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第一篇铸造第一章概述一．什么是铸造?将液体金属浇铸到与零件形状相适应的铸造空腔中，待其冷却凝固后，以获得一定形状、尺寸和性能零件或毛坯的方法。铸造特点优点：1.可以生产形状复杂的零件，尤其复杂内腔的毛坯(如箱体、气缸等)2.适应性广，工业常用的金属材料均可铸造。几克~几百吨。3.原材料来源广泛。价格低廉。废钢，废件，切屑4.铸件的形状尺寸与零件非常接近，减少切削量，属少无切削加工。∴应用广泛：农业机械40~70%机床：70~80%重量铸件缺点：1.机械性能不如锻件(组织粗大，缺陷多等)2.砂型铸造中，单件，小批，工人劳动强度大。3.铸件质量不稳定，工序多，影响因素复杂，易产生许多缺陷。§1金属液态成型一、铸件的凝固铸件凝固过程中，在其断面上存在三个区域，即已凝固的固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。其中凝固区的宽窄对铸件质量影响较大。其宽窄决定着铸件的凝固方式。1）逐层凝固纯金属或共晶成分的合金，凝固时铸件的断面上不存在液、固两相并存的凝固区，已凝固层与未凝固的液相区之间界限清晰，随着温度的下降，已凝固层不断加厚，液相区逐渐减小，一直到铸件完全凝固，这种凝固方式称为逐层凝固。（2）糊状凝固如果合金的结晶温度范围很宽，且铸件断面的温度梯度较小，则在开始凝固的一段时间内，铸件表面不会形成坚固的已凝固层，而是液、固两相共存区贯穿铸件的整个断面。这种凝固方式先呈糊状，然后整体凝固，故称为糊状凝固。（3）中间凝固大多数铸造合金的凝固方式介于逐层凝固和糊状凝固之间，即在凝固过程中，铸件断面上存在一定宽度的液固两相共存的凝固区，称为中间凝固方式。铸件凝固方式影响因素铸件采取何种凝固方式主要取决于该合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。合金的结晶温度范围愈窄，铸件的凝固区域就愈窄，愈倾向于逐层凝固。如砂型铸造时，低碳钢的凝固为逐层凝固，而高碳钢的结晶温度范围较宽成为糊状凝固。铸件的温度梯度主要影响因素1）铸造合金的性质。如铸造合金的导热性愈好、结晶潜热愈大，则铸件均匀温度的能力愈强，温度梯度就愈小。2）铸型的蓄热能力和导热性愈好，对铸件的激冷能力愈强，使铸件的温度梯度愈大。3）提高浇注温度，会降低铸型的冷却能力，从而降低铸件的温度梯度。总之，合金的结晶温范围愈小，铸件断面的温度梯度愈大，铸件愈倾向于逐层凝固方式，也愈容易铸造；所以铸造倾向于糊状凝固的合金铸件时，如锡青铜和球墨铸铁等，应采用适当的工艺措施，减小其凝固区。§2液态合金的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。充型能力不足浇不足冷隔夹砂气孔夹渣不能得到完整的零件没完整融合缝隙或凹坑影响充型能力的主要因素1.合金的流动性2.浇注条件3.铸型的充型条件4.铸件的结构合金的流动性合金的流动性是指液态合金自身的流动能力，属于合金的一种主要铸造性能。良好的流动性1）易于铸造出薄而复杂的铸件，2）利于铸件在凝固时的补缩，3）气体和非金属夹杂物的逸出和上浮。反之流动性差的合金，易使铸件上出现浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩孔等缺陷。测定流动性的方法通常用浇注的螺旋形试样的长度来衡量合金的流动性。如图所示的螺旋形试样，其截面为等截面的梯形，试样上隔50mm长度有一个凸点，以便于计量其长度。合金的流动性愈好，其长度就愈长。影响流动性的主要因素主要是化学成分：1.共晶成分的合金，其结晶同纯金属一样，是在恒温下进行的。从铸型表面到中心，液态合金逐层凝固，由于已凝固层的内表面光滑，对液态合金的流动阻力小。而且，由于共晶成分合金的凝固温度最低，相同浇注温度下其过热度最大，延长了合金处于液态的时间，故流动性最好。2.非共晶成分其已凝固层和纯液态区之间存在一个液固两相共存的区域，使得已凝固层的内表面粗糙。所以非共晶成分的合金流动性变差，且随合金成分偏离共晶点愈远，其结晶温度范围愈宽，流动性愈差。铁—碳合金流动性与含碳量的关系浇注条件（1）浇注温度（2）充型压力（1）浇注温度提高液态合金的浇注温度能改善其流动性，因而提高其充型能力。因为浇注温度高，液态合金的过热度大，在铸型中保持液态流动的能力愈强，且使液态合金的粘度及其与铸型之间的温度差都减小，从而提高了流动性。因此，对薄壁铸件或流动性较差的合金可适当提高浇注温度，以防产生浇不足和冷隔。但是浇注温度过高，又会使液态合金吸气严重、收缩增大，反而易使铸件产生其它缺陷，如气孔、缩孔、缩松、粘砂和晶粒粗大等。故在保证液态合金流动性足够的前提下，浇注温度应尽可能低。通常灰铸铁浇注温度为1200～1380℃；铸钢为1520～1620℃；铝合金为680～780℃。薄壁复杂件取上限温度值，厚件则取下限。（2）充型压力液态合金在流动方向上所受压力愈大，其充型能力愈好。砂型铸造时，是由直浇道高度提供静压力作为充型压力，所以直浇道的高度铸型的充型条件在铸型凡能增大液态合金流动阻力、降低流速和加快其冷却的因素，均会降低其充型能力。如铸型型腔过窄、预热温度过低、排气能力太差及铸型导热过快等，均使液态合金的充型能力降低。4铸件的结构铸件的壁愈薄、结构形状愈复杂，液态合金的充型能力愈差。应采取适当提高浇注温度、提高充型压力和预热铸型等措施来改善其充型能力。铸件模数：铸件体积与散热表面积之比§3铸造合金的收缩从浇注、凝固、直至冷却至室温的过程中，铸造合金的体积或尺寸会缩减的现象为收缩，收缩是合金的物理属性。但铸造合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，是形成缩孔、缩松、变形和裂纹等多种铸造缺陷的根本原因。收缩的三个阶段1）液态收缩：从金属液浇入铸型到开始凝固之前。液态收缩减少的体积与浇注温度与开始凝固的温度的温差成正比。2）凝固收缩：从凝固开始到凝固完毕。同一类合金，凝固温度范围大者，凝固体积收缩率大。如：35钢，体积收缩率3.0%，45钢4.3%3）固态收缩：凝固以后到常温。固态收缩影响铸件尺寸，故用线收缩表示。合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔：恒温下结晶缩松：两相区结晶线形收缩裂纹变形应力影响收缩的因素1）化学成分：铸铁中促进石墨形成的元素增加，收缩减少。如：灰口铁C，Si↑，收↓，S↑收↑。因石墨比容大，体积膨胀，抵销部分凝固收缩。2）浇注温度：温度↑液态收缩↑3）铸件结构与铸型条件铸件在铸型中收缩会受铸型和型芯的阻碍。实际收缩小于自由收缩。∴铸型要有好的退让性。铸型条件铸件结构浇注温度化学成分(c含量)合金收缩缩孔的形成：纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔。缩松的形成：铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。缩孔易出现的部位缩孔和缩松的防止采用适当的工艺措施，使铸件实现“顺序凝固”，即可获得无缩孔的铸件。所谓顺序凝固是指，采用一些适当的工艺措施，使铸件远离冒口或浇口的部位最先凝固靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。顺序凝固实现顺序凝固方法合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。由于铸件上容易产生缩孔的厚大部位即热节不止一个，仅靠铸件顶部的冒口补缩，难以保证铸件底部厚大部位不出现缩孔。为此，在该处设置冷铁，以加快其冷却速度，使其最先凝固，以实现自下而上的顺序凝固。由此可知，冷铁的作用是加快铸件某处的冷却速度，以控制或改变铸件的凝固顺序。冷铁通常采用钢、铸铁或铜等制成。§4铸造内应力、变形和裂纹铸件完全凝固后便进入了固态收缩阶段，若铸件的固态收缩受到阻碍，将在铸件内部产生应力，称为铸造应力。它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。按照应力产生的原因，将铸造应力分为热应力和机械应力两种。内应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。热应力的形成过程ΙⅡ当铸件处于高温阶段（t0-t1）时，两杆都处于塑性状态，尽管此时两杆的冷速不同、收缩也不同步，但瞬时的应力可通过塑性变形来自行消失，在铸件内无应力产生；继续冷却，冷速较快的杆II进入弹性状态，粗杆I仍然处于塑性状态（t1-t2），此时由于细杆II的冷速较快、收缩较大，所以细杆II会受到拉伸，粗杆I会受到压缩（图b），形成暂时内应力，但此内应力很快因粗杆I发生了微量的受压塑性变形而自行消失（图c）；当进一步冷至更低温度时（t2-t3），两杆均进入了弹性状态，此时由于两杆的温度不同、冷却速度也不同，所以二者的收缩也不同步，粗杆I的温度较高，还要进行较大的收缩，细杆II的温度较低，收缩已趋于停止，因此粗杆I的收缩必定受到细杆II的阻碍，使其收缩不彻底，在部产生拉应力；而杆II则受到杆I因收缩而施与的压应力（图d）。直到室温，残留热应力一直存在。铸件壁厚不均或各部分冷却速度不同使铸件的厚壁处或心部受拉应力、薄壁或表层受压应力，且随着铸件壁厚差的增大、各部分冷却速度差的不同、铸造合金线收缩率的提高、以及其弹性模量的增大，铸件的热应力增大。残留热应力的预防预防铸件产生热应力的基本措施是减小铸件各部分之间的温度差，使其均匀冷却。具体为：①选择弹量模量较小的合金作为铸造合金；②设计铸件结构时，力求使其壁厚均匀；③采用合理的铸造工艺，使铸件的凝固符合同时凝固原则。将内浇口开在铸件的薄壁处，以减缓其冷却速度；而在铸件的厚壁处放置冷铁，以加快其冷却速度。总之，铸件采用同时凝固原则可减小其产生应力、变形和裂纹的倾向；且不必设置冒口，使工艺简化，并节约了金属材料。采用同时凝固的缺点是在铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷。机械应力机械应力是因铸件的收缩受到铸型或型芯等的机械阻碍而形成的应力，机械应力会导致形成裂纹，应适时开箱加以解决。预防方法：提高铸型和型芯的退让性。铸件的变形与防止具有残留内应力的铸件，厚的部位受拉应力、薄的部位受压应力。处于这种状态的铸件是不稳定的，将自发地变形以减小其内应力，以趋于稳定状态。变形的结果是受拉应力的部位趋于缩短变形、受压应力的部位趋于伸长变形，以使铸件中的残余应力减小或消除。结论：厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。薄部、表面受压应力，出现外凸变形。平板铸件，其中心部位散热较边缘要慢，所以受拉应力；边缘处则受压应力，且平板的上表面比下表面冷却得快导轨部分较厚，受拉应力；其床壁部分较薄，受压应力，于是床身发生朝着导轨方向的弯曲，使导轨下凹。变形的防止1.为防止变形，应尽可能使铸件的壁厚均匀2.使铸件的截面形状对称，3.在铸造工艺上应采取相应措施，力求使其同时凝固；4.对细长易变形的铸件，在制造模型时，将模型制成与变形方向正好相反的形状以抵消其变形，这种方法为反变形法。铸件的裂纹与防止当铸造内应力超过铸件的强度极限时，铸件便产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，必须设法防止。按照裂纹的形成温度不同，将裂纹分为热裂和冷裂两种。热裂热裂是在铸件凝固末期的高温下形成的。其形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内金属呈氧化色；且裂纹沿晶界产生，外形曲折。因为在凝固末期，铸件绝大部分已凝固成固态，但其强度和塑性较低，当铸件的收缩受到铸型、型芯和浇注系统等的机械阻碍时，将在铸件内部产生铸造应力，若铸造应力的大小超过了铸件在该温度下的强度极限，即产生热裂。热裂是铸钢件、可锻铸铁件以及一些铝合金铸件的常见缺陷，一般出现在铸件的应力集中部位，如尖角、截面突变处或热节处等。防止热裂的方法①选择结晶温度范围窄的合金生产铸件，因为结晶温度范围愈宽的合金，其液、固两相区的绝对收缩量愈大，产生热裂的倾向也愈大。如灰铸铁和球铁的凝固收缩很小，所以热裂倾向也；但铸钢、铸铝和可锻铸铁的热裂倾