1、绪论,将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。,铸造是什么？,铸造成型,我国有辉煌的传统冶铸历史，在殷商时期就有灿烂的青铜器铸造技术。如北京明朝永乐青铜大钟，重达46.5t，钟高6.75m，钟唇厚22cm，外径3.3m，钟体内遍铸经文22.7万字，击钟时尾音长达2分钟以上，传距20km。外形和内腔如此复杂、重量如此巨大、质量要求如此高的青铜大钟，正说明我国早已掌握冶炼和铸造技术,铸造的特点：,优点：1具有较强的适应性2铸件成本低原材
2、料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，成本低 缺点：1废品率较高，生产过程难以控制；2铸件力学性能较差，3砂型铸造铸件精度较差。,铸造的分类,砂型铸造,特种铸造,成本低，适用性强，应用最广泛,湿砂型,干砂型,化学硬化砂型,熔模铸造、壳型铸造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造,金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造,天然矿产砂石作为主要造型材料,金属作为主要铸型材料,铸造工艺基础（铸造性能）,合金在铸造生产过程中表现出来的工艺性能称为合金的铸造性能。 铸造性能包括合金的流动性、收缩性、偏析和吸气性能等。 围绕合金的铸造性能，学习与之相关的主要缺陷的形成与
3、防止。,第一节 液态合金的充型,液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金充型能力。 充型能力不足会产生浇不足、冷隔等缺陷。,充型能力不足,浇不足,冷 隔,夹 砂,夹 渣,气 孔,影响充型能力的主要因素： （1）金属成分（流动性）。 （2）浇铸条件（浇铸温度、充型压力） （3）铸型的充型条件（铸型蓄热能力（材料）、铸型温度、铸型的排气能力等） （4）铸件结构（薄壁、结构复杂）等,合金的流动性,流动性是液态属自身的流动能力。合金的流动性愈好，充型能力愈强。 液体合金的流动性常采用的螺旋形试样长度来衡量。 流动性的影响因素很多，但以化学成分的影响最为显著。常用合金中铸铁和
4、硅黄铜的流动性最好，铝硅合金次之，铸钢最差。共晶成分的合金流动性最好。（逐层凝固；过冷度大，处于液态的时间长）,第二节 铸件的凝固与收缩,一、铸件的凝固方式在凝固过程中，铸件的断面上一般存在三个区域：即固相区、凝固区和液相区。依据凝固区的宽窄，铸件的凝固划分成三种方式： （1）逐层凝固方式 （2）糊状凝固方式 （3）中间凝固方式,（1）逐层凝固方式纯金属或共晶成分在凝固过程中不存在固液二相共存区，如图a)。在常用合金中，灰铸铁、铝硅合金等倾向于逐层凝固，易于获得紧实铸件。,（2）糊状凝固（体积凝固）方式合金结晶温度范围很宽，或温度梯度很小，固液并存的凝固区贯穿整个断面，如图c）（表层不存在固体
5、层，类似水泥）。球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝固。,（3）中间凝固方式金属结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽但截面温度梯度大，凝固区宽度介于逐层凝固和糊状凝固之间，如图b所示。,影响凝固方式的因素： 合金的结晶温度范围 铸件断面的温度梯度,凝固方式对铸件质量的影响：,逐层凝固方式合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松。 糊状凝固方式难以获得结晶坚实的铸件。,二、铸造合金的收缩,液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。 收缩是多种铸造缺陷产生的根源。 合金的收缩经历三个阶段：（1）液态收缩：从浇注液相线温度（2）凝固收缩：液相线固相线（3）固态收缩：固相线室温,液
6、态收缩表现为铸型腔内液态金属的液面下降。 凝固收缩 共晶成分或纯金属是在恒温下凝固，凝固收缩只由状态改变引起，所以收缩较小，亦表现为液面下降。液态收缩和凝固收缩主要表现为合金体积上的缩减，用体收缩率（单位体积的百分收缩量）表示。它们是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。 固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，可用线收缩率（单位长度的百分收缩量表示）。固态收缩是铸件产生应力、变形和裂纹的根本原因。,三、铸件中的缩孔和缩松,在合金冷却和凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。 按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。其中容积较大的孔洞叫缩
7、孔，细小且分散的孔叫缩松。 危害：使力学性能下降；因渗漏而报废。,缩孔,三、铸件中的缩孔和缩松,（1）缩孔 缩孔是容积较大而集中的孔洞。通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑。逐层凝固的合金产生缩孔的倾向较大。,（2）缩松,缩松分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近（缩孔的下方）的细小而分散的孔洞。,糊状凝固的合金缩孔倾向小，但极易产生缩松。,（3）防止缩孔和缩松措施,定向（顺序）凝固： 采取一定措施，先使铸件上远离冒口或浇注部位凝固，然后使靠近冒口部位凝固，最后冒口本身凝固。使先凝固的收缩量由后凝固的液体补充，最后将缩孔转移至冒口中 。,安放冷铁当仅靠铸件顶部
8、的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔时。应在该厚大部位设置冷铁，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。,实现定向凝固方法,合理安放冒口,实现定向凝固方法,设置补贴对于一些壁厚均匀的铸件，如图所示，采用顶部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后，也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其立壁上增加补贴，即一个楔形厚度，使其形成一个从下而上递增的温度梯度，才能实现该铸件的顺序凝固。,定向凝固的缺点： 一、冒口浪费金属； 二、铸件内应力大，易于变形和开裂。应用：主要用于必需补缩的地方。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。对于形成糊状凝固的合金一般不采用此
9、工艺方法。,第三节 铸件内应力、变形和裂纹,一、铸造内应力铸件在凝固之后的冷却过程中，由于各部分体积变化不一致，彼此制约引起的应力为铸造内应力。 按应力产生的原因，铸造应力分为热应力和机械应力两种。,1. 热应力,热应力是指因铸件壁厚不均匀或各部分冷却速度不同，致使铸件各部分的收缩不同步而引起的应力。 铸件厚、大部分或心部受拉应力（+），薄壁或表层受压应力（-）。,热应力的预防与消除,铸件残留热应力预防原则及措施铸件残留热应力预防原则：减小铸件各部分间的温度差，使其均匀冷却.具体措施：设计时，尽量使铸件壁厚均匀 生产上，“同时凝固” 残留热应力的消除方法：去应力退火,同时凝固的具体工艺是将内浇
10、口开在铸件的薄壁处，再在铸件厚壁处放置冷铁。,同时凝固的原则可降低铸件产生应力、变形和裂纹的倾向；只是铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷。,同时凝固原则只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。,同时凝固减少铸造内应力,机械应力,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。它是暂时的。 防止措施是改善铸型和型芯的退让性。,二、 铸件的变形,产生原因：铸件内部有残留应力。受拉内应力的部位趋于变短。,受拉部分趋于变短,防止变形的措施,（1）尽可能使铸件的壁厚均匀或截面形状对称。 （2）采取相应的工艺措施使其同时凝固。 （3）“反变形”法-模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形。 （4）对
11、于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处理。,三、铸件的裂纹,当铸件的内应力超过其强度极限时便会产生裂纹 按照形成温度的不同，裂纹可分为热裂和冷裂。热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的裂纹。（凝固收缩大、铸型的退让性不好。是铸钢和铸铝常见的缺陷。）冷裂是铸件凝固后，冷却到较低温度下形成的裂纹。（脆性材料）,两种裂纹的形状特点热裂：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；冷裂 ：裂纹细小、呈连续直线状或圆滑曲线状、裂纹表面有金属光泽或呈微氧化色。,防止热裂的方法,i）选择结晶温度范围窄的合金生产铸件。因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球
12、铁。 ii）减少铸造合金中的有害杂质，如减少铁-碳合金中的磷、硫含量，可提高铸造合金的高温强度。 iii）改善铸型和型芯的退让性。退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。 iv）减小浇、冒口对铸件收缩的阻碍，内浇口的设置应符合同时凝固原则。,防止冷裂的方法,设法减小铸造应力和降低铸造合金的脆性。如尽量减小Fe-Fe3C合金中的磷含量，可降低其脆性； 铸件在浇注之后，勿过早落砂。,第四节 铸件中的气孔,气体在金属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。若凝固前气泡来不及排除，就会在金属内形成孔洞。这种因气体分子聚集而在铸件表面和内部产生的孔洞
13、称为气孔。,气孔是铸件或焊件最常见的缺陷之一。气孔的存在不仅减小金属的有效承载面积，而且使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源。一些形状不规则的气孔，则会增加缺口的敏感性，使金属的强度下降和抗疲劳能力降低。,气孔分类：,按气体来源和形成机理可分为析出性气孔、侵入性气孔、反应性气孔。 按类别分为氢气孔、氮气孔、一氧化碳气孔等。 按气孔的形状和位置分为针孔、皮下气孔。,一、析出性气孔,金属在熔化或浇注过程中，H2、O2、N2等少量气体被高温金属液所吸收，液态金属在冷却凝固过程中，因气体溶解度下降，析出的气体来不及逸出而产生的气孔称为析出性气孔。这类气孔主要是氢气孔和氮气孔。 析出性气孔在铸件表面
14、分布广而细小，也称“针孔”。会在一定程度上降低铸件气密性，易发生渗漏。 措施：浇注前对金属液进行“除气处理”，对炉料、工具进行烘干，除水分。,二、侵入性气孔,将液态金属浇入砂型时，砂型或砂芯在金属液的高温作用下会产生大量气体，随着温度的升高和气体量的增加，金属-铸型界面处气体的压力不断增大。当界面上局部气体的压力高于外界阻力时，气体就会侵入液态金属，在型壁上形成气泡。气泡形成后将脱离型壁，浮入型腔液态金属中。当气泡来不及上浮逸出时，就会在金属中形成侵入性气孔。,铸铁件中气孔大多数为侵入性气孔。 防止措施：提高型砂透气性，增加铸型的排气量。,三、反应性气孔,定义：高温金属液与铸型材料、冷铁、熔渣间，由于化学反应形成的气体留在铸件内形成的气孔。 分类： 皮下气孔：铸件表层下13mm处产生的气孔。 冷铁气孔：冷铁表面的油污或铁锈与灼热的钢水接触，发生化学反应分解出CO，在冷铁附近产生的气孔。,偏析是指铸件凝固后其内部化学成分不均匀的现象，偏析严重时能造成铸件各部分的组织和力学性能相差很大，降低铸件的质量。可通过退火或在浇铸时充分搅拌和加大金属液的速度来克服。,
