铸造成形工艺原理
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2.1 液态金属对铸型的充型
充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、 轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能 力，简称液态金属的充型能力。
液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能 力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件 结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。
1) 金属的流动性
2）铸件的凝固方式
凝固区域：固相区、凝固区和液相区
铸件的凝固方式：
1.逐层凝固 纯金属或共晶成分合金凝固过程中不存在液、固并存现象，其断面上固相 和液相由一条界线清楚地分开，液固界限清楚分开，称为逐层凝固。常见合金如灰铸 铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。
3）浇注条件的影响 对于砂型铸造，浇注温度越高，温度梯度越小。对于金属型铸造，影响不大。 4）铸件结构
1）铸件的壁厚。铸件的厚度越大，温度梯度越小。 2）铸件的形式。外凸曲面的冷却速度>平面的冷却速度>内凹曲面的冷却速度。
Hale Waihona Puke Baidu铸件的凝固时间：
铸件的凝固时间：从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的 时间。 凝固速度：单位时间凝固层增长的厚度。 铸件的凝固时间可用以下经验公式计算：
铸型具有一定的发气能力，有利于充型。但如果铸型的 发气量过大，则阻碍充型。
3）浇注条件
a) 浇注温度 一般浇注温度越高，液态金属的充型能力越强。
常用合金的流动性
表1-1
合金 铸铁：w(C+Si)=6.2% w(C+Si)=5.9% w(C+Si)=5.2% 砂型
（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
铸型 浇注温度/℃ 1300 1300 1300 螺旋线长度/mm 1800 1300 1000
b) 铸件复杂程度
填就困难。
铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充
提高充型能力的措施：
1）铸型性质方面： 提高铸型温度；增加铸型热阻；提高铸型的排气能力；减 小铸型的发气速度。
2）浇注条件方面： 提高浇注温度；提高充型压头；简化浇注系统；增大浇口 面积。
2.2 铸件的凝固
铸件的凝固是指金属或合金在铸型中由液态转变为固态的过 程。 2.2.1 铸件的温度场
300 200 100 0 80 60 40 20 0
温度 （℃）
a）在恒温下凝固
流动性 （cm）
b）在一定温度范围内凝固
40 60 80
Pb 20
Sb
合金的充型能力与成分之间的关系
b) 影响金属流动性：结晶潜热
对于纯金属和共晶成分合金，结晶潜热越多，流动性越好。 对结晶温度范围较宽的合金，对流动性影响不大。但是， 当初生晶为非金属或者合金能在液相线以下呈液固混合状 态，结晶潜热可能是一个重要的因素。
影响铸件温度梯度的主要因素：
1）金属性质的影响 A：金属的热扩散率。热扩散率越大，铸件断面的温度梯度越小。 B ：结晶潜热。结晶潜热越大，铸件断面的温度梯度越小。 2）铸型性质的影响
A ：铸型的蓄热系数。蓄热系数越大，铸件中的温度梯度越大。 B ：铸型的预热温度。铸型的预热温度越高，铸件的温度梯度越小。
c) 影响金属流动性：比热容和导热系数
比热大，则流动性好；导热大，则流动性差。
d) 影响金属流动性：黏度和表面张力
粘度对层流影响较大，对紊流影响不大。表面张力对 薄壁件影响较大。
2) 铸型性质
铸型的阻力影响金属液的充型速度，铸型与金属 的热交换强度影响金属液保持流动的时间。
a) 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。 蓄热能力越大，则充型能力下降。 b) 铸型的温度 预热铸型减小金属与铸型的温差，从而 提高金属液的充型能力。 c) 铸型中的气体
b)充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力 越强。
c)浇注系统的结构 充型能力越差。
浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，
4）铸件结构
a) 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。
流动性定义： 液态合金充满型腔，形成轮廓清
晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。
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！
a)合金成分
纯金属和共晶成分的合金，流动性最好；其它成分的合金是在 一定温度范围内结晶的，合金的流动性大大下降，合金的结晶 温度区间越宽，流动性越差 。
2. 糊状（体积）凝固 合金的结晶温度范围很宽，温度分布较平坦(内外温度较小)， 整个断面内均为液固并存，先呈糊状而后固化，称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、 锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。
3. 中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固 方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。
影响铸件凝固方式的主要因素：
合金结晶温度范围和铸件断面温度梯度
（1）合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小，凝固 区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。如两条相线之间的距离很 大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间 凝固方式。 （2）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下， 凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。增大温度 梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件 的凝固方式向糊状凝固转化。
w(C+Si)=4.2%
铸钢：w(C)=0.4% 砂型 金属型() 砂型
1300
1600 1640 680～720 700 1040 1100 砂型
600
100 200 700～800 400～600 420 1000
铝硅合金 镁合金（Mg-Al-Zn） 锡青铜：w(Sn)=9%～11% w(Zn)=2%～4% 硅黄铜：w(Si)=1.5%～4.5%
温度场决定了铸件状态变化规律，如凝固前沿位置及推进情况，凝固区域大 小及变化，凝固时间，缩孔、缩松的部位等。 温度场是进行浇注系统设计以及冒口、冷铁、铸型材料及其他各种工艺设计 的重要依据。 温度场也是进行流场、浓度场、应力场以及组织性能分析的基础，直接影响 着偏析、应力、裂纹的形成。
温度场的测量
充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、 轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能 力，简称液态金属的充型能力。
液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能 力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件 结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。
1) 金属的流动性
2）铸件的凝固方式
凝固区域：固相区、凝固区和液相区
铸件的凝固方式：
1.逐层凝固 纯金属或共晶成分合金凝固过程中不存在液、固并存现象，其断面上固相 和液相由一条界线清楚地分开，液固界限清楚分开，称为逐层凝固。常见合金如灰铸 铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。
3）浇注条件的影响 对于砂型铸造，浇注温度越高，温度梯度越小。对于金属型铸造，影响不大。 4）铸件结构
1）铸件的壁厚。铸件的厚度越大，温度梯度越小。 2）铸件的形式。外凸曲面的冷却速度>平面的冷却速度>内凹曲面的冷却速度。
Hale Waihona Puke Baidu铸件的凝固时间：
铸件的凝固时间：从液态金属充满铸型后至凝固完毕所需要的 时间。 凝固速度：单位时间凝固层增长的厚度。 铸件的凝固时间可用以下经验公式计算：
铸型具有一定的发气能力，有利于充型。但如果铸型的 发气量过大，则阻碍充型。
3）浇注条件
a) 浇注温度 一般浇注温度越高，液态金属的充型能力越强。
常用合金的流动性
表1-1
合金 铸铁：w(C+Si)=6.2% w(C+Si)=5.9% w(C+Si)=5.2% 砂型
（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
铸型 浇注温度/℃ 1300 1300 1300 螺旋线长度/mm 1800 1300 1000
b) 铸件复杂程度
填就困难。
铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充
提高充型能力的措施：
1）铸型性质方面： 提高铸型温度；增加铸型热阻；提高铸型的排气能力；减 小铸型的发气速度。
2）浇注条件方面： 提高浇注温度；提高充型压头；简化浇注系统；增大浇口 面积。
2.2 铸件的凝固
铸件的凝固是指金属或合金在铸型中由液态转变为固态的过 程。 2.2.1 铸件的温度场
300 200 100 0 80 60 40 20 0
温度 （℃）
a）在恒温下凝固
流动性 （cm）
b）在一定温度范围内凝固
40 60 80
Pb 20
Sb
合金的充型能力与成分之间的关系
b) 影响金属流动性：结晶潜热
对于纯金属和共晶成分合金，结晶潜热越多，流动性越好。 对结晶温度范围较宽的合金，对流动性影响不大。但是， 当初生晶为非金属或者合金能在液相线以下呈液固混合状 态，结晶潜热可能是一个重要的因素。
影响铸件温度梯度的主要因素：
1）金属性质的影响 A：金属的热扩散率。热扩散率越大，铸件断面的温度梯度越小。 B ：结晶潜热。结晶潜热越大，铸件断面的温度梯度越小。 2）铸型性质的影响
A ：铸型的蓄热系数。蓄热系数越大，铸件中的温度梯度越大。 B ：铸型的预热温度。铸型的预热温度越高，铸件的温度梯度越小。
c) 影响金属流动性：比热容和导热系数
比热大，则流动性好；导热大，则流动性差。
d) 影响金属流动性：黏度和表面张力
粘度对层流影响较大，对紊流影响不大。表面张力对 薄壁件影响较大。
2) 铸型性质
铸型的阻力影响金属液的充型速度，铸型与金属 的热交换强度影响金属液保持流动的时间。
a) 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。 蓄热能力越大，则充型能力下降。 b) 铸型的温度 预热铸型减小金属与铸型的温差，从而 提高金属液的充型能力。 c) 铸型中的气体
b)充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力 越强。
c)浇注系统的结构 充型能力越差。
浇注系统的结构越复杂，流动阻力越大，
4）铸件结构
a) 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。
流动性定义： 液态合金充满型腔，形成轮廓清
晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力。
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！
a)合金成分
纯金属和共晶成分的合金，流动性最好；其它成分的合金是在 一定温度范围内结晶的，合金的流动性大大下降，合金的结晶 温度区间越宽，流动性越差 。
2. 糊状（体积）凝固 合金的结晶温度范围很宽，温度分布较平坦(内外温度较小)， 整个断面内均为液固并存，先呈糊状而后固化，称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、 锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。
3. 中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固 方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。
影响铸件凝固方式的主要因素：
合金结晶温度范围和铸件断面温度梯度
（1）合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小，凝固 区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。如两条相线之间的距离很 大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间 凝固方式。 （2）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下， 凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。增大温度 梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件 的凝固方式向糊状凝固转化。
w(C+Si)=4.2%
铸钢：w(C)=0.4% 砂型 金属型() 砂型
1300
1600 1640 680～720 700 1040 1100 砂型
600
100 200 700～800 400～600 420 1000
铝硅合金 镁合金（Mg-Al-Zn） 锡青铜：w(Sn)=9%～11% w(Zn)=2%～4% 硅黄铜：w(Si)=1.5%～4.5%
温度场决定了铸件状态变化规律，如凝固前沿位置及推进情况，凝固区域大 小及变化，凝固时间，缩孔、缩松的部位等。 温度场是进行浇注系统设计以及冒口、冷铁、铸型材料及其他各种工艺设计 的重要依据。 温度场也是进行流场、浓度场、应力场以及组织性能分析的基础，直接影响 着偏析、应力、裂纹的形成。
温度场的测量