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第十章铸造成形铸造：将液体金属浇铸到具有与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固后，获得毛坯或零件的工艺方法。铸造基本工艺过程：（1）金属的熔化熔化金属的种类和熔化设备（3）液体金属浇铸普通浇铸、真空浇铸、压力浇铸（2）铸型砂型、金属型、石膏型、陶瓷型、泥型等（4）凝固自由凝固、压力凝固、离心凝固铸造成形工艺特征•造形物质是液体液体具有流动性液体本无形水随器而安铸造生产在工业生产中的地位及优缺点地位铸造生产是机器制造业的基础。铸件是各种机器的重要组成部分，一般说铸件的重量占整机重量的40－90％。铸造生产的优点：铸造可生产形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件如箱体，缸体。铸造生产的适应性强。铸造生产的成本低。铸造生产的零件其尺寸、形状可以做到与零件最接近，从而减少机械加工的切削量，节约金属材料和加工工时。铸造生产的缺点：铸造生产的产品其机械性能较差。如铸钢45的抗拉强度为580Mpa，而锻钢45的抗拉强度为610Mpa。铸造生产的质量不稳定。生产过程工序多工艺复杂，对工人的技术要求高。铸造生产的零件表面质量不高尤其是砂型铸造。铸造生产的劳动强度大，生产环境差。第一节铸造成形理论基础合金的铸造性能是表示合金铸造成型获得优质铸件的能力。通常用流动性和收缩性来衡量。一、液态合金的流动性与充型能力1、合金的流动性流动性——液态合金的流动能力。合金的流动性是以螺旋形流动试样的长度来衡量。试样越长，流动性越好。相同浇注条件下，合金的流动性越好，所浇出的试件越长。常用合金的流动性（砂型，试样截面8×8mm）合金种类铸型种类浇注温度（℃）螺旋线长度（mm）铸铁C+Si=6.2%C+Si=5.9%C+Si=5.2%C+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢C=0.4%砂型砂型16001640100200铝硅合金（铝硅明）镁合金（含Al及Zn）锡青铜（Sn=10%,Zn=2%）硅黄铜（Si=1.5～4.5%）金属型（300℃）砂型砂型砂型680～72070010401100700～800400～6004201000灰铸铁、硅黄铜流动性最好铝合金次之铸钢流动性最差重要结论：合金性质方面影响合金流动性的因素纯金属、共晶合金流动性好。恒温下结晶，凝固层内表面光滑亚、过共晶合金流动性差。在一定温度范围内结晶，凝固层内表面粗糙不平a）在恒温下凝固逐层凝固b）在一定的温度范围内凝固糊状凝固2、充型能力•充型能力：液体金属或合金充满铸型、获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。充型能力不足会产生浇不足或冷隔等缺陷常见的铸件缺陷充型能力和流动性是两个不同的概念：充型能力：铸型、浇注工艺和金属自身性质的综合影响流动性：液态金属本身的流动特性。流动性好，充型能力强、有利于杂质、气体上浮，有利于凝固收缩。从流动性的衡量办法可见：金属流动性是特定条件下的充型能力。凡增加金属流动阻力、降低流速和提高冷却速度的因素，均降低充型能力。•铸型条件：•浇注条件浇注温度高，金属黏度低，过热含热量多，即冷速降低，充型好。但收缩量增加，吸气增多，氧化严重，易产生缺陷。尽量选择共晶合金或结晶温度范围窄的合金进行铸造提高铸型的透气性，降低导热系数确定合理的浇注温度（高温出炉，低温浇注）浇注系统结构简单铸件壁厚最小允许壁厚措施二、铸造合金的收缩1、收缩的概念液态合金从液体冷却至室温的过程中，体积缩小的现象。收缩是铸件产生缩孔、缩松、变形和开裂等缺陷的基本原因。收缩的三个阶段液态收缩凝固收缩固态收缩形成缩孔、缩松（体收缩率）形成内应力、变形和开裂（线收缩率）几种铁碳合金的体积收缩率合金种类含碳量（%）浇注温度（℃）液态收缩（%）凝固收缩（%）固态收缩（%）总体积收缩（%）线收缩率（%）碳素铸钢白口铸铁灰铸铁0.353.03.51610140014001.62.43.53.04.00.17.865.4~6.33.3~4.212.4612~12.96.9~7.81.38~2.01.35~2.00.8~1.02、铸件的实际收缩一方面与合金的收缩率有关。另一方面又与铸型条件、浇注温度和铸件结构有关。铸件生产时，依据合金种类、铸件结构、铸型条件等因素确定适当的实际收缩率。三、铸件中的缩孔和缩松缩孔abcdef缩松abcdef纯金属或共晶成分的合金易形成缩孔。结晶温度范围大的合金易形成缩松。缩孔、缩松产生原因：合金的液态收缩和凝固收缩大于固态收缩，且补缩不足2、缩孔和缩松的防止（2）采取顺序凝固原则（1）尽量选择共晶合金顺序凝固——在铸件可能出现缩孔的厚大部位，通过增设冒口或冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口的部位凝固，冒口本身最后凝固。结果：使铸件各个部分的凝固收缩均能得到液态金属的补充，而将缩孔转移到冒口之中。顺序凝固铸钢主缸体的顺序凝固工艺铸钢轮缘加冒口补贴常用内冷铁及安置方法阀体铸件的顺序凝固内冷铁的应用abcd缩孔位置的确定内切圆法顺序凝固的缺点和应用：缺点——铸件成本高，加大铸造内应力（易变形、开裂）。应用——体收缩大的合金，如铸钢、铝青铜和铝硅合金等。四、铸造内应力及铸件变形、裂纹铸造内应力有热应力和机械应力，是铸件产生变形和开裂的基本原因。1、铸造应力热应力：由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，造成同一时刻收缩量的不一致，铸件为一整体各部分彼此相互制约，而产生的应力。T临：弹塑性转变温度＞T临：塑性状态内应力自行消除＜T临：弹性状态，应力继续存在注意细杆和粗杆在同一时刻所处状态不同（进入t临的先后不同）但铸件是一整体，相互制约总之，由于铸件各部分冷却速度不同（厚的部分慢，薄的部分快），收缩量与降温幅度成正比，且发生凝固收缩（线收缩）的先后不同，即到达室温T3的先后不同，先到部分先停止收缩从而制约后到部分。由此可见，热应力使铸件厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别愈大，合金的线收缩率愈高，弹性模量愈大，热应力愈大。减少和消除应力的措施：结构上——壁厚均匀，圆角连接，结构对称。工艺上——同时凝固，去应力退火。同时凝固原则：采取工艺措施保证铸件结构上各部分之间没有温差或温差尽量小，使各部分同时凝固。在同时凝固条件下，没有补缩通道。同时凝固原则的优点：凝固时期铸件不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；由于不用冒口或冒口很小，而节省金属，简化工艺、减小劳动强度。同时凝固原则的缺点：铸件中心区域往往出现缩松，铸件不致密。顺序凝固同时凝固用于收缩大或壁厚差距较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、铝硅合金等。定向凝固补缩作用好，铸件致密，但铸件成本高，内应力大。用于凝固收缩小的灰铸铁。铸件内应力小，工艺简单，节省金属但同时凝固往往使铸件中心区域出现缩松，组织不致密。机械应力的形成一般相变应力较小，并与热应力方向相反。2、铸件的变形与防止对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆件类、板类及轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时，产生翘曲变形。铸造应力＞σs：变形变形规律：“厚热薄凉、厚短薄长、厚拉薄压、向厚凹曲”“厚热薄凉”：粗厚部位冷速慢，温度高即热；薄细部位冷速快，温度低即凉。框形铸件变形T形梁铸钢件变形“厚短薄长”：冷却到室温，粗厚部位比薄细部位有短一些的趋势。“厚拉薄压”：粗厚部位受拉应力，薄细部位受压应力。“向厚凹曲”：若铸件刚性不足，产生变形的方向，向厚的一侧凹曲。用反变形法防止箱体、床身导轨的变形。箱体件反变形量和方向床身导轨的翘曲变形及反变形有的铸件虽无明显的变形，但经切削加工后，破坏了铸造应力的平衡，产生变形甚至裂纹。圆柱体铸件加工后的变形表面被加工掉一层后心部钻孔后从侧面切去一层3、铸件的裂纹与防止热裂纹：铸钢件和铝合金的常见缺陷产生原因：在凝固温度范围内邻近固相线时形成的，此时，合金处在固液态，故又称为结晶裂纹。试验证明，热裂是在合金凝固末期的高温下形成的。因为合金的线收缩并不是在完全凝固后开始的，而是在图中液固两相区中阴影区开始的。在此阴影区内的固态合金已形成了完整的骨架，但晶粒之间还存在少量液体，故强度塑性甚低。热裂分为外裂和内裂。大部分外裂用肉眼就能观察到，细小的外裂用磁力探伤或其它方法才能发现。内裂需要用X射线，射线或超声波探伤检查。在铸件中存在任何形式的热裂纹都严重损害其机械性能，若使用时裂纹扩展铸件断裂，严重事故。因此任何铸件都不允许有热裂纹。外裂容易发现，若铸造合金的焊接性能好，铸件经补焊后仍可以使用。若焊接性能差，铸件则报废。内裂纹隐藏在铸件内部，不容易发现故它的危害更大。影响热裂形成的主要因素是：合金性质和铸型阻力合金性质：合金的结晶温度范围愈宽，合金的热裂倾向也愈大。即共晶成分合金的热裂倾向小。合金的收缩量愈大，则愈容易产生热裂纹。灰铸铁在凝固过程中发生石墨化膨胀，所以灰铸铁不易产生热裂纹。可锻铸铁和铸钢件热裂倾向性大。钢铁中的硫，磷因可形成低熔点的共晶体，扩大了结晶温度范围，故硫，磷含量愈多，热裂倾向愈大。铸型阻力：铸型包括型芯的退让性愈好，机械应力愈小，形成热裂的可能性愈小。湿型的退让性比干型好，采用湿型生产铸件热裂倾向小。所有有机粘结剂型砂都有很好的退让性，故可以减轻铸件产生热裂的倾向性。此外，砂箱的箱挡与铸件过近，型芯骨的尺寸过大，浇注系统位置不合理等，均可增大铸型阻力，促使热裂纹形成。铸钢件结构对热裂纹的影响铸钢件表面裂纹近似黑色，铝合金的呈暗灰色。裂纹短，缝隙宽，不光滑，形状曲折。冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是有应力集中的地方（如尖角，缩孔，气孔等附近）。影响冷裂的因素与影响铸造应力的因素基本是一致的。铸造应力＞σb：冷裂纹冷裂纹外形呈连续直线状或圆滑曲线状，常常穿过晶粒，断口有金属光泽或呈轻微的氧化色。复杂的大型铸件容易产生冷裂。有些冷裂纹在打箱清理时即可发现，有些在水爆清砂后发现，有些则是因铸件内部有很大的残余应力，在清理和搬运时受到震击形成的灰口铸铁，白口铸铁，高锰钢等塑性较差的合金易产生冷裂。塑性好的合金因内应力可以通过其塑性变形自行缓解，故冷裂倾向小。钢中的碳，铬，锰等元素，虽然能提高钢的强度但降低钢的导热性，故这些元素较高时，增大钢的冷裂倾向。磷显著降低钢的冲击韧性故增加了冷裂倾向。铸钢应严格控制硫，磷含量。轮形铸件的冷裂侵入气孔五、铸件中的气孔气孔是气体在铸件中形成的孔洞，其内壁光滑、明亮或带轻微氧化色。第二节砂型铸造砂型铸造是应用最广泛的铸造方法一、砂型铸造生产过程简介（一）手工造型——单件、小批量生产（二）机器造型——中、小件大批量生产（三）机器造芯——中、小件大批量生产（四）柔性造型单元——各种形状与批量生产套筒的砂型铸造过程：（一）手工造型造型方法特点整模造型整体模型，分型面为平面分模造型分开模型，分型面多是平面活块造型将模样上有妨碍取摸的部分做成活动的挖沙造型造型时须挖去阻碍取模的型砂刮板造型和铸件截面形状相适应的板状模样三箱造型铸件两端截面尺寸较大，需要三个沙箱光盘整模造型分模造型活块造型活块造型用外砂芯作出活块挖砂造型手轮的挖砂造型刮板造型带轮的刮板造型导向刮板造型三箱造型带轮的三箱造型用外砂芯将三箱改为两箱（二）机器造型机器造型是将填砂、紧实和起模等主要工序实现了机械化，并组成生产流水线。机器造型生产率高，铸型质量好，铸件质量高，适用于中小型铸件的大批量生产。造型生产线示意图造型生产线二、砂型铸造工艺设计铸造工艺图包括：•分型面和浇注位置•铸型铸造工艺参数支座的零件图、铸造工艺图、模样图及合型图铸件的分型面：分开铸型便于取模的接合面。分型面决定了铸件即模样在造型时的位置。通常铸件的造型位置与浇注位置是一致的。个别情况下有所不同。1．浇注位置和分型面的选择铸件的浇注位置：浇注时铸件在型内所处的空间位置。机床床身的合理浇注位置浇注位置和分型面对铸件质量及铸造工艺有很大影响，必须认真考虑。首先是保证铸件质量其次是尽量使操作简单方便。浇注位置的选择原则：保证铸件质量（a）铸件上重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸型的下半部或处于侧立位置。（b）铸件上的大平面朝下，以避免在此面上出现气孔