機(jī)械制造2-1-鑄造工藝基礎(chǔ)知識

《機(jī)械制造基礎(chǔ)》第2章鑄造2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識1

1.鑄造的定義：

鑄造是指將液態(tài)合金澆注到與零件的形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得所需形狀、尺寸和性能的毛坯或零件的金屬液態(tài)成形方法。

2.鑄造的實(shí)質(zhì)：

鑄造的實(shí)質(zhì)是液態(tài)金屬逐步冷卻凝固成形。概述2砂型鑄造鑄件生產(chǎn)過程熔煉澆注冷卻、凝固造型鑄件落砂、清理33.鑄造的優(yōu)點(diǎn)：（1）可制成形狀復(fù)雜的鑄件，尤其是具有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯，如機(jī)床床身、箱體和船用螺旋槳等。（2）適應(yīng)性強(qiáng)，鑄件質(zhì)量、大小、形狀及所用合金種類幾乎不受限制。（3）鑄造所用原材料來源廣、價(jià)格低，而且鑄件的形狀和尺寸與零件非常接近。概述4進(jìn)氣管內(nèi)燃機(jī)曲軸

鑄造可以成形復(fù)雜鑄件5

鑄造可以成形復(fù)雜鑄件復(fù)雜鑄件視頻（0.22）毛坯件成品件64.鑄造的缺點(diǎn)：概述（1）鑄造工藝過程工序多，難以精確控制，使鑄件廢品率比較高。（2）鑄件金相組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部容易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔和砂眼等鑄造缺陷，影響鑄件的機(jī)械性能。（3）鑄件表面粗糙，尺寸精度不高，大多數(shù)作毛坯件。（4）鑄造生產(chǎn)現(xiàn)場工作環(huán)境較差，工人勞動強(qiáng)度較大。7鑄件斷面組織疏松晶粒粗大82.1.1液態(tài)合金的充型2.1.2鑄件的凝固與收縮2.1.3鑄造的內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋2.1.4鑄件中的氣孔2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識9

液態(tài)合金填充鑄型的過程，簡稱充型。

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，稱為液態(tài)合金的充型能力。液態(tài)合金的充型能力不僅取決于合金的流動性，而且受鑄型性質(zhì)、鑄件結(jié)構(gòu)和澆注條件等外界條件影響。2.1.1液態(tài)合金的充型2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識102.1.1液態(tài)合金的充型合金流動性的定義

流動性是指液態(tài)(熔融)金屬的流動能力。它是影響液態(tài)金屬充型能力的主要因素之一，也是合金的主要鑄造性能之一。2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識112.1.1液態(tài)合金的充型合金流動性的測量方法

常用澆注標(biāo)準(zhǔn)螺旋形試樣的方法進(jìn)行測定。螺旋形試樣的長度越長，則液態(tài)合金的流動性越好。常用合金的螺旋形試樣的長度數(shù)值見P11表2-1。2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識12標(biāo)準(zhǔn)螺旋形試樣13出示螺旋試樣實(shí)物螺旋試樣實(shí)物圖片14流動性的影響因素

主要影響因素：化學(xué)成分

結(jié)晶溫度范圍窄的合金流動性好，故純金屬和共晶成份合金流動性好；結(jié)晶溫度范圍寬的合金流動性差，故亞共晶和過共晶成分合金流動性差。

結(jié)晶溫度范圍：指液態(tài)合金從液體變化成為固體的溫度區(qū)間。即在鐵碳合金狀態(tài)圖上某種合金從液相線溫度到固相線溫度之間的溫度區(qū)間。15

結(jié)晶溫度范圍：

指液態(tài)合金從液體轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w的溫度區(qū)間。即在鐵碳合金狀

態(tài)圖上某種合金從液相線溫度到固相線溫度之間的溫度區(qū)間。

成分為a的合金在恒溫下結(jié)晶，流動性最好。成分為c的合金結(jié)晶溫度范圍最大，流動性最差。成分為b的合金結(jié)晶溫度范圍比較大，

流動性居中。16結(jié)晶特性對流動性的影響a)恒溫下b)一定溫度范圍

純金屬和共晶合金，采用逐層凝固方式，內(nèi)壁光滑，流動阻力小，故流動性好。亞共晶合金，采用中間凝固方式，生成樹枝狀晶體，流動阻力大，故流動性差。17充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

1.鑄型條件：鑄型條件又與鑄型材料、鑄型溫度、鑄型中的氣體和鑄件結(jié)構(gòu)有關(guān)。（1）鑄型材料：鑄型材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱越大，對液態(tài)合金的激冷能力越強(qiáng)，合金充型能力越差，流動性越差。例如，金屬型中的流動性比在砂型中差，而濕砂型中的流動性又比干砂型差。18

液態(tài)合金在金屬鑄型中的充型能力比在砂型中差。19充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

1.鑄型條件：鑄型條件又與鑄型材料、鑄型溫度、鑄型中的氣體和鑄件結(jié)構(gòu)有關(guān)。（2）鑄型溫度：鑄型溫度越高，減緩了對液態(tài)合金的冷卻速度，使合金保持液態(tài)的時間比較長，則充型能力越好。（3）鑄型中的氣體：在高溫液態(tài)合金的作用下，型腔中的氣體膨脹，型砂中的水分汽化，煤粉和其它有機(jī)物的燃燒，將產(chǎn)生大量氣體。若鑄型的透氣性差，則型腔中氣體壓力增加，會阻礙液態(tài)合金充型。

20充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

1.鑄型條件：鑄型條件又與鑄型材料、鑄型溫度、鑄型中的氣體和鑄件結(jié)構(gòu)有關(guān)。（4）鑄件結(jié)構(gòu)：鑄件結(jié)構(gòu)如壁厚、尺寸大小、復(fù)雜程度等，對充型能力也有較大影響。鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，鑄件壁厚越薄，液態(tài)合金的充型能力越差。

設(shè)計(jì)鑄件時，鑄件的壁厚應(yīng)該大于最小壁厚的允許值。詳見P12表2-2。21充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

2.澆注條件：澆注條件又與澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、澆注溫度和充型壓力有關(guān)。（1）澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：

澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動的阻力就越大，流動性就越低。故在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時，要合理布置內(nèi)澆道在鑄件上的位置，選擇適當(dāng)?shù)臐沧⑾到y(tǒng)結(jié)構(gòu)和各部分(直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道)的橫截面積。22充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

2.澆注條件：澆注條件又與澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、澆注溫度和充型壓力有關(guān)。（2）澆注溫度：澆注溫度越高，合金保持液態(tài)的時間越長，金屬液粘度降低，雜質(zhì)容易上浮或溶解，故合金流動性好，充型能力強(qiáng)。但澆注溫度過高，液態(tài)合金收縮增大，吸收氣體多，氧化嚴(yán)重，流動性反而會下降。因此在保證流動性的前提下，澆注溫度應(yīng)盡可能低一些。澆注溫度：液態(tài)合金出爐時的溫度。23充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

2.澆注條件：澆注條件又與澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、澆注溫度和充型壓力有關(guān)。（2）澆注溫度：

幾種合金的澆注溫度：灰鑄鐵：1200~1420℃；鑄鋼：1500~1550℃；鋁合金：680~780℃。澆注溫度：液態(tài)合金出爐時的溫度。24充型能力的影響因素

主要影響因素：鑄型條件和澆注條件

2.澆注條件：澆注條件又與澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、澆注溫度和充型壓力有關(guān)。（3）充型壓力：液態(tài)合金在流動方向上所受的壓力稱為充型壓力。

澆注時，液態(tài)合金所受靜壓力越大，其充型能力越好。砂型鑄造時，可采用增加內(nèi)澆口截面、直澆口高度或提高澆包位置等方法，以提高充型壓力，增加合金流動性；也可采用壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造等方法進(jìn)行人工加壓。砂型鑄造的充型壓力由直澆道的靜壓力產(chǎn)生。252.1.2鑄件的凝固與收縮

澆入鑄型型腔的液態(tài)金屬在冷凝過程中，如果其液態(tài)收縮和凝固收縮得不到補(bǔ)充，鑄件將產(chǎn)生縮孔或縮松等鑄造缺陷。因此，必須合理地控制鑄件的凝固過程。2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識1.鑄件的凝固方式

鑄件的凝固：

液態(tài)合金轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)鑄件的過程稱為鑄件的凝固。

262.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識1.鑄件的凝固方式

（1）鑄件凝固的三個區(qū)域：鑄件凝固過程中，斷面上有液相區(qū)、凝固區(qū)和固相區(qū)三個區(qū)域。液固兩相共存的凝固區(qū)的寬窄對鑄件質(zhì)量影響很大。272.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識1.鑄件的凝固方式

（2）鑄件的三種凝固方式：按照凝固區(qū)域S的寬窄，鑄件的凝固方式分為：逐層凝固、中間凝固和糊狀凝固。28①逐層凝固：純金屬或共晶成分合金在凝固過程中因不存在凝固區(qū)，故斷面上外層的固體和內(nèi)層的液體由一條界限(凝固前沿)清楚地分開。隨著溫度的下降，固體層由外向內(nèi)逐漸增厚，直達(dá)鑄件中心。這種凝固方式稱為逐層凝固。鑄件的三種凝固方式29鑄件的三種凝固方式②糊狀凝固：如果合金的結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件的溫度分布較為平坦，則在凝固的某段時間內(nèi)，鑄件表面并不存在固體層，而是液、固并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面。由于這種凝固方式與水泥的凝固類似，即先呈糊狀而后固化，故稱為糊狀凝固。30鑄件的三種凝固方式③中間凝固：大多數(shù)合金的凝固方式介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固。31鑄件的三種凝固方式

鑄件質(zhì)量與其凝固方式密切相關(guān)。逐層凝固時液態(tài)合金充型能力強(qiáng)，可防止縮孔、縮松等鑄造缺陷；糊狀凝固時則易得到粗大疏松組織。灰鑄鐵和鋁硅合金傾向于逐層凝固，球墨鑄鐵、錫青銅和鋁銅合金傾向于糊狀凝固。32圖2-1鑄件的凝固方式a)逐層凝固b)中間凝固c)糊狀凝固33（1）合金的結(jié)晶溫度范圍

合金的結(jié)晶溫度范圍越小，凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固（如圖中的合金a）。合金的結(jié)晶溫度范圍越大，凝固區(qū)域越寬，越趨向于糊狀凝固（如圖中的合金c）。鑄件凝固方式的影響因素（補(bǔ)充）34（1）合金的結(jié)晶溫度范圍如砂型鑄造時，低碳鋼因結(jié)晶溫度范圍窄為逐層凝固，

而高碳鋼因結(jié)晶溫度范圍寬為糊狀凝固。

鑄件凝固方式的影響因素（補(bǔ)充）35（2）鑄件的溫度梯度

當(dāng)合金結(jié)晶溫度范圍一定時，凝固區(qū)域的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度梯度。如果鑄件的溫度梯度由小變大，則其對應(yīng)的凝固區(qū)會由寬變窄。

（溫度梯度概念見下三頁）

鑄件凝固方式的影響因素（補(bǔ)充）36圖2-2溫度梯度對凝固區(qū)域的影響溫度場：合金液充滿型腔后，在凝固和冷卻的某個瞬間，鑄件橫斷面上的溫度分布狀況稱為鑄件的溫度場。溫度場曲線：某瞬間鑄件橫斷面上的溫度分布曲線稱為鑄件的溫度場曲線。如圖中的曲線T1和曲線T2

。溫度場與溫度梯度的概念37圖2-2溫度梯度對凝固區(qū)域的影響溫度梯度：鑄件溫度的變化速率稱為溫度梯度?？梢杂描T件的冷卻速度來衡量。如曲線T2的溫度梯度比較大（因?yàn)殍T件冷卻速度比較快），曲線T1的溫度梯度比較?。ㄒ?yàn)殍T件冷卻速度比較慢）。簡單判斷法：

鑄件冷卻得快，則溫度梯度大，凝固區(qū)域窄，趨向于逐層凝固；

鑄件冷卻得慢，則溫度梯度小，凝固區(qū)域?qū)?，趨向于糊狀凝固。T=Δt/Δh（溫度梯度=溫度差/時間差）38

鑄件的溫度梯度影響鑄件的凝固方式

對于成分相同的合金其結(jié)晶溫度范圍是確定的，但是鑄件的溫度梯度是可以人為控制的。若鑄件的溫度梯度由小變大，則凝固區(qū)由寬變窄，合金越傾向于逐層凝固。如圖中所示。

圖2-2溫度梯度對凝固區(qū)域的影響T1溫度梯度小，對應(yīng)的凝固區(qū)S1寬；T2溫度梯度大，對應(yīng)的凝固區(qū)S2窄。392.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識2.鑄造合金的收縮（1）收縮的定義：

鑄造合金從澆注、凝固直至在冷卻到室溫整個過程中，其體積或尺寸縮小的現(xiàn)象稱為鑄造合金的收縮。

收縮是金屬及合金的物理特性。合金的收縮會給鑄造工藝帶來許多困難，還會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、變形和內(nèi)應(yīng)力等鑄造缺陷。

402.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識2.鑄造合金的收縮（2）鑄造合金收縮的三個階段：

金屬液從澆注溫度冷卻下來的收縮過程分為液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個階段。

圖2-2金屬的收縮的過程a)液態(tài)收縮b)凝固收縮c)固態(tài)收縮41合金收縮的三個階段名稱溫度范圍表現(xiàn)液態(tài)收縮從澆注溫度到開始凝固溫度之間的收縮，即液相線以上的收縮(T＞T液)是產(chǎn)生縮孔、縮松的基本原因凝固收縮從開始凝固溫度到終止凝固溫度之間的收縮，即液相線到固相線之間的、液固共存兩相區(qū)的收縮(T液＞T＞T固)

固態(tài)收縮從終止凝固溫度到室溫之間的收縮，即固相線以下的收縮(T＜T固)

是產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因42合金收縮的三個階段（1）液態(tài)收縮階段：指合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度過程中的收縮。用體收縮率表示。圖2-6鑄造合金收縮過程示意圖I—液態(tài)收縮II—凝固收縮III—固態(tài)收縮a)合金狀態(tài)圖b)一定溫度范圍合金c)共晶合金a)b)c)43（2）凝固收縮階段：指合金在液相線和固相線之間凝固階段的收縮。用體收縮率表示。合金的結(jié)晶溫度范圍越大，體收縮率也越大。液態(tài)收縮和凝固收縮時金屬液體積縮小，是形成縮孔和縮松的基本原因。

圖2-6鑄造合金收縮過程示意圖I—液態(tài)收縮II—凝固收縮III—固態(tài)收縮a)合金狀態(tài)圖b)一定溫度范圍合金c)共晶合金a)b)c)44（3）固態(tài)收縮階段：指合金從固相線溫度冷卻到室溫時的收縮。由于鑄件已經(jīng)凝固成形，要用線收縮率表示。線性尺寸的縮短對鑄件形狀和尺寸精度影響很大。固態(tài)收縮時線性尺寸縮短是鑄件產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷的基本原因。圖2-6鑄造合金收縮過程示意圖I—液態(tài)收縮II—凝固收縮III—固態(tài)收縮a)合金狀態(tài)圖b)一定溫度范圍合金c)共晶合金a)b)c)45鑄造合金的體收縮率與線收縮率幾種鐵碳合金的體收縮率和線收縮率見P14表2-3和表2-4。（m3）46鑄造合金收縮的影響因素（補(bǔ)充）

合金種類：不同合金具有不同的收縮率。

化學(xué)成分：不同元素對石墨化的影響不同。澆注溫度：澆注溫度越高，過熱度越大，液態(tài)收縮量增加。通常，每下降100℃，體積收縮量約為1.6%。鑄造工藝：鑄型條件、鑄型結(jié)構(gòu)以及鑄件的形狀、尺寸和工藝條件等對收縮量也有較大影響。

472.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識

鑄件常見鑄造缺陷（補(bǔ)充）

常見鑄造缺陷視頻（4:32）在下面的講述中，經(jīng)常提到鑄件容易產(chǎn)生各種鑄造缺陷。常見鑄造缺陷有：（1）如果鑄造合金的充型能力不好，鑄件容易產(chǎn)生的鑄造缺陷是：澆不足、冷隔、氣孔、夾雜、縮孔、鑄件熱裂紋。（2）如果鑄造合金的收縮性大，容易產(chǎn)生的鑄造缺陷是：縮孔、縮松、鑄造應(yīng)力、鑄件變形、鑄件冷裂紋。482.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識3.鑄件中的縮孔與縮松

收縮的定義：

鑄造合金從澆注、凝固直至在冷卻到室溫整個過程中，其體積或尺寸縮小的現(xiàn)象稱為鑄造合金的收縮。

收縮是金屬及合金的物理特性。合金的收縮會給鑄造工藝帶來許多困難，還會導(dǎo)致鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松、裂紋、變形和內(nèi)應(yīng)力等鑄造缺陷。

492.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識3.鑄件中的縮孔與縮松

鑄件凝固過程中，由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，致使鑄件最后凝固的地方出現(xiàn)了一些孔洞。這些孔洞可按大小和分布情況分為縮孔和縮松。

大而集中的孔洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的孔洞稱為縮松。

502.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識3.鑄件中的縮孔與縮松

（1）縮孔：大而集中的孔洞稱為縮孔。產(chǎn)生部位：鑄件的上部或最后凝固部位；產(chǎn)生原因：是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮未能得到液態(tài)金屬的補(bǔ)充所致；產(chǎn)生條件：金屬在恒溫或很窄的溫度范圍內(nèi)，以逐層凝固方式結(jié)晶。純金屬和共晶成分的合金易產(chǎn)生縮孔。51圖2-4縮孔形成過程示意圖澆口a)b)c)d)e)縮孔形成過程固態(tài)收縮體積縮小逐層凝固522.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識3.鑄件中的縮孔與縮松

（2）縮松：

小而分散的孔洞稱為縮松。產(chǎn)生部位：

鑄件中軸線處或縮孔下方；產(chǎn)生原因：合金的液態(tài)收縮和凝固收縮不能得到液態(tài)金屬的補(bǔ)充所致；產(chǎn)生條件：

合金結(jié)晶溫度范圍寬，呈糊狀凝固。亞共晶和過共晶成分的合金容易產(chǎn)生縮松?？s松形成過程示意圖53

縮松分為宏觀縮松和顯微縮松。

宏觀縮松：用肉眼或放大鏡能觀察到的、密集的小孔洞，多分布在鑄件中軸線處或縮孔下方；

顯微縮松：分布在晶粒之間的微小孔洞，用顯微鏡才能觀察到，分布面積更為廣泛，會影響鑄件的氣密性。顯微縮松難以完全避免。

對于一般鑄件只要不影響使用有縮松不認(rèn)為是缺陷，但如果有氣密性要求或機(jī)械性能、理物化學(xué)性能要求很高的鑄件則必須減少縮松。縮松分類542.1.2鑄件的凝固與收縮2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識3.鑄件中的縮孔與縮松

（3）縮孔和縮松的防止：防止縮孔和縮松的基本原則是：針對鑄件的收縮和凝固特點(diǎn)制訂正確的鑄造工藝規(guī)程，使鑄件在凝固過程中建立良好的補(bǔ)縮條件,盡可能將縮松轉(zhuǎn)化為縮孔，通過控制鑄件的凝固過程使之符合順序凝固原則，并在鑄件最后凝固的部位合理設(shè)置冒口，將縮孔轉(zhuǎn)移至冒口中，從而獲得合格鑄件。落砂清理時將冒口切除，被切除的冒口可以回爐重?zé)?。①基本原則：55縮孔和縮松的防止

冒口：在鑄型中人為設(shè)置的用來存儲液態(tài)金屬的空腔稱為冒口。冒口是鑄型中高溫合金液體的存儲倉庫。冒口56

2.1.2鑄件的凝固與收縮3.鑄件中的縮孔與縮松

（3）縮孔和縮松的防止：在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位（稱為熱節(jié)），通過合理設(shè)置冒口或安放冷鐵等工藝措施，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位最先凝固，然后是靠近冒口的區(qū)域凝固，冒口部分最后凝固。這樣鑄件上各個部分的收縮都可以得到稍后凝固部分的液態(tài)合金的補(bǔ)充，從而將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中。這種凝固工藝過程稱為順序凝固原則。（或定向凝固原則）

落砂清理時將冒口切除，即可得到無縮孔的致密鑄件。②順序凝固原則：57圖2-6順序凝固原則順序凝固原則ⅠⅡⅢⅠⅡⅢ第Ⅰ部分最先凝固，第Ⅱ部分其次凝固，第Ⅲ部分最后凝固?！绊樞蚰獭眱?yōu)點(diǎn)是補(bǔ)縮作用明顯，鑄件組織致密，機(jī)械性能好；缺點(diǎn)是鑄件各部分溫差較大，冷卻速度不一致，易產(chǎn)生鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷，且消耗金屬材料，切割費(fèi)事，增加鑄件的加工工時和成本。58冒口、冷鐵動畫演示

圖2-7冒口冷鐵的作用合理設(shè)置冒口和安放冷鐵，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中。冷鐵：用鋼、鑄鐵、銅等材料制成的激冷物稱為冷鐵。冷鐵作用：可以加大局部冷卻速度，調(diào)節(jié)凝固順序。

592.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識

鑄件在凝固之后繼續(xù)冷卻至室溫的過程中，如果固態(tài)收縮受到阻礙，在鑄件內(nèi)部將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這種應(yīng)力稱為鑄造內(nèi)應(yīng)力。鑄造內(nèi)應(yīng)力是使鑄件產(chǎn)生變形和裂紋的基本原因。鑄造內(nèi)應(yīng)力有時是在冷卻過程中暫時存在的，有時會一直保留至室溫，保留在鑄件內(nèi)部的鑄造應(yīng)力稱為殘留內(nèi)應(yīng)力。602.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識1.鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄造內(nèi)應(yīng)力可以分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力。（1）熱應(yīng)力①含義：由熱阻礙(指鑄件各部分壁厚不均勻，由于冷卻速度不同、收縮量不同而引起的阻礙)引起的應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力是一種殘留內(nèi)應(yīng)力。612.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋1.鑄造內(nèi)應(yīng)力

（1）熱應(yīng)力②形成過程：

用鑄造應(yīng)力框說明（左右為細(xì)桿，中間為粗桿）。鑄造應(yīng)力鑄造應(yīng)力框62

1、無應(yīng)力；2、產(chǎn)生應(yīng)力；3、應(yīng)力消失；4、又產(chǎn)生應(yīng)力；5、斷裂圖2-7框形鑄件變形示意圖三個階段：t0~t1：粗細(xì)桿均無應(yīng)力t1~t2：先產(chǎn)生暫存內(nèi)應(yīng)力，然后消失。t2~t3：細(xì)桿產(chǎn)生壓應(yīng)力，粗桿產(chǎn)生拉應(yīng)力。如果+σ≥σb，則粗桿斷裂。632.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋1.鑄造內(nèi)應(yīng)力

（1）熱應(yīng)力②熱應(yīng)力性質(zhì)與鑄件結(jié)構(gòu)及冷卻速度的關(guān)系：鑄造應(yīng)力厚壁處、粗桿處、冷卻較慢處，產(chǎn)生拉應(yīng)力（＋σ）；薄壁處、細(xì)桿處、冷卻較快處，產(chǎn)生壓應(yīng)力（－σ）。（簡記為：

厚拉薄壓，慢冷拉、快冷壓。）請同學(xué)們記住這個規(guī)律。642.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋1.鑄造內(nèi)應(yīng)力

（2）機(jī)械應(yīng)力①含義：由機(jī)械阻礙(指鑄型、型芯對鑄件收縮的阻礙)引起的應(yīng)力稱為機(jī)械應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力是暫時存在的應(yīng)力，機(jī)械阻礙一旦消失，則應(yīng)力也消失。在鑄件冷卻過程中，如果機(jī)械拉應(yīng)力與熱應(yīng)力中的拉應(yīng)力之和+σ和≥σb，則鑄件會產(chǎn)生裂紋。652.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識2.減小和消除鑄造內(nèi)應(yīng)力的途徑（1）改善鑄件的結(jié)構(gòu)：設(shè)計(jì)鑄件時，應(yīng)該盡可能使鑄件結(jié)構(gòu)簡單、對稱、壁厚均勻，厚薄壁均勻過渡，減少鑄件各個部分的溫度差，使各個部分能夠自由收縮。（詳見P33~P34）66表2-11

（

P33~P34）672.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識2.減小和消除鑄造內(nèi)應(yīng)力的途徑（2）采用適當(dāng)?shù)蔫T造工藝措施：①采用“同時凝固原則”：圖2-10同時凝固原則內(nèi)澆道含義：將內(nèi)澆道開設(shè)在鑄件的薄壁處，在鑄件的厚壁處安放冷鐵，使鑄件各個部分的溫度差很小，使鑄件的各個部分幾乎同時凝固，因此熱應(yīng)力可以減小到最低限度。這種凝固工藝過程稱為“同時凝固原則”。缺點(diǎn)：鑄件的中心區(qū)域容易產(chǎn)生縮松，鑄件組織不夠致密。68同時凝固原則含義：在鑄件的厚實(shí)處安放冷鐵，在鑄件的薄壁處設(shè)置冒口和內(nèi)澆道，使鑄件各部分的溫度大致相等，冷卻速度大致相同，則鑄件的各個部分幾乎同時凝固，這種鑄造工藝原則稱為“同時凝固原則”。作用：減小鑄件各部分的溫度差，減小或防止鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力。圖2-14同時凝固原則內(nèi)澆道此原則主要用于收縮率較小的普通灰鑄鐵、結(jié)晶溫度范圍大，不容易實(shí)現(xiàn)冒口補(bǔ)縮，對氣密性要求不高的錫青銅鑄件等。692.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識2.減小和消除鑄造內(nèi)應(yīng)力的途徑（2）采用適當(dāng)?shù)蔫T造工藝措施：②減小鑄型阻礙：提高鑄型和型芯的退讓性、及早進(jìn)行落砂清理可以消除機(jī)械阻礙，將鑄件放入保溫坑中緩慢冷卻，這些措施都可以減小鑄造內(nèi)應(yīng)力。落砂機(jī)清理滾筒702.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2.減小和消除鑄造內(nèi)應(yīng)力的途徑（2）采用適當(dāng)?shù)蔫T造工藝措施：③熱處理：鑄件產(chǎn)生熱應(yīng)力后，工業(yè)生產(chǎn)中最常用、最有效的方法是對鑄件進(jìn)行時效處理，消除鑄造應(yīng)力。時效處理包括自然時效處理和人工時效處理。自然時效處理：將鑄件放在露天，任其日曬雨淋一段時間，使鑄造內(nèi)應(yīng)力自然釋放。時效時間比較長，適用于大型、重型鑄件。人工時效處理：將鑄件放在加熱爐中，加熱至200~300℃，隨爐冷卻，可以大大減小鑄造內(nèi)應(yīng)力。時效時間比較短，適用于中型、小型鑄件。71

2.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2

.鑄件的變形

（1）鑄件變形的原因

當(dāng)鑄件中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度(σS

)的時候，就會引起鑄件的變形。

（2）鑄件變形的規(guī)律

當(dāng)鑄件具有內(nèi)應(yīng)力時，其內(nèi)部組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)，鑄件將自發(fā)地進(jìn)行變形來緩解內(nèi)應(yīng)力以趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

變形規(guī)律：

受拉應(yīng)力部分力圖縮短，受壓應(yīng)力部分力圖伸長。72

2.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2

.鑄件的變形

（2）鑄件變形的規(guī)律

受拉應(yīng)力部分力圖縮短，受壓應(yīng)力部分力圖伸長。圖2-11T型梁的變形T型梁上厚下?。寒a(chǎn)生向下凹的彎曲變形較厚處受拉應(yīng)力，變形時長度力圖縮短較薄處受壓應(yīng)力，變形時長度力圖伸長T型梁上薄下厚：產(chǎn)生向上拱的彎曲變形較厚處受拉應(yīng)力，變形時長度力圖縮短較薄處受壓應(yīng)力，變形時長度力圖伸長732.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2

.鑄件的變形

（2）鑄件變形的規(guī)律

受拉應(yīng)力部分力圖縮短，受壓應(yīng)力部分力圖伸長。平板鑄件厚薄均勻，但各處冷卻速度不同。中心部位冷卻慢，受拉應(yīng)力，四周受壓應(yīng)力。如果上表面冷卻快，上表面受壓應(yīng)力。因此上表面變形時長度力圖伸長度；下表面受拉應(yīng)力，變形時長度力圖伸縮短。因此，平板產(chǎn)生向上拱的翹曲變形。742.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋2

.鑄件的變形

（3）防止鑄件變形的措施

①設(shè)計(jì)鑄件時，盡可能設(shè)計(jì)成對稱結(jié)構(gòu)，使其內(nèi)應(yīng)力互相平衡。②采用反變形工藝。如使車床床身導(dǎo)軌中部預(yù)先向上凸起，使凸起量等于下凹量。（見下頁圖）③設(shè)置拉肋或者加強(qiáng)筋，提高鑄件的剛性，減少變形。

如教材P18圖2-13，對半圓環(huán)鑄件可以設(shè)置拉肋減少變形。工業(yè)生產(chǎn)實(shí)際中，廣泛采用設(shè)置加強(qiáng)筋減少鑄件變形。（見下幾頁圖）④采用“同時凝固”方法，使鑄件各部分冷卻速度均勻。⑤對鑄件進(jìn)行時效處理。75車床床身撓曲變形示意圖

如圖所示為車床床身，其導(dǎo)軌部分因較厚冷卻慢受拉應(yīng)力，床壁部分較薄冷卻快受壓應(yīng)力。因此，變形時導(dǎo)軌部分力圖縮短，而床壁部分力圖伸長，所以車床床身鑄件毛坯容易產(chǎn)生導(dǎo)軌中部向下凹的彎曲變形。措施：（1）必須對車床床身鑄件毛坯進(jìn)行時效處理。

（2）采用反變形法，使導(dǎo)軌中部凸起量等于下凹量。車床床身鑄件毛坯的變形76鑄件毛坯上的加強(qiáng)筋77檢驗(yàn)平板底部的加強(qiáng)筋加強(qiáng)筋作用：

提高平板的剛性，防止平板產(chǎn)生翹曲變形。小平板：米字形加強(qiáng)筋大平板：井字形加強(qiáng)筋78手工砂型鑄造造型底板的加強(qiáng)筋792.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋3

.鑄件的裂紋

（1）產(chǎn)生原因

在鑄件冷卻過程中，當(dāng)鑄件中的拉應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限(＋σ≥σb

)時，鑄件便產(chǎn)生裂紋。裂紋是嚴(yán)重的鑄造缺陷，會造成鑄件報(bào)廢。

（2）裂紋分類

鑄件裂紋按照形成原因可分為熱裂紋和冷裂紋。802.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋3

.鑄件的裂紋

（3）熱裂紋：熱裂紋是鑄件在凝固末期高溫下形成的裂紋。

形狀特征：裂紋斷面被氧化而呈氧化色（黃褐色或藍(lán)紫色），裂紋沿晶粒邊界產(chǎn)生和發(fā)展，外形曲折而不規(guī)則；裂紋短，縫隙寬。防止措施：①選擇結(jié)晶溫度范圍窄、熱裂趨向小的合金。②減少合金中硫的含量。③減小鑄型阻力。熱裂紋812.1.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋3

.鑄件的裂紋

（4）冷裂紋：冷裂紋是鑄件在較低溫度時形成的裂紋。形狀特征：裂紋斷面光滑，具有金屬光澤（銀白色）或呈輕微氧化色（淡黃色），裂紋穿過晶粒而發(fā)生，外形規(guī)則，常常是比較長的連續(xù)直線狀裂紋。防止措施：①減小鑄造內(nèi)應(yīng)力。合理設(shè)計(jì)鑄件，使壁厚均勻，形狀簡單。②降低合金的脆性，減少磷的含量。冷裂紋822.1.4鑄件中的氣孔2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識氣孔的定義：氣孔是溶解于液態(tài)金屬中的氣體未來得及逸出而在鑄件中形成的孔洞，是最常見和嚴(yán)重的鑄造缺陷。2.氣孔的產(chǎn)生原因：是溶解于液態(tài)合金中的氣體，在冷凝過程中，由于溶解度降低，以氣泡形式析出而上浮時，因上浮氣泡遇到阻礙或因冷卻合金液粘度增加使其不能上浮，就會滯留在鑄件中形成氣孔。（氣孔特征：內(nèi)壁光滑）832.1.4鑄件中的氣孔2.1鑄造的工藝基礎(chǔ)知識3.氣孔的類型：氣孔按氣體的來源，氣孔可分為析出性氣孔、侵入性氣孔和反應(yīng)性氣孔三類。

（1）析出性氣孔：溶解于合金液中氫、氮、氧氣體來不及析出而形成的氣孔。氣孔尺寸小、分布廣。