铸件形成理论基础

铸件形成理论基础
本课程主要内容 1、液态金属的结构和性质 2、铸件凝固过程中的传热及液体流动 3、液态金属凝固热力学及动力学 4、单相及多相合金的凝固 5、铸件宏观组织及其控制 6、缩孔与缩松 7、成分偏析 8、气孔与夹杂物 9、铸造应力、变形及裂纹
本课程的性质 本课程是一门专业基础理论课，是材料工程 类专业的必修课程。 本课程的任务是阐明金属从液态到固态转变 过程中的基本规律和内在联系，以及从液态到 固态转变过程中影响金属性能和铸件质量的一 些基本因素。

铸造技术的发展必然要为社会进步和经济发展 的大局所左右，“绿色铸造”的概念体现了高 速发展着的文明进程的人性化特征和经济可持 续发展的总体要求。“绿色铸造”的目标都是 使铸件从设计、制造、包装、运输、使用到报 废处理的整个“产品生命”周期中，对环境的 负面影响最小，资源效率最高。从而使企业经 济效益和社会效益达到最优化。
本课程的理论基础 物理化学、金属学原理、冶金原理、流体力 学与传热学等。
考 核 方 法
平时成绩: 20% 期末考试: 80%
(包括：实验、出勤及作业)
绪 论
0.1金属液态成形的概念和特点 金属液态成形概念 金属液态成形（又称铸造），是指将熔融金 属（合金）在重力场或其他外力场（压力、离 心力、电磁力、振动惯性力等）作用下浇入一 定铸型中，冷却并凝固而获得具有型腔形状制 品的成形方法。液态金属凝固成形所获得的制 品称之为铸件。

总体上，我国铸造领域的学术研究并不落后， 很多研究成果居国际先进水平，但转化为现实 生产力的少。国内铸造生产技术水平高的仅限 于少数骨干企业，行业整体技术水平落后，铸 件质量低，材料、能源消耗高，经济效益差， 劳动条件恶劣，污染严重。
三.我国铸造技术的辉煌历史 我国铸造技术有着悠久的历史，早在5000多年 前，铸造技术就出现在了中华大地。铸造技术被 应用到农业生产、兵器制造、音乐艺术及人民生 活等各方面，极大地推动了我国古代文明的进步。 铸造技术的发展史，是中华民族五千年文明发展 史的重要组成部分。
3、成本低 铸件的形状及尺寸与零件非常接近，因此可减 少材料消耗和后续加工量； 可以大量利用废、旧金属材料和再生资源； 易于实现机械化生产，生产效率较高。
金属液态成形的基本过程是充填铸型和冷却凝 固。 液态金属的充型过程是铸件形成的第一个阶段。 许多铸造缺陷都是在充型不利的情况下产生的。 因此，了解并控制充型过程是获得优质铸件的 重要条件。 凝固是铸成形过程的核心，它决定着铸件的凝 固组织和铸造缺陷的形成，因而也决定了铸件的 内在质量和力学性能。 这两个基本过程在各种不同条件下完成，形成 多种铸造技术与凝固技术。
我国的失蜡法至迟起源于春秋时期。1978年河 南淅川下寺2号楚墓出土的春秋时代（公元前620 年—前467年）的铜禁是迄今所知的最早的失蜡 法铸件。
春秋时期失蜡法铸造的铜禁
高28.8cm，长107cm，宽47cm。禁的四边和侧面饰多层立 体透雕云纹，器下有10个昂首前行的虎形足。禁面四侧攀 附着12条龙头怪兽。

铸造缺陷的防止与控制 缩孔、缩松；偏析缺陷；热裂；气孔等。还有 许多缺陷，如夹杂物、冷隔等，出现在填充过 程中。它们不仅与合金种类有关，而且，还与 具体成形工艺有关。
铸件尺寸精度与表面粗糙度控制 铸件尺寸精度和表面粗糙度由于受到诸多因素 （如铸型尺寸精度及型腔表面粗糙度、液体金 属与铸型表面的反应、凝固热应力、凝固收缩 等）的影响和制约，控制难度很大。
4、数字化铸造 随着计算机技术的发展，计算机科学已成为一 门新兴的交叉学科，是除理论和实验外解决材料 科学中实际问题的的第三个重要研究方法。模拟 仿真是材料科学与制造科学的前沿领域及研究热 点。多学科、多尺度、高性能、高保真及高效率 是模拟仿真技术的努力目标，而微观组织模拟则 是近年来研究的热点课题。
战国兴隆铁范
隋唐以后，铸造技术得到进一步发展，向大型 和特大型铸件发展。 著名的代表性铸件如后周时期铸造的河北沧州 大铁狮。
河北沧州大铁狮
高5.3m，长 6.5m，宽3m， 重约40t，采 用“泥范明 浇法”铸成。
0.4未来铸造技术的发展趋势 随着科学技术的进步，铸造技术的未来发展趋 势可分为以下几个方面。 1、铸件的特大型化 我国国民经济高速增长，对能源、冶金、船舶、 石化等工业提出了巨大的需求，这些行业重大装 备的特大型化对特大型铸件的需求越来越迫切， 对质量的要求也越来越高。
2、铸件的轻量化 为了减轻对资源消耗及环境污染的压力，铸件 的轻量化已成为重要的发展趋势。以汽车制造为 例，汽车重量减轻10%，可使燃烧效率提高7%， 并减少10%的污染。 铸件的轻量化一是材质的轻量化，二是工艺的 精确化。汽车工业、航空工业级国防工业广泛采 用轻金属合金是重要的发展趋势。
3、铸件的精确化 传统精确铸造技术有：熔模铸造、压力铸造、 离心铸造等。 新的铸造成形技术（净终成形铸造）有： 消失模铸造、定向凝固熔 模铸造、半固态铸造、 快速铸造成形技术等。
近年来，我国铸造业有了很大的发展。铸件年 产量达到3200万吨，占世界的36%，连续多年位 居世界第一。加入WTO以后，中国成为国际上重 要的铸件生产基地。
二.我国铸造行业的巨大成就



二重集团公司成功地铸造了世界最大的轧机铸 件，钢液总质量达730吨，铸件重约400吨。 哈尔滨电站设备集团公司成功制造出铸焊结构 的三峡工程用重约450吨的水轮机叶轮。 沈阳铸造研究所生产出了铝液重5吨、净重2.7 吨的特大型铝合金铸件。 这些成果均标志我国铸造技术水平正在接近国 际先进水平。

凝固技术的发展 典型代表就是定向凝固技术、快速凝固技术和 复合材料的获得。此外，还有金属半固态成形 技术等。
高温合金叶片
等轴多晶体
定向凝固柱状晶
单晶

计算机的应用 铸件充型凝固过程计算机模拟仿真技术； 快速成形技术； 过程和设备运行的计算机控制。
充型-凝固过程数值模拟
温度场模拟
应力场模拟
2.发展概况 金属凝固理论的发展 凝固技术的发 计算机的应用

金属凝固理论的发展 近四十年来，从传热、传质和固—液界面三个 方面进行研究，使金属凝固理论有了很大的发 展，例如：建立了铸件冷却速度和晶粒度以及 晶粒度与力学性能之间的一些函数关系，为控 制铸造工艺参数和铸件力学性能创造了条件。

几乎所有的金属及合金在成为被人们使用的工 件或器件以前都要经过凝固阶段。 凝固理论的主要应用-金属液态成形是一种非 常经济的成形方法。

0.2凝固成形的基本问题和发展概况 1.基本问题 凝固组织的形成与控制 铸造缺陷的防止与控制 铸件尺寸精度与表面粗糙度控制
凝固组织的形成与控制 控制铸件的凝固组织是凝固成形中的一个基本 问题。目前已建立了许多控制组织的方法，如 孕育处理、动态结晶、定向凝固等。
思考题
1、什么是铸造？铸造生产的主要特点是什么？ 2、铸造技术未来发展趋势有哪些方面？
a) b) 应力分布的模拟结果 a)原设计方案 b) 重新设计的方案
铸件微观组织模拟
石墨大小分布情况
布氏硬度分布情况
晶体生长情况模拟
定向凝固叶片中晶粒生长情况模拟
单晶生长模拟
0.3我国铸造的地位、成就和历史回顾 一.我国铸造行业的重要地位 铸造行业是装备制造业的主要组成部分，对国 民经济的发展起重要作用。机械、汽车、电力、 冶金、石化、航空、航天、国防造船及家用电器 等各行业都离不开铸造。
2.我国古代的铸铁技术 随着我国古代铸造技术的发展，春秋晚期发明 了生铁和铸铁技术，从此进入了铁器文明时代。 我国在公元前6世纪就发明了生铁和铸铁技 术，是世界上最早发明并使用生铁的国家，比欧 洲早了1800多年。
战国中期，生铁铸件已经成为主要的生产工 具，此时铁范（铸铁金属型）也成为主流工艺， 广泛应用于军事和农业生产。 1953年河北兴隆燕国冶铁遗址出土了一批战 国时期铁范，包过锄、镰、斧、凿等共87件。

金属液态成形工艺流程
炼钢
浇注
铸件
典型铸件
缸体
缸盖
排气管
液态金属成形特点 1、适应性强 对任何大小的零件，从几克重到几百吨的零 件；从仅0.2mm的薄壁零件，到数米厚度零件； 从小到几毫米，大到几十米的零件；从形状简单 到任意复杂的零件都可以通过铸造方法制造出来。

2、适用材料范围广泛
不仅金属材料，几乎所有工程材料，如陶瓷、 有机高分子、复合材料等，特别是脆性材料都可 采用液态成形技术。
1.我国古代青铜铸造技术 在我国古代，常用的铸造工艺主要有范铸法和 失蜡法。 范铸法是用范组合成铸型进行浇注的方法。 石范铸造 范铸法 泥（陶）范铸造 金属范铸造
夏、商、周时期是人类青铜文化史上最为灿烂 的时代。中国在金属冶炼、铸造以及合金技术、 加工技术等方面都取得了及其伟大的成就。 商代晚期青铜器铸造技术进入鼎盛阶段，青铜 器已应用在农具、武器、礼器、生活用品等各个 方面，铸造了大量著名的青铜器铸件。
司母戊鼎
是中国目前已发现 的最重的青铜器。司 母戊鼎是中国商代后 期王室祭祀用的青铜 方鼎，1939年在河南 省安阳出土。高133厘 米、口长110厘米、口 宽79厘米、重832.84 千克 。
四羊铜尊
商晚期的贮酒器。 1938年出土于湖 南宁乡，是我国 现已发现的较大 的方尊，高58.6 厘米，重34.5公 斤。
5、网络化铸造 现代的产品设计及制造开发系统是在网络化环 境下以设计与制造过程的建模与仿真为核心内 容，进行全生命周期设计。美国汽车工业期望汽 车的研发周期缩短为15～25个月，而20世纪90年 代汽车的研发周期为5年。在网络化环境下，铸 造过程的模拟仿真将在新产品的研究与开发中发 挥重要作用。
6、清洁化铸造 目前全世界每年产生废弃物约250万亿吨，预 计由于人口的增加，每年产生的废弃物将增加 到1000万亿吨。铸造行业是消耗资源的大户，已 成为可持续发展政策和规划的关注焦点，铸造行 业必须走清洁生产的道路。绿色铸造是长期的努 力方向及目标。