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1、第一章 铸造成形工艺理论基础,第一节 铸造成形工艺的特点和分类,定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting，是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。,注意2个过程：（1）充填型腔（2）凝固冷却,手工造型的两箱造型图解,型芯Core,上箱flask,下箱,分型面P/L,型腔Cavatity,浇注系统gating system,排气孔,一、铸造工艺特点,（1）适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m ，质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。 （2）可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有
2、复杂内腔的毛坯或零件。 （3）成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；在金属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上，而生产成本仅占15-30% （4）存在不足。如组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等组织缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低，质量不稳定。（发展了铸锻联合工艺）因此，铸件多数做为毛坯用。,污染环境，工作环境较差。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。（特种铸造工艺）,二、铸件成形工艺分类 按照形成铸件的铸型可分为： 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸
3、造、磁型铸造等。按充型条件的不同可分为： 重力铸造、压力铸造、离心铸造等。 传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为“特种铸造”。 砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的90以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图1所示。,工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注,落砂shakeout 清理cleaning 铸件检验入库,砂型sand mould铸造工艺流程图,合型浇注凝固冷却,砂型铸造造型生产线动画,铸件的质量(品质)：直接影响到机械产品的质量(品质)。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、新产品的开发的重要保证，是机械工业调整产品结构、提高生
4、产质量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关键之一。 我国铸造现状：铸造是材料成形工艺发展历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年历史了，2009我国铸件年产量已超过3530万t。 由于历史原因，长期以来，我国的铸造生产处于较落后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比，我国的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上，而是集中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较见表1。,表1 国内外铸造生产技术水平的比较,与工业发达国家相比，我国大型铸钢件生产在产品品种、工艺水平、质量等级以及制造装备等整体水平方面均存在着较大差距。在大型核电设备中。主泵、核电汽轮机缸体等大型铸钢件多采用不锈钢材料，其质
5、量要求极高，我国尚未掌握自主生产技术，基本全部依赖进口。主要差距表现为: 我国企业没有掌握这类大型不锈钢铸件整体铸造工艺及技术; 对材料冶炼中化学成分控制，特别是有害微量元素控制以及钢的纯度控制水平不高; 在材料力学性能控制及铸件质量的稳定性控制等方面均存在差距。,大型水电机组中铸钢件转轮的上冠、下环和叶片。与国外差距主要表现在: 产品设计水平不高; 制造技术水平低，如在铸造技术、热处理技术等方面存在较大差距; 铸件产品质量稳定性不高，尺寸检验、质量检测技术水平低。我国大型铸件行业在劳动生产率、热加工产值产量和质量成本等综合指标、能力比先进国家落后约510年。,第二节 合金的铸造性能,合金的铸
6、造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确、结构完整的铸件的能力。 主要包括合金的流动性、收缩性、吸气性及其成分偏析倾向性等性能。 一、合金的充型液态合金填充铸型的过程简称充型；液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件的能力，简称充型能力。,在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。 影响充型能力的因素有：合金的流动性、合金的收缩性、合金的吸气性以及铸型性质、浇注条
7、件及铸件结构等因素的影响。,1 . 流动性定义：flowability, 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力(CSS, configuration, shape and size)。,流动性通义是流体的流动能力，但不同学科对流动性有不同的定义，这里是材料成形学的定义。它的定义说流动性是这样的一种能力，这种能力体现在2个方面： （1）充满型腔； （2）形成符合要求的优质铸件。,这个定义突出地表明了流动性对金属液态成型工艺的重要性。如果流动性不好，就不能充满型腔，就不能形成符合要求的优质铸件。也说明不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须
8、考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？,图1-1 螺旋型试样,螺旋形流动性试样,在相同的浇注工艺条件下，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！,液态金属本身的流动能力。 流动性充型能力易薄壁复杂铸件气孔、夹渣、缩孔,灰铸铁、硅黄铜的流动性较好； 铸钢较差； 铝合金居中。 不同成分合金的结晶特性示意图见图1-2,图1-2 不同成分合金的结晶特性,铸件凝固过程中铸件断面上存在的三个区域： 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1-2。,液态金属的凝固,铸件的凝固方式,1. 逐层凝固
9、纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图1-2a；,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。,液,图2-1,a,c,b,（2）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄 。,T1,T2,（1）合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。,影响铸件凝固方式的主要因素 ：,二、合金的收缩性（constriction ）1. 合金的收缩合金在浇注、凝固直至冷却到
10、室温的过程中体积或尺寸缩减的现象称为收缩。合金的收缩（控制不好）缩孔、缩松、变形、裂纹。合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段：要经历液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。,液态收缩液、凝固收缩凝、固态收缩固,液态收缩液凝固收缩凝固态收缩固,液态收缩液 从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（即液相线温度T液）间的收缩。T浇 T液 Liquid shrinkage 凝固收缩凝 从凝固开始温度（ T凝）到凝固终止温度（即固相线温度T固）间的收缩。 T凝 T固 Solidification shrinkage 固态收缩固 从凝固终止温度（ T固）到室温T室温间的收缩。T固 T室
11、温Solid shrinkage,3. 铸件中的缩孔shrinkage cavity与缩松 铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。 影响：铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品。 缩孔与缩松的形成 由液、凝 体积（得不到补充）最后凝固部分产生孔洞形成集中孔洞（缩孔）、细小分散的孔洞（缩松）。 缩孔的形成（见图1-5）：假定合金在恒温下凝固或凝固温度范围很窄。,图1-5 铸件缩孔形成过程示意图,缩孔形成过程图解,树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方,缩松分
12、为宏观缩松和显微缩松：宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到；显微缩松用显微镜才能观察到。,图1-6 铸件缩松的形成过程,缩松的形成（见图1-6）：假定合金在恒温下凝固或凝固温度范围较宽,缩松形成机理：树枝状晶体 dendritic crystal 所分隔的晶间液体区得不到补缩形成的小孔隙。,定向凝固directional freezing：是通过安放冒口和冷铁等工艺措施，实现人为的顺序凝固。,冒口riser：铸型中特设的空腔，用于储备多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体不足。冷铁Chill：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。,缩孔和缩松的防止 缩孔的防止 防止产生缩孔的有效措施： 定向凝固,
13、定向凝固directional freezing图解,浇注系统 Pouring system,型腔mould cavity,冒口 Riser,温度,距离,1,2,3,缩孔shrinkage cavity,定向凝固动画,冷铁的使用图解,1,2,3,冷铁Chill,Chills are metallic objects, which are placed in the mould to increase the cooling rate of castings to provide uniform or desired cooling rate.,在生产中，通常采用“定向凝同原则”，使铸件在凝固过程中建立良好的补缩条件，并设法使分散的缩松转化为集中的缩孔，再使集中的缩孔转移到冒口中，最后将冒口割去，即可获得健全的铸件。通过没置冒口和冷铁，使铸件从远离冒口的地方开始凝回并逐渐向冒口推进，冒口最后凝固亦即使铸件进行定向（顺序）凝固。在铸件凝固过程中，冒口始终保持液态并对铸件的液态收缩和凝固收缩进行补充，合金的液态收缩和凝固收缩转移到冒口中，最终获得健全的铸件。见图1-7。,防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。,
