第一章鑄造工藝基礎(chǔ)選編課件

第一章鑄造工藝基礎(chǔ)第一章鑄造工藝基礎(chǔ)什么是液態(tài)成型（鑄造生產(chǎn)）定義：將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、尺寸相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法。什么是液態(tài)成型（鑄造生產(chǎn)）定義：將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀、鑄造業(yè)發(fā)展歷史悠久、輝煌司母戊大方鼎：重875Kg，外型尺寸1.33m×0.78m×1.10m是迄今世界上最古老的大型青銅器編鐘：戰(zhàn)國(guó)時(shí)期楚國(guó)的樂(lè)器，音質(zhì)很好，音階準(zhǔn)確，至今仍可演奏樂(lè)曲。銅車(chē)馬：出自戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的秦國(guó)。由3462個(gè)鑄件組成，總重量達(dá)1241公斤鑄造業(yè)發(fā)展歷史悠久、輝煌司母戊大方鼎：重875Kg，外型尺我國(guó)鑄件產(chǎn)量從2000年起超越美國(guó)位居世界第一。鑄件生產(chǎn)國(guó)可分為兩類(lèi)：一類(lèi)是發(fā)展中國(guó)家，雖然產(chǎn)量大，但鑄件附加值低，小企業(yè)多，從業(yè)人員隊(duì)伍龐大，黑金屬比重大。一類(lèi)是發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、日本及歐洲一些國(guó)家等，他們采用高新技術(shù)主要生產(chǎn)高附加值鑄件。在機(jī)械裝備中，鑄件占整機(jī)重量的比例很高：機(jī)床、重型機(jī)器、內(nèi)燃機(jī)中：鑄件占70％～90％壓氣機(jī)、風(fēng)機(jī)占60％～80％拖拉機(jī)占50％～70％汽車(chē)占20％～30％農(nóng)業(yè)機(jī)械占40％～70％在一般的機(jī)器設(shè)備中，鑄件占機(jī)器總重量的45%～90%現(xiàn)狀我國(guó)鑄件產(chǎn)量從2000年起超越美國(guó)位居世界第一。鑄件生產(chǎn)國(guó)（1）材料來(lái)源廣；（2）廢品可重熔；（3）設(shè)備投資低。鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)1．可生產(chǎn)形狀任意復(fù)雜的制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的制件。如汽缸體、汽缸蓋、蝸輪葉片、床身件等。（1）合金種類(lèi)不受限制；（2）鑄件大小幾乎不受限制。2．適應(yīng)性強(qiáng)：

3．成本低：

4．廢品率高、表面質(zhì)量較低、勞動(dòng)條件差。（1）材料來(lái)源廣；鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)1．可生產(chǎn)形狀任意復(fù)雜的制件合金鑄造性能合金在鑄造成形時(shí)獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力。定義影響因素合金的流動(dòng)性凝固特性

收縮性

吸氣性

合金鑄造性能合金在鑄造成形時(shí)獲得外形準(zhǔn)確、內(nèi)部健全鑄件的能力充型能力不足時(shí)，會(huì)產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾渣、氣孔等缺陷。

１、液態(tài)合金的流動(dòng)性合金的流動(dòng)性是：液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力。充型——液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程。充型能力——液體金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰的成形件的能力。（一）液態(tài)金屬的充型能力鑄造工藝特點(diǎn)：影響充型能力的因素充型能力不足時(shí)，會(huì)產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾渣、氣孔等缺陷。１、0.45%C鑄鋼：200出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：18000.45%C鑄鋼：200出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：18合金造型材料澆注溫度(oC)螺旋線長(zhǎng)度(mm)鑄鐵ωC+Si=6.2%砂型13001800ωC+Si=5.2%砂型13001000ωC+Si=4.2%砂型1300600鑄鋼ωC=6.2%砂型1600100

砂型1400200錫青銅ωSn=9～11%砂型1040420ωZn=2～4%砂型1040420硅黃銅砂型11001000鋁合金金屬型(300oC)680～720oC700～800鎂合金砂型700400～600常用鑄造合金的流動(dòng)性合金造型材料澆注溫度(oC)螺旋線長(zhǎng)度(mm)鑄鐵ωC+Si出氣口澆口杯PbSb20406080204060800流動(dòng)性（cm）100200300溫度（℃）0出氣口澆口杯PbSb20406080204060800流動(dòng)性合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的結(jié)晶特點(diǎn)。a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動(dòng)性（cm）100200300溫度（℃）0合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的結(jié)晶特點(diǎn)。a）在恒（3）澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。

２、澆注條件３、鑄型條件（1）鑄型的蓄熱系數(shù)鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從其中的金屬吸取熱量并儲(chǔ)存在本身的能力。（1）澆注溫度

一般T澆越高，液態(tài)金屬的充型能力越強(qiáng)。（2）充型壓力液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，充型能力越強(qiáng)。（3）澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力２、（2）鑄型溫度鑄型溫度越高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差越小，充型能力越強(qiáng)。（3）鑄型的排氣能力（2）鑄件復(fù)雜程度鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動(dòng)阻力大，鑄型的充填就困難。４、鑄件結(jié)構(gòu)（1）折算厚度折算厚度也叫當(dāng)量厚度或模數(shù)，為鑄件體積與表面積之比。折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好。鑄件壁厚相同時(shí)，垂直壁比水平壁更容易充填。（2）鑄型溫度鑄型溫度越高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差（3）（二）液態(tài)金屬的凝固特性鑄件的凝固方式

1）逐層凝固2）體積凝固

3）中間凝固

影響鑄件凝固方式的主要因素：（1）合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)（二）液態(tài)金屬的凝固特性鑄件的凝固方式1）逐層凝固2）（2）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)域的寬窄取決與鑄件內(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，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。表層中心St鑄件溫度成分溫度S2T1T2T澆T液T固T室（2）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)1.收縮的概念及表示（三）合金的收縮性體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因。體收縮率：線收縮率：線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因。1）收縮合金從液態(tài)冷卻至室溫的過(guò)程中，體積或尺寸減小的現(xiàn)象。它是金屬固有的物理性質(zhì)。2）表示1.收縮的概念及表示（三）合金的收縮性體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮（3）固態(tài)收縮從凝固終止溫度到室溫間的收縮。T固

—T室（2）凝固收縮從凝固開(kāi)始到凝固終止溫度間的收縮。

T液

—T固合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段：（1）液態(tài)收縮

從澆注溫度到凝固開(kāi)始溫度之間的收縮。T澆

—T液體積縮小表現(xiàn)為型腔內(nèi)液面的降低；澆注溫度越高，過(guò)熱度越大，液態(tài)收縮越嚴(yán)重高溫出爐，低溫澆注凝固溫度范圍越大，凝固收縮越嚴(yán)重3）收縮的三個(gè)階段主要表現(xiàn)為外形尺寸的減小，一般用線收縮率表示產(chǎn)生應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷的主要原因（3）固態(tài)收縮從凝固終止溫度到室溫間的收縮。T固—T2.影響收縮的因素：化學(xué)成分鋼的收縮率最大，灰口鑄鐵收縮率最小（析出石墨產(chǎn)生體積膨脹抵消了部分收縮）澆注溫度澆注溫度越高，過(guò)熱度越大，液態(tài)收縮率越大鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件：收縮的阻力來(lái)源于兩方面：一是鑄件壁厚不均勻；二是鑄型和型芯對(duì)收縮的機(jī)械阻力。2.影響收縮的因素：化學(xué)成分收縮的阻力來(lái)源于兩方面：１）縮孔與縮松

液態(tài)合金在冷凝過(guò)程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)充，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的稱(chēng)為縮孔，細(xì)小而分散的稱(chēng)為縮松。（1)縮孔和縮松的形成3.收縮對(duì)鑄件質(zhì)量的影響合金結(jié)晶范圍窄合金結(jié)晶范圍寬１）縮孔與縮松液態(tài)合金在冷凝過(guò)程中，若其液態(tài)收縮（2)縮孔和縮松的危害與防止

防止措施：防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)“順序凝固”。危害：縮孔和縮松能減小鑄件的有效面積，并在該片產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低機(jī)械性能；縮松還能使鑄件滲漏。（2)縮孔和縮松的危害與防止防止措施：防止縮孔和縮松常用的順序凝固順序凝固是采用各種措施，使鑄件從冒口到遠(yuǎn)離冒口之間的溫度梯度逐漸遞減，使遠(yuǎn)離冒口的地方先凝固，然后向冒口的方向順序凝固。暗冒口冒口:鑄型內(nèi)存儲(chǔ)供補(bǔ)縮鑄件用熔融金屬的空腔。同時(shí)還起排氣和集渣作用。順序凝固順序凝固是采用各種措施，使鑄件從冒口到遠(yuǎn)離冒口之間冒口和冷鐵聯(lián)合補(bǔ)縮冷鐵熱節(jié)在鑄件的厚大部位放置冷鐵，加快冷卻速度。冒口和冷鐵聯(lián)合補(bǔ)縮冷鐵熱節(jié)在鑄件的厚大部位放置冷鐵，加快冷２）液態(tài)成形內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋

（１）液態(tài)成形內(nèi)應(yīng)力

鑄件在凝固以后的繼續(xù)冷卻過(guò)程中，其固態(tài)收縮受到阻礙，鑄件內(nèi)部即將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。按成因不同，分為：１.機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。上型下型機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)應(yīng)力。2.相變應(yīng)力冷卻過(guò)程中，有些合金經(jīng)歷固態(tài)相變，比容發(fā)生變化。可能是暫時(shí)應(yīng)力、也可能是永久應(yīng)力（殘余應(yīng)力）。２）液態(tài)成形內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋（１）液態(tài)成形內(nèi)應(yīng)力鑄件在3.熱應(yīng)力熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的應(yīng)力。

tT12t0t1t2t3THT臨T室t0~t1:熱應(yīng)力因塑性變形消除塑性狀態(tài)彈性狀態(tài)12+-12+-1212-+12熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。熱應(yīng)力是永久應(yīng)力。3.熱應(yīng)力熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以+-在熱應(yīng)力的作用下，鑄件厚的部分受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)力。變形的結(jié)果是受拉應(yīng)力的部位趨于縮短變形、受壓應(yīng)力的部位趨于伸長(zhǎng)變形，以使鑄件中的殘余應(yīng)力減小或消除。凝固分三個(gè)階段1、高溫下無(wú)應(yīng)力2、開(kāi)始凝固時(shí)：薄的部分受拉，厚的部分受壓，此時(shí)應(yīng)力可通過(guò)塑性變形抵消。3、凝固結(jié)束時(shí)(２）鑄件的變形與防止

+-在熱應(yīng)力的作用下，鑄件厚的部分受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)力框形鑄件熱應(yīng)力形成過(guò)程I、II桿固態(tài)冷卻曲線彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)鑄件壁厚不均或各部分冷卻速度不同使鑄件的厚壁處或心部受拉應(yīng)力、薄壁或表層受壓應(yīng)力，且隨著鑄件壁厚差的增大、各部分冷卻速度差的不同、鑄造合金線收縮率的提高、以及其彈性模量的增大，鑄件的熱應(yīng)力增大。舉例框形鑄件熱應(yīng)力形成過(guò)程I、II桿固態(tài)冷卻曲線彈性狀態(tài)塑性狀態(tài)防止變形的方法：2）使鑄件壁厚盡可能均勻；3）采用同時(shí)凝固的原則；1）選用彈性模量小的合金；同時(shí)凝固示意圖方法：內(nèi)澆口開(kāi)在鑄件的薄壁處，以減緩其冷卻速度；而在鑄件的厚壁處放置冷鐵，以加快其冷卻速度。注意：同時(shí)凝固不必設(shè)置冒口，節(jié)省材料，簡(jiǎn)化工藝，但會(huì)在鑄件的心部會(huì)產(chǎn)生縮孔或縮松缺陷，所以一般只用于普通灰鑄鐵和錫青銅鑄件的生產(chǎn)。防止變形的方法：2）使鑄件壁厚盡可能均勻；3）采用同時(shí)凝固反變形法在模樣上預(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。4）采用反變形法。如圖為床身鑄件，其導(dǎo)軌部分較厚，受拉應(yīng)力；其床壁部分較薄，受壓應(yīng)力，于是床身發(fā)生朝著導(dǎo)軌方向的彎曲，使導(dǎo)軌下凹。反變形法在模樣上預(yù)先作出相當(dāng)于鑄件變形量的反變形量，以抵消鑄(３）鑄件的裂紋與防止

1.熱裂紋熱裂是鑄件在凝固后期高溫下沿晶界形成的裂紋。鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)金屬的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件將產(chǎn)生裂紋。分為熱裂紋和冷裂紋。宏觀：斷口有氧化色；裂紋短；縫隙寬(寬度0.05～0.5mm);

形狀曲折微觀：沿晶粒邊界分布，沿晶（或晶間）斷裂鑄件熱裂紋(３）鑄件的裂紋與防止1.熱裂紋熱裂是鑄件在凝固后期高影響熱裂形成因素自線收縮開(kāi)始溫度至固相線之間的有效結(jié)晶區(qū)間愈小，則合金在此溫度范圍內(nèi)的絕對(duì)收縮量愈小，鑄件內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力愈小，故合金形成熱裂傾向性愈小。反之亦然。2.合金元素的種類(lèi)1．鑄造合金性質(zhì)的影響促進(jìn)結(jié)晶裂紋形成－－S，P，C，Ni抑制結(jié)晶裂紋形成－－Mn，Si，Ti，稀土元素.影響熱裂形成因素自線收縮開(kāi)始溫度至固相線之間的有效硫和磷--最有害的雜質(zhì)元素增大凝固溫度區(qū)間極易偏析;形成多種低熔點(diǎn)共晶;熱裂紋傾向↑

影響熱裂紋的主要元素→加劇硫﹑磷及其他元素的有害作用。

脫硫作用+改善硫化物的形態(tài)→薄膜狀改變?yōu)榍驙睢岣呓饘俚目沽研?。碳錳硫和磷--最有害的雜質(zhì)元素增大凝固溫度區(qū)間極易偏析;形成多種熱裂的防止①盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。②應(yīng)提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機(jī)械應(yīng)力。③對(duì)于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制硫的含量，避免生成FeS，防止熱脆性。熱裂的防止①盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。2.冷裂紋冷裂是鑄件冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局部鑄造應(yīng)力大于材料強(qiáng)度極限而引起的開(kāi)裂?？偸前l(fā)生在冷卻過(guò)程中承受較高拉應(yīng)力的部位，特別是應(yīng)力集中部位。壁厚不均勻、形狀復(fù)雜的大型鑄件容易產(chǎn)生冷裂紋。穿過(guò)晶內(nèi)和晶界；裂紋細(xì)?。怀蔬B續(xù)直線狀；縫內(nèi)有金屬光澤或輕微氧化色。特征鑄件尖角部位的裂紋2.冷裂紋冷裂是鑄件冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，因局部鑄造應(yīng)力大于材冷裂的防止：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時(shí)凝固的原則；3）對(duì)于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制磷的含量，避免生成Fe3P，防止冷脆性。冷裂的防止：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時(shí)凝固的原則（四）鑄件中的氣孔液態(tài)合金中吸入了氣體，若在其冷凝過(guò)程中不能逸出，或滯流在金屬中，則在冷凝后將使鑄件內(nèi)形成氣孔缺陷。按照氣體的來(lái)源，分為侵入性氣孔、析出性氣孔、反應(yīng)性氣孔。1、侵入性氣孔：主要是砂型和型芯中的氣體侵入金屬液中而形成的氣孔。

防止途徑：降低型砂及芯砂的發(fā)氣量，增強(qiáng)鑄型的排氣能力。（四）鑄件中的氣孔液態(tài)合金中吸入了氣體，若在其冷凝過(guò)程中不能2、析出氣孔：形成原因：氣體在液態(tài)合金中的溶解度較固態(tài)大得多，且隨溫度升高而加大。溶解的氣體在冷凝過(guò)程中析出。特征：尺寸較小，分布面積廣在鋁合金中最多見(jiàn)，“針孔”缺陷。防止措施：“除氣處理”；保證爐料潔凈、干燥，嚴(yán)格遵守熔煉及澆注操作工藝。2、析出氣孔：3、反應(yīng)氣孔：反應(yīng)氣孔是液態(tài)金屬與鑄型材料、芯撐、冷鐵或熔渣之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的。 冷鐵氣孔：Fe3O4+4C=3Fe+4CO↑3、反應(yīng)氣孔： 冷鐵氣孔：Fe3O4+4C=3Fe+液態(tài)成形件的質(zhì)量與控制

常見(jiàn)鑄件缺陷及特征

名稱(chēng)特征名稱(chēng)特征氣孔主要為梨形、圓形、橢圓形的孔洞，表面較光滑，一般不在鑄件表面露出，大孔獨(dú)立存在，小孔則成群出現(xiàn)?？s孔縮松1．縮孔：形狀為不規(guī)則的封閉或敞露的空洞，孔壁粗糙并帶有枝狀晶，常出現(xiàn)在鑄件最后凝固部位。2．縮松：鑄件斷面上出現(xiàn)的分散而細(xì)小的縮孔。粘砂鑄件的部分或整個(gè)表面粘附著一層金屬和砂粒的機(jī)械混和物，多發(fā)生在鑄件厚壁和熱節(jié)處。裂紋1．熱裂：斷面嚴(yán)重氧化，無(wú)金屬光澤，斷口沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，外形曲折而不規(guī)則的裂紋。2．冷裂：穿過(guò)晶體而不沿晶界斷裂，斷口有金屬光澤或有輕微氧化色。夾砂鑄件表面上有凸起的金屬片狀物，表面粗糙，邊角銳利，有小部分與鑄件本體相連。化學(xué)成分及力學(xué)性能不合格鑄件的化學(xué)成分和硬度、強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、沖擊韌度、耐熱、耐蝕及耐磨等性能不符合技術(shù)條件要求。白口灰鑄鐵件斷面全部或表面出現(xiàn)亮白色組織，常在鑄件薄的斷面，棱角及邊緣部分。液態(tài)成形件的質(zhì)量與控制常見(jiàn)鑄件缺陷及特征名稱(chēng)

鑄件缺陷的產(chǎn)生與鑄造工藝、造型材料、模具、