1、 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础机械设计制造及其自动化专业课程 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 第五五章 凝固成形技术 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 （铸造铸造）机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 第一节第一节 凝固成形概述凝固成形概述 一、凝固成形材料一、凝固成形材料（1 1）铸铁）铸铁 铸铁是碳质量分数大于铸铁是碳质量分数大于2.11%2.11%、含有较多的、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。许多优良的使用
2、性能和工艺性能，应用广泛。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 1.1.铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在：固溶在固溶在F F、A A中，中，化合物态的渗碳体化合物态的渗碳体(Fe(Fe3 3C)C)，游离态石墨（游离态石墨（G G）。）。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础石墨的晶体结构石墨的晶体结构 石墨石墨(G)(G)稳定相，简单六方晶稳定相，简单六方晶格。底面上原子呈六方网格排列，格。底面上原子呈六方网格排列，原子间距小（原子间距小（1.421.421010-10-10 m m），结），结合力很强；合力很强；底面
3、间的间距较大（底面间的间距较大（3.043.041010-10-10 m m），结合力较弱。石墨的强），结合力较弱。石墨的强度、硬度和塑性很差。度、硬度和塑性很差。渗碳体渗碳体 亚稳相，具有复杂的晶亚稳相，具有复杂的晶体结构，硬而脆。体结构，硬而脆。在一定条件下能分解为铁和石墨在一定条件下能分解为铁和石墨 FeFe3 3C3Fe+C C3Fe+C 即即 FeFe3 3CF+G CF+G FeFe3 3C C 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 石墨的作用：石墨的作用：（1 1）石墨提高铸铁的切削加工性能。）石墨提高铸铁的切削加工性能。（2 2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体积收）铸件凝固时
4、石墨膨胀，减少铸件体积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。（3 3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。油，使铸件有很好的耐磨性能。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 （4 4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。有很好的抗振性能。（5 5）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。拉强度越低。灰铁、球铁及
5、钢振动衰减图灰铁、球铁及钢振动衰减图 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础铸铁分类铸铁分类第第1 1阶段阶段石墨化石墨化第第2 2阶段阶段石墨化石墨化第第3 3阶段阶段石墨化石墨化组织组织特征特征组织组织白口铸铁白口铸铁 不进行不进行不进行不进行不进行不进行有有LeLe无无G GLe+P+FeLe+P+Fe3 3C C LeLeLe+FeLe+Fe3 3C C麻口铸铁麻口铸铁部分进行部分进行 部分进行部分进行不进行不进行 有有LeLe有有G GLe+P+GLe+P+G灰口铸铁灰口铸铁 充分进行充分进行 充分进行充分进行 充分进行充分进行部分进行部分进行不进行不进行无无LeLe有有G GF+G
6、F+GF+P+GF+P+GP+GP+G 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 2.2.灰口铸铁的组织特征和分类灰口铸铁的组织特征和分类 铸铁组织由基体和石墨组成。铸铁组织由基体和石墨组成。基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体 石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状灰口铸铁的分类灰口铸铁的分类灰口铸铁灰口铸铁石墨形态石墨形态灰铸铁、孕育铸铁灰铸铁、孕育铸铁片状、细片状片状、细片状球墨铸铁球墨铸铁球状球状蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕虫状蠕虫状可锻铸铁可锻铸铁团絮状团絮状 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础灰口铸铁根据石墨形态不同又可分为灰口
7、铸铁根据石墨形态不同又可分为：普通灰铸铁（片状普通灰铸铁（片状G）；可锻铸铁（团絮状）；可锻铸铁（团絮状G）；）；球墨铸铁（球状球墨铸铁（球状G）；）；蠕墨铸铁（蠕虫状蠕墨铸铁（蠕虫状G）机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 常用铸铁：1.1.灰铸铁灰铸铁 价格便宜、应用最广。价格便宜、应用最广。（1 1）灰铸铁的牌号）灰铸铁的牌号 HT150HT150、HT250HT250、HT400 HT400 “HT”“HT”表示表示“灰铁灰铁”，数字表示最低抗，数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。加珠光体三种基体。灰铸铁中的碳、
8、硅质量分数一般控制在灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：以下范围：2.5%2.5%4.0%C;1.0%4.0%C;1.0%2.0%Si2.0%Si。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础灰铸铁的显微组织灰铸铁的显微组织 F+G片片 F+P+G片片 P+G片片 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础灰铸铁的应用灰铸铁的应用 叶轮叶轮 发动机飞轮发动机飞轮 箱体箱体 启动阀启动阀 灰铸铁铸造性能优良、灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。机电工程系机电工程系 材料成
9、形技术基础 2.2.球墨铸铁球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状。球墨铸铁的石墨呈球状。具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。F+GF+G球球 F+P+GF+P+G球球 P+GP+G球球 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 (1)(1)球墨铸铁的成分和球化处理球墨铸铁的成分和球化处理 成分：成分：要求比较严格。要求比较严格。3.6%3.6%3.9%C,2.2%3.9%C,2.2%2.8%Si,0.6%2.8%Si,0.6%0.8%M
10、n,0.07%S,0.1%P0.8%Mn,0.07%S,1040 mm时，a125。H更高时，a值应更小。4.铸造收缩率；指铸件自高温冷却至室温时，尺寸的缩小值与铸件名铸件自高温冷却至室温时，尺寸的缩小值与铸件名义尺寸的百分比义尺寸的百分比，灰铸铁件为0.81，铸钢件为1.82.2，铸造铝合金为1.01.6。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础一、熔模铸造一、熔模铸造 熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础二、金属型铸造二
11、、金属型铸造 将金属液浇注到金属铸型中，待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸造。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础三、压力铸造三、压力铸造 压力铸造是在专用设备压铸机上进行的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固获得铸件的方法。常用的压力为几个至几十个兆帕，充型时间为0.010.2秒，充型速度为0.550m/s。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础四、低压铸造四、低压铸造低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.020.06Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法，如图所示。带保温炉不带保
12、温炉1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础五、离心铸造五、离心铸造 离心铸造是将金属液浇入高速旋转（2501500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础卧式离心铸造机卧式离心铸造机 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础六、真空吸铸六、真空吸铸 真空吸铸是利用真空系统装置，在结晶器内造成负压，将熔融金属从坩埚吸入圆筒形石墨铸型或金属型中，并保持一定时间而获得铸件的方法。如下
13、图所示。抽真空 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础七、陶瓷型铸造七、陶瓷型铸造 陶瓷型铸造是将金属液浇注到陶瓷铸型中获得铸件的方法，是在砂型铸造和熔模铸造基础上发展起来的一种精密铸造。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础八、连续铸造八、连续铸造 连续铸造是将金属液不断地浇入被称为结晶器的铸型的一端，并另一端将凝固了的铸件连续不断地拉出，从而获得任意长度或特定长度的等截面铸件的方法。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础连续铸造示意图连续铸造示意图 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础九、实型铸造九、实型铸造 实型铸造又称“气化模造型”或“消失模铸造“，其实质是采用聚苯乙烯发泡材料制得的
14、模型（气化模）代替木模造型，不用起模直接将金属液浇注到气化模上，使其燃烧、气化并形成空腔来容纳金属液，从而获得铸件的方法。如下图所示 实型铸造示意图实型铸造示意图 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 实型铸造实型铸造 实型铸造又称气化膜铸造、消失模铸造。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础第一类第一类:重力作用下的液态成型工艺重力作用下的液态成型工艺 壳型成型工艺壳型成型工艺 金属型成型工艺金属型成型工艺 熔模成型工艺熔模成型工艺 气化模成型工艺气化模成型工艺第二类第二类:外力作用下的液态成型工艺外力作用下的液态成型工艺 离心铸造离心铸造 压力铸造压力铸造 低压铸造低压铸造铸造工艺及方法
15、（铸造工艺及方法（特种铸造）特种铸造）机电工程系机电工程系 材料成形技术基础各种铸造方法的比较各种铸造方法的比较 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 思考 见下图示，为一铸铝小连杆，请问：试制样机时宜采用什么铸造方法？年产量为1万件时，应选用什么铸造方法？当年产量超过10万件时，应选用什么铸造方法？机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 铸件结构设计铸件结构设计 1、铸件结构于铸造工艺的关系 1.结构应使工艺简化 具体对铸件而言：简化外形，分形少；机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 凸肋设计避活块 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 直分型防挖砂 机电工程系机电工程系 材料成形技术
16、基础 2.内腔设计少用芯，安芯排气与清理 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 3.“结构斜度”为起模；设计图上画清晰。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础4.组合铸件 化繁为简，大切小，简化工艺再组合。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础2铸件结构与合金铸造性能的关系一、合理设计铸件的壁厚过厚过薄不合理，添筋设肋降壁厚，细化组织省金属，减少热节防缺陷。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 铸件壁厚求均匀，减少应力避缺陷。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 正确连接铸件壁，拐弯之处大弧渡，厚薄不同缓慢过，过渡结构代锐角。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 避免较大水平面，适当倾
17、斜易成形。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 二、避免变形和裂纹的结构 对称截面消翘曲 为求细长变形小 机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 合理设计加强筋 平板有刚曲翘少。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础 小结小结：一、结构应使工艺简化 1.简化外形，分形少，凸肋设计避活块。2.内腔设计少用芯，安芯排气与清理，事先考 虑想仔细 3.结构斜度为起模，设计图上画清晰。拔模斜 度模样留，工艺设计想周细。4.组合铸件 化繁为简，大切小，简化工艺再组合。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础二、结构力求避免缺陷1.壁厚 过厚过薄不合理，添筋设肋降壁厚，细化组织省金属，减少热节防缺陷。2.铸件壁厚求均匀，减少应力避缺陷。3.正确连接铸件壁，拐弯之处大弧渡，厚薄不同缓慢过，过渡结构代锐角。4.避免较大水平面 适当倾斜易成形 5.工艺台阶利加工 6.避免变形和裂纹的结构铸钢、铝件易裂处，薄壁筋条防裂好。对称截面消翘曲，为求细长变形小合理设计加强筋，平板有刚曲翘少。轮辐奇数或弯曲，自缓应力防开裂。机电工程系机电工程系 材料成形技术基础
