1、第三篇第三篇 工程材料成形技术基础工程材料成形技术基础第八章第八章 铸造成形铸造成形工程材料与成形技术基础工程材料与成形技术基础一一 什么是铸造什么是铸造? 将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中,待待其冷却凝固后其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法以获得零件或毛坯的方法.第八章第八章 铸造成形铸造成形 二二 特点特点 1 优点优点:1) 可以生产形状复杂的零件可以生产形状复杂的零件,尤其复杂内腔的毛尤其复杂内腔的毛坯坯(如暖气如暖气)2) 适应性广适应性广,工业常用的金属材料均可铸造工业常用的金属材料均可铸造. 几克几克几百吨几百吨.3) 原
2、材料来源广泛原材料来源广泛.价格低廉价格低廉. 废钢废钢,废件废件,切屑切屑4) 铸件的形状尺寸与零件非常接近铸件的形状尺寸与零件非常接近,减少切削量减少切削量,属少无切削加工属少无切削加工. 应用广泛应用广泛: 农业机械农业机械4070% 机床机床:7080%重量重量铸件铸件 2 缺点缺点:1) 机械性能不如锻件机械性能不如锻件(组织粗大组织粗大,缺陷多等缺陷多等)2) 砂性铸造中砂性铸造中,单件单件,小批小批,工人劳动强度大工人劳动强度大.3) 铸件质量不稳定铸件质量不稳定,工序多工序多,影响因素复杂影响因素复杂,易产易产生许多缺陷生许多缺陷.铸造的缺陷对铸件质量有着重要的影响,因此,我们
3、从铸件的质量入手,结合铸件主要缺陷的形成与防止,为选择铸造合金和铸造方法打好基础. 第一节第一节 铸造成形理论基础铸造成形理论基础 合金铸造合金铸造时的时的工艺性能工艺性能称为合金的称为合金的铸造性能铸造性能，它包括，它包括流动流动性、收缩、偏析、氧化和吸气性、收缩、偏析、氧化和吸气等。等。 一、液态合金的流动性与充型能力一、液态合金的流动性与充型能力 1合金的流动性合金的流动性 熔融金属的流动能力，称为合金的流动性。熔融金属的流动能力，称为合金的流动性。 液态金属本身的流动性液态金属本身的流动性-合金流动性合金流动性 (1) 流动性对铸件质量影响流动性对铸件质量影响1) 流动性好流动性好,易
4、于浇出轮廓清晰易于浇出轮廓清晰,薄而复杂的铸薄而复杂的铸件件.2) 流动性好流动性好,有利于液态金属中的非金属夹杂物有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮和气体上浮,排除排除.3) 流动性好流动性好,易于对液态金属在凝固中产生的收易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩缩进行补缩(2) 测定流动性的方法测定流动性的方法: 以螺旋形试件的长度来测定以螺旋形试件的长度来测定: 如灰口铁:浇铸温度1300试件长1800mm. 铸钢: 1600 100mm (3)影响合金流动性的因素影响合金流动性的因素 主要是化学成分主要是化学成分:1) 纯金属流动性好纯金属流动性好:一定温度下结晶一定温度下结晶,
5、凝固层表面平滑凝固层表面平滑,对液流阻力小对液流阻力小2) 共晶成分流动性好共晶成分流动性好:恒温凝固恒温凝固,固体固体层表面光滑层表面光滑,且熔点低且熔点低,过热度大过热度大.3) 非共晶成分流动性差非共晶成分流动性差: 结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液流此外，在相同的浇注温度下，由于共晶成分合金的凝固温度最低，相对来说合金的过热度大，推迟了合金的凝固，因此共晶成分合金的流动性最好。 合金成分愈远离共晶，结晶温度范围愈宽，流动性愈差。合金成分愈远离共晶，结晶温度范围愈宽，流动性愈差。 因此，因此，选择铸造合金时，在满足使用要求的前提下，应尽量选择选择铸造合金时，在满足使用要求的前
6、提下，应尽量选择靠近共晶成分的合金。靠近共晶成分的合金。 图图82不同成分合金的流动性不同成分合金的流动性 a)共晶成分共晶成分b)非共晶成分非共晶成分 图图83所示为所示为铁铁-碳合金碳合金的的流动性流动性与与含碳量含碳量的关系的关系。 由图可见，由图可见，结晶温度范围宽的合金流动性差结晶温度范围宽的合金流动性差，结晶温度范围窄的合结晶温度范围窄的合金流动性好金流动性好， 共晶成分合金的流动性最好共晶成分合金的流动性最好。 含碳量(质量分数)()图8-3Fe-C合金流动性与含碳量关系铸铁中的其他元素铸铁中的其他元素(如如Si、Mn、P、S)对流动性也有一定影对流动性也有一定影响。响。Si、P
7、可提高铁可提高铁水的流动性，而水的流动性，而S则则降低铁水的流动性。降低铁水的流动性。 2充型能力充型能力 (1)充型能力与流动性的关系充型能力与流动性的关系充型:液态合金填充铸型的过程.充型能力充型能力: 液态合金充满铸型型腔液态合金充满铸型型腔,获得形状完整获得形状完整,轮廓轮廓清晰铸件的能力清晰铸件的能力充型能力是考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属的流动性，流动性流动性则是指则是指熔融金属本身熔融金属本身的的流动能力流动能力，它是，它是影响充型能力的主要因素之一。影响充型能力的主要因素之一。合金的流动性愈好，充型能力就愈强。同时流动性好，也有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除，还有利于对合
8、金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。充型能力不足易产生充型能力不足易产生: 浇不足:不能得到完整的零件.冷隔:没完整融合缝隙或凹坑,机械性能下降.(2)影响充型能力影响充型能力的的主要因素主要因素铸型条件、浇注温度等。1)铸型条件铸型条件对充型能力有很大影响。对充型能力有很大影响。铸型中凡能增加金属流动阻力、降低流速和提高金属冷却速度的因素，均会降低合金的充型能力。如铸型中型腔过窄、直浇道过低、浇注系统截面积太小或布置得不合理、型砂中水分过多或透气不足、铸型排气不畅、铸型材料导热性过大等，均会降低充型能力。为了改善铸型的充型条件，铸件设计时必须保证铸件的壁厚大于规定的“最小壁厚”(详见第四节“铸件
9、结构设计”)，并在铸型工艺上针对需要采取相应的措施，如加高直浇道、扩大内浇道横截面积、增加出气口、对铸型烘干、铸型表面刷涂料等。2)浇注温度浇注温度对合金的充型能力影响也很显著。对合金的充型能力影响也很显著。 浇注温度高，液态合金的粘度下降；同时，因过热度大，液态合金所含热量增加，因而液态合金传给铸型的热量增多，减缓了合金的冷却速度，这都使充型能力得到提高。因此，提高合金的浇注温度，是改善充型能力的因此，提高合金的浇注温度，是改善充型能力的重要工艺措施。重要工艺措施。 必须指出，浇注温度过高，合金的总收缩量增加，吸气增多，氧化也严重，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔等缺陷。 因此，在保证充型能
10、力足够的前提下，尽可能做到因此，在保证充型能力足够的前提下，尽可能做到“高温出炉，高温出炉，低温浇注低温浇注”。但是，对于形状复杂或薄壁铸件，浇注温度以略但是，对于形状复杂或薄壁铸件，浇注温度以略高些为宜。高些为宜。 综上所述，为综上所述，为提高合金的充型能力提高合金的充型能力，改善铸件质改善铸件质量量，应尽可能选用流动性好的共晶成分，应尽可能选用流动性好的共晶成分，或结晶温度范围窄的合金。或结晶温度范围窄的合金。在合金成分确定的情况下，需从改善铸型在合金成分确定的情况下，需从改善铸型条件，提高浇注温度和改进铸件结构等几条件，提高浇注温度和改进铸件结构等几个方面来提高充型能力。个方面来提高充型
11、能力。 二、铸造合金的收缩二、铸造合金的收缩 1收缩的概念收缩的概念 在合金从在合金从液态冷却至室温液态冷却至室温的过程中，的过程中，体积缩小体积缩小的现象称为收缩。的现象称为收缩。收缩是铸造合金的物理本性，也是铸件产生缩孔、缩松、变形、裂纹、残余应力等铸造缺陷的基本原因。为使铸件的形状、尺寸符合技术要求，内部组织致密，必须对收缩的规律加以研究。 1) 收缩的三个阶段收缩的三个阶段： (1)液态收缩液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度从浇注温度到凝固开始温度(即即液相线温废液相线温废)的收缩。的收缩。 (2)凝固收缩凝固收缩 从凝固开始温度到凝固终止温从凝固开始温度到凝固终止温度度(即固相线温度
12、即固相线温度)的收缩。的收缩。 (3)固态收缩固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收从凝固终止温度到室温间的收缩。缩。2)2)收缩率收缩率 (1) (1) 合金的液态收缩和凝固收缩合金的液态收缩和凝固收缩 表现为合金的体积缩小，它是铸件产生缩孔、缩松的基本原因。 常用单位体积的收缩量所占比率，即常用单位体积的收缩量所占比率，即体收缩率体收缩率来表示来表示。(2) (2) 合金的固态收缩合金的固态收缩 虽然也是体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的缩减，因此常用单位长度上的收缩量所占比率，即线收缩率来表示。它是铸件产生内应力、变形和裂纹的基本原因。 几种铁碳合金的收缩率见表几种铁碳合金的收缩率见表81
13、81。表表81几种铁碳合金的收缩率几种铁碳合金的收缩率 合金种合金种类类 收收缩缩率率()、 碳钢碳钢 白口铸铁白口铸铁 灰铸铁灰铸铁 球墨铸铁球墨铸铁体收体收缩缩率率线线收收缩缩率率(自由状自由状态态) 1014 2.17 1214 2.18 58 1.08 0.81灰铸铁收缩率小的原因灰铸铁收缩率小的原因 是由于其中大部分是由于其中大部分碳碳是以是以石墨石墨状态存在，而石墨的状态存在，而石墨的比比体积大体积大，液态灰铸铁在结晶过程中析出的，液态灰铸铁在结晶过程中析出的石墨所产生的体石墨所产生的体积膨胀抵消了合金的部分收缩。积膨胀抵消了合金的部分收缩。2铸件的实际收缩铸件的实际收缩 铸件铸件
14、的的实际收缩实际收缩不仅与不仅与合金的收缩率合金的收缩率有关，还有关，还与与铸型条件、浇注温度铸型条件、浇注温度和和铸件结构铸件结构等有关。等有关。铸型材料导热性低，浇注温度高，铸件的实际收缩值就大；反之就小。铸件在固态收缩过程中由于铸件在固态收缩过程中由于受到铸型和受到铸型和型芯的阻碍不能自由收缩型芯的阻碍不能自由收缩，此时收缩率，此时收缩率显然要显然要小于自由收缩率小于自由收缩率。铸件形状愈复杂，其收缩率(线收缩率)一般愈小。因此，在铸件生产时，必须根据合金的因此，在铸件生产时，必须根据合金的种类、铸件的结构、铸型条件等因素确种类、铸件的结构、铸型条件等因素确定适宜的实际收缩率定适宜的实际
15、收缩率(常用的为线收缩率常用的为线收缩率)。 三、铸件中的缩孔和缩松三、铸件中的缩孔和缩松 铸件凝固结束后往往在某些部位出现铸件凝固结束后往往在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔缩孔；细；细小而分散的孔洞称为小而分散的孔洞称为缩松缩松。 1缩孔和缩松的形成缩孔和缩松的形成 (1)缩孔缩孔 纯金属、共晶成分和凝固温度(即结晶温度)范围窄的合金，在浇注后，型腔内发生垂直于型壁的由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，则在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔。现以圆柱体铸件为例分析缩孔的形成过现以圆柱体铸件为例分析缩孔的形成过程，如图程，如图84所示。所示。
16、图图84a为合金液充满型腔，降温时发生液态收缩，但可从浇注系统得到补偿。为合金液充满型腔，降温时发生液态收缩，但可从浇注系统得到补偿。图图84b为当铸件表面散热条件相同时，表层先凝固结壳，此时内浇道被冻结。为当铸件表面散热条件相同时，表层先凝固结壳，此时内浇道被冻结。图图84c为继续冷却时，产生新的凝固层，内部液体发生液态和凝固收缩，使液面下降。为继续冷却时，产生新的凝固层，内部液体发生液态和凝固收缩，使液面下降。同时外壳进行固态收缩，使铸件外形尺寸缩小。如果两者的减小量相等，则凝固外壳仍同时外壳进行固态收缩，使铸件外形尺寸缩小。如果两者的减小量相等，则凝固外壳仍和内部液体紧密接触。但由于液态
17、收缩和凝固收缩远大于外壳的固态收缩，因此合金液和内部液体紧密接触。但由于液态收缩和凝固收缩远大于外壳的固态收缩，因此合金液将与硬壳顶面脱离。将与硬壳顶面脱离。图图8-4d为硬壳不断加厚，液面不断下降，当铸件全部凝固后，在上部形成一个倒锥形缩孔。为硬壳不断加厚，液面不断下降，当铸件全部凝固后，在上部形成一个倒锥形缩孔。图图8-4e为继续降温至室温，整个铸件发生固态收缩，缩孔的绝对体积略有减小，但相对体为继续降温至室温，整个铸件发生固态收缩，缩孔的绝对体积略有减小，但相对体积不变。积不变。如图如图8_4f为如果往铸件顶部设置冒口，缩为如果往铸件顶部设置冒口，缩 孔将移至冒口中。孔将移至冒口中。 由
18、上可知，由上可知，缩孔产生的基本原因缩孔产生的基本原因 是是合金的液态收缩和凝固收缩大于合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，且得不到补偿所致固态收缩，且得不到补偿所致。缩孔产生的部位缩孔产生的部位在铸件在铸件最后凝固最后凝固区域区域，如壁的上部或中心处。，如壁的上部或中心处。 此外，此外，铸件两壁相交处铸件两壁相交处因金属积聚因金属积聚凝固较晚，也易产生缩孔，凝固较晚，也易产生缩孔，此处称为此处称为热节热节。 热节位置可用画内接圆方法确定，如图热节位置可用画内接圆方法确定，如图85所示。铸件中壁厚较大及内浇道附近所示。铸件中壁厚较大及内浇道附近的地方也是热节的地方也是热节图8-5用内接圆法确
19、定热节位置 (2)缩松缩松 形成原因形成原因 合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩所致。合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩所致。 但缩松主要但缩松主要出现在结晶温度范围较宽出现在结晶温度范围较宽的合金中或的合金中或断面较大断面较大的铸件的铸件壁中壁中。图。图86为缩松形成过程示意图。为缩松形成过程示意图。图86a为合金液充满型腔，并向四处散热。图86b为铸件表面结壳后，内部有一个较宽的液相与固相共存凝固区域。图86c、d为继续凝固，固体不断长大，直至相互接触，此时合金液被分割成许多小的封闭区。图86e为封闭区内液体凝固收缩时，因得不到补充而形成许多小而分散的孔洞。图86f为固态收缩。缩松分为
20、宏观缩松和显微缩松两种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区域、热节处、冒口根部和内浇道附近，也常分布在集中缩孔的下方。显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞，要用显微镜才能观察出来，这种缩松分布面积更为广泛，有时遍及整个截面。显微缩松难以完全避免，对于一般铸件来说多不作为缺陷对待；但对气密性及力学性能、物理性能和化学性能要求很高的铸件，则必须设法减少。 缩孔、缩松的形成缩孔、缩松的形成除主要受除主要受合金成分合金成分影响外，影响外，浇浇注温度注温度、铸型条件铸型条件及及铸件结构铸件结构也有一定的影响。也有一定的影响。浇注温度高，合金的缩孔
21、倾向大。铸型材料对铸件的冷却速度影响很大，湿型比干型的冷却能力大，缩松减少；金属型的冷却能力更大，故缩松显著减少。铸件结构与形成缩孔、缩松的关系极大，设计时必须予以充分注意。缩孔和缩松都使铸件的力学性能、气密性、物理性缩孔和缩松都使铸件的力学性能、气密性、物理性能、化学性能降低，以致成为废品。能、化学性能降低，以致成为废品。 因此，缩孔和缩松都属铸件的重要缺陷，必须根据技术要因此，缩孔和缩松都属铸件的重要缺陷，必须根据技术要求，采取适当的工艺措施予以防止。求，采取适当的工艺措施予以防止。 2防止铸件产生缩孔和缩松的方法防止铸件产生缩孔和缩松的方法 (1)合理选用铸造合金合理选用铸造合金 从缩孔
22、和缩松的形成过程可知，结晶温度范围宽的合金，易形成缩松，且缩松分布面广，难以消除。因此生产中在可能条件下尽量选择共晶成分的合因此生产中在可能条件下尽量选择共晶成分的合金或金或结晶温度范围窄的合金结晶温度范围窄的合金。(2)采用顺序凝固原则采用顺序凝固原则所谓顺序凝固所谓顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位厚大部位通通过过增设冒口增设冒口等工艺措施，使铸件等工艺措施，使铸件远离冒口的部位先凝固远离冒口的部位先凝固(图图8-7)，而后是靠近冒口部位凝固，而后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固最后才是冒口本身的凝固。冒口冒口是铸型中贮存补缩合金液的空腔是铸型
23、中贮存补缩合金液的空腔，浇注完成后为铸件的多余部分，待铸件浇注完成后为铸件的多余部分，待铸件清理时去除。清理时去除。 为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，为了实现顺序凝固，在安放冒口的同时，还可在铸件上某些厚大部位增设还可在铸件上某些厚大部位增设冷铁冷铁。 图88所示铸件的热节不止一个，若仅靠顶部冒口难以向底部凸台补缩，为此在该凸台的型壁上安放了两个外冷铁。由于冷铁加速了该处的冷却速度，使厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的顺序凝固，防止了凸台处缩孔、缩松的产生。可以看出，冷铁仅是加快某些部位的冷却速度，以控制铸件的凝固顺序，但本身并不起补缩作用。冷铁通常用钢或铸铁制成安放冒口和冷
24、铁，实现顺序凝固，虽可有效地防安放冒口和冷铁，实现顺序凝固，虽可有效地防止缩孔和缩松止缩孔和缩松(宏观缩松宏观缩松)，但却，但却耗费许多合金耗费许多合金和和工时，工时，加大了铸件的成本加大了铸件的成本。同时同时顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，促进顺序凝固扩大了铸件各部分的温度差，促进了铸件的变形和裂纹倾向了铸件的变形和裂纹倾向。因此，因此，顺序凝固原则主要用于顺序凝固原则主要用于收缩大或壁厚差收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件别大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、可锻铸铁、铝硅合金和铝青铜合金等。特别是对铸钢件，由于其收缩大大超过铸铁，在铸造工艺上采用冒口、冷铁等措施实现顺序凝固非常有效
25、四、四、铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸件凝固后的继续冷却收缩，有可能使铸件产生变形或裂纹，而铸造应力就是铸件产生变形和裂纹的基本原因。1铸造应力铸造应力 铸造应力是热应力、收缩应力和相变应力的矢量和。铸造应力是热应力、收缩应力和相变应力的矢量和。 (1)热应力热应力 铸件在凝固和冷却过程中，由于不同部位不铸件在凝固和冷却过程中，由于不同部位不均衡的收缩而引起的应力称为均衡的收缩而引起的应力称为热应力热应力。合金有一个临界温度tij在此温度以上，合金处于塑性状态；在此温度以下，合金处于弹性状态。合金处于塑性状态时，伸长率很高，在较小的外力下就发生塑性变形(即永久变形)
26、，此时内应力自行消除；合金处于弹性状态时，在外力作用下，合金发生弹性变形，变形后应力继续存在。1)热应力的产生过热应力的产生过程程如图如图89a所示。所示。其热应其热应力的形成过程可分为力的形成过程可分为三个三个阶段阶段说明说明，如图，如图88b所示。所示。1)t0至t1：厚部工和薄部都处于临界温度(tij)以上，两部分都呈塑性状态，能够自由收缩。薄，冷却速度比厚部I大，同一时刻，薄部的温度比厚部工低，收缩要比厚部I大。因为两部分是一个整体，只能收缩到一个共同的长度，此时若不产生弯曲变形，将被塑性拉伸，I则被塑性压缩，变形的结果，T形杆内不产生热应力。2)t1至t2：此时，的温度己低于临界温度
27、(tij)而呈弹性状态，I仍处于塑性状态。的收缩，迫使I产生塑性收缩，此时T形杆内仍无热应力产生。3)t2至t3：当I进入弹性状态时，其收缩会受到早已进入弹性状态的的阻碍，于是形成了受弹性压缩，而I受弹性拉伸的状态。因两部分都呈弹性状态，故I内存在拉应力，而内则存在压应力，于是，在T形杆件就产生了残留热应力。 由此可见，由此可见，热应力热应力使铸件的使铸件的厚壁厚壁或或心部受拉伸心部受拉伸，薄壁薄壁或或表层受压缩表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈高合金的线收缩率愈高，弹性模量弹性模量愈大愈大，则热应力愈大则热应力愈大。 2)预防热应力的基本途径预防热应力的基本途
28、径a. 减小铸件各部分的温度差，使其均匀地冷却减小铸件各部分的温度差，使其均匀地冷却。b. 铸件壁厚均匀，避免金属的聚集，采用同时凝固原铸件壁厚均匀，避免金属的聚集，采用同时凝固原则则。同时凝固原则，是采取工艺措施使铸件各个部分没有大的温度差，而同时凝固。为此，须将浇注系统开在铸件薄壁处，为了加速厚为此，须将浇注系统开在铸件薄壁处，为了加速厚壁的冷却，有时还可在厚壁处安放冷铁，如图壁的冷却，有时还可在厚壁处安放冷铁，如图8一一10所示。所示。 同时凝同原则可减小热应力同时凝同原则可减小热应力，防止铸件变形和裂纹等缺陷，而且防止铸件变形和裂纹等缺陷，而且因不用冒口而节省金属和工时。因不用冒口而节
29、省金属和工时。 其其缺点缺点是铸件的是铸件的中心部位易出现缩松中心部位易出现缩松(或缩孔或缩孔)。同时凝固原则主要用于普通灰铸铁、锡青铜等。因为灰铸铁收缩小，不易产生缩孔；而锡青铜结晶间隔很大，用冒口也难以消除缩松。同时凝固原则同时凝固原则也也可用于薄壁铸钢件可用于薄壁铸钢件或其他或其他易变形和易裂易变形和易裂的的铸件。铸件。(2)收缩应力收缩应力 铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱带等外力的阻碍而产生的应力称为收缩应力箱带等外力的阻碍而产生的应力称为收缩应力，如图，如图81l所示。所示。 收缩应力又称机械应力收缩应力又称机械应力，它使铸
30、件产生，它使铸件产生拉伸或切应力拉伸或切应力，并且是，并且是暂时暂时的，在铸件的，在铸件落砂落砂之后之后，这种内应力，这种内应力便可自行消除便可自行消除。但收缩应力在铸型中可与热应力共同起作用，增加了铸。但收缩应力在铸型中可与热应力共同起作用，增加了铸件件产生裂纹的可能性产生裂纹的可能性。(3)相变应力相变应力 铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力为相变应力化而引起的应力为相变应力。 一般铸造合金的相变应力较小，并且与热应力方一般铸造合金的相变应力较小，并且与热应力方向相反。向相反。 2铸件的变形与防止铸件的变形与防止 铸件铸出后，存在
31、于铸件不同部铸件铸出后，存在于铸件不同部位的位的内应力内应力(铸造应力铸造应力)称为称为残留应力残留应力。带有残留应力的铸件是不稳定的，会自发地变形使残留应力减小而趋于稳定。 显然，只有原来受弹性拉伸的部分产生压缩变形； 受弹性压缩的部分产生拉伸变形，铸件的残留应力才有减小或消除的可能。为防止变形为防止变形，在铸件设计时应力求，在铸件设计时应力求壁厚均匀壁厚均匀，形状简形状简单单与与对称对称(详见第四节详见第四节“铸件结构设计铸件结构设计”)。对于细而长、大而薄等易变形铸件，可将模样制成与铸件变形方向相反的形状，待铸件冷却时变形正好与相反的形状抵消(此法称“反变形法”)，如图812所示。此外，
32、在铸造工艺上应采取措施使铸件同时凝固或在铸此外，在铸造工艺上应采取措施使铸件同时凝固或在铸件上附加工艺肋等。件上附加工艺肋等。 常用的去除应力的方法常用的去除应力的方法自然时效法自然时效法、人工时效法人工时效法和和共振法共振法。自然时效法是将铸件置于露天场地半年以上，利用天然热胀冷缩使其缓慢地发生变形，从而使应力消除。人工时效法是将铸件加热至550650进行去应力退火，它比自然时效速度快，应力去除较为彻底，故应用广泛。共振法是使铸件在共振频率下振动1050min，从而达到消除残留应力的目的。共振法需要专用设备，但效率高并且节能、污染少。 3铸件的裂纹与防止铸件的裂纹与防止 当铸造应力超过合金的
33、强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废，必须设法防止。按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂两种。(1)热裂热裂热裂是高温下形成的裂纹，其形状特征是裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。 防止热裂的主要措施是防止热裂的主要措施是： 合理设计铸件结构； 合理选用型砂、芯砂的粘结剂与附加物，以改善其退让性；大的型芯可制成中空的或内部填以焦炭； 严格限制钢和铸铁中的硫含量(因为硫能增加热脆性，降低合金的高温强度)；选用收缩率小的合金等。(2)冷裂冷裂冷裂是指在低温下形成的裂纹，其形状特征与热裂不同，冷裂是指在低温下形成的裂纹，其形状特征与热裂不同，冷裂纹细小，呈连续直线状，缝
34、内干净，有时呈轻微氧冷裂纹细小，呈连续直线状，缝内干净，有时呈轻微氧化色。化色。 冷裂是合金处于弹性状态时，当其铸造应力大于该温度下合金的强度极限时产生的。 防止冷裂的主要措施是防止冷裂的主要措施是：减少铸造应力或降低合金的脆性。严格控制钢和铸铁的磷含量。浇注之后，勿过早打箱。五、铸件中的气孔五、铸件中的气孔 气孔气孔是是气体气体在在铸件中形成的孔洞铸件中形成的孔洞，其内壁较光滑其内壁较光滑、明明亮亮或或带轻微氧化色带轻微氧化色，易与缩孔等孔洞类缺陷区分开来。，易与缩孔等孔洞类缺陷区分开来。 气孔是铸件中最常见的缺陷，它减少了铸件的有效承载面积，并在气孔附近引起了应力集中，因而降低了铸件的力学
35、性能，特别是冲击韧度和疲劳强度显著降低。弥散性气孔还可促使显微缩松的形成，降低铸件的气密性。气孔可分类气孔可分类析出性气孔、侵入性气孔和反应性气孔三类。 1析出性气孔析出性气孔 合金在熔炼合金在熔炼和和浇注时吸收气体的性能称为合金的吸气性浇注时吸收气体的性能称为合金的吸气性，也是合，也是合金的金的铸造性能之一铸造性能之一。 析出性气孔的特征是析出性气孔的特征是： 分布面积较广； 靠近冒口、热节等后凝固区域分布较密集； 形状呈团球形或裂纹多角形。 这种气孔在铝合金铸件中最为多见。防止析出性气孔的主要措施有防止析出性气孔的主要措施有： 减少液态合金的原始含气量，如断绝气体的来源、减少气体进人的可能
36、性； 有色金属应在熔剂层下熔炼，熔炼后期要进行除气精炼；提高铸件凝固时的冷却速度和外部压力，以阻止气体的析出等。2侵入性气孔侵入性气孔 侵人性气孔是由于砂型表面层聚集的气体侵入合金中侵人性气孔是由于砂型表面层聚集的气体侵入合金中而形成的气孔。而形成的气孔。侵入铸件中的气体，主要来源于造型材料中的水分、粘结剂和各种附加物的加热蒸发。侵人性气孔一般体积较大，单个或数量不多，在铸件的局部(如铸件的凹角处、外表面或内表面等)出现。有时因泥芯受潮或型砂发气量太大会造成气孔丛生，呈蜂窝状，俗称“呛火”。防止侵入性气孔的主要措施防止侵入性气孔的主要措施降低型(芯)砂的发气量和增加铸型的排气能力以及应用涂料等
37、。 3反应性气孔反应性气孔 浇人铸型中的合金液与铸型之间或在合金液内部发生化学反应所浇人铸型中的合金液与铸型之间或在合金液内部发生化学反应所产生的气孔，称为反应性气孔。产生的气孔，称为反应性气孔。 反应性气孔主要来源于合金液与型砂中的水分反应所形成的气体。这些气体或溶入液态合金中而在冷凝过程中析出，或直接侵入造成气孔缺陷。 合金与铸型问反应性气孔，通常分布在铸件表面皮下13mm(有时只在一层氧化皮下面)，表面经加工或清理后，就暴露出许多小气孔，所以通称皮下气孔，也称针孔。防止反应性气孔的主要措施防止反应性气孔的主要措施 减少浇注前合金液的含气量； 提高浇注温度以利于气体的排除； 严格控制型(芯
38、)砂的发气量，并增加透气性； 合理使用涂料； 若使用冷铁，应防止潮湿和锈蚀。 此外，浇注时要平稳，以减少合金液产生氧化。第二节砂型铸造第二节砂型铸造 目前目前,铸件生产的主要方法铸件生产的主要方法,砂型铸件占铸件总量的砂型铸件占铸件总量的90%以上以上,可生可生产各种铸钢产各种铸钢,灰铁灰铁,球铁球铁,可锻铸铁可锻铸铁,有色金属等有色金属等.用于铸造各种机械用于铸造各种机械零件零件砂型铸造生产过程砂型铸造生产过程: 配砂配砂造型造型烘干烘干 熔化熔化 浇注浇注 合型合型落砂落砂清理清理检验检验 配砂配砂造芯造芯烘干烘干 造型操作顺序造型操作顺序: 1安放铸模2套下箱,撒防粘材料3盖上面砂4铲填
39、背砂5用尖头砂冲舂砂6用平头砂冲舂砂 7刮去多余型砂8翻转下型9撒分型砂10吹去铸模上的分型砂11撒防粘材料12加面砂13填上型14扎通气孔15去上型16起模17挖浇口18合箱浇注. 一、砂型铸造生产过程简介一、砂型铸造生产过程简介 1造型材料的选择造型材料的选择 制造铸型制造铸型(芯芯)用的材料为造型材料，主用的材料为造型材料，主要由要由砂砂、粘土粘土、有有机或机或无机粘结剂无机粘结剂和其他和其他附加物附加物组成。组成。 造型材料按一定比例配合，经过混制获得符合要求的型(芯)砂。 每生产1t合格铸件，约需45t型(芯)砂。型型(芯芯)砂应具备的性能砂应具备的性能良好的成型性、透气性和退让性，
40、足够的强度和高的耐火性等。 铸件中的常见缺陷，如砂眼、夹砂、气孔及裂纹等缺陷的产生常是由于型(芯)砂的性能不合格引起的。 合理选择造型材料，制备符合要求的型合理选择造型材料，制备符合要求的型(芯芯)砂，可提高铸件质量，砂，可提高铸件质量，降低成本。降低成本。型型(芯芯)砂分类砂分类(按使用粘结剂按使用粘结剂)(1)粘土砂粘土砂 粘土砂是由砂、粘土、水及附加物粘土砂是由砂、粘土、水及附加物(煤粉、木屑煤粉、木屑等等)按一定比例制备而成，以粘土为粘结剂按一定比例制备而成，以粘土为粘结剂。 粘土砂的适应性很强，铸铁、铸钢及铝、铜合金等铸件均适宜，并且不受铸件的大小、重量、形状和批量的限制。 它既广泛
41、用于造型，又可用来制造形状简单的大、中型芯。并且粘土砂可用于手工造型，也可用于机器造型。 另外，粘土的储量丰富、来源广、价格低廉。 粘土砂的回用性好，旧砂仍可重复使用多次，因此应用最广泛。粘土砂粘土砂可分为湿型砂和干型砂两大类可分为湿型砂和干型砂两大类。湿型砂湿型砂主要用于中小铸件；主要用于中小铸件；干型砂干型砂主要用于质量要求高的大、中型铸件。主要用于质量要求高的大、中型铸件。 (2)水玻璃砂水玻璃砂 水玻璃砂是以水玻璃为粘结剂的一种型砂。水玻璃砂是以水玻璃为粘结剂的一种型砂。 目前生产中广泛采用的水玻璃砂是用二氧化碳气体来硬化的。 目前，正在推广在水玻璃中加入有机酯硬化剂而制得的水玻璃自硬
42、砂。优点优点不需要烘干，硬化速度快，生产周期短。型砂强度高 易于实现机械化，工人劳动条件得以显著改善。不足之处不足之处铸铁件及大的铸钢件易粘砂出砂性差，致使铸件的落砂清理困难。水玻璃砂的回用性差。(3)油砂、合脂砂及树脂砂油砂、合脂砂及树脂砂 对结构形状复杂、要求很高的型芯，则难以满足要求，因此对结构形状复杂、要求很高的型芯，则难以满足要求，因此要求要求芯砂需具备更高的干强度、透气性、耐火性、退让性和良好的出芯砂需具备更高的干强度、透气性、耐火性、退让性和良好的出砂性，同时要求较低的发气性和吸湿性，并且不易粘芯盒砂性，同时要求较低的发气性和吸湿性，并且不易粘芯盒。1)油砂及合脂砂油砂及合脂砂
43、植物油植物油(如桐油、亚麻仁油等如桐油、亚麻仁油等)一直是制造复杂型芯的主要粘结剂。一直是制造复杂型芯的主要粘结剂。 尽管油砂性能优良，但油料来源少，价格昂贵，因此常用“合脂”来代替。 用“合脂”为粘结剂配制的型(芯)砂称为合脂砂。“合脂合脂”是制皂工业的副产品，性能与植物油相近，且来源丰富，价是制皂工业的副产品，性能与植物油相近，且来源丰富，价格便宜，故已得到广泛应用。格便宜，故已得到广泛应用。 2)树脂砂树脂砂以合成树脂为粘结剂配制的型以合成树脂为粘结剂配制的型(芯芯)砂称为树脂砂砂称为树脂砂。 树脂砂包括树脂砂包括热芯盒砂、冷芯盒砂热芯盒砂、冷芯盒砂。热芯盒砂热芯盒砂 使用的粘结剂是液态
44、呋喃树脂，芯砂射人热芯盒后，使用的粘结剂是液态呋喃树脂，芯砂射人热芯盒后，在热的作用下固化在热的作用下固化；冷芯盒砂冷芯盒砂 使用的粘结剂是酚醛树脂，芯砂射入冷芯盒后，在催化剂的作用下硬化。使用的粘结剂是酚醛树脂，芯砂射入冷芯盒后，在催化剂的作用下硬化。 树脂砂制备的型树脂砂制备的型(芯芯)不需要烘干，可迅速硬化，故生产率高；不需要烘干，可迅速硬化，故生产率高；型芯强度比油砂高，型芯的尺寸精确、表面光滑，其退型芯强度比油砂高，型芯的尺寸精确、表面光滑，其退让性和出砂性好，同时便于实现机械化和自动化。让性和出砂性好，同时便于实现机械化和自动化。2造型与造芯造型与造芯 造型是用造型混合料及模样等工
45、艺装备制造型是用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程，它是砂型铸造的最基本工序造铸型的过程，它是砂型铸造的最基本工序。 通常分为手工造型和机器造型。通常分为手工造型和机器造型。 生产中应根据铸件的尺寸、形状、生产批量、铸件的技术要求以及生产条件等因素，合理地选择造型方法。(1)手工造型手工造型 手工造型是指造型主要的两工序紧实和起模是手工造型是指造型主要的两工序紧实和起模是由手工完成的，它主要用于单件小批生产。由手工完成的，它主要用于单件小批生产。 各种手工造型方法的特点和适用范围见表8-2。(2)机器造型机器造型 机器造型是指用机器完成全部或至少完成紧实机器造型是指用机器完成全部或至少完
46、成紧实和起模两主要工序的操作。和起模两主要工序的操作。 机器造型可提高生产率、提高铸件精度和表面质量、铸件加工余量小、改善了劳动条件，但只有大批量生产时才能显著降低铸件成本。表表82各种手工造型方法的特点和适用范围各种手工造型方法的特点和适用范围造型方法造型方法 主要特点主要特点 适用范围适用范围按按砂砂型型特特征征分分类类两箱造型造型的最基本方法，铸型由上箱和下箱构成，操作方便各种生产批量和各种大小铸件三箱造型铸型由上中、下三箱构成。中箱高度须与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工，且需配有合适的砂箱单件小批生产。具有两个分型面的铸件脱箱造型(无箱造型)在可脱砂箱内造型，合型后浇注前
47、，将砂箱取走，重新用于新的造型。用一个砂箱可重复制作很多铸型，节约砂箱。需用型砂将铸型周围填实，或在铸型上加套箱，以防浇注时错箱生产小铸件。因砂箱无箱带，所以砂箱尺寸小于400400mmn150lnrn地坑造型在地面以下的砂坑中造型，不用砂箱或只用上箱，大铸件需在砂床下面铺以焦炭，埋上出气管，以便浇注时引气。减少了制造砂箱的费用和时间，但造型费工，劳动量大，要求工人技术较高整模选型砂箱不足或生产批量不大、质量要求不高的铸件，如砂箱压铁、炉、芯骨等。按模样特征分类整模造型模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在一个砂箱内。选型简单，铸件不会产生错型缺陷最大截面在一端、且为平面的铸件挖砂造型模样
48、是整体的,分型画为曲面。为起出模样，造型时用手工挖去阻碍起模的砂。造型费工，生产率低，要求工人技术高单件小批生产。分型面不是平面的铸件假箱造型克服了挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先作一个与分型面相吻合的底胎，然后在底胎上造下箱。因底胎不参加浇注，故称假箱。比挖砂造型简便，且分型面整齐在成批生产中需要挖砂的铸件分模造型将模样沿最大截面处分为两半，型腔位于上、下两个砂箱闪，造型简单，节省工时最大截面在中部的铸件活块造型铸件上有妨碍起模的小凸台、肋条等。制模时将这些部分作成活动的(即活块)。起模时先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。造型费工，工人技术水平要求高单件小批生产。带有突出部分难以起模的铸
49、件刮板造型用刮板代替实体模样造型。可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，要求工人技术水平高等截面的或回转体的、中型铸件的单件小批生产，如带轮、铸管、弯头等机器造型机器造型是采用模板进行两箱造型的是采用模板进行两箱造型的。模板模板是将模样、浇注系统沿分型面与模底板联结成一是将模样、浇注系统沿分型面与模底板联结成一整体的专用模具整体的专用模具，造型后模底板形成分型面，模样形造型后模底板形成分型面，模样形成铸型型腔成铸型型腔。机器造型不能进行三箱造型，同时也应避免活块，否机器造型不能进行三箱造型，同时也应避免活块，否则会显著降低造型机的生产率。则会显著降低造型机的生产率。因此，在设计大
50、批量生产的铸件及确定其铸造工艺时，因此，在设计大批量生产的铸件及确定其铸造工艺时，应考虑这些要求。应考虑这些要求。表表83为常用机器造型方法及应用。为常用机器造型方法及应用。表83各种机器造型方法的特点和应用型砂型砂紧实紧实方法方法主要特点主要特点适用范适用范围围 压实紧实压实紧实用较低比压(砂型单位面积上所受的压力，MPa)压实砂型。机器结构简单噪音小、生产率高、消耗动力少。型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀愈往下愈小成批生产，高度小于200nn的铸件 高高压紧实压紧实用较高比压(大于O.7MPa)压实砂型。砂型紧实度高，铸件精度高，表面粗糙度R。值小，废品率低，生产率高，噪声低、灰尘少，
