第二章铸造成形

第二章铸造成形中南大学CentralSouthUniversity引子铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了闻名于世的以泥范铸造(制模—翻外范—制内范—合范—浇铸)、铁范铸造和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。据考证,早在3000年前的商周时期,我国已发明了古代失蜡铸造法；战国中期，出现了金属型铸造；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。如沧州五代时期的铁狮，当阳北宋的铁塔，北京大钟寺明代的大钟。《天工开物》是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一司母戊鼎司母戊鼎是中国商代后期王室祭祀用的青铜方鼎，1939年3在河南省安阳市出土，因其腹部著有“司母戊”三字而得名，现藏中国国家博物馆。司母戊鼎器型高大厚重，又称司母戊大方鼎，高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重832.84千克，鼎腹长方形，上竖两只直耳下有四根圆柱形鼎足，是中国目前已发现的最重的青铜器。充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。四羊方尊造型精致，风格独特制作技艺高超，装饰手法巧妙。经有关考证，它是用传统的分铸法制作而成的。首先铸出羊角及龙头等饰件，再经合范浇铸，使其成为整体，这里充分展示了古人的聪明智慧，杰出的铸造技巧恰到好处，匠心独具。四羊方尊是商代盛酒器，1938年出土于湖南宁乡。重34.5公斤，是现存商器大的方尊。永乐大钟重达46.5t，钟高6.75m，钟唇厚22cm，外径3.3m，钟体内遍铸经文22.7万字，击钟时尾音长达2分钟以上，传距20km。外形和内腔如此复杂、重量如此巨大、质量要求如此高的青铜大钟，正说明我国早已掌握冶炼和铸造技术。•青铜，铸于1420年，为明成祖朱棣亲自设计。永乐大钟局部，上面载明大钟铸造的时间永乐大钟铸造的特点•可以生产出形状复杂的零件，特别是具有复杂内腔的零件。•适应性广。•成本低。•铸件的尺寸和形状与零件非常接近。可以减少切削加工量。•缺点：工序多，质量不易控制，内部组织缺陷多，力学性能低。第二章铸造成形§2.1铸造工艺基础§2.2砂型铸造§2.3特种铸造§2.4常用合金铸件的生产§2.5铸件结构设计§2.1铸造工艺基础•（一）液态合金的充型•（二）铸件的凝固收缩•（三）铸造内应力，变形和裂纹•（四）铸件中的气孔•（五）铸件中的偏析•（六）铸件的质量控制（常见铸造缺陷）§2.1.1液态合金的充型•液态合金填充铸型的过程，简称充型。•充型能力液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。•影响充型能力的因素1、合金的流动性2、浇注条件3、铸型填充能力充型能力不强，则易产生浇不足（shortrun）、冷隔（shortrun）…等。1、合金的流动性(fluidity)•合金的流动性是指熔融合金的流动能力。–流动性好，充型能力强，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。•合金的流动性与合金的化学成份有关。1、合金的流动性•流动动性的测定•流动性实验•如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好.合金种类：灰口铸铁，硅黄铜，流动性最好，l1000mm。铸钢的流动性最差，l200mm；成分：共晶合金的流动性最好；结晶特征：结晶间隔越小，则流动性越好；粘度：粘度越大，流动性越差；结晶潜热：结晶潜热越小，流动性越差。影响流动性因素：Fe-C合金的流动性几种不同合金流动性的比较*铸铁的流动性*铸钢的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。比较下面几种合金流动性能2、浇注条件（pouring）•浇注温度–浇注温度越高，充型能力越好。但温度过高。会出现粘砂（sandadherence）、缩孔（shrinkagecavity）、气孔（blowhole）、粗晶（graincoarsening）等铸造缺陷。•充型压力–压力越大，充型能力越好。浇注系统–浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，充型能力越差。3、铸型填充条件•铸型的蓄热能力–散热越快的铸型，充型能力越差。•铸型温度–金属型铸造和熔模铸造时，铸型温度越高，充型能力越好。•铸型中气体–铸型中的气体压力增大，液态合金的流动困难，充型能力差。§2.1.2铸件的凝固（solidification）与收缩（contraction）•1、铸件的凝固方式–逐层凝固–糊状凝固–中间凝固•2、铸造合金的收缩•3、缩孔与缩松1、铸件的凝固方式之一•逐层凝固–纯金属和共晶成份的合金，结晶温度是一固定值。凝固过程由表面向中心逐步进行温度表层中心固液1、铸件的凝固方式之二•糊状凝固–结晶温度范围很宽的合金，从铸件的表面至心部都是固液两相混存。1、铸件的凝固方式之三•中间凝固–大多数合金属于这种方式。凝固方式与铸件质量的关系：逐层凝固有利于充型，可防止缩孔和缩松。影响铸件凝固方式的因素•合金的结晶温度–结晶温度范围越小，糊状凝固区越小。•铸件的温度梯度温度梯度越大，糊状凝固区越小。–合金的性质–铸型的蓄热能力–浇注温度三、合金的收缩性1.收缩及其影响因素合金的收缩：铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺寸减少的现象称为收缩。包括：①液态收缩（体收缩率）浇注温度—液相线②凝固收缩（体收缩率）液相线—固相线③固态收缩（线收缩率）固相线—室温缩孔，缩松应力，变形，裂纹成分(%)T①②③2、铸造合金的收缩合金种类含碳量（%）浇注温度液态收缩凝固收缩固态收缩总收缩（%）铸造碳钢0.3516101.637.812.46白口铸铁3.0014002.44.25.4~6.312~12.9灰口铸铁3.5014003.50.13.3~4.26.9~7.8影响铸件收缩的主要因素：化学成分：铸钢和白口铸铁收缩率大，灰铸铁、球铁小；浇注温度：T↑→收缩率大；铸件结构：壁厚不均匀→收缩受阻→收缩率小；铸型条件：铸型、型芯阻碍收缩→收缩率小收缩导致的铸件缺陷（1）缩孔与缩松（体积缩减得不到补充）缩孔：出现在铸件上部或最后凝固部位,倒锥形,容积较大.缩松：铸件最后凝固区未得到补缩形成分散细小的孔洞.逐层凝固合金易形成缩孔，糊状凝固合金易产生缩松。缩松严重影响铸件的气密性。3、铸件中的缩孔与缩松•缩孔和缩松的形成液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积的得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞–缩孔它是集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞–缩松分散在铸件某区域内的细小孔洞，称为缩松4、顺序凝固原则（定向凝固）•所谓顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。•实现顺序凝固的措施。合理设计冒口和安放冷铁。铸件上可能产生缩孔或缩松的部位凝固等温线法内切圆法•等温线未画到的部位•内切圆大的部位可能产生缩孔或缩松§2.1.3铸造内应力、变形及裂纹•1、铸造内应力（internalstress）•2、铸件的变形（distortion）•3、铸件的裂纹（crack）1、铸造内应力内应力的形成•热应力它是由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。薄壁处受压应力，厚壁处受拉应力。•机械应力它是合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。同时凝固原则•尽量减少铸件各处的温度差，使铸件不同壁厚各处在同一时间内凝固。•浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，力求使铸件各处同时冷却。•同时凝固原则与顺序凝固原则对比2、铸件的变形•铸件冷却到室温后，热应力保留在铸件中••残余应力•薄壁处受压力，厚壁处受拉力•变形防止变形的措施•设计铸件时尽可能壁厚均匀，形状对称。•采取同时凝固。•设计“反变形”量。•时效处理：有内应力的铸件在加工前置于露天半年以上，或550~650ºC去应力退火。3、铸件的裂纹与防止•热裂热裂是铸件在高温下产生的裂纹。其形状特征是：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。–合金性质铸造合金的结晶特点和化学成分对热裂的产生均有明显的影响–铸型阻力铸型(包括型芯)的退让性对热力的形成有重要影响。•冷裂冷裂是在低温下行成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小，呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。§2.1.4铸件中的气孔气孔的来源1、侵入气孔侵入气孔是由于砂型表面层聚集的气体侵入金属液中而形成的。2、析出气孔溶解于金属液中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出，在铸件中形成的气孔。3、反应气孔浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔。§2.1.5铸件中的偏析•铸件内部化学成份不均匀的现象，称为偏析。偏析类型1、晶内偏析结晶温度宽的合金易产生晶内偏析2、区域偏析合金中各成份因熔点的不同，引起不同时凝固。§2.1.6常见的铸造缺陷（JB302-62简化）类别名称类别名称类别名称孔眼气孔形状、尺寸和重量不合格多肉表面缺陷粘砂缩孔浇不足夹砂缩松落砂冷隔渣眼抬箱成份组织和性能不合格化学成份不合格砂眼错箱金相不合格铁豆偏芯偏析裂纹热裂变形过硬（白口）冷裂物理、机械性能不合格常见铸造缺陷的特征及产生的原因（P11）名称特征主要原因气孔主要为梨形、圆形、椭圆形的孔洞，表面较光滑，一般不在铸件表面露出，大孔独立存在，小孔则成群出现1、型砂太紧，透气性太差。2、型砂太湿，水份过多。3、砂芯通气堵塞或未烘干。缩孔形状为不规则的封闭或敞露的空洞，孔壁粗糙并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固部位。1、冒口设置不正确2、合金成分不合格，收缩过大3、浇注温度过高4、铸件浇注系统设计不合理渣眼孔内充满熔渣，孔形不规则1、浇注温度太低熔渣不易上浮2、浇注时没有挡住熔渣3、浇注系统不合理，挡渣作用差常见铸造缺陷的特征及产生的原因名称特征主要原因砂眼铸件内部或表面有充满砂粒的孔眼1、型砂强度不够或局部没舂紧2、型腔、浇口内散砂未吹干净3、合箱时砂型局部挤坏，掉砂4、浇注系统不合理，冲坏砂型冷隔铸件上有未完全融合的缝隙，接头处边缘圆滑。1、浇注温度过低2、浇注速度太慢3、浇口位置不当或浇口太小粘砂铸件的部分或整个表面粘附着一层金属和砂粒的机械混和物，多发生在铸件厚壁和热节处。1、未刷涂料或涂料太薄2、浇注温度过高3、型砂耐火隆不够。常见铸造缺陷的特征及产生的原因名称特征主要原因夹砂铸件表面上有凸起的金属片状物，表面粗糙，边角锐利，有小部分与铸件本体相连。1、型砂强度太低2、浇注温度过高3、内浇口过于集中，使局部型砂烘烤厉害。裂纹1．热裂：断面严重氧化，无金属光泽，断口沿晶界产生和发展，外形曲折而不规则的裂纹。2．冷裂：穿过晶体而不沿晶界断裂，断口有金属光泽或有轻微氧化色。1、铸件设计不合理，壁厚差别太大2、砂型（芯）退让性差阻碍铸件收缩3、浇注系统不当，使铸件各部分冷却收缩不均匀，造成过大的内应力小结合金工艺性能充型能力凝固方式应力与变形流动性浇注条件铸型条件逐层凝固糊状凝固中间凝固收缩性能液态收缩凝固收缩固态收缩本节复习与思考题1、铸件的常见缺陷有哪些？产生的原因是什么？怎样防止？2、什么是同时凝固原则？什么是顺序凝固原则？下例两图哪个是同时凝固？哪个是顺序凝固？为了防止铸件产生内应力，应采取哪种凝固方式？•同时凝固•顺序凝固本节复习与思考题•3、区分下列名词：–逐层凝固与定向凝固–出气口与冒口–浇不足与冷隔•4、下列哪种情况易产生气孔，为什么？–舂砂过紧–型芯撑生锈–起模时刷水过多•5、为什么灰口铸铁的收缩比碳钢小？本节习题•6、分析如图所示轨道铸件热应力的分布？并用虚线表示出铸件的变形方向。7、试分析下图所示铸件（1）哪些是自由收缩？哪些是受阻收缩？（2）受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力（3）各部分应力属于拉应力还是压应力？§2.2砂型铸造（SandCasting）§2.2.1造型材料与造型方法§2.2.2铸造工艺设计§2.2.3铸造工艺图§2.2.1造型材料与造型方法型（芯）砂的组成：石英砂+粘土+水+附加物。型（芯）砂的性能：强度、透气性（permeability）、耐火性（refractoriness）、退让性（collapsibili