第一篇 金属的铸造成形工艺第一章 铸造成形工艺理论基础§ 1-1 概述金属液态成形工艺——铸造、液态冲压、液态模锻等铸造（最广泛）——将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法） 一、特点1．能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯：如：阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等2．铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨3．常用的原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛（如：机床、内燃机中铸件 70~80%，农业机械 40~70%）但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷二、分类铸造砂型铸造—— 90%以上，成本低特种铸造——熔模、金属型、压力、低压、离心质量、生产率高，成本也高§1-2 铸造的工艺性能工艺性能——符合某种生产工艺要求所需要的性能铸造性能——合金的流动性、收缩性、吸气性、偏析等一、合金的流动性1．概念指液态合金本身的流动能力，它是合金主要的铸造性能，流动性愈强，愈便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。
流动性不好——浇不足、冷隔[注] ：流动性的测定——“螺旋形试样” （图 1-1）1流动性愈好，浇出的试样愈长灰铸铁、硅黄铜最好，铝合金次之，铸钢最差2．影响合金流动性的因素①化学成分共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，此时，液态合金从表层逐层向中心凝固，由于已结晶的固体层内表面比较光滑（图 1-3a）对金属液的阻力较小同时，共晶成分合金的凝固温度最低（铁碳合金状态图） 相对说来，合金的过热度（浇注温度与合金熔点之温差）大，推迟了合金的凝固，故共晶成分合金的流动性最好除纯金属外，其它成分合金是在一定温度范围的逐步凝固，即经过液、固并存的两相区此时，结晶是在截面上的一定宽度的凝固区内同时进行的，由于初生的“树枝状”晶体，使已结晶固体层的表面粗糙（图 1-3b）所以，合金的流动性变差共晶生铁，流动性好[注] ：降低金属液粘度——提高流动性如加 P—铸铁凝固温度、粘度↓→流动性好但引起冷脆性（性能要求不高的小件）S→MnS→内摩擦（粘度↑）→流动性↓②浇注条件浇注温度——温度↑→粘度↓过热度↑，保持液态时间长→流动性好，但过高→收缩增大，吸气增多，氧化严重→缩孔、缩松、气孔、粘砂等控制浇注温度：灰铸铁： 1200~1380℃铸铜： 1520~1620℃铝合金： 680~780℃浇注压力——压力愈大，流动性愈好增加直浇口高度或采用压力铸造、离心铸造③铸型充填条件铸型的蓄热能力——铸型材料的导热系数和比热愈大，对液态合金的“激冷”能力愈强，流动性差。
如：金属型比砂型铸造更容易产生浇不足等缺陷铸型中气体——在金属液的热作用下，型腔中气体膨胀，腔中气体压力增大——流动性差（阻力大）改善措施：使型砂具有良好的透气性，远离浇口最高部位开设气口二、合金的收缩性21．合金收缩的概念合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象——收缩控制不好，易产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹收缩过程（图 1-4） P6液态收缩 ε液 ——从浇注温度（ T 浇 ）到凝固开始温度（ T 液）间收缩凝固收缩 ε凝 ——凝固开始到凝固终了温度间收缩固态收缩 ε固 ——凝固终了→室温ε总 =ε液 +ε 凝+ε固体收缩——产生缩孔、缩松线收缩——产生内应力、变形、裂纹[注] ：常用铸造合金中铸钢收缩率最高灰铸铁最小（石墨析出，体积膨胀）2．影响合金收缩的因素化学成分浇注温度铸件结构和铸型条件3．铸件中的缩孔和缩松（1）缩孔和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：缩孔和缩松缩孔——集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显凹坑。
（纯金属、共晶成分合金易形成）（图 1-5）缩孔的形成过程缩松——分散在铸件某区域内的细小缩孔当容积相同时，缩松的分布面积比缩孔大得多图 1-6）缩松的形成过程宏观缩松——肉眼或放大镜可见显微缩松——显微镜观察到（2）缩孔和缩松的防止①缩孔的防止——采用冒口和冷铁，控制铸件顺序凝固3即在铸件上可能出现缩孔的厚大部位（图 1-7），通过安放冒口等工艺措施，使远离冒口部位先凝固，靠近冒口部位次凝固，冒口本身最后凝固这样，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口的金属液来补充——使铸件各部位收缩均能得到补充，缩孔→冒口中（多余部分，清除）[ 注] ：形状复杂有多个热节——冒口 +冷铁外冷铁——重复使用；（图 1-8）内冷铁——不重要铸件（熔合于铸件） （图 1-9）②缩松的防止——热节处要放冷铁或在局部砂型表面涂“激冷”涂料，加大冷却速度，或加大结晶压力，破碎枝晶，流动性好4．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，后者称残余内应力铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。
1）内应力的形成按内应力产生的原因，可分为热应力和机械应力①热应力由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的分析：金属自高温——室温（冷却）时应力状态的改变，在再结晶温度（钢、铸铁为 620~650℃）以上——塑性状态（在应力下）→塑性变形（永久变形） ，变形后应力可消除；在再结晶温度以下——弹性状态——弹性变形，变形后应力继续存在图 1-10）热应力形成过程——三个阶段（图 1-11）应力框的冷却曲线[注]a. 热应力的性质——铸件缓冷处（厚壁或心部）受拉伸，快冷处（薄壁或表层）受压缩b. 铸件冷却时各处的温差越大，顺序凝固愈明显，合金的固态收缩率越大，弹性模量愈大→热应力大c. 预防热应力的基本途径——减少铸件各部分的温度差，使其均匀冷却如： E 小、壁厚均匀、控制各部位同时凝固（图1-12）②机械应力（收缩应力）4合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的应力 （图 1-13）使铸件产生拉伸或剪切应力（暂时的） ，落砂后，内应力便消除在铸型中可与热应力共同起作用，增大某些各部位的拉伸应力，产生裂纹2）铸件的变形与防止残余内应力（厚的部分受拉伸，薄的部分压缩→不稳定状态，自发地通过变形，减缓内应力——稳定状态即，原受拉——产生压缩变形原受压——产生拉伸变形（图 1－14）、（图 1－15）、（图 1－16）[注] ：防止变形——壁厚均匀，形状对称工艺上：同时凝固，冷却均匀反变形法（长而易变形）“反变形法”——统计铸件变形规律基础上，在模型上预先作出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形。
3）铸件的裂纹与防止当铸件的内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹严重缺陷—导致报废热裂——在高温下产生的裂纹（裂纹短，缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色）冷裂——在低温下形成的裂纹（裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色）防止热裂——选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金，提高型砂和芯砂的退让性，控制含 S —防热脆防止冷裂——减小内应力，控制含 P 量，浇注之后，勿过早打箱三、合金的吸气性液态合金吸入了气体，若不能逸出——气孔缺陷，破坏了金属的连续性，减少了承载的有效面积，应力集中，降低机械性能（冲击韧性，疲劳强度） ，弥散性气孔还可使显微缩松的形成，降低铸件的气密性按气体来源，气孔可分为：侵入气孔——砂型和型芯中气体侵入金属液中而形成的气孔（图 1－19）析出气孔——双原子气体随温度降低溶解度下降，呈过饱和状态以气泡形式从金属液中析出（铝合金中最多见） ；如（图 1－ 20）反应气孔——液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或溶渣之间发生化学反应产生气体而形成气孔5第二章 常用铸造合金及其熔炼§2-1 钢铁的冶炼铁矿石→生铁→钢水→钢锭（图 2-1）一、炼铁在高炉中进行铁矿石 +焦碳 +石灰石 炉料 高炉预热 900~1200℃ → 焦碳燃烧，产生 CO→加热炉料，发生反应还原反应： C、CO 将 FeO 中氧分离→还原 Fe造渣反应： CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣）渗碳反应： Fe 吸收焦碳中 C→含 C 高，熔点低的生铁水[ 注] ：铁水中溶解有 Si，Mn ， S， P 等（表 2-1）炼钢生铁——用于炼钢（大多数）铸造生铁——熔炼铸钢（少量）二、炼钢钢与生铁在化学成分上主要区别：钢含 C 量低（ <1.4%）Si, Mn S, P 杂质低主要任务——生铁多余的 C、杂质→氧化物1．炼钢的冶炼反应①碳、硅、锰的氧化——脱碳是最重要过程② P、 S 的脱除③脱氧——炼钢后期（ FeO 中脱氧）2．钢的冶炼分类炼钢设备不同，分为转炉炼钢——冶炼普通低碳钢平炉炼钢——普通优质碳素结构钢、低合金钢电炉炼钢——优质钢（成本高） （感应电炉或电弧炉）3．镇静钢与沸腾钢镇静钢——锰铁、硅铁、纯铝、完全脱氧的钢——优质钢，合金钢的钢锭沸腾钢——仅用锰铁部分脱氧的钢（低碳钢）——冲压件§2-2 常用铸造合金及其熔炼铸造合金——用于生产铸件的那一部分金属材料6100 ~ 200 MPa常用：铸铁、铸钢、铸造有色合金一、铸铁及其熔炼铸铁——含 C 大于 2.11%的铁碳合金具有良好的铸造性能、易切削——适合形状复杂的铸件应用最广泛（占 50%以上）根据碳在铸铁中存在形式不同，可分为白口铸铁— C 除微量溶于铁素体外， 全部以 Fe3C 形式存在，断口银白色硬脆，难加工。
灰口铸铁— C 除微量溶于铁素体外，全部或大部以石墨形式存在，断口灰色麻口铸铁—即有石墨。