铸造工艺基础知识及理论

金属液态成形（铸造）工艺工艺基础铸件生产铸造材料铸造工艺1234工艺性能工艺方法1.

金属液态成形（铸造）工艺基础什么是金属的液态成形:金属的液态成形的方法:

金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）.其中砂型铸造是最基本的液态成形方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%以上.特种铸造较适用于大批量生产，应用范围逐渐增加。将熔炼好的液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦称铸造.适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯1成本低，原材料来源广，价格低廉,一般不需要昂贵的设备3对于某些塑性很差的材料(如铸铁等)是制造其毛坯或零件的唯一成型工艺4对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制21.

金属液态成形（铸造）工艺基础液态成型的优点1.

金属液态成形（铸造）工艺基础液态成型的缺点工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制1液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差2液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定3由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低412341.

金属液态成形（铸造）工艺基础液态合金的工艺性能液态合金的工艺性能表征为液态合金的铸造性能通常是指合金的流动性、收缩性吸气性及偏析等性能合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据1.

金属液态成形（铸造）工艺基础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的概念:充型能力不足浇不足冷隔夹砂气孔夹渣充型能力的决定因数合金的流动性铸型性质浇注条件铸件结构等合金的充型能力测试合金充型能力的方法:

如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好几种不同合金流动性的比较*铸钢的流动性*铸铁的流动性合金流动性对充型能力的影响合金流动性的决定因数

合金的种类:

合金不同流动性不同

化学成分：同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不同。

结晶特性:

恒温下结晶，流动性较好；两相区内结晶，流动性较差浇注条件对充型能力的影响浇注条件浇注温度充型压力浇注系统浇注温度越高，液态金属的粘度越小，过热度高，金属液内含热量多，保持液态的时间长，充型能力强。液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大,充型能力越强。浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。铸型条件对充型能力的影响铸型蓄热系数:即从金属中吸取热量并储存的能力铸型温度(不能过高)铸型的发气和透气能力：铸型发气能力过强,透气能力又差时,若浇铸速度太快,则型腔中的气体压力增大，充型能力减弱。2.铸件的生产—液态金属的凝固与收缩铸件的凝固

在铸件的凝固过程中，截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。

凝固方式有：

逐层凝固糊状凝固中间凝固2.铸件的生产—影响凝固的主要因素*合金的结晶温度范围：

合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度：

在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区的宽窄取决于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，则其凝固区相应由宽变窄。2.铸件的生产—合金的收缩合金的收缩的过程:

合金从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给液态成形工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松、裂纹、变形等）。合金收缩的三个阶段液态收缩凝固收缩固态收缩合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶固态收缩裂纹变形应力线收缩2.铸件的生产—合金的收缩2.铸件的生产—影响收缩的因素铸型条件铸件结构浇注温度化学成分(c含量)合金收缩不确定要消除这些缺陷就要找出产生缺陷的影响因素合金收缩铸造缺陷三个重要缺陷！2.铸件的生产—缩孔的形成缩孔的形成:

纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金,浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.2.铸件的生产—缩松的形成缩松的形成原因:

铸件最后凝固的收缩未能得到补充，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。结论：纯金属、共晶成分（逐层凝固）和凝固温度范围窄的合金易产生缩孔凝固区域较宽（糊状凝固）的合金易产生缩松定向凝固原则是让铸件远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。原则合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。消除缩孔和缩松的方法A等温线法B内切圆法判断缩孔出现的方法2.铸件的生产—缩孔与缩松3.铸件的生产工艺

手工造型

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消失模铸造液态成型工艺砂型铸造特种铸造

整模造型

分模造型活块造型三箱造型

挖砂造型

刮板造型机器造型砂型铸造的工艺设计铸造工艺图的绘制分型面的选择工艺参数的确定浇注位置的确定3.铸件的生产工艺—砂型铸造

砂型铸造的工艺设计铸造工艺图的绘制分型面的选择工艺参数的确定选择原则应保证模样能顺利的从铸型中取出应尽量减少分型面的数量应尽量使分型面是一个平直的面应使铸件的全部或大部分置入同一砂箱应尽量使型芯和活块的数量减少工艺参数的确定加工余量、收缩率、拔模斜度、铸造圆角、型芯及型芯头4.铸件的材料分类铸件包括：铸铁、铸钢、铸铜、铸铝……,由于铸铁材料(包括灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁)具有优良的铸造性能，且资源丰富，冶炼方便，价格低廉，铸铁件占液态成形件中相当大的份额。

铸铁：铸铁不是纯铁，它是一种以Fe、C、Si为主要成分且在结晶过程中具有共晶转变的多元铁基合金。化学成分一般为：C2.5％—4.0％、Si1.0％一3，0％、P0.4%～1.5％、S0.02％—02％。为了提高铸铁的机械性能，通常在铸铁成分中添加少量Cr、Ni、C、Mi等合金元素制成合金铸铁。

铸造铝合金:成分在D点以右的合金，存在共晶组织，塑性较差，不宜压力加工，但流动性好，适宜铸造。铸铁件生产碳在铁碳合金中的存在形式有：渗碳体和石墨根据碳在铁碳合金中的存在形式铸铁可以分为：白口铸铁：莱氏体+二次渗碳体＋珠光体

灰口铸铁：基体+石墨麻口铸铁:莱氏体+二次渗碳体＋珠光体

+石墨重点内容：灰口铸铁特点石墨化生产工艺4.铸件的材料分类4.1铸铁成分与组织特点铸铁通常是C%=2.5%~4.0%的铁碳合金。

铸铁与碳钢相比较，其化学成分中除了有较高的C、Si含量外（Si1.0％一3.0％），还含有较高的杂质元素Mn、P、S，在特殊性能的合金铸铁中，还含有某些合金元素。所有这些元素的存在及其含量，都将直接影响铸铁的组织和性能。

由于铸铁中的碳主要是以石墨（G）形式存在的，所以铸铁的组织是由金属基体和石墨所组成的。铸铁的金属基体有珠光体、铁素体和珠光体加铁素体三类，它们相当于钢的组织。因此，铸铁的组织特点，可以看成是在钢的基体上分布着不同形状的石墨。

4.铸件的材料分类铸铁的分类根据石墨形状的不同，将铸铁分为以下四种：

（1）灰口铸铁:铸铁中的石墨形状呈片状。

（2）蠕墨铸铁:铸铁中的石墨大部分为短小蠕虫状

（3）可锻铸铁（展性铸铁):铸铁中的石墨是不规则团絮状。

（4）球墨铸铁：铸铁中的石墨呈球状。

此外，为了获得某些特殊性能，应使铸铁中的常规元素高干规定的含量，并且加入一定的合金元素，此称之为特殊性能铸铁。例如:耐磨铸铁、耐热铸铁和耐蚀铸铁等。

铸铁之所以用得如此广泛,是因为石墨的存在，石墨的存在，使铸铁具有铸钢所不具备的性能。铸铁的优点

良好的铸造性能，如流动性好、收缩小良好的切削加工性能；高的耐磨性；

良好的吸振缓冲性能；

低的缺口敏感性能。A.灰铸铁的性能石墨片越圆整、越细小、分布越均匀对基体割裂作用越小。4.铸件的材料分类—灰铸铁

灰口铸铁的组织是由钢的基体组织与片状石墨组成。钢的基体：铁素体、铁素体＋珠光体、珠光体，三种灰口铸铁：F灰口铸铁、F+P灰口铸铁、P灰口铸铁（如图所示）。其中珠光体灰口铸铁的强度最高，应用最广泛。铁素体基体组织铁素体基体+片状石墨

X100铁素体基体+片状石墨

X5004.铸件的材料分类—灰铸铁珠光体基体组织珠光体基体+片状石墨

X100珠光体基体+片状石墨X500铁素体+珠光体基体组织铁素体和珠光体基体+片状石墨

X100X5004.铸件的材料分类—灰铸铁牌号显微组织性能基体石墨HT100F+P粗片状铸造性能好，不用人工时效，减振性好HT150F+P较粗片状HT200P中等片状强度较高，耐磨耐热，铸造性较好，但要人工时效，减振性较好HT250细P较细片状HT300索氏体或屈氏体细小片状高强度，高耐磨性，白口倾向大，铸造性差，要人工时效（1）HT200、HT250、HT300多属孕育铸铁（2）牌号越高，铸造性能越差，强度越高（3）同一牌号，壁厚增加，抗拉强度下降说明：灰口铸铁的牌号如HT100,

表示Ф30mm试样的最小抗拉强度值100MN/m2灰口铸铁常见牌号组织4.铸件的材料分类—灰铸铁4.铸件的材料分类—灰铸铁灰铸铁的机械性能

灰铸铁的抗拉强度、塑性、韧性及弹性模量都低于碳素锈钢，如表所示。灰铸铁的抗压强度和硬度主要取决于基体组织。灰铸铁的抗压强度一般比抗拉强度高出三四倍，这是灰铸铁的一种特性。因此，与其把灰铸铁用作抗拉零件还不如做耐压零件更适合。这就是广泛用作机床床身和支柱受耐压零件的原因。4.铸件的材料分类—灰铸铁灰口铸铁的热处理（1）、去应力退火目的：消除铸造内应力，防止铸件开裂惑减少变形（2）、改善切削加工性的退火目的：消除白口组织，改善切削加工性（3）、表面淬火

目的：提高表面的硬度和耐磨性，其方法有火焰淬火、感应淬火和电接触淬火。热处理只能改变铸铁的基体组织，不能改变石墨的形态和分布。——效果不大

铸铁的石墨化：碳以石墨的形式析出的过程。通常视石墨化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。灰铸铁的基体通常有：*铁素体灰铸铁B.石墨形态对铸铁性能的影响*铁素体—珠光体灰铸铁*珠光体灰铸铁4.铸件的材料分类—石墨石墨化

——

铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程，称为石墨化。石墨化程度

，G数量

，基体中P数量

所以，石墨化程度决定了铸铁的组织：石墨形态对铸铁性能的影响石墨相当于钢基体上的裂纹或空洞，减少基体有效截面积，引起应力集中。片状石墨引起严重应力集中，团絮状和球状作用轻。孕育处理后，石墨片细化，割裂作用减轻，强度提高。蠕墨铸铁，端部钝，强度、塑性提高。可锻、球状铸铁中石墨对基体裂作用小，强度、塑性提高4.铸件的材料分类—石墨化

C.影响石墨化的因素：Fe-C合金的五大元素：C,Si,P,Mn,S化学成分C是G的形成元素，C%

，

G化；碳当量：CE=C+1/3(Si+P)原因：Si能抑制Fe3C的形成，促进Fe3C分解

Si:

是强烈促进G化的元素，Si%

,G化。

合金元素Cr、W、Mo、V

与C亲合力强，阻碍石墨化合金元素Al、Cu、Ni、Co增加Fe自扩散能力，促进石墨化。S:

是阻碍G化的元素，S%

,G化

Mn：Mn<0.2~0.4%时，Mn+S

MnS可起除S作用，G化；Mn>0.2~0.4%时，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C,G化。P：对石墨化影响不明显。4.铸件的材料分类—石墨化冷却速度(V冷)G化是靠原子扩散进行的，需要温度、时间V冷

，G化

，Fe3C量

，G片细小、量少。

V冷

，G化停止，无石墨形成，C

Fe3C，即形成白口铸铁。4.铸件的材料分类—石墨化

C.影响石墨化的因素：

为了细化灰铸铁的组织，提高铸铁的机械性能，并使其均匀一致。通常在浇注前往铁水中加和少量强烈促进石墨化的物质，即(孕育剂）进行处理，这一处理过程称为孕育处理。经过孕育处理的灰铸铁称孕育铸铁。

常用的孕育剂有硅铁、硅钙、稀土合金等。孕育剂的加入量大致在0.2％～0.5％，应视铸件厚薄而定。孕育剂的作用是促使石墨非自发形核，因而孕育铸铁的金相组织是在细密的珠光体基体上，均匀分布细小的石墨，其抗拉强度可达300一400MPa，硬度可达HB170—270，αk可达3～8J／cm2、延伸率达0.5％左右，都比普通灰铸铁高。

4.铸件的材料分类—孕育D.灰铸铁的孕育处理改善基体组织改变石墨形态、数量、大小和分布灰铸铁的孕育处理是提高和改善灰铸铁的性能途径的有效的方法。灰铸铁的孕育处理方法将熔炼出的铁水在浇铸前加入质量分数为0.25%~0.60%的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用显著提高，从而得到在细珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织。常用的孕育剂是含Si量为75%的硅铁。选用碳、硅量低的铁水

原铁水含碳量越低，石墨越细小，铸铁的强度、硬度就越高。目的4.铸件的材料分类—孕育D.灰铸铁的孕育处理

向高温铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，直接得到球状石墨的铸造合金。球化剂：金属镁或稀土镁孕育剂：含Si量为75%或95%的硅铁4.铸造—球墨铸铁件的生产

石墨呈球状的铸铁称为球墨铸铁，简称球铁。球铁是用灰口成分的铁水经球化处理和孕育处理制得的。球墨铸铁件主要特点：石墨成球状，对基体的割裂作用已降到最低，力学性能比灰铸铁有显著提高。可通过热处理改善金属基体，进一步提高性能。这一点与灰铸铁不同。球墨铸铁较灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷。石墨析出时，发生膨胀，应适当提高铸型刚度。球墨铸铁件生产中应注意的问题控制原铁液的化学成分，与一般灰铸铁基本相同；具有高C高Si,中Mn,低S、P特点。较高的铁液温度，以防止球化处理、孕育处理后铁液温度过低，产生浇不足等缺陷球化处理、孕育处理。4.铸造—球墨铸铁件的生产球铁的组织和性能特点

球墨铸铁中的石墨呈球状，它对基体的破坏作用小，基体强度利用率可达70％－90％。另外。球铁可通过热处理充分发挥基体的性能潜力，所以球铁具有较好的机械性能。抗拉强度最高可达150x107N/m2，延伸率可达25%。另外，它的屈强比很高，αk可达8-15J／cm2。4.铸造—球墨铸铁球墨铸铁

组织与性能：(F,F+P,P)+球状G

G球