鑄造基本知識(shí)及理論

第一節(jié)鑄造概述第二節(jié)鑄造的工藝基礎(chǔ)第三節(jié)砂型鑄造第四節(jié)特種鑄造

課程大綱2021/7/171

金屬的成形方法可分為鑄造、塑性成形（或稱(chēng)壓力加工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大類(lèi)。

鑄造是生產(chǎn)金屬零件毛坯的主要工藝方法之一，與其它工藝方法相比，它具有成本低，工藝靈活性大，適合生產(chǎn)不同材料、形狀和重量的鑄件，并適合于批量生產(chǎn)。

第一節(jié)概述

但它的缺點(diǎn)是公差較大，易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。2021/7/172

鑄造是人類(lèi)掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，已有約6000年的歷史。中國(guó)約在公元前1700～前1000年之間已進(jìn)入青銅鑄件的全盛期，工藝上已達(dá)到相當(dāng)高的水平。中國(guó)商朝的重875公斤的司母戊方鼎，戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的曾侯乙尊盤(pán)，西漢的透光鏡，都是古代鑄造的代表產(chǎn)品。曾侯乙尊盤(pán)司母戊方鼎2021/7/1732021/7/174

第二節(jié)鑄造的工藝基礎(chǔ)

定義：鑄造是指將熔融態(tài)的金屬（或合金）澆注于特定型腔的鑄型中凝固成形的金屬材料成形方法。

鑄造的基本過(guò)程：液態(tài)金屬充型鑄件凝固收縮2021/7/175

實(shí)質(zhì)：液態(tài)金屬（或合金）充填鑄型型腔并在其中凝固和冷卻。砂型鑄造概略圖2021/7/176

主要影響因素

鑄造的主要影響因素主要體現(xiàn)在二個(gè)方面：一是影響充型的主要因素和影響凝固收縮的主要因素。

階段主要影響因素

鑄造

充型

金屬的流動(dòng)性

澆注溫度

充型壓力

凝固收縮

凝固方式

冷卻速度2021/7/177

金屬的流動(dòng)性：改善金屬的流動(dòng)性加快凝固中液體的補(bǔ)縮排除內(nèi)部夾雜物和氣體形成薄壁復(fù)雜的鑄件有利于金屬流動(dòng)性測(cè)試實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)如右圖所示：2021/7/178

澆注溫度：T澆注↑t凝固↑流動(dòng)性↑δ粘度↓充填路徑↑充型能力↑2021/7/179

充型能力：P充型↑V流動(dòng)↑充型能力↑

鑄件的凝固方式：2021/7/1710

在鑄件凝固過(guò)程中，對(duì)鑄件質(zhì)量影響較大的主要是固液兩相并存的凝固區(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。逐層凝固

純金屬和共晶成分的合金在凝固中因?yàn)椴淮嬖诠桃簝上嗖⒋娴哪虆^(qū)，所以固體與液體分界面清晰可見(jiàn)，一直向鑄件中心移動(dòng)。2021/7/1711糊狀凝固

鑄件在結(jié)晶過(guò)程中，當(dāng)結(jié)晶溫度范圍很寬，且鑄件截面上的溫度梯度較小，則不存在固相層，固液兩相共存的凝固區(qū)貫穿整個(gè)區(qū)域。中間凝固

大多數(shù)合金的凝固是介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱(chēng)為中間凝固。2021/7/1712

一般認(rèn)為：鑄模的冷卻能力越大，越有利于在結(jié)晶過(guò)程中保持較大的溫度梯度，從而利于柱狀晶區(qū)的發(fā)展。

柱狀晶擇優(yōu)取向，晶界往往容易富集第二相，特別是在兩種位向交叉面是受力的薄弱環(huán)節(jié)，軋制時(shí)容易開(kāi)裂。

因此，鋼鐵或鎳合金（塑形較差）應(yīng)避免柱狀晶的出現(xiàn)；而有色金屬，有時(shí)要求獲得柱狀晶。思考：若要避免柱狀晶的出現(xiàn)，應(yīng)采用哪種凝固方式，并如何實(shí)現(xiàn)？討論：2021/7/1713

鑄件的收縮：定義：收縮是指合金從澆注、凝固到冷卻至室溫的過(guò)程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。分類(lèi)：分為三類(lèi)，液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。鑄件溫度降低澆注溫度室溫凝固終止溫度開(kāi)始凝固溫度液態(tài)收縮凝固收縮固態(tài)收縮

體積收縮線收縮2021/7/1714收縮率：體積收縮是指單位體積的收縮量（體積收縮率）。線收縮是指單位長(zhǎng)度上的收縮量（線收縮率）。體積收縮率：線收縮率：

其中V0，L0表示鑄件在高溫T0時(shí)的體積和一維方向的長(zhǎng)度；

V1，L1表示鑄件在高溫T1時(shí)的體積和一維方向的長(zhǎng)度。2021/7/1715注意：在鑄模尺寸設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮鑄件的收縮因素。即利用每種材料特定的收縮率和實(shí)際鑄件的尺寸，來(lái)?yè)Q算成鑄模型腔的尺寸。

合金的收縮給鑄模的設(shè)計(jì)和鑄件的精密成形等帶來(lái)較大困難，是多數(shù)鑄造缺陷產(chǎn)生的根源。3.3～4.20.13.614003.50灰口鑄鐵5.4～6.34.22.414003.00白口鑄鐵7.863.01.616100.35碳鋼固態(tài)收縮（％）凝固收縮（％）液態(tài)收縮（％）澆注溫度（℃）碳含量（％）

合金種類(lèi)

表2-1典型合金的收縮率εV2021/7/1716

縮孔：

鑄造缺陷定義：縮孔是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時(shí)，在鑄件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容積較大的孔洞。產(chǎn)生原因：先凝固區(qū)域堵住液體流動(dòng)的通道，后凝固區(qū)域收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)充。2021/7/1717

疏松：定義：疏松是指金屬液在鑄模中冷卻和凝固時(shí)，在鑄件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。產(chǎn)生原因：

當(dāng)合金的結(jié)晶溫度范圍很寬或鑄件斷面溫度梯度較小時(shí)，凝固過(guò)程中有較寬的糊狀凝固兩相并存的區(qū)域。隨著樹(shù)枝晶長(zhǎng)大，該區(qū)域被分割成許多孤立的小熔池，各部分熔池內(nèi)剩余液態(tài)合金的收縮得不到補(bǔ)充，最后形成了形狀不一的分散性孔洞即縮松。

另外，疏松還可能由凝固時(shí)被截留在鑄件內(nèi)的氣體無(wú)法排除所致。不過(guò)，疏松內(nèi)表面應(yīng)該是光滑，近似球狀。2021/7/1718危害：顯著降低鑄件的機(jī)械性能，造成鑄件滲漏等。防止措施：采取順序凝固的辦法避免縮孔、疏松的出現(xiàn)。順序凝固示意圖安裝冒口或放置冷鐵等工藝措施，使鑄件上遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固（圖中Ⅰ），爾后在靠近冒口的部位凝固（圖中Ⅱ、Ⅲ），最后是冒口本身凝固。順序凝固：是指通過(guò)在鑄件上可能出現(xiàn)疏松的厚大部位2021/7/1719內(nèi)置冷鐵法外置冷鐵法2021/7/1720

設(shè)置冒口法

冒口、冷鐵共用法2021/7/1721

裂紋與變形：

在鑄件的固態(tài)收縮階段會(huì)引起鑄造應(yīng)力。鑄造應(yīng)力相變應(yīng)力熱應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力鑄件收縮受阻鑄件因V冷卻、溫度不同，各部位收縮不一致產(chǎn)生鑄件組織發(fā)生相變時(shí)，因溫度差異出現(xiàn)體積變化不一致鑄造應(yīng)力：2021/7/1722

鑄件特殊位置的裂紋示意圖裂紋的常見(jiàn)部位：2021/7/1723裂紋和變形的防止：以有利于釋放鑄造應(yīng)力為原則；1、采用正確的鑄造工藝（正確設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)、補(bǔ)縮系統(tǒng)等）；2、鑄件形狀設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單、對(duì)稱(chēng)和厚薄均勻；3、對(duì)鑄件進(jìn)行熱處理。

其它鑄造缺陷：

鼓泡

滲漏2021/7/1724

冷隔

未注滿2021/7/1725第三節(jié)砂型鑄造

砂型鑄造是指用砂粒制備鑄型來(lái)生產(chǎn)鑄件的鑄造方法?？勺匪莸焦?000～4000年，用石頭和金屬型做出銅器。砂型鑄造概略圖2021/7/1726

鑄模設(shè)計(jì)：

確定澆注位置和分型面：澆注位置：

指澆注時(shí)鑄件再鑄型中所處的位置。分型面：指鑄型的分割或裝配面。

正確設(shè)置澆注位置和分型面是完成造型、取模、設(shè)置澆冒系統(tǒng)和安裝砂芯的需要。

確定主要工藝參數(shù)：

正確選擇收縮量、機(jī)械加工余量和拔模斜度等。拔模斜度2021/7/1727

澆注系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

澆注系統(tǒng)是鑄型中液態(tài)金屬流入型腔的通道；通常由交口杯、直澆道、橫澆道和內(nèi)澆道等組成。設(shè)計(jì)原則：確保液態(tài)金屬能夠平穩(wěn)而合理地充滿型腔。

補(bǔ)縮系統(tǒng)的設(shè)計(jì)：

為消除縮孔和疏松，必須設(shè)置冒口、冷鐵等補(bǔ)縮系統(tǒng)。澆注系統(tǒng)示意圖2021/7/1728設(shè)計(jì)原則：1、冒口的凝固時(shí)間必須大于或等于鑄件被補(bǔ)縮部分的凝固時(shí)間。2、冒口應(yīng)具有足夠大的體積，以保證有足夠的金屬液補(bǔ)充鑄件內(nèi)部的體收縮。3、在鑄件凝固時(shí)，冒口與被補(bǔ)縮部位之間應(yīng)有通暢的補(bǔ)縮通道。4、為增加鑄件局部冷卻速度，在鑄型局部區(qū)域設(shè)置激冷能力強(qiáng)的材料（如鑄鐵、石墨或鑄鋼等）作為冷鐵。2021/7/1729

生產(chǎn)準(zhǔn)備：

模型和芯盒的設(shè)計(jì)：

模型的內(nèi)輪廓應(yīng)該與鑄件的外輪廓的形狀相一致，并且在尺寸上比鑄件大出一個(gè)收縮量。

對(duì)于有孔或中空的鑄件，需在模腔中放置型芯來(lái)獲得。型芯的尺寸設(shè)計(jì)也要考慮到收縮量的問(wèn)題。2021/7/1730

型（芯）砂的制備：技術(shù)要求：型（芯）砂具有一定的強(qiáng)度、透氣性、退讓性盒潰散性等。影響因素：1、造型因素：主要指砂型的緊實(shí)程度。（右圖表示了幾種常用的壓實(shí)型砂的方法）2021/7/17312、型砂的影響：

1）原砂、粘結(jié)劑和稀釋劑的成分配比；型砂稀釋劑原砂粘結(jié)劑鉻鐵礦砂水溶劑粘土水玻璃樹(shù)脂石英砂鋯英砂2）原砂的形狀、粒度狀況一般認(rèn)為：粒度在小尺寸范圍呈正態(tài)分布，有利于砂型強(qiáng)度的提高，但透氣性較差。

2021/7/1732

工藝過(guò)程2021/7/1733

特點(diǎn)及應(yīng)用：1、不受鑄件材質(zhì)、尺寸、質(zhì)量和生產(chǎn)批量的限制；2、屬于一次性鑄造成形，造型工作量大；3、鑄件精度和表面質(zhì)量差；4、砂型鑄造缺陷多，廢品率高，機(jī)械性能較差；5、設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。2021/7/1734第四節(jié)特種鑄造

為獲得高質(zhì)量、高精度的鑄件，提高生產(chǎn)率，人們?cè)谏靶丸T造的基礎(chǔ)上，創(chuàng)造了多種其它的鑄造方法；通常把這些有別于砂型鑄造的其他鑄造方法通稱(chēng)為特種鑄造。特種鑄造金屬型鑄造熔模鑄造消失模鑄造連續(xù)鑄造離心鑄造低壓鑄造壓力鑄造七種常見(jiàn)的特種鑄造方法2021/7/1735

金屬型鑄造：

定義：金屬型鑄造是指利用金屬材料制成鑄型，在重力作用下將熔融金屬澆注到鑄型中制造鑄件的一種鑄造方法，也稱(chēng)永久型鑄造。

工藝過(guò)程：2021/7/1736

特點(diǎn)和應(yīng)用：

1、可重復(fù)使用，生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，但成本高；

2、鑄件精度高，表面粗糙度較低；

3、金屬散熱性能好，晶粒細(xì)化，機(jī)械性能好；

4、不透氣且無(wú)退讓性，易造成鑄件澆不足或開(kāi)裂。

5、適于生產(chǎn)大批量有色金屬鑄件。

熔模鑄造：

定義：是指利用易熔材料制成模型，并在模型表面粘結(jié)一定厚度的耐火材料，然后將模型熔化而使金屬液充滿型腔的一種鑄造方法。2021/7/1737

工藝過(guò)程：2021/7/1738

特點(diǎn)和應(yīng)用：

1、鑄件尺寸精度高，表面光潔；

2、可鑄造形狀復(fù)雜零件；

3、工藝過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高；

4、適于鑄造小尺寸的各類(lèi)合金鑄件，特別是少切削或無(wú)切削精密鑄件。

應(yīng)用實(shí)例：航空發(fā)動(dòng)機(jī)等軸晶葉片的制備

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片早期采用變形高溫合金材料，隨著合金材料強(qiáng)度要求的提高，人們采用合金化的方法來(lái)提高強(qiáng)度，效果明顯，但同時(shí)也增加了材料的加工難度。2021/7/1739

目前，世界各國(guó)等軸晶葉片的生產(chǎn)通常利用真空環(huán)境下的熔模鑄造來(lái)解決這一技術(shù)難題。2021/7/17402021/7/1741

壓力鑄造：

定義：是指將液態(tài)或半液態(tài)合金澆入壓鑄機(jī)的壓室中，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形結(jié)晶而獲得鑄件的一種鑄造方法。

工藝過(guò)程：2021/7/1742

大型壓鑄機(jī)及壓鑄模2021/7/1743

特點(diǎn)和應(yīng)用：

1、澆注時(shí)間短，易于機(jī)械化、自動(dòng)化作業(yè)；

2、鑄型散熱快，晶粒細(xì)化，耐磨、耐蝕性好；

3、鑄件尺寸精度高，表面光潔；

4、凝固速度快，排氣困難，易形成疏松和縮孔；

5、模具成本高，鑄件尺寸受限；

6、適于有色金屬薄壁復(fù)雜鑄件的大批量生產(chǎn)。2021/7/1744

低壓鑄造：

定義：是指液態(tài)金屬在低的氣體壓力作用下從坩堝中自下而上地充填型腔并凝固而獲得鑄件的一種鑄造方法。

工藝過(guò)程：2021/7/1745

低壓鑄造火車(chē)車(chē)輪示意圖2021/7/1746

特點(diǎn)和應(yīng)用：

1、充型壓力和充型速度易于控制，氣孔、夾渣較少；

2、鑄型散熱快，組織致密，機(jī)械性能好；

3、無(wú)需冒口設(shè)置，金屬利用率高；

4、鑄件尺寸精度高，表面光潔；

5、適于生產(chǎn)質(zhì)量要求高的鋁鎂等有色金屬鑄件。

離心鑄造：

定義：是指將液態(tài)金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使金屬在離心力的作用下充填型腔并凝固成形的鑄造方法。2021/7/1747

工藝過(guò)程：2021/7/17482、改善金屬的流動(dòng)性，提高了充型能力；

3、簡(jiǎn)化了中空?qǐng)A柱形鑄件的生產(chǎn)過(guò)程；

4、成分偏析嚴(yán)重，尺寸難以控制；

5、特別適于橫截面呈圓柱的鑄件生產(chǎn)。

連續(xù)鑄造：

定義：是指將熔融金屬連續(xù)不斷地澆注到被成為結(jié)晶器的特殊容器中，凝固的鑄件不斷從結(jié)晶器的另一端被引出，從而獲得任意長(zhǎng)度的等橫截面鑄件的鑄造方法