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1、第八章 铸造,第八章 铸造,铸造是机械零件毛坯或成品零件热加工的一种重要工艺方法。本章介绍铸造工艺基础和典型的铸造方法，对铸造工艺和铸件结构工艺性进行系统论述。,第八章 铸造,第一节 概述,铸造生产是用液态合金形成产品的方法，将液态合金注入铸型中使之冷却、凝固，这种制造金属制品的过程称为铸造生产，简称铸造，所铸出的金属制品称为铸件。绝大多数铸件用作毛坯，需要经机械加工后才能成为各种机器零件，少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件而直接应用。,第一节 概述,1.铸造的特点 铸造生产具有以下优点： (1)适用范围广。铸铁、钢和有色金属等金属材料均可铸造；铸件形状可以非常复
2、杂，内腔复杂的坯件或零件，铸造法几乎不受零件大小、厚薄和复杂程度的限制 。 (2)铸造材料广泛。可制造各种合金铸件用铸造法可以生产铸钢件、铸铁件、各种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金及锌合金等铸件。对于脆性金属或合金，铸造是唯一可行的加工方法。 (3)铸件的尺寸精度高一般比锻件、焊接件尺寸精确，可节约大量金属材料和机械加工工时。 (4)成本低廉 铸件在一般机器生产中约占总质量的40%80，而成本只占机器总成本的25%30。,第一节 概述,1.铸造的特点 铸造生产的缺点： （1）铸造生产工序多，工艺过程控制较难，铸造过程生产劳动强度较大，工作条件差。 （2）液态金属在冷却凝固过程中铸件内部容易产生
3、缺陷，形成的晶粒比较粗大，容易使内部产生气孔、缩孔、缩松、夹渣、砂眼和裂纹等缺陷，在力学性能上，与同样尺寸的锻件相比铸件承载能力较差。 （3）铸件质量不稳定，废品率高等，使铸造生产和应用受到一定程度的限制。,第一节 概述,2.铸件的凝固 铸造过程实际上是一个典型的从固态液态固态的转换过程，即固态的铸造材料融化后转变为液态，将其浇注到铸型中，再冷却凝固获得液态产品的过程。这个过程中铸件在液态下充满型腔，获得产品，这种铸件合金从液态转为固态晶体的过程成为结晶；而铸造合金在铸型中冷却成为铸件的过程称为铸件凝固。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。若凝固条件不同，晶体形态会发生变化，柱
4、状晶和等轴晶的比例也有所改变。所以铸件中柱状晶和等轴晶的多少一方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、凝固区和液相区三个区域，根据凝固区宽度的不同，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方式。,第一节 概述,2.铸件的凝固 (1)逐层凝固 如图8-1(a)所示，逐层凝固的特征是靠在型壁的外层合金，冷却到凝固点或共晶点温度时，凝固成固态晶体，而里层合金的温度高于凝固点或共晶点，仍然为液态。在固态与液态之间的界限平滑而且分明。随着温度降低，固态晶体持续形成，凝固过程由外及里，柱状晶不断向液体内生长，直至全部凝固。一般纯金属、共晶类合金及窄结晶温
5、度范围的合金倾向于逐层凝固方式，如灰口铸铁、铝硅合金、硅黄铜及低碳钢等。,图8-1 铸件的凝固方式,第一节 概述,2.铸件的凝固 (2)糊状凝固 糊状凝固的特点是合金冷却至液相线温度时，晶粒被周围的液体合金包围，而以这个晶粒为中心晶体在各个方向上生长，晶粒长大比较均匀；随着温度的进一步减低，新一批晶粒又被周围的液体合金包围，整个断面，固液交错，在铸件整个断面上形成粗大的等轴晶。未凝固的液体合金被众多的的等轴晶封闭。如图9-1(b)所示。这种凝固方式犹如水泥凝固，先呈糊状而后固化。一般结晶温度范围大的合金倾向于糊状凝固方式，如铝铜合金、锡合金、球墨铸铁及高碳钢等。,图8-1 铸件的凝固方式,第一
6、节 概述,2.铸件的凝固 (3)中间凝固 中间凝固方式是介于逐层凝固与糊状凝固之间的一种凝固方式，既有柱状晶又有等轴晶。中碳钢、白口铁及部分特种黄铜倾向于中间凝固方式。 合金的凝固区域不是一成不变的，与铸件的温度梯度有关，所以影响铸件温度梯度的因素都会影响合金的凝固区域的大小。,第二节 合金铸造性能,常用的铸造合金有铸铁、碳钢、铜合金和铝合金等。液态合金顺利充满铸型型腔的流动特性，冷却、凝固、收缩变形、应力状况、组织状况特征，都对获得优质铸件有着重要影响。通常把合金对铸造过程和效果有着比较重要影响的特性称为合金的铸造性能。一般合金的铸造性能主要指流动性、收缩性、应力及变形、裂纹倾向及成分均一性
7、等。,第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 合金的流动性是指液态合金的流动能力，即液态合金充满铸型的能力。流动性好的合金，易于充满薄而复杂的铸型腔，便于浇注出轮廓清晰的铸件，减少浇注不足、冷隔等缺陷；有利于液体合金中气体和非金属夹杂物的上浮与排出，有利于对合金凝固过程中产生的收缩进行补缩，减少铸件中气孔、夹渣、缩孔、缩松等缺陷的产生。因此，合金的流动性直接影响到铸件的质量，良好的流动性是获得优质铸件的基本条件。 熔融金属充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的铸件的能力叫做液态合金的充型能力。合金的充型能力取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等影响。 影响合金
8、流动性的因素很多，主要包括合金的化学成分、浇注温度、铸造工艺和铸件的凝固方式等。除此之外，合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响。,第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 合金的流动性是指液态合金的流动能力，即液态合金充满铸型的能力。流动性好的合金，易于充满薄而复杂的铸型腔，便于浇注出轮廓清晰的铸件，减少浇注不足、冷隔等缺陷；有利于液体合金中气体和非金属夹杂物的上浮与排出，有利于对合金凝固过程中产生的收缩进行补缩，减少铸件中气孔、夹渣、缩孔、缩松等缺陷的产生。因此，合金的流动性直接影响到铸件的质量，良好的流动性是获得优质铸件的基本条件。 熔融金属充满型腔，形
9、成轮廓清晰、形状完整的铸件的能力叫做液态合金的充型能力。合金的充型能力取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等影响。,第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 影响合金流动性的因素很多，主要包括合金的化学成分、浇注温度、铸造工艺和铸件的凝固方式等。除此之外，合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响。 1.合金的化学成分 合金的化学成分不同，它们的熔点及结晶温度范围不同，其流动性也不同。共晶成分的合金流动性最好，其结晶是在恒温下进行，凝固时从表面逐层向中心发展，已凝固的硬壳内表面比较光滑，对尚未凝固的液体流动阻力小；随着结晶温度范围的扩大
10、，较早形成的树枝状晶体，使凝固的硬壳内表面参差不齐，将阻碍金属的流动。因此，从流动性考虑，宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。其中灰铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。,第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 影响合金流动性的因素很多，主要包括合金的化学成分、浇注温度、铸造工艺和铸件的凝固方式等。除此之外，合金液的粘度、结晶潜热、导热系数等物理性能对合金的流动性都有影响。 2.浇注温度 浇注温度对合金的充型能力有着决定性的影响。在一定的范围内，浇注温度愈高，合金液的粘度愈低，且在铸型中流动的时间增长，充型能力增强，反之充型能力差。因此，为防止浇不足和冷隔缺陷的产生，对薄
11、壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度。但浇注温度过高，液态合金的收缩增大，吸气量增大，氧化严重。容易导致缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，因此，在保证充型能力足够的条件下，应尽量降低浇注温度。通常情况下，灰铸铁的浇注温度为12301380，铸钢为15201620，铝合金为680780；复杂薄壁件取上限。,第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 影响合金流动性的因素很多，主要包括合金的化学成分、浇注温度、铸造工艺和铸件的凝固方式等。 3.铸型的结构特征 铸型中凡能增加金属液流动阻力和冷却速度的因素，如型腔的表面粗糙、排气不畅、内浇道尺寸过小、铸型材料导热性大；铸型型腔中的产气量
12、及排气能力；铸件结构的复杂程度和表面粗糙度等，均会降低金属的流动性。凡是增大冷却速度和增大流动阻力的因素都会降低充型能力。如金属型比砂型冷却快，薄壁铸件的流动阻力大，排气不良时，气体对合金产生背压等都会降低合金的充型能力。 当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂以及有大的水平面等结构时，都使金属液的流动发生困难。因此，设计时铸件的壁厚必须大于最小允许壁厚值（表8-1所示），有的铸件还需设计流动通道 。,第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 影响合金流动性的因素很多，主要包括合金的化学成分、浇注温度、铸造工艺和铸件的凝固方式等。 3.铸型的结构特征,表8-1 不同金属和不同铸造方法铸
13、造的铸件的最小壁厚值 (),第二节 合金铸造性能,一、合金的流动性和充型能力 4.铸件的凝固方式 铸件的凝固方式对合金的流动性影响较大。如图8-2(a)所示，逐层凝固其凝固前沿平滑，对液态金属的流动阻力小，其充型能力较强。而糊状凝固前沿的晶枝与液体合金相互交错，比较粗糙，如图8-2(b)所示，对金属流动的阻力较大，充型能力差，容易产生铸造缺陷。从流动性考虑，适宜选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金。,图8-2 凝固方式对流动性的影响,第二节 合金铸造性能,二、合金的收缩 4.铸件的凝固方式 液态合金从浇注温度冷却、凝固、直到室温的过程中，发生体积与尺寸缩小的物理性质，这种现象称为合金
14、的收缩。合金的收缩量通常用体收缩率和线收缩率来表示。金属从液态到常温体积改变量称为体收缩。金属在固态由高温到常温的线性尺寸改变量称为线收缩。线收缩是铸件产生应力、变形与裂纹的根本原因；体收缩是铸件产生缩孔、缩松的根本原因。铸件的收缩与合金成分、温度、收缩系数和相变体积改变等因素有关，除此之外还与结晶特性、铸件结构以及铸造工艺等有关。,第二节 合金铸造性能,二、合金的收缩 1.收缩三阶段 合金的收缩过程经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩3个阶段如图8-3所示。,图9-3 铸造合金的收缩阶段 液态收缩；凝固收缩；固态收缩,第二节 合金铸造性能,二、合金的收缩 (1)液态收缩 合金从浇注温度冷却至液相
15、线温度之间的收缩称为液态收缩。如图9-3所示，即合金从浇注温度浇注(点)，冷却至开始凝固(液相线)温度(点)之间的收缩。金属液体的过热度越高，液态收缩越多。 (2)凝固收缩 合金从液相线温度(开始凝固)至固相线温度(凝固结束)的收缩称为凝固收缩。即合金从开始凝固(点)至凝固结束之间的收缩。结晶温度范围越宽，凝固收缩越大。 液态收缩和凝固收缩伴随着铸型空腔内金属液面的下降，是铸件产生缩孔和缩松的根本原因。 (3)固态收缩 合金从固相线温度到室温时的收缩称为固态收缩。固态收缩表现为铸件形状、尺寸的变化，是铸件产生内应力、变形和裂纹的根本原因。,第二节 合金铸造性能,二、合金的收缩 2.缩孔和缩松
16、(1)缩孔 金属液在凝固过程中，合金的液态收缩和凝固收缩值得不到合金液体补偿，在铸件最后凝固的某些部位会出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，此区域也称热节。缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩的值远大于固态收缩值。缩孔形成的条件是金属在恒温或很小的温度范围内结晶，铸件壁是以逐层凝固方式进行凝固，如纯金属、共晶成分的合金。,第二节 合金铸造性能,二、合金的收缩 2.缩孔和缩松,（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 图8-4 缩孔的形成过程,第二节 合金铸造性能,二、合金的收缩 2.缩孔和缩松 (1)缩孔 如图8-4所示为缩孔的形成示意图。图8-4(a)所示是液态合金注满铸型型腔后，开始冷却阶段，液态收缩可以从浇注系统得到补偿，随后，由于型壁的传热，使得与型壁接触的合金液温度降至其凝固点以下，铸件表层凝固成一层细晶薄壳，
