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1、第二篇 铸 造,铸造工艺基础常用合金铸件的生产砂型铸造特种铸造铸件结构设计讲授学时：10学时,铸造概念：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，以获得毛坯或零件的生产方法，称为金属的液态成形。即铸造。液态金属浇注过程。砂型铸造工艺演示。,铸造是历史最为悠久的金属成型方式，直到今天仍然是毛坯生产的主要方法。机器中铸件所占比例很大。铸造生产在机械制造业中的地位：视频。,铸造生产的优点：1）铸件可以生产形状复杂，特别是内腔复杂的毛坯；铸件的轮廓尺寸可从几毫米至几十米；重量可从几克至几百吨。2）适应范围广。铸造可用各种合金来生产铸件。3）铸造批量不限。从单件、小批，直到大
2、量生产。4）铸件与零件的形状、尺寸很接近，因而铸件的加工余量小，可节省金属，减少切削加工量，从而降低制造成本。5）铸件所用的原材料大部分来源广泛、价格低廉，还可以使用废料和废零件；设备费用较低，因此铸件的成本低廉。铸造生产的缺点：1）工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制。2）液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差。3）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。4）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能力低。,金属液态成形可分为：砂型铸造和特种铸造。1、砂型铸造：是最基本的工艺方法，占铸件的90%。2
3、、特种铸造方法：熔模、金属型、压力、离心铸造等。,第一章 铸造工艺基础,液态合金填充铸型的过程-充型。液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力-液态合金的充型能力。,第一节 液态合金的充型,学习目的及要求：1.掌握影响充型能力的各种因素；2.了解凝固与收缩、内应力、变形和裂纹产生的原因及防止措施；3.了解铸件质量控制的方法。重点及难点：1.充型能力；2.内应力的形成。铸造生产过程复杂，影响铸件质量的因素颇多，废品率一般较高。铸造废品的产生不仅与铸型工艺有关，还与铸型材料、铸造合金性能、熔炼、浇注等密切相关。,充型能力不足可能有,浇不足,冷 隔,夹 砂,气 孔,夹 渣,一、合金的
4、流动性：液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性，是合金主要铸造性能之一。合金的流动性越好，充型能力越强，越便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。,充型能力的决定因素：,合金的流动性铸型性质浇注条件铸件结构等,充型能力不足原因：在液态合金的充型过程中，有时伴随着结晶现象，若充型能力不足，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。,流动性衡量方法：液态合金的流动性通常以“螺旋形试样”长度来衡量。测试合金充型能力的方法：将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型
5、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。,试验得知：灰口铸铁，硅黄铜（长度l1000mm）流动性最好。铸钢（长度l200mm）的流动性最差。显然，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。影响合金流动的性因素很多，但以化学成分的影响最为显著。,共晶合金：结晶是在恒温下进行的，液态合金从表层逐层向中心凝固，由于已结晶固体层表面比较光滑，对金属液的流动阻力小，故流动性最好。其它成分的合金：一定温度范围内逐步凝固和结晶是同时进行的，由于初生的树枝状晶体使固体层表面粗糙，所以合金的流动性变差。显然结晶间隔越小，则流动性越好。铸件晶粒组织 由图亚共晶铸铁随含碳量的
6、增加，结晶温度范围减小，流动性提高。实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。,合金流动性对充型能力的影响合金流动性的决定因数：1）合金种类:合金不同，流动性不同2）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。3）结晶特性：恒温下结晶，流动性较好；两相区（2区）内结晶，流动性较差。,二、浇注条件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
7、越差。,对薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防浇不足或冷隔缺陷。但浇注温度过高，容易产生缩孔缩松等缺陷，故保证充型能力前提下，不宜过高。,（2）铸型温度：铸型的温度 充型能力铸型可先预热。,（1）铸型材料：导热系数和比热容激冷能力充型能力,（3）铸型中气体：砂型铸造产生大量气体，排气能力差，型腔中气压流动阻力充型能力，所以铸型要留出排气口。,三、铸型填充条件铸型充填条件对充型能力的影响：影响合金在型腔内流动的时间和速度。影响因素有：,四、铸件结构条件铸件结构对充型能力的影响。折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或模数，是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越
8、好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。(大平面铸件不易成形)复杂程度：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。,第二节 铸件的凝固与收缩浇入铸型中的金属液在冷凝过程中，其收缩得不到补充，铸件将产生缩孔和缩松缺陷。为防止缺陷应合理控制铸件凝固过程 一、铸件的凝固方式 铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区，即固相区、凝固区和液相区。对铸件影响较大的是凝固区的宽窄。凝固方式有：1）逐层凝固-纯金属或共晶合金在凝固中不存在液、固并存的凝固区。特点：合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松。,2）糊状凝固-合金的结晶温度范围很宽，则整个断面为液、固并存的凝固区。特点：难以获得结晶紧实
9、的铸件。3）中间凝固-多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间。,二、铸件合金的收缩合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩-收缩是多种铸造缺陷产生的根源。(如：缩孔、缩松、裂纹、变形等)。,影响凝固的主要因素1）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。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。,合金的收缩经历有三个阶段：1）液态收缩、2）凝固收缩、3）固态收缩,合金收缩,固
10、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,体积的收缩，体积收缩率表示,铸件尺寸上的收缩，线收缩率表示,合金的收缩过程：,三、铸件的缩孔与缩松1、缩孔与缩松的形成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。按照空洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。1）缩孔：集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞，称为缩孔。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙。通常隐藏在铸件内层，但有时表面有凹坑。动画演示。收缩率,浇注温度,铸件愈厚，则缩孔。,2）缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔，
11、称为缩松。缩松分为宏观缩松和纤维缩松。动画演示缩松的形成原因：铸件最后凝固的收缩未能得到补足，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。动画凝固合金的缩孔和缩松的倾向：（1）逐层凝固合金-缩孔倾向大，缩松倾向小(纯金属、共晶合金或结晶温度范围窄)；（2）糊状凝固合金-缩松倾向小，但极易产生缩松。,2、缩孔和缩松的防止缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还可以使铸件因渗漏而报废。因此，必须予以防止。防止原理：只要能使铸件实现“定向凝固”(即顺序凝固)，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件。定向凝固原
12、则：是铸件让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。,顺序凝固：动画演示定向凝固缺点：安放冒口和冷铁，耗费许多金属和工时，加大了铸件成本。同时，扩大了铸件各部分的温度差，促进铸件变形和裂纹倾向。,方法：在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口和增设冷铁等措施，动画演示。,第三节 铸造内应力、变形和裂纹,一、内应力的形成,可见，热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大、合金线收缩率越高、弹性模量越大，热应力越大。,1）热应力 由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引
13、起的。框形铸件热应力形成过程 固态金属在再结晶温度以上时，塑性状态，变形之后应力自行消除。再结晶温度以下时，弹性状态，变形之后应力继续存在。,铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力，内应力有时在冷却过程中暂存的，有时保留到室温，称残余内应力。,按照内应力的产生原因，可分为热应力和机械应力。,铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。,同时凝固原则：安放冷铁和浇注口位置的正确布置可实现同时凝固。但可能形成缩孔等。动画 为防止缩孔等缺陷安放冒口等。应用：同时凝固原则主要用于灰铸铁、锡青铜等。它们使缩孔缩松倾向小。,预防热应力的基本途径：是尽量减少各个部位的温度差
14、，使其均匀地冷却。热应力的消除方法：1）铸件的结构：铸件的结构尽可能对称；铸件的壁厚尽可能均匀可使铸件各部分能自由收缩。,2）工艺方面：采用同时凝固原则可减少铸造内应力，防止铸件的变形和裂纹缺陷，又可免设冒口而省工省料。其缺点是铸件心部容易出现缩孔或缩松。3）时效处理：人工时效；自然时效。,2）机械应力是合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的内应力。影响：机械应力会导致形成裂纹，应适时开箱加以解决。机械应力使铸件产生暂时性的正应力或剪应力，这种应力在铸件落砂后便可自行消失。,二、铸件变形与防止具有残余应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定状态。如图，厚受拉
15、，薄受压。,三、铸件裂纹与防止当铸造内应力超过金属的强度极限时，便将产生裂纹。1、热裂：热裂是在高温下形成。特征：缝隙宽、曲折、缝内呈氧化。熱裂是在合金凝固末期的高温下形成。合金结晶温度范围愈宽，热裂倾向，铸型退让性热裂倾向。2、冷裂：冷裂是在低温下形成。特征：裂纹细小、呈连续直线状。冷裂常出现在形状复杂工件的受拉部位，应力集中处。塑性好-冷裂倾向小，反之，大。,可知，一般情况下铸件变形为：厚部、心部：受拉应力 出现内凹变形。薄部、表面：受压应力 出现外凸变形。为防止铸件产生变形，除在铸件设计时尽可能使铸件壁厚均匀、形状对称外，在铸造工艺上应采用同时凝固原则，以便冷却均匀。对于长而易变形的铸件，还可采用“反变形”工艺。,
