材料加工工艺

第一章：液态金属成形

一、铸件凝固方式：

逐层凝固：凝固过程中，外层固体与内层液体间有一条清楚的分界线，不存在液、固相共存

区。纯金属和共晶型合金的凝固。

糊状凝固：凝固过程中，不存在固体层，整个凝固区均液、固并存。发生在结晶温度范围很宽的合金中。

中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式。大多数金属以中间凝固方式凝固。

合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，则越倾向于逐层凝固；过冷度越大，凝固区变宽，倾向于糊状凝固。

、充型能力：液体金属充满型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。

充型能力的影响因素：合金液体的流动性；铸型条件；浇注条件；铸件结构。

三、流动性的概念与意义

指熔融合金自身的流动能力。

流动性好，充型能力强，易于获得尺寸准确、外形完整和轮廓清晰的铸件。流动性不好,

充型能力差，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。

流动性影响因素：合金的种类及结晶特点、合金结晶潜热和晶粒形状、合金的物理性质对流

动性的影响

合金种类，合金种类不同，流动性不同。

灰铸铁最好，铸钢最差。

共晶合金的流动性：恒温下从表向内逐层凝固，凝固层内表面较光滑，对未凝液体的流动阻力小，流动性好。

固溶体合金的流动性：在一定温度范围内结晶，铸件截面上存在一定宽度的液固共存糊状区, 固液界面粗糙，液体流动阻力大，流动性差。

铁碳合金的流动性：钢结晶温度区间大，流动性差。铸铁愈接近共晶成分，结晶温度区间愈小，流动性愈好。铸铁流动性纯铁的流动性比较好亚共晶成分的铸铁，成分愈接近共晶，流

动性就愈好，在共晶成分处流动性最好

合金元素：凡能形成低熔点化合物、降低合金液体粘度和表面张力的元素，均能提高合金流

动性，如P元素；凡能形成高熔点夹杂物的元素，都会降低合金流动性。如S、Mn等。

总的来说，流动性好的合金在多数情况下其充型能力都较强；

流动性差的合金其充型能力较差，但也可以通过改善其它条件来提高充型能力（如提高熔炼

质量、浇注温度和浇注速度，改善铸型条件及铸件结构等），以获得健全铸件。

四、缩孔和缩松（重点）铸件在冷却和凝固过程中, 后凝固部位会形成孔洞。

缩孔一一大而集中的孔洞；形状不规

合金液态和凝固收缩产生的体收缩若得不到补足，在铸件最则，表面粗糙，可以看到发达的树枝晶末梢，可以明显

地与气孔区别开来。

缩松——小而分散的孔洞；

缩孔和缩松会减小铸件有效承载面积，引起应力集中，力学性能、气密性下降。

缩孔的形成一一金属液逐层凝固，在铸件上中部最后凝固部位形成倒锥形缩孔。多发生在逐

层凝固方式的合金中。凝固时，首先形成外壳，铸件外形尺寸固定，收缩使合金体积变小，在铸件最后凝固的部位产生大而集中的孔洞。

以下条件易形成缩孔：共晶合金或结晶温度范围窄的合金；浇注温度高，液态收缩和凝固收

缩大；铸件温差大而顺序凝固的厚壁部位•

缩松的产生：金属液糊状凝固，在铸件轴心部和缩孔下方形成细小分散缩孔。最后凝固区域

液态收缩和凝固收缩得不到补充。结晶温度范围宽的固溶体合金缩松倾向大。

影响缩孔、缩松大小的因素及防止措施：铸造合金的液态收缩愈大，则缩孔形成的倾向愈大；合金的结晶温度范围愈宽，凝固收缩愈大，则缩松形成的倾向愈大。凡能促使合金减小液态和凝固期间收缩的工艺措施都能有利于减小缩孔和缩松的形成。如调整化学成分，降低浇注

温度和减慢浇注速度，增加铸型的激冷能力，增加在凝固过程中的补缩能力，对于灰口铸铁

可促进凝固期间的石墨化等。

缩孔、缩松防止措施

铸件的凝固方式：要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固

方式（采用设置冒口和冷铁配合）使之符合于：“定向凝固原则”、“同时凝固原则”“均衡凝固原则”

（1 ）顺序凝固（定向凝固）：冒口补缩；控制铸件的凝固顺序，使铸件的冒口处最后凝固。冒口：铸型中设置的储存金属液的空腔。它最后凝固，储存的金属液不断补充其它部位的收

缩。

同时凝固：使铸件各部位冷却速度相近，将收缩分解到铸件的各个部位。

（2）同时凝固原则：是采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差很小•使

各部分同时凝固。如在热节处安放冷铁，以加快此部位的冷却速度

（3 ）均衡凝固：铸铁（灰铸铁和球墨铸铁）液态冷却时要产生体积收缩，凝固时析出石墨又产生体积膨胀。均衡凝固是利用膨胀和收缩动态叠加的自补缩和浇冒口系统的外部补缩，采取工艺措施，使单位时间的收缩与膨胀、收缩与补缩按比例进行的一种凝固工艺原则。其它防止缩松措施：选用近共晶成分或结晶温度范围窄的合金；加大铸件冷速，使液-固两

相区截面变窄；加大结晶压力，破碎枝晶，减少金属液的流动阻力

五、铸造应力

铸件在凝固以后的冷却过程中，由于温度下降而产生收缩，有些合金还会发生固态相变而引

起膨胀或收缩，这些都使铸件的体积和长度发生变化，若这些变化受到阻碍（热阻碍、外力

阻碍等），便会在铸件中产生应力，称为铸造应力。

铸造应力的种类

铸造应力按其产生的原因可分为三种：热应力、相变应力、收缩应力临时应力：产生应力的原因消除以后，应力即告消失•剩余（残余）应力：产生应力的原因消除以后，应力依然存在于铸件中。在铸件冷却过程中，两种应力可能同时起作用，冷却至常温并落砂以后，只有

剩余应力对铸件质量有影响

减小和消除铸造应力的方法（了解）：1）减小铸造应力的方法：采取各种措施减小铸件冷却过程中各部分的温差，以及改善铸型和型芯的退让性。具体方法如下：a.工艺上采取冒口、

冷铁配合使用，加快厚大部分的冷却，尽量让铸件形成同时凝固；在满足使用要求的前提下，减小铸件的壁厚差，分散或减小热节；提高铸型温度，以减小各部分的温差，此法广泛用于金属型和熔模铸造b.控制合适的型、芯紧实度，加入退让性比较好的材料（如木屑等）铸件提早打箱或松砂，以减小收缩时的阻力等措施。c.在满足铸件使用性能的前提下，选择弹

性模量E和收缩系数a小的铸造合金.

2）消除铸造应力的方法：a.人工时效b.自然时效c.振动时效

六、铸件中的其他缺陷（了解）：偏析、气孔、夹杂物（含夹砂、粘砂）、白口、浇不足、冷隔、砂眼、渣眼

七、铸造工艺设计

1. 零件结构的工艺性：（1）从避免铸件缺陷考虑：应使铸件结构与合金铸造性能相适应，尽

量避免金属集聚和产生内应力，以防止铸造缺陷的产生。

铸件的最小壁厚：指合金液能充满型腔的最小厚度，小于最小壁厚易产生浇不足、冷隔等缺陷。铸件最小壁厚与合金种类、铸件尺寸等因素有关。

铸件壁厚不易过厚：过大的壁厚会引起铸件晶粒粗大，强度下降，产生缩孔、缩松等缺陷

铸件壁厚尽量均匀：壁厚不均易产生缩孔和缩松，内应力和变形、开裂等缺陷。

铸件壁厚利于补缩和定向凝固：铸件结构便于在厚壁部位安放冒口补缩。

壁转弯处为圆角，不同壁厚逐步过渡，壁的连接尽量减少交叉锐角，轮辐避免收缩受阻，避免过大水平面，对称和加强肋结构

八、浇注位置选择原则（重点）

重要面朝下：铸件上部易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，且晶粒较粗大。

宽大面朝下：大平面朝上还易产生夹砂等缺陷。

薄壁部朝下：利于充型，以防产生冷隔、浇不到等缺陷

厚大部朝上：利于在铸件厚壁处安置冒口补缩，自下而上定向凝固。

型芯少而稳定：尽量减少型芯数量，且便于安放、固定和排气。尽量避免吊芯、悬臂芯.

型芯安放稳定。

九、分型面的选择（重点）

概念：指上、下、左、右砂型间的接触面，应能在保证铸件质量的前提下，尽量简化工艺。

分型面选择原则：分型面置于最大界面：便于起模。分型面尽量平直：平直分型面可采用简便的分模造型，