材料成形技术基础第二章.

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1、第二章 液态材料铸造 成形技术过程 v铸造概述 熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇 入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的 成形方法称为液态成形。简称铸造。液态成 形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要 方法之一。 铸造 砂型铸造基本工艺过程 制作模样 配制型砂 制作芯盒 制作芯砂 砂型铸型 凝固、落砂、清理、检验 铸件 型芯 烘干 造型 下 芯 浇 注 液态金属选配炉料 熔炼 造芯 v其主要工序如图2-1所示： v表2-1 各类机械工业中铸件质量比 机械类别类别比率/ 机床、内燃机、重型机器 风风机、压缩压缩 机 拖拉机 农业农业 机械 汽车车 7090 6080 5070 4070 203

2、0 v目前铸造成形技术的方法种类繁多。按生产 方法分类，可分为砂型铸造和特种铸造。按 合金分类可分为铸铁、铸钢、铝合金、铜合 金、镁合金、钛合金铸造等。 v近年来，从制造系统工程的角度出发，铸造 技术与自动化、计算机、新能源、新材料等 高新技术相结合，以达到净形或近似净形成 形为目标，以精化、强化毛坯件为核心，兼 顾高效、节能节材，少无污染的综合效果， 正逐步摆脱传统模式而形成精密成形技术。 v在铸型材料方面，推广了快速硬化的水 玻璃砂及其各类自硬砂，成功地用树脂 砂快速制造高强度砂型和砂芯。在铸造 合金方面，发展了高强度、高韧度的球 墨铸铁和各类合金铸铁，成功地用球墨 铸铁件代替某些锻钢件。

3、 v在铸造设备方面，已建立起先进的机械 化、自动化高压造型生产线。在新技术 方面，各种各样特种铸造或精密铸造方 法得到发展和应用。所有这些都提高了 铸件的品质、节能节材生产效率不断 提高，生产成本不断降低，劳动条件不 断改善，增强了企业的竞争力。 一、金属及合金的铸造成形技术过程 特征及理论基础 （一）铸造特点及合金铸造性能 v1、基本概念 v熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸 型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形 方法称为液态成形。简称铸造。液态成形是 机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法 之一。 v2、主要特点： v（1）成形方便，工艺灵活性大 v（2）成本低廉，设备简单、周期短

4、v（3）砂型铸件的力学性能较差，质量不够稳 定 v（4）砂型铸造成形生产劳动强度大，生产条 件差 v3、合金的铸造性能 v铸造合金除应具备符合要求的力学性能和必 要的物理、化学性能外，还必须有良好的铸 造性能。合金的铸造性能主要是指合金的充 型能力与合金的收缩等。铸造的缺陷,如浇不 足、缩孔、缩松、铸造应力、变形、裂纹等 都与合金的铸造性能有关。 v铸造缺陷照片 v （二）液态金属的充型能力 v1、液态合金的充型能力 v液态合金填充铸型的过程,简称充型。 v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,称合金的充填铸型能力，简称 合金的充型能力。 v表2-2 不同金属和不同铸造方法

5、铸造的铸件 最小壁厚mm 铸铸造方法 金属种类类 砂型金属型熔模壳型压铸压铸 灰铸铁铸铁 340.40.80.81.5 铸钢铸钢 48100.512.5 铝铝合金 3340.60.8 v充型能力强的液态金属，易于充满薄而 复杂的型腔，有利于金属液中气体、杂 质的上浮并排除，有利于对铸件凝固时 的收缩进行补缩。液态金属的充型能力 弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、 夹杂、缩孔、热裂等缺陷。 v液态金属的充型能力主要取决于金属自 身的流动能力，还受外部条件，如铸型 性质、浇注条件、铸件结构等因素的影 响，是各种因素的综合反映。 v2、影响合金充型能力的主要因素 v（1）流动性：流动性指熔融金属的流

6、 动能力,它是影响充型能力的主要因素之 一。液态金属流动性用浇注流动性试样 的方法来衡量。在生产和科学研究中应 用最多的是螺旋形试样，如图2-2所示。 v将金属液浇入螺旋形试样铸型中，显然 ，在相同的铸型及条件下浇出的螺旋 形试样越长，表示该金属的流动性越好 。 v 表2-3 一些合金的流动性（螺旋形试样 ，沟槽截面8mm8mm） 合金铸型 浇注温度 / 螺旋线长 度/mm 铸铁 ：w(C+Si)=6.2% w(C+Si)=5.9% w(C+Si)=5.2% w(C+Si)=4.2% 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 铸钢 ：w(C)=0.4%

7、砂型 1600 1640 100 200 铝硅合金 金属型 (300) 680720700800 镁合金（Mg-Al-Zn）砂型 700 400600 锡青铜：w(Sn)=9%11% w(Zn)=2%4% 硅黄铜：w(Si)=1.5% 4.5% 砂型 1040 1100 420 1000 v金属的流动性与金属的成分、温度、杂 质含量及其物理性质有关，其中化学成 分的影响最为显著，图2-3为铁碳合金流 动性与状态图的关系。 v由图可见，纯金属和共晶成分的合金， 由于是在恒温下进行结晶，固液界面比 较光滑，对液态合金的阻力较小，其流 动性最好；其它成分的合金是在一定温 度范围内结晶的，初生树枝晶与

8、液相两 相共存，粗糙的固液界面使合金的流动 阻力加大，合金的流动性大大下降，合 金的结晶温度区间越宽，流动性越差。 v（2）浇注条件：指的是浇注温度与充型的压 力。浇注温度对液态金属的充型能力有决定 性的影响，浇注温度越高，充型能力越好。 在一定温度范围内，充型能力随浇注温度的 提高而直线上升，超过某界限后，由于吸气 ，氧化严重，充型能力的提高幅度减小。 v v液态金属在流动方向上所受压力(充型压头)越 大，则流动速度越快，充型能力就越好。但 金属液的静压头过大或充型速度过高时，不 仅发生喷射和飞溅现象，使金属氧化和产生“ 铁豆”缺陷，而且型腔中气体来不及排出，反 压力增加，造成“浇不足”或“

9、冷隔”缺陷。 v 浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，液 态金属充型能力越低。 v（3）铸型性质：铸型的阻力影响金属液的充 型速度，铸型与金属的热交换强度影响金属 液保持流动的时间。所以铸型的蓄热系数b( 表示铸型从其中的金属液吸取并储存在本身 中热量的能力)愈大，铸型的激冷能力就愈强 ，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充 型能力下降。 v如液态金属在金属铸型中的流动性比在砂铸 型中差；铸型的温度较高，就能减少金属液 与铸型的温差，从而提高金属液的充型能力 ，如在金属型中浇注铝合金铸件，将铸型温 度由340提高到520，在相同的浇注温度 (760)下，螺旋线长度则由525mm增加到 950mm

10、。熔融合金充型时，铸型的阻铸型对 合金的冷却作用 都将影响合金的充型能力。 v（4）铸件结构：铸件结构复杂，厚薄部分过 渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，充 型能力弱。 v 衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度 R(R铸件体积/铸件散热表面积VS)和复 杂程度，它们决定着铸型型腔的结构特点。 v 如果铸件体积相同，在同样的浇注条件下， R大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较 小，热量散失比较缓慢则充型能力较高。 铸件的壁越薄，R越小则充型能力较弱。 v 铸件结构复杂，厚薄部分过渡面多，则型 腔结构复杂，流动阻力大，充型能力弱。 v 铸件壁厚相同时，铸型中的垂直壁比水平 壁更容易充满。 v（三

11、）铸件的凝固 v铸型中的合金从液态转变为固态的过程，称 为铸件的凝固，或称为结晶。 v金属的凝固，一般均是在常温、常压(重力)情 况下进行的，(压铸等技术除外)。金属凝固时 应满足的热力学条件是：只有当体系所处的 温度低于熔点温度(液相线温度)Tm时，才能 发生凝固现象。液固两相自由能差(G GlGs0。)是凝固过程继续进行的驱动力 。 v v金属的凝固包括晶核的形成及晶体的长大两 过程。当液态金属冷却到熔点温度以下时， 就不断从液相中产生固相的核心(晶核)，接下 来这些核心逐渐长大，同时在剩余的液相中 继续出现新的核心并长大，直至液相消耗完 毕。结晶终了。整个凝固结晶过程也就是形 核和长大过

12、程交替、交迭进行的过程。 v铸件在凝固过程中除纯金属和共晶成分合金 外，断面上一般都存在三个区域，即固相区 、凝固区（固液两相区）和液相区。凝固区 的大小对铸件品质影响较大，按照凝固区的 宽窄，铸件的凝固方式可分为逐层凝固、体 积凝固（糊状凝固）和中间凝固三种方式， 如图2-4所示。 图2-4 合金的凝固方式 （a）逐层凝固 b)中间凝固c)糊状凝固 1-凝固层 2-液相 3-铸件中心 4-固-液相区 v1）逐层凝固 v纯金属和共晶合金在恒温下结晶，凝 固过程中铸件截面上的凝固区域的宽度 为零，铸件截面上固液两相界面分明， 随着温度的下降，固相区不断增大，逐 渐到达铸件的中心，如图2-4a）所

13、示。 v2）体积凝固 v当合金的结晶温度范围很宽，或因铸 件截面温度梯度很小，铸件凝固时，其 液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整 个铸件截面，如图2-4c）所示。 v3）中间凝固 v金属结晶温度范围很窄，或结晶温度 范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸 件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固 与体积凝固之间，如图2-4b）所示。 （四）铸件的收缩 v1、收缩的基本概念 v铸件在凝固和冷却过程中，其体积减少 的现象称为收缩。收缩可分为液态收缩 、凝固收缩和固态收缩，液态收缩和凝 固收缩表现为合金的体积缩小，通常以 体积收缩率表示，它们是铸件产生缩孔 、缩松缺陷的基本原因。 v金属从高温T0冷却到T1时

14、，其体(线)收缩率以 单位体积(长度)的相对变化量来表示。 v即： 体收缩率 线收缩率 式中 V0、V1金属在T0和T1时时的体积积 ； l0、l1金属在T0和T1时时的长长度； 、 金属在T0-T1温度范围围内的体收缩缩系数和线线收缩缩系数(1)。 v合金的固态收缩，尽管也是体积变化,但 它只引起铸件各部分尺寸的变化。因此 ，通常用线收缩率来表示。固态收缩是 铸件产生内应力、裂纹和变形等缺陷的 主要原因。 v2）收缩的三个基本阶段 金属由浇注温度冷 却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态 收缩三个相互关联的收缩阶段，如图2-5所示 。 v（1）液态收缩阶段() 金属从浇注温度T浇 冷却到液相

15、线温度T液过程中完全处于液态收 缩。由公式(2-1)可看出，T浇愈高，过热度(T 浇T液)愈大以及收缩系数较大，使液态收 缩率增大。金属体积收缩表现为型腔内液面 的降低。 v（2）凝固收缩阶段() 金属自液相线温度 (T液)冷却到固相线温度(T固)之间(包括状态 的改变)凝固阶段的收缩。对于在一定温度下 结晶的纯金属和共晶成分的合金，凝固收缩 只由状态改变引起。具有结晶温度范围的合 金，凝固收缩由状态改变和温度下降两部分 产生，且随结晶温度间隔(T液T液)的增大 而增大。 v液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松 的基本原因。 v（3）固态收缩阶段 金属自T液冷却至室温 的收缩。通常表现为铸件

16、外形尺寸的减少， 故一般用线收缩率表示。它对铸件的形状和 尺寸精度影响很大，也是铸件产生应力、变 形和裂纹等缺陷的基本原因。 v金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和 。它和金属自身的成分、温度和相变有关。 v2、铸件的实际收缩 v金属自身的成分、温度和相变会影响铸 件的收缩，实际上，它还会受到一些外 界阻力的影响： v（1）铸型表面的摩擦阻力 v铸件收缩时，其表面与铸型表面之间的 摩擦与铸件品质，铸型表面的平滑程度 有关。如碳钢铸件在粘土砂型中，这种 阻力使收缩率平均减少03。铸型表 面有涂料或覆料时，摩擦阻力可以忽略 。 v（2）热阻力 v铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力 。 v（3）机械阻力 v铸件收缩时，受到铸型和型芯的阻力。 铸件在铸型中的收缩仅受到金属表面与 铸型表面之间的摩擦阻力时，为自由收 缩。如果铸件在铸型中的收缩受到其他 阻碍，则为受阻收缩。 v3、铸件的缩孔与缩松的形成与防止 液态金属在凝固过程中，由于液态