机械制造基础第一章(铸造)

热加工工艺基础__铸造严绍华主编《工程材料与热加工基础》（Ⅱ）《热加工工艺基础》热加工工艺基础__铸造第二节金属的液态成形第一节概述第五节砂型铸造工艺方案的确定第三节砂型(芯)制造第四节砂型铸件结构的工艺性第六节常用合金铸件的生产第七节特种铸造第八节各种铸造方法的比较第一章铸造热加工工艺基础__铸造第一节概述一、铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，冷却凝固后获得一定形状与性能铸件的成型方法。所得产品称为铸件。图1-1砂型铸造热加工工艺基础__铸造二、铸造优缺点优点：缺点：1.可以铸出形状复杂的毛坯，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2.铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.3mm到1m左右。3.铸造成本较低，铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件。1.铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2.铸件质量不够稳定。热加工工艺基础__铸造图1-2铸造产品热加工工艺基础__铸造三、铸造方法砂型铸造（占铸件总产量的90%）、金属型铸造、压力铸造、熔模铸造和离心铸造等。以异径管为例介绍铸件的大致生产过程砂型铸造：用型砂制成铸型（砂型），然后注满液体金属并冷却成形的方法。热加工工艺基础__铸造型砂配制造型砂型干燥工装准备炉料准备合金冶炼芯砂配制造芯型芯干燥工艺三大块：冶炼、造型（芯）和浇注落砂清理铸件检验入库砂型铸造工艺流程图合型浇注凝固冷却热加工工艺基础__铸造一、铸件的凝固凝固：合金从液态转变为固态的状态变化。（一）铸件的温度场合金液充满型腔后，在凝固和冷却的某瞬间，铸件横断面上的温度曲线。由于铸型壁的散热作用，铸件表面温度低于中心温度。一般曲线是对称的。温度场的变化速率称温度梯度，即铸件的冷却速率。第二节金属的液态成形热加工工艺基础__铸造（二）铸件的凝固区域除纯金属和共晶成分合金外，有三个区域：液相区、凝固区和固相区。这三个区域随着时间的变化而变化，在铸件的凝固过程中液相区不断缩小，凝固区不断向中心推进直至消失，而固相区逐步扩大直至占据铸件整个断面，此时凝固过程结束。热加工工艺基础__铸造（三）铸件的凝固方式及影响因素1.铸件的凝固方式（1）逐层凝固方式（2）糊状凝固方式（3）中间凝固方式铸件凝固过程中，其断面上一般分为三个区:固相区、凝固区、液相区，根据凝固区的宽窄划分凝固方式。热加工工艺基础__铸造（1）逐层凝固方式（2）糊状凝固方式（3）中间凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。图1-3铸件的凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。铸件断面上的凝固区域宽度介于上述两者之间。大多数合金的凝固为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。逐层凝固因先凝固的表层硬壳内壁光滑，对尚未凝固的液体金属流动阻力小，利于合金的充型及补缩，便于防止缩孔和缩松;糊状凝固时，难以获得组织致密的铸件。热加工工艺基础__铸造增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。2.凝固方式的影响因素（1）合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固；如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。（2）铸件温度梯度的影响热加工工艺基础__铸造（二）合金的充型能力1.充型能力液态合金充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。热加工工艺基础__铸造（一）合金的流动性1.流动性指熔融金属的流动能力。在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！2.充型能力的影响因素热加工工艺基础__铸造不同种类的合金，具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。2.流动性的影响因素1）合金的种类纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好，见图a。在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差，见图b。图1-4不同结晶特征的合金的流动性2）化学成分和结晶特征热加工工艺基础__铸造铁碳合金的流动性与相图的关系见下图：纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加，其流动性变差。铁碳合金的流动性与相图的关系热加工工艺基础__铸造合金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响。热加工工艺基础__铸造合金种类铸型种类浇注温度/℃螺旋线长度/㎜铸铁wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型130013001000600铸钢wC=0.4%铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜（wSn≈10%，wZn≈2%）硅黄铜（wSi=1.5%~4.5%）砂型砂型金属型（300℃）砂型砂型砂型16001640680~72070010401100100200700~800400~6004201000表1-1常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）热加工工艺基础__铸造a）铸型的蓄热能力：即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的急冷作用越强，合金的充型能力就越差。b）铸型温度：提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差，进而减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。c）铸型中的气体：铸型中气体越多，合金的充型能力就越差。2）铸型填充条件3）铸件的结构条件热加工工艺基础__铸造2）铸件的结构条件常用铸件模数（体积和散热表面积之比）来衡量，模数大表示型腔散热表面积小，合金液的充型能力较强。模数越小越不易充满。热加工工艺基础__铸造铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。三、铸件的收缩（一）合金的收缩1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的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。热加工工艺基础__铸造1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。（二）铸件的收缩及影响因素热加工工艺基础__铸造缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。（三）凝固收缩缺陷1.缩孔和缩松（1）缩孔的形成热加工工艺基础__铸造图1-6缩孔形成过程示意图型壁散热外层结壳逐层结壳凝固结束固态收缩热加工工艺基础__铸造宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位。主要产生在结晶温度范围较宽的合金中，冷却时树枝状小晶体长大成粗大的晶体，当等轴晶相互连接成固体后，便将液态金属分割为许多小的封闭区，其中的液体凝固收缩时得不到补充，形成小而分散的孔洞。图1-7缩松形成过程示意图（2）缩松的形成热加工工艺基础__铸造①采用冒口和冷铁，实现顺序凝固即使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。铸件每部分收缩时都能得到稍后凝固部分的液体补充。顺序凝固原则（3）缩孔、缩松的防止措施热加工工艺基础__铸造②合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺浇注位置的选择应服从顺序凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。热加工工艺基础__铸造铸件的固态收缩受到阻碍而产生的应力称铸造应力。1）热应力：由于铸件上壁厚不均匀的各部位冷却速度和线收缩量不均衡，相互阻碍收缩而引起的应力。热应力的分布和铸件的变形遵循以下规律：铸件厚壁处或心部受拉应力，变形时趋于缩短向内凹;薄壁或表层受压应力，变形时趋于伸长向外凸。（四）固态收缩缺陷1.铸造应力热加工工艺基础__铸造当落砂，打断浇、冒口后应力随之消失，机械应力是临时应力;但如和热应力同时作用，瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。铸件的固态收缩受到铸型、型芯、浇口等外因的机械阻碍而产生的应力。2）机械应力：均为拉应力砂型阻碍砂芯阻碍热加工工艺基础__铸造3）铸造应力的防止和消除措施a.采用同时凝固的原则通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。b.提高铸型温度c.改善铸型和型芯的退让性d.进行去应力退火热加工工艺基础__铸造铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削加工变形。防止铸件变形有以下几种方法：a.使铸件均匀冷却,尽量减少铸造残留应力。2.铸件的变形和防止b.去应力退火（人工时效）将铸件加热到550～650℃，保温一段时间后随炉缓慢冷却，可消除残余应力50%～85%。残余应力去除较为彻底，应用较广。热加工工艺基础__铸造c.使铸件壁厚尽量均匀、形状对称不同截面件的变形热加工工艺基础__铸造d.反变形法模样制成与变形方向恰好相反的形状，以抵消变形。适用于细长易变形的铸件。床身导轨面的挠曲变形及反变形热加工工艺基础__铸造a）铸件裂纹的分类及其形貌当瞬时铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便形成裂纹。裂纹是严重的铸造缺陷。热裂＿＿在凝固末期高温下形成的裂纹；一般沿晶界产生和发展，其外形曲折而不规则，裂纹缝内表面呈氧化色；冷裂＿＿铸件在较低温度下形成的裂纹；冷裂裂纹常常是穿晶断裂，裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。B）铸件裂纹的防止减小铸造应力；在熔炼过程中，应严格控制钢铁中的硫、磷含量。４）铸件的裂纹及防止热加工工艺基础__铸造(1)晶内偏析（枝晶偏析）＿＿指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。(2)区域偏析＿＿指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析＿＿铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为防止比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。四、铸造合金的偏析和吸气性1.偏析＿＿铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。热加工工艺基础__铸造（1）侵入性气孔＿＿铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。（2）析出性气孔＿＿是溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。（3）反应性气孔＿＿浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm