机械制造基础-铸造(本)

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金属工艺学
第二篇 铸造
L→A+L
基体组织 石墨形态
金属基体+G 性能 牌号
快冷 P 细小、均匀（少） σb、HB↑ P
中冷 P+F 较粗大（较少） σb、HB较低 P-F
慢冷 F
粗大（多）
σb、HB↓ F
但：机械性
能↓，不宜
锻造，焊接 困难
良好的铸造性能，如流动性好、收缩小 良好的切削加工性能； 高的耐磨性； 良好的吸振缓冲性能； 低的缺口敏感性能。
来自内部：V冷不同引起的收缩不一致（热应力） 相变产生体积变化（相变应力）
上型
机械自动化学院 College of Machinery & Automation
下型
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金属工艺学 内应力：薄压厚拉
第二篇 铸造
T0-T1
均处于塑 性状态
T1-T2 Ⅱ处于弹性状态，
Ⅰ处于塑性状态
+—拉应力 -—压应力
固
表层
液
中心 表层 中心
凝固区
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金属工艺学
第二篇 铸造
收缩的概念
定义：
铸件从液态冷却至室温的过程中，其体积或尺寸 缩减的现象。
合金的收缩经历三个阶段：
T浇
T始晶
T全晶
T室
液态收缩 凝固收缩 固态收缩
缩孔、缩松 内应力、变形、裂纹
金属工艺学
化学成分 化学成分不同，C存在形式不同。
第二篇 铸造
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金属工艺学
第二篇 铸造
措施： 控制浇注温度： T浇↑，流动性↑，but收缩↑，缩孔↑ 设置冒口，实行顺序凝固
薄壁→厚壁→冒口、冷铁（缩孔） 完好铸件。
冒口
金属工艺学 解决缩孔的方法演示： 冒口和冷铁
第二篇 铸造
热节
冷铁
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金属工艺学
第二篇 铸造
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金属工艺学
第二篇 铸造
工艺条件 凡↑流动阻力，↓V流、↑V冷→流动性↓
1.铸型条件：
➢ 表面粗糙度：表面粗糙度↑， ↑流动阻力→流动性↓ ➢ 散热条件V冷不同： 导热率↑→流动性↓（金属、砂型
铸造） ➢ 铸型中气体： 气体↑， ↑流动阻力→流动性↓
产生原因： 型腔中气体受热膨胀
型腔中水分汽化 其它有机物燃烧
充型：液态合金填充铸型的过程，简称充型。 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。
充型能力不足
浇不足 冷 隔
夹砂
气孔 夹渣
充型能力的决定因数
合金的流动性 浇注条件 铸型填充条件
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金属工艺学
第二篇 铸造
合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。
浇口杯 出气口
缩松┅分散细小的孔洞
形成：糊状凝固（发生在最后凝固区） 原因：凝固收缩
特点：糊状凝固（凝固区域宽的合金）易产生缩 松， 凝固区域↑，缩松↑
措施： 合理控制凝固过程（顺序凝固）
缩孔
松缩
第三节 液态成形内应力、变形与裂纹
铸造内应力、变形和裂纹
阻碍
来定自义外界：：铸铸件型的、固型态芯收（缩机受械到应阻力碍）而引 起的应力（铸件内部产生的应力）。
C、Si↑,石墨析出量↑→收缩↓
第二篇 铸造
工艺条件 • 浇注温度 • 铸件结构和铸型条件
Why?
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金属工艺学
第二篇 铸造
缩孔┅大而集中的孔洞
形成：逐层凝固 原因：液态收缩和凝固收缩 特点：逐层凝固易产生缩孔→最后凝固区（热节）
液态收缩↑，凝固收缩↑→缩孔↑
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金属工艺学
凝固等温线法 内切圆法 计算机凝固模拟法
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金属工艺学
第二篇 铸造
合金在铸造时的难易程度称为液态合金的铸造性能
熔化时：不易氧化、吸气 浇注时：易充满型腔 凝固时：不易产生缩孔，化学成分均匀 冷却时：不易变形、开裂
合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺 方案及进行铸件结构设计的依据
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金属工艺学
第二篇 铸造
可锻铸铁 ）；耐磨件：农具、磨球、轧辊
2. 灰口铸铁：碳大部或全部以粗片状石墨形式存在，断口呈暗 灰色。
3. 麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口 之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。
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金属工艺学
第二篇 铸造
根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为： 1．普通灰口铸铁： 简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。 2．可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图b所示。 3．球墨铸铁： 其石墨呈球状。如图c所示。 4．蠕墨铸铁： 其石墨呈蠕虫状。如图d所示。
浇不足
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金影属响工流艺动学性的因素
第二篇 铸造
化学成分：C、Si含量↑；流动性↑
成分
Why？→ 共晶成分：恒温下结晶，流动性↑； 其它成分：两相区内结晶，流动性↓.
含C量：远离4.3%，流动性↓.
合金元素：Si、 Mn、
S、
P
↑流 ↓流去S—MnS—↓流 ↑熔点↑流
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（1）合金种类不受限制； 2．适应性强：（2）铸件大小几乎不受限制。
（3）生产批量不受限制 3．成本低：（1）材料来源广；
（2）废品可重熔； （3）设备投资低。
飞机叶轮
4．对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，液态成形是制 造其毛坯或零件的唯一成型工艺。
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金属工艺学
第二篇 铸造
铸造的缺点：
a
b
c
d
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金属工艺学
第二篇 铸造
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金属工艺学
第二篇 铸造
碳以石墨的形式析出的过程。 通常视石墨化过程充分与否，会 得到不同基体的铸铁组织。
铸铁的基体通常有：➢ 铁素体灰口铸铁
➢ 铁素体—珠光体灰口铸铁 ➢ 珠光体灰口铸铁
影响石墨化的因素
1、化学成分
C、Si→强化石墨元素（综合影响，改善铸铁的铸造性能）
调制
C、Si↑，石墨↑，片粗大→σb、HB↓ C、Si ↓→白口组织
控制 Mn→阻碍石墨化元素（0.6-1.2%），↑基体性能 限制 S（<0.15%）—阻碍石墨化元素（S↑白口倾向↑）FeS→热脆，↓流动性。
P（<0.15%）—对石墨化无影响，↑P 冷脆（P共晶，低熔点）
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金属工艺学
度，内浇口截面积） ✓ 制定合理的浇注工艺（高温出炉，低温浇注）
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金属工艺学
第二篇 铸造
铸件的凝固过程：液相区、凝固区、固相区。 对铸件质量影响较大是液相和固相并存的凝固区的宽窄。
一、铸件的凝固方式
abc
温度 温度
逐层凝固 中间凝固 糊状凝固
液相线
S
液相线 固相线
成分
固
表层
液
中心
➢ 应用广泛：在机器设备中铸件所占比例很大。
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金属工艺学
两箱造型
分模面
第二篇 铸造
零件
木模
砂箱
金属工艺学
第Βιβλιοθήκη Baidu篇 铸造
图零 件
艺铸 图造
工
型砂 模型
熔化
芯盒 芯砂
铸 型 浇注 箱 合
型 芯
清落 理砂 冷却 、 凝固
验检 件铸
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金属工艺学
第二篇 铸造
铸造的优点：
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的 制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。
熔铸特点 — 冲天炉熔炼，出炉温度较高（不应低于1400℃） ，孕育处理 后立即浇注，对型砂退让性要求高。（铸造性能<HT）
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金属工艺学
第二篇 铸造
组织：
P +石墨（团絮）
F
工艺特点：白口坯件+石墨化退火 （C、Si↓）
白口铸铁 →Fe3→C→→C石团92絮0-980℃，保温10-20h →→→ 730 ℃保温20h
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金属工艺学
第二篇 铸造
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金属工艺学
灰口铸铁的孕育处理
第二篇 铸造
孕育处理 — 熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁 水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散 的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光 体上均匀的分布着细片状石墨的组织。
1. 金属液态成形工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难 以控制；
2. 产品质量不够稳定。液态成形零件缺陷较多，易出现 缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷；
3. 产品的力学性能不是很高。由于铸件内部晶粒粗大， 组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料 的塑性成形低。
4. 劳动条件差，三高两弯。
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金属工艺学
普通灰口铸铁牌号与应用
第二篇 铸造
基体：F、P、F+P 生产：铁水熔炼好后直接浇铸 牌号：HTXXX
HT: 表示灰口铸铁中文拼音的代号 XXX: 三位数字表示最抵抗拉强度(MPa) 石墨形态：片状 应用：受力不大，冲击载荷很小，抗震、耐磨场合（床身，箱体， 机架等） 热处理：不需，可去应力退火
第二篇 铸造
V冷↑，石墨来不及析出 → Fe3C（白口） V冷↓，石墨析出并长大 → 粗片石墨（灰口） 7.0
灰口铸铁
（wC+wSi）%
调节
薄↑，V冷↑→白口
铸件壁厚
V冷
厚↑，V冷↓→灰口
6.0
白 5.0 口
铸 4.0 铁
10 20 30 40 50 60 70
铸铁壁厚（mm）
铸型导热率（导热率↑，V冷↑→白口）金属型需预热
T2-T3 Ⅰ、Ⅱ均处 于弹性状态
金属工艺学
第二篇 铸造
热应力的消除方法
铸件的结构尽可能对称 铸件的结构：铸件各部分能自由收缩
铸件的壁厚尽可能均匀
工艺方面：采用同时凝固原则
时效处理：人工时效(退火) 550~650℃；自然时效
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金属工艺学
铸造内应力、变形和裂纹
➢ 产生原因：内应力>铸件屈服强度 ➢ 措施：加裕量法、反变形法
气体反压力
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金属工艺学
高温出炉，低温浇注
第二篇 铸造
浇注温度 陷↑
T↑,t液↑ →流动性↑，but收缩↑，缺
直浇口高度 高度↑，静压力↑ →流动性↑
铸件壁 ↓，V冷↑,t流动性↓ →浇不足、冷隔→规定 最小壁厚
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金属工艺学
第二篇 铸造
✓ 合理选择化学成分（共晶成分） ✓ 制定合理的熔炼工艺（↑T熔） ✓ 制定合理的造型工艺（排气，烘干，↑直浇口高
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金属工艺学
第二篇 铸造
1、型砂铸造(sand casting) 2、特种铸造
特点：铸件性能较好，精度低，效率高
➢熔模铸造(investment casting) ➢消失模铸造 ➢金属型铸造(permanent mold casting) ➢压力铸造(die casting) ➢离心铸造(centrifugal casting)
通常用螺旋试样来测试 合金流动性的优、劣。将合 金液浇入铸型中，冷凝后测 出充满型腔的试样长度。浇 出的试样越长，合金的流动 性越好。
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金属工艺学
第二篇 铸造
合金的流动性好
但 是
散热伴随结晶现象 铸型对金属液的阻力 型腔中气体的作用
➢ 形成轮廓清晰的薄壁复杂件 ➢ 易于夹杂、气体上浮 ➢ 易于补缩
金属工艺学
第二篇 铸造
第二篇 铸造
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金属工艺学
第二篇 铸造
铸造(Casting)：将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相 适 应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得一定形状、尺 寸毛坯或零件的生产方法，称为铸造。 ➢ 历史悠久(4000年以上)
➢ 水平高超：永乐大钟（46.5t，23万字，含金18.6Kg，含 银38Kg）
第一节 铸铁件生产
铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-3.5%）的铁碳合金。 （C、Si、Mn、P、S）
按C存在形式 分类
渗碳体 白口铸铁
石墨
麻口铸铁 灰口铸铁
普通灰口铸铁 可锻铸铁 球墨铸铁
蠕墨铸铁 30
金属工艺学
第二篇 铸造
1.白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。 特点：脆而硬 应用：炼钢原料 ；可锻铸铁毛坯（经长时间高温退火
孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。
组织： 孕育铸铁：P细+G细片
性能
σb=250-350Mpa>HT，HB=170-270，δ≈ 0
冷却速度对其组织和性能的影响很小——断面性能均匀
应用 — 承受冲击载荷或交变载荷不大，要求较高强度、硬度、耐磨性的重 要件、复杂件，特别是厚大截面铸件（床身，汽缸体、缸套及液压件等）。
第二篇 铸造
金属工艺学
铸造内应力、变形和裂纹
第二篇 铸造
产生原因： 内应力>铸件抗拉强度
1 ．热裂
热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内 呈氧化色。
热裂的防止： ① ↓温差，热裂倾向小的合金。 ② ↑铸型和型芯的退让性，↓收缩阻碍，以减小机械应力。 ③ 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，
防止热脆性。
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金属工艺学
第二篇 铸造
2 ．冷裂
冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属 光泽或轻微氧化色。
冷裂的防止：
1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止 冷脆性。
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金属工艺学
第二篇 铸造