鑄造成形技術(shù)-基本知識

鑄造成形技術(shù)-基本知識第1頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第一章金屬的鑄造成形本章學(xué)習(xí)的根本目的是掌握鑄造成形工藝的特點、常用鑄造成形方法、鑄件的工藝設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計。掌握影響鑄造成形工藝性的主要因素；掌握砂型、金屬型、熔模、實型、壓力鑄造等成形過程；第2頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日了解鑄造工藝方案的制定及鑄造工藝參數(shù)確定的原則；了解鑄件外形、內(nèi)腔、壁厚、壁間連接等設(shè)計的基本原則；了解鑄件缺陷產(chǎn)生的原因及防止方法。

重點：鑄造成形的理論及主要成形方法。

難點：鑄件的工藝設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計。第3頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日基本知識鑄造特點及合金鑄造性能合金的充型能力及影響因素合金的收縮及影響因素第4頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日鑄造特點及合金鑄造性能1、基本概念

熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法稱為鑄造。鑄造是機械制造中生產(chǎn)機器零件或毛坯的主要方法之一。

機床、內(nèi)燃機中鑄件70~80%；農(nóng)業(yè)機械40~70%。第5頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日砂型鑄造工藝過程第6頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、主要特點（l）成形方便，工藝靈活性大形狀、尺寸、質(zhì)量不受限制。尤其是復(fù)雜內(nèi)腔的零件，鑄造往往是最佳的成形方法。如箱體、缸體、床身、機架等。材料范圍很廣，鑄鐵、鑄鋼、銅合金、鋁合金、鎂合金、鋅合金等均可用于鑄造，其中鑄鐵材料應(yīng)用最廣。第7頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（2）成本低廉，設(shè)備簡單、周期短

材料來源廣泛，且可以利用金屬廢料和廢機件。一般不需要大型、精密設(shè)備。而且由熔融金屬直接就可獲得形狀和尺寸與零件接近的毛坯或直接獲得零件（精密鑄造），節(jié)省材料、減少加工工時以及生產(chǎn)組織和半成品運輸?shù)荣M用，降低了鑄件的生產(chǎn)成本。第8頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（3）砂型鑄件的力學(xué)性能較差，質(zhì)量

不夠穩(wěn)定

鑄件中常常有許多缺陷(如氣孔，縮松等)，而且內(nèi)部組織粗大、不均勻，其力學(xué)性能比相同材料的鍛件低。此外，鑄造工序繁多，一些工藝過程較難控制，使鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定，廢品率較高。第9頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（4）砂型鑄造勞動強度大，生產(chǎn)條件差

生產(chǎn)過程中的廢氣、粉塵等對周圍環(huán)境造成污染。近幾十年來，液態(tài)成形技術(shù)發(fā)展很快。許多新型液態(tài)成形材料、新工藝、新技術(shù)和新設(shè)備的出現(xiàn)和現(xiàn)代化液態(tài)成形車間或工廠的建立，使液態(tài)成形勞動條件大大改善，環(huán)境污染得到控制，鑄件的質(zhì)量和性能也大大提高，鑄件應(yīng)用范圍也日益擴大。第10頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日3、合金的鑄造性能合金的鑄造性能主要是指合金的充型能力與合金的收縮等。鑄造的缺陷,如澆不足、縮孔、縮松、鑄造應(yīng)力、變形、裂紋等都與合金的鑄造性能有關(guān)。第11頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日鑄造缺陷照片第12頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日合金的充型能力及影響因素1、熔融合金的充型能力

這里有二個基本概念即充型與充型能力。

★熔化合金填充鑄型的過程,簡稱充型。

★熔融合金充滿鑄型型腔,獲得形狀完整,輪廓清晰鑄件的能力,稱合金的充型能力。第13頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、影響合金充型能力的主要因素

(1)流動性流動性指熔融金屬的流動能力,它是影響充型能力的主要因素之一。

(2)澆注條件

指的是澆注溫度與充型的壓力。

(3)鑄型條件

熔融合金充型時，鑄型的阻力及鑄型對合金的冷卻作用都將影響合金的充型能力。第14頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（1）流動性影響合金流動性的因素主要有：1、合金的種類合金的流動性與合金的熔點、熱導(dǎo)率、粘度等物理性能有關(guān)。鑄鋼熔點高，在鑄型中散熱快、凝固快，則流動性差。第15頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、合金的成分

1）純金屬和共晶合金是在恒溫下進行結(jié)晶，結(jié)晶時從表面向中心逐層凝固，流動性好。特別是共晶合金，熔點最低，其流動性最好。

第16頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2）亞共晶合金在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，其結(jié)晶過程是在鑄件截面上一定的寬度區(qū)域內(nèi)同時進行的。在結(jié)晶區(qū)域中，既有形狀復(fù)雜的枝晶，又有未結(jié)晶的液體。復(fù)雜的枝晶不僅阻礙熔融金屬的流動，而且使熔融金屬的冷卻速度加快，所以流動差。結(jié)晶區(qū)間越大，流動性越差。第17頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日3、雜質(zhì)

熔融金屬中出現(xiàn)的固態(tài)夾雜物，將使液體的粘度增加，合金的流動性下降。如灰鐵中錳和硫，多以MnS（熔點1650）的形式懸浮在鐵液中，阻礙鐵液的流動，使流動性下降。4、含氣量

熔融金屬中的含氣量愈少，合金的流動性愈好。

第18頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第19頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日流動性的測定：“螺旋形試樣”。流動性愈好，澆出的試樣愈長?；诣T鐵、硅黃銅最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。第20頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（2）澆注條件1、澆注溫度澆注溫度高，液態(tài)金屬所含的熱量多，在同樣冷卻條件下，保持液態(tài)的時間長，所以流動性好。因此，提高澆注溫度是改善合金充型能力的重要措施。但澆注溫度過高，會使金屬的吸氣量和總收縮量增大，從而增加鑄件其它缺陷的可能性（如縮孔、縮松、粘砂、晶粒粗大等）。因此，在保證流動性足夠的條件下，澆注溫度應(yīng)盡可能低些。第21頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日控制澆注溫度：

灰鑄鐵：1200~1380℃

鑄鋼：1520~1620℃

鋁合金：680~780℃第22頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、充型壓力壓力愈大，充型能力愈好。

砂型鑄造時，充型壓力是由直澆道的靜壓力產(chǎn)生的，適當(dāng)提高直繞道的高度，可提高充型能力。但過高使鑄件易產(chǎn)生砂眼、氣孔等缺陷。在低壓鑄造、壓力鑄造和離心鑄造時，因人為加大了充型壓力，故充型能力較強。第23頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第24頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（3）鑄型條件鑄型條件影響合金充型能力有以下四個方面：1、鑄型的蓄熱能力

表示鑄型從熔融合金中吸收并傳出熱量的能力，鑄型材料的比熱和熱導(dǎo)率愈大，對熔融金屬的的冷卻作用愈強，合金在型腔中保持流動的時間縮短，合金的充型能力愈差。第25頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、鑄型溫度

鑄型預(yù)熱減小了鑄型與熔融金屬的溫度差，減緩了合金的冷卻速度，延長了合金在鑄型中的流動時間，則合金充型能力提高。3、鑄型中的氣體

澆注時因熔融金屬在型腔中的熱作用而產(chǎn)生大量氣體。如果鑄型的排氣能力差，則型腔中氣體的壓力增大，阻礙熔融金屬的充型。鑄造時除應(yīng)盡量減小氣體的來源外，應(yīng)增加鑄型的透氣性，并開設(shè)出氣口，使型腔及型砂中的氣體順利排出。第26頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日4、鑄件結(jié)構(gòu)的壁厚

當(dāng)鑄件壁厚過小、壁厚急劇變化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或有大的水平面時，均會使充型困難。在進行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計時，鑄件的形狀應(yīng)盡量簡單，壁厚應(yīng)大于規(guī)定的最小壁厚。對于形狀復(fù)雜、薄壁、散熱面大的鑄件，應(yīng)盡量選擇流動性好的合金或采取其它相應(yīng)措施。第27頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第28頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日合金的收縮及影響因素合金的收縮：鑄件在凝固和冷卻過程中，其體積或尺寸減少的現(xiàn)象稱為收縮。１）收縮過程及影響因素收縮可分為液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮

體收縮（縮孔、縮松）

線收縮（應(yīng)力、變形、裂紋）第29頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日收縮過程及影響因素1、收縮過程的三個階段：液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮合金的總收縮為上述三個階段收縮之和。它與合金的成分、溫度和相變有關(guān)。不同合金收縮率是不同的。第30頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、影響收縮的因素

1)化學(xué)成分

碳素鋼隨含碳量增加，凝固收縮增加，而固態(tài)收縮略減。灰鑄鐵中碳是形成石墨化元素，

硅是促進石墨化元素，碳硅含量增加，收縮率減小。

硫阻礙石墨的析出，使鑄鐵的收縮率增大。適量的錳，可與硫合成MnS，抵消硫?qū)κ淖璧K作用，使收縮率減小。但含錳量過高，鑄鐵的收縮率又有增加。

第31頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2)澆注溫度

澆注溫度愈高，過熱度愈大，合金的液態(tài)收縮增加。第32頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日3）鑄件結(jié)構(gòu)

鑄件冷卻時，因形狀和尺寸不同，各部分的冷卻速度不同，結(jié)果對鑄件收縮產(chǎn)生阻礙。

4）鑄型和型芯對鑄件的收縮也產(chǎn)生機械阻力

鑄件的實際線收縮率比自由線收縮率小。因此設(shè)計模樣時，應(yīng)根據(jù)合金的種類、鑄件的形狀、尺寸等因素，選取適合的收縮率。第33頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日縮孔與縮松的形成與防止

由于液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的體積得不到補充，在鑄造件最后凝固部位將形成孔洞。按孔洞的大小和分布可分為縮孔和縮松。縮孔是比較集中的孔洞?？s松是比較分散的孔洞。第34頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日1、縮孔

縮孔通常隱藏在鑄件上部或最后凝固部位?？s孔的形成過程。液態(tài)金屬填滿鑄型后，因鑄型吸熱，靠近型腔表面的金屬很快降到凝固溫度，凝固成一層外殼，溫度下降，合金逐層凝固，由于液態(tài)收縮和補充凝固層的凝固收縮，體積縮減，液面下降，鑄件內(nèi)部出現(xiàn)空隙，直到內(nèi)部完全凝固，在鑄件上部形成縮孔。

純金屬或共晶成分的合金易于形成集中縮孔。第35頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第36頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、縮松

將集中縮孔分散為數(shù)量極多的小縮孔。液一固兩相區(qū)，形成樹枝狀結(jié)晶。這種凝固方式稱糊狀凝固。枝晶長到一定程度使熔融金屬被分離成彼此孤立的狀態(tài)，它們繼續(xù)凝固時也將產(chǎn)生收縮，這時鑄件中心雖有液體存在，但由于樹枝晶的阻礙使之無法補縮，在凝固后形成許多微小的孔洞。這種很細小的孔洞稱為疏松。第37頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日縮松第38頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日3、縮孔和縮松的防止

按照定向凝固原則進行凝固，使鑄件上從遠離冒口的部分到冒口之間建立一個逐漸遞增的溫度梯度，從而實現(xiàn)由遠離冒口的部分向冒口的方向定向地凝固。這樣鑄件上每一部分的收縮都得到稍后凝固部分的合金液的補充，縮孔轉(zhuǎn)移到冒口部位，切除后便可得到無縮孔的致密鑄件。合理地應(yīng)用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施是消除縮孔、縮松的有效措施。第39頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第40頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第41頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日鑄造應(yīng)力、鑄件的變形與裂紋及防止措施

鑄件收縮時受阻就產(chǎn)生鑄造應(yīng)力當(dāng)應(yīng)力超過材料的屈服極限時，鑄件產(chǎn)生變形。應(yīng)力超過材料的抗拉強度時，鑄件就產(chǎn)生裂紋。第42頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日1、鑄造應(yīng)力按產(chǎn)生的原因不同，可分為熱應(yīng)力、收縮應(yīng)力

（1）熱應(yīng)力

在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力，稱熱應(yīng)力。冷卻較慢的厚壁處或心部受拉伸，冷卻較快的薄壁處或表面受壓縮，鑄件的壁厚差別愈大、合金的線收縮率或彈性模量愈大，熱應(yīng)力愈大。定向凝固時，由于鑄件各部分冷卻速度不一致，產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，鑄件易出現(xiàn)變形和裂紋。第43頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（2）收縮應(yīng)力

固態(tài)收縮時，因受鑄型、型芯、澆冒口等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力稱收縮應(yīng)力。一般鑄件冷卻到彈性狀態(tài)后，收縮受阻都會產(chǎn)生收縮應(yīng)力。收縮應(yīng)力常表現(xiàn)為拉應(yīng)力。形成原因一經(jīng)消除（如鑄件落砂或去除澆口后）收縮應(yīng)力也隨之消之，因此收縮應(yīng)力是一種臨時應(yīng)力。但在落砂前，如果鑄件的收縮應(yīng)力和熱應(yīng)力共同作用其瞬間應(yīng)力大于鑄件的抗拉強度時，鑄件會產(chǎn)生裂紋。第44頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日鑄造應(yīng)力第45頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日2、減小和消除鑄造應(yīng)力的措施

（1）合理地設(shè)計鑄件的結(jié)構(gòu)鑄件的形狀愈復(fù)雜，各部分壁厚相差愈大，冷卻時溫度愈不均勻，鑄造應(yīng)力愈大。因此，在設(shè)計鑄件時應(yīng)盡量使鑄件形狀簡單、對稱、壁厚均勻。（2）采用同時凝固的工藝所謂同時凝固是指采取一些工藝措施，使鑄件各部分溫差很小，幾乎同時進行凝固。因各部分溫差小，不易產(chǎn)生熱應(yīng)力和熱裂，鑄件變形小。設(shè)法改善鑄型、型芯的退讓性，合理設(shè)置澆冒口等。該工藝是在工件厚壁處加冷鐵，冒口設(shè)薄壁處。第46頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（3）時效處理是消除鑄造應(yīng)力的有效措施

時效分自然時效、熱時效和振動時效等。自然時效：

將鑄件置于露天場地半年以上，讓其內(nèi)應(yīng)力消除。熱時效（人工時效）：又稱去應(yīng)力退火，是將鑄件加熱到550－650℃，保溫2－4h，隨爐冷卻至150－200℃，然后出爐。振動法：

將鑄件在其共振頻率下震動10－60min，以消除鑄件中的殘留應(yīng)力。第47頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日3、鑄件的變形與防止

在熱應(yīng)力的作用下，鑄件薄的部分受壓應(yīng)力,厚的部分受拉應(yīng)力，但鑄件總是力圖通過變形來減緩其內(nèi)應(yīng)力。因此，鑄件常發(fā)生不同程度的變形。鑄件的變形使鑄件精度降低，嚴重時可以使鑄件報廢，應(yīng)予防止。因鑄件變形是由鑄造應(yīng)力引起，減小和防止鑄造應(yīng)力的辦法，是防止鑄件變形的有效措施。第48頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日第49頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日防止變形的措施：結(jié)構(gòu)上：壁厚均勻，形狀對稱；工藝上：同時凝固，冷卻均勻；“反變形法”：統(tǒng)計鑄件變形規(guī)律基礎(chǔ)上，在模型上預(yù)先作出相當(dāng)于鑄件變形量的反變形量，以抵消鑄件的變形。用于長而易變形的工件。第50頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日4、鑄件的裂紋與防止

當(dāng)鑄造內(nèi)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。裂紋按形成的溫度范圍分為熱裂和冷裂兩種。

第51頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（1）熱裂

①熱裂的產(chǎn)生

一般是在凝固末期，金屬處于固相線附近的高溫時形成的。其形狀特征是裂縫短，縫隙寬，形狀曲折，縫內(nèi)呈氧化顏色。鑄件結(jié)構(gòu)不合理，合金收縮大，型（芯）砂退讓性差以及鑄造工藝不合理等均可引發(fā)熱裂。鋼和鐵中的硫、磷降低了鋼和鐵的韌性，使熱裂傾向增大。第52頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日②熱裂的防止

合理地調(diào)整合金成分（嚴格控制鋼和鐵中的硫、磷含量），合理地設(shè)計鑄件結(jié)構(gòu)，采用同時凝固的原則和改善型（芯）砂的退讓性，都是防止熱裂的有效措施。第53頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日（2）冷裂

①冷裂的產(chǎn)生冷裂是鑄件冷卻到低溫處于彈性狀態(tài)時所產(chǎn)生的熱應(yīng)力和收縮應(yīng)力的總和，如果大于該溫度下合金的強度，則產(chǎn)生冷裂。冷裂是在較低溫度下形成的，其裂縫細小，呈連續(xù)直線狀，縫內(nèi)干凈，有時呈輕微氧化色。壁厚差別大、形狀復(fù)雜的鑄件，尤其是大而薄的鑄件易于發(fā)生冷裂。

第54頁，共65頁，2023年，2月20日，星期日②冷裂的防止

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