第二章 铸造

阶段
铸
充型
造
凝固 收缩
主要影响因素 金属的流动性
浇注温度 充型压力 凝固方式 冷却速度
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
➢金属的流动性
改善金属 有利于 的流动性
金属流动性 测试实验
形成薄壁复杂的铸件 排除内部夹杂物和气体 加快凝固中液体的补缩
实验如右图所示：
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
➢ 浇注温度：
砂型铸造概略图
第三节 砂型铸造
设备：1）熔炼冲天炉、感应炉、电弧炉
2）造型 3）落砂，清理
第三节 砂型铸造—铸模设计
➢ 确定浇注位置和分型面
浇注位置： 浇注时铸件再铸型中所处的位置。 分型面： 铸型的分割或装配面。 Note：正确设置浇注位置和分型面是完成造型、
取模、设置浇冒系统和安装砂芯的需要。
产生原因：先凝 固区域堵住液体 流动的通道，后 凝固区域收缩所 缩减的容积得不 到补充。
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
2）疏松：金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的 厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。 产生原因：合金结晶温度范围很宽，或铸件断面温度 梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存 的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立 的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到 补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞。 还可能由凝固时截留在铸件内的气体无法排除所致。
一般，铸模冷却能力越大，越利于在结晶过程 中保持大的温度梯度，利于柱状晶发展。柱状 晶择优取向，晶界易富集第二相，两种位向交 叉面是受力的薄弱环节，轧制时易开裂。 因此，钢铁或镍合金（塑性较差）应避免柱状 晶出现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。
第二节 铸造的工艺基础-影响因素 ➢ 铸件的收缩： 定义：合金从浇注、凝固到冷却至室温的过
第四节 特种铸造-喷射铸造 喷射铸造：
第四节 特种铸造-连续铸造
连续铸造：
➢ 定义：将熔融金属连续不断地浇注到被成为结晶 器的特殊容器中，凝固的铸件不断从结晶器的另 一端被引出，从而获得任意长度的等横截面铸件 的铸造方法。
第四节 特种铸造-连续铸造
➢ 工艺过程：如右图。 ➢ 特点和应用：
1、冷却速度快，组织致密， 机械性能好；
2、工艺简单，生产效率高； 3、适于横截面一定的钢材、 铝材和铸铁管等铸件生产。 连续铸造工艺过程示意图
程中，体积或尺寸缩减的现象。 分类：液态收缩、凝固收缩和固态收缩。
浇注温度
铸 液态收缩
件 温
开始凝固温度
体
度 降
凝固收缩
积 收
低
缩
凝固终止温度
固态收缩
室温
线收缩
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
体积收缩率：
V
V0 V1 100% V1
线收缩率：
L
L0 L1 L1
100%
其中 V0，L0为铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度； V1，L1为铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
2）糊状凝固
铸件在结晶过程中，当结晶温 度范围很宽，且铸件截面上的 温度梯度较小，则不存在固相 层，固液两相共存的凝固区贯 穿整个区域。
3）中间凝固
大多数合金的凝固介于逐层凝固 和糊状凝固之间，称中间凝固。
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
若要避免柱状晶的出 现，应采用哪种凝固 方式，并如何实现？
无切削精密铸件。
第四节 特种铸造-熔模铸造 ➢ 工艺过程：
第四节 特种铸造-熔模铸造 ➢ 应用实例： 航空发动机等轴晶叶片的制备
航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随 着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的 方法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材 料的加工难度。 目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空 环境下的熔模铸造来解决这一技术难题。
第四节 特种铸造-离心铸造
离心铸造：
➢ 定义：将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属 在离心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。 ➢ 工艺过程：
第四节 特种铸造-离心铸造
➢ 特点和应用：
1、离心力改善了补缩条件，缩孔等缺陷减少； 2、改善金属的流动性，提高了充型能力； 3、简化了中空圆柱形铸件的生产过程； 4、成分偏析严重，尺寸难以控制； 5、特别适于横截面呈圆柱的铸件生产。
第四节 特种铸造-压力铸造
➢ 特点和应用： 1、浇注时间短，易于机械化、自动化作业； 2、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好； 3、流动性和致密性高，铸件尺寸精度高，表面光 洁； 4、凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔； 5、模具成本高，铸件尺寸受限； 6、一次性投资大，适于有色金属薄壁复杂铸件的 大批量生产。
属浇注到铸型中制造铸件的铸造方法，也称永久型铸造。
➢ 工艺过程：
第四节 特种铸造-金属型铸造
➢ 特点和应用： 1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成 本高； 2、铸件尺寸精度高，表面粗糙度较低； 3、金属散热性能好，冷速快，晶粒细化，机械性 能好； 4、适于生产大批量有色金属铸件。 5、不同于砂型，减小劳动成本和强度。 6、不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。
第二节 铸造的工艺基础 定义：将熔融态的金属（或合金）浇注于特定 型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。 基本过程：
液态 金属
充型
凝固 收缩
铸件
第二节 铸造的工艺基础 实质：液态金属充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。
砂型铸造概略图
第二节 铸造的工艺基础-影响因素 主要影响因素
主要体现在二个方面：影响充型和凝固收缩的主要因素。
第三节 砂型铸造 1、造型因素：主要指砂型的紧实程度。
几种常用的压实型砂的方法
第三节 砂型铸造
2、型砂的影响：
1）原砂、粘结剂和稀释剂的成分配比 型砂
原砂
稀释剂
粘结剂
石
铬锆
英
铁英
砂
矿砂
砂
水
粘
水
树
溶
玻
剂
土
璃
脂
2）原砂形状、粒度
➢
工 艺 过 程
第三节 砂型铸造 特点及应用：
1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制； 2、属于一次性铸造成形，造型工作量大； 3、铸件精度和表面质量差； 4、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差； 5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。
➢ 确定主要工艺参数
正确选择收缩量、
机械加工余量和拔模 斜度等。
拔模斜度
第三节 砂型铸造—铸模设计 ➢ 浇注系统的设计
浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道；由交口杯、 直浇道、横浇道和内浇道等组成。 设计原则：确保液态金属能够平稳 合理充满型腔。
➢ 补缩系统的设计
为消除缩孔和疏松，必须设置 冒口、冷铁等补缩系统。
第四节 特种铸造
为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，在砂型铸造 的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于 砂型铸造的方法称为特种铸造。
低压铸造
消失模 铸造
熔模铸造
压力铸造
七
种
常
见
特种铸造
金属型 铸造
的 特 种
铸
造
连续铸造
离心铸造
方 法
第四节 特种铸造-金属型铸造
金属型铸造：
➢ 定义：利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
危害：降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。 防止：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松出现。
顺序凝固：在铸件上可能出现疏松的后大部
位安装冒口或放置冷铁，使铸件远离冒口的部 位先凝固（图中Ⅰ）， 尔后在靠近冒口的部位凝固 （图中Ⅱ、Ⅲ），最后是 冒口本身凝固。
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
第四节 特种铸造-熔模铸造
第四节 特种铸造-熔模铸造
第四节 特种铸造-熔模铸造
第四节 特种铸造-压力铸造
压力铸造：
➢ 定义：将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之
在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸 件的一种铸造方法。
➢ 工艺过程：
第四节 特种铸造-压力铸造
大型压铸机及压铸模
防止：以释放铸造应力为原则
1、合理的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统）
2、铸件形状设计简单、对称、厚薄均匀
3、对铸件进行热处理。
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
铸件特殊位置的裂纹示意图
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
4）其它铸造缺陷：
鼓泡
渗漏
冷隔
未注满
第三节 砂型铸造
概念：用砂粒制备铸型来生产铸件。
第四节 特种铸造-消失模铸造 消失模铸造：
➢ 定义：用泡沫塑料聚苯乙烯制成带有浇冒系统的模型，
覆上涂料，用干砂造型，不需取模，直接浇注的铸造方法。
➢ 工艺过程：如下图。
第四节 特种铸造-消失模铸造
➢ 特点和应用： 1、不分型，不起模，工艺简化，精度提高； 2、能制造形状复杂的铸件和工艺品； 3、冒口设置可自由设置，不易产生缩孔、疏松等； 4、易产生有害气体，铸件易渗碳，降低表面质量； 5、适于生产起模困难，形状复杂的铸件。
第三节 砂型铸造 ➢ 模型和芯盒的设计： 模型内轮廓应该与铸件外轮廓形状一致，并且尺寸比 铸件大一个收缩量。有孔或中空的铸件需在模腔中放 置型芯。型芯的尺寸设计也要考虑收缩量。
第三节 砂型铸造
➢型（芯）砂制备的技术要求： 具有一定强度、透气性、退让性、溃散性等。 ➢影响因素： 1、造型因素 2、型砂的影响
内置冷铁法 外置冷铁法
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
设置冒口法 冒口、冷铁共用法
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
3）裂纹与变形：
产生原因：铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。
铸件收缩受阻
机械应力
铸造应力
铸件因V冷却、温度不同， 各部位收缩不一致产生
热应力
铸件组源自文库发生相变时，因温
度差异出现体积变化不一致 相变应力
（％）
凝固收缩 （％）
固态收缩 （％）
碳钢
0.35
1610
1.6
3.0
7.86
白口铸铁 3.00
1400
2.4
4.2
5.4～6.3
灰口铸铁 3.50
1400
3.6
0.1
3.3～4.2
第二节 铸造的工艺基础-缺陷
铸造缺陷
1）缩孔：金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大
部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。
浇注系统示意图
第三节 砂型铸造—铸模设计
设计原则： 1）冒口凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的 凝固时间。 2）冒口应具有足够大的体积，保证有足够金属液补 充铸件内部收缩。 3）在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅 的补缩通道。 4）为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置 激冷能力强的材料（铸铁、石墨或铸钢）作为冷铁。
第四节 特种铸造-熔模铸造
熔模铸造： ➢ 定义：
利用易熔材料制成模型，在模型表面粘结一定厚 度的耐火材料，然后将模型熔化而使金属液充满 型腔的铸造方法。
➢ 特点和应用：
1、铸件尺寸精度高，表面光洁； 2、可铸造形状复杂零件； 3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高； 4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或
T浇注↑
δ粘度↓ t凝固↑
流动性↑ 充填路径↑
充型能力↑
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
➢ 充型能力：
P充型↑
V流动↑
充型能力↑
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
➢ 铸件的凝固方式：
影响铸件质量的主要因素是固液两相并存的凝固区宽 窄。依据凝固区的宽窄，铸件分以下凝固方式。
1）逐层凝固
纯金属和共晶成分的合金在 凝固中不存在固液两相并存 的凝固区，所以固体与液体 分界面清晰可见，一直向铸 件中心移动。
第四节 特种铸造-压力铸造
第四节 特种铸造-压力铸造
第四节 特种铸造-低压铸造
低压铸造：
➢ 定义：液态金属在低的气体压力作用下从坩埚中自下而
上地充填型腔并凝固而获得铸件的一种铸造方法。
➢ 工艺过程：
第四节 特种铸造-低压铸造
低压铸造火车车轮示意图
第四节 特种铸造-低压铸造
➢ 特点和应用： 1、充型压力和充型速度易于控制，气孔、夹渣较 少； 2、铸型散热快，组织致密，机械性能好； 3、无需冒口设置，金属利用率高； 4、铸件尺寸精度高，表面光洁； 5、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。
第二节 铸造的工艺基础-影响因素
注意：合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来 较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。
铸模设计时，必须考虑铸件的收缩因素。利用每种材料特
定的收缩率和实际铸件的尺寸，换算成铸模型腔的尺寸。
表2-1 典型合金的收缩率εV
合金 种类
碳含量 （％）
浇注温度（ 液态收缩
℃）
第二章 铸 造
第一节 概述 第二节 铸造的工艺基础 第三节 砂型铸造 第四节 特种铸造
第一节 概 述
金属的成形方法分铸造、塑性成形（或称压力加 工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大类。
优点：与其它工艺方法相比，它 具有成本低，工艺灵活性大，适 合生产不同材料、形状和重量的 铸件，并适合于批量生产。 缺点:公差较大，易产生内部缺陷。