第8章 铸造

（3） 铸件的变形与裂纹
• 变形：在铸造应力的作用下，应力达到一定值时发生 的变形，称铸件变形。
• 裂纹：当应力值超过强度极限产生裂纹，称铸造裂纹。 • 变形与裂纹导致工件丧失精度,以及造成工件报废。 • 如下图的导轨在浇注时可釆用“反变形法”加以消除。
图8-8 车床导轨的挠曲变形
铸件的变形及防止措：
• 气孔按气体来源可分为3类。
（1）侵入性气孔 侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵 入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸 较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧 化色。 （2）析出性气孔 析出性气孔是溶解在金属液中的气体，在 凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特 征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状， 往往分布于整个铸件断面内。 （3）反应性气孔 浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、 冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称 反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处， 孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。
• 气孔是铸件最常见的缺陷之一。气孔的存在破坏了金属的 连续性，减小了承载面积，造成局部应力集中，机械性能 下降，成为零件承载断裂的裂纹源。形状不规则的气孔则 会增加金属缺口的敏感性，使强度和抗疲劳强度下降，弥 散性气孔还可使显微组织缩松，降低铸件的气密性。防止 措施：
• （1）防止气体进入金属液。用覆盖剂保护或采用真空熔 炼和浇铸。
造型现场
1、手工造型
• 手工造型操作灵活，大小铸件均可适应，可采用 各种模样及型芯，通过两箱造型、三箱造型等方 法制出外廓及内型复杂的铸件。常用的手工造型 的特点和应用见表8-3所示。
• 特点：
①生产率低； ②对工人技术水平要求较高； ③铸件尺寸精度及表面质量较差； ④主要用于单件、小批生产，有时也可用于大批量的生产。
a.铸件壁厚要尽量均匀，并使之形状对称。与去 应力的方法基本相似
b.尽量采用同时凝固原则。 c.反变形法。 d.热处理。
铸件的裂纹与防止：
①热裂：铸件凝固末期高温下产生裂纹，强度、塑性低，收
缩受阻会产生裂纹。特征是：裂纹短，缝宽，形状曲折，呈氧 化色。
防止热裂：注意化学成分（合金的收缩性能)，合理设计 铸件结构及减少铸型阻力。
浇注系统
冒口
图—冒口补缩示意图
冷铁
a）
b）
c）
顺序凝固可使铸件各部位的收缩均得到金属液补缩， 而缩孔则移至冒口，最后将冒口切除，见图8-6所示。
图8-6 顺序凝固示意图
②同时凝固
同时凝固就是使铸件的各部位几乎同时冷却凝固， 以防止缩口产生。例如：在铸件比较厚的部位或紧靠厚的 部位处的铸型上安放冷铁，如图8-7所示。同时凝固可减 轻铸件热应力，防止铸件变形和开裂，但是容易在铸件心 部出现缩松。同时凝固仅适用于收缩小的合金铸件，如碳、 硅含量较高的灰口铸铁件。
8-7 同时凝固示意图
3 、铸造应力、变形与裂纹
• 铸件凝固之后继续冷却时产生的应力，其 中部分一直保留到室温，成为残余内应力， 称为铸造内应力。
• 铸造应力主要包括热应力和机械应力。这 两种应力如果得不到及时消除，铸件在应 力作用下容易产生变形，甚至产生开裂。
• （1）热应力： 由于形状复杂，厚薄不均， 各部分的冷却速度不同，以至在同一时刻， 铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称 为热应力。
浇注温度和浇注速度、浇注系统对铸件的收缩有影 响。快浇有利于“顺序凝固”。慢浇有利于“同时凝固”。 应该指出，两种方式在凝固上虽然是对立的，但在某个具 体铸件上以可以将两者结合应用。
•生产中常用的冷铁材料有铸铁、铝合金、石墨 和铜合金等 。 •可以制作冷铁的材料很多，凡是比砂型材料的 热导率、蓄热系数大的金属和非金属材料均可选 用。
①合理地设计铸件的结构 铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相差 愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈大。因此，在设计铸件 时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。
②采用同时凝固的工艺 所谓同时凝固是指采取一些工艺措施， 使铸件各部分温差很小，几乎同时进行凝固。因各部分温差小， 不易产生热应力和热裂，铸件变形小。设法改善铸型、型芯的退 让性，合理设置浇冒口、冷铁等。
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铸 件 发 动 机 机 体
铸 造 生 产
装 置
8.1.1 铸造的特点
铸造生产的优点： 1、适用范围广。铸件的外形尺寸和重量几乎不受
限制（大到几百吨,小到几克重）。 2、铸造材料广泛。 3、铸件尺寸精度高。 4、生产成本低。 铸造生产的缺点： 1、工序多、工艺过程控制较难、劳动强度大。 2、工艺过程控制较难，铸件质量不稳定。
第8章
铸造
本章任务： 1、掌握铸造工艺过程； 2、掌握铸造缺陷和预防措施； 3、熟悉铸造特点和铸造方法； 4、了解铸造原理和先进铸造方法。
8.1 概述
铸造是金属材料液态成形的一 种重要工艺方法，即将熔融金属浇 注、压射或吸入铸型型腔，冷却、 凝固后使之成为具有一定形状和性 能的铸件产品。
浇铸车间
• （2）通入氯气（或加氯盐（高氯酸钠-NaClO8，作用如 防冻、除雪等），驱除合金液中的氢气。
• （3）增高压力，提高铸件冷却速度,提高外界气氛的压力 等，阻止气体从金属中析出。
合金在高温条件下长时间工作时，首先会因为氧化性气体侵蚀， 表面逐层出现氧化起皮，使铸件的有效断面减小；其次还会由于氧化 性气体沿石墨片或裂纹渗入铸 铁内部产生氧化以及渗碳体高温分解 析出石墨，使铸铁的 体积产生不可逆胀大，造成铸件失去精度和产 生显微裂纹，称合金的氧化性。
②冷裂：低温下形成的裂纹。特征是：裂纹细小，直线形，
无氧化色，减少内应力。 防止冷裂：凡能减小铸造内应力或合金脆性的因素，均能
防止冷裂的产生。
8.2.3 合金的吸汽性和氧化性
• 合金在加热过程中不断吸收(溶解)与其相接 触的气体的性质，称为合金的吸气性。气 体在合金中的含量超过其溶解度，或侵入 的气体不被金属溶解时，会以分子状态的 气泡存在于液态金属中。若浇铸前不以排 除，就会在铸件内形成孔洞。导致铸件产 生气孔。
为了提高铸铁的耐热性，可加入Si、Al、Cr等合金元 素，使铸铁 表面在高温下能形成致密的氧化膜，使其内部 不再继续氧化而被破 坏。
8.3 砂型铸造
• 砂型铸造是一种传统的、目前仍在大量生 产的铸造工艺。砂型铸造是以砂为主要造 型材料制备铸型的一种铸造方法。目前 90%以上的铸件是用砂型铸造方法生产的。
③时效处理 时效分自然时效、热时效和共振时效等。所谓自 然时效，是将精密铸件置于露天场地半年以上，让其内应力消除。 热时效（人工时效）又称去应力退火，是将铸件加热到550－ 650℃，保温2－4h，随炉冷却至150－200℃，然后出炉。共振法 是将铸件在其共振频率下震动10－60min，以消除铸件中的残留 应力。共振时效是当前发展的方向。（美国1900年、中国上世纪 70、80年代）
8.1.2 铸件的凝固
• 铸造过程实际上是金属材料从固态→液态 →固态的转变过程。铸件的质量和机械性
能主要取决于柱状晶和等轴晶的比例。铸 件中柱状晶和等轴晶的比例一主面取决于 合金的成分，另一方面取决于铸件的凝固 方式。铸件的凝固一般存在固相区、凝固 区和液相区3个区域，根据凝固区宽度不同， 铸件的凝固方式可分为逐层凝固、糊状凝 固和中间凝固三种形式。
常用的机器造型方法：震压造型；微震压实造型；高
压造型；射砂造型；射压造型等。
（1）震压造型
（2）微震压实造型
（3）高压造型
（4）射砂造芯
热芯盒射砂机造芯 冷芯盒射砂机造芯
（5）射压造型
射压造型机工作原理
3、机器造型的工艺特点 通常是采用模板进行两箱造型。模板是将
模样、浇注系统沿分型面与模底板联成一体 的专用模具。造型后，模底板形成分型面， 模样形成铸型空腔，而模底板的厚度不影响 铸件的形状与尺寸。
缩
松
凝
固
同
前
时
沿
凝
固
区
a)
b)
c)
图 8-5 缩松形成示意图
（3）缩孔、缩松的防止
①顺序凝固 防止缩孔的具体措施是采取顺序凝
固原则。所谓顺序凝固，就是采取一定的工艺措施 （如加放冒口、冷铁），保证铸件结构上各部分按照 远离冒口的部分最先凝固，然后是靠近冒口的部分， 最后才是冒口本身凝固的次序进行。
1、逐层凝固
纯金属或共晶成分合金凝固过程中不存在液、 固并存现象，液固界限清楚分开，称为逐层 凝固。
2、糊状凝固
合金的结晶温度范围很宽，温度分布较平坦 (内外温度较小)，整个断面内均为液固并存， 先呈糊状而后固化，称为糊状凝固。
3、中间凝固
界于逐层凝固和湖状凝固之间
图8—1 铸件的凝固方式
8.2 合金的铸造性能
• 是指从凝固开始温度到凝固结束温度（固相线 温度）之间的收缩。
• （3）固态收缩
• 是指合金从凝固终止温度冷却到室温之间的收缩， 这是处于固态下的收缩。
2、铸件缩孔、缩松
（1）缩孔： 液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝
固收缩，体积会缩减。若其收缩得不到液体金属的及时补充， 则在铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔。形成
• 1、合金的收缩
• 合金的收缩分三个阶段（Ⅰ）液态收、（Ⅱ）凝固收缩、 （Ⅲ）固态收缩。
图8-3铸造合金的收缩
• 任何一种液态金属注入铸型以后，从浇注温度冷 却到常温都要经历三个互相联系的收缩阶段。
• （1）液态收缩
• 是指液态金属由浇注温度冷却到凝固开始温度 （液相线温度）间的收缩。
• （2）凝固收缩
• （2）机械应力：机械应力是当铸件收缩时， 受到铸型、型芯或浇冒口等机械阻碍而产 生的应力。机械应力一般为拉应力，落砂 后阻碍消除，应力自行消失。
• 铸件应力使铸件的精度和使用寿命大大降 低。在存放、加工甚至使用过程中，铸件 内的残余应力将重新分配，使铸件发生变 形或开裂。
• 减小和消除铸造铸件应力的三大措施：
8.2.2 合金的收缩
金属由液态向固态的冷却过程中， 其体 积和尺寸减小的现象称为收缩。 三个收缩 阶段: 液态收缩,凝固收缩,固态收缩。在常 用的合金中，铸钢的收缩最大，灰铸铁的 最小。影响收缩的因素 ：化学成分、浇注 温度、铸件结构和铸型条件等。
合金的收缩对铸件质量有着不利影响。 导致铸件产生缩孔和缩松，铸造内应力、 变形和裂纹等缺陷。
• 砂型铸造主要是用型砂ຫໍສະໝຸດ Baidu芯砂来制造铸型。 其步骤一般如图8-9所示。其工艺设计如表 8-2所示。
• 制模配砂－混砂 ―造型制芯―上涂料―配 模―合箱―熔炼浇注― 落砂―
• 清理―检验入库
图8-9 砂型铸造生产过程
8.3.1 砂型铸造造型方法
• 砂型铸造是一种传统的造型方法，适合于 各种形状、大小和批量的合金零件生产。 根据自动化程式度的不同，分为手工造型 和机器造型两种。
• 概念:铸造性能是指合金铸造成形获得优质 铸件的能力。
• 合金的铸造性能指标:流动性、收缩性、氧 化性、偏析和吸气性等
8.2.1 合金的流动性和充型能力
• 合金的流动性是指熔融合金的流动能力， 浇注时液态金属填充铸型的能力。它与合 金种类、结晶特点、粘度等有关。流动性 好，充型能力强，可以得到形状复杂、轮 廓清晰铸件，缺陷少、补缩好；流动性差， 易于产生浇不足、冷隔。良好的流动性是 获得优质铸件的基本条件。
（1）整模造型
图8-10 整模造型
（2）分模造型
（3）挖砂造型
图8-14 手轮的挖砂造型
（4）活块造型
（5）刮板造型
图8-16 皮带轮的刮板造型
（6）三箱造型
平带轮的三箱造型
2、机器造型（芯）
使紧砂和起模两个主要工序实现机械化，因 而生产效率高，铸件质量好，但设备投资大，适 用于中、小型铸件的成批大量生产。
1、合金成分的影响 纯金属和共晶成分合金的流动性最好。 合金的结晶间隔愈宽，其流动性愈差。铸铁中的
硅和磷能提高流动性，而硫和锰多以MnS的形式悬 浮在铁水中，阻碍着铁水的流动，使它的流动性变 差。 2、浇注条件的影响
温度,压力,充型速度。 3、铸型条件对流动性的影响
阻力,导热性,透气和排气。 4、铸件的凝固方式对合金的流动性影响较大
过程见图8-4：a.金属液充满型腔、b.形成硬壳、c.液 面下降、d.继续下降、e.形成缩孔。
浇口
a）
b）
c）
d）
e）
图 8-4 缩孔形成示意图
（2）缩松
缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因：
由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把液体 分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图。