1、第二章第二章第二章第一节铸件的凝固第二节合金的收缩第三节缩孔和缩松第四节铸造应力和铸件变形第五节铸件的裂纹复习思考题第一节铸件的凝固一、铸件的凝固方式二、铸件的凝固原则三、铸件凝固的控制一、铸件的凝固方式1.凝固动态曲线图2-1铸件凝固动态曲线的绘制a)铸件断面的温度时间曲线b)凝固动态曲线c)某一时刻的凝固状况曲线16对应于x/R=0，0.2，1.0 x铸件表面向中心方向的距离R铸件壁厚之半或圆柱体、球体的半径液相边界固相边界一、铸件的凝固方式2.铸件的凝固方式3.几种典型合金的凝固(1)灰铸铁和球墨铸铁生产中常用的灰铸铁和球墨铸铁是接近共晶成分的合金，但其凝固特点和铸造性能与一般的窄结晶范
2、围合金有很大差别。一、铸件的凝固方式表2-1灰铸铁和球墨铸铁的临界温度铸铁成分（%）液相线温度/共晶转变温度范围/奥氏体结晶温度间隔/共晶转变温度间隔/CE灰铸铁304139053351252115411439811球铁2782240493621238114711169131一、铸件的凝固方式图2-2亚共晶灰铸铁和球墨铸铁的凝固动态曲线(铸件为178mm178mm方截面杆件，砂型)a)灰铸铁b)球墨铸铁1)灰铸铁的共晶始点和终点之间的距离小，一、铸件的凝固方式共晶凝固近似于逐层凝固方式；而球墨铸铁则相反，共晶凝固近于体积凝固方式。2)两种铸铁在共晶凝固阶段都析出石墨而发生体积膨胀，但由于它们的
3、石墨形态和长大机理不同，石墨膨胀的作用对合金的铸造性能则有截然不同的影响。(2)铸钢图2-3所示是三种不同含碳量的碳素钢，在砂型和金属型中铸造时测得的凝固动态曲线。图2-3不同含碳量碳素钢的凝固动态曲线a)(0.05%0.1%),=22b)(0.25%0.3%),=42c)(0.55%0.6%),=70一、铸件的凝固方式4.合金的凝固方式与铸件质量的关系(1)窄结晶温度范围的合金这类合金包括纯金属、共晶成分合金和其它窄结晶温度范围的合金(见表2-2)。一、铸件的凝固方式表2-2几种窄结晶温度范围的合金纯金属共晶类合金其它窄结晶温度范围合金工业用铜共晶成分合金低碳钢工业用锌近共晶成分合金铝青铜工
4、业用锡结晶温度范围小的黄铜一、铸件的凝固方式(2)宽结晶温度范围的合金表2-3所列为常用的宽结晶温度范围的合金。一、铸件的凝固方式表2-3倾向于体积凝固的合金铝合金、镁合金铜合金铁碳合金铝铜合金锡青铜高碳钢铝镁合金铝青铜球墨铸铁镁合金结晶温度范围大的黄铜一、铸件的凝固方式(3)中等结晶温度范围的合金这类合金在工业上常用的有中碳钢、高锰钢、部分特殊黄铜和白口铸铁等。5.铸件的凝固时间和凝固速度(1)“平方根定律”计算法该计算法适用于大型平板类结晶温度间隔小的合金铸件，求得近似值。一、铸件的凝固方式表2-4各种合金的凝固系数合金冷却条件凝固系数K/（cm/mi）合金冷却条件凝固系数K/（cm/mi
5、）灰铸铁砂型金属型0720铸钢砂型金属型1326可锻铸铁砂型金属型1120黄铜砂型金属型水冷金属型183842一、铸件的凝固方式(2)“折算厚度“计算法当合金、铸型和浇注条件确定之后，铸件的凝固时间决定于铸件散热表面积与体积之比，即折算厚度。一、铸件的凝固方式图2-4实测凝固时间与折算厚度的关系二、铸件的凝固原则1.顺序凝固原则2.同时凝固原则1)碳硅含量高的灰铸铁，其体收缩较小，甚至不收缩，合金本身则不易产生缩孔和缩松。2)结晶温度范围大、容易产生缩松的合金(如锡青铜)，对气密性要求不高时，可采用同时凝固原则，使工艺简化。3)壁厚均匀的铸件，尤其是均匀薄壁铸件，倾向用同时凝固；消除缩松有困难
6、，应采用同时凝固原则。4)球铁铸件利用石墨化膨胀力实现自身补缩时，则必须采用同时凝固原则。二、铸件的凝固原则5)从合金性质而论适宜采用顺序凝固原则的铸件以及当热裂、变形为主要矛盾时，也可以采用同时凝固原则。三、铸件凝固的控制1.正确布置内浇道图2-5各种引入方式与铸件温度分布的关系1顶注式2快浇底注式3慢浇底注式4阶梯式浇注系统(铸件高900mm，碳素钢，砂型铸造)三、铸件凝固的控制2.选择合理的浇注工艺3.合理设计铸件结构4.冒口和补贴的应用图2-6铸件上的补贴a)垂直补贴b)水平补贴三、铸件凝固的控制5.改变铸型材料以控制铸件凝固图2-7局部热节的补贴第二节合金的收缩一、收缩的基本概念二、
7、铸造合金的收缩特性三、铸件的收缩一、收缩的基本概念二、铸造合金的收缩特性图2-8铸造合金的收缩过程示意图a)合金状态图b)具有结晶温度范围合金(m成分)的收缩过程c)共晶合金(n成分)的收缩过程1.液态收缩阶段二、铸造合金的收缩特性2.凝固收缩阶段3.固态收缩阶段二、铸造合金的收缩特性表2-5几种FeC合金的自由线收缩率材料名称化学成分（%）碳当量（%）收缩率（%）浇注温度（）硅钢06136104200500118851520碳素钢014015001400521651530白口铸铁265100048006001530421801300白口镁球墨铸铁33523304000600900894101
8、8201240灰铸铁3303140660095002643810821270灰口镁球墨铸铁3002960690110015004540208071250三、铸件的收缩1.铸钢的收缩(1)液态收缩当铸钢的化学成分一定时，t浇愈高，则V液愈大，根据实验，钢液温度每下降100,V液约下降为1.5%1.75%。(2)凝固收缩如前所述，具有结晶温度范围合金的凝固体收缩率V凝，主要包括温度降低和状态改变两部分。三、铸件的收缩表2-6碳素钢的凝固收缩率(%)含碳质量分数01003504507020304353三、铸件的收缩(3)固态收缩1)珠光体转变前收缩。图2-9碳素钢的线收缩率三、铸件的收缩2)共析转变
9、期的膨胀。3)珠光体转变的收缩。三、铸件的收缩表2-7碳素钢的线收缩率与碳含量的关系(%)014151011106246045139011107235090121001098218三、铸件的收缩2.铸铁的收缩(1)液态收缩三、铸件的收缩三、铸件的收缩(2)凝固收缩若取状态改变的体收缩率的平均值为3.0%，凝固温度范围内的体收缩系数平均值为1.010-4/。三、铸件的收缩三、铸件的收缩表2-8铸铁的凝固收缩率(%)2025303540白口铸铁5146423733灰铸铁43281401-15三、铸件的收缩(3)固态收缩1)最初的收缩初缩。2)收缩的前膨胀缩前。3)珠光体转变前的收缩珠前。4)共析转
10、变的膨胀共膨。5)珠光体转变后的收缩珠后。3.铸件的收缩图2-10FeC合金自由收缩曲线1碳素钢2白口铸铁3白口镁球铁4硅钢5灰铸铁6灰口镁球铁三、铸件的收缩(1)铸型表面的摩擦力铸件收缩时，其表面与型腔表面之间摩擦力的大小与铸件重量，铸型表面粗糙度有关。(2)热阻力铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力，称为热阻力。(3)机械阻力铸件收缩时，受到铸型和型芯的阻力，称为机械阻力。第三节缩孔和缩松一、缩孔二、缩松三、缩孔和缩松的转化规律四、灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松五、缩孔和缩松的防止方法一、缩孔图2-11计算缩孔容积的示意图a)液态b)凝固状态一、缩孔一、缩孔一、缩孔表2-9几种铁碳合金的缩
11、孔率材料浇注温度/化学成分（质量分数，%）缩孔率（%）金属基体组织CSiMnPSMg碳素钢15400240010050050040645铁素体珠光体白口铸铁12502651100480160090570莱氏体珠光体灰铸铁12703232930450110032256铁素体-珠光体灰铸铁12903404120600090025165铁素体一、缩孔表2-9几种铁碳合金的缩孔率灰口球铁129032237005100900100060550珠光体+铁素体一、缩孔图2-12等固相线法确定铸件缩孔一、缩孔图2-13内切圆法确定铸件缩孔三、缩孔和缩松的转化规律三、缩孔和缩松的转化规律图2-14FeC合金铸件
12、中缩孔和缩松的分配及转换示意图四、灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松1.灰铸铁和球墨铸铁缩孔、缩松的形成图2-15灰铸铁和球铁石墨长大特点a)片状石墨长大b)球状石墨长大四、灰铸铁和球墨铸铁铸件的缩孔和缩松2.灰铸铁和球墨铸铁缩孔和缩松的影响因素(1)铸铁成分对于亚共晶灰铸铁，碳当量增加，共晶石墨的析出量增加，有利于消除缩孔和缩松，对于碳当量的质量分数超过4.3%的过共晶铸铁，可能由于C、Si含量过高，铁液中出现石墨漂浮，反而石墨析出量减小，影响缩孔体积。(2)铸型刚度铸型刚度大，铸铁在共晶转变发生石墨化膨胀时，型壁不会扩张迁移，缩前膨胀小，缩孔容积相应减小。五、缩孔和缩松的防止方法(1)合金性
13、质在铸件使用条件允许的情况下，尽量选取结晶温度范围窄的合金。(2)铸型条件铸型刚度的大小将影响灰铸铁，特别是球墨铸铁凝固过程中型壁迁移的大小。(3)铸造工艺合理的铸造工艺可以有效地防止缩孔和缩松产生。1)合理地选择浇注系统的引入位置及浇注工艺，综合应用冒口、补贴和冷铁以及在冒口上加发热剂、保温剂等。2)采取合理的熔炼工艺，减少液态金属中的气体及夹杂物，提高其流动性和补缩能力。五、缩孔和缩松的防止方法3)将铸型置于压力罐中，浇注后迅速关闭浇注孔，使铸件在压力下凝固，可以消除或减轻显微缩松。4)悬浮浇注。(4)铸件结构合理地改进铸件的结构，力求壁厚均匀，减小热节，或使铸件壁厚变化有利于顺序凝固。第
14、四节铸造应力和铸件变形一、铸造应力及其种类二、铸造应力的形成过程三、减小和消除铸造应力的措施四、铸件变形一、铸造应力及其种类(1)收缩应力铸件在固态收缩时，因铸型、型芯、浇冒口、箱档及铸件本身结构阻碍收缩而引起的铸造应力。(2)热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于温差造成不均衡收缩而引起的铸造应力。(3)相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的铸造应力。二、铸造应力的形成过程1.热应力图2-16壁厚不同的应力框铸件热应力的发展过程a)应力框铸件b)两杆温度变化曲线c)两杆温差变化曲线d)两杆应力变化曲线1粗杆2细杆3横梁合金线收缩开始温度二、铸造应力的形成过程二、铸造应
15、力的形成过程表2-10一些铸造合金的弹性模量材料钢白口铸铁球墨铸铁灰铸铁铝合金E/MPa196000166000135000182000735001080006500083000二、铸造应力的形成过程1)铸件各部分厚薄不同则会产生热应力，厚部(粗)为拉应力，薄部(细)为压应力。2)铸件中各部分厚薄相差愈大，热应力就愈大。3)厚大断面的铸件冷却后，外层(冷却快)存在压应力，内部(冷却慢)存在拉应力。4)铸件材质的弹性模量和固态线收缩系数愈大，则铸件的热应力也愈大。2.相变应力1)外层激冷进行固态转变，发生相变膨胀，而内层尚未相变的为塑性，即使正在处于开始相变，也有相变塑性。二、铸造应力的形成过程
16、2)内层进行固相转变而膨胀，本身受压应力也可能发生塑性压缩变形，但不足以抵消原有的塑性拉伸变形。3.收缩应力1)铸型和型芯有较高的强度和较低的退让性。2)砂箱箱带和型芯内芯骨的阻碍。3)浇冒口系统以及铸件上突出部分的阻碍。4)设置在铸件上的拉肋、防裂肋及分型面上飞边的阻碍。二、铸造应力的形成过程表2-11三种应力的分布特点铸件部位热应力相变应力收缩应力由于共析转变由于石墨化落砂前落砂后细薄处或截面外表压应力拉应力拉应力拉应力0厚实处或截面内层拉应力压应力压应力拉应力0三、减小和消除铸造应力的措施1.减小铸造应力的措施(1)铸件原材料的选择在满足铸件工作条件和成本的前提下，选择弹性模量和收缩系数
17、小的合金材料。(2)凝固原则的选择就是从工艺上采取必要的措施，使铸件各部分的冷却速度尽量相同，以达到铸件各部分几乎同时进行凝固。1)对一般铸件，内浇道开在薄壁处；对于中、大型薄壁铸件应使用多而小的内浇道，分散而均匀地引入液态金属。2)在铸件过薄的壁缘处开溢流冒口或溢流槽，以减缓此处的降温速度，使其金相组织和其它部位一致。三、减小和消除铸造应力的措施3)在易形成细小缩孔及缩松的部位，如壁的交叉处等，造型时安放冷铁或采用高蓄热系数的型砂等。4)改善铸型、型芯的退让性；合理设置浇冒口；铸件凝固后及早去除压箱铁，松开砂箱紧固装置；正确确定铸件在铸型中停留时间等。(3)铸件结构尽量使铸件各部分能自由收缩
18、，铸件壁厚尽可能均匀，厚、薄壁连接处合理过渡，热节要小而分散。2.消除铸件中残余应力的方法(1)低温退火处理(也称人工时效处理)三、减小和消除铸造应力的措施图2-17铸件退火温度和退火时间与内应力消除程度之间的关系三、减小和消除铸造应力的措施(2)振动时效处理即铸件在激振器所施加的周期性外力作用下产生共振，松弛残余应力。四、铸件变形1.铸件变形的种类(1)扩口变形由于铸件结构设计不合理、铸造工艺不恰当而产生的变形，称为扩口变形。图2-18铸件的扩口变形a)半圆形铸钢件的扩口变形b)用拉肋防止其扩口变形(图中假想线表示)四、铸件变形(2)翘曲变形这是最常见的铸件变形，或由于人为因素，例如模样制作
19、有误、变形等而造成铸件的变形。图2-19典型翘曲变形示意图a)机床床身翘曲变形b)板形铸件上供翘曲变形四、铸件变形2.防止铸件变形的措施(1)设置拉肋对易产生扩口变形的铸件设置拉肋，以防止其变形。(2)采用合理的铸造工艺采用合理的铸造工艺，让铸件实现同时凝固，有利于防止翘曲变形。(3)采取反变形措施在模样上做出与铸件残余变形量相等、方向相反的预变形量(假曲率、反变形量)按该模样生产的铸件，经冷却变形后，尺寸和形状刚好符合要求。(4)改变铸件的结构采用变形轮辐代替直轮辐，减小阻力，防止变形。四、铸件变形(5)提高铸型刚度加大压铁重量，可以减小铸件的翘曲变形量。(6)控制铸件打箱时间适当延长打箱时
20、间，可避免或减小变形。第五节铸件的裂纹一、铸件的热裂二、铸件的冷裂一、铸件的热裂(1)液膜理论铸件冷却到固相线附近时，晶粒的周围还有少量未凝固的液态金属，构成液膜。(2)强度理论铸件在凝固末期，固相骨架已形成并开始线收缩，由于收缩受阻，铸件中产生应力和塑性变形。1)合金的性质。2)铸型的阻力。3)浇冒口系统的分布。一、铸件的热裂表2-12不同粘结剂和砂芯对铸钢件所产生的应力值粘结剂材料砂芯种类铸件（ZG270450）内产生的应力值/MPa1300珠光体转变开始前酚醛树脂壳芯00水玻璃壳芯00粘土和低浆残液实芯、湿态03052糊精实芯、干态03567纸浆废液实芯、干态04068粘土实芯、干态09
21、086水玻璃实芯、干态12095一、铸件的热裂4)浇注工艺。5)铸件结构。二、铸件的冷裂图2-20轮子的冷裂示意图1带轮2飞轮复习思考题1.何谓凝固？它有哪些伴生现象产生？2.铸件的凝固方式有哪三种？有何特点？3.灰铸铁和球墨铸铁凝固的特点是什么？4.合金的凝固方式与铸件质量有何关系？5.铸件的凝固时间和凝固速度应怎样进行估算？6.怎样控制铸件的凝固？7.何谓缩孔、缩松？怎样近似确定缩孔位置？8.缩孔和缩松的防止方法有哪些？9.何谓铸造应力？有哪几种？10.铸造热应力是怎样产生的？11.减小和消除铸造应力有哪些措施？12.能生产没有铸造应力的铸件吗？为什么？13.铸件为什么会变形？怎样防止？复习思考题14.铸件产生热裂和冷裂的原因是什么？15.举例说明灰铸铁件产生冷裂的原因。16.体收缩率和线收缩率如何进行计算？17.铸造合金分为哪三个收缩阶段？
