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1、第二章 金属的凝固成形（铸造）,定义：将液态金属浇注到与零件的形状和尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却后得到坯料或零件的方法，称为液态凝固成形，或称为铸造成形方法。分类：砂型铸造（应用较广）、特种铸造,铸造特点,铸 造 优 点 1具有较强的适应性重量：几克几百吨尺寸：几毫米十几米壁厚：0.2mm1m结构：复杂外形、内腔材质：不限，特别是脆性材料2铸件成本低 原材料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，成本低,铸造特点,铸 造 缺 点 工序复杂，方法落后，铸件尺寸精度不高，表面质量难保证，铸件内部易出现气孔、砂眼、缩孔、晶粒粗大等现象。,1 金属的凝固特点,合金的铸造性能：金属
2、在由液态转变为固态的过程中，存在的一些与铸件质量相关的性能特点。一般指铸造过程中的流动性、收缩性、吸气性等工艺性能。,几个准备概念,充型：液态合金填充铸型的过程.充型能力：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浇不足：因液态金属充型能力不足而不能得到完整形状的铸件.冷隔：指铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。,本节三大内容,一、液态金属的流动特点二、合金的凝固特点三、合金的收缩特点,一、液态金属的流动特点 1.流动性,流动性:是描述液态金属流动能力的一个术语。流动性的高低主要取决于金属的结晶特点和物理性能。物质由液态转变为固态晶体时，
3、称为“结晶”。粘度的大小表示液体中发生相对运动的难易程度，粘度大，液体粘稠，相对运动困难，就很难形成晶体。,一、液态金属的流动特点 1.流动性,流动性对铸件质量影响：液态金属流动性越好，越有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除；易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行及时补缩；越容易充满铸型的型腔、得到轮廓清晰、健全完整的铸件；否则，铸件越容易出现冷隔或浇注不足的缺陷。,一、液态金属的流动特点2.影响流动性的因素,合金成分的影响 浇注温度和压力的影响铸型条件的影响,合金成分的影响,a.纯金属流动性好：一定温度下结晶，凝固层表面平滑，对液流阻力小。b.共晶成分流动性好：共晶成分的合金恒温凝固
4、，固体层表面光滑,且熔点低，过热度大。c.非共晶成分流动性差：结晶在一定温度范围内进行，非共晶成分的合金凝固时在两相区中生长出的大量枝状晶粒阻碍液体金属的流动。,浇注温度和压力的影响,1.浇注温度 t 合金粘度下降,流动性 t液态金属的过热度，充型能力 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔,晶粒粗大等,故不宜过高 结论：要在金属液体具有足够的充型能力的前提下，尽量降低浇注温度。,浇注温度和压力的影响,2 充型压力充型压力，液态合金在流动方向上所受的压力液体进入型腔的速度充型能力如 砂形铸造-直浇道,静压力.压力铸造,离心铸造等充型压力高.,铸型条件的影响,铸型结构：若不合理,如壁厚小，直浇口低,浇口
5、小等充型能力铸型导热能力：导热，金属降温快，充型能力；,铸型条件的影响,铸型温度：t，充型能力，如金属型预热铸型中气体：排气能力，充型能力，减少气体来源，提高透气性，少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜，减少流动阻力，有利于充型。,铸型条件的影响,结论：可通过改善铸型型腔的结构提高金属液的流动性及充型压力。,铸型条件的影响,提高直浇道高度改善型腔结构采用散热慢的铸型材质原理：都是使金属流动性增强，流动时间延长，增大充型压力，从而有利于充型能力的提高。,二、合金的凝固特点,铸件凝固过程中其断面上的三个区 固相区 固液共存区（通常称为凝固区）液相区,二、合金的凝固特点,对凝固区影响较大的是凝固区
6、的宽窄,依此划分凝固方式:1.逐层凝固 2.体积凝固 3.中间凝固,1.逐层凝固,纯金属或共晶成分合金恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度很窄，固液两相由一条界线清楚分开，随着温度下降，固相层不断增加，液相层不断减少，逐渐达到铸件中心。（图2-2a）,2.体积凝固,当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小时，在凝固某段时间内，铸件表面不存在固体层，固液共存的区域很宽，凝固区甚至贯穿整个铸件截面的凝固方式。或称为糊状凝固方式（先糊状，后固化。图2-2c）。,3.中间凝固,金属的结晶范围较窄，或结晶温度区间虽宽但铸件截面温度梯度大时，凝固区域的宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，
7、称该凝固方式为中间凝固方式，图2-2b。,影响凝固方式的主要因素,铸造合金的结晶温度区间宽窄和铸件截面的温度梯度大小是影响凝固方式的主要因素。,影响凝固方式的主要因素,结晶温度区间越小，凝固区域越窄，合金越倾向于逐层凝固。当合金的成分一定时，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度。温度梯度愈小，凝固区愈宽，合金越趋向于体积凝固。温度梯度越大，凝固区域越窄，合金越趋向于逐层凝固。,温度梯度的影响因素,合金性质铸型的蓄热能力浇铸温度等 合金的凝固温度越低，热导率越高，结晶潜热越大，铸型的蓄热能力越小，则铸件内部温度越趋于均匀，铸件截面的温度梯度越小。,三、合金的收缩特点,1.合金的收缩
8、2.影响收缩的因素3.收缩对铸件质量的影响及防止措施,1.合金的收缩,铸件在冷却过程中的收缩是合金的固有物理性质。即：液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体积和尺寸减少的现象。这是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因。,1.合金的收缩,从液态冷却到室温的过程中，金属要经历三个相互联系的收缩阶段：液态收缩 凝固收缩 固态收缩,1.合金的收缩,液态收缩：从浇铸温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。即：从金属液浇入铸型到开始凝固之前。液态收缩减少的体积与浇注温度和开始凝固的温度的温差成正比。,1.合金的收缩,凝固收缩：从凝固开始温度冷却至凝固结束温度之间的收缩。即：从凝
9、固开始到凝固完毕。同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大。如：35钢,体积收缩率3.0%,45钢 4.3%,1.合金的收缩,这两种收缩（液态收缩、凝固收缩）表现为合金的体积缩小，使型腔内金属液面下降，它们是铸件产生缩孔和缩松缺陷的根本原因。,1.合金的收缩,固态收缩：从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩.固态收缩也会引起体积的变化，在铸件各个方向上都表现出线尺寸的减小，对铸件的形状和尺寸精度影响最大，它是铸件产生内应力以致引起变形和裂纹的主要原因。,2.影响收缩的因素,化学成分 浇铸温度 铸件结构与铸型条件,2.影响收缩的因素,化学成分的影响 成分不同，收缩率不同。铸铁中促进石墨形成
10、的元素增加，收缩减少。如:灰口铁 C,Si,收,S 收.原因：石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.,2.影响收缩的因素,浇铸温度 主要影响液态收缩:浇铸t，则此温度与开始凝固的温度之温差，于是液态收缩，则总收缩量相应,2.影响收缩的因素,铸件结构与铸型条件 铸件收缩是受阻收缩，阻力主要来源于两个方面：铸件壁厚不均，各部分冷却速度不同，收缩的先后不一致，相互制约而产生阻力；铸型和型芯对收缩的机械阻力。铸件收缩时受阻越大，实际收缩率就越小。,2.影响收缩的因素,铸件结构与铸型条件 结论：设计和制造模型时，应根据合金种类和铸件的受阻情况，采用合适的收缩率。使铸型有好的退让性。,3.收缩对铸件质量
11、的影响及防止措施,主要内容：1）铸件的缩孔和缩松及防止措施铸造应力（热应力、组织应力、机械应力）及其防止措施 变形与裂纹及防止措施,3.1 铸件的缩孔和缩松及防止措施,缩孔和缩松 铸件凝固过程中，金属液态收缩和凝固收缩造成体积减小，又得不到液态的补充，在铸件最后凝固的部位形成了孔洞，容积较大而集中的孔洞称为缩孔。细小而分散的孔洞称为缩松。（见图2-3）,缩孔和缩松,缩松分两种：宏观缩松（肉眼或放大镜可以看到的小孔洞，分布于铸件中心轴线处或缩孔下方）图2-3显微缩松（分布于晶粒之间的微小孔洞）。,影响缩孔容积的因素(补充),1)液态收缩,凝固收缩速度,缩孔容积2)固态收缩,缩孔容积3)浇注速度,
12、缩孔容积4)浇注速度,液态收缩,易产生缩孔,缩孔和缩松的防止措施,安置冒口,实行顺序凝固 造型时在铸件的厚大部分附设冒口,使铸件的凝固顺序由远离冒口的部位先凝固并依次向冒口推进,冒口部位最后凝固（图2-4）。铸件收缩时所需要的金属液则由冒口提供，缩孔和缩松则出现在冒口中补缩。,缩孔和缩松的防止措施,几点注意1.安置冒口,实行顺序凝固,可有效的防止缩孔,但冒口浪费金属,浪费工时,使铸件成本增加.而且,铸件内应力加大,易于产生变形和裂纹.主要用于凝固收缩大,结晶间隔小的合金.,缩孔和缩松的防止措施,几点注意2.对于结晶温度范围甚宽的合金（非共晶成分合金）,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树
13、枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而冒口的作用很小，难避免显微缩松的产生.显然,选用近共晶成分和结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的。,3.2 铸造应力及其防止措施,铸造应力又称内应力 包括：热应力 组织应力 机械应力,3.2 铸造应力及其防止措施,铸件凝固过程中，由于铸件壁厚不均匀，各部位的散热情况也不同，造成各部位的冷却速度不同，使得各部位在同一时刻的收缩量不一致而产生的内应力称为热应力。它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，热应力越大。,3.2 铸造应力及其防止措施,组织应力(相变应力)由于铸件的各部分冷却速度不同，从而导致发生组织结构转变的时间不一致
14、，产生相互制约的结果，既可以由拉应力又可以有压应力。,3.2 铸造应力及其防止措施,以上两种应力（热应力与相变应力）的防止：a.壁厚均匀b.采取同时凝固的工艺方法同时凝固(图2-6)：就是设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇注系统开在薄壁处，在厚壁处则安放冷铁等。当应力较大时，可通过热处理消除。,3.2 铸造应力及其防止措施,同时凝固方法的优缺点优点:省冒口,省工,省料缺点:心部易出现缩孔或缩松,应用于灰铁锡青铜,因灰铁缩孔、缩松倾向小，锡青铜糊状凝固，用顺序凝固也难以有效地消除其显微缩松。,3.2 铸造应力及其防止措施,机械应力定义：是合金固态收缩时受到铸型或型芯的机
15、械阻碍作用形成的，当阻碍作用消除后，应力能够自行消除。防止措施：通过改进铸件结构和增加型砂的退让性来解决。,3.3变形与裂纹及防止措施,铸件常发生不同程度的变形，通过自由变形来松弛内应力,这是一个自发过程。铸件在应力作用下发生变形，当应力超过铸件的强度极限时将导致开裂，产生裂纹。根据开裂的特点不同，可以有热裂纹和冷裂纹两种。,3.3变形与裂纹及防止措施,热裂纹定义：高温下形成的裂纹。特点：长度较短，缝宽，边沿弯曲，缝内有氧化颜色，无金属光泽；裂缝沿晶粒边界通过，多发生在应力集中或凝固处。灰铁,球铁热裂少,铸钢,铸铝,白口铁大。,3.3变形与裂纹及防止措施,热裂纹形成原因：合金退让性不好；含S产
16、生热脆（S以FeS的形式存在于钢铁铸件中，FeS与Fe形成低熔点共晶体分布于晶界上,当进行热加工时,发生融化导致逐渐开裂）。预防:合理设计结构,改善退让性,控制含S量。,3.3变形与裂纹及防止措施,冷裂纹定义：低温下形成的裂纹。特点：细长，连续直线状或圆滑曲线,裂口表面干静,具有金属光泽,一般无氧化颜色或氧化颜色较轻。,3.3变形与裂纹及防止措施,冷裂纹形成原因：复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生；材料塑性差；P冷脆（P的存在使铸件塑性韧性急剧下降而断裂，尤其在低温时更严重，称冷脆）。预防：合理设计,减少内应力,控制P含量,提高退让性。,3.3变形与裂纹及防止措施,两种裂纹根本的防止措施：减少铸造应力,本节重点,1 金属的凝固特点液态成形工艺的基础知识1.流动性及充型:流动性概念,判别方法及影响因素2.收缩性:收缩阶段及收缩的影响因素缩孔和缩松及其防止措施铸造应力(热应力和机械应力的形成与防止措施),铸件裂纹(热裂与冷裂产生的原因,特征和影响因素),
