第二章 铸造成形

到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远 离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固， 如图2-10所示， 使缩孔转移到冒口中。
适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸 件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。动画演示
（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺
内浇道的引入位置应按照顺序凝
固原则确定；浇注温度和浇注速度应
图2-12 热应力的形成
2.收缩应力
由机械阻碍产生，一般都是拉应力，在形成应力的 原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残 留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸 件将产生裂纹。如图2-13所示。
3.减小和消除铸造应力的措施
1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚 均匀，壁之间连接均匀等。
铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力； 用充型能力、收缩性等来衡量。
2.1.2.1 充型能力
充型能力：熔融金属或合金充满铸型型腔，获得形 状完整、轮廓清晰铸件的能力。主要影响因素有：
1. 金属或合金的流动性
流动性是熔融金属的流动能 力，合金的流动性用浇注流动性 试样的方法来衡量，一般采用如 图 2-3 所 示 的 螺 旋 形 试 样 。 流 动 距离越长，表明流动性越好。
图2-3 螺旋形标准试样
决定合金流动性的主要因素有：
1）合金的种类。
2）合金的成分。同种合金，成 分不同，其结晶特点不同，流 动性也不同。如图2-4所示铅锡 合金的流动性与相图的关系；
纯金属和共晶合金在恒温下结 晶，为逐层凝固方式，如图2-1a 所示，凝固层表面光滑，阻力
小，故流动性好，同时共晶合
和线收缩系数（1 0C ）
合金的收缩过程可分为三个阶段：如图2-6所示。
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。
2）凝固收缩。指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收 缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金 属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。
3）固态收缩。指合金 从固相线温度冷却到室 温时的收缩。用线收缩 率表示。它对铸件形状 和尺寸精度影响很大， 是铸造应力、变形和裂 纹等缺陷产生的基本原 因。
1.热应力
由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一 种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形 成过程，如图2-12所示，其热应力形成过程分三阶段。
第一阶段，两者都塑性 变形，无热应力；
第二阶段，一塑性，一 弹性，仍无热应力；
第三阶段，两者均弹性 变形，冷却慢的受拉， 快的受压。残留热应力 和合金的弹性模量、线 收缩系数、铸件各部分 壁厚差别及温度差成正 比。 动画演示
1. 缩孔和缩松的形成 （1）缩孔的形成 形成条件，金属在恒温或很窄的温度 范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。形成过程如 图2-7所示：动画演示
缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值 大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件 最后凝固区域，此区域也称热节。
图2-7 缩孔形成过程示意图
2. 缩孔和缩松的防止 一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但
其总容积基本一定，如图2-9所示。
防止缩孔和缩松的 基本原则是：采用 合理的工艺条件， 使缩松转化为缩孔， 并使缩孔移至冒口 中。
图2-9铁碳合金成分与体积收缩率的关系
（1）按照顺序凝固原则进行凝固
是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分
2）尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。
3）采用同时凝固的工艺。如图2-14所示，各部分温差小， 不易产生热应力。主要用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶 范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜 铸件等。
4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。
5）对铸件进行时效处理。自然时效、热时效（去应力退 火）和共振时效。
a)
b)
c)
图2-6 铸造合金收缩过程示意图
a) 合金状态图 b) 一定温度范围合金 c) 共晶合金 I—液态收缩 II—凝固收缩 III—固态收缩
2. 影响收缩的因素
1）化学成分; 2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大; 3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度 不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻 力。
4. 影响铸件凝固方式的因素
1）合金的结晶温度范围: 结晶温度范围越小，凝固区域 越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾 向于逐层凝固，高碳钢、远共晶成分铸铁倾向于糊状凝 固。
2）铸件的温度梯度：在合金的结晶温度范围已定时，若铸 件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝 固。如图2-2所示。
4）劳动条件较差,劳动强度较大。
铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的 机器设备中铸件占很大比重。如表2-1所示。
表2-1 各类机械工业中铸件重量比
机械类别
%
机床、内燃机、重型机器 风机、压缩机 拖拉机 农业机械 汽车
70~90 60 ~ 80 50 ~ 70 40 ~ 70 20 ~ 30
1）逐层凝固：纯 金属或共晶成分的 合金的凝固，如图 2-1a；
2）糊状凝固：结 晶温度范围很宽的 合金的凝固，如图 2-1c；
图2-1 铸件的凝固方式
a)逐层凝固 b)中间凝固 c)糊状凝固
3）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合 金为此凝固方式，如图2-1b所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金充型能 力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。而糊状凝固时， 充型能力差，易产生缩松。
2.1.3.3 铸件的变形与裂纹
1.铸件的变形
残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲 变形。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度 不够时，将产生如图所示的变形。再如图2-17所示的车床 床身的变形。
图2-15 框架铸件的变形
图2-16 T形梁的变形
防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法； 同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力 退火消除机械应力。
三者综合应用是消除缩孔缩松的有 效措施，如图2-11所示。
动画演示
图2-11 冒口冷铁的作用
2.1.3.2 铸造应力
铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可 分为热应力和收缩应力； 热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而 引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。 机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由其引起的应 力称机械应力（收缩应力）。
2.1.3 铸造性能对铸件质量的影响
收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原 因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹 杂、缩孔、热裂等缺陷。
2.1.3.1 缩孔和缩松
凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的 孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使 铸件力学性能大大降低，以致成为废品。
防止热裂的措施：
➢ 应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；
➢ 提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；
➢合理设计浇道、冒口； ➢对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。
2）冷裂 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。 其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶 粒而发生，外形规则，常是圆滑曲线或直线。防止方法 是尽量减少铸造应力。
体收缩率 线收缩率
V

V0 V0
V1
100
%

V
t0
t1 100 %
l

l0 l1 l0
100 %
l t0
t1 100 %
式中 V0 、V1 ——合金在 t0 、t1 时的体积（m3）； l0 、l1 ——合金在 t0 、t1 时的长度（ m ）； V 、 l ——合金在 t0 至t1 温度范围内的体收缩系数
2）液态金属的性质：具有粘度和表面张力。
2. 液态金属的凝固 液态金属由液态转变为固态的过程，包括形核和长
大两个过程。得到的凝固组织（铸态晶粒形态、大小、 分布、缺陷等）取决于成分、冷却速度、形核条件等。
3. 铸件的凝固方式
在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相 区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。 铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图2-1。
金熔点最低，故流动性最好。
而亚共晶合金，为中间凝固方 式，复杂枝晶阻碍流动，故流
图2-4铅锡合金的流动性与相图的关系
动性差，如图2-1c所示。
3）杂质和含气量。固态夹杂物使粘度增加，流动性下降； 如灰铁中的MnS；含气量越少，流动性越好。
2. 浇注条件
1）浇注温度越高，保持液态的时间越长，流动性越好； 温度越高，合金粘度越低，阻力越小，充型能力越强。 故提高浇注温度能有效提高充型能力；但过高吸气量和 总收缩大，易产生铸造缺陷。故在保证充型能力的前提 下温度应尽量低。生产中薄壁件常采用较高温度，厚壁 件采用较低浇注温度。
2.铸件的裂纹：
当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂 纹。可分为热裂和冷裂。
1）热裂 在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧 化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而 不规则；裂纹短，缝隙宽。
产生原因：凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和 塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能 引起热裂。分布在应力集中处或热节处。
第1节 液态成形理论基础
2.1.1 金属的凝固 2.1.2 金属与合金的铸造性能 2.1.3 铸造性能对铸件质量的影响
2.1.1 金属的凝固
1. 液态金属的结构与性质
1）液态金属的结构：固态金属经加热变为熔融状态即得 液态金属，是由呈有序排列的游动原子集团组成，其结 构与原有固体结构相似，但热运动剧烈，温度越高，热 运动越剧烈，原子集团越小，游动越快。