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TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页1首页TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页22．1概述铸造是液态金属成形的方法，铸造过程是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属在重力、压力、离心力、电磁力等外力场的作用下充满铸型，凝固后获得一定形状与性能铸件的生产过程，是生产金属零件和毛坯的主要形式之一。与其他零件成形工艺相比，铸造成形具有生产成本低，工艺灵活性大，不受零件尺寸大小及形状结构复杂程度限制等特点。铸件的质量可由几克到数百吨，壁厚可由0.3mm到1m以上。现代铸造技术在现代化大生产中占据了重要的位置。铸件在一般机器中占总质量的40％～80％，但其制造成本只占机器总成本的25％～30％。第2章铸造成形1TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页3教学视频：铸造定义2TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页4在材料成形工艺发展过程中，铸造是历史上最悠久的一种工艺，在我国已有6000多年历史了，目前我国铸件年产量已超过1000万吨。铸件的生产工艺方法大体分为砂型铸造和特种铸造两大类。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，特种铸造是除砂型铸造以外的其他各种铸造方法，主要包括：熔模铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、陶瓷型铸造、实型铸造、磁性铸造、石墨型铸造、真空吸铸和差压铸造等。3TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页5砂型铸造流程图砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，其工艺流程如动画所示。4TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页6液态金属充满铸型，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件，取决于充型能力。在液态合金充型过程中，一般伴随着结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔等缺陷。2.2铸件形成理论基础2.2.1金属的充型教学视频：浇不足和冷隔5TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页7充型能力首先取决于金属液本身的流动能力，同时又受铸型性质、浇注条件及铸件结构等因素的影响。影响充型能力的因素有：合金的流动性、铸型的蓄热系数、铸型温度、铸型中的气体、浇注温度、充型压力、浇注系统的结构、铸件的折算厚度、铸件的复杂程度等。如表2-2所示。6TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页8表2-2影响充型能力的因素和原因序号影响因素定义影响原因1合金的流动性液态金属本身的流动能力流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件；有利于非金属夹杂物和气体的上浮和排除；易于对铸件的收缩进行补缩。2浇注温度浇注时金属液的温度浇注温度愈高，充型能力愈强3充型压力金属液体在流动方向上所受的压力压力愈大，充型能力愈强。但压力过大或充型速度过高时，会发生喷射、飞溅和冷隔现象4铸型中的气体浇注时因铸型发气而形成在铸型内的气体能在金属液与铸型间产生气膜，减小摩擦阻力，但发气太大，铸型的排气能力又小时，铸型中的气体压力增大，阻碍金属液的流动7TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页9续表2-2影响充型能力的因素和原因5铸型的蓄热系数铸型从其中的金属吸取并存储在本身中热量的能力蓄热系数愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降6铸型温度铸型在浇注时的温度温度愈高，液态金属与铸型的温差就愈小，充型能力愈强。7浇注系统的结构各浇道的结构复杂情况结构愈复杂，流动阻力愈大，充型能力愈差8铸件的折算厚度铸件体积与表面积之比折算厚度大，散热慢，充型能力好9铸件复杂程度铸件结构复杂状况结构复杂，流动阻力大，铸型充填困难8TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页102.2.2铸件的温度场金属液在铸型中的凝固和冷却过程是一个不稳定的传热过程，铸件上各点的温度随时间下降，而铸型温度随时间上升；铸件的形状多样，其中大部分为三维传热问题；铸件在凝固过程中不断释放出结晶潜热，其断面上存在固态外壳、液固态并存的凝固区域和液态区，在金属型凝固时还可能出现中间层。因此，铸件与铸型的传热是通过若干个区域进行的。此外，铸型和铸件的热物理参数是随温度而变化的。由于这些因素的多样性和变化，采用数学分析法研究铸型温度场的变化必须要对问题进行合理的简化处理。图2-3逐层凝固方式示意图9TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页11图2-2（a）所示为厚度30mm的平板铸铁件在湿砂型（铸型的初始水分为8%）中凝固时湿型断面上的温度场。可见，湿砂型被金属液急剧加热，随时间推移，铸型热量由型腔表面向内层砂型转移，高温表面层中的水分会向低温的里层迁移，含水铸型的温度场在任何时刻都可以划分为三个特征区，如图2-2（b）所示。I区为干砂区；II区是温度为100℃、水分（质量分数）由m0（湿型的原始水分）增至m1（凝聚区水分）的高水区；III区的温度和水分分别由相邻II区的100℃及m1降至室温t0和m0。这三个区是逐渐地由型腔表面向铸型内部延伸扩展的。10TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页12砂型铸造温度场11TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页132.2.3金属的凝固1．金属的凝固方式液态合金的结晶与凝固，是铸件形成过程的关键问题，其在很大程度上决定了铸件的铸态组织及某些铸造缺陷的形成，冷却凝固对铸件质量，特别是铸件力学性能，起决定性的作用。一般将铸件的凝固方式分为三种类型：逐层凝固方式、体积凝固（或称糊状凝固）方式和中间凝固方式。铸件的“凝固方式”是依据凝固区的宽窄来划分的。12TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页141）逐层凝固方式动画为恒温下结晶的纯金属或共晶成分合金某瞬间的凝固情况，tc是结晶温度，T1和T2是铸件断面上两个不同时刻的温度场。从动画中可以看到，恒温下结晶的金属，在凝固过程中其铸件断面上的凝固区域宽度等于零，断面上的固相和液相由一条界线（凝固前沿）清楚地分开。随温度的下降，固体层不断加厚，逐步达到铸件中心，这种情况称为“逐层凝固”。13TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页152）体积凝固方式如果合金的结晶温度范围很宽（动画左图），或因铸件断面温度场较平坦（动画右图），铸件凝固的某一段时间内，其凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件断面，而表面温度尚高于ts，这种情况称为“体积凝固方式”，或称“糊状凝固方式”。14TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页163）中间凝固方式如果合金的结晶温度范围较窄（左图），或因铸件断面的温度梯度较大（右图），铸件断面上的凝固区域宽度介于前二者之间时，则属于“中间凝固方式”。15TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页17凝固区域的宽度可以根据凝固动态曲线上的“液相边界”与“固相边界”之间的纵向距离直接判断，因此，这个距离的大小是划分凝固方式的一个准则。如果两条线重合在一起──恒温下结晶的金属，或者其间距很小，则趋向于逐层凝固方式。如果二曲线的间距很大，则趋向于体积凝固方式。如果二曲线的间距较小，则为中间凝固方式。由上述可知，铸件断面凝固区域的宽度是由合金的结晶温度范围和温度梯度两个量决定的。16TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页18铸件的温度梯度主要取决于：(1)合金的性质合金的凝固温度愈低、导热率愈高、结晶潜热愈大，铸件内部温度均匀化能力愈大、而铸型的激冷作用变小，故温度梯度小（如多数铝合金）；(2)铸型的蓄热能力铸型蓄热能力愈强，激冷能力愈强，铸件温度梯度愈大；(3)浇注温度浇注温度愈高，因带入铸型中热量增多，铸件的温度梯度减小。17TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页191.合金的收缩及影响因素1)收缩铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减小的现象称为收缩。收缩是铸件中许多缺陷(如缩孔、缩松、裂纹、变形和残余应力等)产生的基本原因。为了获得形状和尺寸符合技术要求，组织致密的健全铸件，必须对收缩加以控制。合金的收缩量通常用体收缩率或线收缩率来表示。2.2.3合金的收缩、应力及变形18TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页20金属从浇注温度冷却到室温要经历三个互相联系的收缩阶段：(1)液态收缩金属在液体状态时的收缩，其原因是由于气体排出；空穴减少；原子间间距减小。(2)凝固收缩金属在凝固过程时的收缩，其原因是由于空穴减少；原子间间距减小。液态收缩和凝固收缩在外部表现皆为体积减小，一般表现为液面降低，因此称为体积收缩。是缩孔或缩松形成的基本原因。(3)固态收缩金属在固态过程中的收缩，其原因在于空穴减少；原子间间距减小。19TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页21固态收缩还引起铸件外部尺寸的变化故称尺寸收缩或线收缩。线收缩对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。不同的合金收缩率不同。在常用的合金中，铸钢的收缩最大，灰口铸铁的收缩最小。因为灰口铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的，由于石墨的比容大，在结晶过程中，石墨析出所产生的体积膨胀，抵销了合金的部分收缩(一般每析出1%的石墨，铸铁体积约增加2%)。20TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页22(1)化学成分铸钢，随着碳含量增加，收缩率增大。灰口铸铁，随着碳和硅的含量增加，则石墨增加，收缩率下降。合金的化学成分不同，收缩率也不同。(2)浇注温度浇注温度升高，合金的液态收缩量增加，故合金的总收缩量增大。(3)铸件结构和铸型条件铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩。阻力来自于铸型和型芯；铸件的壁厚不同，各处的冷却速度不同，冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。因此铸件的实际线收缩率比合金的自由线收缩率要小。2）影响收缩的因素21TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页230.8～1.01.0～1.2铝硅合金1.6～1.71.7～1.8硅黄铜1.6～1.82.0～2.2无锡青铜1.21.4锡青铜1.3~1.71.6～2.0碳钢和低合金钢0.81.0球墨铸铁0.90.80.71.00.90.8中小型铸件中大型铸件特大型铸件灰铸铁受阻收缩自由收缩铸造收缩率（％）合金种类表2-3砂型铸造时几种合金的铸造收缩率的经验值22TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页24缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物化性能大大降低，以至成为废品。是极其有害的铸造缺陷之一。3.缩孔及缩松23TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页25缩孔的形成过程：24TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页26集中缩孔易于检查和修补，便于采取工艺措施防止。但缩松，特别是显微缩松，分布面广，既难以补缩，又难以发现。合金液态收缩和凝固收缩愈大(如铸钢、白口铸铁、铝青铜等),收缩的容积就愈大，愈易形成缩孔。合金浇注温度愈高，液态收缩也愈大(通常每提高100℃，体积收缩增加1.6%左右)，愈易产生缩孔。结晶间隔大的合金，易于产生缩松；纯金属或共晶成分的合金，易于形成集中的缩孔。图2-6表示相图与缩孔、缩松和铸件致密性的关系。25TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页27图2-6相图与缩孔/缩松和铸件致密性的关系26TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页28铸件凝固后继续冷却，若收缩受阻，则在铸件内会产生铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。铸造应力分为热应力和收缩应力。热应力和收缩应力都可能使铸件产生裂纹和破坏，收缩应力也称为机械应力，它会随铸件打箱后约束消除而消失，但热应力一般不会马上消失，它会逐步释放。因此在这两类应力中，危害程度和危害的持续性最为严重的是热应力。因此，应该对热应力的形成条件和产生的后果有一定的了解。2.铸造应力及变形27TE-PWenyunJu上海市精品课程上海大学鞠鲁粤第页291)热应力铸造热应力是由于铸件壁厚有厚薄，