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1、第六章 液态成形技术,返回,铸造(casting)：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6-1所示。,2）铸件的机械性能较低。,3）铸造工序多，难以精确控制，是铸件质量不够稳定。,4）劳动条件较差,劳动强度较大。,我国
2、铸造技术历史悠久。三千多年前，青铜铸器已有应用；二千五百年前，铸铁工具已经相当普遍；泥型、金属型、失蜡型是我国创造的三大铸造技术。,近几十年来，我国铸造技术发展迅速，在型、芯砂方面，推广了快速硬化的水玻璃砂及各类自硬砂，成功运用树脂砂制造高强度砂芯；在铸造合金方面，发展了高强度、高韧性的球墨铸铁和合金铸铁；在铸造新工艺新技术方面，各种特种铸造或精密铸造方法得到运用和发展；铸造机械化、自动化提高了铸件质量，降低了劳动、改善了劳动条件。,1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、 气孔等缺陷。,铸造的缺点：,第一节 液态成形理论基础,一、金属的凝固,1、液态金属的结构与性质：,1）液态金属
3、的结构：固态金属经加热变为熔融状态得到液态金属，其熔化是从晶界开始的，是原子间的局部破坏，故液态金属是由呈有序排列的游动原子集团组成，其结构与原有固体结构相似，但热运动剧烈，温度越高，热运动越剧烈，原子集团越小，游动越快。,2）液态金属的性质：具有粘度和表面张力。,2、液态金属的凝固：液态金属由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6-1
4、所示。,2）糊状凝固：合金的结晶温度范围很宽（如图6-1c），且铸件温度分布较为平坦，则在凝固时铸件表面不存在固体层，凝固区贯穿整个断面，即先糊状而固化。,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6-1b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），便于防治缩孔、缩松。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，如图6-1所示，结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。运用铁碳合金相图6-2可见，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
5、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6-3所示。,图6-3 温度梯度对凝固区域的影响,铸件温度梯度主要取决于：,a)合金的性质。合金的凝固温度越低、热导率越高、结晶潜热越大，温度梯度越小，如多数铝合金；,b) 铸型的蓄热能力越强，激冷能力越强，温度梯度越大；如金属型铸造易得致密组织。,c) 浇注温度越高，温度梯度减小。,二、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。,（一）充型能力,充型能力：熔融金属或合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。主要影响因素有：,1
6、、金属或合金的流动性：流动性是熔融金属的流动能力，是金属液的固有属性，取决于金属本身的化学成分、温度、杂质量以及物理性质。合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量，一般采用如图6-4所示的螺旋形试样，流动距离越长，表明流动性越好。,图6-4 螺旋形标准试样,决定合金流动性的主要因素有：,1）合金的种类。合金的熔点、热导率、粘度等物理性能影响流动性；熔点越高，热导率越大，粘度越大其流动性越差。,2）合金的成分。同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流动性也不同。如图6-5所示铁碳合金的流动性与相图的关系；纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，如图6-6a所示，凝固层表面光滑，阻力小，故流动
7、性好，同时共晶合金熔点最低，故流动性最好。,而亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，故流动性差，如图6-6b所示。,图6-5铁碳合金的流动性与相图的关系,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。,2、浇注条件：,1）浇注温度，越高，保持液态的时间越长，流动性越好；温度越高，合金粘度越低，阻力越小，充型能力越强。故提高浇注温度能有效提高充型能力；但过高吸气量和总收缩大，易产生铸造缺陷。故在保证充型能力的前提下温度应尽量低。生产中薄壁件常采用较高温度，厚壁件采用较低浇注温度。,2）充型压力：压力越大，充型能力越强。,3、铸型条件,1）铸
8、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。,（二）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：,合金的收缩过程可分为三个阶段：如图6-7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。过热度越大，收缩系数越大，液态收缩率均增加。,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；由状态改变和温度下降两部分组成。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
9、基本原因。,3）固态收缩：指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。表现为铸件外形尺寸的减小，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。,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；收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因。,三、铸造性能对铸件质量的影响,（一）缩孔和缩松,凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞，大而集中的孔洞称缩孔，细小
10、而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件机械性能大大降低，以致成为废品。,1、缩孔和缩松的形成,图6-8 缩孔形成过程示意图,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，用画圆方法确定。,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，铸件壁成逐层凝固方式。形成过程如图6-8所示：动画视频演示,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6-9所示。动画视频演示。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
11、分布在集中缩孔的下方。,图6-9 缩松形成过程示意图,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6-10为铁碳合金成分与总体积收缩率、形成缩孔、缩松倾向的关系。,图6-10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，是缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。主要
12、措施有：,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6-11所示，使缩孔转移到冒口中。动画视频演示。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。,图6-11 顺序凝固原则示意图,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。,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
13、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。三者综合应用是消除缩孔缩松的有效措施。动画视频演示,（二）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：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
14、力，以框架铸件为例，说明残留热应力的,图6-12 热应力的形成,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6-13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6-14所示，各部分温差小，不易产生热应力。主要用于收缩较小的普通灰铸铁、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
15、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。,（三）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6-15所示的框架铸件，图6-16的T型梁，当刚度不够时，将产生如图所示的变形。,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：
16、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：,应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；,提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；,合理设计浇道、冒口；,对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。,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？它可以用那些性能来衡量？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？如何预防？,2、试分析下图所示铸件：1）那些是自由收缩，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）图示各点应力属什么性质（拉应力、压应力）？,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：,第二节 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
