铸造工艺基础

铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件 的厚壁处或心部受拉应力、薄壁或表层受压 应力，且随着铸件壁厚差的增大、各部分冷 却速度差的不同、铸造合金线收缩率的提高、 以及其弹性模量的增大，铸件的热应力增大。
残留热应力的预防
预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸 件各部分之间的温度差，使其均匀冷却。 具体为： ① 选择弹量模量较小的合金作为铸造合金； ② 设计铸件结构时，力求使其壁厚均匀； ③ 采用合理的铸造工艺，使铸件的凝固符合 同时凝固原则。
4 铸件的结构
铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金 的充型能力愈差。应采取适当提高浇注温度、 提高充型压力和预热铸型等措施来改善其充 型能力。 铸件模数：铸件体积与散热表面积之比
§3 铸造合金的收缩
从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中， 铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩， 收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩 给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩 松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。
§2液态合金的充型能力
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。
没完整融合缝隙或凹坑
充型能力不足
浇不足
冷隔
夹 砂
气 孔
夹 渣
不能得到完整的零件
影响充型能力的主要因素
1. 2. 3. 4. 合金的流动性 浇注条件 铸型的充型条件 铸件的结构
合金的流动性
合金的流动性是指液态合金自身的流动能力， 属于合金的一种主要铸造性能。良好的流动 性1）易于铸造出薄而复杂的铸件，2）利于 铸件在凝固时的补缩，3）气体和非金属夹 杂物的逸出和上浮。反之流动性差的合金， 易使铸件上出现浇不足、冷隔、气孔、夹渣 和缩孔等缺陷。
第一篇 铸造
第一章 概述
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，
以获得一定形状、尺寸和性能零件或
毛坯的方法。
铸造特点
优点： 1. 可以生产形状复杂的零件，尤其复杂内腔的毛坯 (如箱体、气缸等) 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
将内浇口开在铸件的薄壁 处，以减缓其冷却速度； 而在铸件的厚壁处放置冷 铁，以加快其冷却速度。 总之，铸件采用同时凝固 原则可减小其产生应力、 变形和裂纹的倾向；且不 必设置冒口，使工艺简化， 并节约了金属材料。采用 同时凝固的缺点是在铸件 的心部会产生缩孔或缩松 缺陷。
机械应力
机械应力是因铸件的收缩受到铸型或型芯等的机械阻碍而形 成的应力 ，机械应力会导致形成裂纹， 应适时开箱加以解 决。 预防方法： 提高铸型和型芯的退让性。
但是浇注温度过高，又会使液态合金吸气严重、 收缩增大，反而易使铸件产生其它缺陷，如气 孔、缩孔、缩松、粘砂和晶粒粗大等。故在保 证液态合金流动性足够的前提下，浇注温度应 尽可能低。通常灰铸铁浇注温度为1200～ 1380℃；铸钢为1520～1620℃；铝合金为 680～780℃。薄壁复杂件取上限温度值，厚件 则取下限。
1） 逐层凝固
纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的 断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已 凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随 着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区 逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固 方式称为逐层凝固。
（2） 糊状凝固
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断 面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时 间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层， 而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面。 这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故 称为糊状凝固。
缩孔易出现的部位
缩孔和缩松的防止
采用适当的工艺措施，使铸件实现“顺序凝 固”，即可获得无缩孔的铸件。 所谓顺序凝固是指，采用一些适当的工艺措 施，使铸件远离冒口或浇口的部位最先凝固 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
实现顺序凝固方法
通常用浇注的螺 旋形试样的长度 来衡量合金的流 动性。如图所示 的螺旋形试样， 其截面为等截面 的梯形，试样上 隔50mm长度有一 个凸点，以便于 计量其长度。合 金的流动性愈好， 其长度就愈长。 测定流动性的方法
影响流动性的主要因素
1. 主要是化学成分： 共晶成分的合金，其结晶同纯金属一样，是在恒温下进行 的。从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固，由于已凝固 层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。而且，由于 共晶成分合金的凝固温度最低，相同浇注温度下其过热度 最大，延长了合金处于液态的时间，故流动性最好。 非共晶成分其已凝固层和纯液态区之间存在一个液固两相 共存的区域，使得已凝固层的内表面粗糙。所以非共晶成 分的合金流动性变差，且随合金成分偏离共晶点愈远，其 结晶温度范围愈宽，流动性愈差。
液态收缩 液态合金冷却 凝固收缩 合金收缩
缩孔：恒温下结晶
缩松：两相区结晶 应力
固态合金冷却
线形收缩
变形 裂纹
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。
铸件的裂纹与防止
当铸造内应力超过铸件的强度极限时，铸件 便产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，必须 设法防止。按照裂纹的形成温度不同，将裂 纹分为热裂和冷裂两种。
2.
铁—碳合金流动性与含碳量的关系
浇注条件
（1） （2） 浇注温度 充型压力
（1）浇注温度
提高液态合金的浇注温度能改善其流动性，因 而提高其充型能力。因为浇注温度高，液态合 金的过热度大，在铸型中保持液态流动的能力 愈强，且使液态合金的粘度及其与铸型之间的 温度差都减小，从而提高了流动性。因此，对 薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注 温度，以防产生浇不足和冷隔。
合理布置内浇道及确定浇铸工艺。 合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。
由于铸件上容易产生缩孔的厚 大部位即热节不止一个，仅靠 铸件顶部的冒口补缩，难以保 证铸件底部厚大部位不出现缩 孔。为此，在该处设置冷铁， 以加快其冷却速度，使其最先 凝固，以实现自下而上的顺序 凝固。由此可知，冷铁的作用 是加快铸件某处的冷却速度， 以控制或改变铸件的凝固顺序。 冷铁通常采用钢、铸铁或铜等 制成。
化学成分(c含量)
铸型条件 合金收缩 铸件结构
浇注温度
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。 缩松的形成：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。
变形
残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态， 将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳 定的平衡状态。
裂纹
当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。
热应力的形成过程
Ⅱ Ι
当铸件处于高温阶段（t0-t1）时，两杆都处于塑性状态， 尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步，但瞬时的应力可 通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生； 继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑 性状态（t1-t2），此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大， 所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂 时内应力，但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性 变形而自行消失（图c）； 当进一步冷至更低温度时（t2-t3），两杆均进入了弹性状 态，此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同，所以二者 的收缩也不同步，粗杆I的温度较高，还要进行较大的收缩， 细杆II的温度较低，收缩已趋于停止，因此粗杆I的收缩必定 受到细杆II的阻碍，使其收缩不彻底，在部产生拉应力；而 杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温， 残留热应力一直存在。
铸件的变形与防止
具有残留内应力的铸件，厚的部位受拉应力、 薄的部位受压应力。处于这种状态的铸件是 不稳定的，将自发地变形以减小其内应力， 以趋于稳定状态。变形的结果是受拉应力的 部位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸 长变形，以使铸件中的残余应力减小或消除。
导轨部分较厚，受拉应力；其床 壁部分较薄，受压应力，于是床 身发生朝着导轨方向的弯曲，使 导轨下凹。
（3） 中间凝固
大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和 糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面 上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区， 称为中间凝固方式。
铸件凝固方式影响因素
铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的 结晶温度范围和铸件的温度梯度。合金的结 晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄， 愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢 的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范 围较宽成为糊状凝固。
§4 铸造内应力、变形和裂纹
铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若 铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产 生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形 和裂纹的基本原因。 按照应力产生的原因，将铸造应力分为热应 力和机械应力两种。
热应力
内应力
机械应力
铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件 的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的 收缩而引起的应力。 铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、 浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。
收缩的三个阶段
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与开始凝固的温度 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。