第二篇第1章 鑄造工藝基礎

第一篇鑄造一、鑄造(金屬液態(tài)成型技術)

將液體金屬澆鑄到與零件形狀、尺寸相適應的鑄型空腔中,待其冷卻凝固后,以獲得零件或毛坯的生產方法.

稱為鑄造。用鑄造方法制成的毛坯或零件稱為鑄件。鑄造工藝過程主要包括：金屬熔煉、鑄型制造、澆注凝固和落砂清理等。鑄件的材質有碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄造有色合金等。

緒論鑄造成形的原理

二.鑄造方法

手工造型

機器造型

金屬型鑄造熔模鑄造壓力鑄造低壓鑄造陶瓷型鑄造離心鑄造液態(tài)成型工藝砂型鑄造特種鑄造2/5/20234（一）砂型鑄造

1、手工造型

整模造型:整體模,分型面是平面時,整模兩型造型

分模造型:分開模

三箱造型:鑄型由上中下三型構成,分型面是平面

活塊造型

挖砂造型

刮板造型等手工造型2/5/20235（一）砂型鑄造

2、機器造型(只用于兩箱造型)

優(yōu)點:生產效率高,鑄件尺寸精度好,手工余量少,成本低,

勞動強度低,鑄件質量穩(wěn)定.

震壓造型機2/5/20236三.鑄造特點

優(yōu)點:1、適應范圍廣。可以生產形狀復雜的零件,尤其復雜內腔的零件(如汽車用多缸水冷整鑄汽缸體)鑄件大小幾乎不限（鑄件外形尺寸可從幾毫米到十幾米，壁厚可從1mm到1m）；生產的批量不限。2、可以制造各種合金鑄件（如鑄鐵、鋁合金、銅合金、合金鋼、碳素鋼等）。3、鑄件尺寸精度高。4、鑄件形狀、尺寸與零件相近，減少了切削加工余量，所以成本低廉。可直接利用成本低廉的廢機件和切屑，設備費用較低；在金屬切削機床中，鑄件占機床總重量75%以上，而生產成本僅占15~30%。∴

應用廣泛:農業(yè)機械40~70%

機床:70~80%在汽車中占40-60%(重量)

典型鑄件示例缸體缸蓋

缺點:

1、機械性能不如鍛件(組織粗大,缺陷多等)2、鑄造工序多，生產周期長。工人勞動強度大.3、鑄件凝固過程不能精確控制，鑄件質量不穩(wěn)定,工序多,影響因素復雜,易產生缺陷。

4、勞動條件較差。

四.我國鑄造技術的發(fā)展鑄造歷史悠久，約有6000年歷史。是人類掌握較早的一種金屬熱加工工藝。我國是世界上最早掌握鑄造技術的文明古國之一，是最早應用鑄鐵的國家。公元前1700-前1000年已進入青銅鑄件的全盛時期。工藝上已達到相當高的水平。中國古代鑄造文物

商朝的司母戊方鼎重875公斤戰(zhàn)國時期的曾候乙尊盤通高416mm,尊高301mm口徑250mm盤高235mm口徑580mm1978年湖北隨州出土的曾候乙墓青銅編鐘65個青銅套佩劍銅人北京明朝永樂青銅大鐘，重達46.5t，鐘高6.75m，鐘唇厚22cm，外徑3.3m，鐘體內遍鑄經(jīng)文22.7萬字，擊鐘時尾音長達2分鐘以上，傳距20km河北滄州大鐵獅鑄于后周廣順三年(953年)距今已有一千多年

唐代黃河大鐵牛（永濟市蒲州城西黃河古道兩岸）

第一章鑄造工藝基礎

§1液態(tài)合金的充型能力液態(tài)金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰的成型件的能力。充型能力不足澆不足冷隔夾砂氣孔夾渣沒完整融合縫隙或凹坑不能得到完整的零件澆不足冷隔

充型能力的影響因素

合金流動性、澆注條件、鑄型填充條件、鑄件結構條件一.合金流動性:液態(tài)金屬本身的流動能力1流動性對鑄件質量影響：1)流動性好,易于澆出輪廓清晰,薄而復雜的鑄件.2)流動性好,有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮、排除.3)流動性好,易于對液態(tài)金屬在凝固中產生的收縮進行補縮.在常用鑄造合金中,灰口鑄鐵．鋁硅合金．黃銅流動性最好，鋼較差。

2測定流動性的方法:

通常用澆注的螺旋形試樣的長度來衡量合金的流動性。如圖所示的螺旋形試樣，其截面為等截面的梯形，試樣上隔50mm長度有一個凸點，以便于計量其長度。合金的流動性愈好，其長度就愈長。

在常用鑄造合金中,灰口鑄鐵．鋁硅合金．黃銅流動性最好，鑄鋼較差。3影響流動性的因素主要是化學成分:1)純金屬流動性好:一定溫度下結晶,凝固層表面平滑,對液流阻力小.2)共晶成分合金流動性好:恒溫凝固,由于已凝固層的內表面光滑，對液態(tài)合金的流動阻力小。且熔點低,過熱度大,推遲了合金凝固.3)非共晶成分流動性差:

結晶在一定溫度范圍內進行,初生數(shù)枝狀晶阻礙液體流動合金成分加入不同的合金元素對流動性也有影響：如：加入硅，改善流動性；加入錳、硫，流動性降低．充型能力的影響因素

二.澆注條件1、澆注溫度:

t↑合金粘度下降,過熱度高.合金在鑄件中保持流動的時間長,充型能力就好.∴

t↑提高充型能力.但過高,易產生縮孔,粘砂,氣孔、粗晶等缺陷,故不宜過高．高溫出爐，低溫澆注普通灰口鑄鐵澆注溫度:1250℃~1380℃

碳素鋼澆注溫度:1500℃~1550℃

鋁合金的澆注溫度:680℃~780℃2、充型壓力:

液態(tài)合金在流動方向上所受的壓力↑充型能力↑如砂型鑄造---直澆道,靜壓力.

壓力鑄造,離心鑄造等充型壓力高.

三鑄型填充條件

1、鑄型蓄熱能力:

金屬材料導熱系數(shù)↑激冷能力↑

液態(tài)金屬降溫快,充型能力↓

(蓄熱能力:鑄型從金屬中吸收儲存熱量的能力)

2、鑄型溫度:t↑充型↑(在金屬型中澆注鋁合金鑄件,鑄型溫度由340℃提高到520℃,同在760℃時澆注,螺旋線長度則由525mm增加到950mm

3、鑄型中氣體:

排氣能力↑充型↑減少氣體來源,提高透氣性,少量氣體在鑄型與金屬液之間形成一層氣膜,減少流動阻力,有利于充型

四鑄件結構條件鑄件模數(shù)：鑄件體積與散熱表面積之比模數(shù)↑則充型能力↓一、鑄件的凝固1、鑄件的溫度場合金液充滿型腔后,在凝固和冷卻的某瞬間,鑄件橫斷面上的溫度分布曲線.2、鑄件的凝固區(qū)域

液相區(qū)、凝固區(qū)和固相區(qū)對鑄件質量影響較大的是凝固區(qū)的寬窄.3、鑄件的凝固方式：

逐層凝固、中間凝固、糊狀凝固

§2合金的凝固與收縮

鑄件的凝固方式就是根據(jù)凝固過程中,凝固區(qū)的寬窄來劃分.(1)逐層凝固純金屬．共晶合金在凝固過程中不存在液固并存的兩相區(qū)，斷面上液體與固體之間由一條界限清楚分開，隨溫度下降而加厚，液層減少直至鑄件中心，凝固區(qū)寬窄等于0。如灰口鑄鐵、鋁硅合金、黃銅、低碳鋼等。(2)糊狀凝固當合金結晶溫度范圍很寬,且鑄件溫度分布較平坦,在凝固的某段時間內,鑄件表面并不存在固體層,而液固并存的凝固區(qū)貫穿整個斷面。這種凝固方式與水泥相似，先呈糊狀，而后固化。如球鐵．高碳鋼．鋁鎂合金等(3)中間凝固介于逐層凝固與糊狀凝固之間,如中碳鋼．高錳鋼4、影響鑄件凝固方式的因素1)合金的結晶溫度范圍范圍小:凝固區(qū)窄,愈傾向于逐層凝固如:砂型鑄造,低碳鋼逐層凝固;高碳鋼糊狀凝固2)鑄件的溫度梯度合金結晶溫度范圍一定時,凝固區(qū)寬度取決于鑄件內外層的溫度梯度.溫度梯度愈小,凝固區(qū)愈寬.(內外溫差大,冷卻快,凝固區(qū)窄)溫度梯度取決于:①合金性質:②鑄型蓄熱能力:③澆注溫度:

二.鑄造合金的收縮及鑄造缺陷鑄造合金的收縮:液態(tài)合金從澆注溫度至凝固冷卻到室溫的過程中,體積和尺寸減少的現(xiàn)象

收縮是鑄件許多缺陷(縮孔,縮松,裂紋,變形,殘余應力)產生的基本原因.1鑄造合金收縮的幾個階段1)

液態(tài)收縮:

合金由澆注溫度冷卻到液相線溫度所發(fā)生的體積收縮.液態(tài)收縮減少的體積與澆注溫度與開始凝固的溫度的溫差成正比.2)

凝固收縮:

從凝固開始到凝固完畢所發(fā)生的體積收縮.同一類合金,凝固溫度范圍大者,凝固體積收縮率大.如:35鋼,體積收縮率3.0%,45鋼4.3%3)

固態(tài)收縮:

凝固以后到常溫.

固態(tài)收縮影響鑄件尺寸,故用線收縮表示.1)、2）形成縮孔，3）形成內應力、變形裂紋2影響收縮的因素1)

化學成分:

鑄鐵中促進石墨形成的元素增加,收縮減少.如:灰口鐵C,Si↑,收↓,S↑收↑.因石墨比容大,體積膨脹,抵銷部分凝固收縮.2)

澆注溫度:溫度↑液態(tài)收縮↑3)

鑄件結構與鑄型條件鑄件在鑄型中收縮會受鑄型和型芯的阻礙.實際收縮小于自由收縮.∴鑄型要有好的退讓性.3縮孔形成集中在鑄件上部或最后凝固部位的容積較大的孔洞,多呈倒圓錐形,內表面粗糙,通常隱蔽在鑄件內層,亦可暴露在鑄件表面,形成縮凹.純金屬,共晶成分的合金易產生縮孔*產生縮孔的基本原因:鑄件在凝固冷卻期間,外殼內金屬的液態(tài)收縮及凝固收縮的體積大于外殼固態(tài)收縮所減少的鑄件外形體積.縮孔形成過程4縮松的形成

由于鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補足,或者,因合金呈糊狀凝固,被樹枝狀晶體分隔開的小液體區(qū)難以得到補縮所至.1)宏觀縮松肉眼可見,往往出現(xiàn)在縮孔附近,或鑄件截面的中心.非共晶成分,結晶范圍愈寬,愈易形成縮松.

縮松的形成過程凝固過程中,晶粒之間形成微小孔洞---凝固區(qū),先形成的枝晶把金屬液分割成許多微小孤立部分,冷凝時收縮,形成晶間微小孔洞.

2)微觀縮松凝固過程中,晶粒之間形成微小孔洞---凝固區(qū),先形成的枝晶把金屬液分割成許多微小孤立部分,冷凝時收縮,形成晶間微小孔洞.

凝固區(qū)愈寬,愈易形成微觀縮松,對鑄件危害不大,故不列為缺陷,但對氣密性,機械性能等要求較高的鑄件,則必須設法減少.(先凝固的收縮比后凝固的小,因后凝固的有液態(tài),凝固,固態(tài)三個收縮,先凝固的有凝,固二個收縮區(qū)----這也是形成微觀縮松的基本原因.與縮孔形成基本原因類似）5縮孔、縮松的防止辦法采用順序凝固(定向凝固)。

順序凝固---在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的熱節(jié)處,通過加冒口或冷鐵等一系列工藝措施,讓遠離冒口的部位先凝固,爾后是靠近冒口的部位凝固,最后冒口本身凝固,這樣將縮孔移到冒口中,在鑄件清理時切除.主要用于凝固收縮大,結晶間隔小的合金.對于非共晶成分合金,先結晶形成的樹枝晶,阻礙金屬液的流動,所以冒口作用甚小.對于結晶溫度范圍甚寬的合金,由于傾向于糊狀凝固,結晶開始之后,發(fā)達的樹枝狀骨狀布滿整個截面,使冒口補縮道路受阻,因而難避免顯微縮松的產生.顯然,選用近共晶成分和結晶范圍較窄的合金生產鑄件是適宜的.同時安放冒口也是合適的.§3鑄造內應力、變形和裂紋

鑄件在凝固之后的繼續(xù)冷卻過程中,其固態(tài)收縮若受到阻礙,鑄件內部就發(fā)生內應力,稱為鑄造內應力.

鑄造內應力是鑄件產生變形和裂紋的基本原因一、內應力的形成

一內應力形成

按產生原因主要分為熱應力和機械應力

1熱應力:鑄件厚度不均,冷速不同,收縮不一致產生.各部分的溫差越大,熱應力也越大,冷卻較慢的部分形成拉應力,冷卻較快的部分形成壓應力.熱應力的形成過程當鑄件處于高溫階段（t0-t1）時，兩桿都處于塑性狀態(tài)，盡管此時兩桿的冷速不同、收縮也不同步，但瞬時的應力可通過塑性變形來自行消失，在鑄件內無應力產生；繼續(xù)冷卻，冷速較快的桿II進入彈性狀態(tài)，粗桿I仍然處于塑性狀態(tài)（t1-t2），此時由于細桿II的冷速較快、收縮較大，所以細桿II會受到拉伸，粗桿I會受到壓縮（圖b），形成暫時內應力，但此內應力很快因粗桿I發(fā)生了微量的受壓塑性變形而自行消失（圖c）；當進一步冷至更低溫度時（t2-t3），兩桿均進入了彈性狀態(tài)，粗桿I的溫度較高，還要進行較大的收縮，細桿II的溫度較低，收縮已趨于停止，因此粗桿I的收縮必定受到細桿II的阻礙，在內部產生拉應力；而桿II則受到桿I因收縮而施與的壓應力（圖d）。直到室溫，殘留熱應力一直存在。熱應力預防方法:

（1）壁厚均勻（2）同時凝固：將澆道開在薄壁處。有時在厚壁處安放冷鐵。優(yōu)點:

省冒口,省工,省料，減少熱應力，防止裂紋和變形。缺點:

心部易出現(xiàn)縮孔或縮松,應用于灰鐵,因灰鐵縮孔、縮松傾向小。錫青銅糊狀凝固，用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松。同時凝固主要用于灰鑄鐵類收縮小、不易產生縮孔的鑄件，也可用于薄壁鑄鋼件或易變形的鑄件。2機械應力合金的線收縮(固態(tài)收縮)受到鑄型或型芯機械阻礙而形成的內應力。主要原因是型砂或芯砂的退讓性差造成的.（體收縮：液態(tài)和凝固收縮，過程中總有液態(tài)出現(xiàn)線收縮：固態(tài)收縮，也是體積變化，但只引起鑄件外部尺寸的變化。是引起鑄件內應力、裂紋和變形的主要原因。）機械應力是暫時的,落砂后,就自行消失防止：提高鑄型和型芯的退讓性.在型砂中加一些鋸末、煤粉來減小鑄件的收縮阻力.3相變應力

冷卻過程中,固態(tài)相變時,體積會發(fā)生變化.如A—P,A—P體積會增大,Fe3C—石墨,體積↑.

若體積變化受阻.則產生內應力

二變形與防止

鑄件通過自由變形來松弛內應力,自發(fā)過程.鑄件發(fā)生不同程度的變形.舉例:T形鑄件∵上部散熱慢,受拉力.平板下部冷卻慢.∴發(fā)生如圖所示變形

防止方法:

1壁厚均勻,形狀對稱,同時凝固.2反變形法(長件,易變形件)3自然時效,

人工時效---低溫退火

550—650℃導軌部分較厚，受拉應力；其床壁部分較薄，受壓應力，于是床身發(fā)生朝著導軌方向的彎曲，使導軌下凹。

平板鑄件，其中心部位散熱較邊緣要慢，所以受拉應力；邊緣處則受壓應力，且平板的上表面比下表面冷卻得快結論：厚部、心部受拉應力，出現(xiàn)內凹變形。

薄部、表面受壓應力，出現(xiàn)外凸變形。一般鑄件受拉應力(冷卻速度慢)的部分為了力圖恢復原狀，厚的部位力圖縮短而向內凹,而受壓應力(冷卻速度快)的部分向外凸.薄的部分受壓應力則向外凸,厚的部分受拉應力所以向內凹

三鑄件的裂紋與防止

當鑄造應力＞材料抗拉強度就會產生裂紋。裂紋是鑄件嚴重缺陷，所以必須設法防止。

裂紋分為：熱裂紋和冷裂紋1熱裂紋:高溫下形成裂紋2冷裂紋:

低溫下裂紋原因:①

凝固末期,合金呈完整骨架+晶粒間液體（液膜）,強、塑↓，收縮時被拉長、斷，拉裂必在晶間。②沿晶界含S—熱脆

③

退讓性不好1、熱裂紋特征：裂紋短,縫寬,形狀曲折.縫內呈氧化色,無金屬光澤,裂縫沿晶粒邊界通過?；诣F,球鐵熱裂少,鑄鋼,鑄鋁,白口鐵大預防:

設計結構合理,

改善型砂退讓性,控制硫含量（硫是增大熱裂傾向的有害元素。原因：形成低熔點共晶體，降低固相溫度，液膜存在時間長，易拉斷；低熔點共晶體沿晶界呈網(wǎng)狀分布，大大削弱鋼的高溫強度和塑性）。

特征:裂紋細,連續(xù)直線狀或圓滑曲線,裂口表面干靜,具有金屬光澤,有時呈輕微氧化色出現(xiàn)在形狀復雜的鑄鋼件的拉伸部位，特別是具有應力集中處。如內尖角處、縮孔、非金屬夾雜物等附近。

原因:

彈性狀態(tài)時，鑄造應力超過合金的彈性極限，出現(xiàn)在受拉伸部位．復雜大工件受拉應力部位和應力集中處易發(fā)