铸造成形
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2）热应力与机械应力的区别： 工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
a.形成原因不同；
b.热应力可一直保留到室温，形成残余应力； 机械应力是暂时的，在铸件落砂之后可自行消 除，不会形成残余应力。 (2)铸造应力的防止和消除措施: 1）采用同时凝固的原则 同时凝固是指 通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使 铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同 一时间凝固，如下图。
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
2）成本低廉； 3）工艺灵活,适应范围广； 4）可实现机械化和自动化； 2.缺点:1)力学性能低于同种材质的锻件←
组织粗大，有缺陷。
铸造
2)工作条件较差; 3)废品率较高← 铸造工序繁多
砂型铸造工艺：
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工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
3.应用：形状复杂，受力简单的制件。
非共晶成分合金有液、固两相共存区；已 结晶固体层内表面粗糙，流动阻力大；
(2）在同样浇铸温度下，共晶成分合金液体 的过热度大，在液态时间长。
2.浇注条件
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（1）浇注温度t浇
--- 浇
t
充型能力 内摩擦阻力 流动时间
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
原因： t浇
合金粘度 过热度
t浇
1)宏观缩松：肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面
的中心。非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松。
2)微观缩松：凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---凝固
区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收 缩,形成的晶间微小孔洞。
凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大, 故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸 件,则必须设法减少。
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工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
定向凝固：是使铸件按规定方向从一部分 到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的 合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地 消除缩孔、缩松。定向凝固原则如下图。
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工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
定向凝固的不足： 1）浪费金属和加工工时，增加成本； 2）易使铸件产生变形和裂纹； 用途： 主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸 钢件等。 结晶范围很宽的合金，补缩效果很差，难 以避免微观缩松的产生，故选用近共晶成分和 结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的。
其它防止措施：合理确定铸件的浇注位置、内浇道
位置及浇注工艺－－－ 浇注位置的选择应服从定向凝 固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口； 要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷 的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。
冒口：指在铸型中能储存一定金属液的，并
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对铸件进行补缩以防止产生缩孔和缩松的专 门工艺“空腔”。
缩松产生的原因：与缩孔相类似。
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缩松形成的过程：如下。
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
缩松的形成
(3)缩孔与缩松的防止措施：
缩孔与缩松的危害：降低铸件的机械性能； 缩松还降低铸件的气密性。
基本原则: 制定合理工艺—补缩, 缩松转 化成缩孔。 防止措施：非常有效的措施是使铸件实现 定向凝固。
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2）提高铸型温度； 3）改善铸型和型芯的退让性； 4）进行去应力退火；
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（3）铸件的变形和防止: 应力超过一定的值就会产生一定的变形。 如教材图8-7，8-8。 铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形 以及随后的切削加工变形。 防止铸件变形有以下几种方法： a) 采用反变形法 可在模样上做出与铸件 变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸 件的变形，此种方法称为反变形法。 b) 进行去应力退火 铸件机加工之前应先 进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切 削加工变形程度。 c) 设置工艺肋 为了防止铸件的铸态变形， 可在容易变形的部位设置工艺肋。
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第八章 铸造成形
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第八章
概 述 第一节 第二节 第三节 第四节
铸 造 成 形
铸造工艺基础 常用的铸造方法 铸造成形的工艺与结构设计 铸造技术的发展趋势
河南工业大学
概
一、概念：
述
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
铸件结构 若不合理,如壁厚小, 直浇口 低, 浇口小等 ，充型能力↓
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二、铸造合金的收缩
一）收缩三阶段
二）收缩对铸件质量的影响
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
1.缩孔和缩松
2.铸造应力与变形
3.铸件的裂纹及防止
一）收缩的三阶段
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1.收缩的概念：
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
铸造：是一种液态金属成形的方法，即将金 属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到 具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重 力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的 作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状 的铸件。
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二、特点及应用：
1.优点：1）可制形状复杂制件；
液态金属流动性→复杂外形 型芯 →复杂内腔
二、收缩对铸件质量的影响
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1.缩孔和缩松 （1）缩孔的形成 在铸件最后凝固的地方出现一些空洞, 容积大而集中的孔洞----缩孔，缩孔总是出 现在铸件上部或最后凝固的部位。 外形特征：内表面粗糙，形状不规则， 多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内 部，有时经切削加工才能暴露出来。 形成原因：铸件在凝固冷却期间,金属 的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩。 形成过程：见图。
1.合金的流动性（液态合金本身的流动能力）
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显然，流动性好，充型能力高。 （1）流动性对铸件质量影响
1）流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件. 2）流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和 气体上浮,排除. 3）流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩 进行补缩.
2)共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面 光滑,且熔点低,过热度大; 3)非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范 围内进行,初生树枝状晶阻碍液流。
理由：
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（1）共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，
液态合金从表层逐层向中心凝固，已结晶的
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固体层内表面光滑，对金属液的流动阻力小；
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冷铁：用来控制铸件凝固的一种激冷物。
2.铸造应力与变形
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在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温 度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩 受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形 或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的 质量。 （1）铸造应力的产生
前两个阶段是形成缩孔和缩松的主要原因， 后一个阶段是产生铸件应力、变形和裂纹的 主要原因。
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3.影响合金收缩的因素： 1）化学成分：不同成分的合金其收缩率一 般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩 最大，灰铸铁最小。 2）浇注温度：合金浇注温度越高，过热度 越大，液体收缩越大。 3）铸件结构与铸型条件：铸件冷却收缩时， 因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度 不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加 之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的 实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻 力越大，铸件的实际收缩率就越小。
的铸件；
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充型能力不足:易产生1)浇不足: 不能得到完整
的零件;2)冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下 降;3）气孔、夹渣等缺陷。
浇不足：铸件形状不完整
冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝 冷隔形成示意图
二）影响合金充型能力的因素
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2)冷裂纹: 低温下裂纹 特征: 裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂 口表面干净,具有金属光泽,有时有轻微氧 化色 原因: 复杂、大工件受拉应力部位和应力 集中处易发生; 材料塑性差; P—冷脆 预防: 合理设计,减少内应力,控制P含量, 提高退让性
3.铸件的裂纹与防止
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铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹. 1）热裂纹: 高温下形成裂纹 特征: 裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化 色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在 应力集中或凝固处. 灰铁,球铁热裂少,铸钢, 铸铝,白口铁大. 原因: a.凝固末期,合金呈完整骨架+液体, 强,塑↓； b.含S—热脆 ； c.退让性不好； 预防: 设计结构合理, 改善退让性, 控制含S 量，选用收缩率小的合金。
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---称为收缩。
收缩是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变 形,残余应力)产生的基本原因。 2.收缩的三阶段：
(1)液态收缩----从浇注温度t浇到凝固开始 温度t液间的收缩；液态收缩减少的体积与浇注 温度和开始凝固的温度的温差成正比。常用体 收缩率表示。
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进入第二节
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第二节
常用的铸造方法
一、砂型铸造 二、特种铸造
一、砂型铸造
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砂型铸造是将液态金属浇注到砂型型腔内， 从而获得铸件的生产方法。 砂型铸造适用于各种形状、大小及各种合金 铸件的生产，是目前应用最广泛的一种铸造方 法。 砂型铸件占铸件总量的90%以上, 用于铸造 各种机械零件。 造型是砂型铸造最基本的工序,造型方法选 择的是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影 响。 常用的造型方法有手工造型和机器造型。
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铸造产品
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第一节 铸造工艺基础
一、液态合金的充型 二、铸造合金的收缩
一、液态合金的充型
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一）合金的充型能力对铸件质量的影响
充型: 液态合金填充铸型的过程。 充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形 状完整,轮廓清晰的铸件的能力。 充型能力强：有利于获得形状完整、轮廓清晰
（2）测定流动性的方法: 以螺旋形试件的长度来测定:
如 灰口铁:浇铸温度1300℃ 试件长1800mm. 铸 钢: 1600℃ 100mm
（3）影响流动性的因素
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主要是化学成分:
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
1) 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固 层表面平滑,对液流阻力小;
铸造应力按其产生的原因可分为三种： a）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。 b）机械应力：铸件在固态收缩时，因受到铸型、 型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。
铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称 为残留应力。应力存在易引起变形和裂纹等缺 陷。
1）热应力的分布规律： 厚壁或心部受拉；薄壁或表面受压；
但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高，在保证 流动性的前提下，尽量采用“高温熔炼、低温浇注”。
（2）充型压力
充型压力 ---- 充型能力
3.铸型填充条件
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（1）铸型蓄热能力 工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础 （2）铸型温度
充型能力 充型能力
（3）铸型中的气体
充型能力
4.铸件结构
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铸件缩孔的形成过程示意图
缩孔的形成
（2）缩松的形成
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由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补 足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分 隔开的小液体区难以得到补缩所至的小而分 散的孔洞－－缩松。 缩松的类型：
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(2)凝固收缩----从凝固开始温度t液到凝 固终止温度t固间的收缩。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%。常用体收缩率表 示。 (3)固态收缩----从凝固终止温度t固到室 温t室间的收缩。固态收缩影响铸件尺寸,故用 线收缩表示。
2）热应力与机械应力的区别： 工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
a.形成原因不同；
b.热应力可一直保留到室温，形成残余应力； 机械应力是暂时的，在铸件落砂之后可自行消 除，不会形成残余应力。 (2)铸造应力的防止和消除措施: 1）采用同时凝固的原则 同时凝固是指 通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使 铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同 一时间凝固，如下图。
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
2）成本低廉； 3）工艺灵活,适应范围广； 4）可实现机械化和自动化； 2.缺点:1)力学性能低于同种材质的锻件←
组织粗大，有缺陷。
铸造
2)工作条件较差; 3)废品率较高← 铸造工序繁多
砂型铸造工艺：
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工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
3.应用：形状复杂，受力简单的制件。
非共晶成分合金有液、固两相共存区；已 结晶固体层内表面粗糙，流动阻力大；
(2）在同样浇铸温度下，共晶成分合金液体 的过热度大，在液态时间长。
2.浇注条件
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（1）浇注温度t浇
--- 浇
t
充型能力 内摩擦阻力 流动时间
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原因： t浇
合金粘度 过热度
t浇
1)宏观缩松：肉眼可见,往往出现在缩孔附近,或铸件截面
的中心。非共晶成分,结晶范围愈宽,愈易形成缩松。
2)微观缩松：凝固过程中,晶粒之间形成微小孔洞---凝固
区,先形成的枝晶把金属液分割成许多微小孤立部分,冷凝时收 缩,形成的晶间微小孔洞。
凝固区愈宽,愈易形成微观缩松,对铸件危害不大, 故不列为缺陷,但对气密性,机械性能等要求较高的铸 件,则必须设法减少。
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定向凝固：是使铸件按规定方向从一部分 到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的 合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地 消除缩孔、缩松。定向凝固原则如下图。
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定向凝固的不足： 1）浪费金属和加工工时，增加成本； 2）易使铸件产生变形和裂纹； 用途： 主要用于必须补缩的场合，如铝青铜、铸 钢件等。 结晶范围很宽的合金，补缩效果很差，难 以避免微观缩松的产生，故选用近共晶成分和 结晶范围较窄的合金生产铸件是适宜的。
其它防止措施：合理确定铸件的浇注位置、内浇道
位置及浇注工艺－－－ 浇注位置的选择应服从定向凝 固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口； 要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷 的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。
冒口：指在铸型中能储存一定金属液的，并
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对铸件进行补缩以防止产生缩孔和缩松的专 门工艺“空腔”。
缩松产生的原因：与缩孔相类似。
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缩松形成的过程：如下。
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缩松的形成
(3)缩孔与缩松的防止措施：
缩孔与缩松的危害：降低铸件的机械性能； 缩松还降低铸件的气密性。
基本原则: 制定合理工艺—补缩, 缩松转 化成缩孔。 防止措施：非常有效的措施是使铸件实现 定向凝固。
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2）提高铸型温度； 3）改善铸型和型芯的退让性； 4）进行去应力退火；
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（3）铸件的变形和防止: 应力超过一定的值就会产生一定的变形。 如教材图8-7，8-8。 铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形 以及随后的切削加工变形。 防止铸件变形有以下几种方法： a) 采用反变形法 可在模样上做出与铸件 变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸 件的变形，此种方法称为反变形法。 b) 进行去应力退火 铸件机加工之前应先 进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切 削加工变形程度。 c) 设置工艺肋 为了防止铸件的铸态变形， 可在容易变形的部位设置工艺肋。
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第八章 铸造成形
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第八章
概 述 第一节 第二节 第三节 第四节
铸 造 成 形
铸造工艺基础 常用的铸造方法 铸造成形的工艺与结构设计 铸造技术的发展趋势
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概
一、概念：
述
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铸件结构 若不合理,如壁厚小, 直浇口 低, 浇口小等 ，充型能力↓
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二、铸造合金的收缩
一）收缩三阶段
二）收缩对铸件质量的影响
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1.缩孔和缩松
2.铸造应力与变形
3.铸件的裂纹及防止
一）收缩的三阶段
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1.收缩的概念：
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铸造：是一种液态金属成形的方法，即将金 属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到 具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重 力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的 作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状 的铸件。
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二、特点及应用：
1.优点：1）可制形状复杂制件；
液态金属流动性→复杂外形 型芯 →复杂内腔
二、收缩对铸件质量的影响
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1.缩孔和缩松 （1）缩孔的形成 在铸件最后凝固的地方出现一些空洞, 容积大而集中的孔洞----缩孔，缩孔总是出 现在铸件上部或最后凝固的部位。 外形特征：内表面粗糙，形状不规则， 多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内 部，有时经切削加工才能暴露出来。 形成原因：铸件在凝固冷却期间,金属 的液态及凝固受缩之和远远大于固态收缩。 形成过程：见图。
1.合金的流动性（液态合金本身的流动能力）
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显然，流动性好，充型能力高。 （1）流动性对铸件质量影响
1）流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件. 2）流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和 气体上浮,排除. 3）流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩 进行补缩.
2)共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面 光滑,且熔点低,过热度大; 3)非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范 围内进行,初生树枝状晶阻碍液流。
理由：
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（1）共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，
液态合金从表层逐层向中心凝固，已结晶的
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固体层内表面光滑，对金属液的流动阻力小；
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冷铁：用来控制铸件凝固的一种激冷物。
2.铸造应力与变形
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在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温 度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩 受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形 或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的 质量。 （1）铸造应力的产生
前两个阶段是形成缩孔和缩松的主要原因， 后一个阶段是产生铸件应力、变形和裂纹的 主要原因。
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3.影响合金收缩的因素： 1）化学成分：不同成分的合金其收缩率一 般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩 最大，灰铸铁最小。 2）浇注温度：合金浇注温度越高，过热度 越大，液体收缩越大。 3）铸件结构与铸型条件：铸件冷却收缩时， 因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度 不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加 之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的 实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻 力越大，铸件的实际收缩率就越小。
的铸件；
工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础
充型能力不足:易产生1)浇不足: 不能得到完整
的零件;2)冷隔:没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下 降;3）气孔、夹渣等缺陷。
浇不足：铸件形状不完整
冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝 冷隔形成示意图
二）影响合金充型能力的因素
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2)冷裂纹: 低温下裂纹 特征: 裂纹细,连续直线状或圆滑曲线,裂 口表面干净,具有金属光泽,有时有轻微氧 化色 原因: 复杂、大工件受拉应力部位和应力 集中处易发生; 材料塑性差; P—冷脆 预防: 合理设计,减少内应力,控制P含量, 提高退让性
3.铸件的裂纹与防止
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铸件内应力超过强度极限时,铸件便发生裂纹. 1）热裂纹: 高温下形成裂纹 特征: 裂纹短,缝宽,形状曲折.缝内呈氧化 色,无金属光泽,裂缝沿晶粒边界通过,多发生在 应力集中或凝固处. 灰铁,球铁热裂少,铸钢, 铸铝,白口铁大. 原因: a.凝固末期,合金呈完整骨架+液体, 强,塑↓； b.含S—热脆 ； c.退让性不好； 预防: 设计结构合理, 改善退让性, 控制含S 量，选用收缩率小的合金。
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---称为收缩。
收缩是铸件许多缺陷(缩孔,缩松,裂纹,变 形,残余应力)产生的基本原因。 2.收缩的三阶段：
(1)液态收缩----从浇注温度t浇到凝固开始 温度t液间的收缩；液态收缩减少的体积与浇注 温度和开始凝固的温度的温差成正比。常用体 收缩率表示。
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进入第二节
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第二节
常用的铸造方法
一、砂型铸造 二、特种铸造
一、砂型铸造
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砂型铸造是将液态金属浇注到砂型型腔内， 从而获得铸件的生产方法。 砂型铸造适用于各种形状、大小及各种合金 铸件的生产，是目前应用最广泛的一种铸造方 法。 砂型铸件占铸件总量的90%以上, 用于铸造 各种机械零件。 造型是砂型铸造最基本的工序,造型方法选 择的是否合理,对铸件质量和成本有着重要的影 响。 常用的造型方法有手工造型和机器造型。
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铸造产品
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第一节 铸造工艺基础
一、液态合金的充型 二、铸造合金的收缩
一、液态合金的充型
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一）合金的充型能力对铸件质量的影响
充型: 液态合金填充铸型的过程。 充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形 状完整,轮廓清晰的铸件的能力。 充型能力强：有利于获得形状完整、轮廓清晰
（2）测定流动性的方法: 以螺旋形试件的长度来测定:
如 灰口铁:浇铸温度1300℃ 试件长1800mm. 铸 钢: 1600℃ 100mm
（3）影响流动性的因素
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主要是化学成分:
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1) 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固 层表面平滑,对液流阻力小;
铸造应力按其产生的原因可分为三种： a）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。 b）机械应力：铸件在固态收缩时，因受到铸型、 型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。
铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称 为残留应力。应力存在易引起变形和裂纹等缺 陷。
1）热应力的分布规律： 厚壁或心部受拉；薄壁或表面受压；
但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高，在保证 流动性的前提下，尽量采用“高温熔炼、低温浇注”。
（2）充型压力
充型压力 ---- 充型能力
3.铸型填充条件
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（1）铸型蓄热能力 工 程 材 料 及 成 形 工 艺 基 础 （2）铸型温度
充型能力 充型能力
（3）铸型中的气体
充型能力
4.铸件结构
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铸件缩孔的形成过程示意图
缩孔的形成
（2）缩松的形成
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由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补 足,或者,因合金呈糊状凝固,被树枝状晶体分 隔开的小液体区难以得到补缩所至的小而分 散的孔洞－－缩松。 缩松的类型：
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(2)凝固收缩----从凝固开始温度t液到凝 固终止温度t固间的收缩。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%。常用体收缩率表 示。 (3)固态收缩----从凝固终止温度t固到室 温t室间的收缩。固态收缩影响铸件尺寸,故用 线收缩表示。