鑄造工藝學1課件

鑄造工藝引言第一節(jié)合金的鑄造性能第二節(jié)常用鑄造合金第三節(jié)砂型鑄造第四節(jié)特種鑄造第五節(jié)零件結(jié)構(gòu)的鑄造工藝性鑄造引言1、何為鑄造？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。

圖9-1砂型鑄造圖9-2鑄造產(chǎn)品第一節(jié)合金的鑄造性能（一）合金的流動性

1.流動性流動性是指熔融金屬的流動能力。

合金流動性的好壞，通常以“螺旋形流動性試樣”的長度來衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。2.流動性的影響因素

1）合金的種類

不同種類的合金，具有不同的螺旋線長度，即具有不同的流動性。其中灰鑄鐵的流動性最好，硅黃銅、鋁硅合金次之，而鑄鋼的流動性最差。一、流動性和充型能力鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系見圖9-4。圖中表明，純鐵和共晶鑄鐵的流動性最好，亞共晶鑄鐵和碳素鋼隨凝固溫度范圍的增加，其流動性變差。

圖9-4鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系（二）合金的充型能力

1.

充型能力

考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬流動性叫合金的充型能力。合金的流動性是金屬本身的屬性，不隨外界條件的改變而變化，而合金的充型能力不僅和金屬的流動性相關(guān)，而且也受外界因素的影響。2.充型能力的影響因素

1）鑄型填充條件

a）鑄型的蓄熱能力

即鑄型從金屬液中吸收和儲存熱量的能力。鑄型的熱導率和質(zhì)量熱容越大，對液態(tài)合金的激冷作用越強，合金的充型能力就越差。

b）鑄型溫度

提高鑄型溫度，可以降低鑄型和金屬液之間的溫差，進而減緩了冷卻速度，可提高合金液的充型能力。

c）鑄型中的氣體

鑄型中氣體越多，合金的充型能力就越差。（二）合金的充型能力

1.

充型能力

考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬流動性叫合金的充型能力。合金的流動性是金屬本身的屬性，不隨外界條件的改變而變化，而合金的充型能力不僅和金屬的流動性相關(guān)，而且也受外界因素的影響。2.充型能力的影響因素

1）鑄型填充條件

a）鑄型的蓄熱能力

即鑄型從金屬液中吸收和儲存熱量的能力。鑄型的熱導率和質(zhì)量熱容越大，對液態(tài)合金的激冷作用越強，合金的充型能力就越差。

b）鑄型溫度

提高鑄型溫度，可以降低鑄型和金屬液之間的溫差，進而減緩了冷卻速度，可提高合金液的充型能力。

c）鑄型中的氣體

鑄型中氣體越多，合金的充型能力就越差。（3）中間凝固方式

大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。圖9-5鑄件的凝固方式2.

凝固方式的影響因素

（1）合金凝固溫度范圍的影響

合金的液相線和固相交叉在一起，或間距很小，則金屬趨于逐層凝固；如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。

（2）鑄件溫度梯度的影響

增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉(zhuǎn)化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉(zhuǎn)化。（二）鑄造合金的收縮

鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。它主要包括以下三個階段：

1.液態(tài)收縮

金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。

2.凝固收縮

熔融金屬在凝固階段的體積收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因。

3.固態(tài)收縮

金屬在固態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。（三）

影響合金收縮的因素

1.化學成分

不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄剛的收縮最大，灰鑄鐵最小。

2.澆注溫度

合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。

3.鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件

鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實際收縮率就越小。

圖9-6縮孔形成過程示意圖（2）縮松的形成

宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。縮松形成過程見圖9-7。

圖9-7縮松形成過程示意圖（3）縮孔、縮松的防止措施

a）采用定向凝固的原則所謂定向凝固，是使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。冒口和冷鐵的合理使用，可造成鑄件的定向凝固，有效地消除縮孔、縮松。定向凝固原則見圖9-8。

圖9-8定向凝固原則2.

鑄造應力、變形和裂紋

在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應力，引起變形或開裂，這種缺陷的產(chǎn)生，將嚴重影響鑄件的質(zhì)量。（1）鑄造應力的產(chǎn)生

鑄造應力按其產(chǎn)生的原因可分為三種：

a）熱應力鑄件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力。

b）固態(tài)相變應力鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應力。

c）收縮應力鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋等外力的阻礙而產(chǎn)生的應力。

鑄件鑄出后存在于鑄件不同部位的內(nèi)應力稱為殘留應力。（2）鑄造應力的防止和消除措施

a）采用同時凝固的原則

同時凝固是指通過設(shè)置冷鐵、布置澆口位置等工藝措施，使鑄件溫差盡量變小，基本實現(xiàn)鑄件各部分在同一時間凝固。如圖9-9所示。

b）提高鑄型溫度

c）改善鑄型和型芯的退讓性

d）進行去應力退火

圖9-9同時凝固原則（3）鑄件的變形和防止

鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形有以下幾種方法：

a)采用反變形法可在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預變形量來抵消鑄件的變形，此種方法稱為反變形法。

b)進行去應力退火鑄件機加工之前應先進行去應力退火，以穩(wěn)定鑄件尺寸，降低切削加工變形程度。

c)設(shè)置工藝肋

為了防止鑄件的鑄態(tài)變形，可在容易變形的部位設(shè)置工藝肋。1.偏析鑄件中出現(xiàn)化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和體積質(zhì)量偏析三類。(1)晶內(nèi)偏析（又稱枝晶偏析）是指晶粒內(nèi)各部分化學成分不均勻的現(xiàn)象，這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方法。(2)區(qū)域偏析是指鑄件截面的整體上化學成分和組織的不均勻。避免區(qū)域偏析的發(fā)生，主要應該采取預防措施，如控制澆注溫度不要太高，采取快速冷卻使偏析來不及發(fā)生，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中心部分接近同時凝固。(3)比重偏析鑄件上、下部分化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為比重偏析。為防止比重偏析，在澆注時應充分攪拌金屬液或加速合金液的冷卻，使液相和固相來不及分離，凝固即告結(jié)束。

三、鑄造合金的偏析和吸氣性2.鑄件中的氣孔和合金的吸氣

（1）侵入性氣孔侵入性氣孔是由于鑄型表面聚集的氣體侵入金屬液中而形成的孔洞。多位于鑄件的上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔壁光滑，表面有光澤或有輕微氧化色。

（2）析出性氣孔析出性氣孔是溶解在金屬液中的氣體，在凝固時由金屬液中析出而未能逸出鑄件所產(chǎn)生的氣孔。其特征是尺寸細小，多而分散，形狀多為圓形、橢圓形或針狀，往往分布于整個鑄件斷面內(nèi)。

（3）反應性氣孔澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或溶渣之間，因化學反應產(chǎn)生氣體而形成的氣孔，統(tǒng)稱反應性氣孔。這種氣孔經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件表面層下1mm-2mm處，孔內(nèi)表面光滑，孔徑1mm-3mm。（2）蠕墨鑄鐵石墨呈蠕蟲狀，見圖9-11；

圖9-11蠕墨鑄鐵（4）球墨鑄鐵石墨呈球狀，見圖9-13。

圖9-13球墨鑄鐵3.根據(jù)鑄鐵的化學成分分類（1）普通鑄鐵（2）合金鑄鐵（二）灰鑄鐵1.灰鑄鐵的顯微組織及其性能（1）灰鑄鐵的顯微組織灰鑄鐵的顯微組織由金屬基體（鐵素體和珠光體）與片狀石墨組成。

灰口鑄鐵的組織：鐵素體+片狀石墨鐵素體．珠光體+片狀石墨珠光體+片狀石墨（2）灰鑄鐵的性能a)力學性能由于石墨的存在，一方面使得基體承載的有效面積減少，另一方面在基體中容易造成應力集中現(xiàn)象，最終導致灰鑄鐵的抗拉強度和彈性模量均比鋼低得多，斷裂強度通常為120～250Mpa；塑性和沖擊韌性近于0，屬于脆性材料。b)工藝性能灰鑄鐵屬于脆性材料，不能進行沖壓；同時，其焊接性能也很差。但灰鑄鐵的切削加工性能較好。c)減振性灰鑄鐵具有良好的減振性，其減震能力約為鋼的5～10倍。工業(yè)上常用它來制造機床床身、機座等。d)耐磨性好e)缺口敏感性低2.灰鑄鐵的孕育處理孕育是以少量材料加入熔融金屬，促進成核，以改善其組織和性能的方法。加入的材料稱為孕育劑。常用的孕育劑是FeSi75，熔點為1300℃，經(jīng)孕育處理后的鑄鐵稱孕育鑄鐵。孕育鑄鐵的強度、硬度比普通灰鑄鐵有顯著提高。孕育鑄鐵適用于對強度、硬度和耐磨性要求較高的重要鑄件，尤其是厚大鑄件，如床身、凸輪、凸輪軸、氣缸體和氣缸套等。灰鑄鐵的孕育處理見圖9－14。

圖9-14灰口鑄鐵的孕育處理（三）可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是白口鑄鐵通過石墨化或氧化脫碳可鍛化處理，改變其金相組織或成分而獲得的有較高韌性的鑄鐵。可鍛鑄鐵實際上并非可以鍛造，這個名子只表示它具有一定的塑性和韌性。1.可鍛鑄鐵件的微觀組織及其性能特點（1）可鍛鑄鐵的顯微組織可鍛鑄鐵的顯微組織由金屬基體（鐵素體和珠光體）與團絮狀石墨組成。（2）可鍛鑄鐵的性能可鍛鑄鐵的強度一般為300～400Mpa，最高可達700Mpa，同時，可鍛鑄鐵具有一定的塑性和較高的沖擊韌度?？慑戣T鐵的鑄造性能可鍛鑄鐵的碳、硅質(zhì)量分數(shù)低，熔點比灰鑄鐵高，凝固溫度范圍大，故鐵液的流動性差，必須適當提高鐵液的出爐溫度，以防產(chǎn)生冷隔、澆不到等缺陷。同時，可鍛鑄鐵的凝固過程沒有石墨化膨脹階段，體積收縮和線收縮較大，易形成縮孔和裂紋等缺陷。在設(shè)計鑄件時除應考慮合理的結(jié)構(gòu)形狀外，在鑄造工藝上應采用定向凝固的原則設(shè)置冒口和冷鐵，適當提高型砂的耐火度，退讓性和透氣，為擋住熔渣，在澆注系統(tǒng)中應安放過濾網(wǎng)。（四）球墨鑄鐵球墨鑄鐵是鐵液經(jīng)過球化處理后使石墨大部分或全部呈球狀，有時少量為團絮狀的鑄鐵。1.球墨鑄鐵的組織與性能（1）球墨鑄鐵的顯微組織球墨鑄鐵的顯微組織由金屬基體（鐵素體和珠光體）與球狀石墨組成。（2）球墨鑄鐵的性能球墨鑄鐵不僅強度遠遠高于灰鑄鐵，優(yōu)于可鍛等鐵，甚至可與鋼媲美，尤其屈強比（一般大于0.7）明顯高于碳鋼（僅0.6左右），疲勞強度與中碳鋼接近，而且其耐磨性遠高于45鋼表面淬火。球墨鑄鐵還具有優(yōu)良的熱處理性能，球墨鑄鐵的鑄造性能、減振性、切削加工性及缺口敏感性較灰鑄鐵差，但仍優(yōu)于鑄鋼。其塑性和韌性雖低于鋼，但仍能滿足一般零件的要求。球墨鑄鐵的鑄造工藝特點球墨鑄鐵的鑄造性能介于灰鑄鐵與鑄鋼之間。其流動性與灰鑄鐵相近，可生產(chǎn)壁厚3mm~4mm鑄件。球墨鑄鐵的結(jié)晶特點是在凝固收縮前有較大的膨脹，在鑄造工藝上應采用定向凝固原則，用干型或水玻璃砂快干型提高鑄型的強度，并增設(shè)冒口以加強補縮。球墨鑄鐵凝固時有較大的內(nèi)應力、變形和冷裂傾向，故對重要的球墨鑄鐵件要退火以消除應力。（五）蠕墨鑄鐵指大部分石墨為蠕蟲狀石墨的鑄鐵。蠕墨鑄鐵的力學性能介于基體相同的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間。（一）鑄鋼的種類與性能鑄鋼按化學成分的不同，可分為以下兩大類：1.碳素鑄鋼指以碳為主要合金元素并含有少量其他元素的鑄鋼。根據(jù)碳質(zhì)量分數(shù)的高低可分為低碳、中碳和高碳鑄鋼。鑄鋼的強度與球墨鑄鐵相近，但鑄鋼的沖擊韌度和疲勞強度都高得多，另外，鑄鋼的焊接性能遠比鑄鐵優(yōu)良。2.鑄造合金鋼對于具有較高力學性能或某些特殊性能要求的零件或工具，可采用合金鑄鋼（即鑄造合金鋼）。合金鑄鋼按其合金質(zhì)量分數(shù)可分為低合金鑄鋼和高合金鑄鋼。二鑄鋼（二）鑄鋼的鑄造工藝特點1.鋼液的流動性差其鑄件壁厚不能小于8m