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1、第二章 液态金属铸造成形,2.1 液态金属铸造成形的基本原理 2.2 砂型铸造的方法及设备 2.3 铸造成形工艺设计 2.4 铸造成形的新技术 2.5 工程实例CA6140车床进给箱体的生产,2.1 液态金属铸造成形的基本原理,1 铸造工艺特点、分类及应用 2 合金的铸造性能 3 铸件的凝固 4 铸件的收缩 5 铸造应力、变形和裂纹 6 铸件缺陷分析及铸件质量控制,1 铸造工艺特点、分类及应用,1.铸造工艺特点2. 铸造工艺方法的分类3. 铸造工艺方法的应用,铸造工艺特点,铸造（casting） :把熔炼好的液态金属（或合金）浇注到具有与零件形状相当的铸型空腔中，待其冷却凝固后，获得零件或毛坯
2、的一种金属成形方法.,图2-1 铸造成形及铸件,铸造工艺特点,铸造工艺特点 : 1 用铸造方法可以生产各种形状复杂的毛坯 2 铸造的适用性很广 3 铸造所用的原材料来源广泛 4 铸件的形状和尺寸可以与零件很接近。 5 铸造工艺灵活，生产率高。,铸造工艺方法的分类,1 砂型铸造（sand casting）2 特种铸造,砂型铸造（sand casting）,砂型铸造（sand casting）:是用型砂和芯砂作为造型和制芯的材料，利用重力作用使液态金属充填铸型型腔的一种工艺方法,图2-2 砂型铸造的工艺过程,砂型铸造（sand casting）,特种铸造,特种铸造:在造型材料、造型方法、金属液充型
3、型式和金属在型中的凝固条件等方面与普通砂型铸造有显著差别的铸造方法。,特种铸造,铸造工艺方法的应用,铸造由于可选用多种多样成分、性能的铸造金，加之基本建设投资少，工艺灵活性大和生产周期短等优点，因而广泛地应用在机械制造、矿山冶金、交通运输、石化通用设备、农业机械、能源动力、轻工纺织、土建工程、电力电子、航天航空、国防军工等国民经济各部门，是现代大机械工业的基础。,2 合金的铸造性能,合金的铸造性能:合金在铸造成形过程中所表现 出来的工艺性能称为。合金的铸造性能主要指合金的流动性、收缩率、氧化性和吸气性等。我们主要学习：1. 合金的充型能力和流动性2. 影响充型能力和流动性的因素,合金的充型能力
4、和流动性,液态合金的充型能力：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合金的充型能力主要取决于合金本身的流动能力，同时又受外界条件，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。,合金的充型能力和流动性,流动性（fluidity）:液态合金（金属）在一定温度下本身的流动能力，与合金的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关 。衡量合金流动性好坏通常是用螺旋试样来测定的。流动性好的铸件：有利于获得薄壁和形状复杂的铸件；有利于液态合金中杂质和气体的上浮与排；有利于合金凝固收缩时补缩；铸件不容易产生浇不到、冷隔、夹渣、气孔、缩孔和裂纹等铸造缺陷。,螺旋型试样,在相同的
5、浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！,影响充型能力和流动性的因素,1 合金性质方面2 浇注条件方面3 铸型性质方面,合金性质方面,因素主要有合金的化学成分、结晶潜热、比热、密度、导热系数、液态合金的粘度、表面张力等，它们是内因，决定了合金本身的流动能力流动性，但以合金成分的影响最为显著。,图2-4 Pb-Sn合金的流动性与凝固范围的关系,浇注条件方面,1）浇注温度 2）充型压头 3）浇注系统的结构,铸型性质方面,1 铸型的蓄热系数 2 铸型的温度 3 铸型中的气体,3 铸件的凝固,凝固（solidification）：液态合金浇入铸型以后
6、，由于铸型的冷却作用，液态合金的温度就逐渐下降。当其温度降低到液相线至固相线温度范围之内，合金就要发生从液态转变为固态的过程。也称为一次结晶。,铸件的凝固,1 凝固动态曲线2 铸件的凝固方式及其影响因素3 合金的凝固方式与铸件质量的关系,凝固动态曲线,图2-5 铸件凝固动态曲线的绘制,铸件的凝固方式及其影响因素铸件的凝固方式及其影响因素 a)逐层凝固：不存在液、固并存的凝固区，流动的阻力小，故流动性好。 b)体积凝固：液、固并存的凝固区贯穿整个断面，故流动性差。 c)中间凝固：有固体层、液相区及凝固区共存，凝固温度范围较窄，故流动性较好。,a),b),C),1,2,3,4,1. 固体层 2.液
7、相区 3.铸件中心 4.固-液相区,铸件的凝固方式及其影响因素,图2-6 铸件的凝固方式,合金的凝固方式与铸件质量的关系,1 窄结晶温度范围的合金 2 宽结晶温度范围的合金3 中等结晶温度范围的合金,窄结晶温度范围的合金,窄结晶温度范围的合金 :包括纯金属、共晶成分合金和其他窄结晶温度范围的合金,宽结晶温度范围的合金,中等结晶温度范围的合金,中等结晶温度范围的合金:在工业上常用的有中碳钢、高锰钢，一部分特种黄铜和白口铁等。,高锰钢,黄铜,白口铁,4 铸件的收缩,铸件在液态、凝固态和固态的冷却过程中所发生的体积或尺寸减小现象，称为收缩。收缩时铸件的许多缺陷，如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂产
8、生的基本原因。因此，它又是决定铸件质量的重要铸造性能之一。,4 铸件的收缩,1. 收缩及其影响因素2. 缩孔的形成及防止,收缩及其影响因素,1 收缩2 影响因素,收缩及其影响因素,收缩（shrinkage）合金从液态冷凝到室温，其体积的改变量称为体收缩；其线尺寸的改变量称为线收缩。在实际生产中，通常以其相对收缩量表示合金的收缩特性。相对收缩量又称为收缩率。单位体积的相对收缩量称之为体积收缩率；单位长度的相对收缩量称之为线收缩率。,收缩,图2-7 铸造金属和合金的收缩过程示意图,图2-7 铸造金属和合金的收缩过程示意图,收缩,金属收缩的阶段 （1）液态收缩：主要表现为合金液面的下降。（2）凝固收
9、缩：发生体积收缩。凝固温度范围愈大，凝固收缩愈大。（3）固态收缩：发生体积收缩。主要表现为尺寸减小。,收缩,合金种类不同，其收缩率是不同的。在常用的铸造合金中，铸钢件收缩最大，灰口铸铁为最小。,影响因素,影响收缩因素： （1）合金的化学成分 （2）浇注温度 （3）铸型条件,(a) 自由收缩的结构 (b) 受阻收缩的结构 图2-8 铸件结构与受阻收缩,缩孔的形成及防止,1 缩孔和缩松的形成2 缩孔和缩松的防止,缩孔和缩松的形成,定义：铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现孔洞，称为缩孔（shrinkage cavities）。容积大而集中的孔洞，称集中缩孔，
10、或简称缩孔；细小而分散的孔洞称为分散性缩孔，简称为缩松（porosity）。,缩孔和缩松的形成,缩孔形成机理：逐层凝固方式下最后凝固部位得不到补充而形成的空隙。缩松形成机理：树枝状晶体所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。缩松是分散在铸件最后凝固部位的细小缩孔。,缩孔和缩松的形成,缩孔形成动画过程,缩孔与缩松的形成过程,缩孔和缩松形成动画,缩孔和缩松的防止,防止铸件中产生缩孔和缩松的基本原则是针对该合金的收缩和凝固特点制定正确的铸造工艺，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，尽可能使缩松转化为缩孔，并使缩孔出现在铸件最后凝固的部位。,缩孔和缩松的防止,防止的原则： 定向凝固原则,图2-11
11、 定向凝固,图2-12 冷铁的应用,缩孔和缩松的防止,同时凝固原则：,图2-13 同时凝固方式示意图,5 铸造应力、变形和裂纹,铸件凝固以后在冷却过程中，将继续收缩。此时，如果这种变化受到阻碍，就会在铸件内产生应力，称为铸造应力。这种铸造应力可能是拉应力，也可能是压应力。铸造应力可能是暂时的，当产生这种应力的原因被消除以后，应力就自行消失。这种应力称做临时应力。如果原因消除以后，应力依然存在，这种应力就称做残余应力（residual stress）。,5 铸造应力、变形和裂纹,1 铸造应力的形成及防止2 铸件的变形（deformation）与防止3 铸件的裂纹与防止,铸造应力的形成及防止,铸造
12、应力的类型（按原因分） 1 热应力2 相变应力3 机械阻碍应力。,热应力,热应力铸件在冷却过程中，由于铸件各部分冷却速度不同，便会造成同一时刻各部分收缩量不同，因此在铸件内彼此相互制约的结果便产生应力。这种由于受阻碍而产生的应力称为热应力。,热应力,图2-14 热应力的形成,热应力,热应力的形成过程,相变应力,铸件在冷却过程中往往产生固态相变。相变时相变产物往往具有不同的比容。,机械阻碍应力,铸件中的机械阻碍应力是由于合金在冷却过程中，因收缩受到机械阻碍而产生的。机械阻碍的来源大致有以下几个方面：1 铸型和型芯高温强度高，退让性差。2 砂箱箱带或芯骨形状，尺寸不当。3 浇、冒口系统或铸件上的突
13、出部分形成阻碍。4 铸件上的拉筋和产生的披缝形成阻碍。,图2-15 机械应力,铸件的变形（deformation）与防止,变形原因：当残余应力是以热应力为主时，铸件中冷却较慢的部分有残余拉应力，铸件中冷却较快的部分有残余压应力。处于应力状态（不稳定状态）的铸件，能自发地进行变形以减少内应力，以便趋于稳定状态。铸件变形的结果将导致铸件产生挠曲。,铸件的变形（deformation）与防止,图2-16 铸件厚薄部位不同对变形的影响,图2-17 平板铸件的变形,图2-18 机床床身变形示意图,铸件的变形（deformation）与防止,铸件变形的防止：1 应尽可能使所设计的铸件壁厚均匀或使其形状对称
14、。在铸造工艺上应采用同时凝固原则。有时，对于长而易变形的铸件，可采用“反变形”工艺。2 对于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处理。,铸件的裂纹与防止,当铸造应力超过合金的强度极限时，便将产生裂纹（crack）。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。根据裂纹发生的温度不同，可分成热裂和冷裂两种。,铸件的裂纹与防止,热裂纹：短而宽，曲折，呈氧化色. 冷裂纹：细小，连续直线状，呈轻微氧化色,图2-21 ZG35CrMn齿轮毛坯的冷裂,铸件的裂纹与防止,防止热裂与冷裂共有的措施： 1 可适当调整合金的化学成分，缩小凝固温度范围，减少凝固期间的收缩量或选择抗裂性较好的接近共晶成分。 2 减少合金中有害
15、元素的含量， 3 提高铸型、型芯的退让性；合理布置芯骨和箱带；浇注系统和冒口不得阻碍铸件的收缩 设计铸件时应注意，壁厚应尽量均匀，厚壁搭接处应做出过渡壁，直角相接处应作出圆角等。,铸件的裂纹与防止,防止冷裂独有的措施： 适当延长铸件在砂型中的停留时间，降低热应力；铸件凝固后及早卸压箱铁，松开砂箱紧固装置，减少机械阻碍应力，也是防止铸件冷裂的重要措施。,6 铸件缺陷分析及铸件质量控制,1 铸件缺陷（casting defects）分类2 铸件缺陷分析3. 铸件的质量控制,铸件缺陷（casting defects）分类,铸件缺陷分析,铸件缺陷分析,铸件的质量控制,应从如下几方面来控制铸件质量 ： 1 合理选定铸造合金和铸件结构 2 合理制定铸件的技术要求 3 模样质量检验 4 铸件质量检验 常用的质量检验方法： 外观检查（简称VT）、 无损检测（简称NDI） 化学成分检验 、 金相组织检验 、 力学性能检验,
