精品课件凝固成形工艺
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材料成形_第五章_凝固成形技术
第一节 凝固成形用金属材料
灰铸铁的牌号 国家标准（GB9439-1988）中规定，我国灰铸铁牌号以HT加三 位数字表示，“HT”代表灰口铸铁，后面的三位数字代表最低 抗拉强度值。 如HT250，表示以φ30mm试棒按有关标准加工成的试样测出的 抗拉强度为σb≥250MPa的灰铸铁。 灰口铸铁共分为HT100、HT150、HT200、HT250、HT300和 HT350六个牌号。牌号越高，抗拉强度越高。
1.1.3、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是继球墨铸铁后发展起来的一种新型铸铁，石墨呈短 片状，片端钝而圆，类似蠕虫，是介于片状和球状之间的一种 过渡形态。蠕墨铸铁与球墨铸铁生产类似，通过向铁液中加入 蠕化剂及孕育剂，改变石墨生长时的方式，从而获得蠕虫状石 墨，蠕虫状石墨的片端钝而圆，承载时应力集中比灰口铁要小 得多，但比球墨铸铁大。力学性能介于灰铁和球铁之间。
前言
凝固成形俗称铸造，这种成形方法能够制成形状复杂 （特别是具有复杂内腔）的零件，而且其大小不受限 制，重量从几克到上百吨。（优点） 由于模型制造、收缩以及工艺需要等方面的原因，得 到的铸件与实际零件的尺寸、形状有差别，往往是半 成品毛坯件，需要进一步进行机械加工。（缺点）
前言
随着凝固技术的不断发展，目前已经出现“近净成形” 技术，可提供比较精密的铸件，从而缩短了生产周期， 降低了生产成本。 铸件在机械产品中所占的比例极大，例如内燃机关键 零件都是铸件，占内燃机总重的80%～90%，汽车中铸 件占19%（轿车）～23%（卡车）；总之，铸件在很多 领域中起着不可替代的作用。
第一节 凝固成形用金属材料
凝固成形用金属材料通常称为铸造合金，可分为三大类：铸铁、铸钢、有色 合金。每一类合金有不同的成分及性能特点。
• 1.1 铸铁合金
第四章 凝固成形技术2
由于金属浆料的良好的流动性能，可以得到尺寸精确、形状复 杂、组织致密的高质量铸件； 由于在流变压铸中，半固态金属浆料的保持及输送控制严格而 困难，目前的实际应用较少。 流变成形比触变成形工艺更简单、能耗更低 ，流程短，铸件的 成本也更低，是未来重要的发展方向。
三、半固态成形方法
2、触变成形 触变成形是指将用浆料连续制备器生产的半固态
s Gs R L
提高凝固速率：
选用热导率λ S大的铸型材料（如纯铜） 对铸型强制冷却，以降低Ti
凝固层内部热阻（δ /λ S）随凝固层厚度δ 的增大而迅速提高，导
致凝固速率下降。 因此，快速凝固只能在小尺寸试件中实现。
应用：大生长速度快速凝固用于快速定向凝固、焊接过程及激光
处理。
2、实现快速凝固的条件
第四节
半固态成形
半固态成形:利用半固态合金独特的性质实现浇注
或压注成形的方法，称为半固态成形。
一、半固态铸造成形原理及特点
1、基本原理：先凝固的固相，在剧烈的扰动下，初次
枝晶被打碎，呈圆整的颗粒状，类似砂浆，具有良好的
流动性，可以用铸造和挤压及锻轧等方式成型。 半固态加工的主要流程包括：金属浆料制备、半固态 铸造、半固态压力加工等。
在变形初期，随应变的增加，应力迅速增加，达到峰值后 ，拉伸应力就很快下降直至断裂，而压缩应力略有下降，之 后保持不变。 变形应力与温度和应变速率有关。
合金半固态变形过程是一个从塑性变形到超塑性变 形的过程，形变抗力小，比固态是要小约三个数量级， 且极限塑性好，充型性好，易进行成形操作。
三、半固态成形方法
2.产品优势 零件质量高，力学性能好。因晶粒细化、组织分布均匀、 体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力 学性能大幅度提高。 凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净 成形。 成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍 基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。 制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密 度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材 料混合，制成新的复合材料。
三、半固态成形方法
2、触变成形 触变成形是指将用浆料连续制备器生产的半固态
s Gs R L
提高凝固速率：
选用热导率λ S大的铸型材料（如纯铜） 对铸型强制冷却，以降低Ti
凝固层内部热阻（δ /λ S）随凝固层厚度δ 的增大而迅速提高，导
致凝固速率下降。 因此，快速凝固只能在小尺寸试件中实现。
应用：大生长速度快速凝固用于快速定向凝固、焊接过程及激光
处理。
2、实现快速凝固的条件
第四节
半固态成形
半固态成形:利用半固态合金独特的性质实现浇注
或压注成形的方法，称为半固态成形。
一、半固态铸造成形原理及特点
1、基本原理：先凝固的固相，在剧烈的扰动下，初次
枝晶被打碎，呈圆整的颗粒状，类似砂浆，具有良好的
流动性，可以用铸造和挤压及锻轧等方式成型。 半固态加工的主要流程包括：金属浆料制备、半固态 铸造、半固态压力加工等。
在变形初期，随应变的增加，应力迅速增加，达到峰值后 ，拉伸应力就很快下降直至断裂，而压缩应力略有下降，之 后保持不变。 变形应力与温度和应变速率有关。
合金半固态变形过程是一个从塑性变形到超塑性变 形的过程，形变抗力小，比固态是要小约三个数量级， 且极限塑性好，充型性好，易进行成形操作。
三、半固态成形方法
2.产品优势 零件质量高，力学性能好。因晶粒细化、组织分布均匀、 体收缩减少、热裂倾向下降，基体上消除了缩松倾向，力 学性能大幅度提高。 凝固收缩小，故成型体尺寸精度高，加工余量小，近净 成形。 成形合金范围广。非铁合金有铝、镁、锌、锡、铜、镍 基合金；铁基合金有不锈钢、低合金钢等。 制造金属基复合材料。利用半固态金属的高粘度，使密 度差大、固溶度小的金属制成合金，也可有效地使不同材 料混合，制成新的复合材料。
材料的凝固ppt
晶体结构
材料的晶体结构决定了其物理和化学性质，如硬 度、电导率、光学性能等。
03
材料凝固过程中的显微组 织与性能
材料的显微组织
01
晶粒大小
晶粒大小对材料的力学性能和传热性能有显著影响。细小的晶粒可以
提高材料的强度和韧性，同时降低材料的热导率。
02 03
晶界特性
晶界是材料中的界面，其结构和特性对材料的性能具有重要影响。例 如，大角度晶界可以阻碍位错运动，提高材料的强度，而小角度晶界 则有助于热扩散。
为一致的凝固组织。
在航空航天、汽车等领域，定向凝固 技术被广泛应用于制备高性能的金属
材料和合金。
通过定向凝固技术，可以获得具有优 良力学性能和抗疲劳性能的材料，提
高产品的可靠性和安全性。
快速凝固技术
快速凝固技术是一种材料加工 技术，它通过高冷却速率使材 料在短时间内凝固。
快速凝固技术可以制备出具有 微纳结构、高强度、高韧性的 材料，广泛应用于航空航天、 汽车、电子等领域。
相组成
材料的显微组织通常由多种相组成，不同相的体积分数和分布对材料 的性能产生显著影响。例如，硬质相可以提高材料的硬度，而软质相 则有助于提高材料的韧性。
材料凝固对性能的影响
力学性能
材料凝固过程中的组织演变对其力学性能具有重要影响。例如，粗大的柱状晶组 织可以提高材料的拉伸强度，但降低其韧性；而细小的等轴晶组织则可以提高材 料的韧性和冲击强度。
快速凝固技术具有短时间、高 效率的优点，可以降低生产成 本，提高材料性能。
消失模铸造技术
消失模铸造技术是一种近无余量的精确铸造方法，它采用泡沫塑料模样 代替传统金属模样，使液态金属在凝固过程中将模样全部气化消失。
消失模铸造技术具有生产周期短、成本低、精度高等优点，广泛应用于 航空航天、汽车、船舶等领域。
材料的晶体结构决定了其物理和化学性质，如硬 度、电导率、光学性能等。
03
材料凝固过程中的显微组 织与性能
材料的显微组织
01
晶粒大小
晶粒大小对材料的力学性能和传热性能有显著影响。细小的晶粒可以
提高材料的强度和韧性，同时降低材料的热导率。
02 03
晶界特性
晶界是材料中的界面，其结构和特性对材料的性能具有重要影响。例 如，大角度晶界可以阻碍位错运动，提高材料的强度，而小角度晶界 则有助于热扩散。
为一致的凝固组织。
在航空航天、汽车等领域，定向凝固 技术被广泛应用于制备高性能的金属
材料和合金。
通过定向凝固技术，可以获得具有优 良力学性能和抗疲劳性能的材料，提
高产品的可靠性和安全性。
快速凝固技术
快速凝固技术是一种材料加工 技术，它通过高冷却速率使材 料在短时间内凝固。
快速凝固技术可以制备出具有 微纳结构、高强度、高韧性的 材料，广泛应用于航空航天、 汽车、电子等领域。
相组成
材料的显微组织通常由多种相组成，不同相的体积分数和分布对材料 的性能产生显著影响。例如，硬质相可以提高材料的硬度，而软质相 则有助于提高材料的韧性。
材料凝固对性能的影响
力学性能
材料凝固过程中的组织演变对其力学性能具有重要影响。例如，粗大的柱状晶组 织可以提高材料的拉伸强度，但降低其韧性；而细小的等轴晶组织则可以提高材 料的韧性和冲击强度。
快速凝固技术具有短时间、高 效率的优点，可以降低生产成 本，提高材料性能。
消失模铸造技术
消失模铸造技术是一种近无余量的精确铸造方法，它采用泡沫塑料模样 代替传统金属模样，使液态金属在凝固过程中将模样全部气化消失。
消失模铸造技术具有生产周期短、成本低、精度高等优点，广泛应用于 航空航天、汽车、船舶等领域。
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二.计算机数值模拟
1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2 1.2.321.2.3Wednesday, February 03, 2021
•
T H E E N D 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。下午5时59分10秒下午5时59分17:59:1021.2.3
谢谢观看
－操作简单，炉温便于调节控制。
常用“坩埚”加热、及感应电炉。
第四节 凝固成形方法
将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所 需形状的零件毛坯
常用方法： 砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造
4－1 砂型铸造
一种最基本的铸造方法，其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
三. 砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
4－2 金属型铸造
将金属液浇注到金属铸型中，待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸 造。
蜡模铸造工艺流程： 蜡模制造 结壳 脱模 焙烧
浇注
脱蜡和造型
4－6 离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟
• 9、春去春又回，新桃换旧符。在那桃花盛开的地方，在这醉人芬芳的季节，愿你生活像春天一样阳光，心情像桃花一样美丽，日子像桃子一样甜蜜。2 1.2.321.2.3Wednesday, February 03, 2021
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T H E E N D 17、一个人如果不到最高峰，他就没有片刻的安宁，他也就不会感到生命的恬静和光荣。下午5时59分10秒下午5时59分17:59:1021.2.3
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－操作简单，炉温便于调节控制。
常用“坩埚”加热、及感应电炉。
第四节 凝固成形方法
将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所 需形状的零件毛坯
常用方法： 砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造
4－1 砂型铸造
一种最基本的铸造方法，其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
三. 砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
4－2 金属型铸造
将金属液浇注到金属铸型中，待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸 造。
蜡模铸造工艺流程： 蜡模制造 结壳 脱模 焙烧
浇注
脱蜡和造型
4－6 离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
金属的凝固成形PPT优秀课件
充型能力越强。 3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
18
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
4
第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
T
1
TH
1
2
塑性状态
++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
越大，充型能力越差。
（三）铸型充填条件
1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。
2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
（四）铸件结构
（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积 与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
17
三、铸造内应力、变形与裂
纹
（一）铸造内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻 碍，铸件内部即将产生内应力。
1.机械应力（收缩应力） 上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
18
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
2．适应性强：（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。
3．成本低：（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
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第一节 金属的凝固特点
一 液态金属的充型能力与流动性
充型—— 液态合金填充铸型的过程。
充型能力——液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、 轮廓清晰的成形件的能力。
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第2章 金属的凝固成形
二、砂型铸造的造型方法 造型是砂型铸造最基本的工序, 造型方法选择 造型是砂型铸造最基本的工序 , 是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影响. 是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影响. 1、 手工造型：填砂、紧实和起模由人工完成 手工造型：填砂、 优点:操作灵活,适用性强,模型成本低, 优点:操作灵活,适用性强,模型成本低,生产准备时 间短. 间短. 缺点:铸件质量差,生产率低,劳动强度高. 缺点:铸件质量差,生产率低,劳动强度高. 应用:单件,小批. 应用:单件,小批.
铸件产生的收缩应力（机械应力）示意图
铸件的变形与防止 （2）铸件的变形与防止 铸件通过自由变形以松弛内应力,自发过程. 铸件通过自由变形以松弛内应力,自发过程.铸件 常发生不同程度的变形. 常发生不同程度的变形. 防止变形方法: 变形方法 防止变形方法: a) 壁厚均匀,形状对称,同时凝固； 壁厚均匀,形状对称,同时凝固； b)反变形法:在模样上做出与铸件变形量相等而方向 反变形法: 反变形法 相反的预变形量来抵消铸件的变形. 长件, 相反的预变形量来抵消铸件的变形 长件,易变形件 c)进行去应力退火 ： 铸件机加工之前应先进行去应 进行去应力退火： 进行去应力退火 力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。 力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。 d) 设置工艺肋：为了防止铸件的铸态变形，可在容 设置工艺肋：为了防止铸件的铸态变形， 易变形的部位设置工艺肋 工艺肋。 易变形的部位设置工艺肋。
型砂(芯)性能 1、强度:型砂在外力作用下,不易破坏的性能。强度不足, 强度: 强度 会造成塌箱,砂眼等 2、透气性:型砂之间本身有空隙,具有透气的能力.透气性 透气性: 透气性 不好,易出现气孔. 3、耐火性:型砂在高温金属液的作用下而不软化,不熔化. 耐火性: 耐火性 若耐火性不足,砂粒粘在铸件表面上形成一层硬皮,造成切 削加工困难,粘砂严重,铸件报废. 4、退让性:型(芯)砂具有随铸件的冷却收缩而被压缩其体 退让性: 退让性 积的性能. 若退让性不足,铸件收缩受阻,内应力加大,甚 至产生裂纹、变形等.加锯末、木屑,提高退让性.
凝固成形技术
导轨面
车床床身的浇注位置
材料成形技术
§5.3 凝固成形方法
浇注位置的选择
(2)铸件的大平面或面积较大的薄壁部分置于 ) 铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置. 铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置.
油盘铸件的浇注位置
材料成形技术
§5.3 凝固成形方法
浇注位置的选择
(3)对于容易产生缩孔的铸件,应将厚大部分放 )对于容易产生缩孔的铸件, 在分型面附近的上部或侧面. 在分型面附近的上部或侧面.
材料成形技术
§5.1 凝固成形用的金属材料
一,铸铁合金
4. 蠕墨铸铁( RuT260,RuT420等) 蠕墨铸铁( , 等
铸造性能近于灰铸铁
材料成形技术
铸件种类 灰铸铁
合金性能特点 1.流动性好,收缩小. 1.流动性好,收缩小. 流动性好 2.壁厚增加 2.壁厚增加,机械性能 壁厚增加, 显著下降. 显著下降. 1.铸造性能比灰铁差 1.铸造性能比灰铁差. 铸造性能比灰铁差. 2.综合机械性能高 2.综合机械性能高. 综合机械性能高. 1.铸造性能比灰铁差 1.铸造性能比灰铁差. 铸造性能比灰铁差. 2.综合机械性能稍低于 2.综合机械性能稍低于 球铁 3.退火前坯件脆 3.退火前坯件脆,易损 退火前坯件脆, 坏. 1.铸造性能接近灰铁. 1.铸造性能接近灰铁. 铸造性能接近灰铁 2.综合机械性能高于灰 2.综合机械性能高于灰 铁,壁厚敏感性小于 灰铁. 灰铁.
材料成形技术
§5.1 凝固成形用的金属材料
一,铸铁
2. 球墨铸铁( QT400-18, QT900-2等) 球墨铸铁( , 等
材料成形技术
§5.1 凝固成形用的金属材料
球墨铸铁的生产
1. 流动性比灰铸铁差 需要较高的浇注温 度和较大的浇口尺寸. 度和较大的浇口尺寸. 2. 较灰铸铁易产生缩松 缩孔 糊状凝固, 糊状凝固,外壳不 结实,胀型. 结实,胀型.
陶瓷原位胶态凝固成型工艺课件(PPT 56张)
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悬浮体的粘度，成型固化的时间及排 胶时间可以通过加入的交联剂、引发剂、 催化剂和分散剂来调控，所以此方法有利 于成型工艺的连续化和机械化。
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凝胶注膜成型可分为水溶液凝胶注模 成型和非水溶液凝胶注膜成型，前者适合 于大多数成型体系，后者则主要适用于那 些与水发生化学反应的成型体系。 水溶液凝胶注膜成型工艺中使用较多 的有两种体系，即丙烯酸脂体系和丙烯酰 胺体系，丙烯酸醋体系并不是纯水溶液体
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型，最后经长时间的低温干燥后可得到强 度很高而且可进行加工的坯体。 一般加入的有机单体的质量可占溶剂 的10%~20%左右，溶剂可通过干燥排除， 而在干燥过程中的网络聚合物不会随之迁 移。形成的聚合物含量较低，可以容易地 排除。
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就是其分散效果在变化。 聚脂类分散剂随着温度降低至-20℃， 其分散功能失效，悬浮体颗粒团聚，粘度 升高，从而原位凝固。有趣的是这类分散 剂在有机溶剂中溶解度具有可逆性，随温 度的回升，分散剂的溶解度重新增大，重 新恢复分散功能，这说明溶剂的干燥或排 除不能使用升温的办法。
5凝固成形技术
3
白口铸铁：碳基本上以Fe3C形式存在，断口呈银白色；
灰口铸铁：碳基本上以石墨形式存在，是应用最广的铸铁（根 据其石墨形态的不同，又可分为4类：普通灰铸铁、蠕墨铸铁、 可锻铸铁和球墨铸铁）；
麻口铸铁：碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存 在，是介于白口和灰口之间的过度组织。 根据铸铁的化学成分分，铸铁还可以分成普通铸铁和合金铸铁（含Si、Mn）
铸铁，后面的三位数字表示最低抗拉强度（MPa）。目前共有RuT260~RuT420等5 个牌号。
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5.可锻铸铁
定义：将白口铸铁经高温石墨化退火制成的石墨为团絮状的铸铁。 优点：可锻铸铁非常适用于制造形状复杂、承受冲击负荷的薄壁小件。例如各 种阀门、管件及纺织机中的各种零件。 分类：黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁及白心可锻铸铁 可锻铸铁的牌号：标准标准（GB9440—88）中规定，“KTH”代表黑心可锻铸铁、 “KTZ”代表珠光体可锻铸铁、“KTB”代表白心可锻铸铁 。
铸 件
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造型和制芯材料准备
分类：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂。 粘土砂是用粘土作为粘结剂的型砂； 水玻璃砂是用水玻璃作粘结剂的型（芯）砂。
砂型铸造的特点
砂型铸造是适用面最广的一种凝固成形方法，它几乎适用于所有不同大小、结 构的零部件生产。 砂型的导热系数较低，因此液态金属在砂型中的凝固速度较慢，特别是对一些 壁厚较大的铸件，导致内部晶粒较大，易于产生组织及成分的偏析等，从而降
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5.1 凝固成形概述
定义：金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模 型空腔（称为铸型）中，待液态金属冷却后将铸型打开（或破坏）取出所形 成的铸件毛坯，然后清理掉由于工艺需要而添加的部分（如浇口，冒口等） 后即可得到所需的铸件。 特点：凝固成形具有极高的随意性及综合经济性，这是其它成形方法所不及的。
白口铸铁：碳基本上以Fe3C形式存在，断口呈银白色；
灰口铸铁：碳基本上以石墨形式存在，是应用最广的铸铁（根 据其石墨形态的不同，又可分为4类：普通灰铸铁、蠕墨铸铁、 可锻铸铁和球墨铸铁）；
麻口铸铁：碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C形式存 在，是介于白口和灰口之间的过度组织。 根据铸铁的化学成分分，铸铁还可以分成普通铸铁和合金铸铁（含Si、Mn）
铸铁，后面的三位数字表示最低抗拉强度（MPa）。目前共有RuT260~RuT420等5 个牌号。
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5.可锻铸铁
定义：将白口铸铁经高温石墨化退火制成的石墨为团絮状的铸铁。 优点：可锻铸铁非常适用于制造形状复杂、承受冲击负荷的薄壁小件。例如各 种阀门、管件及纺织机中的各种零件。 分类：黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁及白心可锻铸铁 可锻铸铁的牌号：标准标准（GB9440—88）中规定，“KTH”代表黑心可锻铸铁、 “KTZ”代表珠光体可锻铸铁、“KTB”代表白心可锻铸铁 。
铸 件
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造型和制芯材料准备
分类：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂。 粘土砂是用粘土作为粘结剂的型砂； 水玻璃砂是用水玻璃作粘结剂的型（芯）砂。
砂型铸造的特点
砂型铸造是适用面最广的一种凝固成形方法，它几乎适用于所有不同大小、结 构的零部件生产。 砂型的导热系数较低，因此液态金属在砂型中的凝固速度较慢，特别是对一些 壁厚较大的铸件，导致内部晶粒较大，易于产生组织及成分的偏析等，从而降
3
5.1 凝固成形概述
定义：金属材料熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模 型空腔（称为铸型）中，待液态金属冷却后将铸型打开（或破坏）取出所形 成的铸件毛坯，然后清理掉由于工艺需要而添加的部分（如浇口，冒口等） 后即可得到所需的铸件。 特点：凝固成形具有极高的随意性及综合经济性，这是其它成形方法所不及的。
第四章 凝固成形技术2-1
4、铸件的凝固区域 铸件在凝固过程中，除纯金属和共晶成分合金外 ，断面上一般都存在三个区域：液相区、凝固区(固液 两相区)和固相区。
三个区域中，固液两相区的性质与凝固件最终的 健全性关系最为密切。
金属或合金凝固分区示意
5、凝固动态曲线与凝固方式
1）凝固动态曲线的绘制
① 在凝固件横断面处设置温度传感元件-热电偶，以测量冷却曲 线，即温度-时间曲线。 ②根据不同断面的冷却曲线，结合该合金的相图，便可以绘出凝 固件断面液相线-固相线与凝固时间的关系——凝固动态曲线。 由凝固件断面的凝固动态曲线，可以看出合金在凝固件中的凝固 方式。 表示凝固时的固相边界的曲线，叫“凝固终点波”；表示凝固时
3）由于液态原子处于能量起伏之中，原子团是时聚时散，时大时小，
此起彼伏的，称为结构起伏。 4）对于多元素液态金属而言，同一种元素在不同原子团中的分布量不 同，也随着原子的热运动瞬息万变，这种现象称为成分起伏。 金属由液态转变为固态的凝固过程，实质上就是原子由近程有序状
态过渡为长程有序状态的过程.
一、液态金属的结构与性质
结构改变：由液相的“近程有序”变为固体的“远程有序”。
发生溶质再分配：凝固的具体条件不同，溶质再分配的规律 亦不同。
亚共晶灰铸铁冷却曲线
微元体凝固过程的溶质再分配现象
三、 铸件的凝固
凝固:物质由液态转变为固态的过程称为凝固。
铸造的实质就是液态金属逐步冷却凝固而成形。
（一）铸件的凝固组织
（1）柱状晶
生长过程中凝固区域窄，横向生长受到相邻晶体的阻 碍，枝晶不能充分发展，分枝少，结晶后显微缩松等晶间 杂质少，组织致密。 但柱状晶比较粗大，晶界面积小，位向一致，其性能 具有明显的方向性：纵向好、横向差。凝固界面前方常汇 集有较多的第二相杂质气体 ，将导致铸件热裂。 柱状晶的晶界平行排列，有益于提高高温下工作零件 的蠕变抗力；还能使磁性材料的性能大为提高；特别可以 使航空发动机叶片的寿命和性能大幅度提高。
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具有极高的随意性和综合经济性，在 机械产品中所占比例极大。
第二节 凝固成形用金属材料
凝固成形金属材料称为铸造合金： 铸铁 铸钢 铸造有色合金
铸铁(c%>2.11%):
2-1铸铁分类
1.按碳的存在形式分：
白口铸铁：碳以Fe3C形式存在，断口银白
色，有大量共晶Ld；
灰口铸铁：碳多以石墨形式存在，断口灰色，
三. 砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
4－2 金属型铸造
将金属液浇注到金属铸型中，待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸 造。
第五节 凝固成形件的结构设计
一.铸件工艺对铸件结构的要求
1.铸件外形应便于取出； (1)避免外部侧凹； (2)分型面尽量平直; (3)改进凸台、筋条结构.
2.铸件内腔结构应使型芯数量少，并有利于型芯 的固定、排气; 3.铸件应有结构斜度
牌号：HT－××× ，三位数字为最低抗拉强度。
二.球墨铸铁 (球铁)
组织：金属基体＋球状石墨
性能：力学性能优于普通灰铸铁，可承受 不大的冲击载荷，良好的铸
造性、减磨性和缺口敏感性。
牌号：QT×××－××； 例如： QT400-18 ，最低抗拉强
度为400MPa，最低伸长率18％。
三.蠕墨铸铁
组织：石墨为短片状，类似蠕虫。
－操作简单，炉温便于调节控制。
常用“坩埚”加热、及感应电炉。
第四节 凝固成形方法
将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所 需形状的零件毛坯
常用方法： 砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造
4－1 砂型铸造
一种最基本的铸造方法，其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
材料成形技术基础
Hale Waihona Puke 第五章 凝固成形工艺• 主要内容：
凝固成形概述 凝固成形用金属材料 液态金属的获得 凝固成形方法 凝固成形件的结构设计 计算机在凝固成形中的应用
第一节 凝固成形概述
凝固成形－－俗称铸造，将金属熔化成 液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸 相适应的模型空腔中，带液态金属冷却凝 固后将铸型打开（或破坏）取出所形成的 铸件毛坯。
一、工艺设计：
确定铸造工艺方案：
首要考虑：浇注位置的选择、铸型分 型面的的选择
还应注意：机械加工余量、拔模斜度、 铸件收缩率、冒口位置及尺寸等等
绘制铸造工艺图：(例如图)
砂型铸造工艺流程
二. 造型和制芯准备
型砂和芯砂由原砂、粘结剂、水及其它附 加物混制
分为：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂
二氧化碳硬化法硬化水玻璃
二.有色合金
常用的有铝合金、铜合金、镁合金、锌合金 1.铝合金：密度小，强度高，浇注温度低、熔化 潜热大、流动性好
牌号：ZL××× 2.铜合金：良好耐磨性及好的导热性、导电性、 耐蚀性好
第三节 液态金属的获得
合格、高质量液态金属的三要求： 具有所需要的温度 杂质含量低 具有所要求的化学成分
一. 铸铁合金的熔炼
蜡模铸造工艺流程： 蜡模制造 结壳 脱模 焙烧
浇注
脱蜡和造型
4－6 离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
4-7 几种常用凝固成形方法评价
特点：
1.一型多铸，提高生产率，易于实现自 动化
2.铸件尺寸精度高，表面光洁 3.改善劳动条件，节省造型材料 4.成本高、周期长、且不适宜于复杂铸 件和薄铸件
主要用于：铝、铜、镁等有色金属铸件
4－3 压力铸造
压力铸造是在专用设备—压铸机上进行 的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的 金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固 获得铸件的方法。
性能：力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁 之间， 导热性、抗高温生长及抗氧
化性比其它铸铁好。
牌号：RuT×××，三位数字表示最低 抗拉强度。
四.可锻铸铁
组织：石墨呈团絮状
性能：强度和韧性较灰铸铁高，伸长率最高可 达12％
牌号：KTH×××－××：黑心可锻铸铁 KTZ ×××－××：珠光体可锻铸铁 KTB ×××－××：白心可锻铸铁（三
压铸工艺过程
4－4 低压铸造
低压铸造是采用较压力铸造低的压力 （一般为0.03～0.07Mpa），将金属液从 铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸 件的方法
不带保温炉
带保温炉
1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖； 6-浇道；7-型腔；8-铸型
4－5 熔模铸造
熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采 用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型 材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将 蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后 浇注金属液而获得铸件的铸造方法。
应用最广，分四类(石墨形态不同）： 普通灰铸 铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁；
麻口铸铁：碳部分为石墨，部分为Fe3C，
断口黑白相间的麻点。
2.按化学成分分：普通铸铁、合金铸铁
2-2 灰口铸铁 一. 普通灰铸铁
组织：金属基体(F或P)＋片状石墨 性能：抗拉强度、弹性模量低于钢，塑性几为零， 脆性材料；不可锻和冲压、焊接成形性能差，优 良的铸造及机加工性能； 减震性是钢的10倍左右； 的减磨性能； 缺口敏感性远低于钢；
常用设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉、工频 炉等
冲天炉熔炼：通过焦炭的燃烧放热使固体金属 炉料熔化并过热后成为液态金属
二. 铸钢合金的熔炼
常用平炉、电弧炉、感应电炉熔炼
三. 有色合金的熔炼
对设备要求：
－有利于金属炉料的快速熔化和升温， 熔炼时间短，合金纯净；
－电能消耗率低，热效率高，减少污 染；
种铸铁退火方法不同）
前三位数字为最低抗拉强度（MPa）；后 二位数字为最低伸长率（％）
2-3 铸钢及有色合金
一.铸钢
按化学成分分：铸造碳钢、铸造合金钢 性能：综合力学性能好于各类铸铁，强度高、 优良的塑性和韧性；
良好的焊接性能，铸造性能差于铸铁， 必须进行热处理。
牌号：ZG×××－×××；前组数字为屈服强 度，后组为抗拉强度
第二节 凝固成形用金属材料
凝固成形金属材料称为铸造合金： 铸铁 铸钢 铸造有色合金
铸铁(c%>2.11%):
2-1铸铁分类
1.按碳的存在形式分：
白口铸铁：碳以Fe3C形式存在，断口银白
色，有大量共晶Ld；
灰口铸铁：碳多以石墨形式存在，断口灰色，
三. 砂型铸造的特点
1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精 度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高
4－2 金属型铸造
将金属液浇注到金属铸型中，待其冷 却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于 金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸 造。
第五节 凝固成形件的结构设计
一.铸件工艺对铸件结构的要求
1.铸件外形应便于取出； (1)避免外部侧凹； (2)分型面尽量平直; (3)改进凸台、筋条结构.
2.铸件内腔结构应使型芯数量少，并有利于型芯 的固定、排气; 3.铸件应有结构斜度
牌号：HT－××× ，三位数字为最低抗拉强度。
二.球墨铸铁 (球铁)
组织：金属基体＋球状石墨
性能：力学性能优于普通灰铸铁，可承受 不大的冲击载荷，良好的铸
造性、减磨性和缺口敏感性。
牌号：QT×××－××； 例如： QT400-18 ，最低抗拉强
度为400MPa，最低伸长率18％。
三.蠕墨铸铁
组织：石墨为短片状，类似蠕虫。
－操作简单，炉温便于调节控制。
常用“坩埚”加热、及感应电炉。
第四节 凝固成形方法
将液态金属充填道与形状和尺寸相适应 的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所 需形状的零件毛坯
常用方法： 砂型铸造 金属铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造 熔模铸造
4－1 砂型铸造
一种最基本的铸造方法，其工艺过程有 制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干 合箱、熔化几个步骤。
材料成形技术基础
Hale Waihona Puke 第五章 凝固成形工艺• 主要内容：
凝固成形概述 凝固成形用金属材料 液态金属的获得 凝固成形方法 凝固成形件的结构设计 计算机在凝固成形中的应用
第一节 凝固成形概述
凝固成形－－俗称铸造，将金属熔化成 液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸 相适应的模型空腔中，带液态金属冷却凝 固后将铸型打开（或破坏）取出所形成的 铸件毛坯。
一、工艺设计：
确定铸造工艺方案：
首要考虑：浇注位置的选择、铸型分 型面的的选择
还应注意：机械加工余量、拔模斜度、 铸件收缩率、冒口位置及尺寸等等
绘制铸造工艺图：(例如图)
砂型铸造工艺流程
二. 造型和制芯准备
型砂和芯砂由原砂、粘结剂、水及其它附 加物混制
分为：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂
二氧化碳硬化法硬化水玻璃
二.有色合金
常用的有铝合金、铜合金、镁合金、锌合金 1.铝合金：密度小，强度高，浇注温度低、熔化 潜热大、流动性好
牌号：ZL××× 2.铜合金：良好耐磨性及好的导热性、导电性、 耐蚀性好
第三节 液态金属的获得
合格、高质量液态金属的三要求： 具有所需要的温度 杂质含量低 具有所要求的化学成分
一. 铸铁合金的熔炼
蜡模铸造工艺流程： 蜡模制造 结壳 脱模 焙烧
浇注
脱蜡和造型
4－6 离心铸造
离心铸造是将金属液浇入高速旋转 （250～1500r/min）的铸型中，并在离心 力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型 可以是金属型，也可以是砂型。既适合制 造中空铸件，也能用来生产成形铸件。
4-7 几种常用凝固成形方法评价
特点：
1.一型多铸，提高生产率，易于实现自 动化
2.铸件尺寸精度高，表面光洁 3.改善劳动条件，节省造型材料 4.成本高、周期长、且不适宜于复杂铸 件和薄铸件
主要用于：铝、铜、镁等有色金属铸件
4－3 压力铸造
压力铸造是在专用设备—压铸机上进行 的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的 金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固 获得铸件的方法。
性能：力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁 之间， 导热性、抗高温生长及抗氧
化性比其它铸铁好。
牌号：RuT×××，三位数字表示最低 抗拉强度。
四.可锻铸铁
组织：石墨呈团絮状
性能：强度和韧性较灰铸铁高，伸长率最高可 达12％
牌号：KTH×××－××：黑心可锻铸铁 KTZ ×××－××：珠光体可锻铸铁 KTB ×××－××：白心可锻铸铁（三
压铸工艺过程
4－4 低压铸造
低压铸造是采用较压力铸造低的压力 （一般为0.03～0.07Mpa），将金属液从 铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸 件的方法
不带保温炉
带保温炉
1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖； 6-浇道；7-型腔；8-铸型
4－5 熔模铸造
熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采 用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型 材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将 蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后 浇注金属液而获得铸件的铸造方法。
应用最广，分四类(石墨形态不同）： 普通灰铸 铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁；
麻口铸铁：碳部分为石墨，部分为Fe3C，
断口黑白相间的麻点。
2.按化学成分分：普通铸铁、合金铸铁
2-2 灰口铸铁 一. 普通灰铸铁
组织：金属基体(F或P)＋片状石墨 性能：抗拉强度、弹性模量低于钢，塑性几为零， 脆性材料；不可锻和冲压、焊接成形性能差，优 良的铸造及机加工性能； 减震性是钢的10倍左右； 的减磨性能； 缺口敏感性远低于钢；
常用设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉、工频 炉等
冲天炉熔炼：通过焦炭的燃烧放热使固体金属 炉料熔化并过热后成为液态金属
二. 铸钢合金的熔炼
常用平炉、电弧炉、感应电炉熔炼
三. 有色合金的熔炼
对设备要求：
－有利于金属炉料的快速熔化和升温， 熔炼时间短，合金纯净；
－电能消耗率低，热效率高，减少污 染；
种铸铁退火方法不同）
前三位数字为最低抗拉强度（MPa）；后 二位数字为最低伸长率（％）
2-3 铸钢及有色合金
一.铸钢
按化学成分分：铸造碳钢、铸造合金钢 性能：综合力学性能好于各类铸铁，强度高、 优良的塑性和韧性；
良好的焊接性能，铸造性能差于铸铁， 必须进行热处理。
牌号：ZG×××－×××；前组数字为屈服强 度，后组为抗拉强度