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1、铸造篇,材料及热加工工艺,概 述,一. 铸造的定义（实质）和铸造方法的分类,定义： 将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中,待其冷却凝固后,以获得零件或毛坯的方法。,砂型铸造,分类：,液态成形优 点,二、铸造生产特点：优缺点,工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制；,铸件内部组织的均匀性、致密性一般较差；,铸件易出现缺陷，产品 质量不够稳定；,铸件力学性能比同类材料的锻件低。,液态成形缺 点,二、铸造生产特点：优缺点,高档6缸小轿车的内部结构,高档6缸小轿车的发动机壳体,不需加工或少加工的精密铸件,不需加工开式叶轮精密铸件,第一节 合金的铸造性能,铸造性能是合金在铸造成形的过程中
2、，容易获得外形正确，内部无缺陷铸件的性能。 通常用合金的流动性、收缩性等来衡量。,1、合金的流动性愈好：,容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的零件；有利于夹杂物和气体的上浮与排除；有利于补缩。,2、合金的流动性不好：容易产生浇不足与冷隔现象。,浇不足 冷隔现象,3、合金流动性的测定,通常用浇注的螺旋形试样的长度来衡量合金的流动性。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。,通常，灰铸铁、硅黄铜流动性最好，铸钢流动性最差。,二、影响合金流动性的因素,合金的种类、成分，浇注温度和以及铸型填充条件,1）合金的种类不同，其流动性不同;,合金的成
3、分和结晶特征对流动性的影响最为显著。,图：不同结晶特征合金的流动性,亚共晶铸铁随含碳量的增加，结晶温度范围减小，流动性提高。,2）、浇注温度对流动性的影响,浇注温度高，液态金属在铸型中保持液态的时间增长，可改善合金的流动性（薄壁铸件 ）；但是浇注温度过高，使铸件产生气孔、缩孔、缩松、粘砂等缺陷。,在生产中采用：高温出炉，低温浇注的原则。,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。,3）、铸型条件对流动性的影响,常采取加高直浇道，扩大内浇道截面，增设出气孔，烘干铸型等工艺，以延长液态合金的流动时间，以改善铸型的填充
4、条件。,三、合金的凝固,逐层凝固：纯金属和共晶成分合金，不存在凝固区；,糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金，不存在固体区；,存在三个区域：固相区、液固两相并存的凝固区和未开始凝固的液相区。,中间凝固：大多数合金。,铸件的质量与其凝固方式密切相关。,糊状凝固时，难以获得致密的铸件，如：球铁、锡青铜、铝铜合金的凝固，需采取适当工艺进行补缩。,逐层凝固时，合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松，可获得致密的铸件。如：灰铸铁、铝硅合金。,四、铸造合金的收缩,定义：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。,收缩包括以下三个阶段：, 液态收缩 （浇注温度-液相线）, 凝固收缩 （液相线-结晶
5、完了）, 固态收缩 （结晶完了-室温 ）,特点：体积收缩； 浇注温度升高，液态收缩增加。,特点：体积收缩；结晶温度范围增大，凝固收缩增加。,特点：只引起铸件外部尺寸变化，用线收缩率表示。,1、收缩对铸件质量的影响,1）液态收缩 浇注温度越高，使液态收缩率增加。浇注温度一般控制在高于液相线温度50-150。,总结：液态收缩和凝固收缩都使合金体积减小，一般 表现为铸型内液面的降低。这两个阶段的收缩是铸件中产生缩孔或缩松的基本原因。,3）固态收缩 指合金从固相线温度冷却到常温时的收缩。固态收缩通常直接表现为铸件外形尺寸的减小，固态收缩是铸件中产生应力、变形和裂纹的主要原因。,2、影响收缩的因素,2）
6、浇注温度,3）铸件结构和铸型 铸件在铸型中不是自由收缩而是限制收缩。,3、缩孔与缩松的形成及防止,液态合金在凝固过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松。,合金的液态收缩和凝固收缩越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大；,缩孔多集中在铸件最后凝固的部位；其特征是形状不规则，多数呈倒锥形，内表面粗糙。,纯金属和共晶成分的合金易形成缩孔；,（1）缩孔,（2）缩松,主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大的铸件壁中，被树枝晶分隔开的液体区难以得到补缩所致。 缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒
7、口根部、内浇口附近或缩孔下方。,缩孔与缩松减小铸件受力的有效面积，且缩孔部位容易产生应力集中，使铸件的力学性能下降，要予以防止。,判断缩孔出现的方法,（3）缩孔、缩松的防止措施,采用冒口、冷铁的顺序凝固 所谓顺序凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的顺序凝固，有效地消除缩孔、缩松。,冒口、冷铁共用法,设置冒口法,对于一些壁厚均匀的铸件，采用顶部设冒口和底部安放冷铁的工艺措施后，也难以保证其垂直壁上不出现缩孔和缩松。因此，需在其立壁上增加补贴即一个楔形厚度，才能实现该铸件的顺序凝固。,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
8、顺序，本身并不起不缩作用。通常采用钢、铸铁或铜等制成。,五、铸造内应力、变形及裂纹,铸造内应力,铸造内应力: 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。,1、内应力的形成与防止,机械应力是暂存的应力，铸件落砂后应力自行消失。,防止产生机械应力的措施：提高铸型和型芯的退让性。,1)机械应力,2）热应力,固态金属在再结晶温度以上为塑性状态，应力产生塑性变形后自行消失。,金属在再结晶温度以下为弹性状态，内应力产生弹性变形后继续存在。,区分固态金属自高温冷却到室温时状态的变化,热应力是由于铸件壁厚不均或各部分冷却
9、速度不同，使铸件各部分的收缩不同步而引起的。它在铸件落砂后仍然存在于铸件内部，是一种残留应力。,T0-T1:粗、细杆均处在塑性状态，无应力；,T1-T2:细杆进入弹性状态，而粗杆仍处在塑性状态；两杆收缩不同，形成暂时应力（如b），但随温度降低，应力消失（如c）；,T2-T3:两杆均处在弹性状态，但T粗T细，导致粗杆收缩细杆。所以，粗杆受拉伸，细杆受压缩。,结论：产生热应力的规律是，冷却较慢的厚部或心部存在拉应力；冷却较快的薄壁或表层存在压应力。,框形铸件热应力的形成过程,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。,设计：壁厚尽量均匀一致；,工艺：采取同时凝固原则,
10、具体方法：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。,优点：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。,缺点：铸件的心部会产生缩孔或缩松缺陷，所以一般只用于普通灰铸铁和锡青铜铸件的生产。 灰铸铁产生缩孔和缩松的倾向小；而锡青铜倾向于糊状凝固，采用顺序凝固也难于避免缩松缺陷。,采用同时凝固的优、缺点 ：,2、铸件的变形与防止,当铸件产生内应力后，铸件通过自由的变形释放应力。,心部散热慢，受拉应力，边缘处受压应力；且上表面比下表面冷却得快。,导轨部分厚受拉应力；床壁部分较薄受压应力，床身发生朝着导轨方向的弯曲，使
11、导轨下凹。,防止铸件变形的措施：,采用同时凝固工艺， 降低热应力；,反变形 适用于细长易变形铸件,床身导轨面的挠曲变形及反变形,去应力退火,铸件变形后残余应力并未彻底消除。铸件经机械加工后，内应力将重新分布，使零件缓慢地变形。对不允许发生变形的重要铸件，必须进行去应力退火。,去应力退火有自然时效和人工时效两种：,自然时效是将铸件置于露天场地，使其缓缓地发生变形，从而使残余应力消除或减少；,人工时效是将铸件加热到550-650进行去应力退火，应用广泛。,当铸件内应力超过金属的强度极限时，铸件便发生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。,3、铸件的裂纹及防止,铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。
12、,1）热裂纹,产生原因：在铸件凝固末期，固体的骨架已经形成，但枝晶间仍残留少量液体，此时的强度、塑性极低。当固态合金的线收缩受到铸型、芯子或其他因素的阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂。,防止热裂的措施：,a合理设计铸件结构； b改善铸型和型芯的退让性； c限制铸钢和铸铁中的S含量；,热裂纹形态：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。,2）冷裂纹：,冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的；冷裂常出现在复杂铸件受拉应力的部位，特别是应力集中处。,裂纹形态：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。,防止冷裂的措施：,a减少铸造内应力；壁厚均匀、增加退让性； b降低合金的脆性；降低合金中P的含量； c去应力退火； d设计铸件时应避免应力集中。,