第7章鑄造工藝基礎(chǔ)

熱加工工藝基礎(chǔ)1金屬材料導(dǎo)論2金屬液態(tài)成形（鑄造）3金屬塑性成形（金屬壓力加工）4金屬連接成形（焊接）熱加工工藝2/1/2023第2篇金屬的液態(tài)成形

（鑄造）鑄造工藝基礎(chǔ)鑄件生產(chǎn)結(jié)構(gòu)設(shè)計鑄造工藝1234工藝性能★鑄造的發(fā)展史2/1/2023什么是金屬的液態(tài)成形:金屬的液態(tài)成形的方法:

金屬的液態(tài)成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按鑄型材料的不同，金屬液態(tài)成形可分為砂型鑄造和特種鑄造（包括壓力鑄造、金屬型鑄造等）.其中砂型鑄造是最基本的液態(tài)成形方法，所生產(chǎn)的鑄件要占鑄件總量的80%以上.將熔煉好的液態(tài)金屬澆入與零件形狀相適應(yīng)的鑄型空腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的工藝方法,亦稱鑄造.工藝過程簡介2/1/2023砂型鑄造過程2/1/2023鑄造的優(yōu)點適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯1對材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制2成本低，原材料來源廣，價格低廉,一般不需要昂貴的設(shè)備3對于某些塑性很差的材料(如鑄鐵等)是制造其毛坯或零件的唯一成型工藝42/1/2023鑄造的缺點工藝過程比較復(fù)雜，一些工藝過程還難以控制1液態(tài)成形零件內(nèi)部組織的均勻性、致密性一般較差2液態(tài)成形零件易出現(xiàn)縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等缺陷，產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定3由于鑄件內(nèi)部晶粒粗大，組織不均勻，且常伴有缺陷，其力學(xué)性能比同類材料的塑性成形低42/1/2023第7章

鑄造工藝基礎(chǔ)教學(xué)要求：

1.要重點掌握鑄造合金液體的流動性及其影響因素；

2.縮孔與縮松的產(chǎn)生與防止；

3.鑄造應(yīng)力、變形與裂紋的產(chǎn)生與防止。

4.掌握鑄件質(zhì)量的綜合控制方法。

7.2鑄造合金的凝固與收縮7.1液態(tài)合金的充型7.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋7.4鑄件的氣孔與偏析（自學(xué)）教學(xué)內(nèi)容液態(tài)合金的工藝性能鑄造性能通常是指合金的流動性、收縮性吸氣性及偏析等性能合金鑄造性能是選擇鑄造金屬材料，確定鑄件的鑄造工藝方案及進行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)2/1/2023

7.1液態(tài)合金的充型能力液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得形狀準(zhǔn)確、輪廓清晰的成型件的能力充型能力的概念:充型能力不足

澆不足

冷隔夾砂氣孔夾渣鑄造工藝基礎(chǔ)氣孔缺陷2/1/2023測試合金流動性的方法:

如右圖,將合金液澆入鑄型中，冷凝后測出充滿型腔的式樣長度。澆出的試樣越長，合金的流動性越好,合金充型能力越好幾種不同合金流動性的比較*鑄鋼的流動性*鑄鐵的流動性7.1.1合金流動性對充型能力的影響鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023合金的種類:

合金不同流動性不同

化學(xué)成分：同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點，流動性也不同。鑄造工藝基礎(chǔ)結(jié)晶特性:恒溫下結(jié)晶，流動性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動性較差合金流動性的決定因數(shù)2/1/20237.1.2澆注條件對充型能力的影響澆注條件澆注溫度充型壓力澆注系統(tǒng)澆注溫度越高，液態(tài)金屬的粘度越小，過熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時間長，充型能力強。液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大,充型能力越強。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動阻力越大，充型能力越差。7.1.3鑄型條件對充型能力的影響鑄型蓄熱系數(shù):即從液態(tài)金屬中吸取熱量并儲存的能力鑄型溫度(不能過高)鑄型的發(fā)氣和透氣能力：鑄型發(fā)氣能力過強,透氣能力又差時,若澆鑄速度太快,則型腔中的氣體壓力增大，充型能力減弱。鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/20237.1.4鑄件結(jié)構(gòu)對充型能力的影響折算厚度：

折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù),是鑄件體積與鑄件表面積之比。折算厚度越大，熱量散失越慢，充型能力就越好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填.(大平面鑄件不易成形)復(fù)雜程度：

鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力就越大，鑄型的充填就越困難。找到了影響因素，就可提出改進或提高合金充填能力的措施鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023什么是金屬的液態(tài)成形？鑄造的優(yōu)缺點7.1液態(tài)合金的充型充型能力不足——澆不足、冷隔、夾砂、夾渣、氣孔、合金的流動性合金的種類:

合金不同流動性不同化學(xué)成分：同種合金中成分不同的合金具有不同的結(jié)晶特點，流動性也不同。澆注條件：澆注溫度、充型壓力、澆注系統(tǒng)鑄型性質(zhì)：鑄型蓄熱系數(shù)、鑄型溫度、鑄型的發(fā)氣和透氣能力鑄件結(jié)構(gòu)：折算厚度、復(fù)雜程度找到了影響因素，就可提出改進或提高合金充填能力的措施2/1/20231.液態(tài)合金的充型能力與合金的流動性有何關(guān)系?2.不同化學(xué)成分的合金為何流動性不同?3.如何提高合金液的充填能力？思考題2/1/20237.2液態(tài)金屬的凝固與收縮7.2.1鑄件的凝固

在鑄件的凝固過程中，截面一般存在三個區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。對鑄件質(zhì)量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的凝固方式就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的。凝固方式有：

逐層凝固中間凝固糊狀凝固鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/20237.2.2合金的收縮

合金的收縮過程:

合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。合金的收縮給液態(tài)成形工藝帶來許多困難，會造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松、應(yīng)力、裂紋、變形等）。1合金收縮的三個階段液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮什么結(jié)果？鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023結(jié)果：合金收縮固態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮凝固收縮縮孔:恒溫下結(jié)晶縮松:兩相區(qū)結(jié)晶固態(tài)收縮裂紋變形應(yīng)力縮孔、縮松、應(yīng)力、裂紋、變形等。線收縮2/1/20237.2.3縮孔與縮松的形成縮孔的形成:

純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金,澆注后在型腔內(nèi)是由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金液的補充，在鑄件最后凝固的地方就會產(chǎn)生縮孔.鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023縮松的形成原因:

鑄件最后凝固的收縮未能得到補充，或者結(jié)晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補縮所致。結(jié)論：純金屬、共晶成分（逐層凝固）和凝固溫度范圍窄的合金易產(chǎn)生縮孔；凝固區(qū)域較寬（糊狀凝固）的合金易產(chǎn)生縮松2/1/2023縮孔與縮松的形成演示縮孔易出現(xiàn)的部位2/1/2023定向凝固原則是鑄件讓遠離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。實現(xiàn)以厚補薄，將縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去。原則合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝。方法合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。消除縮孔和縮松的方法A等溫線法B內(nèi)切圓法判斷縮孔出現(xiàn)的方法2/1/2023解決縮孔的方法演示冒口和冷鐵定向凝固原則2/1/20231.合金的收縮分為哪幾個階段?影響的因素有哪些?2.縮孔和縮松是如何形成的，對鑄件質(zhì)量有何影響，怎樣防止或減小它們的危害?思考題2/1/20237.3鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機械應(yīng)力變形裂紋鑄件在凝固和冷卻的過程中，由于鑄件的壁厚不均勻，導(dǎo)致不同部位不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。殘余熱應(yīng)力的存在，使鑄件處在一種非穩(wěn)定狀態(tài)，將自發(fā)地通過鑄件的變形來緩解其應(yīng)力，以回到穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。當(dāng)熱應(yīng)力大到一定程度會導(dǎo)致出現(xiàn)裂紋(熱裂紋與冷裂紋）。鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/20237.3.1鑄造熱應(yīng)力的形成過程分析t0——t1

高溫階段，塑性狀態(tài)，塑性變形消除t1——t2

Ⅱ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ塑性狀態(tài)，Ⅱ桿受拉應(yīng)力，Ⅰ受壓應(yīng)力，Ⅰ塑性變形消除t2——t3

Ⅰ桿彈性狀態(tài)，Ⅰ比Ⅱ溫度高，Ⅰ收縮大于Ⅱ，Ⅰ收縮受Ⅱ的阻礙，產(chǎn)生拉應(yīng)力鑄造工藝基礎(chǔ)2/1/2023

1機械應(yīng)力形成過程機械應(yīng)力：應(yīng)適時開箱加以解決。機械應(yīng)力與熱應(yīng)力共同作用，當(dāng)大于材料的強度極限時會導(dǎo)致裂紋的形成,

2/1/2023

2減小和消除鑄造應(yīng)力的方法

鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件各部分能自由收縮

工藝方面：采用同時凝固原則時效處理：人工時效；自然時效鑄件的結(jié)構(gòu)盡可能對稱鑄件的壁厚盡可能均勻2/1/2023

LL+AAF+APLdL'd退火：降低硬度，便于機加工。消除應(yīng)力。淬火：獲得馬氏體（M)組織。高硬度正火：用于普通結(jié)構(gòu)件的最終熱處理回火：主要是消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低鋼的脆性，防止產(chǎn)生裂紋金屬的液態(tài)成形（鑄造）鐵碳合金狀態(tài)圖在工程中的應(yīng)用2/1/20237.3.2鑄件的變形結(jié)論：最后凝固厚部、心部受拉應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)凹變形。

薄部、表面受壓應(yīng)力，出現(xiàn)外凸變形。原因鑄造工藝基礎(chǔ)受壓伸長、受拉縮短2/1/2023鑄件的變形的消除方法

防止變形的方法：與防止應(yīng)力的方法基本相同。帶有殘余應(yīng)力的鑄件，變形使殘余應(yīng)力減小而趨于穩(wěn)定。問題分析有長、短不一的兩根彈簧，將其固定，使其達到同等長度，即其中一彈簧被拉長，另一彈簧被壓縮，此時所受的應(yīng)力狀態(tài)？然后將其固定約束去掉，試分析其變形趨勢？

將一長度為的圓柱體鑄件：

1）將中間鉆一通孔；

2）將外表面車掉一層；問：在這兩種情況下其長度會發(fā)生什么變化？若將應(yīng)力框中間的粗桿沿中間鋸斷：問：應(yīng)力框中間的間隙會發(fā)生什么變化？只有原來受拉伸部分產(chǎn)生壓縮變形、受壓縮部分產(chǎn)生拉伸變形，才能使殘余應(yīng)力減少或消除。2/1/2023

7.3.3鑄件的裂紋

當(dāng)鑄造應(yīng)力超過金屬的強度極限時，鑄件便產(chǎn)生裂紋，裂紋是嚴重的鑄造缺陷，必須設(shè)法防止。1熱裂——熱裂一般分布在應(yīng)力集中部位(尖角或斷面突變處)或熱節(jié)處。鑄鋼件結(jié)構(gòu)對熱裂的影響鑄造工藝基礎(chǔ)防止方法熱裂——改善鑄型和型芯的退讓性，減小澆、冒口對鑄件收縮的機械阻礙，內(nèi)澆口設(shè)置應(yīng)符合同時凝固原則，此外減少合金中有害雜質(zhì)硫、磷含量，可提高合金高溫強度。特別是硫增加合金的熱脆性，使熱裂傾向大大提高。2/1/2023冷裂

——是鑄件處于彈性狀態(tài)即在低溫時形成的裂紋。輪形鑄件的冷裂防止方法：冷裂——盡量減小鑄造應(yīng)力。①把內(nèi)澆口開在薄的輪輻處，以實現(xiàn)同時凝固。②較早打箱，以去除鑄型對收縮的阻礙，打箱后立即用砂子埋好鑄件，使其緩慢冷卻。③修改結(jié)構(gòu)，加大輪輻和輪緣的連接圓角，以增加強度和減少應(yīng)力集中。如何判別冷裂紋與熱裂紋？2/1/2023縮孔與縮松的形成純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金

逐層凝固

縮孔

凝固區(qū)域較寬的合金

糊狀凝固縮松消除縮孔和縮松的方法定向凝固原則原則合理布置內(nèi)澆道及確定澆鑄工藝。方法合理應(yīng)用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋內(nèi)應(yīng)力熱應(yīng)力機械應(yīng)力鑄件的壁厚不均勻，導(dǎo)致不同部位不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。鑄件在固態(tài)收縮時受阻變形與裂紋熱應(yīng)力的形成過程分析熱應(yīng)力的消除方法鑄件的結(jié)構(gòu)：鑄件各部分能自由收縮工藝方面：采用同時凝固原則時效處理：人工時效；自然時效鑄件結(jié)構(gòu)對稱鑄件壁厚均勻鑄件變形的判定厚部、心部受拉應(yīng)力，出現(xiàn)內(nèi)凹變形。

薄部、表面受壓應(yīng)力，出現(xiàn)外凸變形。2/1/2023小結(jié)合金工藝性能充型能力凝固方式應(yīng)力與變形流動性澆注條件鑄型條件逐層凝固糊狀凝固中間凝固收縮性能液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮2/1/20237.4鑄件的氣孔與偏析

7.4.1鑄件的氣孔1侵入氣孔

——侵入氣孔是由于砂型表面層聚集的氣體侵入金屬液中而形成的氣孔。特征：多位于上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔的內(nèi)表面被氧化。2析出氣孔

——溶解于金屬液中的氣體在冷凝過程中，因氣體溶解度下降而析出，鑄件因此而形成的氣孔稱為析出氣孔。水幕對氣流的影響2/1/20233反應(yīng)氣孔

——澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料