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1、第2篇 金属材料的成形加工基础 1.主要内容 铸造 压力加工 焊接 2.重点 各个方法对质量的影响及其应用 第3章 铸 造 3.1 概述 一定义 液态金属注入铸型中，凝固后得到一定形状、尺寸产品的工 艺。 二铸造生产特点 1）可制造形状复杂的制品。如四羊尊，龙凤，发动机箱体等。 2）可制造各种尺寸的铸件。如绣花针，沧州铁狮（五代），山东13 层的铁塔等。 3）可制造塑性差的制品。 4）成本低。 5）工序复杂。 6）质量不稳定。 3.2 液态金属的充型能力 一概念 液态金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的健全铸件的能 力。 二金属液与铸型之间的作用 热作用：高温、导热 机械作用：力 物理化学作
2、用：吸附、反应等 三影响充型能力的因素 1合金流动性 成分（温度间距，杂质）、物性（蓄热系数、焓、粘度）、温度 2铸型 蓄热系数、铸型温度、铸型表面、铸型气体 3浇注条件 外力场、浇注系统 4铸件结构 厚度、复杂程度 四提高充型能力的措施 1选择合理的合金成分 2工艺措施 流动性螺旋试样 3.3 铸造收缩 一合金的收缩特性 总收缩=液态收缩+液固收缩+固态收缩 1液态收缩：TPTL 2液固收缩：TLTS 液固相变体积变化 TLTS温度降低的体积收缩 3固态收缩：TSTO 4线收缩开始温度：合金固相骨架形成温度 介于TLTS之间，液相占2040% 合金的线收缩开始温度与成分的关系 二收缩对铸件质
3、量的影响 1液态收缩+液固收缩导致缩孔和疏松 缩孔：铸件在凝固过程中收缩而产生的集中孔洞 缩松：铸件最后凝固的区域没有得到补缩而形成的分散的孔洞 控制措施：（1）顺序凝固 （2）冒口补缩 （3）加压补缩 （4）压缩变形 （5）电磁搅拌 2线收缩导致热裂、应力、变形和冷裂 三热裂及其控制 1热裂：在固相线温度附近出现的断裂或裂纹 2形成温度：线收缩开始温度液相结束温度 3形成机理：铸件收缩引起的应力大于铸件高温下的强度， 或铸件收缩引起的应变大于铸件高温下的变形极限。 1）高温脆性：合金在固相线附近延伸率、强度极低，称脆性温度区间。 强度为1/100-1000，延伸率为1% 2）液膜理论：晶间液
4、膜的存在 4热裂倾向：T，热裂倾向；，热裂倾向 5防止热裂的主要措施： 1）提高合金抗热裂的能力 2）改善铸型退让性 3）合理设计铸件结构（减少热节和应力集中、加加强筋） 4）提高铸件温度的均匀性（同时凝固） 脆性温度区间 线收缩开始至固 相线以下某温度 3.4 铸件的应力、变形和冷裂 一铸造应力 1）概念：固态铸件在冷却过程中由于体积和尺寸的变化受到阻碍 而 产生的应力 2）分类 铸铸造应应力按机理 热应 力 相变（组织 ）应力 机械阻碍应力 按存在周期 临时应 力 残余应力 1热应力 1）概念：由于各部位冷速不同而造成的收缩受阻所产生的应力。 2）影响因素：温差，膨胀系数，E （t0-t1
5、）:当铸件处于高温阶段时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收 缩也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生； （t1-t2）:继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态此时由于细 杆II的冷速较快、收缩较大，所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂 时内应力，但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失（图c）； （t2-t3）:当进一步冷至更低温度时两杆均进入了弹性状态，此时由于两杆的温度不同、 冷却速度也不同，所以二者的收缩也不同步，粗杆I的温度较高，还要进行较大的收缩， 细杆II的温度较低，收缩已趋于停止
6、，因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍，使其收缩 不彻底，在部产生拉应力；而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温， 残留热应力一直存在。 2相变应力 1）概念：由于固态相变时的体积变化受阻而产生的应力。 2）影响因素：温差，比容差，E 3）特点：可能收缩，也可能膨胀 3机械阻碍应力 1）概念：材料变形受到外界的机械阻碍而造成的应力。 2）影响因素：铸型退让性 3）特点： 临时应力 4减小铸造应力的途径 1）铸件壁厚尽量均匀 2）采用合理的工艺使温度均匀 3）控制铸型的退让性及打箱时间 5消除铸造应力的途径 1）自然时效 2）人工时效 3）共振方法 二变形 当铸造应力大于屈服
7、强度时，产生变形。 1危害 无法加工而报废 加工后变形，影响精度或报废 2防范 减小铸造应力 预变形法 附加工艺筋 三冷裂 当铸造应力大于断裂强度时，发生断裂。 1)冷裂特征：穿晶断裂 2)冷裂倾向： 铸件应力，冷裂 塑韧性，冷裂 3）防止： 减小铸造应力 控制合金的成分及质量 3.5 铸件中的偏析 1. 偏析：材料化学成分的不均匀性称偏析 2. 形成原因：凝固过程中溶质的再分配 3. 偏析系数：1-K=（Cl-Cs）/Cl 4. 分类： 偏析微观偏析晶内偏析 晶间偏析 宏观偏析正（常）偏析 逆偏析 V型/倒V型偏析 带状偏析 重力偏析 1微观偏析：晶粒尺度化学成分的不均匀现象 1）晶内偏析：
8、晶粒内部化学成分的不均匀现象 （先结晶部分的溶质含量少于后结晶部分） 2）晶间偏析：晶粒与晶间化学成分的差异现象。 （晶间溶质含量高，且富含杂质） 3）对比：前者成分连续变化，后者有突变。 4）减少微观偏析的措施 细化晶粒 快速凝固 扩散退火：晶内偏析可消除，晶间偏析不能完全消除 2宏观偏析（区域偏析）：铸件不同区域化学成分不均匀现象 1）正常偏析：在宏观上符合溶质再分配规律的偏析 2）反（逆）偏析：与正常偏析相反的宏观偏析 产生原因：铸件收缩造成铸件内部富含溶质的残留液体流向铸件外层，使溶质 出现反常分布。 影响因素： 枝晶粗大，反偏析 收缩率，反偏析 气体含量，反偏析 防止措施： 增大温度
9、梯度 减少含气量 细化晶粒 3）比重偏析：由于比重不同而在重力作用下所形成的宏观偏析 4）带状偏析：铸件内部与凝固方向相垂直的带状的化学成分不均匀现象 5) V型/倒V型偏析 3.6 砂型铸造 以型砂和芯砂为 造型材料制成铸 型，液态金属在 重力下充填铸型 来生产铸件的铸 造方法。 砂型铸造的工艺过程 砂型铸造方法分类 u手工造型 u机器造型 v震压造型 v微震压实造型 v高压造型 v射压造型 v 空气冲击造型 v 抛砂 1. 手工造型 生产率低； 对工人技术水平要求较高； 铸件尺寸精度及表面质量较差； 主要用于单件、小批生产，有时也可用于大批量的生产。 2. 机器造型 生产率高，劳动条件好，
10、铸件 尺寸精确，表面光洁，加工余 量小，用于大批生产。 浇注系统 浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道之总称。 典型浇注系统的结构：浇口杯、直浇道 、直浇道窝 、横浇 道、末端延长段 、内浇道 直浇道 提供必要的充型压力，保 证铸件轮廓、棱角清晰。 横浇道 良好的阻渣能力。 内浇道 位置、方向和个数应符合 铸件的凝固原则或补缩方 法。 在规定的浇注时间内充满 型腔。 金属液进入型腔时避免飞 溅、冲刷型壁或砂芯。 冒口 冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。 冒口 普通冒口 特种冒口 明冒口 暗冒口 保温冒口 发热冒口 大气压力冒口 易割冒口 3.7 特种铸造 熔模铸造 金属型铸造 压力铸
11、造 低压铸造 离心铸造 实心（消失模）铸造 一、熔模铸造（失蜡铸造） 将易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制 成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型， 经高温焙烧后即可填砂浇铸的铸造方法。 熔 模 铸 造 工 艺 流 程 熔模制造的特点： J铸型精密无分型面，铸件精度高，表面质量好。 J可制造形状很复杂的铸件，最小壁厚可达0.7mm，最小孔径可达 1.5mm。 J适用于各种铸造合金。尤其适用于高熔点、难加工合金的生产，如 高速钢、不锈钢汽轮机叶片等。 L工序复杂且周期长，铸件成本高，且铸件不宜太大。 适用范围： 适用于制造形状复杂、难以加工的高熔点合金及有特殊要求的精
12、密 铸件，如：气轮机叶片、汽车、拖拉机、机床、刀具等。 二、金属型铸造（永久型） 在重力作用下将液态金属浇入金属铸型，并凝固成形以获得 铸件的方法。 1、金属型的构造 金属型的结构主要取决于铸件的形状、尺寸，合金的种类及 生产批量。 整体式； 垂直分型式； 水平分型式； 复合分型式。 2、金属型铸造的工艺要点 金属型预热 刷涂料 浇注温度 及时开箱 3、金属型铸造的特点和适用范围 铸件冷却速度快，组织致密，力学性能好； 铸件精度和表面质量较高； 实现“一型多铸”，提高了生产效率，改善了劳动条件； 金属型不透气且无退让性，铸件易产生浇不足、裂纹或白口等 缺陷。 适用范围：主要用于批量生产非铁合金
13、铸件，如铝活塞、气缸盖、油 泵壳体、铜瓦、衬套。 三、压力铸造 熔融金属在高压下（3070MPa）高速充型（0.550m/s）并凝 固而获得铸件的方法称为压力铸造，简称压铸。 1、压铸机及压铸工艺过程 合型，注入金属 压铸 开型，取出铸件 2、压力铸造的特点和使用范围 压铸件加工精度和表面质量较其它铸造方法均高，压铸件大都不 需机加工即可直接使用； 可压铸形状复杂的薄壁精密铸件，或直接铸出小孔、螺纹、齿轮 等； 压铸件组织致密，力学性能好，强度和硬度都较高； 生产率较其它铸造方法均高； 由于压铸速度高，铸件凝固速度快，铸件内部易产生气孔和缩松 ； 压铸件不能用热处理方法来提高性能； 设备投资大
14、，铸型制造费用高，周期长，只适用于大批量生产； 适用范围：主要用于铝、镁、锌合金铸件生产，如汽缸体、箱体、 喇叭外壳、化油器等。 四、低压铸造 用较低的压力（0.020.06Mpa）使金属液自下而上充填 型腔，并在压力下结晶，获得铸件的方法。 1、低压铸造的工艺过程 2、低压铸造的特点和应用范围 充型平稳，无冲击、飞溅现象，不易产生夹渣、砂眼、气孔 等缺陷； 铸件组织致密、轮廓清晰，对于薄壁、耐压、防渗漏气密性 铸件的生产尤为有利； 浇注系统简单，浇口兼冒口，金属利用率高，通常达到90%以 上； 充型压力和速度便于调节，可适用于金属型、砂型、石膏 型、陶瓷型及熔模型壳等，容易实现自动化、机械化
15、生产。 适用范围：主要用于生产质量要求高的铝、镁、锌合金铸件， 如 汽缸体、缸盖、活塞、曲轴箱等。 五、离心铸造 将液态合金浇入高速旋转的铸型，使使其在离心力作用下充 填铸型并结晶。 1、离心铸造的类型 2、离心铸造的特点和适用范围 组织致密，铸件无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能 好； 生产圆筒形或环形铸件时，可省去型芯和浇注系统，因而省工 省料，降低了铸件成本。 便于制造双金属铸件。 依靠自由表面所形成的内孔尺寸偏差大，因而表面粗糙，加工 余量大； 铸件易发生成分偏析，不适于密度偏析大的合金及轻合金铸 件。 适用范围：离心铸造是生产管、套类铸件的主要生产方法，如铸铁 管、气缸套、铜套
16、、双金属轴承等，铸件最大重量可达十多吨。 五、消失模造型 1. 铸造原理和工艺过程 消失模铸造（EPC）为美国1958年专利，1962年开始应用，又称实 型铸造和气化模铸造，其原理是用泡沫聚苯乙烯塑料模样（包括浇冒口 ）代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在灼热液态金属 的热作用下，泡沫塑料气化、燃烧而消失，金属液取代了原来泡沫塑料 模所占的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。 消失模铸造主要用于形状结构复杂，难以起模或活块和外型芯较多 的铸件。 与普通铸造相比，具有以下优点： 工序简单、生产周期短、效率高，铸件尺寸精度高(造型后不起 模、不分型，没有铸造斜度和活块)，精度达CT8级，可采用无粘结剂型 砂，增大了铸件设计的自由度
