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1、第2章 铸造成形,返回,浙江科技学院,铸造：将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。,铸造的优点： 1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯； 2）工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产； 3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。,铸造的缺点：,铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的机器设备中铸件占很大比重。如表2-1所示。,第1节 液态成形理论基础,2.1.1 金属的凝固,1. 液态金属的结构与性质,2. 液态金属的凝固 液态金属由
2、液态转变为固态的过程，包括形核和长大两个过程。得到的凝固组织（铸态晶粒形态、大小、分布、缺陷等）取决于成分、冷却速度、形核条件等。,3. 铸件的凝固方式,在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图2-1。,1）逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图2-1a； 2）糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金的凝固，如图2-1c；,3）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式，如图2-1b所示。,铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金充型能力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。
3、而糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松。,4. 影响铸件凝固方式的因素,1）合金的结晶温度范围: 结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾向于逐层凝固，高碳钢、远共晶成分铸铁倾向于糊状凝固。,2）铸件的温度梯度：在合金的结晶温度范围已定时，若铸件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝固。如图2-2所示。,2.1.2 金属与合金的铸造性能,铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力；用充型能力、收缩性等来衡量。,决定合金流动性的主要因素有：,3）杂质和含气量。固态夹杂物使粘度增加，流动性下降；如灰铁中的MnS；含气量越少，流动性越好。,3. 铸型条件
4、,1）铸型的蓄热能力越强，充型能力越差； 2）铸型温度越高，充型能力越好； 3）铸型中的气体阻碍充型； 4）铸件结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型。,2.1.2.2 合金的收缩,1、收缩。合金从液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示：,体收缩率,线收缩率,合金的收缩过程可分为三个阶段：如图2-6所示。,1）液态收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。,2）凝固收缩。指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。,3）固态收缩。指合金从固相
5、线温度冷却到室温时的收缩。用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因 。,2. 影响收缩的因素,1）化学成分; 2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大; 3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻力。,收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,2.1.3 铸造性能对铸件质量的影响,2.1.3.1 缩孔和缩松,凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件力学性能
6、大大降低，以致成为废品。,缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，此区域也称热节。,（1）缩孔的形成 形成条件，金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。形成过程如图2-7所示：动画演示,1. 缩孔和缩松的形成,图2-7 缩孔形成过程示意图,（2）缩松的形成 其基本原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。形成过程如图2-8所示。动画演示 一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。,图2-8 缩松形成过程示意图,（3
7、）缩孔缩松的形成规律,1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁等），铸件越易形成缩孔。 2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。 3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。,2. 缩孔和缩松的防止,一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但其总容积基本一定，如图2-9所示。,图2-9铁碳合金成分与体积收缩率的关系,防止缩孔和缩松的基本原则是：采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。,（1）按照顺序凝固原则进行凝固 是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度
8、梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固， 如图2-10所示，使缩孔转移到冒口中。,（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺 内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定，慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，消除缩孔。,适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。动画演示,图2-10顺序凝固原则示意图,（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施 冒口，在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。 冷铁，用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度，调节凝固顺序。 补贴，在铸件壁上部靠近冒口处
9、增加一个楔型厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离。,2.1.3.2 铸造应力,铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可分为热应力和收缩应力； 热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。 机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由其引起的应力称机械应力（收缩应力）。,1.热应力,第一阶段，两者都塑性变形，无热应力； 第二阶段，一塑性，一弹性，仍无热应力； 第三阶段，两者均弹性变形，冷却慢的受拉，快的受压。残留热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。 动画演示,图2
10、-12 热应力的形成,由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形成过程，如图2-12所示，其热应力形成过程分三阶段。,2.收缩应力 由机械阻碍产生，一般都是拉应力，在形成应力的原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。如图2-13所示。,3.减小和消除铸造应力的措施 1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚均匀，壁之间连接均匀等。 2）尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。 3）采用同时凝固的工艺。如图2-14所示，各部分温差小，不易产生热应力。主要用于收缩较小
11、的普通灰铸铁、结晶范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜铸件等。,4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。 5）对铸件进行时效处理。自然时效、热时效（去应力退火）和共振时效。,2.1.3.3 铸件的变形与裂纹,1.铸件的变形 残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲变形。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度不够时，将产生如图所示的变形。再如图2-17所示的车床床身的变形。,防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法；同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力退火消除机械应力。,2.铸件的裂纹： 当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。可分为
12、热裂和冷裂。,1）热裂 在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则；裂纹短，缝隙宽。 产生原因：凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。分布在应力集中处或热节处。,防止热裂的措施：,2）冷裂 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶粒而发生，外形规则，常是圆滑曲线或直线。防止方法是尽量减少铸造应力。,思考题：,1.何谓合金的铸造性能？它可以用哪些性能来衡量？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？,2.试分析图2-18所示铸件：1）哪些是自由收
13、缩，哪些是受阻收缩？2）受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力？3）图示各点应力属于什么性质（拉应力、压应力）？,图2-18 铸件,砂型铸造是应用最广的铸造方法，约占总产量的80%以上，其基本工艺过程如下：,第2节 砂型铸造方法,零件图,铸造工艺图,模样图、芯盒图、铸型装配图,准备炉料,熔炼金属,浇注,化验,落砂、清理,检验,热处理,合格铸件,造型和制芯是砂型铸造最基本的工序，按照紧实型砂和起模的方法，可分为手工造型和机器造型两大类。,2.2.1 手工造型,1.手工造型 全部用手工或手动工具完成的造型。手工造型特点：操作灵活，工艺装备（模样、芯盒、砂箱）简单，生产准备时间短，适应性强，可用于各种大小
14、形状的铸件。缺点是对工人技术水平要求较高，生产率低，劳动强度大，铸件质量不稳定，用于单件、小批生产。,2.常用手工造型特点及应用,手工造型按模样特征可分为：整模造型，分模造型、活块造型、挖砂造型、假箱造型、刮板造型；按砂箱特征分：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型。具体特点及应用见表2-2 。,机器造型：用机器全部或至少完成紧砂操作的造型。生产效率高，劳动条件好，砂型质量好（紧实度高而均匀，型腔轮廓清晰，铸件质量也好。但设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长，适于中小铸件的成批或大量生产。,2.2.2 机器造型,1. 机器造型的紧砂方法,机器造型的紧砂方法主要有压实、振实、振压、抛砂四种基
15、本形式。,1）振压紧砂：以压缩空气为动力，工作原理如图2-19所示。,2）抛砂紧实：工作原理如图2-20所示。,2. 机器造型的起模方法,1）顶箱起模：如图2-21a所示。机构简单，但易漏砂，用于型腔简单、高度小的铸型，多用于上型，以省却翻箱。,2）漏模起模：如图2-21b所示。一般用于形状复杂或高度较大的铸型。,3）翻转起模：如图2-21c所示。机构较复杂，但不易掉砂，适用于型腔较深，形状复杂的铸型，常用于下型。,三、造型生产线,将造型机和其它辅机（翻转机、下芯机、合型机、压铁机、落砂机等）按照铸造工艺流程，用运输设备（铸型输送机或辊道）联系起来，组成一套机械化、自动化铸造生产系统，如图2-
16、22所示。,思考题：,1.手工造型常用哪几种造型方法，各适用于何种零件？,2. 机器造型有何优缺点，有哪几种紧砂方法和起模方法？,第3节 特种铸造方法,与普通砂型铸造不同的其他铸造方法统称为特种铸造，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、挤压铸造、实型铸造等。,2. 熔模铸造的特点和适用范围,熔模铸造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密铸件；主要用于汽轮机、燃汽轮机叶片、切削刀具、仪表元件、汽车、拖拉机及机床等零件的生产。,主要特点如下： 1）铸件的精度和表面质量高；尺寸公差IT11IT14， 12.5 1.6； 2）可制造形状较复杂的铸件； 3）适用于各种合金铸件，尤其是高熔点和难以加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。 4）工艺过程较复杂，生产周期长，使用费和消耗的材料费较贵，多用于小型零件。,2.3.2 金属型铸造,金属型铸造是在重力作用下将金属液体浇入金属铸型以获得铸件的方法。铸型用金属制成，可反复使用，故又称永久型铸造
