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1、第一节 金属液态成形原理一 铸件的凝固 1、凝固：合金从液态转变为固态的过程。原子由无序排列有序排列。2、 铸件的温度场(梯度)及凝固区域:1)铸件的温度场(梯度):铸件横断面上(截面上)的温度分布曲线.2)铸件的凝固区域:铸件凝固过程中,其断面上一般分为三个区: 1固相区 2凝固区 3液相区 铸件的温度场及某瞬间的凝固区域铸件的温度场及某瞬间的凝固区域1 1）铸件温度场）铸件温度场2 2）铸件的凝固区域）铸件的凝固区域铸件横断面温度分布曲线铸件横断面温度分布曲线液相区液相区凝固区凝固区固相区固相区3) 中间凝固 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间.3、 凝固方式: 对凝固区影响较大的
2、是凝固区的宽窄,依此划分凝固方 式。1) 逐层凝固: 纯金属,共晶成分合金在凝固过程中没有凝固区,断面液, 固两相由一条界限清楚分开,随温度下降,固相层不断增 加,液相层不断减少,直达中心。 2) 糊状凝固 合金结晶温度范围很宽或温度梯度很小的铸件,在凝固 某段时间内,铸件表面不存在固体层,凝固区贯穿整个断 面,先糊状,后固化.铸件的温度梯度, 凝固区域及凝固方式（a）逐层凝固（b）中间凝固 铸件的凝固方式糊状凝固结晶温度范围很 宽的合金，从 铸件的表面至 心部都是固液 两相混存。温度表层中心固液铸件的凝固方式1)逐层凝固 纯金属和共晶成份的 合金，结晶温度是一 固定值。凝固过程由 表面向中心
3、逐步进行 。 合金结晶温度范围很 小，或铸件断面的凝 固区域很窄，也属于 逐层凝固方式。 有良好的充型能力和 补缩条件。温度表层中心固液铸件的凝固方式2)糊状凝固 结晶温度范围很宽 的合金，从铸件的 表面至心部都是固 液两相混存。 铸件断面上布满小 晶体，将金属液分 割开，致充型和补 缩能力变差。温度表层中心固液铸件的凝固方式3)中间凝固 大多数合金属 于这种方式。温度表层中心固液4、影响或决定铸件凝固方式的因素 1) 合金的结晶温度范围 范围小: 凝固区窄,愈倾向于逐层凝固 如: 砂型铸造,铸铁铸铁 ,低碳钢 逐层凝固, 高碳钢 糊状 凝固 2) 铸件断面的温度梯度或温度场分布变化 合金结晶
4、温度范围一定时,凝固区宽度取决于铸件内外 层的温度梯度. 温度梯度愈小,凝固区愈宽.(内外温差大,冷却快,凝固 区窄) 决定凝固方式的因素：决定凝固方式的因素：（1 1）结晶温度范围）结晶温度范围 （2 2）铸件断面温度场分布变化）铸件断面温度场分布变化二 液态合金的充型能力 充型: 液态合金填充铸型的过程. 充型能力: 液态合金充满铸型型腔,获得形状完整,轮 廓清晰的铸件的能力 若充型能力不足，易产生: 1）浇不足: 不能得到完整的零件. 2）冷隔:没有完整融合的缝隙或凹坑, 机械性能下降 . 一） 合金的流动性 合金流动性:是指熔融金属(液态金属)本身的流动能力 ，是金属本身的属性。 1
5、测定流动性的方法: 以螺旋形试件的长度来测定: 如 灰口铁:浇铸温度 1300， 试件长1800mm.铸钢: 1600，100mm出气口出气口浇口杯浇口杯2 影响流动性的因素主要是化学成分:1) 纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑, 对液流阻力小 ；2) 共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔 点低,过热度大；3) 非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初 生树枝状晶阻碍液流 。常用铸造合金中，铸铁的流动性最好，铸钢的流动性最差。 不同成分合金流动性不同成分合金流动性逐层凝固（好逐层凝固（好 ）糊状凝固（差糊状凝固（差 ）铁碳合金流动性与相图关系铁碳合金流动性与
6、相图关系碳钢碳钢铸铁铸铁 结晶温度范围越窄，流动性越好。结晶温度范围越窄，流动性越好。（过热度）（过热度）碳钢随着结晶温 度范围的增加而 流动性变差；亚 共晶铸铁随含碳 量的增加流动性 提高。n3 流动性对铸件质量影响 n1) 流动性好,易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸件. n2) 流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物和气 体上浮,排除. n3) 流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收缩进 行补缩. n因此，合金流动性好能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。二)浇注条件 1 浇注温度: t 合金粘度下降,过热度高. 合金在铸件中保持 流动的时间长, t 提高充型能力. 但
7、过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故 不宜过高 2 充型压力: 液态合金在流动方向上所受的压力 充型能力 如 砂形铸造-直浇道,静压力. 压力铸造,离心铸造等充型压力 高. 三) 铸型条件 1 铸型导热能力: 导热 金属降温快,充 如金属型 2 铸型温度: t 充 如金属型预热 3 铸型中气体: 排气能力 充 减少气体来源,提高透气性。 少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利 于充型.2 铸件复杂程度： 铸件结构复杂，流动阻力大，铸 型的充填就困难。四) 铸件结构条件1 折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或铸件模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好；折
8、算 厚度越小则越不易充满。在设计铸件结构时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。铸型结构: 若不合理,如铸型壁厚小, 直浇口低, 浇口小等 充.铸件的最小允许壁厚：三 铸件的收缩 1、合金的收缩 液态合金从浇注温度至凝固冷却到室温的过程中 ,体积和尺寸减少的现象-.是铸件许多缺陷(缩孔,缩 松,裂纹,变形,残余应力)产生的基本原因. 收缩的几个阶段 1) 液态收缩（T浇 T液） : 从金属液浇入铸型到开 始凝固之前. 液态收缩减少的体积与浇注温度至开始 凝固的温度的温差成正比. 2) 凝固收缩（T液 T固）: 从凝固开始到凝固完 毕. 同一类合金,凝固温度范围大者,凝固体积收缩率 大.如:
9、 35钢,体积收缩率3.0%, 45钢 4.3%。 3) 固态收缩（T固 T室） : 凝固以后到常温. 固 态体积收缩直观表现为铸件各方向线尺寸的缩小，影 响铸件尺寸精度及形状的准确性,故用线收缩率表示.影响收缩的因素 主要受化学成分影响: 铸铁中促进石墨形成的元素增 加,收缩减少. 如: 灰口铁 C, Si,收. 这是由于石墨比容大,体积膨胀,抵销部分凝固收缩. 所以常用合金中，铸钢收缩率最大，灰铸铁收缩率最 小（下页表格）。2、 铸件的收缩铸件的收缩要比合金的收缩复杂得多。不但和合金成 分及温度有关，还与铸型条件和铸件结构有关。铸件的收缩铸件的收缩合金成分和温度合金成分和温度铸型、型芯条件
10、铸型、型芯条件铸件结构铸件结构常用铸造合金的收缩率n铸造合金从浇注，凝固直到至冷却到室 温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象 ，称为收缩。收缩是铸件产生缩孔、缩 松、裂纹、变形的根源。 液态收缩 凝固收缩 固态收缩合金 种类含碳量 （%）浇注 温度液态 收缩凝固 收缩固态 收缩总收 缩（% ）铸造 碳钢0.3516101.637.812.46白口 铸铁3.0014002.44.25.46. 312 12.9灰口 铸铁3.5014003.50.13.34. 26.9 7.8铸件的收缩会受到铸型、型芯及本身结构的阻碍铸件的收缩会受到铸型、型芯及本身结构的阻碍 ，因此铸件的线收缩率小于合金的自由收缩率
11、。，因此铸件的线收缩率小于合金的自由收缩率。例如，某铸钢直杆件的收缩属自由收缩，其线收例如，某铸钢直杆件的收缩属自由收缩，其线收 缩率为缩率为2.4%; 2.4%; 若两端加横杆成为若两端加横杆成为字形，则其字形，则其 收缩受到约束，受阻线收缩率为收缩受到约束，受阻线收缩率为0.92%0.92%。铸件的固态收缩受到阻碍时还会产生铸造应力、铸件的固态收缩受到阻碍时还会产生铸造应力、 变形和裂纹等铸造缺陷。变形和裂纹等铸造缺陷。四 合金铸件的收缩缺陷及防止一）凝固收缩缺陷-缩孔和缩松及防止:1 . 缩孔及缩松的形成1)缩孔： 液体金属浇注到铸型中后，经过液态收缩和凝固收 缩，体积会缩减。若其收缩得
12、不到液体金属的及时补充，则在 铸件最后凝固部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔.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.假设下面圆柱体铸件是逐层凝固：圆柱体铸件中缩孔形成示意图缩孔形成示意图浇口2）缩松缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。形成原因 ：由于结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，先析出的枝晶把 液体分隔开，使其收缩难以得到补充所致。形成过程如下图 。缩松一般分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近 。宏观缩松（肉眼可见）多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松 （显微镜下可见）则是存在于在晶粒之间的微小孔洞。1 1）顺序凝固：）顺序凝
13、固：就是采取一定措施，使铸件按规定的方向从一 部分到另一部分逐渐凝固的过程。 冒口和冷铁的合理使用， 可造成铸件按次序凝固，有效地消除缩孔、缩松。冒口冒口 顺序凝固示意图顺序凝固示意图冒口 储存补缩用金属液的“水库”。冷铁 用来控制铸件凝固顺序的激冷物，加大某一部分得冷却速度。用 铸铁、钢或铜制成。冷铁冷铁热节热节 （缩孔部位）（缩孔部位）纵向温度分布曲线纵向温度分布曲线2. 2. 缩孔、缩松的防止措施：实现顺序凝固，用冒口补缩。缩孔、缩松的防止措施：实现顺序凝固，用冒口补缩。寻找热节的方法寻找热节的方法等温线法等温线法 内切圆法内切圆法顺序凝固特点: 开设冒口补缩。缺点：一是冒口浪费金属；
14、二是铸件内应力大，易于变形和开裂。主要用于凝固收缩 大，凝固温度范围较宽的合金或壁厚差别较大的合金铸件。 如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。冷铁冷铁同时凝固同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。整个铸件几乎同时凝固。纵向温度分布曲线纵向温度分布曲线2）同时凝固:采用厚壁处放置冷铁，薄壁处开浇口等 工艺措施使铸件各部分温度均匀，在同一时间内凝 固。同时凝固特点:不需冒口，节约金属且工艺简单；铸件均 匀冷却，减小热应力,不易形成内应力、变形和裂纹等缺 陷，但心部缩松有时难以避免,故用于收缩小的合金和各 种合金的薄壁铸件。如灰铸铁，锡青铜，铝硅合金等。（1）这是由于薄壁铸件的铸型冷却作用强
15、，薄壁断面温 度梯度大，倾向于逐层凝固。因此收缩小的灰铸铁可消除 缩孔，获得致密铸件；而收缩较大的薄壁铸钢、有色合金 铸件会出现轴线缩松，但其表层组织致密。 （2）锡青铜，铝硅合金等凝固温度范围较宽的合金，倾向于糊状凝固，用顺序凝固也难以消除缩松，采用 冷铁（或金属型铸造）及同时凝固原则，可保证其表层组织致密。1 1、铸造应力及减少措施、铸造应力及减少措施2 2、 铸件的变形铸件的变形及防止及防止3 3 、铸件的裂纹、铸件的裂纹及防止及防止1 1）热应力和机械应力热应力和机械应力2 2）减小铸造应力的措施减小铸造应力的措施1 1）热裂及防止）热裂及防止2 2）冷裂及防止）冷裂及防止二） 固态收
16、缩缺陷-铸造内应力及其引起的变形和裂纹及防止:凝固之后的继续冷却过程中,其固态收缩若受到阻碍 , 铸件内部就发生内应力,即铸造应力。内应力是铸件 产生变形和裂纹的基本原因。按阻碍收缩的原因分为： 1）热应力 2）机械应力1 1、铸造应力及减少措施：、铸造应力及减少措施：（塑弹性临界转变温度）受热应力的铸件受热应力的铸件 热应力分布规律：热应力分布规律：（1 1）厚壁及冷却慢的部位）厚壁及冷却慢的部位拉应力拉应力（2 2）薄壁及冷却快的部位）薄壁及冷却快的部位压应力压应力+ + + + t0t1: t1t2： t2t3：1）热应力：热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速 度不同，收缩不一致而引起的应力。 n塑性
