第2篇 铸造-铸造工艺基础

第2篇铸造

铸造：将液态金属浇到事先做好的、具有与零件形状、尺寸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，称为铸造。

一个管形铸件的铸造过程

主要工艺过程（以砂型铸造为例）

工艺过程工艺过程见动画zhengmu[1].swf铸造工艺的主要工序（以砂型铸造为例）：制模砂处理造型（包括制芯、合型）熔炼（包括浇注）清理典型铸件：缸体铸件风机铸件床身铸件泵体铸件工艺特点：成型能力强；适应范围广：合金、结构、生产类型；成本低廉。主要方法：

砂型铸造特种铸造第1章铸造工艺基础第1节液态合金的流动性和充型能力充型液态金属填充铸型的过程，称为充型。充型能力不足：浇不足、冷隔。冷隔浇不足哪些工艺因素影响充型能力呢？内因是变化的根据外因是变化的条件方法论（Methodology）：要重视内因的作用，又不能忽视外因的影响，坚持内因外因相结合的观点。合金的流动性（影响充型能力的内因）流动性的衡量：用螺旋形试样。影响流动性的因素：主要是化学成分。

Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系常用铸造合金的流动性（螺旋形试样）浇注条件（外因1）浇注温度充型压力铸型充填条件（外因2）铸型材料铸型温度铸型中的气体铸件结构（外因3）充型能力对铸件质量的影响：浇不足、冷隔。铸件允许的最小壁厚，mm铸造方法砂型金属型熔模壳型压铸灰铸铁3＞40.4～0.80.8～1.5—铸钢48～100.5～12.5—铝合金53～4——0.6～0.8合金充型能力越好，铸件允许的最小壁厚越小！铸件的成形过程是液态金属在铸型中的凝固过程。合金在冷却、凝固中还会产生收缩，液态收缩和凝固收缩得不到补充会产生缩孔，固态收缩受阻会产生裂纹。

第2节铸件的凝固与收缩特性2.1铸件的凝固方式凝固断面上的三个区域：固相区、凝固区、液相区。

凝固方式的划分原则按凝固区的宽窄。

逐层凝固糊状凝固中间凝固固液界面固体层不断加厚逐层凝固方式糊状凝固方式凝固区中间凝固方式中间凝固方式的铸件在断面上具有固相区、凝固区和液相区。影响凝固方式的因素铸件断面的温度梯度合金的凝固温度范围凝固方式对铸件质量的影响逐层凝固方式的合金充型能力强；逐层凝固的合金便于防止缩孔和缩松的产生；逐层凝固的合金不容易产生热裂；常用的合金：灰铸铁、铝硅合金倾向于逐层凝固，容易获得致密铸件。而球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金倾向于糊状凝固，难以获得紧实铸件，需要采取必要的工艺措施。2.2铸造合金的收缩收缩收缩的三个阶段液态收缩凝固收缩固态收缩体收缩率和线收缩率合金的收缩特征可用收缩率表征。合金的液态收缩和凝固收缩表现为体积的收缩，常用体积收缩率表示。合金的固态收缩更明显地表现在铸件尺寸上的缩减，常用线收缩率表示。常用铸造合金的收缩特性灰口铸铁最小铸钢最大收缩特性对铸件质量的影响液态、凝固收缩→缩孔（松）固态收缩→铸造内应力、变形、裂纹。线收缩影响铸件尺寸2.3铸件中的缩孔与缩松概念

铸造合金在凝固过程中，液态收缩和凝固收缩得不到补充而出现的空洞，常出现在最后凝固的部位。种类

集中缩孔

缩松危害

减小有效承载面积

产生应力集中

降低气密性。缩孔缩松缩孔与缩松的形成缩孔特征：倒锥形、容积大，表面粗糙，常在铸件上部或最后凝固部位。缩孔形成：纯金属或共晶成分的合金呈逐层凝固，易于形成集中的缩孔。缩孔形成过程示意图见动画suokong缩松特点

细小、分散，表面氧化。种类

宏观缩松：用肉眼或放大镜能看出的孔洞。

显微缩松：分布在晶粒之间的微小孔洞。宏观缩松显微缩松形成过程

宏观缩松多分布在铸件中心轴线处或缩孔的下方。显微缩松是合金呈糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所导致。对铸件质量的影响：渗漏、物理化学性能下降几点总结：逐层凝固的合金易产生缩孔。糊状凝固的合金易产生显微缩松。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。集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现。缩孔和缩松的防止缩孔的防止顺序凝固的原则：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口等措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，最后才是冒口凝固，铸件上最后凝固部位的收缩由冒口补充。工艺措施：冒口、冷铁、补贴等。顺序凝固与逐层凝固的区别顺序凝固的弊端缩松的防止冒口对缩松效果较差。改变合金的凝固方式选用结晶温度范围窄的合金。

冒口铸件应力内应力：在没有外力的条件下平衡于物体内部的应力。临时应力和残余应力。第3节铸造内应力、变形和裂纹在外力F作用下产生的外应力σ没有外力的作用下平衡于物体内部的应力3.1铸造内应力的形成产生原因：固态收缩受阻。类型：根据受阻原因不同。热应力机械应力相变应力。

（1）热应力产生：壁厚不均→冷速不同→收缩量不同→内应力分析：以厚薄不同的T形杆铸件为例。

两种状态：

T>T再，塑性状态。

T<T再，弹性状态。冷却曲线，变形过程如图：t0—t1Ⅰ部分塑性→压应力→塑性压缩变形→应力消失

Ⅱ部分塑性→拉应力→塑性拉伸变形→应力消失t1—t2Ⅰ部分塑性→压应力→塑性压缩变形→应力消失

Ⅱ部分弹性→拉应力→无拉伸变形→无应力t2—t3Ⅰ部分弹性→拉应力→弹性拉伸变形→残余拉应力

Ⅱ部分弹性→压应力→弹性压缩变形→残余压应力（a）（b）（c）结论：厚壁处在冷却后期（弹性阶段）收缩滞后于薄壁部分，因而在冷却后期产生残余拉应力；而薄壁部分在冷却后期收缩已基本结束。因而受到厚壁部分收缩时施与的压应力。具有拉应力的部分有压缩变形的趋势，而具有压应力的部分有拉伸变形的趋势。红色虚线为自由变形的位置，红色粗实线为实际变形的位置框形铸件热应力见动画yingli[1]见动画suokong防止减小各部分温差，采用同时凝固的原则（见动画tongshi）。缓慢冷却铸件结构均匀。

问题：同时凝固的优缺点？为什么灰铸铁和锡青铜适用于同时凝固的原则？（2）机械应力产生：固态收缩受到铸型（芯）的机械阻碍而产生。特性暂时性拉应力、剪切应力。危害与热应力厚大部分应力方向相同，在共同作用下，促进厚大部分裂纹。防止降低铸件的收缩阻力，提高型（芯）的退让型。3.2铸件的变形与防止产生原因内应力造成铸件不稳定，通过自发变形减缓。变形方向残余拉应力→压缩变形残余压应力→拉伸变形综合作用的结果T形杆发生了弯曲变形！变形的预防设计合理的铸件结构（均匀、对称）。采用同时凝固的原则。预先在模样上设计反变形量。精加工前时效处理。3.3铸件的裂纹与防止原因：铸造内应力超过强度极限。类型：热裂、冷裂。（1）热裂：特征：短、宽、曲、不规则、表面氧化。

热裂产生：高温下（凝固后期）产生，合金形成完整骨架，但晶粒间尚有液相，强度、塑性低。影响因素结晶温度范围（钢、可铁、铸铝易产生）。合金中的S形成低熔点共晶体。铸型的退让性（采用有机粘结剂、加锯末等）。液相（2）冷裂特征：直、细、连续、表面干净。冷裂冷裂产生：在弹性阶段→内应力→裂纹。影响因素及防止：铸件内应力。合金的塑性。钢铁中的含磷量。钢>0.1%，铸铁>0.5%。

第4节铸件中的气孔气孔

气体在铸件中形成的空洞。气孔的危害

减小承载面积；

局部形成应力集中；

渗漏。分类（按气体的来源）

析出性气孔、反应性气孔、侵入性气孔。析出性气孔原因

金属液在冷却和凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及从液面排除而产生的气孔。固态溶解度液态溶解度特征

细小、密集、大面积分布在高温区域、呈园、椭圆、裂纹多角形、内壁光滑。防止或减少析出性气孔的措施浇注前对金属液进行“除气处理”，以减少金属液中的气体含量；对炉料要去除油污和水分；浇注时浇包等工具要烘干；铸型中的水分不要过高等。浇包要烘干侵入性气孔原因

砂型表面聚集的气体侵入液体金属界面气体压力

热作用→气体→体积膨胀→界面气压增大→侵入金属液→气泡→逸出/气孔形态

尺寸大、表面氧化、孔壁光滑、呈梨形、椭圆形分布在铸件表面或内部。防止：减少发气量，提高排气能力。侵入性气孔反应性气孔原因