机械制造基础-铸造(本)

2025/2/191第二篇铸造第二篇铸造2025/2/192一、概述第二篇铸造铸造(Casting)：将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得一定形状、尺寸毛坯或零件的生产方法，称为铸造。历史悠久(4000年以上)水平高超：永乐大钟〔46.5t，23万字，含金18.6Kg，含银38Kg〕应用广泛：在机器设备中铸件所占比例很大。零件木模砂箱分模面两箱造型4第二篇铸造零件图铸造工艺图铸型型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理检验铸件浇注冷却凝固2025/2/195二、铸造特点第二篇铸造铸造的优点：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。〔3〕生产批量不受限制2．适应性强：3．本钱低：4．对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，液态成形是制造其毛坯或零件的唯一成型工艺。飞机叶轮2025/2/196第二篇铸造铸造的缺点：金属液态成形工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制；产品质量不够稳定。液态成形零件缺陷较多，易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷；产品的力学性能不是很高。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。劳动条件差，三高两弯。2025/2/197第二篇铸造2、特种铸造特点：铸件性能较好，精度低，效率高熔模铸造(investmentcasting)消失模铸造金属型铸造(permanentmoldcasting)压力铸造(diecasting)离心铸造(centrifugalcasting)三、铸造方法的分类1、型砂铸造(sandcasting)2025/2/198第一章铸造工艺根底第二篇铸造合金在铸造时的难易程度称为液态合金的铸造性能熔化时：不易氧化、吸气浇注时：易充满型腔凝固时：不易产生缩孔，化学成分均匀冷却时：不易变形、开裂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2025/2/199第一节液态合金的充型第二篇铸造充型：液态合金填充铸型的过程，简称充型。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。充型能力缺乏浇缺乏冷隔夹砂气孔夹渣充型能力的决定因数合金的流动性浇注条件铸型填充条件一、合金的流动性2025/2/1910第二篇铸造合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。出气口浇口杯

通常用螺旋试样来测试合金流动性的优、劣。将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的试样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好。合金的流动性好2025/2/1911形成轮廓清晰的薄壁复杂件易于夹杂、气体上浮易于补缩散热伴随结晶现象铸型对金属液的阻力型腔中气体的作用浇缺乏但是2025/2/1912影响流动性的因素第二篇铸造化学成分：C、Si含量↑；流动性↑Why？→成分共晶成分：恒温下结晶，流动性↑；其它成分：两相区内结晶，流动性↓.含C量：远离4.3%，流动性↓.合金元素：Si、Mn、S、P

↑流↓流去S—MnS—↓流↑熔点↑流2025/2/1913工艺条件凡↑流动阻力，↓V流、↑V冷→流动性↓1.铸型条件：外表粗糙度：外表粗糙度↑，↑流动阻力→流动性↓散热条件V冷不同：导热率↑→流动性↓〔金属、砂型铸造〕铸型中气体：气体↑，↑流动阻力→流动性↓产生原因：型腔中气体受热膨胀型腔中水分汽化其它有机物燃烧气体反压力浇注温度

T↑,t液↑→流动性↑，but收缩↑，缺陷↑直浇口高度高度↑，静压力↑

→流动性↑2025/2/19142、浇注条件第二篇铸造高温出炉，低温浇注铸件壁↓，V冷↑,t流动性↓→浇缺乏、冷隔→规定最小壁厚3、铸件结构合理选择化学成分〔共晶成分〕制定合理的熔炼工艺〔↑T熔〕制定合理的造型工艺〔排气，烘干，↑直浇口高度，内浇口截面积〕制定合理的浇注工艺〔高温出炉，低温浇注〕提高流动性方法2025/2/19152025/2/1916第二节铸件的凝固与收缩表层中心St铸件温度铸件的凝固过程：液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大是液相和固相并存的凝固区的宽窄。一、铸件的凝固方式逐层凝固

糊状凝固表层中心t铸件固相线液相线成分温度表层中心t铸件液固液液相线固凝固区第二篇铸造中间凝固二.合金的收缩定义：

铸件从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。收缩的概念合金的收缩经历三个阶段：

T浇

T始晶

T全晶

T室

液态收缩固态收缩凝固收缩缩孔、缩松内应力、变形、裂纹化学成分化学成分不同，C存在形式不同。影响收缩因素2025/2/1918工艺条件浇注温度铸件结构和铸型条件C、Si↑,石墨析出量↑→收缩↓Why?19缩孔┅大而集中的孔洞收缩对铸件质量的影响特点：形成：逐层凝固原因：液态收缩和凝固收缩逐层凝固易产生缩孔→最后凝固区〔热节〕液态收缩↑，凝固收缩↑→缩孔↑凝固等温线法内切圆法计算机凝固模拟法缩孔位置确实定2025/2/1920措施：设置冒口，实行顺序凝固冒口控制浇注温度：T浇↑，流动性↑，but收缩↑，缩孔↑薄壁→厚壁→冒口、冷铁（缩孔）

完好铸件。2025/2/1922解决缩孔的方法演示：冒口和冷铁冷铁热节第二篇铸造缩松┅分散细小的孔洞特点：形成：糊状凝固〔发生在最后凝固区〕原因：措施：凝固收缩糊状凝固〔凝固区域宽的合金〕易产生缩松，凝固区域↑，缩松↑合理控制凝固过程〔顺序凝固〕缩孔缩松来自外界：铸型、型芯〔机械应力〕阻碍铸造内应力、变形和裂纹定义：铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力〔铸件内部产生的应力〕。来自内部：V冷不同引起的收缩不一致〔热应力〕相变产生体积变化〔相变应力〕上型下型第三节液态成形内应力、变形与裂纹热应力的形成过程分析+—拉应力

-—压应力T0-T1均处于塑性状态T1-T2Ⅱ处于弹性状态，Ⅰ处于塑性状态T2-T3Ⅰ、Ⅱ均处于弹性状态内应力：薄压厚拉2025/2/1926第二篇铸造热应力的消除方法铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀产生原因：内应力>铸件屈服强度措施：加裕量法、反变形法铸造内应力、变形和裂纹2025/2/1928第二篇铸造1．热裂热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。

产生原因：内应力>铸件抗拉强度铸造内应力、变形和裂纹热裂的防止：①↓温差，热裂倾向小的合金。②↑铸型和型芯的退让性，↓收缩阻碍，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，防止热脆性。

2025/2/19292．冷裂冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。冷裂的防止：1〕使铸件壁厚尽可能均匀；2〕采用同时凝固的原那么；3〕对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。30第二章常用合金铸件的生产第二篇铸造第一节铸铁件生产

铸铁是含碳量大于2.11%〔通常为2.5%-3.5%〕的铁碳合金。〔C、Si、Mn、P、S〕渗碳体按C存在形式分类石墨白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁普通灰口铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁2025/2/19313.麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。2.灰口铸铁：碳大部或全部以粗片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。2025/2/19324．蠕墨铸铁：

其石墨呈蠕虫状。如图d所示。

abcd根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为：1．普通灰口铸铁：

简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。2．可锻铸铁：

其石墨呈团絮状。如图b所示。3．球墨铸铁：

其石墨呈球状。如图c所示。第二篇铸造2025/2/1933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。2025/2/1934铸铁的基体通常有：

铁素体灰口铸铁铁素体—珠光体灰口铸铁珠光体灰口铸铁影响石墨化的因素1、化学成分C、Si→强化石墨元素〔综合影响，改善铸铁的铸造性能〕第二篇铸造C、Si↑，石墨↑，片粗大→σb、HB↓C、Si↓→白口组织调制Mn→阻碍石墨化元素（0.6-1.2%），↑基体性能控制限制S（<0.15%）—阻碍石墨化元素（S↑白口倾向↑）FeS→热脆，↓流动性。P（<0.15%）—对石墨化无影响，↑P冷脆（P共晶，低熔点）2025/2/19352．冷却速度V冷↑，石墨来不及析出→Fe3C（白口）V冷↓，石墨析出并长大→粗片石墨（灰口）铸铁壁厚（mm）102030405060704.05.06.07.0（wC+wSi）%白口铸铁麻口铸铁灰口铸铁珠光体灰口铸铁珠光体+铁素体灰口铸铁铁素体灰口铸铁V冷铸件壁厚薄↑，V冷↑→白口厚↑，V冷↓→灰口铸型导热率（导热率↑，V冷↑→白口）金属型需预热调节1.组织与性能：2025/2/1936L→A+L快冷中冷慢冷基体组织石墨形态性能牌号P细小、均匀（少）σb、HB↑PP+F较粗大（较少）σb、HB较低P-FF粗大（多）σb、HB↓F二、灰口铸铁金属基体+G

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。但：机械性能↓，不宜锻造，焊接困难2025/2/1937普通灰口铸铁牌号与应用第二篇铸造2025/2/1938第二篇铸造2025/2/1939灰口铸铁的孕育处理

孕育处理

—熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。孕育铸铁：P细+G细片σb=250-350Mpa>HT，HB=170-270，δ≈0冷却速度对其组织和性能的影响很小——断面性能均匀孕育剂为含硅75%的硅铁，参加量为铁水重量的0.25-0.6%。第二篇铸造应用—承受冲击载荷或交变载荷不大，要求较高强度、硬度、耐磨性的重要件、复杂件，特别是厚大截面铸件〔床身，汽缸体、缸套及液压件等〕。熔铸特点—冲天炉熔炼，出炉温度较高〔不应低于1400℃〕，孕育处理后立即浇注，对型砂退让性要求高。〔铸造性能<HT〕组织：性能2025/2/1940三、可锻铸铁(韧性铸铁、玛铁或玛钢)KT300—06

可铁黑δσbPF+石墨（团絮）工艺特点：白口坯件+石墨化退火白口铸铁→→→920-980℃，保温10-20h→→→730℃保温20h

第一阶段石墨化→

↓↑↓

珠光体可锻铸铁↑铁素体可锻铸铁

第二阶段石墨化

Fe3C→C石团絮（C、Si↓）牌号组织：2025/2/1941黑心可锻铸铁(KTH,铁素体基体)珠光体可锻铸铁(KTZ)

白心可锻铸铁(KTB，很少用)分类2025/2/1942熔融特点：性能：应用：机械性能>HT(C石团，强度、硬度高，具有一定的δ→韧性材料)耐冲击、耐振动件〔汽车后桥壳，机床扳手〕；耐磨、耐蚀件、薄壁复杂小铸件2025/2/1943四、球墨铸铁球化处理工艺有冲入法和型内球化法。PF+石墨（球状）组织：工艺特点：在高C、Si的铁水中参加球化剂和孕育剂稀土镁合金Si、Fe块球状石墨分类：铁素体球铁〔塑性、韧性好〕+珠光体球铁〔强度、硬度高〕铁水合金球化剂硅铁粉铁水包出铁槽草木灰反应室铸件冒口积渣包性能特点：抗拉强度和屈服强度很高；疲劳强度较高；硬度和耐磨比其他铸铁都高。2025/2/1944性能45#锻钢（正火）P球铁（正火）抗拉强度690815屈服强度410640延伸率263疲劳强度150155硬度HB<229229-321力学性能最高以铁代钢2025/2/1945

牌号组织

用途举例QT400—18F+G球汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中低压阀门、管道。QT400—15F+G球QT500—05F+P+G球机座、传动轴、机车护瓦等。QT600—02P+G球曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸套、机床蜗轮、蜗杆等QT700—02P+G球QT800—02P+G球QT1200—01B下+G球汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、曲轴、凸轮等2025/2/1946性能：强度>其他铸铁和铸钢；韧性、塑性、焊接性能>HT应用：代替KT、HT制造性能要求高的零件，在一定程度上可代替铸钢熔铸特点：↑T浇—1450℃→收缩>HT┅冒口，↑补缩作用，↑内浇口截面积，防止缩孔、夹杂等缺陷2025/2/19472025/2/1948五、蠕墨铸铁：蠕虫状，坚强度蠕墨铸铁的性能特点：〔1〕力学性能介于灰铸铁球墨铸铁之间。〔2〕壁厚敏感性比灰铸铁小。〔3〕导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。〔4〕耐磨性优于灰口铸铁球墨铸铁。〔6〕工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削加工性能近于球墨铸铁。〔5〕减振性比球墨铸铁和灰口铸铁高。工艺特点：高Si、C的铁水进行蠕化处理+孕育处理蠕化剂：稀土硅铁或稀土硅钙合金牌号：RuT4202025/2/1949第三章砂型铸造一、砂型铸造是传统的铸造方法，适用于各种形状、大小及各种合金铸件的生产。二、学习要点：

铸造工艺图：是在零件图上用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形。最主要的几个组成因素是：分型面、型芯、铸造圆角、加工余量、拔模斜度，另外还有收缩率等。选择造型方法、浇注位置和分型面是关键。2025/2/1950为省却挖砂操作，在造型前特制一个底胎，然后在底胎上造下箱；底胎可多次使用，不参与浇注造型方法主要特点适用范围整模造型整体模，平面分型面，型腔在一个砂箱内；造型简单，铸件精度外表质量较好分模造型模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、下两个砂箱，造型简便挖砂造型假箱造型最大截面位于一端并为平面的简单铸件的单件、小批生产最大截面在中部，一般为对称性铸件，如套、管、阀类零件单件、小批生产分型面不是平面的铸件的单件、小批生产分型面不是平面的铸件的成批生产活块造型将铸件上阻碍起模的小局部做成活动局部。起模时先取出主体局部，再取出活动局部用于阻碍起模局部的铸件的单件、小批生产１、手工造型第一节造型方法的选择2025/2/1951造型方法主要特点适用范围刮板造型用刮板代替模样造型。节约木材，缩短生产周期，生产率低，技术水平高，精度较差两箱造型铸型由上型和下型构成，各类模样，操作方便三箱造型用于等截面或回转体大中型铸件的单件、小批生产最基本的造型方法。各种铸型，各种批量铸件两端截面尺寸比中间大，必须有两个分型面主要用于手工造型，具有两个分型面的铸件的单件、小批生产地坑造型在地面砂床中造型，不用砂箱或只用上箱用于要求不高的中、大型铸件的单件、小批生产续整模造型挖砂造型假箱造型活块造型刮板造型三箱造型2025/2/1958两箱造型成批、大量紧砂方法震压紧实抛砂紧实中、小型铸件大、中型铸件高压紧实复杂铸件射砂紧实大量生产小型简单铸件２、机器造型〔紧砂、起模由机械完成〕：2025/2/1959机器造芯2025/2/19602025/2/1961第二节砂型铸造工艺设计第二篇铸造铸造工艺图—将工艺设计的内容〔工艺方案〕用工艺符号或文字在零件图上表示出来所形成的图样。铸造工艺图的绘制分型面的选择浇注位置确实定工艺参数确实定设计要点2025/2/1962一、浇注位置的选择浇注位置——浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。根本原那么——“三朝下，两便于〞重要面、受力面朝下薄而大的平面朝下宽大平面朝下便于补缩，厚大部位朝上便于安放型芯2025/2/1963二、分型面的选择分型面的数量↓尽量使分型面是一个平直的面；尽量使铸件的全部或大局部置入下箱；活块的数量↓选择原则分型面——指铸型中相互结合的外表根本原那么：“三最少，两尽量〞；型芯↓基本要求：顺利取模（最大截面处）；a)不正确b)正确分型面的选取最大截面处2025/2/19651、应尽量减少分型面的数量〔一〕四箱三箱两箱三通铸件的分型方案2025/2/19661、应尽量减少分型面的数量〔二〕①②上下中用型芯减少绳轮铸件分型面2025/2/1967不合理合理以砂垛代替型芯2、应尽量减少型芯和型芯的数量2025/2/19683、应尽量使分型面是一个平直的面不合理合理假设分型面是一曲面，那么必须用挖砂造型起重臂铸件

2025/2/19694、应使铸件的全部或者大局部位于同一砂箱完全满足上面所有原那么是困难的结论：当质量要求很高时，应首先满足浇注位置的要求而一般铸件，那么以简化工艺、降低本钱为主。2025/2/19702025/2/1971三、工艺参数确实定1．机械加工余量和铸孔

加工余量：在铸件的加工外表上留出的准备切除的金属层的厚度。孔的铸出：一般大孔用下芯的方式铸出，而小孔那么用机加工完成。2．拔模斜度拔模斜度：为了在造型和制芯时便于起模，以免损坏砂型和型芯，在模样、芯和的起模方向留有一定的斜度。影响因素：立壁高度、造型方法、模型材料等；一般外壁：15`~3˚，内壁：3~10˚。HT铸最小尺寸：30~50mm，成批：15~30mm，大量：12~15mm，不必加工的孔无论大小都铸出。ZG：>60-802025/2/19723．铸造收缩率合金收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构、尺寸等因素。L模样-L铸件K=×100%L模样合金种类自由收缩受阻收缩灰口铸铁1.00.8碳钢1.6-2.01.3-1.7锡青铜1.41.22025/2/19734.型芯头型芯头的作用:是型芯的定位、支撑和排气的局部，设计时需考虑：保证定位准确、能承受砂芯自身重量和液态合金的冲击、浮力等外力的作用，浇注时砂芯内部产生的气体能顺畅引出铸型等。2025/2/19742025/2/1974支座支座的铸造工艺图综合分析举例

原那么：外形设计应便于起模，简化造型工艺2025/2/1975第四章型砂铸件的结构设计第二篇铸造第一节铸件结构与铸造工艺的关系

实例分析：1.铸件的外形设计a．防止外部侧凹、凸起，不阻碍起模；2025/2/1976No2025/2/1977b．尽量使分型面为平面；c．凸台和筋条结构便于起模；2025/2/1978d．垂直分型面上的不加工外表最好有结构斜度；a．尽量不用和少用型芯；2.铸件的内腔设计2025/2/1979芯撑b．便于型芯的固定、排气和清理。2025/2/1980在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。在砂型铸造条件下，临界壁厚≈3×最小壁厚

2．铸件壁厚应均匀、防止厚大截面第二节铸件结构与合金铸造性能的关系一、铸件壁厚的设计1．合理设计铸件壁厚

2025/2/1981不合理合理二、铸件壁的连接2025/2/19821．铸件的结构圆角2．防止锐角连接3．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡4．减缓筋、辐收缩的阻碍2025/2/1983实例分析：改进后的交错接头或环状接头，其热节均较改进的小，且可通过微量变形来缓解内应力，抗裂性能均较好。2025/2/1984不合理合理为防止某些细长或平板类易产生变形的铸件产生翘曲，应将其截面设计为对称结构。2025/2/1985第二篇铸造

特种铸造金属型铸造离心铸造压力铸造熔模铸造消失模铸造为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的根底上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。常见的特种铸造方法第五章特种铸造86模样材料：蜡基模料树脂〔松香〕材料铸型材料：起粘附作用的涂料起支撑作用的撒砂材料第一节熔模铸造87蜡模制造生产工艺过程结壳脱蜡焙烧、造型和浇注落砂和清理压型蜡模压制浸涂料撒砂硬化干燥处理化学硬化热水法高压蒸汽法耐火材料粘结剂加热800~1000°C焙烧600~700°C浇注打碎型壳落砂去浇口、毛刺清理蜡模组装88熔模铸造2025/2/1989与砂型铸造方法比照，熔模精密铸造具有：1.铸件尺寸精度高，外表粗糙度值低，减少切削加工量，甚至无须切削加工。2.可以铸造薄壁件及外形复杂重量很小的铸件，带有精细的图案、文字、细槽和弯曲细孔的铸件。3.可铸造高熔点及难切削的合金4.既可成批生产，也可单件生产5.本钱高，生产周期长2025/2/1990第二节金属型铸造又称硬模铸造，将液体金属浇入金属铸型，获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用屡次。金属型铸造：组合金属型——垂直分型结构〔铸造铝活塞〕典型结构：铸铁、铸钢2025/2/1991金属型铸造2025/2/1992金属型铸造工艺1.喷刷涂料作用：防止金属液和型腔直接接触减缓铸件冷却速度有一定排气能力2.预热铸铁