鑄造工藝基礎(chǔ)知識(shí)及理論

金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝工藝基礎(chǔ)鑄件生產(chǎn)鑄造材料鑄造工藝1234工藝性能工藝方法1.

金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝基礎(chǔ)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.特種鑄造較適用于大批量生產(chǎn)，應(yīng)用范圍逐漸增加。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(chēng)鑄造.適于做復(fù)雜外形，特別是復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯1成本低，原材料來(lái)源廣，價(jià)格低廉,一般不需要昂貴的設(shè)備3對(duì)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4對(duì)材料的適應(yīng)性廣，鑄件的大小幾乎不受限制21.

金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝基礎(chǔ)液態(tài)成型的優(yōu)點(diǎn)1.

金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝基礎(chǔ)液態(tài)成型的缺點(diǎn)工藝過(guò)程比較復(fù)雜，一些工藝過(guò)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(lèi)材料的塑性成形低412341.

金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝基礎(chǔ)液態(tài)合金的工藝性能液態(tài)合金的工藝性能表征為液態(tài)合金的鑄造性能通常是指合金的流動(dòng)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(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)1.

金屬液態(tài)成形（鑄造）工藝基礎(chǔ)合金的充型能力液態(tài)金屬充滿(mǎn)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的概念:充型能力不足澆不足冷隔夾砂氣孔夾渣充型能力的決定因數(shù)合金的流動(dòng)性鑄型性質(zhì)澆注條件鑄件結(jié)構(gòu)等合金的充型能力測(cè)試合金充型能力的方法:

如右圖,將合金液澆入鑄型中，冷凝后測(cè)出充滿(mǎn)型腔的式樣長(zhǎng)度。澆出的試樣越長(zhǎng)，合金的流動(dòng)性越好,合金充型能力越好幾種不同合金流動(dòng)性的比較*鑄鋼的流動(dòng)性*鑄鐵的流動(dòng)性合金流動(dòng)性對(duì)充型能力的影響合金流動(dòng)性的決定因數(shù)

合金的種類(lèi):

合金不同流動(dòng)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(diǎn)，流動(dòng)性也不同。

結(jié)晶特性:

恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差澆注條件對(duì)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(guò)熱度高，金屬液內(nèi)含熱量多，保持液態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，充型能力強(qiáng)。液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力稱(chēng)為充型壓力。充型壓力越大,充型能力越強(qiáng)。澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，則流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。鑄型條件對(duì)充型能力的影響鑄型蓄熱系數(shù):即從金屬中吸取熱量并儲(chǔ)存的能力鑄型溫度(不能過(guò)高)鑄型的發(fā)氣和透氣能力：鑄型發(fā)氣能力過(guò)強(qiáng),透氣能力又差時(shí),若澆鑄速度太快,則型腔中的氣體壓力增大，充型能力減弱。2.鑄件的生產(chǎn)—液態(tài)金屬的凝固與收縮鑄件的凝固

在鑄件的凝固過(guò)程中，截面一般存在三個(gè)區(qū)域，即液相區(qū)、凝固區(qū)、固相區(qū)。對(duì)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(lái)劃分的。

凝固方式有：

逐層凝固糊狀凝固中間凝固2.鑄件的生產(chǎn)—影響凝固的主要因素*合金的結(jié)晶溫度范圍：

合金的結(jié)晶溫度范圍越小，凝固區(qū)域越窄，越趨向于逐層凝固。在鐵碳合金中普通灰鑄鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固。*鑄件的溫度梯度：

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)的寬窄取決于鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其凝固區(qū)相應(yīng)由寬變窄。2.鑄件的生產(chǎn)—合金的收縮合金的收縮的過(guò)程:

合金從液態(tài)冷卻至室溫的過(guò)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(lái)許多困難，會(huì)造成許多鑄造缺陷。（如：縮孔、縮松、裂紋、變形等）。合金收縮的三個(gè)階段液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮合金收縮固態(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)力線(xiàn)收縮2.鑄件的生產(chǎn)—合金的收縮2.鑄件的生產(chǎn)—影響收縮的因素鑄型條件鑄件結(jié)構(gòu)澆注溫度化學(xué)成分(c含量)合金收縮不確定要消除這些缺陷就要找出產(chǎn)生缺陷的影響因素合金收縮鑄造缺陷三個(gè)重要缺陷！2.鑄件的生產(chǎn)—縮孔的形成縮孔的形成:

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(guò)程中，如得不到合金液的補(bǔ)充，在鑄件最后凝固的地方就會(huì)產(chǎn)生縮孔.2.鑄件的生產(chǎn)—縮松的形成縮松的形成原因:

鑄件最后凝固的收縮未能得到補(bǔ)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(shù)枝晶發(fā)達(dá)，枝晶骨架將合金液分割開(kāi)的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)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)生縮松定向凝固原則是讓鑄件遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)以厚補(bǔ)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(bǔ)貼等工藝措施。消除縮孔和縮松的方法A等溫線(xiàn)法B內(nèi)切圓法判斷縮孔出現(xiàn)的方法2.鑄件的生產(chǎn)—縮孔與縮松3.鑄件的生產(chǎn)工藝

手工造型

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消失模鑄造液態(tài)成型工藝砂型鑄造特種鑄造

整模造型

分模造型活塊造型三箱造型

挖砂造型

刮板造型機(jī)器造型砂型鑄造的工藝設(shè)計(jì)鑄造工藝圖的繪制分型面的選擇工藝參數(shù)的確定澆注位置的確定3.鑄件的生產(chǎn)工藝—砂型鑄造

砂型鑄造的工藝設(shè)計(jì)鑄造工藝圖的繪制分型面的選擇工藝參數(shù)的確定選擇原則應(yīng)保證模樣能順利的從鑄型中取出應(yīng)盡量減少分型面的數(shù)量應(yīng)盡量使分型面是一個(gè)平直的面應(yīng)使鑄件的全部或大部分置入同一砂箱應(yīng)盡量使型芯和活塊的數(shù)量減少工藝參數(shù)的確定加工余量、收縮率、拔模斜度、鑄造圓角、型芯及型芯頭4.鑄件的材料分類(lèi)鑄件包括：鑄鐵、鑄鋼、鑄銅、鑄鋁……,由于鑄鐵材料(包括灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵)具有優(yōu)良的鑄造性能，且資源豐富，冶煉方便，價(jià)格低廉，鑄鐵件占液態(tài)成形件中相當(dāng)大的份額。

鑄鐵：鑄鐵不是純鐵，它是一種以Fe、C、Si為主要成分且在結(jié)晶過(guò)程中具有共晶轉(zhuǎn)變的多元鐵基合金?；瘜W(xué)成分一般為：C2.5％—4.0％、Si1.0％一3，0％、P0.4%～1.5％、S0.02％—02％。為了提高鑄鐵的機(jī)械性能，通常在鑄鐵成分中添加少量Cr、Ni、C、Mi等合金元素制成合金鑄鐵。

鑄造鋁合金:成分在D點(diǎn)以右的合金，存在共晶組織，塑性較差，不宜壓力加工，但流動(dòng)性好，適宜鑄造。鑄鐵件生產(chǎn)碳在鐵碳合金中的存在形式有：滲碳體和石墨根據(jù)碳在鐵碳合金中的存在形式鑄鐵可以分為：白口鑄鐵：萊氏體+二次滲碳體＋珠光體

灰口鑄鐵：基體+石墨麻口鑄鐵:萊氏體+二次滲碳體＋珠光體

+石墨重點(diǎn)內(nèi)容：灰口鑄鐵特點(diǎn)石墨化生產(chǎn)工藝4.鑄件的材料分類(lèi)4.1鑄鐵成分與組織特點(diǎn)鑄鐵通常是C%=2.5%~4.0%的鐵碳合金。

鑄鐵與碳鋼相比較，其化學(xué)成分中除了有較高的C、Si含量外（Si1.0％一3.0％），還含有較高的雜質(zhì)元素Mn、P、S，在特殊性能的合金鑄鐵中，還含有某些合金元素。所有這些元素的存在及其含量，都將直接影響鑄鐵的組織和性能。

由于鑄鐵中的碳主要是以石墨（G）形式存在的，所以鑄鐵的組織是由金屬基體和石墨所組成的。鑄鐵的金屬基體有珠光體、鐵素體和珠光體加鐵素體三類(lèi)，它們相當(dāng)于鋼的組織。因此，鑄鐵的組織特點(diǎn)，可以看成是在鋼的基體上分布著不同形狀的石墨。

4.鑄件的材料分類(lèi)鑄鐵的分類(lèi)根據(jù)石墨形狀的不同，將鑄鐵分為以下四種：

（1）灰口鑄鐵:鑄鐵中的石墨形狀呈片狀。

（2）蠕墨鑄鐵:鑄鐵中的石墨大部分為短小蠕蟲(chóng)狀

（3）可鍛鑄鐵（展性鑄鐵):鑄鐵中的石墨是不規(guī)則團(tuán)絮狀。

（4）球墨鑄鐵：鑄鐵中的石墨呈球狀。

此外，為了獲得某些特殊性能，應(yīng)使鑄鐵中的常規(guī)元素高干規(guī)定的含量，并且加入一定的合金元素，此稱(chēng)之為特殊性能鑄鐵。例如:耐磨鑄鐵、耐熱鑄鐵和耐蝕鑄鐵等。

鑄鐵之所以用得如此廣泛,是因?yàn)槭拇嬖?，石墨的存在，使鑄鐵具有鑄鋼所不具備的性能。鑄鐵的優(yōu)點(diǎn)

良好的鑄造性能，如流動(dòng)性好、收縮小良好的切削加工性能；高的耐磨性；

良好的吸振緩沖性能；

低的缺口敏感性能。A.灰鑄鐵的性能石墨片越圓整、越細(xì)小、分布越均勻?qū)w割裂作用越小。4.鑄件的材料分類(lèi)—灰鑄鐵

灰口鑄鐵的組織是由鋼的基體組織與片狀石墨組成。鋼的基體：鐵素體、鐵素體＋珠光體、珠光體，三種灰口鑄鐵：F灰口鑄鐵、F+P灰口鑄鐵、P灰口鑄鐵（如圖所示）。其中珠光體灰口鑄鐵的強(qiáng)度最高，應(yīng)用最廣泛。鐵素體基體組織鐵素體基體+片狀石墨

X100鐵素體基體+片狀石墨

X5004.鑄件的材料分類(lèi)—灰鑄鐵珠光體基體組織珠光體基體+片狀石墨

X100珠光體基體+片狀石墨X500鐵素體+珠光體基體組織鐵素體和珠光體基體+片狀石墨

X100X5004.鑄件的材料分類(lèi)—灰鑄鐵牌號(hào)顯微組織性能基體石墨HT100F+P粗片狀鑄造性能好，不用人工時(shí)效，減振性好HT150F+P較粗片狀HT200P中等片狀強(qiáng)度較高，耐磨耐熱，鑄造性較好，但要人工時(shí)效，減振性較好HT250細(xì)P較細(xì)片狀HT300索氏體或屈氏體細(xì)小片狀高強(qiáng)度，高耐磨性，白口傾向大，鑄造性差，要人工時(shí)效（1）HT200、HT250、HT300多屬孕育鑄鐵（2）牌號(hào)越高，鑄造性能越差，強(qiáng)度越高（3）同一牌號(hào)，壁厚增加，抗拉強(qiáng)度下降說(shuō)明：灰口鑄鐵的牌號(hào)如HT100,

表示Ф30mm試樣的最小抗拉強(qiáng)度值100MN/m2灰口鑄鐵常見(jiàn)牌號(hào)組織4.鑄件的材料分類(lèi)—灰鑄鐵4.鑄件的材料分類(lèi)—灰鑄鐵灰鑄鐵的機(jī)械性能

灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性、韌性及彈性模量都低于碳素銹鋼，如表所示?；诣T鐵的抗壓強(qiáng)度和硬度主要取決于基體組織?；诣T鐵的抗壓強(qiáng)度一般比抗拉強(qiáng)度高出三四倍，這是灰鑄鐵的一種特性。因此，與其把灰鑄鐵用作抗拉零件還不如做耐壓零件更適合。這就是廣泛用作機(jī)床床身和支柱受耐壓零件的原因。4.鑄件的材料分類(lèi)—灰鑄鐵灰口鑄鐵的熱處理（1）、去應(yīng)力退火目的：消除鑄造內(nèi)應(yīng)力，防止鑄件開(kāi)裂惑減少變形（2）、改善切削加工性的退火目的：消除白口組織，改善切削加工性（3）、表面淬火

目的：提高表面的硬度和耐磨性，其方法有火焰淬火、感應(yīng)淬火和電接觸淬火。熱處理只能改變鑄鐵的基體組織，不能改變石墨的形態(tài)和分布?！Ч淮?/p>

鑄鐵的石墨化：碳以石墨的形式析出的過(guò)程。通常視石墨化過(guò)程充分與否，會(huì)得到不同基體的鑄鐵組織?；诣T鐵的基體通常有：*鐵素體灰鑄鐵B.石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵性能的影響*鐵素體—珠光體灰鑄鐵*珠光體灰鑄鐵4.鑄件的材料分類(lèi)—石墨石墨化

——

鑄鐵中的碳以石墨的形式析出的過(guò)程，稱(chēng)為石墨化。石墨化程度

，G數(shù)量

，基體中P數(shù)量

所以，石墨化程度決定了鑄鐵的組織：石墨形態(tài)對(duì)鑄鐵性能的影響石墨相當(dāng)于鋼基體上的裂紋或空洞，減少基體有效截面積，引起應(yīng)力集中。片狀石墨引起嚴(yán)重應(yīng)力集中，團(tuán)絮狀和球狀作用輕。孕育處理后，石墨片細(xì)化，割裂作用減輕，強(qiáng)度提高。蠕墨鑄鐵，端部鈍，強(qiáng)度、塑性提高?？慑?、球狀鑄鐵中石墨對(duì)基體裂作用小，強(qiáng)度、塑性提高4.鑄件的材料分類(lèi)—石墨化

C.影響石墨化的因素：Fe-C合金的五大元素：C,Si,P,Mn,S化學(xué)成分C是G的形成元素，C%

，

G化；碳當(dāng)量：CE=C+1/3(Si+P)原因：Si能抑制Fe3C的形成，促進(jìn)Fe3C分解

Si:

是強(qiáng)烈促進(jìn)G化的元素，Si%

,G化。

合金元素Cr、W、Mo、V

與C親合力強(qiáng)，阻礙石墨化合金元素Al、Cu、Ni、Co增加Fe自擴(kuò)散能力，促進(jìn)石墨化。S:

是阻礙G化的元素，S%

,G化

Mn：Mn<0.2~0.4%時(shí)，Mn+S

MnS可起除S作用，G化；Mn>0.2~0.4%時(shí)，形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C,G化。P：對(duì)石墨化影響不明顯。4.鑄件的材料分類(lèi)—石墨化冷卻速度(V冷)G化是靠原子擴(kuò)散進(jìn)行的，需要溫度、時(shí)間V冷

，G化

，F(xiàn)e3C量

，G片細(xì)小、量少。

V冷

，G化停止，無(wú)石墨形成，C

Fe3C，即形成白口鑄鐵。4.鑄件的材料分類(lèi)—石墨化

C.影響石墨化的因素：

為了細(xì)化灰鑄鐵的組織，提高鑄鐵的機(jī)械性能，并使其均勻一致。通常在澆注前往鐵水中加和少量強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的物質(zhì)，即(孕育劑）進(jìn)行處理，這一處理過(guò)程稱(chēng)為孕育處理。經(jīng)過(guò)孕育處理的灰鑄鐵稱(chēng)孕育鑄鐵。

常用的孕育劑有硅鐵、硅鈣、稀土合金等。孕育劑的加入量大致在0.2％～0.5％，應(yīng)視鑄件厚薄而定。孕育劑的作用是促使石墨非自發(fā)形核，因而孕育鑄鐵的金相組織是在細(xì)密的珠光體基體上，均勻分布細(xì)小的石墨，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)300一400MPa，硬度可達(dá)HB170—270，αk可達(dá)3～8J／cm2、延伸率達(dá)0.5％左右，都比普通灰鑄鐵高。

4.鑄件的材料分類(lèi)—孕育D.灰鑄鐵的孕育處理改善基體組織改變石墨形態(tài)、數(shù)量、大小和分布灰鑄鐵的孕育處理是提高和改善灰鑄鐵的性能途徑的有效的方法。灰鑄鐵的孕育處理方法將熔煉出的鐵水在澆鑄前加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%~0.60%的孕育劑，孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結(jié)晶核心，使石墨化作用顯著提高，從而得到在細(xì)珠光體上均勻分布著細(xì)片狀石墨的組織。常用的孕育劑是含Si量為75%的硅鐵。選用碳、硅量低的鐵水

原鐵水含碳量越低，石墨越細(xì)小，鑄鐵的強(qiáng)度、硬度就越高。目的4.鑄件的材料分類(lèi)—孕育D.灰鑄鐵的孕育處理

向高溫鐵水中加入一定量的球化劑和孕育劑，直接得到球狀石墨的鑄造合金。球化劑：金屬鎂或稀土鎂孕育劑：含Si量為75%或95%的硅鐵4.鑄造—球墨鑄鐵件的生產(chǎn)

石墨呈球狀的鑄鐵稱(chēng)為球墨鑄鐵，簡(jiǎn)稱(chēng)球鐵。球鐵是用灰口成分的鐵水經(jīng)球化處理和孕育處理制得的。球墨鑄鐵件主要特點(diǎn)：石墨成球狀，對(duì)基體的割裂作用已降到最低，力學(xué)性能比灰鑄鐵有顯著提高?？赏ㄟ^(guò)熱處理改善金屬基體，進(jìn)一步提高性能。這一點(diǎn)與灰鑄鐵不同。球墨鑄鐵較灰鑄鐵易產(chǎn)生縮孔、縮松、皮下氣孔、夾渣等缺陷。石墨析出時(shí)，發(fā)生膨脹，應(yīng)適當(dāng)提高鑄型剛度。球墨鑄鐵件生產(chǎn)中應(yīng)注意的問(wèn)題控制原鐵液的化學(xué)成分，與一般灰鑄鐵基本相同；具有高C高Si,中Mn,低S、P特點(diǎn)。較高的鐵液溫度，以防止球化處理、孕育處理后鐵液溫度過(guò)低，產(chǎn)生澆不足等缺陷球化處理、孕育處理。4.鑄造—球墨鑄鐵件的生產(chǎn)球鐵的組織和性能特點(diǎn)

球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，它對(duì)基體的破壞作用小，基體強(qiáng)度利用率可達(dá)70％－90％。另外。球鐵可通過(guò)熱處理充分發(fā)揮基體的性能潛力，所以球鐵具有較好的機(jī)械性能?？估瓘?qiáng)度最高可達(dá)150x107N/m2，延伸率可達(dá)25%。另外，它的屈強(qiáng)比很高，αk可達(dá)8-15J／cm2。4.鑄造—球墨鑄鐵球墨鑄鐵

組織與性能：(F,F+P,P)+球狀G

G球