第七章 金属液态成形
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金属液态成形工艺概述
得毛坯或零件的金属材料加工成形方法。
铸造产品称为： 铸件、铸锭、铸坯、铸带等
一、金属液态成形工艺特点
1. 适应性强
铸件重量：几克 ~ 几百吨 铸件壁厚：0.5 毫米 ~ 1 米 铸件长度：几毫米 ~ 十几米 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、
镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等
速箱体（灰口铸铁）
精密铸造件（不锈钢）
水轮机铸件（铜合金）
箱体（铝合金）
叶轮（钛合金）
一、金属液态成形工艺特点
1. 适应性强
铸件重量：几克 ~ 几百吨 铸件壁厚：0.5 毫米 ~ 1 米 铸件长度：几毫米 ~ 十几米 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、
镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等
铸造方法几乎不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。
轧辊
异型件
装饰件
工艺品
一、金属液态成形工艺特点
2. 尺寸精度高
铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。
一、金属液态成形工艺特点
2. 尺寸精度高
铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。
形成的先进铸造技术
精密、优质化
精密成形与加工 近无缺陷成形
数字、网络化
数字造型 虚拟制造
网络制造
精确铸造成形 金属熔体的纯净化、致密化
铸造工艺CAD，铸造模具CAD/CAM一体化 铸造过程宏观模拟及工艺优化 铸件组织微观模拟及性能预测 分散网络化铸造系统
高效、智能化
快速制造 自动化制造系统
智能制造
快速原形及快速制模 铸造过程自动检测与控制，铸造机器人的应用
铸造产品称为： 铸件、铸锭、铸坯、铸带等
一、金属液态成形工艺特点
1. 适应性强
铸件重量：几克 ~ 几百吨 铸件壁厚：0.5 毫米 ~ 1 米 铸件长度：几毫米 ~ 十几米 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、
镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等
速箱体（灰口铸铁）
精密铸造件（不锈钢）
水轮机铸件（铜合金）
箱体（铝合金）
叶轮（钛合金）
一、金属液态成形工艺特点
1. 适应性强
铸件重量：几克 ~ 几百吨 铸件壁厚：0.5 毫米 ~ 1 米 铸件长度：几毫米 ~ 十几米 铸件材质：铁碳合金（鋳铁、鋳钢）、铝合金、铜合金、
镁合金、锌合金、钛合金、复合材料等
铸造方法几乎不受零件大小、形状和结构复杂程度的限制。
轧辊
异型件
装饰件
工艺品
一、金属液态成形工艺特点
2. 尺寸精度高
铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。
一、金属液态成形工艺特点
2. 尺寸精度高
铸件比锻件、焊接件的尺寸精度高，更接近于零件的尺 寸，可节约大量的金属材料和机械加工工时。
形成的先进铸造技术
精密、优质化
精密成形与加工 近无缺陷成形
数字、网络化
数字造型 虚拟制造
网络制造
精确铸造成形 金属熔体的纯净化、致密化
铸造工艺CAD，铸造模具CAD/CAM一体化 铸造过程宏观模拟及工艺优化 铸件组织微观模拟及性能预测 分散网络化铸造系统
高效、智能化
快速制造 自动化制造系统
智能制造
快速原形及快速制模 铸造过程自动检测与控制，铸造机器人的应用
金属材料成型基础之金属液态成型(ppt 101页)_5572
§1-2 液态金属的凝固与收缩
一、铸件的凝固方式
温度 温度
1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固
a bc
液相线
S
液相线 固相线
影响铸件凝固方 成分 式的主要因素 ：
固
表层
液
中心
（1）合金的结晶温度范围
固
表层
液
中心 表层 中心
凝固区
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 。
浇口杯
出气口
流动性（cm）
温度（℃）
30 0 20 0 10 00
80
60
40
20
0
Pb
20
40
60
80 Sb
合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点
温度（℃）
流动性（cm）
300 200 100
0 80 60 40 20 0
Pb 20 40 60 80 Sb
a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固
上型
合金的线收缩受到铸型、 型芯、浇冒系统的机械阻 碍而形成的内应力。
机械应力是暂时应力。
下型
2．热应力
热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。
T
1
TH
1
Hale Waihona Puke 2塑性状态++-
t0~t1: t1~t2： t2~t3：
11
T临
22
2
T室
弹性状态
t
二、浇注条件
（1）浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。 （2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大，
金属的液态成形原理资料PPT课件
合金成分和温度
铸件的收缩
铸型、型芯条件
铸件结构
第23页/共47页
常用铸造合金的收缩率
合• 金铸造合含金从碳浇量注，凝固浇直注到至冷却液到态室温的过凝程固中，其体固积或态尺寸缩总减收的现缩 种类象，称（为收%缩）。收缩是温铸度件产生缩收孔缩、缩松、收裂缩纹、变形收的根缩源。 （%）
• 液态收缩
铸造• 碳钢•
（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。
第34页/共47页
（2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾 向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其 表层组织致密。
1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中,体
积和尺寸减少的现象---.是铸件许多缺陷(缩孔,缩松, 裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因.
收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 — T液） : 从金属液浇入铸型到开始 凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始凝 固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 — T固）: 从凝固开始到凝固完毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率大.如 : 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 — T室） : 凝固以后到常温. 固态 体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影响 铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.
铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸 件
产生变形和裂纹的基本原因。
按阻碍收缩的原因分为：
1）热应力
金属液态成形教学课件.
三种凝固方式示意图
铸件质量与其凝固方式密切相关。一般，逐层凝 固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松；糊 状凝固，则难以获得结晶紧密的铸件。
影响凝固方式的因素
• 合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小, 凝固区愈窄，愈倾向于逐层凝 固；反之，则倾向于逐层凝固。 铸件的温度梯度 当合金成分已确定，凝固 区的宽窄，取决于其内外层的 温度梯度。铸件的温度梯度愈 大，凝固区愈窄，愈倾向于逐 层凝固。铸件的温度梯度愈小 ， 凝固区愈宽，愈倾向于糊 状凝固。
合金的总收缩为上述三种收缩的总和。其中 液态收缩和凝固收缩形成铸件的缩孔和缩松，固 态收缩使铸件产生内应力、变形和裂纹。
合金的收缩量可用体收缩率和线收缩率来表示。 体收缩率：单位体积的变化量。 线收缩率：单位长度的变化量。
• 液态收缩时，合金从浇注温 度冷却到液相线温度。（体 收缩） • 凝固收缩时，合金从液相线 温度冷却到固相线温度。 （体收缩） • 固态收缩时，合金从固相线 温度冷却到室温。 （线收缩）
• 同时凝固原则适用于收缩小或壁厚均匀的薄壁铸件，采用同时凝 固原则，铸件热应力小，但在铸件中心往往产生缩松。
• 对结构复杂的铸件，既要避免产生缩孔和缩松，又要减小热应力， 防止变形和裂纹，这两种凝固原则可同时采用。
• 合理应用冒口、冷铁等工艺措施 冒口一般设置在铸件厚 壁和热节部位，尺寸应保证 比补缩部位晚凝固，并有足 够的金属液供给，形状多为 园柱形。 冷铁通常是用铸铁、钢 和铜等金属材料制成的激冷 物，与冒口配合，可扩大冒 口的有效补缩距离。
防止措施：使芯撑、冷铁表面保持干燥，无油无 锈。
1.合金的流动性
（1）慨念： 指液态金属的流 动能力，在铸造过程中即表现 为液态金属充填铸型的能力。 合金流动性的大小，通常以螺 旋形试样的长度来衡量。
第七章 金属液态成型
一、合金铸造性能对铸件结构的要求
（一）铸件的壁厚
壁厚合理、壁厚均匀、符合凝固原则
（二）壁的连接
圆角连接、避免交叉、逐渐过渡
（三）避免变形、开裂
结构对称、加强筋合理、自由收缩
结构圆角
铸件的壁 厚且均匀
壁间大角 度连接
交叉接头
交错接头
环状接头
圆角过渡
倾斜过渡
复合过渡
大平面的设计
平 板 的 设 计
的流动性有何关系? ２、缩孔、缩松是如何形成的？形成特点
是什么？对铸件的影响如何？ 3、铸造应力是如何产生的？有何危害？如
何防止？
预习
金属的可锻性及影响因素，常用 金属材料的可锻性。自由锻、板料冲 压的一般概念。
（二）缩孔与缩松 1、缩孔与缩松的形成
液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充， 则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而
集中称为缩孔，细小而分散的称为缩松。
2、缩孔与缩松的防止 缩孔的防止：定向凝固（设置冒口和冷铁） 缩松的防止：选用结晶温度窄的合金、加大冷速
（三）铸造应力 固态收缩受到阻碍，铸件内部产生内应力 1、热应力
（三）工艺参数的确定：
1、机械加工余量和最小铸出孔 取决于生产批量、合金种类、铸件大小、加
工面与基准面之间的距离及加工面在浇注时的 位置。
孔、槽的是否铸出，取决于工艺可能性和必 要性。
2、起模斜度 垂直于分型面的立壁，留一定斜度。
3、收缩率 铸件冷却后的尺寸比型腔尺寸略为缩
小，为保证铸件的应有尺寸，模样尺寸 必须比铸件放大一个该合金的收缩率。
大平面倾斜结构
铸件结构与凝固原则
轮辐的设计
二、铸造工艺对铸件结构的要求
（一）铸件的外形
第七章 金属的液态成形
铸件在凝固后的固态收缩受到阻碍时，将产生内应力，称之 为铸造应力。 五、常用合金的铸造性能
常用合金指铸铁、铸钢、铸铜、铸铝及其合金等。 1.铸铁 (１)灰铸铁 由于其流动性很好，可以浇注出薄而复杂的优质铸件； 收缩率较小，一般不必采取任何工艺措施，仅对C、Sｉ质量分数 低的高强度灰铸铁采用同时凝固法防止应力即可。
二、悬浮铸造 悬浮铸造是在浇注过程中，将一定量的金属粉末加入到金属 液流里，使其与金属液掺和在一起而流入铸型的铸造方法。
第四节 铸造工艺新技术
图７-１７ 悬浮铸造浇注系统 1—供料斗 2—离心式集液包 3—旋转轴心线 4—直浇道 5—浇口杯
第四节 铸造工艺新技术
三、真空密封造型(Ｖ法造型) 真空密封造型，简称为真空造型。 １.金属液态成形原理
第二节 砂 型 铸 造
图７-６ 震压紧砂原理图 1—工作台 2—模板 3—砂箱 4—震实气路 5—震实活塞 6—压实活塞 7—压头 8—震实进气口 9—震实排气口 10—压实气缸
第二节 砂 型 铸 造
图７-７ 抛砂紧砂原理图 １—胶带运输机 2—弧形板 3—叶片 4—转子 5—模样
第二节 砂 型 铸 造
第四节 铸造工艺新技术
３)烘干、合型。 ４)熔炼合金——目的是得到温度足够高且化学成分符合要求的金 属液。
５)浇注、落砂、清理和检验。 3.特种铸造 １)金属型铸造 ① 优点——“一铸多型”节省材料和工时；组织致密、晶粒细小； 铸件精度高。 ② 应用——成批生产形状简单的非铁金属铸件，如铝合金活塞、 气缸体和铜合金轴瓦等。 ２)压力铸造
１)液态金属流动性的概念——液态金属的流动性是指液态金属本 质的流动能力，是衡量铸造性能优劣的主要标准之一。 ２)液态金属收缩性的概念——液态金属的收缩性是指铸件在浇注、 凝固和冷却过程中，发生体积与尺寸减小的现象。 ３)常用金属中灰铸铁的铸造性能最好。 2.砂型铸造工艺过程 １)配型砂、配芯砂(造型材料应具备足够的强度、良好的可塑性、 高的耐火性、良好的透气性和退让性等)。 ２)造型、造芯(造型方法有手工造型和机器造型)。
常用合金指铸铁、铸钢、铸铜、铸铝及其合金等。 1.铸铁 (１)灰铸铁 由于其流动性很好，可以浇注出薄而复杂的优质铸件； 收缩率较小，一般不必采取任何工艺措施，仅对C、Sｉ质量分数 低的高强度灰铸铁采用同时凝固法防止应力即可。
二、悬浮铸造 悬浮铸造是在浇注过程中，将一定量的金属粉末加入到金属 液流里，使其与金属液掺和在一起而流入铸型的铸造方法。
第四节 铸造工艺新技术
图７-１７ 悬浮铸造浇注系统 1—供料斗 2—离心式集液包 3—旋转轴心线 4—直浇道 5—浇口杯
第四节 铸造工艺新技术
三、真空密封造型(Ｖ法造型) 真空密封造型，简称为真空造型。 １.金属液态成形原理
第二节 砂 型 铸 造
图７-６ 震压紧砂原理图 1—工作台 2—模板 3—砂箱 4—震实气路 5—震实活塞 6—压实活塞 7—压头 8—震实进气口 9—震实排气口 10—压实气缸
第二节 砂 型 铸 造
图７-７ 抛砂紧砂原理图 １—胶带运输机 2—弧形板 3—叶片 4—转子 5—模样
第二节 砂 型 铸 造
第四节 铸造工艺新技术
３)烘干、合型。 ４)熔炼合金——目的是得到温度足够高且化学成分符合要求的金 属液。
５)浇注、落砂、清理和检验。 3.特种铸造 １)金属型铸造 ① 优点——“一铸多型”节省材料和工时；组织致密、晶粒细小； 铸件精度高。 ② 应用——成批生产形状简单的非铁金属铸件，如铝合金活塞、 气缸体和铜合金轴瓦等。 ２)压力铸造
１)液态金属流动性的概念——液态金属的流动性是指液态金属本 质的流动能力，是衡量铸造性能优劣的主要标准之一。 ２)液态金属收缩性的概念——液态金属的收缩性是指铸件在浇注、 凝固和冷却过程中，发生体积与尺寸减小的现象。 ３)常用金属中灰铸铁的铸造性能最好。 2.砂型铸造工艺过程 １)配型砂、配芯砂(造型材料应具备足够的强度、良好的可塑性、 高的耐火性、良好的透气性和退让性等)。 ２)造型、造芯(造型方法有手工造型和机器造型)。
金属液态成形工艺原理
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi （2 - 1）
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P腔
v内2 2g
hi
式中：
P杯 —— 浇口杯液面压力 P腔 —— 型腔内的液面压力 v杯 —— 浇口杯液面金属流动速度 v内 —— 内浇口出口金属流动速度 hi —— 浇注系统中某段的流体压头损失
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
三、计算结果
计算条件： a. 浇注系统为充满流动
封闭式浇注系统； 对于开放式的型腔液面要淹过内浇道。
b. 浇口杯液面保持不变
c. 型腔内压力与外界相同，即砂型透气性要好，有排气孔
1. 充填下半型 设充填下半型时需要金属液m1，充填时间为t1。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程（能量方程）：
γ —— 重度（=ρg）
2. 充填上半型 设充填上半型时需要金属液m2，充填时间为t2。 以浇口杯液面和内浇道出口建立伯努利方程：
H0
P杯
v杯2 2g
0
P内
v内2 2g
hi
3. 充填整个铸型
设充填时需要金属液m，充填时间为t，则
m
F内 t 2gH均
式中 m为充填铸型所需金属液； t为充填时间； 为流量系数； H均为充型平均静压头。
学的规律在一定程度上也适用于液态金属的流动过程。
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算 一、浇注系统的结构
§2.2 液态金属充型过程的水力学计算
一、浇注系统的结构
浇注系统：引导金属液进入和充满型腔的一系列通道。
第七章 金属的液态成形
缩松：分散在铸件内部分散而细小的缩孔，大多分布在 铸件中心轴线处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。形成 的原因与缩孔基本相同。 缩孔及缩松使铸件力学性能下降，防止其发生的主要 措施是“定向凝固”，通过增设冒口、冷铁等一些工艺措施 ，使凝固顺序形成向着冒口方向进行，如下图。远离冒口的 部位先凝固，冒口最后凝固，使缩松和缩孔产生在冒口处。 或在铸件厚大部位增设冷铁，以加快该处的凝固速度。
第七章 金属的液态成形
什么是金属的液态成形: 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔 中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦 称铸造. 金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。 按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特 种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）。 其中砂型铸 造产品成本最低，应用最普遍，所生产的铸件要占铸件 总量的80%以上。但工艺过程较复杂不易控制，，铸件内 部常有缩孔、夹渣、气孔、裂纹等缺陷产生，导致铸件 力学性能，特别是冲击性能较低。
• （2） 浇注温度 • 浇注温度越高，液态合金的流动性越好，若过高，铸 件易产生缩松、粘沙等缺陷。一般浇注温度控制在：铸钢 1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃。 • （3）铸型填充条件 • 内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差都会增加 液态合金的流动阻力；铸型材料的导热性过大，使液体金 属凝固快，同样会降低流动性。
f) 挖砂造型
活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋 条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出 主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人 技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部 分、难以起模的铸件。
活块造型
三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度 需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作 费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生 产的铸件。
金属液态成形技术理论
第7章 金属材料的液态成形技术
7
目录
§7-1金属液态成形技术理论基础 §7-2常用液态成形技术或铸造工艺方法
§7-3常用合金的铸件生产特点
§7-1金属液态成形技术理论基础
1、铸造在制造业中的地位
金属液态成形技术就是工业生产中铸造，铸造是机械制造业的基础工业，在很大程 度上反映国家的制造业技术水平；铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已 有约6000年的历史，中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期， 工艺上已达到相当高的水平；铸造业是典型的劳动密集型产业，同时也是资源和能源 消耗大户，我国的铸造业虽具有年产3000多万吨的生产能力，但铸件质量尤其是高品 质铸件与美、日、德、法等铸造强国相比还有较大差距。
铸造工艺方法有许多，但其成形原理相同， 基本工序及流程相似。由于大多数金属材料 的熔点较高，故对装盛金属液的“容器”即 铸型的耐热性、退让性、溃散性、回用性等 要求较高。
3）铸造的特点
（1）突出的优点：①能一次性成形大且内腔复杂
的毛坯；②适应性广(铸件形状、大小、合金种类、 生产批量都几乎不受限制) 。
b、合理地浇注条件，采用加压补缩、离心浇注等技术防止（或消除）铸件在凝固 过程中产生缩孔和缩松。
对于体收缩大（或逐层凝固）的合金，宜采用顺序凝固防止铸件产生缩孔缩松尤其 是缩孔。
对于体收缩小（或具有宽结晶温度范围）趋于糊状结晶的合金，由于液固两相共存 区很宽甚至布满整个断面，发达的枝状晶彼此相互交错而把尚未结晶的金属液分割成 许多小而分散的封闭区域，当该区域内的金属液凝固时，收缩得不到外来金属液的补 偿，而形成了分散的小缩孔，即缩松。这类合金即使采用顺序凝固加冒口的措施也很 难彻底消除缩松缺陷。因此，对于气密性要求不高，而要求内应力小的场合可采用同 时凝固措施来满足要求。
7
目录
§7-1金属液态成形技术理论基础 §7-2常用液态成形技术或铸造工艺方法
§7-3常用合金的铸件生产特点
§7-1金属液态成形技术理论基础
1、铸造在制造业中的地位
金属液态成形技术就是工业生产中铸造，铸造是机械制造业的基础工业，在很大程 度上反映国家的制造业技术水平；铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已 有约6000年的历史，中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期， 工艺上已达到相当高的水平；铸造业是典型的劳动密集型产业，同时也是资源和能源 消耗大户，我国的铸造业虽具有年产3000多万吨的生产能力，但铸件质量尤其是高品 质铸件与美、日、德、法等铸造强国相比还有较大差距。
铸造工艺方法有许多，但其成形原理相同， 基本工序及流程相似。由于大多数金属材料 的熔点较高，故对装盛金属液的“容器”即 铸型的耐热性、退让性、溃散性、回用性等 要求较高。
3）铸造的特点
（1）突出的优点：①能一次性成形大且内腔复杂
的毛坯；②适应性广(铸件形状、大小、合金种类、 生产批量都几乎不受限制) 。
b、合理地浇注条件，采用加压补缩、离心浇注等技术防止（或消除）铸件在凝固 过程中产生缩孔和缩松。
对于体收缩大（或逐层凝固）的合金，宜采用顺序凝固防止铸件产生缩孔缩松尤其 是缩孔。
对于体收缩小（或具有宽结晶温度范围）趋于糊状结晶的合金，由于液固两相共存 区很宽甚至布满整个断面，发达的枝状晶彼此相互交错而把尚未结晶的金属液分割成 许多小而分散的封闭区域，当该区域内的金属液凝固时，收缩得不到外来金属液的补 偿，而形成了分散的小缩孔，即缩松。这类合金即使采用顺序凝固加冒口的措施也很 难彻底消除缩松缺陷。因此，对于气密性要求不高，而要求内应力小的场合可采用同 时凝固措施来满足要求。
材料液态成形工艺
第一节 金属铸造工艺简介
2．收缩导致的铸件缺陷
(1)缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝
固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充 ，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积 较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松。 缩孔和缩松的形成过程示意图分别见图7－6和 图7－7。使铸件的凝固按薄壁－厚壁－冒口的 顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得 致密的铸件，如图7-8所示。
第一节 金属铸造工艺简介
(2)铸造应力、变形和裂纹
铸造应力按其形成原因的不同，分为热应力、 机械应力等。
减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各 部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇口开在 薄壁处，在厚壁处安放冷铁，即采取同时凝固原 则，如图7-9所示。
铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源。 图7-10为“T”形铸件在热应力作用下的变形情 况，虚线表示变形的方向。
，易产生浇不足、冷隔和粘砂等缺陷。铸钢的收缩性大 ，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大 。
3.铸造有色金属 常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有
流动性好，收缩性大，容易吸气和氧化等特点，特别容 易产生气孔、夹渣缺陷。
六、新型材料－金属间化合物及其铸造性能 特点
第三节 砂型铸造
第三节 砂型铸造
根据造型材料不同，可将铸造方法分为砂型铸造 (Sand Casting Process) 和 特 种 铸 造 (Special Casting Process)两类。
图7-1所示为砂型铸造工艺过程示意图。
第一节 金属铸造工艺简介
第二节 铸造工艺基础知识
一、液态金属的充型能力
液态金属的充型能力(Mold Filling Capacity)是指液 态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能 力。
金属的液态成型(精)
6.1 合金的液态成型工艺理论基础
• 6.1.1 合金的充型能力 • 6.1.2合金的收缩性能 • 6.1.3 合金的偏析和吸气性
6.1.1 合金的充型能力
• 1.合金的充型能力概念 • 液态合金充满铸型型腔，并获得形状完整、 轮廓清晰、尺寸准确的铸件的能力，称为 合金的充型能力。 • 2.影响合金充型能力的因素 • ①合金的流动性 • ②浇注温度 • ③铸型特点
6.3砂型铸造方法
6.3.1各种造型方法的特点和应用
• 造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造 型和机器造型两大类。 • 1. 手工造型方法的特点和应用 • 目前手工造型方法在铸造生产中应用很广。手工 造型时最主要的紧砂和起模两工序是用手工进行 的。手工造型具有操作灵活、适应性强、工艺装 备简单、生产准备时间短、成本低等优点。但铸 件质量较差、生产率低、劳动强度大、要求工人 技术水平较高。因此主要用于单件小批生产，特 别是重型和形状复杂的铸件生产。
• 2. 机器造型的特点和应用
震压式造型机的工作过程
6.3.2铸造工艺设计
• 1.铸造工艺方案的确定 • (1) 浇注位置的选择 • ①铸件的重要加工面或主要工作面应朝下 或位于侧面。 • ②铸件的宽大平面应朝下。 • ③易形成缩孔的铸件应将截面较厚的部分 放在分型面附近的上部或侧面。 • ④应能减少型芯的数量， 便于型芯的固定、 排气和检验。
a） 堤坝式包底冲入法
b) 型内球化法
6.2.2.铸钢件
• 1.铸钢件的熔炼 • 2. 铸钢的铸造性能和工艺特点
6.2.3 有色合金铸件生产
• • • • • • 1.铸造铝合金 ① 铝合金铸造性能和工艺特点 ② 铝合金的精炼和变质处理 2.铸造铜合金 ① 铜合金铸造性能和工艺特点 ②铜合金铸造熔炼特点
液态金属成型
液态金属成型金属液态成型论文作者：刘永星摘要：金属液态成型又称为铸造，是将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件，即铸件的方法，它是成形毛坯或机器零件的重要方法之一。
工程材料除切削加工以外有各种成型方法，包括金属液态成型、金属塑性成形、材料连接成型、粉末冶金成型以及塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料成型及复合材料成型等。
材料成型技术主要讲述金属材料成型和非金属材料成型，现对金属液态成型进行详细论述。
关键词：金属液态成型、成型方法、生产流程、成型原理、选择成型依据一、金属液态成形金属材料在液态下成形，具有很多优点：（1）最适合铸造形状复杂、特别是复杂内腔的铸件。
（2）适应性广，工艺灵活性大。
（3）成本较低。
但液态成形也有很多不足，如铸态组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能、特别是冲击性能低于塑形成行件；铸件涉及的工序很多，不易精确控制，铸件质量不稳定；由于目前仍以砂型铸造为主，自动化程度还不够高，工作环境较差；大多数铸件只是毛坯件，需经过切削加工才能成为零件。
砂型铸造是将熔融金属浇入砂质铸型中，待凝固冷却后，将铸型破坏，取出铸件的铸造方法，是应用最为广泛的传统铸造方法，它适用于各种形状、大小及各种常用合金铸件的生产。
砂型铸造的工艺过程称为造型。
造型是砂型铸造最基本的工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。
手工造型时，填砂、紧实和起模都用手工和手动完成。
其优点是操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短。
但生产效率低、劳动强度大、铸件质量不易保证。
故手工造型只适用于单件、小批量生产。
机器造型生产率很高，是手工造型的数十倍，制造出的铸件尺寸精度高、表面粗糙度小、加工余量小，同时工人劳动条件大为改善。
但机器造型需要造型机、模板以及特质砂箱等专用机器设备，一次性投资大，生产准备时间长，故适用于成批大量生产，且以中、小型铸件为主。
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1）合金的结晶温度范围
合金的结晶温度范围越小，凝固区越窄，越倾向于逐层凝固。
2）铸件截面的温度梯度
对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决 于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区越窄。 越趋向于逐层凝固。
影响温度梯度因素：合金性质，铸型的蓄热能力，浇注温度等
7.1.3、液态合金收缩、应力及变形
1.5 m 不锈钢船用螺旋推进器
熔模铸造
熔模铸造
砂铸（形状复杂，铸件表面粗糙）
拉模铸造
7.1 金属液态成形原理
金属液态成形原理就是将液体注入预先制作好的容器内腔中，待其冷却凝固 后取出，即得到所需的物品。
基本条件：合格的液体；盛液体的容器
流动性和收缩性是合金的主要铸造工艺特性。 7.1.1、液态合金的充型——铸件形成第一阶段
合金的收缩合金从浇注、凝固、冷却到室温，
体积和尺寸缩小的现象。可用体收缩率εV 或 线收缩率εL 定量描述。
ε V = V0-V1 ×100% = αV (t0 - t1 ) ×100%
V0
ε L = L0 - L1 ×100% = α L (t0 - t1 ) ×100% L0
缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。g
（3）合金的铸型特点 结构越复杂，充型越困难。
7.1.2、液态合金的凝固
1. 铸件的凝固及影响因素
固相区； 凝固区； 液相区（影响最大）
（1）逐层凝固方式 特点：
① 铸件组织致密、紧实； ② 充型能力强，不易产生
铸造缺陷； ③ 流动性较好，铸件轮廓
清晰； ④ 断面固、液分界线清晰。 eg. 灰铸铁、低碳钢、铝硅
内应力的产生原因：热应力、机械应力。
① 热应力
—— 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由 于不均衡的收缩而引起的应力。
框形铸件热应力的形成
② 机械应力（收缩应力）
— 合金的固态收缩受 到铸型或型芯的机械 阻碍而形成的应力。
减小和消除铸造应力的 工艺方法：
借助于冷铁使铸件 实现同时凝固。
冷铁 — 为增加铸件局部冷却速度，在 型腔内部或工作表面安放的金属块。
①合金—两种或两种以上的金属元素、或金属与非 金属元素（碳）熔和在一起，所构成具有
金属特性的物质。 特点：
[硬度、强度]合金 > [硬度、强度]纯金属
②充型— 液态合金填充铸型的过程。
1、合金的充型能力
熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的 铸件的能力——合金的充型能力
影响因素： 熔融合金流动性、铸型性质、浇筑条件 和铸件结构等
影响流动性的因素：
①合金的种类和化学成分
不同种类的合金其流动性不同，同一种 类不同成分的合金其流动性也不相同。
流动性最好
最差
灰口铸铁 → 硅黄铜 → 铝硅合金 → 铸钢
不同结晶特征的合金的流动性
a）流动性最好，凝固后的表面较平滑； b）流动性较差，凝固后的表面粗糙。
2、影响合金充型能力的因素
（2）合金的浇注条件 a. 浇注温度（T） T 越高（有界限），充型能力越好。 b. 充型压力 流动方向上所受压力越大， 充型能力越好。
第七章 金属的液态成形 （铸造）
铸造 — 将熔融金属浇入铸型型腔， 经 冷却凝固后获得所需铸件的方法。
铸造实质：液态成形。 • 铸件大小、重量不限； • 可生产复杂外形和内腔的铸件； • 制造成本低，废品可重熔； • 生产过程较复杂，铸件质量不稳定； • 劳动条件差。
铸件示例
金属铸件
680 Kg
冷铁分为内冷铁、外冷铁两种。
<2> 铸件的变形与防止
(a) 板 I 受拉，板 II 受压 → 板 I 内凹，板 II 外凸。 (b) 板 I 受压，板 II 受拉 → 板 I 外凸，板 II 内凹。
防止铸件产生变形的措施：
① 设计时，应尽量使铸件壁厚均匀、形状 对称，避免金属聚集；
② 铸造工艺上采用同时凝固的原则； ③ 采用“反变形”工艺； ④ 对铸件进行时效处理（自然时效、人工
合金、纯铜、纯铝等。
（2） 体积凝固方式
特点： ① 铸件组织不致密； ② 充型能力差，易产生
铸造缺陷； ③ 流动性较差；
eg. 球墨铸铁、高碳钢、
铝铜合金、锡青铜等。
（3） 中间凝固方式
—— 介于逐层凝固和 糊状凝固之间的凝固方 式。
eg. 中碳钢、高锰钢、
白口铸铁等。
2 影响铸件凝固方式的因素
（2）缩松 —— 分散在铸件某区域内的细 小缩孔。
形成原因： • 收缩得不到及时补充； • 糊状凝固，被树枝晶体分隔区域难以实现补缩。
产生缩孔和缩松的主要原因：
液态收缩 和 凝固收缩 导致。
3）. 缩孔与缩松的防止（都会降低机械性能） （1）合理铸造合金
选择共晶成分的合金或结晶 温度范围窄的合金.
（2）顺序凝固
控制铸件的凝固顺序；
Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ
（3）合理确定铸件的
浇注工艺
加压补缩；离心浇注 （浇注系统布局…）。
冒口、冷铁的应用
常用冒口种类
4. 铸造内应力、变形和裂纹
铸件的固态收缩受到阻碍而产生的应 力称为铸造内<1> 内应力的形成和预防
产生作用： 液态合金与铸型之间的热交换—流动时间 液态合金在铸型中的动力学条件—流动速度
改进充型能力措施： 延长液态合金的流动时间； 加快液态合金的流动速度
2、影响合金充型能力的因素
1. 合金的流动性
熔融金属的流动能力。 衡量方法： “螺旋形流动性试样”法。
螺旋形流动性试样示意图
液态合金的充型
合 金 收 缩 的 三 个 阶 段：
（1）液态收缩 合金从 T浇注 → T凝固开始 间的收缩。
（2）凝固收缩（产生缩孔、缩松、裂纹） 合金从 T凝固开始 → T凝固终止 间的收缩。
（3）固态收缩（易产生铸造应力、变形、裂纹等。） 合金从 T凝固终止 → T室 间的收缩。
浇注温度
凝固温度
室温
（1）
开始
终止
凝固收缩
（3）
2.影响收缩的因素
① 化学成分 不同合金的收缩率各不相同。 eg. 铸钢最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度（T） T 越高，过热度越大 → 液体收缩越大。
③ 铸件结构与铸型条件 铸件的实际收缩率 < 铸件的自由收缩率
3. 缩孔与缩松（按孔洞的大小和分布）
（1）缩孔 —— 集中在铸件上部或最后凝 固部位容积较大的孔洞。 （逐层凝固的方式产生）
合金的结晶温度范围越小，凝固区越窄，越倾向于逐层凝固。
2）铸件截面的温度梯度
对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决 于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区越窄。 越趋向于逐层凝固。
影响温度梯度因素：合金性质，铸型的蓄热能力，浇注温度等
7.1.3、液态合金收缩、应力及变形
1.5 m 不锈钢船用螺旋推进器
熔模铸造
熔模铸造
砂铸（形状复杂，铸件表面粗糙）
拉模铸造
7.1 金属液态成形原理
金属液态成形原理就是将液体注入预先制作好的容器内腔中，待其冷却凝固 后取出，即得到所需的物品。
基本条件：合格的液体；盛液体的容器
流动性和收缩性是合金的主要铸造工艺特性。 7.1.1、液态合金的充型——铸件形成第一阶段
合金的收缩合金从浇注、凝固、冷却到室温，
体积和尺寸缩小的现象。可用体收缩率εV 或 线收缩率εL 定量描述。
ε V = V0-V1 ×100% = αV (t0 - t1 ) ×100%
V0
ε L = L0 - L1 ×100% = α L (t0 - t1 ) ×100% L0
缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。g
（3）合金的铸型特点 结构越复杂，充型越困难。
7.1.2、液态合金的凝固
1. 铸件的凝固及影响因素
固相区； 凝固区； 液相区（影响最大）
（1）逐层凝固方式 特点：
① 铸件组织致密、紧实； ② 充型能力强，不易产生
铸造缺陷； ③ 流动性较好，铸件轮廓
清晰； ④ 断面固、液分界线清晰。 eg. 灰铸铁、低碳钢、铝硅
内应力的产生原因：热应力、机械应力。
① 热应力
—— 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由 于不均衡的收缩而引起的应力。
框形铸件热应力的形成
② 机械应力（收缩应力）
— 合金的固态收缩受 到铸型或型芯的机械 阻碍而形成的应力。
减小和消除铸造应力的 工艺方法：
借助于冷铁使铸件 实现同时凝固。
冷铁 — 为增加铸件局部冷却速度，在 型腔内部或工作表面安放的金属块。
①合金—两种或两种以上的金属元素、或金属与非 金属元素（碳）熔和在一起，所构成具有
金属特性的物质。 特点：
[硬度、强度]合金 > [硬度、强度]纯金属
②充型— 液态合金填充铸型的过程。
1、合金的充型能力
熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的 铸件的能力——合金的充型能力
影响因素： 熔融合金流动性、铸型性质、浇筑条件 和铸件结构等
影响流动性的因素：
①合金的种类和化学成分
不同种类的合金其流动性不同，同一种 类不同成分的合金其流动性也不相同。
流动性最好
最差
灰口铸铁 → 硅黄铜 → 铝硅合金 → 铸钢
不同结晶特征的合金的流动性
a）流动性最好，凝固后的表面较平滑； b）流动性较差，凝固后的表面粗糙。
2、影响合金充型能力的因素
（2）合金的浇注条件 a. 浇注温度（T） T 越高（有界限），充型能力越好。 b. 充型压力 流动方向上所受压力越大， 充型能力越好。
第七章 金属的液态成形 （铸造）
铸造 — 将熔融金属浇入铸型型腔， 经 冷却凝固后获得所需铸件的方法。
铸造实质：液态成形。 • 铸件大小、重量不限； • 可生产复杂外形和内腔的铸件； • 制造成本低，废品可重熔； • 生产过程较复杂，铸件质量不稳定； • 劳动条件差。
铸件示例
金属铸件
680 Kg
冷铁分为内冷铁、外冷铁两种。
<2> 铸件的变形与防止
(a) 板 I 受拉，板 II 受压 → 板 I 内凹，板 II 外凸。 (b) 板 I 受压，板 II 受拉 → 板 I 外凸，板 II 内凹。
防止铸件产生变形的措施：
① 设计时，应尽量使铸件壁厚均匀、形状 对称，避免金属聚集；
② 铸造工艺上采用同时凝固的原则； ③ 采用“反变形”工艺； ④ 对铸件进行时效处理（自然时效、人工
合金、纯铜、纯铝等。
（2） 体积凝固方式
特点： ① 铸件组织不致密； ② 充型能力差，易产生
铸造缺陷； ③ 流动性较差；
eg. 球墨铸铁、高碳钢、
铝铜合金、锡青铜等。
（3） 中间凝固方式
—— 介于逐层凝固和 糊状凝固之间的凝固方 式。
eg. 中碳钢、高锰钢、
白口铸铁等。
2 影响铸件凝固方式的因素
（2）缩松 —— 分散在铸件某区域内的细 小缩孔。
形成原因： • 收缩得不到及时补充； • 糊状凝固，被树枝晶体分隔区域难以实现补缩。
产生缩孔和缩松的主要原因：
液态收缩 和 凝固收缩 导致。
3）. 缩孔与缩松的防止（都会降低机械性能） （1）合理铸造合金
选择共晶成分的合金或结晶 温度范围窄的合金.
（2）顺序凝固
控制铸件的凝固顺序；
Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ
（3）合理确定铸件的
浇注工艺
加压补缩；离心浇注 （浇注系统布局…）。
冒口、冷铁的应用
常用冒口种类
4. 铸造内应力、变形和裂纹
铸件的固态收缩受到阻碍而产生的应 力称为铸造内<1> 内应力的形成和预防
产生作用： 液态合金与铸型之间的热交换—流动时间 液态合金在铸型中的动力学条件—流动速度
改进充型能力措施： 延长液态合金的流动时间； 加快液态合金的流动速度
2、影响合金充型能力的因素
1. 合金的流动性
熔融金属的流动能力。 衡量方法： “螺旋形流动性试样”法。
螺旋形流动性试样示意图
液态合金的充型
合 金 收 缩 的 三 个 阶 段：
（1）液态收缩 合金从 T浇注 → T凝固开始 间的收缩。
（2）凝固收缩（产生缩孔、缩松、裂纹） 合金从 T凝固开始 → T凝固终止 间的收缩。
（3）固态收缩（易产生铸造应力、变形、裂纹等。） 合金从 T凝固终止 → T室 间的收缩。
浇注温度
凝固温度
室温
（1）
开始
终止
凝固收缩
（3）
2.影响收缩的因素
① 化学成分 不同合金的收缩率各不相同。 eg. 铸钢最大，灰铸铁最小。
② 浇注温度（T） T 越高，过热度越大 → 液体收缩越大。
③ 铸件结构与铸型条件 铸件的实际收缩率 < 铸件的自由收缩率
3. 缩孔与缩松（按孔洞的大小和分布）
（1）缩孔 —— 集中在铸件上部或最后凝 固部位容积较大的孔洞。 （逐层凝固的方式产生）