第八章 铸造

（2）影响合金收缩的因素
化学成分：碳素铸钢随含碳量增加，凝固收缩增加，而固态 收缩略减；灰铸铁中，碳、硅含量越多，收缩越小。 在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。
浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。
铸件结构与铸型条件 通常，铸件在铸型中并不是自由收缩，而是限制收缩。因此， 在设计模型时，必须根据合金种类、铸件的结构情况等因素， 选取适合的收缩率
时效处理：人工时效；自然时效
3、铸件的裂纹与防止 裂纹——当铸造应力大到一定程度，超过金属的抗拉强度时， 铸件便将产生裂纹。是严重的铸造缺陷，必须防止。
（1）热裂——铸件在合金凝固末期的高温下形成的。
防止：铸件结构合理；改善铸型和型芯的退让性；减少合金中 有害杂质硫含量。
（2）冷裂——铸件在低温下形成的裂纹。 冷裂常出现在形状复杂大工件的受拉伸部位，特别是具 有应力集中处（如尖角、缩孔、气孔、夹渣等附近）。 脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合 金钢最易产生冷裂纹。
启 动 阀
（二）铸铁中碳的存在形式
铸铁中的碳除极少量固溶于铁素体之外，以两种形式 存在： 碳化物状态——Fe3C及合金铸铁中的其他碳化物 （亚稳定相） 游离状态——石墨（G） （稳定相） 硬而脆 性能极低
石墨是碳的一种结晶形式,具有六方晶格,碳原子 层状排列,受力时容易沿层面滑动，故其强度、硬 度、塑性和韧性极低，常呈片状形态存在.
浇不足缺陷
二、影响合金流动性的因素
1.合金的化学成分
1）合金的种类 不同种类的合金，具有不同的流动性。其中 灰铸铁的流动性最好，而铸钢的流动性最差。
实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。
2）化学成分和结晶特征 •纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶，是由铸件壁表 面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体 的流动阻力较小，所以流动性好。 •其它成分的合金是在一定温度范围内进行结晶，凝固时铸 件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝 固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大， 金属的流动性就越差。
纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁随凝固 温度范围的增加，其流动性变差。
2.浇注条件
浇注温度越高，液态金属的粘度越 小，合金液的流动性越好。但温度 过高，氧化严重，流动性降低 液态金属在流动方向上所受的压 力称为充型压力。充型压力越大, 流动性越好。
浇注温度
浇注 条件
充型压力
浇注系统
浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，流动性越低。
牌号用“HT+数字（数字表示最低的抗拉强度值MPa） ” 。 例：HT150。 应用：床身，机架，箱体，缸体，导轨
（4）灰铸铁的热处理 灰铸铁热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的 形状、数量、大小和分布。热处理主要作用是消除应 力、改善切削加工性、提高表面的硬度和耐磨性等。 1）去应力退火 工艺为：加热至500～600℃，保温一段时间后，随 炉冷至200℃以下出炉空冷。 2）消除白口、降低硬度退火 加热到850～900℃，保温2～5h，然后随炉冷却至 250～400℃出炉空冷。 3）表面淬火 主要作用是提高铸件的表面硬度和耐磨性。常用的 有火焰淬火、感应淬火、接触电阻加热淬火等。
四、合金的收缩 液体合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象称为 合金的收缩。 1．收缩及其影响因素 l）液态收缩 从浇注温度冷却到凝固开始温度（即液相线温 度）的收缩。 2）凝固收缩 从凝固开始温度冷却到凝固终了温度（即固相 线温度）的收缩。 ——引起铸件的体积收缩，用体积收缩率来表示。它是铸件 产生缩孔和缩松缺陷的基本原因。 3）固态收缩 从凝固终了温度冷却到室温的收缩。 ——引起铸件外部尺寸的变化，用线收缩率来表示。它是铸 件产生内应力、裂纹和变形等缺陷的主要原因。
带轮的轮缘、轮辐 比轮毂薄，因此冷 却速度快，比轮毂 先收缩，轮辐中产 生拉应力，使轮辐 发生断裂。同样的 原因，飞轮的轮缘 中产生的拉应力也 易使轮缘发生断裂 。
工程中常见的几种铸件缺陷图
小结
流动性
充型能力 合金铸造性能 凝固方式
浇注条件 铸型条件 逐层凝固 糊状凝固 中间凝固
收缩性能
液态收缩 凝固收缩 固态收缩
可见，铸件壁厚越薄，C和Si的 含量越低，越易形成白口组织。 因此，调整铸铁中的C和Si的含 量及冷却速度是控制铸铁组织和 性能的重要措施。
它共分五个区域： Ⅰ——白口铸铁区，其组织 是Ld’＋P＋Fe3C，不含石墨； Ⅱ—— 麻口铸铁区，其组织 是 P＋Fe3C十石墨。其性能与 白口铸铁相近，在铸造生产 中基本不采用； Ⅲ——珠光体灰铸铁区，其组 织是P十石墨； Ⅳ—— 珠光体一铁素灰铸铁 区，其组织是P＋F十石墨 Ⅴ——铁素体灰铸铁区，其 组织是F十石墨
2.缩孔和缩松的形成及防止
（1）缩孔和缩松的形成 铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收 缩，往往在铸件最后凝固的部位出现空洞，容积大 而集中的孔洞为缩孔，细小而分散的孔洞为缩松。
1）缩孔的形成:纯金属、共晶成分和凝固温度范围 窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固 。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件 最后凝固的地方就会产生缩孔.
机械应力
铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。
热应力的形成过程
结论： 热应力使铸件的厚 壁或心部受拉伸应力， 薄壁或表层受压缩应 力。 铸件的壁厚差别越 大，合金的线收缩率 越高，热应力越大。
热应力的预防：尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀地 冷却，如使铸件的壁厚均匀等。
2、铸件的变形与防止 变形——残余应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自 发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。
特征：形状不规则，多数近于倒圆锥形； 隐藏在铸件内（最后凝固的位臵），有时也产 生 在铸件上表面。
2）缩松的形成: 铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度 范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相 共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体 区难以得到补缩所致。
结晶温度范围大的合金易形成缩松
（四） 铸铁的石墨化及其影响因素
铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。 石墨化方式： 从液相或A中直接析出石墨 由Fe3C分解得到石墨
（四） 铸铁的石墨化及其影响因素
影响石墨化因素 1）化学成分 C、Si —— 强烈促进石墨化 S —— 强烈阻碍石墨化 Mn —— 阻碍石墨化 2）冷却速度 冷速慢 → 促进石墨化 冷速快→ 抑制化
F+片状石墨 （F+P）+片状石墨 P+片状石墨
性能：机械性能较差——抗拉强度低、塑性、韧性近于零； 但抗压强度与相同基体碳钢相近。 其它性能——耐磨性好、减震性好 、铸造性能和切削加工性 能良好 ;不能锻造、冲压；焊接性能差。
（2）灰铸铁的孕育处理 在浇注前向铁水中加入少量孕育剂，以获得细小均匀的 石墨片和细片珠光体。 通过孕育处理得到的铸铁称为孕育铸铁。孕育铸铁强度、 硬度有显著提高，耐磨性较好，且铸件各部位截面上的组织 和性能比较均匀。 （3）灰铸铁的牌号、性能及用途
在铸件的凝固 过程中，其截面 一般存在三个区 域，即液相区、 凝固区、固相区。 对铸件质量影响 较大的主要是液 相和固相并存的 凝固区的宽窄。 铸件的凝固方式 就是依据凝固区 的宽窄来划分的。
凝固方式有：逐层凝固,糊状凝固,中间凝固. 1.逐层凝固方式 合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清 楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金有 灰铸铁。 2.糊状凝固方式 合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式 称为糊状凝固。常见合金有球墨铸铁、高碳钢等 3.中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称 为中间凝固方式。常见合金有中碳钢、高锰钢、白口 铸铁等
2）对于形状复杂壁厚不均匀的铸件，容易在最后凝固 的厚壁部位产生缩孔，为了消除厚壁处的缩孔，可在产 生缩孔部位设臵补缩冒口（侧冒口和顶冒口）
3)生产上为了控制铸件的凝固顺序，还可以在铸件厚壁处（ 即热节部位）安放冷铁. 冷铁是一种用铸铁或钢制成的金属块，嵌在铸件厚大部位的 铸型中，由于冷铁加速了该部位铸件金属的散热，使缩孔转 移到铸件冒口的位臵，从而达到防止缩孔的产生。
结论： 厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。 薄部、表面受压应力，出现外凸变形。 举例： T型梁的变形1 平板的变形 T型梁的变形2 门型梁的变形
铸件变形的消除方法
铸件的结构尽可能对称 铸件的结构：铸件各部分能自由收缩 铸件的壁厚尽可能均匀 长而易变形的铸件：可采用反变形法 工艺方面：采用同时凝固原则（同时凝固是指通过设臵冷铁、 布臵浇口位臵等工艺措施，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）
（2）防止缩孔和缩松的方法
原理：定向凝固原则——在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过 增设冒口或冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固， 尔后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。 结果使铸件各个部分的凝固收缩均能得到液态金属的补充，而将 缩孔转移到冒口之中
1）对形状简单的铸件，可将浇口设臵在厚壁处，适当扩大浇 口的截面积，利用浇口直接进行补缩
（五）灰口铸铁的分类
根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为：
普通灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、、蠕墨铸铁。
石墨片越圆整、越细小、分布越均匀对基体割裂作用越小。
1、灰铸铁 （1）灰铸铁的成分、组织与性能
成份：一般为Wc=2.5%～4.0%,Wsi=1.0%～3.0%,WMn=0.6%～ 1.2%,Ws≤0.15%,Wp≤0.30%。 组织：看成是碳钢的基体加片状石墨，分为三类：铁素体基体、 铁素体-珠光体基体、珠光体基体灰铸铁。
第八章
铸造
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熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸 型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形 方法，称为铸造 分类： 砂型铸造——90%以上 特种铸造——铸件性能较好，精度高，效率高
铸造的优缺点：
优点： 1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯， 如各种箱体、床身、机架等。 2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。 工业上常用的金属材料均可用来进行铸造， 铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右 3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉， 并可直接利用废机件，故铸件成本较低。 缺点： 1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、 气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度 低于同种材料的锻件。 2）铸件质量不够稳定。
源自文库铁中石墨形态
片状
团絮状
球状
蠕虫状
（三）石墨存在对铸铁的力学性能影响
铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹 杂着石墨，石墨对基体产生割裂作用。
因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其 性能比钢低，不能锻造，且石墨的数量越多， 越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。 但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良 性能，如铸造性能、减振性和减摩性等。
应力与变形
第二节
一、铸铁
(一）何为铸铁？
常用铸造的合金
铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、
锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 有时为了提高力学性能或物理、化学性能，还可加入 一定量的合金元素，得到合金铸铁。
应用：用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体 、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。 箱体
五、铸造内应力、变形和裂纹
铸件受到阻碍不能自由收缩，会在铸件内部产生内应 力，称为铸造内应力。
1、内应力的形成与防止 热应力
铸 造 应 力
铸件在凝固和冷却的过程中，由于 铸件的壁厚不均匀，导致不同部位 不均衡的收缩而引起的应力。
铸件在固态收缩时，因受到铸型、 型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍 而产生的应力。
第一节
合金铸造性能
合金的铸造性能是表示合金铸造成型获得优质铸件的能力。通 常用流动性和收缩性来衡量。 一、合金的流动性 1、流动性——是指液态 金属本身的流动能力。 合金流动性的好坏，通 常以“螺旋形流动性试 样”的长度来衡量，将 金属液体浇入螺旋形试 样铸型中，在相同的浇 注条件下，合金的流动 性愈好，所浇出的试样 愈长。
3.铸型条件
铸型条件的不同对流动性的影响也很大。在铸型
中凡增加合金流动阻力、降低流速和加快冷却速 度的因素，都会降低流动性。
因此，在铸造工艺上改善铸型的填充条件方法有:
•加高直浇道，扩大内浇道截面，增设出气口; •铸型烘干，减少合金与铸型的温差； •提高液态合金的流速，延长流动时间。
三、合金的凝固 铸件的凝固过程：