铸造的类型及其过程工艺装备

液态成形理论基础
合金的铸造性能是指合金在铸造成形的过 程中获得外形正确，内部无缺陷铸件的能力。 合金的铸造性能通常用合金的流动性、收缩性 等指标来衡量。 （1）合金的流动性 1)基本概念 合金的流动性是指液态合金充满型腔，形成 轮廓清晰，形状完整的铸件的能力，它是合金本 身固有属性，受外界条件的影响。如果合金的流 动性较差，就会产生浇不到与冷隔，如图2.1.44 所示；也不利于气体和非金属夹杂物上浮。（有何办
6）铸造应力、变形和裂纹
铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固 态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力， 这些内应力有时是在冷却过程中暂存的，有时 则一直保留到室温，后者称为残余内应力。铸 造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。
（1）铸造应力（收缩、热、相变应力）与变形 铸件的固态收缩受到阻碍而产生的应力叫铸造应 力。铸造应力分为热应力和机械（收缩）应力。（相变应
模样制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形的 方法叫反变形法。适用于细长易变形铸件。
图2.1.58 床身导轨面的挠曲变形及反变形
⑤裂纹与防止
图2.1.55 机械应力的形成
③铸造应力的减少与防止
机械应力、热应力起因：壁厚不匀、冷速不同;应力 集中，导致裂纹因此，按照铸造过程帮助分析 （操作过程分析法--学习方法4） 1、壁厚均匀、壁与壁过度均匀、热节小而分散； 2、改善砂型与砂芯的退让性（用变形释放应力）； 3、尽量减小各部分温差。如：内浇口开在薄壁处， 厚处安放冷铁---同时凝固原则； 4、（有应力怎么办？）去应力退火（人工时效）， 自然时效。
成分、温度、相变（影响流动性是压力）、铸型。
从上面的讨论可知，浇注温度越高，液态收缩越大； 材料的结晶温度范围越大，凝固收缩越大；材料收缩率 越大，铸件的收缩也越大。
表2.1.3铁碳合金的收缩率（%）
合金种类
碳素铸钢
体积收缩率
10～14.5
线收缩率
～2
白口铸铁
12～14
～2
～1
灰铸铁 5～8 共晶成分的灰铸铁铸造性能好
（薄壁）
把铸型预热到适当温度，可以减少铸型和液体合金之 间的温差，从而减缓合金冷却速度，提高合金流动性。
c.铸型透气性
高温液态合金浇入铸型时，巨大热量会使铸型中的气体 膨胀，型砂中的少量水分还会汽化，煤粉、木屑等有机物会 燃烧产生大量的气体，这些气体会使型腔中的压力急剧升高， 阻碍液态合金流动，降低合金流动性。因此，铸型需有良好 的透气性。
图2.1.54
铸件变形示意图
预防热应力的基本途径是尽量减少铸件各个部位间的温 度差，使其均匀地冷却。
②机械应力（收缩应力）
它是铸件固态收缩时受到铸型阻碍所产生的应力，如图 2.1.55所示。机械应力使铸件产生暂时性的正应力或剪切应 力，这种内应力在铸件落砂之后便可自行消除（属临时应 力）。但它在铸件冷却过程中可与热应力共同起作用，增大 了某些部位的应力，促进了铸件的裂纹倾向。
图2.1.4Βιβλιοθήκη Baidu 缩松的形成过程示意图
5）防止缩孔与缩松的主要措施
缩孔和缩松都使铸件的力学性能下降，缩松还 可使铸件因渗漏而报废。因此，必须依据技术要求， 采取适当的工艺措施予以防止(铸件上不能有孔，但收缩大 的合金缩孔是客观存在的，怎么办？拿馍正吃着才发现手脏了咋办？) 。 实践证明，只要能使铸件实现“定向凝固”(即顺 序凝固)，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩 孔的致密铸件，主要用于铸钢、可锻铸铁等易产生 缩孔的铸件（适合于收缩大或壁厚差大的合金）。
第一章 液态成形
学习方法1：“纲举目张”
绪论
1.1 金属材料液态成形理论基础
1.2 砂型铸造工艺
1.3 常用合金铸件的生产特点
1.4 特种铸造与现代铸造技术简介
1.5 铸件结构工艺性与工艺设计
绪论
金属材料的铸造成形是将液态金属材料浇注到与零件的形状、 尺寸相适应的铸形空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的 生产方法。 以异口径 管为例介绍铸 件的大致生产 过程。
力因小而不计）
①热应力与变形
热应力的形成过程
热应力是铸件在凝固和冷却过程中，各部分冷却速度不 同，致使在同一时期内铸件各部分收缩不一致所引起的应力。
图2.1.53 框形铸件热应力形成过程示意图
热应力的分布和铸件的变形（刚度小时，变形是应力的释放过程）遵循以下规律：
铸件厚壁处或心部受拉应力，受拉应力的部位变形时趋 于缩短向内凹；薄壁或表层受压应力，受压应力的部位变形 时趋于伸长向外凸（象弓箭书中p10图1-8）。 图为床身铸件，其导轨部分较厚，受拉应力；其床身壁 部分较薄、受压应力，于是床身发生朝导轨方向的弯曲。
E S P C
L ＋ F e 3C
D 1227 F
912
G
1148 A + Fe C 3 727
F
600 Q
K
F+A F + F e 3C
0
Fe 0.0218 0.77
2.11
4.3
6 . 6 9( F e 3 C )
Wc / %
简化后的Fe-Fe3C相图。
③铁碳合金的分类
a.工业纯铁 wC ≤0.0218%； b.钢 0.0218%＜ wC ≤ 2.11%； c.白口铸铁 2.11%＜ wC ≤ 6.69%。
2）影响合金流动性的主要因素
①化学成分
（复习与思考） A、纯金属流动性好：一定温度下结晶，流动层表面
光滑，对液流阻力小；
B、共晶成分流动性好：一定…?……力小，且熔点
低，过热度可以较大；
C、非共晶成分流动性差： D、合金中若形成高熔点化合物如MnS，降低 流动，若形成低熔点化合物，提高流动(P可 形成低熔点磷共晶，但易引起铸铁冷脆)。
去应力退火（铸后）
具有残余应力的铸件经机械加工后，应 力将重新分布，使零件缓慢地变形，丧失原 有加工精度，如图2.1.59所示。为此，对不 允许发生变形的铸件，必须及时去应力退火。 去应力退火：将铸件铸后加热到550℃650℃,保温一段时间，随炉缓慢冷却。 因残余应力去除较为彻底，故应用广泛。
图2.1.59 圆柱体铸件变形示意图
铸件的凝固方式
在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即 固相区、凝固区和液相区，其中，对铸件质量影响较大的主 要是液相和固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(图2—3b中S)来划分的。
1．逐层凝固 纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在液、固并 存的凝固区(书中图1—2a)，故断面上外层的固体和内层的液 体由一条界限(凝固前沿)清楚地分开。随着温度的下降，固 体层不断加厚、液体层不断减少，直达铸件的中心，这种凝 固方式称为逐层凝固。
(a)圆柱铸件心部产生拉应力，表层产生 应力；
压
(b)当外表面被加工掉一层后，铸件变短； (c) 当在心部钻孔，铸件变 ； (d)从侧面切去一层，产生弯曲变形；
长
④铸件的变形与防止
a.变形是由应力引起的，如何防止变形？（防应力） b.铸件壁厚尽量均匀、对称
图2.1.57
不同截面件的变形
c.反变形法
图2.1.50
顺序凝固
用“凝固等温线 法”和“内切法”判断 缩孔位置。
图2.1.52 缩孔位置的确定
阀体铸件上易产生 缩孔的热节不止一个， 底部厚大部位无法安装 冒口，该处设置冷铁.
图2.1.51阀体铸件
②选用结晶温度区间小的合金
设计铸件时，在多种合金可选的情况下，因结晶温 度区间小的近共晶合金收缩较小，缩松几率小，故优 先选用。 顺序凝固的缺点是铸件各部分温差大，冷却速度 不一致。
2）铸件收缩的三个阶段
①液态收缩
指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。浇 注温度越高，液态收缩越大。
②凝固收缩
指合金在液相 线至固相线之间凝 固阶段的收缩。
①和②引起缩孔缩
松
③固态收缩
指合金从固相 线温度冷却到室温 时的收缩（应力变 形裂纹）。
图2.1.47 铸件收缩的三个阶段
3）影响收缩的主要因素
4）缩孔与缩松的形成
（1）缩孔
铸件最后凝固 部位形成的空洞， 容积较大的空洞叫 缩孔 。 缩孔多呈倒锥 形，内表面粗糙， 一般隐藏在铸件的 内部。缩孔形成的 过程如图所示。
图2.1.48 缩孔形成过程示意图
（2）缩松
指铸件最后 凝固的区域没有 得到液态金属的 补缩而形成的分 散、细小的孔洞, 如图所示。 形成缩松的 基本原因和缩孔 相同，但是形成 的条件却不同， 它主要出现在结 晶温度区间大的 合金中。
（下边1—4和这里的顺序有所不同，但按照铸造过程帮助分 析的办法，更易记忆。模样-准备造型材料-造型制芯-合 型浇注）
③铸造应力的减少与防止
a.采用同时凝固方法（为什么尽量减少铸件各部分的温差）
图2.1.56
同时凝固过程示意图
• b.改善砂型和砂芯的退让性 木屑、焦炭 末等附加物,控制舂砂紧实度，合理设置浇 冒口。 c. 尽量避免牵制收缩的铸件结构 如壁厚要 均匀、过渡要平滑、热节要小等。 d.去应力退火 将铸件加热到塑性状态，人 工时效或自然时效。一般在机械粗加工之 后，以便将铸造应力和粗加工应力一并消 除。
铸造成形是金属材料主要的成形方法之一。 铸造成形方法之所以被广泛应用，是因为铸造成 形方法与其它金属成形方法相比，具有以下一些 优点：
(1***) 能够制造各种形状的铸件，尤其是内
腔复杂的铸件。铸件的轮廓尺寸大至十几米，小 至几毫米；质量大至数百吨，小至几克。
(2**)能够制造各种尺寸的零件，各种金属材 料都可以铸造成形，尤其是脆性材料，只能用铸 造方法成形，如铸铁等。
2）影响合金流动性的主要因素
问题：
合金的化学 成分对合金的流 动性影响最为显 著；合金的熔点 越低，结晶温度 区间越小，合金 的流动性越好， 反之则越差。
其次，合金 粘度越大其流动 性越差。
图2.1.45 铸钢与铸铁流动性比较
② 浇注条件
a.浇注温度
适当提高液态金属的浇注温度能提高其流动性。
b.充型压力
措施：①选用收缩小的合金，如普通灰铸铁； ② 选用结晶温度区间小的合金防止缩松; ③安放冒口、 加冷铁等实现顺序凝固。
①采用冒口、冷铁的顺序凝固 采用顺序凝固是生产中防止 铸件产生缩孔的有效方法。 顺序凝固是指铸件按规定方向 从一部分到另一部分逐渐凝固的过 程。如图2.1.50所示（书图1-6、 1-7）。
生产上常采用在远离浇口的最高部位开设出气口的办法 来提高铸型透气性。
d.铸型（件）的结构（复杂简单壁厚薄大小）
当铸件壁厚过小，有大的水平面等结构时都使金属 液的流动阻力增大。图2.1.46为盖类铸件的三种浇注方 案。
图2.1.46 盖类铸件的不同浇注位置
（2）铸件的收缩
1）铸件合金收缩的概念
铸造合金的收缩是指液态合金从浇入铸 型、凝固、直至冷却到室温的过程中，其体 积或尺寸的缩减现象。 铸件的收缩是一种物理属性，是形成缩 孔、缩松、变形和裂纹等缺陷的根本原因。
(3*) 设备投资少，原材料来源广泛，价格 低，因此、铸件的成本低廉。 (4) 铸件的形状尺寸与零件非常接近，切 削量小，特别是精密铸件无需再加工,可直接 使用,降低了制造成本。 由于上述优点使得铸造成形成为现代工业 的基础。铸件在机械产品中占有很大的比例， 按质量计在汽车中约占40%～60%,在机床中约 占60%～80%。 缺点：机械性能差，质量不稳定，工序多， 易产生许多缺陷，影响因素复杂。
液态金属在流动方向上受的压力越大，其流动性越好。
③铸型的条件
a.铸型蓄热能力
（思考a\b\c\d）
是指铸型从金属中吸收和贮存热量的能力。铸型材料 导热（书中）系数越小，传递热量的速度越慢，液态合 金保温效果越好，流动性也越好。 砂型蓄热能力比金属型好，液态合金用砂型铸造充型的 能力较强。
b.铸型预热温度
法比较两种材料流动性好坏？）
合金 的流动性 以浇注螺 旋试样的 长度来测 定。
a.浇不到 图2.1.44 b.冷隔 浇不到与冷隔
铁碳合金相图
T℃
在铁碳合 金中，当碳的 质量分数超过 6.69% 时 ， 铁 碳合金没有实 用价值。铁碳 合金相图实际 是 Fe-Fe3C 相 图。
1 5 3 8A
L A L+A
2．糊状凝固
如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较 为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体 层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固 方式与水泥类似，即先呈糊状而后固化，故称糊状凝固。 3．中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间(图1-2b)， 称为中间凝固方式。