第一节 金属液态成形工艺基础1

（2）铸型温度
铸型温度越高，合金液与铸型的温差越小，充型能力越强。
（3）铸型中的气体
铸型的发气量大，排气能力较低时，合金的流动受 到阻碍，充型能力下降。
第一节 金属液态成型工艺基础
3、浇注条件
（1）浇注温度 （2）浇注速度
（3）充型压力
在一定范围内， T浇愈高，流动性愈好。
浇注速度越快，流动性越好。
l 0 l1 线收缩率： l 100 % al (t o t1 ) 100 % l0
式中： V0、V1——合金在t0、t1时的体积（cm3） l0、l1——合金在t0、t1时的长度（cm） aV、al——合金在t0至t1温度范围内的体积收缩系数和 线收缩系数（1/℃）
第一节 金属液态成型工艺基础
即浇注温度与合金熔点 温度（液相线温度）差
（2）在相同浇注温度下，共晶成分合金凝固温度最低，过热度大，推迟 凝固，共晶成分合金的流动性最好。
纯金属和共晶成分的合金是在恒 温下进行结晶的。
第一节 金属液态成型工艺基础
2、影响合金流动性的因素
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点。
其它成分的合金 （1）糊状凝固方式。 其它成分的合金是在一定范围内结晶的。 （2）结晶温度范围越宽，流动性越差。
2、合金的收缩经历如下三个阶段：
（1）液态收缩：合金从浇注温度到凝 固开始温度间的收缩。T浇— Tl （2）凝固收缩：合金从凝固开始温度 到凝固终止温度间的收缩。Tl— Ts （3）固态收缩：合金从凝固终止 温度到室温间的收缩。Ts —T室
合金的液态收缩和凝固收缩通常用体收缩率表示。 合金的固态收缩常用线收缩率来表示。 合金的总体积收缩为上述三个阶段收缩之和。
如各种箱体、机架、机床床身、发动机机体、阀体、泵体和缸盖等。
2、适应性广，工艺灵活性大。
合金的种类不受限制，铸件大小、形状几乎不受限制。
3、成本较低。
（1）材料来源广泛，价格低廉。 （2）可回收废品、废料； （3）铸件毛坯与零件形状相近，节省金属材料和切削加工成本。 （4）设备投资小。
二、金属液态成形的特点：
优点：同时凝固原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；这 种工艺因不设冒口，使工艺简化、并节约了金属材料。 局限性：容易在铸件中心区域产生缩松，影响铸件致密性。 同时凝固原则主要用于凝固收缩较小的合金（如灰铸铁）， 以及壁厚均匀、合金结晶温度范围宽（如铸造锡青铜），但对 致密性要求不高铸件。
第一节 金属液态成型工艺基础
第一章 金属的液态成形
第一节 金属液态成型工艺基础 第二节 砂型铸造 第三节 常用合金的铸造 第四节 特种铸造
第一章 金属的液态成形
一、金属的液态成形（铸造）：
将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝
固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。
二、金属液态成形的特点：
优点：Байду номын сангаас
1、能最经济地制造出外形和内腔很复杂的毛坯或零件。
优点：
1、适用于收缩大的合金或壁厚差大的铸件，如铸钢、球墨铸铁、铝 青铜和铝硅合金等易产生缩孔的合金铸件。 2、冒口补缩作用好，铸件致密度高。
缺点：
1、铸件各部分温差较大，冷却速度不一致，易产生铸造应力、变 形及裂纹等缺陷； 2、冒口消耗金属多，切割费事。
第一节 金属液态成型工艺基础
（3）防止缩松产生的其它措施
液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。
4、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。
（2）铸件复杂程度
铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。
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顺序凝固原则：是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口, 并 同时采用其它工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建
立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位向冒口
的方向顺序地凝固。这样，铸件上每一部分的收缩都能得到稍后 凝固部分的合金液的补充，缩孔则产生在最后凝固的冒口内。
冒口：铸型中特设的空腔，用于储备多余金属液体以弥补 收缩引起的金属液体不足。
顺序凝固图解
温度 缩孔
浇注系统
型腔
3
2
1 距离
冒口
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冒口 难以设臵冒口 的厚大部位
切除 安放冷铁
无缩孔的致密铸件 以加快该部位的冷却速度， 以控制铸件的凝固顺序。
冷铁：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。常用铸 钢或铸铁加工制成.
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顺序凝固原则的优、缺点：
热应力的形成
热应力形成规律：
不均匀冷却，使铸件的缓冷处（厚壁或心部）受拉应力，快 冷处（薄壁或表层）受压应力。
第一节 金属液态成型工艺基础
2、机械应力的形成
机械应力是合金的线收缩（固态收缩）受到铸型或型芯等的机 械阻碍而形成的内应力（也称为收缩应力）。 机械应力（使铸件产生拉伸或剪切应力），是暂时存在的。
选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金，是防止缩松 产生的有效措施； 加大铸件的冷却速度，如采用热节处安放冷铁，使处于液—
固两相区的截面变窄，从而减少缩松。
加大结晶压力，可以破碎枝晶，减少其对金属液的流动阻力， 从而达到部分防止缩松的效果。
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（三）铸造内应力
铸造内应力：铸件在凝固之后的继续冷却过程中，若固态收缩受到阻 碍，将会在铸件的内部产生内应力，称为铸造内应力。 铸造内应力有热应力和机械应力两类。
二、合金的收缩
（一）收缩的概念
液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的 现象称为收缩。 收缩能使铸件产生缩孔、缩松、裂纹、变形和内 应力等缺陷。
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1、收缩率
合金的收缩量通常用体收缩率或线收缩率来表示。
当温度自t0下降到t1时：
V0 V1 体收缩率： V 100 % aV (to t1 ) 100 % V0
1、热应力的形成
由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期铸 件各部分收缩不一致而相互制约引起。 热应力一经产生就不会自行消除，故又称为残余内应力。
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弹—塑临界温度：指金属从弹性状态向塑性状态转变的温度。
在临界温度以上，金属处于塑性状态，应力可以通过塑性变形消除。 在临界温度以下，金属处于弹性状态，应力不能通过弹性变形消除。
（1）缩孔和缩松位置的确定
热节：在凝固过程中，铸件内比 周围金属凝固缓慢的节点或局部区域。
缩孔和缩松都易出现在铸件中冷却凝固缓慢的厚壁热节处。 热节部位的确定：画“凝固等温度线法”或“内切圆法”
缩孔位置的确定
a）等温线法 b）内切圆法
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（2）“顺序凝固原则”
防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使 铸件实现“顺序凝固（定向凝固）” 。
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（1）缩孔的形成：恒温或很窄温度范围内结晶的合金，铸件壁
以逐层凝固方式进行凝固的条件下，容易产生缩孔。
缩孔形成过程动画
缩孔通常出现在铸件上部或最后凝固部位，其形状不规则，多呈倒圆锥 形，孔壁粗糙。
合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，越易形成缩孔。 铸件中因温差大而由低温到高温顺序凝固的厚壁部位，易出现缩孔。
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1、合金的流动性：是指熔融合金自身的流动能力。
流动性差：铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂等铸造缺陷。 流动性好：熔融合充满型腔的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整
和轮廓清晰的铸件。
流动性的高低常用浇注螺旋形流动性试样的长度来衡量。
在相同的浇注工艺条件下，将 金属液浇入铸型中，测出其实 际螺旋线长度。浇出的试样愈 长，合金的流动性愈好！
砂型 砂型 金属型（300℃） 砂型 砂型 砂型
1600 1640 680～720 700 1040 1100
灰铸铁的流动性最好；硅黄铜、硅铝明次之； 铸钢的流动性最差。
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2、影响合金流动性的因素
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点。
纯金属和共晶成分的合金流动性好。 （1）逐层凝固方式。
缺点：
1、废品率较高。
2、铸件力学性能较差。 3、劳动强度大，条件差，环境污染严重。 4、大多数铸件只是毛坯件，需经过切削加工才能成为零件。
三、砂型铸造的工艺过程
型砂
零 件 图 铸 型 浇注 型 芯 合 冷却
铸 造 工 艺 图
模型 合金熔化 芯盒 芯砂
箱 凝固
落 砂 、 清 理
检 验
铸 件
模型（模样）：模样用来造型，制得型腔以形成铸件的外形。 芯盒：型芯盒用来造芯，大多以形成铸件的内腔为主。 在单件、小批量生产中其材质广泛采用木材来制造，故又称为木模。在大批 量生产中其材质常用铝合金（又称金属模）或塑料来制造。
砂型铸造的生产工艺流程
第一节 金属液态成型工艺基础
合金的铸造性能：
合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能。通常是指流动 性、收缩性、吸气性和偏析等。
一、熔融合金的流动性及充型
（一）合金流动性的概念
充型：熔融合金充填铸型的过程。 充型能力：是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的 优质铸件的能力。
+
—
+
—
T型梁结构
框架结构
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2、铸件变形的防止
（1）减小铸造内应力或形成平衡内应力 （2）反变形法 （3）设防变形拉筋 （4）去应力退火
反变形法：为防止铸件翘曲变形，在制造模样时，按铸件可能产生变形 的反方向做出反变形模样，使铸件变形后的结果正好将反变形量抵消， 得到符合设计要求的铸件。
第一节 金属液态成型工艺基础
（二）缩孔和缩松 1、缩孔和缩松的形成
液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收 缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。 大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。
缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应 力集中，导致力学性能下降，同时也影响铸件的气密性。
（2）改善铸型和型芯的退让性。（可有效减小机械应力）
型芯、砂型加入木屑、焦碳末等附加物，控制舂砂松紧度。
（3）去应力退火。（可消除残余内应力 ）
将落砂清理后的铸件加热到（塑性状态，灰铸铁中、小件为） 550～650℃之间保温（3～6h后缓慢冷却）。
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（四）铸件的变形
1、铸件的变形
温度，T
共晶点
碳钢
铸铁
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Fe-C合金的流动性与含碳量的关系
亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐 渐提高，愈接近共晶成分，合金的流动性愈好。
第一节 金属液态成型工艺基础
（二）影响熔融合金充型的条件 1、合金的流动性 2、铸型特点
（1）铸型的导热速度
铸型材料的导热速度大，合金液的冷却速度加快，使流动性变差。
第一节 金属液态成型工艺基础
（2）缩松的形成：结晶温度范围较宽的合金，以糊状凝固方式 进行凝固的条件下，容易产生缩松。
缩松形成过程动画
缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口 附近或缩孔的下方。
铸件中因温差小而同时凝固的厚壁中心部位易形成缩松。
第一节 金属液态成型工艺基础
2、缩孔和缩松的防止
厚薄不均匀、截面不对称的细长的杆类（梁、床身）、薄大板 类（平板），当铸造内应力超过铸件材料的屈服极限时，铸件的弯 曲或翘曲变形最为明显。
铸件产生热应力与变形的规律： 内应力薄压厚拉 变形方向恰相反 ① 薄壁、细小部位：冷得快， 受压应力（凸出）； ② 厚壁、粗大部位：冷得慢， 受拉应力（凹进）。
第一节 金属液态成型工艺基础
3、减小、消除应力的措施 （1）“同时凝固原则”及实施。
同时凝固原则：尽量减小铸件各部位之间的温度差异，使铸件各部
位同时冷却凝固，从而减小因冷却不一、收缩不一引起的热应力。
同时凝固的具体工艺：将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却；
再在铸件厚壁处放臵冷铁，以加快其冷却。
流动性
表1—1为常用铸造合金的流动性（砂型，试样截面8×8mm） 合金种类 铸铁 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% 铸钢 wC=0.4% 铝硅合金（硅铝明） 镁合金（含Al和Zn） 锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%） 硅黄铜（wSi=1.5%～4.5%） 铸型种类 浇注温度 /℃ 1300 螺旋线长度/㎜ 1800 1300 1000 600 100 200 700～800 400～600 420 1000