第一章铸造工艺基础选编课件

第一章铸造工艺基础第一章铸造工艺基础什么是液态成型（铸造生产）定义：将液态金属浇注到与零件形状、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。什么是液态成型（铸造生产）定义：将液态金属浇注到与零件形状、铸造业发展历史悠久、辉煌司母戊大方鼎：重875Kg，外型尺寸1.33m×0.78m×1.10m是迄今世界上最古老的大型青铜器编钟：战国时期楚国的乐器，音质很好，音阶准确，至今仍可演奏乐曲。铜车马：出自战国时期的秦国。由3462个铸件组成，总重量达1241公斤铸造业发展历史悠久、辉煌司母戊大方鼎：重875Kg，外型尺我国铸件产量从2000年起超越美国位居世界第一。铸件生产国可分为两类：一类是发展中国家，虽然产量大，但铸件附加值低，小企业多，从业人员队伍庞大，黑金属比重大。一类是发达国家，如美国、日本及欧洲一些国家等，他们采用高新技术主要生产高附加值铸件。在机械装备中，铸件占整机重量的比例很高：机床、重型机器、内燃机中：铸件占70％～90％压气机、风机占60％～80％拖拉机占50％～70％汽车占20％～30％农业机械占40％～70％在一般的机器设备中，铸件占机器总重量的45%～90%现状我国铸件产量从2000年起超越美国位居世界第一。铸件生产国（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。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。（1）材料来源广；铸造生产的特点1．可生产形状任意复杂的制件合金铸造性能合金在铸造成形时获得外形准确、内部健全铸件的能力。定义影响因素合金的流动性凝固特性

收缩性

吸气性

合金铸造性能合金在铸造成形时获得外形准确、内部健全铸件的能力充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。

１、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铸造工艺特点：影响充型能力的因素充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。１、0.45%C铸钢：200出气口浇口杯4.3%C铸铁：18000.45%C铸钢：200出气口浇口杯4.3%C铸铁：18合金造型材料浇注温度(ºC)螺旋线长度(mm)铸铁ωC+Si=6.2%砂型13001800ωC+Si=5.2%砂型13001000ωC+Si=4.2%砂型1300600铸钢ωC=6.2%砂型1600100

砂型1400200锡青铜ωSn=9～11%砂型1040420ωZn=2～4%砂型1040420硅黄铜砂型11001000铝合金金属型(300ºC)680～720ºC700～800镁合金砂型700400～600常用铸造合金的流动性合金造型材料浇注温度(ºC)螺旋线长度(mm)铸铁ωC+Si出气口浇口杯PbSb20406080204060800流动性（cm）100200300温度（℃）0出气口浇口杯PbSb20406080204060800流动性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（℃）0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（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。

２、浇注条件３、铸型条件（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。（3）浇注系统的的结构浇注系统的结构越复杂，流动阻力２、（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）铸型的排气能力（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。４、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。（2）铸型温度铸型温度越高，液态金属与铸型的温差（3）（二）液态金属的凝固特性铸件的凝固方式

1）逐层凝固2）体积凝固

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（二）液态金属的凝固特性铸件的凝固方式1）逐层凝固2）（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大，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S2T1T2T浇T液T固T室（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1.收缩的概念及表示（三）合金的收缩性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。1）收缩合金从液态冷却至室温的过程中，体积或尺寸减小的现象。它是金属固有的物理性质。2）表示1.收缩的概念及表示（三）合金的收缩性体收缩率是铸件产生缩（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液体积缩小表现为型腔内液面的降低；浇注温度越高，过热度越大，液态收缩越严重高温出炉，低温浇注凝固温度范围越大，凝固收缩越严重3）收缩的三个阶段主要表现为外形尺寸的减小，一般用线收缩率表示产生应力、变形和裂纹等缺陷的主要原因（3）固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。T固—T2.影响收缩的因素：化学成分钢的收缩率最大，灰口铸铁收缩率最小（析出石墨产生体积膨胀抵消了部分收缩）浇注温度浇注温度越高，过热度越大，液态收缩率越大铸件结构与铸型条件：收缩的阻力来源于两方面：一是铸件壁厚不均匀；二是铸型和型芯对收缩的机械阻力。2.影响收缩的因素：化学成分收缩的阻力来源于两方面：１）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3.收缩对铸件质量的影响合金结晶范围窄合金结晶范围宽１）缩孔与缩松液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩（2)缩孔和缩松的危害与防止

防止措施：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”。危害：缩孔和缩松能减小铸件的有效面积，并在该片产生应力集中，降低机械性能；缩松还能使铸件渗漏。（2)缩孔和缩松的危害与防止防止措施：防止缩孔和缩松常用的顺序凝固顺序凝固是采用各种措施，使铸件从冒口到远离冒口之间的温度梯度逐渐递减，使远离冒口的地方先凝固，然后向冒口的方向顺序凝固。暗冒口冒口:铸型内存储供补缩铸件用熔融金属的空腔。同时还起排气和集渣作用。顺序凝固顺序凝固是采用各种措施，使铸件从冒口到远离冒口之间冒口和冷铁联合补缩冷铁热节在铸件的厚大部位放置冷铁，加快冷却速度。冒口和冷铁联合补缩冷铁热节在铸件的厚大部位放置冷铁，加快冷２）液态成形内应力、变形与裂纹

（１）液态成形内应力

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。按成因不同，分为：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。上型下型机械应力是暂时应力。2.相变应力冷却过程中，有些合金经历固态相变，比容发生变化。可能是暂时应力、也可能是永久应力（残余应力）。２）液态成形内应力、变形与裂纹（１）液态成形内应力铸件在3.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:热应力因塑性变形消除塑性状态弹性状态12+-12+-1212-+12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。3.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+-在热应力的作用下，铸件厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力。变形的结果是受拉应力的部位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸长变形，以使铸件中的残余应力减小或消除。凝固分三个阶段1、高温下无应力2、开始凝固时：薄的部分受拉，厚的部分受压，此时应力可通过塑性变形抵消。3、凝固结束时(２）铸件的变形与防止

+-在热应力的作用下，铸件厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力框形铸件热应力形成过程I、II杆固态冷却曲线弹性状态塑性状态铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的厚壁处或心部受拉应力、薄壁或表层受压应力，且随着铸件壁厚差的增大、各部分冷却速度差的不同、铸造合金线收缩率的提高、以及其弹性模量的增大，铸件的热应力增大。举例框形铸件热应力形成过程I、II杆固态冷却曲线弹性状态塑性状态防止变形的方法：2）使铸件壁厚尽可能均匀；3）采用同时凝固的原则；1）选用弹性模量小的合金；同时凝固示意图方法：内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处放置冷铁，以加快其冷却速度。注意：同时凝固不必设置冒口，节省材料，简化工艺，但会在铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷，所以一般只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。防止变形的方法：2）使铸件壁厚尽可能均匀；3）采用同时凝固反变形法在模样上预先作出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。4）采用反变形法。如图为床身铸件，其导轨部分较厚，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。反变形法在模样上预先作出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸(３）铸件的裂纹与防止

1.热裂纹热裂是铸件在凝固后期高温下沿晶界形成的裂纹。铸造内应力超过金属的抗拉强度时，铸件将产生裂纹。分为热裂纹和冷裂纹。宏观：断口有氧化色；裂纹短；缝隙宽(宽度0.05～0.5mm);

形状曲折微观：沿晶粒边界分布，沿晶（或晶间）断裂铸件热裂纹(３）铸件的裂纹与防止1.热裂纹热裂是铸件在凝固后期高影响热裂形成因素自线收缩开始温度至固相线之间的有效结晶区间愈小，则合金在此温度范围内的绝对收缩量愈小，铸件内产生的应力愈小，故合金形成热裂倾向性愈小。反之亦然。2.合金元素的种类1．铸造合金性质的影响促进结晶裂纹形成－－S，P，C，Ni抑制结晶裂纹形成－－Mn，Si，Ti，稀土元素.影响热裂形成因素自线收缩开始温度至固相线之间的有效硫和磷--最有害的杂质元素增大凝固温度区间极易偏析;形成多种低熔点共晶;热裂纹倾向↑

影响热裂纹的主要元素→加剧硫﹑磷及其他元素的有害作用。

脱硫作用+改善硫化物的形态→薄膜状改变为球状→提高金属的抗裂性。碳锰硫和磷--最有害的杂质元素增大凝固温度区间极易偏析;形成多种热裂的防止①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，避免生成FeS，防止热脆性。热裂的防止①尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。2.冷裂纹冷裂是铸件冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材料强度极限而引起的开裂。总是发生在冷却过程中承受较高拉应力的部位，特别是应力集中部位。壁厚不均匀、形状复杂的大型铸件容易产生冷裂纹。穿过晶内和晶界；裂纹细小；呈连续直线状；缝内有金属光泽或轻微氧化色。特征铸件尖角部位的裂纹2.冷裂纹冷裂是铸件冷却到弹性状态时，因局部铸造应力大于材冷裂的防止：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，避免生成Fe3P，防止冷脆性。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（四）铸件中的气孔液态合金中吸入了气体，若在其冷凝过程中不能逸出，或滞流在金属中，则在冷凝后将使铸件内形成气孔缺陷。按照气体的来源，分为侵入性气孔、析出性气孔、反应性气孔。1、侵入性气孔：主要是砂型和型芯中的气体侵入金属液中而形成的气孔。

防止途径：降低型砂及芯砂的发气量，增强铸型的排气能力。（四）铸件中的气孔液态合金中吸入了气体，若在其冷凝过程中不能2、析出气孔：形成原因：气体在液态合金中的溶解度较固态大得多，且随温度升高而加大。溶解的气体在冷凝过程中析出。特征：尺寸较小，分布面积广在铝合金中最多见，“针孔”缺陷。防止措施：“除气处理”；保证炉料洁净、干燥，严格遵守熔炼及浇注操作工艺。2、析出气孔：3、反应气孔：反应气孔是液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应产生气体而形成的。 冷铁气孔：Fe3O4+4C=3Fe+4CO↑3、反应气孔： 冷铁气孔：Fe3O4+4C=3Fe+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。液态成形件的质量与控制常见铸件缺陷及特征名称

铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、