制，铸件质量不稳定,工序多,影响因素复杂,易产生缺陷。

4、劳动条件较差。

四.我国铸造技术的发展铸造历史悠久，约有6000年历史。是人类掌握较早的一种金属热加工工艺。我国是世界上最早掌握铸造技术的文明古国之一，是最早应用铸铁的国家。公元前1700-前1000年已进入青铜铸件的全盛时期。工艺上已达到相当高的水平。中国古代铸造文物

商朝的司母戊方鼎重875公斤战国时期的曾候乙尊盘通高416mm,尊高301mm口径250mm盘高235mm口径580mm1978年湖北随州出土的曾候乙墓青铜编钟65个青铜套佩剑铜人北京明朝永乐青铜大钟，重达46.5t，钟高6.75m，钟唇厚22cm，外径3.3m，钟体内遍铸经文22.7万字，击钟时尾音长达2分钟以上，传距20km河北沧州大铁狮铸于后周广顺三年(953年)距今已有一千多年

唐代黄河大铁牛（永济市蒲州城西黄河古道两岸）

第一章铸造工艺基础

§1液态合金的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。充型能力不足浇不足冷隔夹砂气孔夹渣没完整融合缝隙或凹坑不能得到完整的零件浇不足冷隔

充型能力的影响因素

合金流动性、浇注条件、铸型填充条件、铸件结构条件一.合金流动性:液态金属本身的流动能力1流动性对铸件质量影响：1)流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.2)流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮、排除.3)流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩.在常用铸造合金中,灰口铸铁．铝硅合金．黄铜流动性最好，钢较差。

2测定流动性的方法:

通常用浇注的螺旋形试样的长度来衡量合金的流动性。如图所示的螺旋形试样，其截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，以便于计量其长度。合金的流动性愈好，其长度就愈长。

在常用铸造合金中,灰口铸铁．铝硅合金．黄铜流动性最好，铸钢较差。3影响流动性的因素主要是化学成分:1)纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小.2)共晶成分合金流动性好:恒温凝固,由于已凝固层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。且熔点低,过热度大,推迟了合金凝固.3)非共晶成分流动性差:

结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液体流动合金成分加入不同的合金元素对流动性也有影响：如：加入硅，改善流动性；加入锰、硫，流动性降低．充型能力的影响因素

二.浇注条件1、浇注温度:

t↑合金粘度下降,过热度高.合金在铸件中保持流动的时间长,充型能力就好.∴

t↑提高充型能力.但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔、粗晶等缺陷,故不宜过高．高温出炉，低温浇注普通灰口铸铁浇注温度:1250℃~1380℃

碳素钢浇注温度:1500℃~1550℃

铝合金的浇注温度:680℃~780℃2、充型压力:

液态合金在流动方向上所受的压力↑充型能力↑如砂型铸造---直浇道,静压力.

压力铸造,离心铸造等充型压力高.

三铸型填充条件

1、铸型蓄热能力:

金属材料导热系数↑激冷能力↑

液态金属降温快,充型能力↓

(蓄热能力:铸型从金属中吸收储存热量的能力)

2、铸型温度:t↑充型↑(在金属型中浇注铝合金铸件,铸型温度由340℃提高到520℃,同在760℃时浇注,螺旋线长度则由525mm增加到950mm

3、铸型中气体:

排气能力↑充型↑减少气体来源,提高透气性,少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型

四铸件结构条件铸件模数：铸件体积与散热表面积之比模数↑则充型能力↓一、铸件的凝固1、铸件的温度场合金液充满型腔后,在凝固和冷却的某瞬间,铸件横断面上的温度分布曲线.2、铸件的凝固区域

液相区、凝固区和固相区对铸件质量影响较大的是凝固区的宽窄.3、铸件的凝固方式：

逐层凝固、中间凝固、糊状凝固

§2合金的凝固与收缩

铸件的凝固方式就是根据凝固过程中,凝固区的宽窄来划分.(1)逐层凝固纯金属．共晶合金在凝固过程中不存在液固并存的两相区，断面上液体与固体之间由一条界限清楚分开，随温度下降而加厚，液层减少直至铸件中心，凝固区宽窄等于0。如灰口铸铁、铝硅合金、黄铜、低碳钢等。(2)糊状凝固当合金结晶温度范围很宽,且铸件温度分布较平坦,在凝固的某段时间内,铸件表面并不存在固体层,而液固并存的凝固区贯穿整个断面。这种凝固方式与水泥相似，先呈糊状，而后固化。如球铁．高碳钢．铝镁合金等(3)中间凝固介于逐层凝固与糊状凝固之间,如中碳钢．高锰钢4、影响铸件凝固方式的因素1)合金的结晶温度范围范围小:凝固区窄,愈倾向于逐层凝固如:砂型铸造,低碳钢逐层凝固;高碳钢糊状凝固2)铸件的温度梯度合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度.温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄)温度梯度取决于:①合金性质:②铸型蓄热能力:③浇注温度:

二.铸造合金的收缩及铸造缺陷铸造合金的收缩:液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象

收缩是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.1铸造合金收缩的几个阶段1)

液态收缩:

合金由浇注温度冷却到液相线温度所发生的体积收缩.液态收缩减少的体积与浇注温度与开始凝固的温度的温差成正比.2)

凝固收缩:

从凝固开始到凝固完毕所发生的体积收缩.同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如:35钢,体积收缩率3.0%,45钢4.3%3)

固态收缩:

凝固以后到常温.

固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示.1)、2）形成缩孔，3）形成内应力、变形裂纹2影响收缩的因素1)

化学成分:

铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少.如:灰口铁C,Si↑,收↓,S↑收↑.因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.2)

浇注温度:温度↑液态收缩↑3)

铸件结构与铸型条件铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍.实际收缩小于自由收缩.∴铸型要有好的退让性.3缩孔形成集中在铸件上部或最后凝固部位的容积较大的孔洞,多呈倒圆锥形,内表面粗糙,通常隐蔽在铸件内层,亦可暴露在铸件表面,形成缩凹.纯金属,共晶成分的合金易产生缩孔*产生缩孔的基本原因:铸件在凝固冷却期间,外壳内金属的液态收缩及凝固收缩的体积大于外壳固态收缩所减少的铸件外形体积.缩孔形成过程4缩松的形成

由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至.1)宏观缩松肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心.非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松.

缩松的形成过程凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞.

2)微观缩松凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞.

凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸件,则必须设法减少.(先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液态,凝固,固态三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区----这也是形成微观缩松的基本原因.与缩孔形成基本原因类似）5缩孔、缩松的防止办法采用顺序凝固(定向凝固)。

顺序凝固---在铸件可能出现缩孔的热节处,通过加冒口或冷铁等一系列工艺措施,让远离冒口的部位先凝固,尔后是靠近冒口的部位凝固,最后冒口本身凝固,这样将缩孔移到冒口中,在铸件清理时切除.主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金.对于非共晶成分合金,先结晶形成的树枝晶,阻碍金属液的流动,所以冒口作用甚小.对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而难避免显微缩松的产生.显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的.同时安放冒口也是合适的.§3铸造内应力、变形和裂纹

铸件在凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,称为铸造内应力.

铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因一、内应力的形成

一内应力形成

按产生原因主要分为热应力和机械应力

1热应力:铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生.各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力.热应力的形成过程当铸件处于高温阶段（t0-t1）时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生；继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态（t1-t2），此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大，所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂时内应力，但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失（图c）；当进一步冷至更低温度时（t2-t3），两杆均进入了弹性状态，粗杆I的温度较高，还要进行较大的收缩，细杆II的温度较低，收缩已趋于停止，因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍，在内部产生拉应力；而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温，残留热应力一直存在。热应力预防方法:

（1）壁厚均匀（2）同时凝固：将浇道开在薄壁处。有时在厚壁处安放冷铁。优点:

省冒口,省工,省料，减少热应力，防止裂纹和变形。缺点:

心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁,因灰铁缩孔、缩松倾向小。锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。同时凝固主要用于灰铸铁类收缩小、不易产生缩孔的铸件，也可用于薄壁铸钢件或易变形的铸件。2机械应力合金的线收缩(固态收缩)受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。主要原因是型砂或芯砂的退让性差造成的.（体收缩：液态和凝固收缩，过程中总有液态出现线收缩：固态收缩，也是体积变化，但只引起铸件外部尺寸的变化。是引起铸件内应力、裂纹和变形的主要原因。）机械应力是暂时的,落砂后,就自行消失防止：提高铸型和型芯的退让性.在型砂中加一些锯末、煤粉来减小铸件的收缩阻力.3相变应力

冷却过程中,固态相变时,体积会发生变化.如A—P,A—P体积会增大,Fe3C—石墨,体积↑.

若体积变化受阻.则产生内应力

二变形与防止

铸件通过自由变形来松弛内应力,自发过程.铸件发生不同程度的变形.举例:T形铸件∵上部散热慢,受拉力.平板下部冷却慢.∴发生如图所示变形

防止方法:

1壁厚均匀,形状对称,同时凝固.2反变形法(长件,易变形件)3自然时效,

人工时效---低温退火

550—650℃导轨部分较厚，受拉应力；其床壁部分较薄，受压应力，于是床身发生朝着导轨方向的弯曲，使导轨下凹。

平板铸件，其中心部位散热较边缘要慢，所以受拉应力；边缘处则受压应力，且平板的上表面比下表面冷却得快结论：厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。

薄部、表面受压应力，出现外凸变形。一般铸件受拉应力(冷却速度慢)的部分为了力图恢复原状，厚的部位力图缩短而向内凹,而受压应力(冷却速度快)的部分向外凸.薄的部分受压应力则向外凸,厚的部分受拉应力所以向内凹

三铸件的裂纹与防止

当铸造应力＞材料抗拉强度就会产生裂纹。裂纹是铸件严重缺陷，所以必须设法防止。

裂纹分为：热裂纹和冷裂纹1热裂纹:高温下形成裂纹2冷裂纹:

低温下裂纹原因:①

凝固末期,合金呈完整骨架+晶粒间液体（液膜）,强、塑↓，收缩时被拉长、断，拉裂必在晶间。②沿晶界含S—热脆

③

退让性不好1、热裂纹特征：裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过。灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大预防:

设计结构合理,

改善型砂退让性,控制硫含量（硫是增大热裂倾向的有害元素。原因：形成低熔点共晶体，降低固相温度，液膜存在时间长，易拉断；低熔点共晶体沿晶界呈网状分布，大大削弱钢的高温强度和塑性）。

特征:裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,有时呈轻微氧化色出现在形状复杂的铸钢件的拉伸部位，特别是具有应力集中处。如内尖角处、缩孔、非金属夹杂物等附近。

原因:

弹性状态时，铸造应力超过合金的弹性极限，出现在受拉伸部位．复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发