工程材料及加工+铸造

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1、第二篇 铸 造,将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，称为铸造。 铸造是历史最为悠久的金属成型方法，现在仍是毛坯生产的主要方法。 在机械制造中所占比例很大。在机床、内燃机中，铸件占总重量的70%-90%；拖拉机占50%-70%；农业机械占40%-70%。,铸造生产的优越性：,可制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体、气缸体等。 适应范围广。各种常用的金属材料都可铸造，铸件大小几乎不限，从几克到数百吨；壁厚可由1mm到1m。铸件的批量不限，从单件、小批，直到大批。 可利用废钢铁和切屑，设备费用低， 铸件加工余量小，节约金属，制造

2、成本低。,常用的铸造方法,砂型铸造 占铸件总产量的90%； 特种铸造：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。,第一章 铸造工艺基础,铸造生产过程复杂，影响铸件质量的因素很多，废品率一般较高。 影响铸件质量的因素不仅与铸型工艺有关，还与铸型材料、铸造合金、熔炼、浇注等有关。 下面先讨论合金的铸造性能与铸件缺陷的形成和防止，为合理选择铸造合金和铸造方法打下基础。,第一节 液态合金的充型,液态合金填充铸型的过程，简称充型。 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，称为液态合金的充型能力。 在液态合金的充型过程中，有时伴随着结晶现象，若充型能力不足，在型腔被填满之前，形成的晶粒将

3、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。 影响充型能力的主要因素如下。,一、合金的流动性,液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性，使合金主要铸造性能之一。 合金的流动性愈好，充型能力愈强，愈便于浇注出轮廓清晰，薄而复杂的铸件。 同时，有利于非金属夹杂物和气体上浮与排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。,液态合金的流动性通常 以螺旋试样的长度来衡量,影响液态合金的流动性通常以化学成分的最为显著。主要是结晶温度范围。 纯金属和共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，流动性最好。 合金成分愈远离共晶点，结晶温度范围愈宽，流动性愈差。 亚共晶铸铁随含碳量的增加，

4、结晶温度范围减小，流动性提高。,二、浇注条件,1.浇注温度 浇注温度愈高，合金的粘度下降，且因过热度高，合金在铸型中保持流动的时间长，故充型能力强；反之，充型能力差。 薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防浇不足和冷隔缺陷。 但浇注温度过高，铸件容易产生缩孔，缩松、粘沙、气孔、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度不宜过高。,2. 充型压力,液态合金所受的压力愈大，充型能力愈好。 因此，有压力铸造，低压铸造和离心铸造工艺方法，因充型压力较砂型铸造提高甚多，所以充型能力较强。,三、 铸型填充条件,液态合金填充时，铸型阻力将影响合金的流动速度，而铸型与合金间的热交换又将影响

5、合金保持流动的时间。 因此，如下因素对充型能力均有显著影响 。,1. 铸型材料,铸型材料的导热系数和比热容愈大，对液态合金的激冷能力愈强，合金的充型能力就愈差。 如金属型铸造较砂型铸造容易产生浇不足和冷隔缺陷。,2. 铸型温度,金属型铸造、 压力铸造和熔模铸造时，铸型被预热到数百度，由于减缓了金属液的冷却速度，故使充型能力得到提高。,3. 铸型中的气体,在金属液的热作用下，铸型（尤其是砂型）将产生大量气体，如果铸型排气能力差，型腔中的气压将增大，以致阻碍液态合金的充型。 为了减小气体的压力，除应设法减少气体的来源外，应使铸型具有良好的透气性，并在远离浇口的最高部位开设出气口,第二节 铸件的凝固

6、与收缩,一、铸件的凝固方式 在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区，其中对铸件影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。 铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的。,（a）. 逐层凝固,（b）.中间凝固,（c）糊状凝固,1. 逐层凝固,纯金属或共晶成分合金在凝固过程中因不存在液、固并存的凝固区。随着温度的下降，固体层不断加厚、液体层不断减少，直达铸件的中心，这种凝固方式称为逐层凝固。 2. 糊状凝固 如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件的温度分布较为平坦，则在凝固的某段时间内，铸件表面并不存在固体层，而液、固并存的凝固区贯穿整个断面。由于这种凝固方式与水

7、泥类似，即先成糊状而后固化，故称糊状凝固。 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，称为中间凝固方式。,铸件质量与其凝固方式密切相关。 逐层凝固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松； 糊状凝固时，难以获得结晶紧实的铸件； 在常用合金中，灰铸铁、铝硅合金等倾向于逐层凝固，易于获得紧实铸件；球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝固，为获得紧实铸件常需采用适当的工艺措施，以便补缩或减少其凝固区域 。,二、铸造合金的收缩,合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。 收缩给铸造工艺带来许多困难，是多种铸造缺陷（如缩孔、 缩松、裂纹、变形等）产生的根源。 为

8、使铸件的形状、尺寸符合技术要求，组织致密，必须研究收缩的规律性。,合金的收缩经历如下三个阶段, 液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度（即液相线温度）间的收缩 凝固收缩 从凝固开始温度到凝固终止温度（即固相线温度）间的收缩 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。,合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的收缩，常用单位体积收缩量（即体积收缩率）来表示。合金的固态收缩不仅引起合金体积上的缩减，同时，更明显地表现在铸件尺寸上的缩减，因此固态收缩常用单位长度上的收缩量（即线收缩率）来表示。 不同合金的收缩率不同。 铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。,几种铁碳合金的体积收缩率

9、,三、铸件中的缩孔与缩松,1缩孔与缩松的形成 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。 缩孔 它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。 合金的液态收缩和凝固收缩愈大、浇注温度愈高、铸件愈厚，缩孔的容积愈大。, 缩 松,分散在铸件某区域的细小缩孔，称为缩松。缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。 宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的小孔洞，多分布在铸件中心轴线处或缩孔的下方。 显微缩松是分布在晶粒之间的微小空洞。 不同铸造合金的缩孔和缩松的倾向不同。逐层凝固合金（纯金属、共晶合金或结晶

10、温度范围窄的合金）的缩孔倾向大，缩松倾向小；反之糊状凝固的合金缩孔倾向虽小，但极易产生缩松。,2. 缩孔和缩松的防止,缩孔和缩松都是铸件的力学性能下降，缩松还可使铸件因渗漏而报废。采取适当的工艺措施予以防止。只要能使铸件实现“定向凝固”（即顺序凝固） 为了使铸件实现定向凝固，要安放冒口和冷铁。但安放冒口和冷铁、实现定向凝固，虽可有效地防止缩孔和宏观缩松，但却耗费许多金属和工时，加大了铸件成本。,对于结晶温度范围甚宽的合金，由于倾向于糊状凝固，结晶开始之后，巨大的树枝状晶架布满了铸件的整个截面，使冒口的补缩通路严重受阻，因而难以避免显微缩松的产生。 显然选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的金属生产

11、铸件是适宜的,第三节 铸造内应力、变形和裂纹,铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部将产生内应力， 这些内应力有时是在冷却过程中暂存的，有时则一直保留到室温，后者称为残余内应力。铸造内应力使铸件产生变形和裂纹的基本原因。,一、 内应力的形成,1. 热应力 它是由于铸件的壁厚不均匀、各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。 分析热应力的形成。,由上分析，热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 铸件的壁厚差别愈大、合金线收缩率愈高、弹性模量愈大，热应力愈大。 预防热应力的基本途径是尽量减少铸件各个部位间的温度差，使其均匀地冷却。 采用

12、同时凝固原则，可减少铸造内应力，防止铸件的变形和裂纹缺陷，又可避免设冒口而省工省料。其缺点是铸件容易出现缩孔或缩松。如灰铸铁、锡青铜,2. 机械应力 它是合金固态收缩受到铸型或型心的机械阻碍而形成的内应力。,二、铸件的变形与防止,具有残余内应力的铸件是不稳定的，它将自发地通过变形来减缓其内应力，以便趋于稳定。 为防止铸件产生变形，除在铸件设计时尽可能使铸件的壁厚均匀、形状对称外，在铸造工艺上应采用同时凝固原则，以便冷却均匀。对于长而易变形的铸件，还可采用“反变形”工艺。,实践证明，尽管变形后铸件的内应力有所减缓，但并未完全去除，这样的铸件经机械加工之后，由于内应力的重新分布，还将缓慢地发生微量

13、变形，使零件丧失了应有的精确度。为此，对于不允许发生变形的重要机件必须进行时效处理。 自然失效是将铸件置于露天场地半年以上，使其缓慢地发生变形，从而使内应力消除。人工时效是将铸件加热到550650 进行去应力退火。 实效处理一般安排在粗加工之后进行。,三、 铸件的裂纹与防止,当铸造内应力超过金属强度极限时，便将产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。 裂纹可分成热裂和冷裂两种。,1. 热 裂,热裂是在高温下形成的裂纹。其形状特征是：缝隙宽、形状曲折、 缝内呈氧化色。 形成热裂的主要影响因素如下： 合金性质 合金的结晶温度范围愈宽，液、固两相区的绝对收缩量愈大，合金的热裂倾向也愈大。灰铸铁

14、和球墨铸铁热裂倾向小，铸钢、铸铝、可锻铸铁的热裂倾向大。此外钢铁中含硫愈高，热裂倾向也愈大。, 铸型阻力 铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向愈小。 铸型的退让性与型砂、型芯砂粘结剂种类密切相关，如采用有机粘结剂（如植物油、合成树脂）配制的型芯砂，因高温强度低性较粘土砂好。,2冷裂,冷裂是在低温下形成的裂纹。其形状特性是：裂纹细小，呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。 为防止冷裂，除设法降低内应力外，还应控制钢铁中的含磷量。,第四节 铸件的质量控制,由于铸造工序繁多，影响铸件质量的因素复杂，难以综合控制，因此，铸件缺陷几乎难以完全避免，废品率较其他金属加工方法高。 表2-2列出了铸件缺陷名

15、称及分类,铸件缺陷名称及分类,应从如下几个方面来控制铸件质量： 合理选定铸造合金和铸件结构 合理制定铸件的技术要求 模样质量检验 铸件质量检验 铸件热处理,第二章 常用合金铸件的生产,本章介绍各种铸铁的组织、性能、生产特点及其应用，同时，简介铸钢和铸造铜、铝合金及其生产特点。,第一节 铸铁件生产,一、灰铸铁 灰铸铁是指具有片状石墨的铸铁，是应用最广泛的铸铁，其含量占铸铁总产量的80%以上。 灰铸铁的显微组织 由金属基体（铁素体和珠光体）和片状石墨所组成，相当于在纯铁或钢的基体上嵌入了大量石墨片。石墨的强度、硬度、塑性极低，因此可将灰铸铁视为布满细小裂纹的纯铁或钢。,灰铸铁的性能 灰铸铁的抗拉强

16、度低，塑性、韧性差，属于脆性材料，不能锻造和冲压。焊接性能很差；切削加工性能优良；特别是铸造性能好。另外由于石墨的存在还赋予铸铁如下的优越性能： 优良的减震性 耐磨性好 缺口敏感性小。,2. 影响铸铁组织和性能的因素,铸铁的组织由金属基体和片状石墨所组成，可分为珠光体灰铸铁、珠光体+铁素体灰铸铁和铁素体灰铸铁三种。 铸铁的显微组织与碳在铸铁中的存在形式有关，或者与碳的石墨化程度有关。 铸铁中的石墨形状大小分布对铸铁的力学性能影响很大。,影响石墨化的因素有:,1）化学成分 2) 冷却速度 相同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同。,3.灰铸铁的孕育处理,灰铸铁的孕育处理: 在浇注前向铁水中加入孕育剂（75%的硅铁合金，加入量为铁水重量的0.25%0.6%）。 原理：孕育剂增加了石墨结晶的核心，形成的石墨片细小、均匀，并获得珠光体基体组织。使铸铁力学性能大大提高。,4.灰铸铁的牌号及其生产特点,（1）灰铸铁的牌号 灰铸铁的牌号以其力学性能来表示。灰铸铁的牌号以“HT”起首，其后以三位