1、用于核反应堆的大型铸件，重量达60多吨。,青铜器时代,第一篇 铸造,铸造：即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的工艺方法,亦称金属的液态成形. 铸件：用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。,应用：与其它金属加工方法相比，铸造在机器制造业中应用极其广泛。因为铸造具有如下优点： 1.适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯。 2.适应范围广：对材料的适应性广，是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造其毛坯或零件的唯一成型工艺；铸件的大小、壁厚、批量几乎不受限制。 3.成本低，原材料来源广泛， 价格低廉,一般不需要昂贵的设备。,缺点：1.工艺过程比
2、较复杂，一些工艺过程还难以控制。2.铸件内部组织的均匀性、致密性一般较差。3.铸件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品 质量不够稳定。4.由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴 有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低。,铸造按生产方法分为： 砂型铸造和特种铸造，其中砂型铸造是最基本的铸造方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%至90以上。,第一章 铸造工艺基础,1.优质铸件：2.决定铸造缺陷的因素：3.合金铸造性能： 包括： 合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。,1.1 液态合金的充型,充型：液态合金的充型能力：影响充型能力的
3、主要因素：,合金的流动性浇注条件铸型填充条件,浇不足: 不能得到完整的零件。,冷隔:金属液充型后，在金属液的交接处融合不好，而且在铸件中产生穿透的或不穿透的缝隙称为冷隔。或没完整融合缝隙或凹坑, 机械性能下降。,一、合金的流动性液态合金本身的流动能力-合金流动性流动性对铸件质量影响影响流动性的因素 主要是化学成分:1 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小2 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大.3 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初生树枝状晶阻碍液流,测试合金流动性力的方法: 如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样
4、长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好.,二、 浇注条件 1 浇注温度: t 提高充型能力. 但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力 充型能力如 砂形铸造-直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力高.,浇注温度高,浇注温度过高,生产中薄壁件常采用较高温度 厚壁件采用较低浇注温度。,三、铸型填充条件1铸型材料导热能力: 导热 金属降温快,充 如金属型2铸型温度: t 充 如金属型预热3 铸型中气体: 排气能力 充 减少气体来源,提高透气性, 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.4铸型结构:
5、 若不合理,如壁厚小或有大的水平面, 直浇口低, 浇口小等 充,折算厚度： 折算厚度也叫当量厚度或模数,是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填.(大平面铸件不易成形)复杂程度： 铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。,铸件的凝固方式：,1.2 铸件的凝固与收缩,铸件的凝固过程： 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.,一、铸件的凝固
6、方式,逐层凝固：合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松 （灰铸铁、硅铝合金）糊状凝固：难以获得结晶紧实的铸件 （球墨铸铁、铜铝合金）,影响凝固的主要因素,*合金的结晶温度范围： 合金的结晶温度范围越小，凝固区域越 窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通 灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度： 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝 固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。 若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其 凝固区相应由宽变窄。,二、铸造合金的收缩,合金的收缩的过程: 合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺
7、陷。（如：缩孔、缩松、裂纹、变形等）。,合金收缩的三个阶段,收缩率：体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。,注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。,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。,三、铸件中的缩孔与缩松,缩孔: 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容积较大的孔洞。,产生原因：合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。产生条件
8、：铸件由表及里地逐层凝固。,缩孔形成过程示意图,缩松：指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： 当合金的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即缩松。另外，缩松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，缩松内表面应该是光滑，近似球状。,危害：缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一。,缩松,纯金属、共晶成分的合金
9、或结晶温度范围窄的合金易形成缩孔。,结晶温度范围大的合金易形成缩松。,缩孔和缩松的防止,集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现。合金液态收缩和凝固收缩愈大(如铸钢、白口铸铁、铝青铜等),收缩的容积就愈大，愈易形成缩孔。合金浇注温度愈高，液态收缩也愈大(通常每提高100，体积收缩增加1.6%左右)，愈易产生缩孔。图表示相图与缩孔、缩松和铸件致密性的关系。,相图与缩孔/缩松和铸件致密性的关系,26,(1) 使缩松转化为缩孔的方法 缩松转化为缩孔的途径可从两方面考虑： 第一，尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固，从根本上解决
10、缩松的生成条件； 第二，对一些凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法，使合金尽可能地趋向于逐层凝固。,32,基本原则：针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的地方。这样，在铸件最后凝固的地方安置一定尺寸的冒口，使缩孔集中于冒口中，或者把浇口开在最后凝固的地方直接补缩，就可以获得健全的铸件。,(2) 防止缩孔的方法 要使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，主要是通过控制铸件的凝固方向使之符合“定向凝固原则”。 铸件的定向凝固原则，是采用各种措施保证铸件结构上各部分，按照远离冒口的部分最先凝固
11、，然后朝冒口方向凝固，最后才是冒口本身凝固的次序进行，亦即使铸件上远离冒口或浇口的部分到冒口或浇口之间建立一个递增的温度梯度，如图2-7所示。铸件按照定向凝固原则进行凝固，能保证缩孔集中在冒口中，获得致密的铸件。,33,定向凝固方式示意图,定向凝固的优点是：冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。因此对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。,定向凝固的缺点是：由于铸件各部分有温差，在凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固原则需加冒口和补贴（在靠近冒口的铸件壁上逐渐增加的厚度），工艺出品率低，且切割冒口费工。,34,图2-7 定向凝
12、固方式示意图,为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。在铸型中，冒口的型腔是存贮液态金属的容器，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同，所以，冒口的设计要考虑铸造合金的性质和铸件的特点。,对于凝固过程中体积收缩不大的合金(如灰铸铁)，或不产生集中缩孔的合金（如锡青铜），冒口的作用主要是排放型腔中的气体和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液以减少铸件上的缺陷。这种冒口多置于内浇口的对面,其尺寸也不必太大。,如图是单体铸造的活塞环，在内浇口的对面设置一个小冒口来收集冷金属，该处就不会因金属过冷而出现白口组织，导致铸件报废。这类冒口的大小和设置部位，应根据铸件
13、的显微组织要求确定。,1.3 铸造内应力、变形与裂纹,一、铸造内应力定义：铸件在凝固后继续冷却时，若在固态收缩阶段受到阻碍，则将产生内应力，称为铸造内应力。产生铸件变形、裂纹等缺陷的主要原因。种类：按照内应力产生原因分热应力和机械应力。,热应力,先冷却部分形成压应力，后冷却部分形成拉应力。,铸造热应力是由于铸件壁厚有厚薄，冷却有先后，造成铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈高，弹性模量愈大，热应力也就愈大。,再结晶温度（t临）：产生了加工硬化的工件，在加热至某一温度后能发生再结晶现象，此温度叫再结晶温度。高于再结晶温度时，材料处于塑性状态，低于再结晶温
14、度时材料处于弹性状态。,均处于塑性状态,处于弹性状态， 处于塑性状态,、均处于弹性状态,热应力的消除方法,铸件的结构：铸件各部分能自由收缩 工艺方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效；自然时效,铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀,原理：减少各部分温差，均匀冷却。,将浇口开在铸件薄壁处以减缓冷却速度 在厚壁处放置冷铁以加快其冷却速度,同时凝固原则的优点： 凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。同时凝固一般用于以下情况：碳硅含量高的灰铸铁，其体积收缩较小甚至不收缩，合金本身不易产
15、生缩孔和缩松。(2) 结晶温度范围大，容易产生缩松的合金（如锡青铜），对气密性要求不高时，可采用同时凝固。,36,冒口、冷铁共用法,如图所示，由于铸件上容易产生缩孔的厚大部位即热节不止一个，仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔。为此，在该处设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。,机械应力：铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力。落砂后自行消失。,提高铸型和型芯的退让性。,预防方法：,退让性：铸件冷却收缩时，铸型、型芯不阻碍其收缩的性质。,如果在某一瞬间机械应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。,30,二、铸件变
16、形,对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆件类、板类及轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时，产生翘曲变形。,框形铸件变形,T形梁铸钢件变形,有的铸件虽无明显的变形，但经切削加工后，破坏了铸造应力的平衡，产生变形甚至裂纹。,圆柱体铸件加工后的变形,表面被加工掉一层后,心部钻孔后,从侧面切去一层,图2-11,图为车床床身，导轨部分较厚，铸后产生拉应力，侧壁较薄，铸后产生压应力。变形的结果，导轨面中心下凹，侧壁凸起。,铸件的变形与防止图为平板形铸件的变形，平板中心冷却比四周慢，铸后产生拉应力，而四周产生压应力，当平板上、下面有温差时，就可能产生挠曲变形。,结论：厚部、心部受拉应力
17、，出现内凹变形。薄部、表面受压应力，出现外凸变形。,铸件的变形与防止图是皮带轮的变形。皮带轮结构特点是轮缘和轮辐比轮毂薄，当轮毂进入弹性状态时，轮缘和轮辐的温度比轮毂低，轮毂的继续收缩受到轮缘和轮辐的阻碍、轮缘受压应力，轮毂和轮辐受拉应力。如图（b）所示，P1为轮毂和轮辐把轮缘向里拉的力，P2是铸型阻碍轮缘收缩的力。结果有可能把轮缘拉成波浪形。在切削加工时A处可能会出现加工余量不足，B处加工后轮缘可能变得过薄。,铸件的变形与防止 铸件的变形往往使铸件精度降低，严重时可能使铸件报废必须予以防止。 防止：设计铸件时，力求壁厚均匀、形状简单而对称。对于细而长、大而薄等易变形铸件，可将模样制成与铸件变
18、形方向相反的形状，待铸件冷却后变形正好与相反的形状抵消，称“反变形法” 。,三、铸件的裂纹 定义：当铸件内应力超过合金的强度极限时，铸件便产生裂纹。按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂。 1.热裂 高温下形成的裂纹。特征: 缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。沿晶粒边界产生和发展。合金结晶温度愈宽，液固两相区绝对收缩量愈大，热裂倾向大；含硫愈高，热裂倾向大；反之，铸型退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。 热裂是铸钢件、可锻铸铁件和某些轻合金铸件生产中最常见的铸造缺陷之一。防止此类缺陷的方法一般是使铸件结构合理（图），提高铸型和型芯的退让性，减小浇，冒口对铸件收缩的机械阻碍，内烧口设置符合同时凝固
19、方式，此外应尽量降低金属中有害杂质硫、磷的含量，减少低熔点化合物，提高金属的高温强度。,铸件的裂纹与防止 2.冷裂 较低温下形成的裂纹。特征: 裂纹细小、呈连续直线状。常发生在形状复杂工件受拉伸部位、特别是应力集中处。塑性好的合金，冷裂倾向小；反之，脆性大，冷裂倾向大。防止冷裂的措施，消除内应力，控制含磷量。 冷裂常出现在铸件受拉应力部位，尤其是应力集中的地方。图是带轮和飞轮铸件的冷裂现象。带轮的轮缘、轮辐比轮毂薄，冷却速度较快，比轮毂先收缩，并对轮毂施加压力，轮毂产生塑性变形。但当轮毂温度冷至较低温度进行收缩时，却受到先已冷却的轮缘的阻碍，轮辐中就会产生拉应力，拉应力过大时轮毂发生断裂，形成冷裂。飞轮的轮缘较厚轮辐和轮毂较薄，易在轮缘中产生拉应力引起冷裂。,铸件特殊位置的裂纹示意图,裂纹的常见部位：,
