金屬工藝學cp21 鑄造工藝基礎

第一章鑄造工藝基礎第二章常用合金鑄造生產(chǎn)第三章砂型鑄造第四章特種鑄造第五章鑄件結構設計第二篇鑄造鑄造：將液態(tài)金屬澆注到具有與零件形狀、尺寸相適應的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，用以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法，是金屬毛坯生產(chǎn)的主要方法。應用廣泛，歷史悠久。優(yōu)越性：(1)可制成形狀復雜的零部件毛坯、特別是具有復雜內(nèi)腔的毛坯，如箱體、氣缸體等。(2)適應范圍廣。工業(yè)上常用金屬材料(碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、銅合金、鋁合金等)都可鑄造，廣泛應用的鑄鐵件只能鑄造。鑄件大小不限，從幾克到數(shù)百噸；鑄件的壁厚可由1mm到1m左右；鑄造的批量不限。(3)鑄造可直接利用成本低廉的廢機件和切屑，設備費用較低。同時，鑄件加工余量小，節(jié)省金屬，減少切削加工量，從而降低制造成本。缺點：1）污染嚴重，勞動強度大。2）鑄造組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷，因此，鑄件的力學性能，特別是沖擊韌度低于同種材料的鍛件。3）鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。方法：砂型鑄造、熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。第二篇鑄造第二篇第一章鑄造工藝基礎第一節(jié)

液態(tài)合金的充型液態(tài)合金的充型（充型）：液態(tài)合金填充鑄型的過程。充型能力：液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。影響充型能力的主要因素：合金流動性、澆注條件、鑄型填充條件。一、合金的流動性：液態(tài)合金本身的流動能力。液態(tài)合金的流動性用“螺旋形試樣”長度來衡量。在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。第二篇第一章鑄造工藝基礎第一節(jié)

液態(tài)合金的充型一、合金的流動性*合金的流動性愈好，充型能力愈強，愈能澆鑄出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件，同時還有利于非金屬夾雜物的上浮和排除，還有利于對合金冷凝過程所產(chǎn)生的收縮進行補縮。*液態(tài)合金的充型過程中，有時伴隨著結晶現(xiàn)象，若充型能力不足，在型腔被填滿之前形成的晶粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動，于是鑄件將產(chǎn)生澆不足或冷隔等缺陷第二篇第一章鑄造工藝基礎第一節(jié)

液態(tài)合金的充型一、合金的流動性：影響合金流動性的主要因素是化學成分。共晶成分合金的結晶是在恒溫下進行，液態(tài)合金從表層逐層向中心凝固，由于已結晶的固體層內(nèi)表面比較光滑，對金屬液的流動阻力小，流動性最好。除純金屬外，其它成分合金是在一定溫度范圍內(nèi)逐步凝固的，此時，結晶是在一定寬度的凝固區(qū)內(nèi)同時進行，初生的樹枝狀晶體使固體層內(nèi)表面粗糙，合金的流動性變差，合金成分愈遠離共晶點，結晶溫度范圍愈寬，流動性愈差。第二篇第一章鑄造工藝基礎第一節(jié)

液態(tài)合金的充型二、澆注條件

1．澆注溫度澆注溫度對合金的充型能力有著決定性影響。澆注溫度愈高，合金的粘度下降，過熱度越高，合金保持流動的時間長，充型能力強；合金的充型能力隨澆注溫度的提高呈直線上升，因此，對薄鑄件或流動性較差的合金，適當提高澆注溫度，以防澆不足和冷隔缺陷。澆注溫度過高，鑄件容易縮孔、縮松、粘砂、氣孔．粗晶等缺陷，故在保證充型能力足夠的前提下，澆注溫度不可過高。2．充型壓力

液態(tài)合金所受的壓力愈大，充型能力愈好。如壓力鑄造、離心鑄造等就是使用的該原理，鑄造時比砂型鑄造的壓力提高很多，所以充型能力較強。第二篇第一章鑄造工藝基礎第一節(jié)

液態(tài)合金的充型三、鑄型填充條件鑄型本身的阻力也影響合金的流動速度，鑄型與合金間的熱交換又影響合金保持流動的時間，因此對充型能力有顯著影響的鑄型因素有:

1．鑄型材料鑄型材料的導熱系數(shù)和比熱容愈大，對液態(tài)合金的激冷能力越強，充型能力就越差，如金屬型鑄造較砂型鑄造容易產(chǎn)生澆不足和冷隔缺陷。2．鑄型溫度金屬型鑄造、壓力鑄造和熔模鑄造時，鑄型被預熱到數(shù)百度，由于減緩了金屬液的冷卻速度，使充型能力得到提高。

3．鑄型中氣體在金屬液的熱作用下，鑄型(尤其是砂型)將產(chǎn)生大量氣體，如果鑄型排氣能力差，型腔中的氣壓將增大，以致阻礙液態(tài)合金的充型。為減小氣體的壓力，應設法減少氣體的來源，并使鑄型具有良好的透氣性，并在遠離澆口的最高部位開設出氣口。第二篇第一章鑄造工藝基礎第二節(jié)

鑄件的凝固與收縮一鑄件的凝固方式及影響因素

1.鑄件的凝固方式

凝固三區(qū)：固相區(qū)、凝固區(qū)、液相區(qū)。凝固方式由凝固區(qū)寬窄劃分。（1）逐層凝固方式

合金在凝固過程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開，這種凝固方式稱為逐層凝固。常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。

圖2-3鑄件的凝固方式第二篇第一章鑄造工藝基礎第二節(jié)

鑄件的凝固與收縮

一鑄件的凝固方式及影響因素

（2）糊狀凝固方式

合金在凝固過程中先呈糊狀而后凝固，這種凝固方式稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。（3）中間凝固方式

大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。2.

凝固方式的影響因素

（1）合金凝固溫度范圍

合金的液相線和固相交疊或間距很小，趨于逐層凝固；兩條相線之間的距離很大，趨于糊狀凝固；兩條相線間距離較小，趨于中間凝固方式。

（2）鑄件溫度梯度

增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉化。第二篇第一章鑄造工藝基礎第二節(jié)

鑄件的凝固與收縮二鑄造合金的收縮

收縮：鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象。主要包括以下三個階段：

1.液態(tài)收縮金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。

2.凝固收縮熔融金屬在凝固階段的體積收縮。*液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因，用單位體積收縮率表示。

3.固態(tài)收縮金屬在固態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，用線收縮率表示，是鑄造應力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。影響合金收縮的因素

1.化學成分不同成分的合金收縮率一般不相同。鑄剛收縮最大，灰鑄鐵最小。

2.澆注溫度合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。

3.鑄件結構與鑄型條件鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導致收縮不一致，且互相阻礙，加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實際收縮率就越小。第二篇第一章鑄造工藝基礎第二節(jié)

鑄件的凝固與收縮三鑄件中的縮孔與縮松

1.縮孔與縮松的形成（1）縮孔：在鑄件上部或最后凝固的部位容積較大的孔洞，源于液態(tài)收縮和凝固收縮。外形特征：內(nèi)表面粗糙，形狀不規(guī)則，呈倒圓錐形。第二篇第一章鑄造工藝基礎第二節(jié)

鑄件的凝固與收縮（2）縮松：分散在鑄件某區(qū)域內(nèi)的細小縮孔。分宏觀縮松和顯微縮松。

宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位。顯微縮松存在于在晶粒之間的微小孔洞。形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。危害：力學性能下降；滲漏。方法：定向凝固。第二篇第一章鑄造工藝基礎第二節(jié)

鑄件的凝固與收縮2.縮孔與縮松的防止a）定向凝固：使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。措施：增加冒口，使用冷鐵，造成鑄件定向凝固，有效消除縮孔、縮松。b）合理確定鑄件澆注位置、澆注工藝，服從定向凝固原則。c）合理確定鑄件的合金材料。第二篇第一章鑄造工藝基礎第三節(jié)

鑄件內(nèi)應力、變形和裂紋鑄件內(nèi)應力的產(chǎn)生：在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果固態(tài)收縮受到阻礙，就會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應力。鑄件內(nèi)應力是引起變形或裂紋的基本原因。殘余內(nèi)應力：鑄件中一直保留到室溫的內(nèi)應力。一、內(nèi)應力的形成鑄造應力按產(chǎn)生的原因分為兩種：

a）熱應力：鑄件在凝固和冷卻過程中，由于鑄件壁厚不均勻、各部分的冷卻速度不同，在同一時期鑄件不同部位由于不均衡的收縮而引起的應力。

b）機械應力（收縮應力）：鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等機械阻礙而產(chǎn)生的應力。暫時性的內(nèi)應力，鑄件落砂后即消除，但在冷卻過程中會與熱應力共同作用，增加了裂紋的傾向。

*固態(tài)相變應力鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應力。第二篇第一章鑄造工藝基礎第三節(jié)

鑄件內(nèi)應力、變形和裂紋熱應力的形成分析：第二篇第一章鑄造工藝基礎第三節(jié)

鑄件內(nèi)應力、變形和裂紋預防鑄造應力的途徑：a）盡量減少鑄件各部位溫度差，使其均勻冷卻。采用同時凝固的原則。同時凝固是指通過設置冷鐵、布置澆口位置等工藝措施，使鑄件溫差盡量變小，基本實現(xiàn)鑄件各部分在同一時間凝固。缺點：比定向凝固易于出現(xiàn)縮孔和縮松。

b）提高鑄型溫度c）改善鑄型和型芯的退讓性

d）進行去應力退火同時凝固原則第二篇第一章鑄造工藝基礎第三節(jié)

鑄件內(nèi)應力、變形和裂紋二鑄件的變形和防止變形的原因:具有殘余內(nèi)應力的鑄件是不穩(wěn)定的，自發(fā)地通過變形來減緩其內(nèi)應力，以便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形的方法：

a)鑄件設計盡可能壁厚均勻、形狀對稱。b)采取同時凝固原則，以便冷卻均勻。c)采用反變形法在研究鑄件變形規(guī)律的基礎上，在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預變形量來抵消鑄件的變形的方法。

d)進行時效處理

自然時效：鑄件放置在于自然場地半年以上，使其緩慢發(fā)生變形，從而消除內(nèi)應力的方法。人工時效（去應力退火）：將鑄件加熱到550-650度保溫消除應力。鑄件精加工之前進行，以穩(wěn)定鑄件尺寸，降低切削加工變形程度。

e）設置工藝肋

在容易變形部位設置工藝肋，防止鑄件的鑄態(tài)變形。第二篇第一章鑄造工藝基礎第三節(jié)

鑄件內(nèi)應力、變形和裂紋三鑄件的裂紋及防止

一)鑄件裂紋的分類及其形貌

鑄件一般有熱裂和冷裂兩種開裂方式。1、熱裂：在合金凝固末期的高溫下產(chǎn)生的裂紋。縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。一般為沿晶裂紋，高溫下晶間少量液態(tài)金屬使抗拉強度降低。熱裂的主要影響因素：合金性質(zhì)：結晶溫度范圍寬，液固兩相區(qū)的絕對收縮量大，熱裂傾向大?；诣T鐵和球墨鑄鐵熱裂傾向小，鑄鋼、鑄鋁、可鍛鑄鐵的熱裂傾向大，此外在鋼鐵中含硫愈高，熱裂傾向也愈大。鑄型阻力：鑄型的退讓性愈好，機械應力愈小，熱裂傾向小。鑄型的退讓性與型芯砂粘結劑種類密切相關，如采用有機粘結劑(如植物油、合成樹脂等)配制的型芯砂，因高溫強度低，退讓性較粘士砂好。第二篇第一章鑄造工藝基礎第三節(jié)

鑄件內(nèi)應力、變形和裂紋三鑄件的裂紋及防止

冷裂：在低溫下形成的裂紋，即鑄件處于彈性狀態(tài)時，鑄造應力超過合金的強度極限而產(chǎn)生的。冷裂紋常常是穿晶斷裂，裂紋細小，外形呈連續(xù)直線狀，裂紋縫內(nèi)干凈，有時呈輕微氧化色。冷裂常出現(xiàn)在形狀復雜工件的受拉伸部位，特別是應力集中處(如尖角、孔洞類缺陷附近)，不同鑄造合金的冷裂傾向不同。如塑性好的合金，可通過塑性變形使內(nèi)應力內(nèi)行緩解，故冷裂傾向??；反之，脆性大的合金較易產(chǎn)生冷裂。為防止鑄件的冷裂，應設法降低內(nèi)應力，控制鋼鐵中的硫、磷含量。

二）鑄件裂紋的防止

為有效地防止鑄件裂紋的發(fā)生，應盡可能采取措施減小鑄造應力；同時金屬在熔煉過程中，應嚴格控制有可能擴大金屬凝固溫度范圍元素的加入量及鋼鐵中的硫、磷含量。第二篇第一章鑄造工藝基礎第四節(jié)

鑄件的質(zhì)量控制第四節(jié)鑄件的質(zhì)量控制鑄件的廢品率高、種類繁雜。

第二篇第一章鑄造工