第二章铸造成形讲解

金属工艺学第二章 液态成形工艺重点与难点（1）重点：铸铁的石墨化及其对铸件组织和性能的影响，常用铸造合金的获得方法及铸造特点。

（2）难点：制定铸造方案、绘制出铸件的铸造工艺简图。

一 什么是铸造?将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法.二 特点1 优点:1) 可以生产形状复杂的零件,尤其复杂内腔的毛坯(如暖气)2) 适应性广,工业常用的金属材料均可铸造. 几克~几百吨.3) 原材料来源广泛.价格低廉. 废钢,废件,切屑4) 铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量,属少无切削加工.∴ 应用广泛: 农业机械40~70% 机床:70~80%重量铸件2 缺点:1) 机械性能不如锻件(组织粗大,缺陷多等)2) 砂性铸造中,单件,小批,工人劳动强度大.3) 铸件质量不稳定,工序多,影响因素复杂,易产生许多缺陷.铸造的缺陷对铸件质量有着重要的影响,因此,我们从铸件的质量入手,结合铸件主要缺陷的形成与防止,为选择铸造合金和铸造方法打好基础.第一节 金属的凝固特点Ⅰ、液态合金的充型充型: 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充型能力不足:易产生: 浇不足: 不能得到完整的零件.冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下降.一 合金的流动性液态金属本身的流动性----合金流动性1 流动性对铸件质量影响1) 流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件.2) 流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮,排除.3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩.12 测定流动性的方法:以螺旋形试件的长度来测定: 如 灰口铁:浇铸温度1300℃ 试件长1800mm.铸钢: 1600℃ 100mm3 影响流动性的因素主要是化学成分:1) 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2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大.3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液流二 浇注条件1 浇注温度: t↑ 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持流动的时间长,∴ t↑ 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力↑ 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.三 铸型条件1 铸型结构: 若不合理,如壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充↓2 铸型导热能力: 导热↑ 金属降温快,充↓ 如金属型3 铸型温度: t↑ 充↑ 如金属型预热4 铸型中气体: 排气能力↑ 充↑ 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.Ⅱ、铸件的凝固和收缩一 铸件的凝固1 凝固方式:铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区: 1—固相区 2—凝固区 3—液相区 对凝固区影响较大的是凝固区的宽窄,依此划分凝固方式.1) 逐层凝固:纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液,固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增加,液相层不断减少,直达中心.2) 糊状凝固合金结晶温度范围很宽,在凝固某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断面,先糊状,后固化.故---3) 中间凝固大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.2 影响铸件凝固方式的因素1) 合金的结晶温度范围范围小: 凝固区窄,愈倾向于逐层凝固如: 砂型铸造, 低碳钢 逐层凝固, 高碳钢 糊状凝固金属工艺学2) 铸件的温度梯度合金结晶温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外层的温度梯度.温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固区窄)二 合金的收缩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---.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 收缩的几个阶段1) 液态收缩: 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质开始凝固的温度的温差成正比.2) 凝固收缩: 从凝固开始到凝固完毕. 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%3) 固态收缩: 凝固以后到常温. 固态收缩影响铸件尺寸,故用线收缩表示.2 影响收缩的因素1) 化学成分: 铸铁中促进石墨形成的元素增加,收缩减少. 如: 灰口铁 C, Si↑,收↓,S↑ 收↑.因石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩.2) 浇注温度: 温度↑ 液态收缩↑3) 铸件结构与铸型条件铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍.实际收缩小于自由收缩.∴ 铸型要有好的退让性.3 缩孔形成在铸件最后凝固的地方出现一些空洞,集中—缩孔. 纯金属,共晶成分易产生缩孔*产生缩孔的基本原因: 铸件在凝固冷却期间,金属的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩.4 影响缩孔容积的因素(补充)1) 液态收缩,凝固收缩 ↑ 缩孔容积↑2) 凝固期间,固态收缩↑,缩孔容积↓3) 浇注速度↓ 缩孔容积↓4) 浇注速度↑ 液态收缩↑ 易产生缩孔5 缩松的形成由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所至.1) 宏观缩松肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面的中心.非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松.2) 微观缩松凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---凝固区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收缩,形成晶间微小孔洞. 凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大,故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸3件,则必须设法减少.(先凝固的收缩比后凝固的小,因后凝固的有液,凝,固三个收缩,先凝固的有凝,固二个收缩区----这也是形成微观缩松的基本原因.与缩孔形成基本原因类似)6 缩孔,缩松的防止办法基本原则: 制定合理工艺—补缩, 缩松转化成缩孔.顺序凝固: 冒口—补缩同时凝固: 冷铁—厚处. 减小热应力,但心部缩松,故用于收缩小的合金. 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,是铸件成本增加.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. 非共晶成分合金,先结晶树枝晶,阻碍金属流动,冒口作用甚小. 对于结晶温度范围甚宽的合金,由于倾向于糊状凝固,结晶开始之后,发达的树枝状骨状布满整个截面,使冒口补缩道路受阻,因而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.铸造内应力,变形和裂纹凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍,铸件内部就发生内应力,内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因.(有时相变膨胀受阻,负收缩)一 内应力形成1 热应力: 铸件厚度不均,冷速不同,收缩不一致产生.塑性状态: 金属在高于再结晶温度以上的固态冷却阶段,受力变形,产生加工硬化,同时发生的再结晶降硬化抵消,内应力自行消失.(简单说,处于屈服状态,受力—变形无应力)弹性状态: 低于再结晶温度,外力作用下,金属发生弹性变形,变形后应力继续存在.举例: a) 凝固开始,粗 细处都为塑性状态,无内应力∵两杆冷速不同,细杆快,收缩大,∵受粗杆限制,不能自由收缩,相对被拉长,粗杆相对被压缩,结果两杆等量收缩.b) 细杆冷速大,先进如弹性阶段,而粗杆仍为塑性阶段,随细杆收缩发生塑性收缩,无应力.c) 细杆收缩先停止,粗杆继续收缩,压迫细杆,而细杆又阻止粗杆的收缩,至室温, 粗杆受拉应力(+),(-)由此可见,各部分的温差越大,热应力也越大,冷却较慢的部分形成拉应力,冷却较快的部分形成压应力.预防方法: 1 壁厚均匀 2 同时凝固—薄处设浇口,厚处放冷铁优点: 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。

材料成形技术基础第2章铸造.ppt.Convertor原材料：金属材料、非金属材料、复合材料毛坯成形加工：铸造、锻造、冲压、焊接等机械加工、特种加工：切削、磨削、特种加工热处理、表面处理：材料的改性与处理检测与质量监控：必不可少的保证质量的措施装配：零件的固定、连接、调整、检验和产品试验。

装配材料成形中的基本要素及其流动材料、能量和信息三个基本要素的流动及其相互作用形成物质流、能量流和信息流,使毛坯和零件的成形得以实现质量不变过程:铸造、塑性成形、表面处理等质量减少过程:切削加工、热切割、板料冲裁等质量叠加过程:焊接、胶接和机械连接等2．能量流各种能量的消耗和转化过程称为能量流将生产过程中的物质流、能量流和信息流系统化,即“机械制造技术系统”,具有“自动化、柔性化、高效化”的综合效果特征4．材料成形技术的发展趋势(1)优化常规工艺(2)新型加工方法不断出现(3)高新技术与工艺紧密结合产品的加工要求第2章铸造定义：熔炼金属、制造铸型并将熔融金属浇入铸型凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能的金属零件或毛坯的成形方法包括砂型铸造和特种铸造两大类优点：工艺适应性强，铸件的结构形状和尺寸和大小几乎不受限制，常用的合金都能铸造；原材料来源广泛，价格低廉，设备投资较少应用：适于制造形状复杂、特别是内腔形状复杂的零件或毛坯，尤其是要求承压、抗震或耐磨的零件。

缺点：工艺因素影响较大，铸件易出现浇不到、缩孔、气孔、裂纹等缺陷，组织疏松，晶粒粗大。

质量不稳定，一般情况下，铸件的力学性能远不及塑性成形件L=v×t2.1铸造基础2.1.1金属液的充型能力金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状准确的铸件的能力很大程度上决定了铸件的质量1、金属的流动性：金属液本身的流动能力流动性好则充型能力强，易于获得轮廓清晰、壁薄而形状复杂的铸件，且易于防止各类铸造缺陷。

衡量：螺旋型流动试样长度合金成分：成分不同，结晶方式不同；粘度不同相同温度下，过热度不同：已结晶表面光滑程度不同结论：共晶成分和纯金属最好合金的质量热容、密度和热导率质量热容和密度大，含热量大；热导率小，散热慢2、铸型条件铸型的蓄热系数：铸型的蓄热系数越大，激冷能力越强，金属液保持液态的时间就较短，充型能力越低解决方法：选用蓄热系数小的造型材料；在型腔壁喷涂料铸型温度：铸型的温度越高，金属液冷却就越慢，保持液态时间就越长铸型中的气体：形成影响充型的气体阻力（外部阻力）3、浇注条件浇注温度：浇注温度高，金属液的粘度低，保持液态的时间长。

第六—第二章砂型铸造铸型：铸造生产中使液态金属成为固态铸件的容器。

容器的内部称型腔，其轮廓相当于所制铸件的外形。

根据铸型特点分：一次型——砂型、熔模、石膏型、实型铸造（消失模铸造）；半永久型——泥型、陶瓷型、石墨型铸造；永久型——金属型、压力、挤压、离心铸造；根据浇注时金属所承受的压力状态分：重力作用下的铸造和外力作用下的铸造金属液在常压下完成浇注，称为自由浇注或常压浇注。

金属液在外力作用下实现充填和补缩，如压力铸造、挤压铸造、离心铸造和反重力铸造。

砂型铸造：是利用型（芯）砂制造铸型的铸造方法。

整模造型分模造型一、概述1 缺点、优点：砂型铸造是铸造生产中最广泛的一种方法，世界各国用砂型铸造生产的铸件占总产量的80-90%。

型砂：将原砂或再生砂+粘结剂+其它附加物所混制成的混合物。

砂型（芯）：型（芯）砂在外力作用下成形并达到一定的紧实度或密度成为砂型（芯）。

2 砂型的种类湿型：由原砂、粘土、附加物及水按一定比例混碾而成湿型砂；用湿型砂春实，浇注前不烘干的砂型。

干型：经过烘干表面干型：表面仅有一层很薄（15-20mm）的型砂被干燥，其余部分仍然是湿的。

化学自硬砂型：砂型靠型砂自身的化学反应而硬化。

造型：制造砂型的工艺过程。

造芯：制造砂芯的工艺过程。

选择合适的造型（芯）方法和正确的造型（芯）工艺操作，对提高铸件质量、降低成本、提高生产率有极重要的意义。

1 按型（芯）砂粘（固）结机理分类机械粘结造型（芯）、化学粘结造型（芯）、物理固结造型（芯）2 按造型（芯）的机械化程度分类（1）手工造型（芯）手工造型（芯）是最基本的方法，这种方法适应范围广，不需要复杂设备，而且造型质量一般能够满足工艺要求，所以到目前为止，在单件、小批量生产的铸造车间中，手工造型（芯）仍占很大比重，在航空、航天、航海领域应用广泛。

缺点：劳动强度大、生产率低、铸件质量不易稳定。

模样造型、刮板造型、地坑造型，各种造型方法有不同的特点和应用范围。

第2章金属材料的铸造成形概述2.1 金属液态成形基础2.2 常用的铸造方法2.3 零件结构的铸造工艺性2.4 重结晶对钢铁材料性能的影响2.5 常用合金铸件生产概述金属材料的铸造成形是将液态金属材料浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸形空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。

以异口径管为例介绍铸件的大致生产过程。

异口径管生产过程铸造成形是金属材料主要的成形方法之一。

铸造成形方法之所以被广泛应用，是因为铸造成形方法与其它金属成形方法相比，具有以下一些优点：(1) 能够制造各种尺寸和形状的铸件，尤其是内腔复杂的铸件。

铸件的轮廓尺寸大至十几米，小至几毫米；质量大至数百吨，小至几克。

(2) 各种金属材料都可以铸造成形，尤其是脆性材料，只能用铸造方法成形，如铸铁等。

(3) 设备投资少，原材料来源广泛，价格低，因此、铸件的成本低廉。

(4) 精密铸件无需再加工,可直接使用,降低了制造成本。

由于上述优点使得铸造成形成为现代工业的基础。

铸件在机械产品中占有很大的比例，按质量计在汽车中约占40%～60%,在机床中约占60%～80%。

2.1 金属材料液态成形基础2.1.1 纯金属的结晶2.1.2 合金的结晶2.1.3 铸造工艺基础2.1.1 纯金属的结晶概述1.金属的结构2.金属的结晶3.金属的同素异晶转变概述液态金属转变为固态晶体的过程称为结晶。

通常又把它称为一次结晶。

不同成分的液态金属结晶后具有不同形式的晶体结构而具有不同的性能。

因此，在讲金属的结晶之前有必要介绍一下金属晶体结构的有关知识。

1.金属的结构(1)金属键由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称金属键。

金属键示意根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能。

由于自由电子的存在，容易形成电流，显示出良好的导电性；自由电子的易动性和正离子的振动使金属有良好的导热性；金属原子移动一定位置后，金属键不会遭到破坏，使金属具有很好的形变能力和强度；自由电子可以吸收光的能量，因而金属不透明；自由电子所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射，使金属具有光泽。

第二章各种典型铸造技术的原理和方法根据铸型特点分类，有一次型铸造(砂型铸造、熔模铸造、石膏型铸造、实型铸造等)、半永久型铸造(陶瓷型铸造、石墨型铸造等)、永久型铸造(金属型铸造、压力铸造、挤压铸造、离心铸造等)；根据浇注时金属液的驱动力及压力状态分类，有重力作用下的铸造和外力作用下的铸造。

金属液在重力驱动下完成浇注称自由浇注或常压浇注。

金属液在外力作用下实现充填和补缩，如压力铸造、挤压铸造、离心铸造和反重力铸造等。

本章介绍的铸造技术有：属于重力充型的有砂型铸造、金属型铸造和熔模铸造；属于外力充型的有压力铸造、离心铸造和挤压铸造；属于反重力铸造的有低压铸造和差压铸造/真空吸铸等。

铸造业中砂型铸造约占80％。

型砂中粘土砂、水玻璃砂和树脂砂等又占了90％的份额。

三种型砂间的比例视各国具体情况而异，平均来看，大致为5：3：2。

以型砂铸造与其它铸造方法相比，其缺点是：劳动条件较差，铸件外观质量欠佳；铸型只能使用一次，生产率低。

优点是：不受零件形状、大小、复杂程度及合金种类的限制；造型材料来源广，生产准备周期短，成本低。

因此，砂型铸造是铸造生产中应用最广泛的一种方法，世界各国用砂型铸造生产的铸件占总产量的80%~90%。

本章的重点在砂型铸造。

而铸造用砂型的种类及制造是重中之重。

第1节砂型铸造一、铸造用砂型的种类及制造（一）概述1．砂型铸造的特征及工艺流程配制型砂—造型—合型—浇注—冷却—落砂—清理—检查—热处理—检验—获得铸件特征：使用型砂构成铸型并进行浇注的方法，通常指在重力作用下的砂型铸造过程。

名词：型砂——将原砂或再生砂+粘结剂+其它附加物等所混制成的混合物；铸型——形成铸件外观轮廓的用型砂制成的空腔称为铸型；砂芯——形成铸件内腔的用芯砂制成的实体(用于制做砂芯的型砂称为芯砂)；造型——制造砂型的工艺过程；制芯——制造砂芯的工艺过程。

造型(芯)方法按机械化程度可分为手工造型(芯)和机器造型(芯)两大类。