材料成形技术全册配套完整教学课件.ppt

1、材料成形技术全册配套材料成形技术全册配套 完整教学课件完整教学课件 液态材料铸造液态材料铸造 成形技术过程成形技术过程 铸造概述铸造概述 铸造铸造 砂型铸造 基本工艺过程 制作模样 配制型砂 制作芯盒 制作芯砂 砂型 铸型 凝固、落砂、清理、检验 铸件 型芯 烘干 造型 下 芯 浇 注 液态金属 选配炉料 熔炼 造芯 其主要工序如图其主要工序如图2 2- -1 1所示：所示： 原材料 零件技术要求 熔化 控制调整成分造型 浇注 凝固 出模 清理、检验等 表表2 2- -1 1 各类机械工业中铸件质量比各类机械工业中铸件质量比 机械类别机械类别 比率比率/ / 机床、内燃机、重型机器机床、内燃机

2、、重型机器 风机、压缩机风机、压缩机 拖拉机拖拉机 农业机械农业机械 汽车汽车 70709090 60608080 50507070 40407070 20203030 目前铸造成形技术的方法种类繁多。目前铸造成形技术的方法种类繁多。 按生产方法分类，可分为砂型铸造和特按生产方法分类，可分为砂型铸造和特 种铸造。按合金分类可分为铸铁、铸钢、种铸造。按合金分类可分为铸铁、铸钢、 铝合金、铜合金、镁合金、钛合金铸造铝合金、铜合金、镁合金、钛合金铸造 等。等。 近年来，从制造系统工程的角度出近年来，从制造系统工程的角度出 发，铸造技术与自动化、计算机、新能发，铸造技术与自动化、计算机、新能 源、新材

3、料等高新技术相结合，以达到源、新材料等高新技术相结合，以达到 净形或近似净形成形为目标，以精化、净形或近似净形成形为目标，以精化、 强化毛坯件为核心，兼顾高效、节能节强化毛坯件为核心，兼顾高效、节能节 材，少或无污染的综合效果，正逐步摆材，少或无污染的综合效果，正逐步摆 脱传统模式而形成精密成形技术。脱传统模式而形成精密成形技术。 在铸型材料方面，推广了快速硬化在铸型材料方面，推广了快速硬化 的水玻璃砂及其各类自硬砂，成功地用的水玻璃砂及其各类自硬砂，成功地用 树脂砂快速制造高强度砂型和砂芯。在树脂砂快速制造高强度砂型和砂芯。在 铸造合金方面，发展了高强度、高韧度铸造合金方面，发展了高强度、高

4、韧度 的球墨铸铁和各类合金铸铁，成功地用的球墨铸铁和各类合金铸铁，成功地用 球墨铸铁件代替某些锻钢件。球墨铸铁件代替某些锻钢件。 在铸造设备方面，已建立起先进的在铸造设备方面，已建立起先进的 机械化、自动化高压造型生产线。在新机械化、自动化高压造型生产线。在新 技术方面，各种各样特种铸造或精密铸技术方面，各种各样特种铸造或精密铸 造方法得到发展和应用。所有这些都提造方法得到发展和应用。所有这些都提 高了铸件的品质、节能节材。生产效率高了铸件的品质、节能节材。生产效率 不断提高，生产成本不断降低，劳动条不断提高，生产成本不断降低，劳动条 件不断改善，增强了企业的竞争力。件不断改善，增强了企业的竞

5、争力。 一、金属及合金的铸造成形技术过程一、金属及合金的铸造成形技术过程 特征及理论基础特征及理论基础 （一）（一）铸造特点及合金铸造性能铸造特点及合金铸造性能 1 1、基本概念、基本概念 熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇 入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸 件的成形方法称为液态成形。简称铸造。件的成形方法称为液态成形。简称铸造。 液态成形是机械制造中生产机器零件或液态成形是机械制造中生产机器零件或 毛坯的主要方法之一。毛坯的主要方法之一。 2 2、主要特点、主要特点： （1 1）成形方便，工艺灵活性大）成形方便，工艺灵活性

6、大 （2 2）成本低廉，设备简单、周期短）成本低廉，设备简单、周期短 （3 3）砂型铸件的力学性能较差，质量）砂型铸件的力学性能较差，质量 不够稳定不够稳定 （4 4）砂型铸造成形生产劳动强度大，）砂型铸造成形生产劳动强度大， 生产条件差生产条件差 3 3、合金的铸造性能、合金的铸造性能 铸造合金除应具备符合要求的力学铸造合金除应具备符合要求的力学 性能和必要的物理、化学性能外，还必性能和必要的物理、化学性能外，还必 须有良好的铸造性能。合金的铸造性能须有良好的铸造性能。合金的铸造性能 主要是指合金的充型能力与合金的收缩主要是指合金的充型能力与合金的收缩 性能等。铸造的缺陷性能等。铸造的缺陷,

7、 ,如浇不足、缩孔、如浇不足、缩孔、 缩松、铸造应力、变形、裂纹等都与合缩松、铸造应力、变形、裂纹等都与合 金的铸造性能有关。金的铸造性能有关。 铸造缺陷照片铸造缺陷照片 （二）（二）液态金属的充型能力液态金属的充型能力 1 1、液态合金的充型能力、液态合金的充型能力 液态合金填充铸型的过程液态合金填充铸型的过程, ,简称充型。简称充型。 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, , 轮廓清晰铸件的能力轮廓清晰铸件的能力, ,称为合金的充填称为合金的充填 铸型能力，简称合金的充型能力。铸型能力，简称合金的充型能力。 表表2 2- -2 2 不同金属和不同铸造方法

8、铸造的铸件不同金属和不同铸造方法铸造的铸件 最小壁厚最小壁厚mmmm 铸造方法铸造方法 金属种类金属种类 砂型砂型 金属型金属型 熔模熔模 壳型壳型 压铸压铸 灰铸铁灰铸铁 3 3 44 0.40.40.80.8 0.80.81.51.5 铸钢铸钢 4 4 8 81010 0.50.51 1 2.52.5 铝合金铝合金 3 3 3 34 4 0.60.60.80.8 充型能力强的液态金属，易于充满充型能力强的液态金属，易于充满 薄而复杂的型腔，有利于金属液中气体、薄而复杂的型腔，有利于金属液中气体、 杂质的上浮并排除，有利于对铸件凝固杂质的上浮并排除，有利于对铸件凝固 时的收缩进行补缩。液态金

9、属的充型能时的收缩进行补缩。液态金属的充型能 力弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、力弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、 夹杂、缩孔、热裂等缺陷。夹杂、缩孔、热裂等缺陷。 液态金属的充型能力主要取决于金液态金属的充型能力主要取决于金 属自身的流动能力，还受外部条件，如属自身的流动能力，还受外部条件，如 铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素 的影响，是各种因素的综合反映。的影响，是各种因素的综合反映。 2 2、影响合金充型能力的主要因素、影响合金充型能力的主要因素 （1 1）流动性流动性：流动性指熔融金属的流：流动性指熔融金属的流 动能力动能力, ,它是影响充型能力

10、的主要因素它是影响充型能力的主要因素 之一。液态金属流动性用浇注流动性试之一。液态金属流动性用浇注流动性试 样的方法来衡量。在生产和科学研究中样的方法来衡量。在生产和科学研究中 应用最多的是螺旋形试样，如图应用最多的是螺旋形试样，如图2 2- -2 2所所 示。示。 将金属液浇入螺旋形试样铸型中，将金属液浇入螺旋形试样铸型中， 显然，在相同的铸型及条件下。浇出的显然，在相同的铸型及条件下。浇出的 螺旋形试样越长，表示该金属的流动性螺旋形试样越长，表示该金属的流动性 越好。越好。 表表2 2- -3 3 一些合金的流动性（螺旋形试一些合金的流动性（螺旋形试 样，沟槽截面样，沟槽截面8mm8mm8

11、mm8mm） 合金合金 铸型铸型 浇注温度浇注温度 / 螺旋线长度螺旋线长度/mm/mm 铸铁：铸铁：w w(C+Si)=6.2%(C+Si)=6.2% w w(C+Si)=5.9%(C+Si)=5.9% w w(C+Si)=5.2%(C+Si)=5.2% w w(C+Si)=4.2%(C+Si)=4.2% 砂型砂型 13001300 13001300 13001300 13001300 18001800 13001300 10001000 600600 铸钢：铸钢：w w(C)=0.4%(C)=0.4% 砂型砂型 16001600 16401640 100100 200200 铝硅合金铝硅合

12、金 金属型金属型 (300)(300) 680680720720 700700800800 镁合金（镁合金（MgMg- -AlAl- -ZnZn） 砂型砂型 700700 400400600600 锡青铜：锡青铜：w w(Sn)=9%(Sn)=9%11%11% w w(Zn)=2%(Zn)=2%4%4% 硅黄铜：硅黄铜：w w(Si)=1.5%(Si)=1.5% 4.5%4.5% 砂型砂型 10401040 11001100 420420 10001000 金属的流动性与金属的成分、温度、金属的流动性与金属的成分、温度、 杂质含量及其物理性质有关，其中化学杂质含量及其物理性质有关，其中化学 成

13、分的影响最为显著，图成分的影响最为显著，图2 2- -3 3为铁碳合为铁碳合 金流动性与状态图的关系。金流动性与状态图的关系。 由图可见，纯金属和共晶成分的合金，由图可见，纯金属和共晶成分的合金， 由于是在恒温下进行结晶，固液界面比由于是在恒温下进行结晶，固液界面比 较光滑，对液态合金的阻力较小，其流较光滑，对液态合金的阻力较小，其流 动性最好；其它成分的合金是在一定温动性最好；其它成分的合金是在一定温 度范围内结晶的，初生树枝晶与液相两度范围内结晶的，初生树枝晶与液相两 相共存，粗糙的固液界面使合金的流动相共存，粗糙的固液界面使合金的流动 阻力加大，合金的流动性大大下降，合阻力加大，合金的流

14、动性大大下降，合 金的结晶温度区间越宽，流动性越差。金的结晶温度区间越宽，流动性越差。 （2 2）浇注条件浇注条件：指的是浇注温度与充：指的是浇注温度与充 型的压力。浇注温度对液态金属的充型型的压力。浇注温度对液态金属的充型 能力有决定性的影响，浇注温度越高，能力有决定性的影响，浇注温度越高， 充型能力越好。在一定温度范围内，充充型能力越好。在一定温度范围内，充 型能力随浇注温度的提高而直线上升，型能力随浇注温度的提高而直线上升， 超过某界限后，由于吸气，氧化严重，超过某界限后，由于吸气，氧化严重， 充型能力的提高幅度减小。充型能力的提高幅度减小。 液态金属在流动方向上所受压力液态金属在流动方

15、向上所受压力 ( (充型压头充型压头) )越大，则流动速度越快，充越大，则流动速度越快，充 型能力就越好。但金属液的静压头过大型能力就越好。但金属液的静压头过大 或充型速度过高时，不仅发生喷射和飞或充型速度过高时，不仅发生喷射和飞 溅现象，使金属氧化和产生溅现象，使金属氧化和产生“铁豆铁豆”缺缺 陷，而且型腔中气体来不及排出，反压陷，而且型腔中气体来不及排出，反压 力增加，造成力增加，造成“浇不足浇不足”或或“冷隔冷隔”缺缺 陷。陷。 浇注系统结构越复杂，流动阻力越浇注系统结构越复杂，流动阻力越 大，液态金属充型能力越低。大，液态金属充型能力越低。 （3 3）铸型性质铸型性质：铸型的阻力影响金

16、属：铸型的阻力影响金属 液的充型速度，铸型与金属的热交换强液的充型速度，铸型与金属的热交换强 度影响金属液保持流动的时间。所以铸度影响金属液保持流动的时间。所以铸 型的蓄热系数型的蓄热系数b(b(表示铸型从其中的金属表示铸型从其中的金属 液吸取并储存在本身中热量的能力液吸取并储存在本身中热量的能力) )愈愈 大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于 其中保持液态的时间就愈短，充型能力其中保持液态的时间就愈短，充型能力 下降。下降。 如液态金属在金属铸型中的流动性如液态金属在金属铸型中的流动性 比在砂铸型中差；铸型的温度较高，就比在砂铸型中差；铸型的温度较高，就 能减

17、少金属液与铸型的温差，从而提高能减少金属液与铸型的温差，从而提高 金属液的充型能力，如在金属型中浇注金属液的充型能力，如在金属型中浇注 铝合金铸件，将铸型温度由铝合金铸件，将铸型温度由340340提高提高 到到520520，在相同的浇注温度，在相同的浇注温度(760)(760)下，下， 螺旋线长度则由螺旋线长度则由525mm525mm增加到增加到950mm950mm。熔。熔 融合金充型时，铸型的阻铸型对合金的融合金充型时，铸型的阻铸型对合金的 冷却作用冷却作用 都将影响合金的充型能力。都将影响合金的充型能力。 （4 4）铸件结构铸件结构：铸件结构复杂，厚薄部：铸件结构复杂，厚薄部 分过渡面多，

18、则型腔结构复杂，流动阻分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻 力大，充型能力弱。力大，充型能力弱。 衡量铸件结构的因素是铸件的折算衡量铸件结构的因素是铸件的折算 厚度厚度R(RR(R铸件体积铸件体积/ /铸件散热表面积铸件散热表面积 V VS)S)和复杂程度，它们决定着铸型型和复杂程度，它们决定着铸型型 腔的结构特点。腔的结构特点。 如果铸件体积相同，在同样的浇注条如果铸件体积相同，在同样的浇注条 件下，件下，R R大的铸件，由于与铸型的接触表面大的铸件，由于与铸型的接触表面 积相对较小，热量散失比较缓慢则充型积相对较小，热量散失比较缓慢则充型 能力较高。铸件的壁越薄，能力较高。铸件的壁越薄，R

19、R越小则充型越小则充型 能力较弱。能力较弱。 铸件结构复杂，厚薄部分过渡面多，铸件结构复杂，厚薄部分过渡面多， 则型腔结构复杂，流动阻力大，充型能力则型腔结构复杂，流动阻力大，充型能力 弱。弱。 铸件壁厚相同时，铸型中的垂直壁比铸件壁厚相同时，铸型中的垂直壁比 水平壁更容易充满。水平壁更容易充满。 （三）铸件的凝固（三）铸件的凝固 铸型中的合金从液态转变为固态的过程，铸型中的合金从液态转变为固态的过程， 称为铸件的凝固，或称为结晶。称为铸件的凝固，或称为结晶。 金属的凝固，一般均是在常温、常压金属的凝固，一般均是在常温、常压( (重力重力) ) 情况下进行的，情况下进行的，( (压铸等技术除外

20、压铸等技术除外) )。金属。金属 凝固时应满足的热力学条件是：只有当体凝固时应满足的热力学条件是：只有当体 系所处的温度低于熔点温度系所处的温度低于熔点温度( (液相线温液相线温 度度)Tm)Tm时，才能发生凝固现象。液固两相时，才能发生凝固现象。液固两相 自由能差自由能差( (G GGlGlGs0Gs0。) )是凝固过程继是凝固过程继 续进行的驱动力。续进行的驱动力。 金属的凝固包括晶核的形成及晶体金属的凝固包括晶核的形成及晶体 的长大两过程。当液态金属冷却到熔点的长大两过程。当液态金属冷却到熔点 温度以下时，就不断从液相中产生固相温度以下时，就不断从液相中产生固相 的核心的核心( (晶核晶

21、核) )，接下来这些核心逐渐长，接下来这些核心逐渐长 大，同时在剩余的液相中继续出现新的大，同时在剩余的液相中继续出现新的 核心并长大，直至液相消耗完毕。结晶核心并长大，直至液相消耗完毕。结晶 终了。整个凝固结晶过程也就是形核和终了。整个凝固结晶过程也就是形核和 长大过程交替、交迭进行的过程。长大过程交替、交迭进行的过程。 铸件在凝固过程中除纯金属和共晶铸件在凝固过程中除纯金属和共晶 成分合金外，断面上一般都存在三个区成分合金外，断面上一般都存在三个区 域，即固相区、凝固区（固液两相区）域，即固相区、凝固区（固液两相区） 和液相区。凝固区的大小对铸件品质影和液相区。凝固区的大小对铸件品质影 响

22、较大，按照凝固区的宽窄，铸件的凝响较大，按照凝固区的宽窄，铸件的凝 固方式可分为逐层凝固、体积凝固（糊固方式可分为逐层凝固、体积凝固（糊 状凝固）和中间凝固三种方式，如图状凝固）和中间凝固三种方式，如图2 2- - 4 4所示。所示。 图图2 2- -4 4 合金的凝固方式合金的凝固方式 （a a）逐层凝固）逐层凝固 b)b)中间凝固中间凝固 c)c)糊状凝固糊状凝固 1 1- -凝固层凝固层 2 2- -液相液相 3 3- -铸件中心铸件中心 4 4- -固固- -液相区液相区 1 1）逐层凝固）逐层凝固 纯金属和共晶合金在恒温下结晶，凝纯金属和共晶合金在恒温下结晶，凝 固过程中铸件截面上的

23、凝固区域的宽度固过程中铸件截面上的凝固区域的宽度 为零，铸件截面上固液两相界面分明，为零，铸件截面上固液两相界面分明， 随着温度的下降，固相区不断增大，逐随着温度的下降，固相区不断增大，逐 渐到达铸件的中心，如图渐到达铸件的中心，如图2 2- -4a4a）所示。）所示。 2 2）体积凝固）体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸当合金的结晶温度范围很宽，或因铸 件截面温度梯度很小，铸件凝固时，其件截面温度梯度很小，铸件凝固时，其 液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整 个铸件截面，如图个铸件截面，如图2 2- -4c4c）所示。）所示。 3 3）中间凝固）中间凝

24、固 金属结晶温度范围很窄，或结晶温度金属结晶温度范围很窄，或结晶温度 范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸 件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固 与体积凝固之间，如图与体积凝固之间，如图2 2- -4b4b）所示。）所示。 （四）（四）铸件的收缩铸件的收缩 1 1、收缩的基本概念、收缩的基本概念 铸件在凝固和冷却过程中，其体积减少铸件在凝固和冷却过程中，其体积减少 的现象称为收缩。收缩可分为液态收缩、的现象称为收缩。收缩可分为液态收缩、 凝固收缩和固态收缩，液态收缩和凝固凝固收缩和固态收缩，液态收缩和凝固 收缩表现为合金的体积缩小

25、，通常以体收缩表现为合金的体积缩小，通常以体 积收缩率表示，它们是铸件产生缩孔、积收缩率表示，它们是铸件产生缩孔、 缩松缺陷的基本原因。缩松缺陷的基本原因。 金属从高温金属从高温T0T0冷却到冷却到T1T1时，其体时，其体( (线线) )收缩率收缩率 以单位体积以单位体积( (长度长度) )的相对变化量来表示。的相对变化量来表示。 即：即： 体收缩率体收缩率 %100)(%100 10 0 10 TT V VV VV 线收缩率线收缩率 %100)(%100 10 0 10 TT l ll ll V l 式中式中 V V0 0、V V1 1金属在金属在T T0 0和和T T1 1时的体积；时的体

26、积； l l0 0、l l1 1金属在金属在T T0 0和和T T1 1时的长度时的长度 ； 、 金属在金属在T T0 0- -T T1 1温度范围内的体收缩系数和线收缩系数温度范围内的体收缩系数和线收缩系数(1(1) )。 合金的固态收缩，尽管也是体积合金的固态收缩，尽管也是体积 变化变化, ,但它只引起铸件各部分尺寸的变但它只引起铸件各部分尺寸的变 化。因此，通常用线收缩率来表示。固化。因此，通常用线收缩率来表示。固 态收缩是铸件产生内应力、裂纹和变形态收缩是铸件产生内应力、裂纹和变形 等缺陷的主要原因。等缺陷的主要原因。 2 2）收缩的三个基本阶段）收缩的三个基本阶段 金属由浇注温度冷金

27、属由浇注温度冷 却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态却到室温经历了液态收缩、凝固收缩和固态 收缩三个相互关联的收缩阶段，如图收缩三个相互关联的收缩阶段，如图2 2- -5 5所示。所示。 （1 1）液态收缩阶段）液态收缩阶段() () 金属从浇注金属从浇注 温度温度T T浇 浇冷却到液相线温度 冷却到液相线温度T T液 液过程中完全 过程中完全 处于液态收缩。由公式处于液态收缩。由公式(2(2- -1)1)可看出，可看出， T T浇 浇愈高，过热度 愈高，过热度( (T T浇 浇T T液液) )愈大以及收 愈大以及收 缩系数较大，使液态收缩率增大。金属缩系数较大，使液态收缩率增大。金属 体积

28、收缩表现为型腔内液面的降低。体积收缩表现为型腔内液面的降低。 （2 2）凝固收缩阶段）凝固收缩阶段() () 金属自液相线温度金属自液相线温度 ( (T T液 液) )冷却到固相线温度 冷却到固相线温度( (T T固 固) )之间 之间( (包括状态包括状态 的改变的改变) )凝固阶段的收缩。对于在一定温度下凝固阶段的收缩。对于在一定温度下 结晶的纯金属和共晶成分的合金，凝固收缩结晶的纯金属和共晶成分的合金，凝固收缩 只由状态改变引起。具有结晶温度范围的合只由状态改变引起。具有结晶温度范围的合 金，凝固收缩由状态改变和温度下降两部分金，凝固收缩由状态改变和温度下降两部分 产生，且随结晶温度间隔

29、产生，且随结晶温度间隔( (T T液 液T T固固) )的增大而 的增大而 增大。增大。 液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松 的基本原因。的基本原因。 （3 3）固态收缩阶段）固态收缩阶段 金属自金属自T T固 固冷却至 冷却至 室温的收缩。通常表现为铸件外形尺寸室温的收缩。通常表现为铸件外形尺寸 的减少，故一般用线收缩率表示。它对的减少，故一般用线收缩率表示。它对 铸件的形状和尺寸精度影响很大，也是铸件的形状和尺寸精度影响很大，也是 铸件产生应力、变形和裂纹等缺陷的基铸件产生应力、变形和裂纹等缺陷的基 本原因。本原因。 金属的总体收缩为上述三个阶段收

30、缩金属的总体收缩为上述三个阶段收缩 之和。它和金属自身的成分、温度和相之和。它和金属自身的成分、温度和相 变有关。变有关。 2 2、铸件的实际收缩、铸件的实际收缩 金属自身的成分、温度和相变会影响铸金属自身的成分、温度和相变会影响铸 件的收缩，实际上，它还会受到一些外件的收缩，实际上，它还会受到一些外 界阻力的影响：界阻力的影响： （1 1）铸型表面的摩擦阻力）铸型表面的摩擦阻力 铸件收缩时，其表面与铸型表面之间的铸件收缩时，其表面与铸型表面之间的 摩擦与铸件品质，铸型表面的平滑程度摩擦与铸件品质，铸型表面的平滑程度 有关。如碳钢铸件在粘土砂型中，这种有关。如碳钢铸件在粘土砂型中，这种 阻力使

31、收缩率平均减少阻力使收缩率平均减少0 03 3。铸型表。铸型表 面有涂料或覆料时，摩擦阻力可以忽略面有涂料或覆料时，摩擦阻力可以忽略。 （2 2）热阻力）热阻力 铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力。铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力。 （3 3）机械阻力）机械阻力 铸件收缩时，受到铸型和型芯的阻力。铸件收缩时，受到铸型和型芯的阻力。 铸件在铸型中的收缩仅受到金属表面与铸件在铸型中的收缩仅受到金属表面与 铸型表面之间的摩擦阻力时，为自由收铸型表面之间的摩擦阻力时，为自由收 缩。如果铸件在铸型中的收缩受到其他缩。如果铸件在铸型中的收缩受到其他 阻碍，则为受阻收缩。阻碍，则为受阻收缩。 3 3、铸件

32、的、铸件的缩孔与缩松的形成与防止缩孔与缩松的形成与防止 液态金属在凝固过程中，由于液态收缩液态金属在凝固过程中，由于液态收缩 和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部 位出现大而集中的孔洞，称缩孔；细小位出现大而集中的孔洞，称缩孔；细小 而分散的孔洞称分散性缩孔，简称为缩而分散的孔洞称分散性缩孔，简称为缩 松。它们可使铸件力学性能，气密性等松。它们可使铸件力学性能，气密性等 大大降低，以致成为废品，是极其有害大大降低，以致成为废品，是极其有害 的铸造缺陷之一。的铸造缺陷之一。 （1 1）缩孔与缩松的形成）缩孔与缩松的形成 缩孔产生的基本原因是金属的液态收缩和凝缩孔产

33、生的基本原因是金属的液态收缩和凝 固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。 缩孔形成的基本条件是金属在恒温或很窄的缩孔形成的基本条件是金属在恒温或很窄的 温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。 缩松形成的基本原因也是金属的液态收缩和缩松形成的基本原因也是金属的液态收缩和 凝固收缩大于固态收缩。但形成缩松的基本凝固收缩大于固态收缩。但形成缩松的基本 条件是金属的结晶温度范围较宽，呈体积凝条件是金属的结晶温度范围较宽，呈体积凝 固方式（也称为糊状凝固方式）。缩松常存固方式（也称为糊状凝固方式）。缩松常存 在铸件壁的中心区域、

34、厚大部位、冒口根部在铸件壁的中心区域、厚大部位、冒口根部 和内浇道附近。和内浇道附近。 由以上缩孔和缩松的形成过程，可得到以下由以上缩孔和缩松的形成过程，可得到以下 规律：规律： 合金的液态收缩和凝固收缩愈大（如铸钢、合金的液态收缩和凝固收缩愈大（如铸钢、 白口铸铁、铝青铜），铸件愈易形成缩孔；白口铸铁、铝青铜），铸件愈易形成缩孔； 合金的浇注温度愈高，液态收缩愈大，愈合金的浇注温度愈高，液态收缩愈大，愈 易形成缩孔；易形成缩孔； 结晶温度范围宽的合金，倾向于体积凝固，结晶温度范围宽的合金，倾向于体积凝固， 易形成缩松；纯金属和共晶成分合金倾向于易形成缩松；纯金属和共晶成分合金倾向于 逐层凝固

35、，易形成缩孔。逐层凝固，易形成缩孔。 （2 2）缩孔和缩松的防止）缩孔和缩松的防止 采用顺序凝固原则：顺序凝固是采用采用顺序凝固原则：顺序凝固是采用 各种措施保证铸件结构上各部分，从远各种措施保证铸件结构上各部分，从远 离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐 递增的温度梯度，实现由远离冒口的部递增的温度梯度，实现由远离冒口的部 分最先凝固，向冒口的方向顺序地凝固，分最先凝固，向冒口的方向顺序地凝固， 使缩孔移至冒口中，切除冒口即可获得使缩孔移至冒口中，切除冒口即可获得 合格的铸件。这是防止铸件中产生缩孔合格的铸件。这是防止铸件中产生缩孔 和缩松的基本原则。和缩松的

36、基本原则。 图图2 2- -9 9顺序凝固方式示意图顺序凝固方式示意图 为了实现顺序凝固原则，采用的技术措施主为了实现顺序凝固原则，采用的技术措施主 要有：合理设计内浇口位置及浇注技术；合要有：合理设计内浇口位置及浇注技术；合 理应用冒口、冷铁和补贴等技术措施。在合理应用冒口、冷铁和补贴等技术措施。在合 理设计内浇口位置及浇注技术方面，若按顺理设计内浇口位置及浇注技术方面，若按顺 序凝固方式，内浇口应从铸件厚大处引入，序凝固方式，内浇口应从铸件厚大处引入， 尽可能靠近冒口或由冒口引入，如图尽可能靠近冒口或由冒口引入，如图2 2- -9 9。浇。浇 注技术主要指浇注温度和浇注速度，用高的注技术主

37、要指浇注温度和浇注速度，用高的 浇注温度缓慢地浇注，金属液流经铸型时间浇注温度缓慢地浇注，金属液流经铸型时间 愈长，远离浇口处的液体温度愈低，靠近浇愈长，远离浇口处的液体温度愈低，靠近浇 口处温度较高，能增加铸件的纵向温度，有口处温度较高，能增加铸件的纵向温度，有 利于顺序凝固方式。利于顺序凝固方式。 图图2 2- -10 10 冒口和冷铁冒口和冷铁 图图2 2- -1111铸件上的补贴铸件上的补贴 （a a）垂直补贴）垂直补贴 (b)(b)水平补贴水平补贴 冒口的作用不仅是补缩，同时还为顺序凝固冒口的作用不仅是补缩，同时还为顺序凝固 创造条件。冷铁是用铸铁、钢、铜和石墨等创造条件。冷铁是用铸

38、铁、钢、铜和石墨等 材料制成的激冷物。放入铸型内，用以加快材料制成的激冷物。放入铸型内，用以加快 铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固 顺序，与冒口相配合，可扩大冒口的有效补顺序，与冒口相配合，可扩大冒口的有效补 缩距离缩距离( (图图2 2- -10)10)。在铸件上加补贴。在铸件上加补贴( (图图2 2- -11)11)， 造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，形成造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，形成 人为的补缩通道，可延长冒口的有效补缩距人为的补缩通道，可延长冒口的有效补缩距 离。离。 加压补缩：将铸型置于压力罐中，浇注后加压补缩：将铸型置于压力罐中

39、，浇注后 使铸件在压力下凝固，可显著消除或减轻显使铸件在压力下凝固，可显著消除或减轻显 微缩松。采用压力铸造、离心铸造等特种铸微缩松。采用压力铸造、离心铸造等特种铸 造方法使铸件在压力下凝固，可有效防止缩造方法使铸件在压力下凝固，可有效防止缩 孔和缩松。孔和缩松。 此外，还可采用悬浮浇注、机械振动、电磁此外，还可采用悬浮浇注、机械振动、电磁 场、离心力消除一般技术措施难于消除的缩场、离心力消除一般技术措施难于消除的缩 孔和缩松。孔和缩松。 （五）五）铸造应力铸造应力 1 1、概念、概念 铸件在凝固和随后的冷却过程中，收缩铸件在凝固和随后的冷却过程中，收缩 受到阻碍而引起的内应力，称为铸造应受到

40、阻碍而引起的内应力，称为铸造应 力。铸造应力分为热应力、相变应力、力。铸造应力分为热应力、相变应力、 和机械阻碍应力。和机械阻碍应力。 (1)(1)热应力热应力 热应力是由于铸件壁厚不均，各部分冷却速热应力是由于铸件壁厚不均，各部分冷却速 度不同，收缩量不同而产生的热阻碍所造成度不同，收缩量不同而产生的热阻碍所造成 的。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种的。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种 残余铸造应力。残余铸造应力。 (2)(2)相变应力相变应力 铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变， 比容发生变化。当铸件各部位温度不同时，比容发生变化。当铸件各部

41、位温度不同时， 固态相变不同时发生，新旧两相的比容差越固态相变不同时发生，新旧两相的比容差越 大，相变应力越大。钢的各种组成相的比容大，相变应力越大。钢的各种组成相的比容 见表见表2 2- -6 6。马氏体的比容最大，如铸件快速冷。马氏体的比容最大，如铸件快速冷 却时却时( (如水爆清砂如水爆清砂) )，发生马氏体相变产生较，发生马氏体相变产生较 大的相变应力，可能使铸件开裂，甚至断裂。大的相变应力，可能使铸件开裂，甚至断裂。 (3)(3)机械阻碍应力机械阻碍应力 铸件在冷却过程中因收缩受到箱带、铸型、铸件在冷却过程中因收缩受到箱带、铸型、 型芯、浇注系统和冒口等的机械阻碍而产生型芯、浇注系统

42、和冒口等的机械阻碍而产生 的应力为机械阻碍应力。图的应力为机械阻碍应力。图2 2- -1313所示套筒筒所示套筒筒 身及内孔在固态收缩中受到舂制过紧的砂身及内孔在固态收缩中受到舂制过紧的砂 型凸出部分及型芯的阻碍，产生拉应力。当型凸出部分及型芯的阻碍，产生拉应力。当 形成应力的原因一经消除，如落砂、去除浇形成应力的原因一经消除，如落砂、去除浇 冒口后，应力也随之消失。因此，机械应力冒口后，应力也随之消失。因此，机械应力 是一种临时应力。是一种临时应力。 图图2 2- -1313受砂型和砂芯机械阻碍的铸件受砂型和砂芯机械阻碍的铸件 2 2、铸造应力对铸件品质的影响、铸造应力对铸件品质的影响 （1

43、 1）易使铸件产生变形）易使铸件产生变形 （2 2）开裂）开裂 3 3、防止和减小铸造应力的措施、防止和减小铸造应力的措施 合理地设计铸件的结构合理地设计铸件的结构 铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相铸件的形状愈复杂，各部分壁厚相 差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸 造应力愈大。因此，在设计铸件时造应力愈大。因此，在设计铸件时 应尽量使铸件形状简单、对称、壁应尽量使铸件形状简单、对称、壁 厚均匀。厚均匀。 尽量选用线收缩率小、弹性模量小尽量选用线收缩率小、弹性模量小 ( (表表2 2- -7)7)的合金。的合金。 表表2 2- -7 7一些铸造合金的弹性模量一些铸造合金的

44、弹性模量 材料材料 钢钢 白口铸铁白口铸铁 球铁球铁 灰铸铁灰铸铁 铝合金铝合金 E/MPaE/MPa 196000196000 166000166000 135000135000 182000182000 7350073500 108000108000 65000650008300083000 采用同时凝固的技术采用同时凝固的技术 所谓同时凝固是指采所谓同时凝固是指采 取一些技术措施，使铸件各部分温差很小，取一些技术措施，使铸件各部分温差很小， 几乎同时进行凝固，如图几乎同时进行凝固，如图2 2- -1414所示。因各部所示。因各部 分温差小，不易产生热应力和热裂，铸件变分温差小，不易产生热

45、应力和热裂，铸件变 形小。形小。 图2-14 同时凝固方式示意图 合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小 铸件各部分温差；采用退让性好的型、铸件各部分温差；采用退让性好的型、 芯砂。芯砂。 若铸件已存在残余应力，可采用人工若铸件已存在残余应力，可采用人工 时效、自然时效或振动时效等方法消除。时效、自然时效或振动时效等方法消除。 （2 2）铸件的裂纹与防止）铸件的裂纹与防止 当铸造应力的总合超过金属的抗拉强度极限当铸造应力的总合超过金属的抗拉强度极限 时，铸件便产生裂纹。时，铸件便产生裂纹。 热裂热裂 热裂一般是在凝固末期，金属处于固热裂一般是在凝固末期，金属处于固 相

46、线附近的高温时形成的。其形状特征是裂相线附近的高温时形成的。其形状特征是裂 缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化颜色。缝短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化颜色。 合理地调整合金成分（严格控制钢和铁中的合理地调整合金成分（严格控制钢和铁中的 硫、磷含量），合理地设计铸件结构，采用硫、磷含量），合理地设计铸件结构，采用 同时凝固的原则和改善型（芯）砂的退让性，同时凝固的原则和改善型（芯）砂的退让性， 都是防止热裂的有效措施。都是防止热裂的有效措施。 冷裂冷裂 冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态 时，所受应力总和大于该温度下合金的抗拉时，所受应力总和大于该温度下合金的抗拉

47、强度而产生的。其形状特征是：裂纹细小，强度而产生的。其形状特征是：裂纹细小， 呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化 色。色。 脆性大、塑性差的金属，如白口铸铁、高碳脆性大、塑性差的金属，如白口铸铁、高碳 钢及某些合金钢铸件最易产生冷裂纹。大型钢及某些合金钢铸件最易产生冷裂纹。大型 复杂铸件也易形成冷裂纹，防止冷裂的方法复杂铸件也易形成冷裂纹，防止冷裂的方法 是尽量减小铸造应力。是尽量减小铸造应力。 （五）（五）金属的吸气性金属的吸气性 1 1、概念、概念 金属在熔炼过程中溶解气体；在浇注过金属在熔炼过程中溶解气体；在浇注过 程中因浇包未烘干、铸型浇注系统

48、设计程中因浇包未烘干、铸型浇注系统设计 不当、铸型透气性差以及浇注速度控制不当、铸型透气性差以及浇注速度控制 不当、或型腔内气体不能及时排出，都不当、或型腔内气体不能及时排出，都 会使气体进入金属液，增加金属中气体会使气体进入金属液，增加金属中气体 的含量这就构成了金属的吸气性。的含量这就构成了金属的吸气性。 2 2、金属液吸收气体的过程、金属液吸收气体的过程 （1 1）气体分子撞击到金属液表面）气体分子撞击到金属液表面 （2 2）在高温金属液表面上气体分子离）在高温金属液表面上气体分子离 解为原子状态解为原子状态 （3 3）气体原子根据与金属元素之间的）气体原子根据与金属元素之间的 亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸 附方式吸附在金