材料工程基础课件之铸造篇

体积收缩率：
V
V0 V1 100% V1
线收缩率：
L
L0 L1 L1
100%
其中 V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；
V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。
合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较 大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。
注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利
阶 段 主要影响因素
铸
金属的流动性
充 型 浇注温度
充型压力
造
凝 固 凝固方式
收 缩 冷却速度
1.液态合金的充型能力
➢ 液态合金的流动性：
形成薄壁复杂的铸件
改善金属 有利于 的流动性
排除内部夹杂物和气体 加快凝固中液体的补缩
金属流动性 测试实验
实验如右图所示：
➢ 影响液态合金充型能力的因素： 浇注温度：
柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是 在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。
因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出 现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。
思 考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并 如何实现？
2.合金的收缩性：
定义：合金收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温
汽车 主要用材：钢铁、非铁金属、塑料、橡胶、玻璃等
发 （动钢机板罩，冲压）前（夹窗层钢玻 玻化玻璃 璃璃）或
仪表板 （钢板，冲压） （塑料，注射）
顶盖 （钢板、冲压）
（镁合金，铸造
）
前灯： 透镜（玻璃） 聚光罩（钢板冲压 ）
车门
挡泥板
轮胎
（钢板，冲压） （钢板，冲压）（橡胶，压出）
机器生产过程
原
产生原因： 当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温
度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存 的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小 熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最 后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。
另外，疏松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无 法排除所致。不过，疏松内表面应该是光滑，近似球状。
铸造
热处理
切削
热处理
材
锻压
毛坯
加工
零件
机器
料
焊接
装配
➢ 机器生产过程：原材料——毛坯——零件——机器 ➢ 机器制造方法：原材料选取择与材料改性（热处理）;
毛坯成形（铸、锻、焊等）; 零件成形（切削加工等）与装配。
金属液态凝固成形
铸造成形
汽缸体铸件 端盖铸件
金属塑性成形
锻造 锻件
锻压成形
冲压 冲压件
糊状凝固
铸件在结晶过程中，当结 晶温度范围很宽，且铸件截面 上的温度梯度较小，则不存在 固相层，固液两相共存的凝固 区贯穿整个区域。
中间凝固
大多数合金的凝固是介于逐 层凝固和糊状凝固之间，称为中 间凝固。
讨 论：
一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶 过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。
金属固态连接
焊接 焊接容器
焊接示范
焊接件
金属切削加工成形
车 床
数控车床
切削加工
数控铣床
金属材料加工：
第二章
铸造(金属液态凝固成形)
金
第三章
压力加工(金属塑性成形)
属
热
第四章
金属材料热处理(材料改性) 加
第五章
工
焊接(金属固态连接)
金属切削加工
第二章 铸 造
2.1 铸造成形工艺理论 2.2 铸造合金及熔炼 2.3 铸造成形方法 2.4 特种铸造
定义：铸造是指将液态金属（或合金）充填满铸型
型腔并冷却凝固的过程。
铸造的基本过程：
液态 金属
充型
凝固 收缩
铸件
实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中
凝固和冷却。
砂型铸造概略图
2.1.1 铸造成型工艺特点及分类
1.铸造成型工艺特点
优点：
1）可制造出内腔、外形很复杂的毛坯； 2）工艺灵活性大，适应性广； 3）材料的使用范围广； 4）铸件生产成本较低。
3.6
0.1
3.3～4.2
铸件的缩孔和缩松
➢ 缩孔：
定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件
的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
产生原因：先
凝固区域堵住液 体流动的通道， 后凝固区域收缩 所缩减的容积得 不到补充。
➢ 缩松：
定义：缩松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件
的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。
金属的成形方法可分为铸造、塑性成形（或称压力加 工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大类。
铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其 它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生 产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。
但它的缺点是公差较大，易产生 内部缺陷。
2.1 铸造成形工艺理论
的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。
分类：分为液态收缩、凝固收缩和固态收缩三类。
浇注温度
铸 液态收缩
件 温
液相线温度
体
度 降
凝固收缩
积 收
低
缩
固相线温度
固态收缩
室温
线收缩
收缩率：
体积收缩率是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。是产生缩孔、 缩松的基本原因。
线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。表现为铸件外形 尺寸减少，是逐渐产生内应力、变形和裂纹的基本原因。
缩松
宏观缩松：指用肉眼或放大镜可以看到的细小孔洞，通常出 现在缩孔的下方。 显微缩松：是指分布在枝晶间的微小孔洞，在显微镜下才能 看到。
T浇注↑
δ粘度↓ t凝固↑
流动性↑ 充填路径↑
充型能力↑
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充型压力：
P充型↑
➢ 铸件的凝固方式：
V流动↑
充型能力↑
在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要 是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式 ”就是依据凝固区的宽窄来划分的。
逐层凝固
纯金属和共晶成分的合 金在凝固中因为不存在固液 两相并存的凝固区，所以固 体与液体分界面清晰可见， 一直向铸件中心移动。
2.铸造成型工艺分类
按工艺方法分：砂型铸造和特种铸造。 特种铸造包括：熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、离心 铸造、低压铸造、陶瓷型铸造和消失模铸造等。 按铸型材料分为：砂型铸造、金属型铸造、陶瓷型铸造。 按力场分为：重力铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造。
2.1.2 合金的铸造性能
合金的铸造性能是合金铸造的主要影响因素,主要体现 在二个方面：合金的充型能力和合金的收缩性。
用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸
模型腔的尺寸。
合金 种类
表2-1 典型合金的收缩率εV
碳含量 浇注温度 液态收缩 凝固收缩 固态收缩 （％） （ ℃） （％） （％） （％）
碳钢
0.35 1610
1.6
3.0
7.86
白口铸铁 3.00 1400
2.4
4.2
5.4～6.3
灰口铸铁 3.50 1400