铸造的类型及其过程工艺装备

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。
（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。
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%。
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。
图2.1.49 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）。
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)。
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
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
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
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
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
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。
(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。
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）。
（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。
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。
(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
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。
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。
பைடு நூலகம்
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。
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
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。