第6章 金属液态成形技术

第6章

铸造教学要求：

本章是材料成型的重要工艺，要求掌握：

1.

各种铸造方法的成形原理；

2.

铸件的工艺设计及结构设计；

3.

常用铸造合金的工艺特点及应用教学时数：5

6.1金属液态成型原理

6.1.1概述

1.铸造

铸造是把熔融金属浇铸到与铸件形状尺寸相适应的铸型内，凝固后获得铸件的成形方法。

2.铸造的分类砂型铸造金属型铸造压力铸造离心铸造熔模铸造特种铸造适于生产复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯；铸件大小几乎不受限制；成本低，原材料来源广泛，价格低廉,一般不需要昂贵的设备；对材料的适应性广，是脆性材料制造其毛坯或零件的唯一成型工艺。液态成形优点3、特点：铸造生产优缺点工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制；铸件内部组织的均匀性、致密性一般较差；铸件易出现缺陷，产品质量不够稳定；铸件力学性能比同类材料的锻件低。液态成形缺点3、特点：铸造生产的优缺点4.应用

形状复杂、尤其是箱壳体零件，性能要求相对较低的零件。6.2.1砂型铸造原理(P147)

6.2.1砂型铸造典型工艺过程

模样和芯盒的制作型砂和芯砂的配制造型制芯分模、合箱熔炼金属，浇注落砂、清理及检验6.2.1

、模样和芯盒的制作模样是铸造生产中必要的工艺装备，对于具有内腔的铸件，铸造时内腔由砂芯形成，砂芯由芯盒来制备

a.

制造模样和芯盒的材料：木材、塑料或金属。

b.

制造模样和芯盒的过程：设计铸造工艺图制造模样和芯盒

c.

设计铸造工艺图应考虑：（1）分型面的选择：取模方便，保证铸件质量（2）拔模斜度：便于取模方便，凡垂直分型面的表面，都做出

0.5~4°的拔模斜度（3）加工余量：铸件需要加工的表面，应考虑加工余量（4）收缩量：铸件冷却时会收缩，模样的尺寸应考虑收缩量的影响（5）铸造圆角：铸件各表面的转折处，都要做成过渡性的圆角，以利于造型和保证铸件的质量（6）芯头：有砂芯的砂型，必须在模样上做出相应的芯头铸造工艺图(用简明的工艺符号，把铸造工艺方案，工艺参数及各有关技术要求直接描绘到产品零件图)参照P1636.2.1

模样和芯盒的制作模样的形状与零件图不完全相同6.2.1

、型砂的制备型砂的组成：原砂、粘土和水有时还加入少量的煤粉、植物油和木屑。6.2.1

、造型（1）造型分为手工造型和机器造型（2）手工造型一般可分为整模两箱整模造型，两箱分模造型，三箱造型，挖砂造型以及活块造型。（3）造型的过程：造砂型扎通气孔开箱起模与合型浇注后落砂铸型装配图1.两箱整模造型(P148)型腔在同一砂箱中，不会产生错型缺陷，操作简单；适宜于一端为最大截面且为平面的铸件。联轴节铸件的两箱整模造型过程2.两箱分模造型模样在最大截面处分开，型腔位于上、下型中，操作较简单；适宜于最大截面在中部的铸件。套管铸件的分模两箱造型过程

3.三箱造型模样必须分开，便于从中型内起出模样，中型上、下两面都是分型面，且中箱的高度应与中型的模样高度相近。适宜于两端截面尺寸大于中间界面的铸件。4

、挖砂造型当铸件的最大截面不在端部，且模样又不便于分成两半时，常采用挖砂造型。5、活块造型当铸件的侧面有局部凸起阻碍起模时，可将凸起部分做成能与模样本体分开的活动块，为活块造型。6.2.1

、合型、合箱合型：将已制好的砂型和芯砂按照图样工艺要求装配成铸型的工艺过程：

①下芯

②

合型

③铸型的紧固6.2.1

、熔炼金属及浇注(P138)钢的熔炼：转炉、平炉、电弧炉、感应电炉等铸铁的熔炼：多采用冲天炉有色金属的熔炼：坩埚炉冲天炉转炉中频感应坩埚炉铸件的凝固方式4、合金的凝固特性

（1）逐层凝固（液固线界面平直，如共晶合金）

（2）糊状凝固（液固界面不平直，树枝晶长大）

（3）中间凝固6.1.2液态金属的充型

1.液态金属的充型能力

2、影响充型能力的因素（1）金属的流动性

是指金属液的流动能力或流动距离的长短。图6.2.螺旋形试样液态金属的充型能力是指金属液充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。

1）流动性的意义

2）影响流动性的因素（a）

金属本性

金属的熔点越高，流动性越好金属的结晶温差越小，流动性越好流动性不好，铸件易产生浇不足,冷隔,气孔,缩孔,缩松,夹杂.等缺陷●结晶温差----结晶开始温度与结晶结束温度之差（b）浇注条件（c)铸型条件浇注温度：越高，流动性越好，充型能力越好，但收缩大，吸气多；浇注压力：越大，流动性越好造型材料：导热性越好，充型能力越差型腔形状：越复杂，阻力越大，充型能力越差壁厚度：越薄，散热越快，充型能力越差设计铸件必须注意最小允许壁厚（p164)4.提高充型能力的措施：

①选择结晶温区小，熔点低的合金（纯金属或共晶合金）。

②

提高浇注压力，适当提高浇注温度。

③改进铸件结构设计，力求型腔形状简单、平直、壁厚适中。6.1.3合金的收缩

1、收缩及其影响因素

2、收缩过程及其铸件缺陷

液态收缩—凝固收缩—固态收缩

金属液体积减小,型腔内液面下降

缩孔、缩松内应力、变形裂纹合金从液态冷却到室温体积减小的现象。化学成分：铸钢＞铸铁＞有色金属；浇注温度：浇注温度越高，液态收缩越大铸件结构和铸型条件：铸件壁厚要均匀（1）缩孔(大而集中的孔洞)形成原因:铸件在凝固过程中，因合金的液态和凝固收缩，在铸件最后凝固处形成的容积大而集中的孔洞。

缩孔的形成过程示意图

b)c)图6.4缩松的形成过程示意图（2）缩松（细小而分散的孔洞）（3）防止缩孔和缩松措施：

1）

合理选择合金生产中尽可能选择共晶成分的合金或结晶温度范围窄的合金2）

控制凝固顺序设计铸件注意壁厚变化，实现厚实部分补缩薄壁部分，保证逐层凝固，使得补缩通道畅通。

3）

合理确定内浇道位置及浇注工艺内浇道应从铸件厚实处引入，尽可能靠近冒口或由冒口引入

4）

设冒口进行补缩冒口的作用：补缩、浮渣（集渣）、排气冒口铸件型腔6.1.5铸造应力铸造应力分为热应力和收缩应力（1）热应力

铸件各部位冷却温度不同时，以致出现不均匀的收缩所产生的应力

铸件的壁薄部分（或外层）冷却快残留压应力（-）铸件的壁厚部分（或内层）冷却慢残留拉应力（+）铸件固态收缩受阻产生的内应力（2）收缩应力

铸件收缩受铸型和型芯浇冒口等阻碍而产生的应力（收缩应力常表现为拉应力，且为临时应力）

机械应力示意图L收缩应力L收缩应力(3)铸造应力对铸件质量的影响

1）变形

结论：厚处散热慢，受拉应力呈凹变形。薄处散热快，受压应力呈凸变形。框形铸件的变形图T形梁铸钢件的变形a)b)(3)铸造应力对铸件质量的影响(3)铸造应力对铸件质量的影响

2）开裂当铸造应力超过金属的抗拉强度时，铸件便产生裂纹。

热裂纹：凝固末期的高温下形成的裂纹，特点是裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。冷裂纹：在低温下形成的裂纹，特点是裂纹细小、呈连续支线状，缝内呈金属光泽。（4）消除和减轻应力的措施

1）

力求同时凝固

工艺要点：热节放冷铁，浇口开在薄处缺点：铸件中心区易疏松应用要点：

用于收缩小的灰铸铁,结晶温度范围大的、不易实现冒口补缩的合金。2）改善铸件结构--力求对称，壁厚均匀，避免热节（铸造圆角），合理利用冒口和冷铁

3）及时落砂，清理

4）去应力退火--清理后550—600℃加热保温3—6小时。

金属液态成形件（即铸件）的工艺设计是根据铸件结构特点、技术要求、生产批量、生产条件等，确定铸造方案和工艺参数，并绘制铸造工艺图。其主要内容包括：选择分型面和浇注位置、浇冒口设计、砂芯设计、确定加工余量、收缩率和拔模斜度等。6.3金属铸件的工艺设计(P158)铸件工艺设计总原则：保证铸件的质量1.上厚下薄原则

a.薄壁部分应在底面或下部---提高压力避免浇不足。

b.厚大部分应放在顶部——便于收缩，以免缩孔。

图6.21机床床身的浇注位置图6.22吊车卷筒的浇注位置

a)不合理b)合理浇注位置选择原则2.

重要表面向下原则（2）铸件重要加工面放在型腔底面或侧面上面：浮渣、气孔、缩孔。下面：冷却快，凝固快，晶粒细，组织致密。图6.21机床床身的浇注位置图6.22吊车卷筒的浇注位置

a)不合理b)合理2.

重要表面向下原则

（1）铸件的大平面应朝下

——避免夹渣，夹砂，气孔等缺陷。图6.23大平面的浇注位置

a)拱起开裂b)夹砂结疤上面：烧烤严重，易产生浮渣、气孔、缩孔。下面：冷却快，凝固快，晶粒细，组织致密。a)b)

图6.24箱盖的浇注位置a)不合理

b)合理3.

铸件的薄壁部分应置于铸型的下部或垂直、倾斜位置

——避免薄壁部分置于铸型上部，产生浇不足、冷隔等缺陷。6.3.2.分型面的选择

分型面：上、下或左、右砂箱间的接触表面。图6.21机床床身的浇注位置图6.22吊车卷筒的浇注位置a)不合理b)合理（1）分型面最少；（2）型芯最少；（3）活块最少；（4）尽量使铸件放在一个砂箱内；（5）尽量把主要型芯放在下半型；（6）尽量选平直分型面。分型面一般应取在铸件的最大截面上，否则难以取出模样。简单地说，确定分型面应尽量做到：6.3.2.分型面的选择总则：在保证铸件质量前提下，便于造型操作。三个最少三个尽量确定分型面的原则

（1）力求减少分型面，尤其是力求整模造型确定分型面的原则（2）尽量减少型芯、活块的数量支架的分型方案

确定分型面的原则

（3）

尽可能将铸件放在一个砂箱内，或将重要加工面和加工的基准面放在同一砂箱中，以保证铸件的尺寸精度；管子塞头分型方案合理不合理起重壁的分型方案确定分型面的原则

4.尽量选平直分型面（便于造型操作和降低模样制作成本）6.3.3确定工艺参数

1.铸造收缩率

零件尺寸＜铸件尺寸＜模样尺寸——收缩

线收缩率=×100%。

影响因素:

a:铸件大小：铸件壁厚越大——收缩越大

b:材料收缩：铸钢＞有色金属＞灰铸铁

2.加工余量机械加工面都要留有加工余量。

a.加工面越大，加工质量越高，加工余量要越大；缺陷多的面（铸型朝上面）加工余量要更大。

b.材料不同，加工余量不同：

铸钢＞有色金属＞灰铸铁

c.孔径：3.拔模斜度（为了起模方便，平行为起模方向在模样或芯盒壁上设置拔模斜度）

木模为1—3°;

塑料和金属模为0.5—1°。4.铸造圆角（防止在交角处产生缩孔、裂纹以及防止形成粘砂、浇不足等缺陷）5.型芯设计（芯头设计应有利于型芯的定位、稳固、排气和从铸件中的清理。）型芯的数量：尽量少用型芯的形状：尽量简单、方便造芯芯头的结构：应有利于型芯的定位、稳固、排气和从铸件中的清理。

6.浇注系统的设计（中注式最多）7.铸造工艺图规范画法将上面确定的各项内容，用规定的颜色和符号描绘在零件的主要投影图上，得到铸造工艺图一般分型线、加工余量、浇注系统用红线来表示不铸出的孔、槽用红线打叉表示芯头边界用蓝色线表示芯用蓝色“×”标注实例见图6.336.1.6基于合金铸造性能的铸件结构设计(P153)总要求：避免铸造缺陷

缩孔缩松铸造缺陷变形开裂夹渣气孔等6.1.6、基于合金铸造性能对铸件结构的要求(P153)

总要求：避免铸造缺陷

六项避免

1.太薄-----浇不足、冷隔（ P153)

2.太厚---晶粒粗大、缩孔缩松(P154)

3.大面积水平面----不易充满(P155)避免

4.尖角和十字交叉---产生热节和应力集中(P154)

5.阻碍收缩-----出现裂纹

6.突然过渡-----出现应力集中(P154)

三项注意

内壁厚＜外壁厚

a.符合顺序凝固设计

倒锥状壁厚注意b.应用加强筋结构(p154)c.应用对称结构——减少变形.6.4特种铸造(P152)特种铸造金属型铸造熔模铸造实型铸造连续铸造离心铸造低压铸造压力铸造七种常见的特种铸造方法1、金属型铸造

金属型的结构金属型铸造的优缺点优点：金属型可实现“一型多铸”，提高生产效率，改善劳动条件铸件的尺寸精度和表面质量比砂铸显著提高，加工余量小冷却速度快，组织细密，铸件力学性能高缺点：金属型不透气且无退让性，铸件易产生浇不足、裂纹和气孔金属型冷却速度快，不宜制大型，形状复杂和薄壁零件金属型耐高温能力有限，一般铸造有色金属

金属型的结构

2.压力铸造

在高速高压（比压为5—150MPa)下将熔融金属液压入金属型并在压力下凝固获得铸件的方法。

冷压室卧式压铸机压铸工艺过程示意图压力铸造的优缺点优点：铸件尺寸精度高，表面粗糙度低可铸造薄壁精密件生产效率高，铸件力学性能好缺点：压射速度高，不易排气，压铸件不易进行热处理铸件凝固快，不易补缩，易产生缺陷压铸设备投资大，只适用大批量生产

3.低压铸造

在较低压力（0.02—0.06Mpa)…

低压铸造工作原理图低压铸造火车车轮示意图常见的压铸件4、熔模铸造InvestmentCasting

开式叶轮精密铸件

熔模铸造的优缺点优点：无分型面，铸件尺寸精度高，表面质量好可铸造形状复杂的零件能铸造各种合金，特别是高熔点难加工的合金缺点：工序复杂，生产周期长，铸件成本高铸件的质量受限制，只能生产中小型零件铸件冷却速度慢，铸件晶粒粗大5、离心铸造

离心铸造工作原理图金属液的自由表面在离心力作用下呈抛物面，主要生产高度小于直径的盘、环类铸件。铸铁管的离心铸造6、实型铸造（气化模造型或消失模铸造）采用聚苯乙烯发泡材料制得的模型代替木模造型，不用起模直接将金属液浇注到气化模上，使其燃烧、气化并形成空腔来容纳金属液，从而获得铸件的方法。实型铸造的优缺点优点：无分型面，铸件尺寸精度高，表面质量好增大铸件结构设计的自由度与熔模铸造比，简化工序，实现清洁生产六、常用铸造方法的比较

6.5

常用合金铸件的生产

6.5.1灰铸铁件的生产

1.考虑壁厚敏感性牌号的强度测定浇注成30mm

——拉伸例：HT200壁厚

2.5—10mmб>220MP10—20б≥220MP20—30б≥170MP30—50б≥160MP

根据性能要求及壁厚度选用牌号例如：铸件壁厚25mm要求б>220MP选用HT250

2、孕育处理及工艺要求

①铁水CE较低，C,2.8－3.2%,Si1.0～2.0%,控制石墨量

②孕育剂75%硅铁（锰铁）3－10mm块0.2－0.5%铁水量③浇注温度高：1400—1420℃，保证流动性

④浇注时间短：处理后15—20mm，避免孕育衰退6.5.2.可锻铸铁件的生产

组织：团絮状石墨

+钢的基体（F基/P基)1.先铸造白口坯件：

①

成分：低碳2.4—2.8%C,

低硅﹤1.4%Si

亚共晶成分，避免结晶石墨化

②

组织：

Ld+P+Fe3CⅡ

③

铸造工艺要点：

问题流动性差（亚共晶成分）没有石墨补缩

-----缩孔、缩松、裂纹

措施：暗冒口补缩，加冷铁——顺序凝固2.

石墨化退火

3.

应用：

KT

特别适用于薄壁零件

——不怕出现白口组织壁厚可薄到5—6mm。如汽车后桥壳体1400mm长，12—15mm壁厚白口铁可锻铸铁的石墨化退火工艺可锻铸铁的用途用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。可锻铸铁管件黑心可锻铸铁件6.5.3球铁件的生产

1.组织与性能：

性能：球状石墨割裂基体作用小，强度高，塑韧性大大改善，多冲抗力高。

珠光体QT,强度高，

QT600－3,QT700－2,QT800－2

铁素体QT,韧性高，

QT400－18,QT400－15,QT450－10

2.生产过程：①

控制成分（成分特点）

高碳

3.6–4.0%C

高硅

2.0－3.0%Si

接近共晶成分保证流动性，

低硫

﹤0.06%

硫—

反球化元素，避免球化不良

（4.6－4.7%CE）②

球化处理球化剂：