第1章金属的液态成形技术1.4铸造工艺设计资料
第一篇金属的液态成形
1. 金属的液态成形(铸造)1.0概述将金属材料加热到高温熔化状态，然后采取一定的成形方法，待其冷却、凝固后获得所需金属制品，这种制造金属毛坯的过程称为金属的液态成形。
金属的液态成形除了铸造之外，还有液态模锻。
1.0.1铸造的定义铸造是指将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得所需形状、尺寸和性能的毛坯或零件的金属液态成形方法。
它是生产机器零件毛坯的主要方法之一。
1.0.2铸造的基本过程铸造生产的基本过程包括以下三个步骤：①根据零件的要求，准备一定的铸型；②把金属液体浇满铸型的型腔；③金属液体在铸型型腔中冷凝成形，获得一定形状和尺寸的铸件。
1.0.3铸造生产的特点铸造的实质就是液态金属(合金)逐步冷凝成形，具有以下特点：优点：①适应性广几乎所有金属及其合金，只要能够熔化成液态便能铸造，尤其是适合生产塑性差的材料。
②工艺灵活性大各种形状、尺寸(壁厚从0.5～1000mm、轮廓从几毫米至几十米)、重量(从几克～几百吨)和生产批量的铸件都能生产，能够制成如机床床身、箱体、机架、支座等具有复杂内腔的毛坯。
某些形状极其复杂的零件只能用铸造方法制造毛坯。
③省工省料铸件毛坯与零件形状相似，尺寸相近，加工余量小，金属利用率高，可以省工省料，精密铸件甚至不需切削加工，就可直接装配。
④生产成本低铸造用的原材料来源广泛，可直接利用报废的机件和切屑。
造型设备投资少，易操作。
缺点：①铸件内部晶粒比较粗大，组织疏松，容易产生气孔、夹渣等铸造缺陷，机械性能和可靠性不如锻件，尤其是冲击韧性较差，不宜制造受冲击或交变载荷作用的零件。
②生产过程比较复杂，工序多且一些工艺过程难以精确控制，铸件质量不稳定，废品率较高。
③工人劳动强度大，劳动条件差。
1.0.4铸造生产的发展历史我国是世界上最早掌握铸造生产的文明古国之一。
早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百多年前，铸铁工具也已相当普遍。
我国劳动人民对世界铸造业的三大贡献(三大铸造技术)：泥型铸造(砂型铸造)、铁型铸造(金属型铸造)、失蜡铸造(熔模铸造)。
材料成型基础第一章液态成形理论基础
29
防止和减小铸造应力的措施
①合理设计铸件结构 铸件的形状愈复杂，各部分 壁厚相差愈大，冷却时温度愈不均匀，铸造应力愈 大。因此，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、 对称、壁厚均匀。 ②尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。 ③采用同时凝固的工艺 所谓同时凝固是指采取一 些工艺措施，使铸件各部分温差很小，几乎同时进 行凝固，如下图所示。因各部分温差小，不易产生 热应力和热裂，铸件变形小。
凝固组织： 晶粒形态、大小、分布（宏观） 晶粒内部结构的形态、大小、分布（微观）
影响因素：炉料、铸件冷却速度、生产工艺
3
2、铸件的凝固方式
铸件的凝固一般存在3个区：固相、凝固、液相； 凝固区的宽度S决定了凝固方式。 （1）逐层凝固
动画3
只发生在纯金属或共晶成分合金 （2）糊状凝固
动画4
发生在结晶温度范围很宽的合金 （3）中间凝固
4
动画5
3、影响铸件凝固方式的主要因素： （1）合金的结晶温度范围
5
（2）铸件的温度梯度
（陡平程度）
6
铸件的温度梯度主要取决于： 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。
热应力 相变应力
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热应力
铸件因壁厚不均匀，或铸件中存在着较大的温差，在同 一时间内铸件各部分收缩不同，先冷却的部位阻碍了后 冷却部位的收缩，在其内部产生了内应力。
材料成形工艺-液态金属铸造成形工艺基础
5
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
★ 铸造的基本工艺要素：
成分
温度
熔融金属液
结构
材质
温度
预先制备的铸型
6
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
1、金属液应满足以下要求：
成分符合要求——各元素含量在标称范围内 合金液含气量、杂质含量在允许范围内
3、铸型与金属之间的相互作用
3.2、热作用： 冷却速度超出适当的工艺窗口 导致亚稳相的形成
型壁表面变形开裂 铸件表面质量差、夹砂结疤
金属液热量迅速导入铸型表层 热击——铸型破裂或表面龟裂
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
3.2、热作用不良导致的缺陷：
应当注意气孔缺陷与疏松缺陷的差别和关联。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
铸件中气孔的形成：
卷入气孔的形成
气孔的一般分布区域
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
4、常用铸造合金及其熔炼：
黑色金属——
14
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用：
机械作用： 金属液在进入型腔时对铸型的冲刷作用； 金属液充入型腔后对铸型壁面的压力作用； 铸型对金属凝固收缩而产生的阻碍作用。
热 作 用： 金属热量向铸型的换热传输作用。
金属液态成形
材料成形技术基础第一章 金属液态成形金属液态成形（铸造）：将液态金属在重力或外力作用下充填到型腔中，待其凝固冷却后，获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的方法。
液态成形的优点：（1）适应性广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）（2）最适合形状复杂的箱体、机架、阀体、泵体、缸体等（3）成本较低（铸件与最终零件的形状相似、尺寸相近）主要问题：组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。
分类：铸造从造型方法来分，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。
其中砂型铸造工艺如图1-1所示。
图1-1 砂型铸造工艺流程图第一节金属液态成形工艺基础一、熔融合金的流动性及充型液态合金充满型腔是获得形状完整、轮廓清晰合格铸件的保证，铸件的很多缺陷都是在此阶段形成的。
（一）熔融合金的流动性1.流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性。
流动性差：铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和夹杂等缺陷。
流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。
螺旋形流动性试样衡量合金流动性，如图1-2所示。
在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。
常用合金的流动性数值见表1-1。
表1-1 常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）2. 影响合金流动性的因素（1） 化学成份 纯金属和共晶成分的合金，由于是在恒温下进行结晶，液态合金从表层逐渐向中心凝固，固液界面比较光滑，对液态合金的流动阻力较小，同时，共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金是在一定温度范围内结晶的，由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。
Fe-C合金的流动性与含碳量之间的关系如图1-3所示。
材料成型技术基础(第2版)课后答案
第一章金属液态成形1. ①液态合金的充型能力是指熔融合金充满型腔，获得轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力。
②流动性好，熔融合金充填铸型的能力强，易于获得尺寸准确、外形完整的铸件。
流动性不好，则充型能力差，铸件容易产生冷隔、气孔等缺陷。
③成分不同的合金具有不同的结晶特性，共晶成分合金的流动性最好，纯金属次之，最后是固溶体合金。
④相比于铸钢，铸铁更接近更接近共晶成分，结晶温度区间较小，因而流动性较好。
2. 浇铸温度过高会使合金的收缩量增加，吸气增多，氧化严重，反而是铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂、夹杂等缺陷。
3. 缩孔和缩松的存在会减小铸件的有效承载面积，并会引起应力集中，导致铸件的力学性能下降。
缩孔大而集中，更容易被发现，可以通过一定的工艺将其移出铸件体外，缩松小而分散，在铸件中或多或少都存在着，对于一般铸件来说，往往不把它作为一种缺陷来看，只有要求铸件的气密性高的时候才会防止。
4 液态合金充满型腔后，在冷却凝固过程中，若液态收缩和凝固收缩缩减的体积得不到补足，便会在铸件的最后凝固部位形成一些空洞，大而集中的空洞成为缩孔，小而分散的空洞称为缩松。
浇不足是沙型没有全部充满。
冷隔是铸造后的工件稍受一定力后就出现裂纹或断裂，在断口出现氧化夹杂物，或者没有融合到一起。
出气口目的是在浇铸的过程中使型腔内的气体排出，防止铸件产生气孔，也便于观察浇铸情况。
而冒口是为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。
逐层凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开。
定向凝固中熔融合金沿着与热流相反的方向按照要求的结晶取向进行凝固。
5. 定向凝固原则是在铸件可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，并同时采用其他工艺措施，使铸件上远离冒口的部位到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部位像冒口方向顺序地凝固。
铸件相邻各部位或铸件各处凝固开始及结束的时间相同或相近，甚至是同时完成凝固过程，无先后的差异及明显的方向性，称作同时凝固。
第一章液态成形理论基础
浇不足：铸件形状不完整
返回
冷隔：铸件看似完整，实际上有未完全融合的接缝 冷隔形成示意图
返回
铁碳合金中的共晶合金是含碳量为4.3％的合金。C点为 共晶点，温度为1147C，当铁水温度降低到该温度时， 液体会结晶成共晶体----莱氏体。 A L t浇 L+A D L+Fe3C F C 1147°C
缩孔率
/% 6.45 5.70 2.56 1.65 5.50
金属基体组织
铁素体-珠光体 莱氏体-珠光体 铁素体-珠光体 铁素体 珠光体-铁素体
18
基本结论(conclusions) 形状特征：缩孔 缩松 容积较大，多呈倒圆锥形 分散而细小
凝固方式：逐层凝固合金，易形成缩孔； 糊状凝固合金易形成缩松 缺陷部位：缩孔总是出现在铸件最后凝固的 部位，一般在上部； 缩松常分散在铸件壁厚的轴线区 域、厚大部位、冒口根部及内浇口附近。
泥石流
螺旋形流动性试样
铸铁和硅黄铜的流动性最好，铝硅合金的次之，铸钢的最差。
11
常用合金的流动性
表1-1
（砂型，试样截面8㎜×8㎜）
铸型 浇注温度/℃
1300 砂型 1300
合 金
铸铁：w(C+Si)=6.2%
螺旋线长度/mm
1800 1300
w(C+Si)=5.9%
w(C+Si)=5.2%
w(C+Si)=4.2%
《材料成形工艺基础》
任教 ： 李卫珍 666001 办公室：B6-301
第一章 液态成形理论基础
§1 液态金属的凝固 §2 常用铸造合金 §3 铸造方法及其发展 §4 铸件结构与工艺设计
§1 液态成形理论基础
液态成形(特种铸造)
高压和高速充填铸型是压力铸造的重要特征。
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Ch1 金属液态成形
§3 特种铸造
三、压力铸造
（一）压铸机和压铸工艺过程
压铸机分类：冷压室；热压室
压铸铸型：定型、动型，将定量金属液浇入压室， 柱塞向前推进，金属液经浇道压入压铸模型腔中，经 冷凝后开型，由推杆将铸件推出。冷压室压铸机，可 用于压铸熔点较高的非铁金属，如铜、铝和镁合金等。
二、金属型铸造
§3 特种铸造
2、金属型的铸造工艺措施
金属型导热快，无退让性和透气性，为确保获得 优质铸件和延长金属型使用寿命，工艺措施如下：
（1）加强金属型的排气 设排气孔、通气槽
（2）表面喷刷防粘砂涂料 陪刷耐火材料保护，厚 度0.1-0.5mm
（3）预热金属型 200-300℃
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3．充分利用并合理设计镶嵌件，为使嵌件在铸件中 连接牢靠，应将嵌见镶入铸件的部分制出凹槽、凸 台或滚花等。
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Ch1 金属液态成形
§3 特种铸造
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Ch1 金属液态成形
§3 特种铸造
四、低压铸造
低压铸造是液体金属在较低的压力（0.02 ～ 0.06MPa）作用下由下而上充填型腔、并在压力下凝 固形成铸件的生产方法。
（1）铸件精度高、表面质量好，是少、无切削加工 工艺的重要方法之一，表面粗糙度为Ra12.5～ 1.6μm。如熔模铸造的涡轮发动机叶片，铸件精度 已达到无加工余量的要求。
（2）可制造形状复杂铸件，其最小壁厚可达0.3mm， 最小铸出孔径为0.5mm。对由几个零件组合成的复杂 部件，可用熔模铸造一次铸出。
第一章金属的液态成形-概述介绍
落砂清理等。 铸件的材质有铸铁、铸造碳钢、铸造合金钢、铸造有色合金
等。 优点： 1）可以生产出形状复杂，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）铸造生产的适用性广，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0.5mm到1m左右。 3）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，故铸件成本较低。
铸造在机器制造业中应用极其广泛。农业机械：40~70% 、 机床:70~80%重量为铸件。
启 动 阀 箱体
缺点： 铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致
铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程 还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
材料成形技术
第一章 金属液态成形技术（铸造）
第1章 金属的液态成形技术
液态成形（铸造）： 将熔融金属浇入铸型型腔，凝固 后获得一定形状、尺寸和性能零件或毛坯的成形方法.
也就是，将经过熔化的液态金属浇注到与零件 形状、尺寸相适应的铸型中，冷却凝固后获得毛坯 或零件的一种工艺方法。
砂型铸造及铸件的浇注过程
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100 10
3.2 1.6
#
#
+3
#
#
+5
#
#
下 1、铸件线收缩率1.0% ，
R5
+6
工艺斜度
2、起模斜度1°15′。
技术要求
1. 铸件组织结构要致密，不得有 砂眼、气孔等缺陷，
6.3
+4
间隙0.5— 15mm
# # 100
120
下型 #
# #
芯头 #
+4
2. 未注明的铸造圆角为R3 — 5 。
斜度5 °— 10 °
技术要求
1. 铸件组织结构要致密，不得有 砂眼、气孔等缺陷，
2. 未注明的铸造圆角为R3 — 5 。
轴 套 设计 工 培 中 心 件数 比 例 重量 材料 HT150 1 1: 3 3kg
19
1.4 铸造工艺设计
1.4.5 铸造工艺图绘
制
斜度的取值：应根据造型方法、生产批量、铸件的高度和模
样的种类来确定。
集砂槽
22
1.4 铸造工艺设计
间隙0.5— 2mm
结构斜度 + 6
间隙2mm
# 170 #
上型
芯头
斜度6 °—15 °
6.3
1.4.5 铸造工艺图绘
。制
其余： 上
100 10
3.2 1.6
#
#
+3
#
#
+5
#
#
6.3
+4
间隙0.5— 15mm
集砂槽
# # 100
120
下型 #
# #
芯头 #
下 1、铸件线收缩率1.0 % ，
中铸型
中 下
型芯头
型芯座
a ) 垂直芯头
型芯头
上铸型
型芯
上 下
型腔
下铸型
型芯
L
型芯座
下铸型
b ) 水平芯头
12
1.4 铸造工艺设计
1.4.3 工艺参数
13
1.4 铸造工艺设计
1.4.3 工艺参数
型芯的形状
型芯名称 垂直型芯
型芯特点 垂直放置
适用场合
适用于回转体、箱体、管子 类零件
水平型芯 悬臂型芯 盖板型芯 外型芯
1.4 铸造工艺设计
1.4.1 浇注位置
1
1.4 铸造工艺设计
1.4.1 浇注位置
型芯——形成铸造内腔或局部外型
2
1.4 铸造工艺设计
1.4.1 浇注位置
3
1.4 铸造工艺设计
1.4.1 浇注位置
4
1.4 铸造工艺设计
1.4.1 浇注位置
5
1.4 铸造工艺设计
1.4.2 铸型分型面
6
1.4 铸造工艺设计
砂芯是用来形成铸件的内部轮廓，芯盒是制造砂芯的专用 模具。芯盒尺寸精度和结构合理与否，将在很大程度上影响 砂芯的质量和造芯效率。
16
轴套零件的铸造工艺设计步骤与过程
1、分型分模面、浇注位置
2、铸件线收缩率 3、机械加工余量
4、起模斜度 5、铸造圆角 6、型芯、型芯头（座）
上型芯头间隙0.5~2mm +6
+6
+4 下型芯头斜度5°~10° 下型芯头间隙0.5~1.5mm
间隙2mm
上型芯头斜度6°~15°
# 上型
# 芯头
#型
#
芯
+5
#通 #
气
#
孔
# +4
下型
芯头
#
#
#
#
上 下 +3
1 . 铸件线收缩率1% ， 2 . 起模斜度1°15 ′ 。
技术要求 1. 铸件组织结构要致密，不得有
砂眼、气孔等铸造缺陷， 2. 未注明的铸造圆角为R3—5。
2. 未注明的铸造圆角为R3 — 5 。
6.3
100
120
轴 套 设计 工 培 中 心 件数 比 例 重量 材料 HT150 1 1: 3 3kg
18
100 10
3.2 1.6
1.4 铸造工艺设计
170
+6
+3 +5
6.3
+4
100
120
6.3
+5
1.4.5 铸造工艺图绘
上
。制
其余：
下
1. 铸件线收缩率1.0% ，
170
结构斜度 + 6
6.3
上
。 其余：
下
100 10
3.2 1.6
+3 +5
+ 6工艺斜度
1、铸件线收缩率1.0% ， 2、起模斜度1° 15′ 。
技术要求
6.3
100
+4
120
1. 铸件组织结构要致密，不得有
+4
砂眼、气孔等缺陷，
2. 未注明的铸造圆角为R3 — 5 。
20
1.4 铸造工艺设计
1.4.5 铸造工艺图绘
铸造圆角有两种设计方法，一种是在零件设计时已经将圆角制
设计出来或用文字说明的。另一种是由铸造工艺设计人员设计
并绘制在铸造工艺图上。
170
结构斜度 + 6
6.3
上
。 其余：
100 10
3.2 1.6
+3 +5
下 1. 铸件线收缩率1.0% ，
R5
+6
2、起模斜度1 ° 15′ 。
水平放置 适用于箱体、套管类零件。
水平悬 臂放置
垂直悬 吊放置
垂直侧 面放置
适用于箱体、缸体零件侧面 壁上的盲孔。
适用于中大型铸件，方便型芯落入 型腔，同时便于测量铸件壁厚。
适用于零件侧壁上有妨碍起模的凸 台或沟槽，也可用于组芯造型。
14
1.4 铸造工艺设计
1.4.5 铸造工艺图绘
铸造工艺图:是在零件图上用各种工艺符号及参数表示出制
铸造工艺方案的图形。其中包括：浇注位置，铸型分型面
（parting surface），型芯的数量，形状，尺寸及其固定
方法，加工余量，收缩率，浇注系统，起模斜度，冒口和
冷铁的尺寸和布置等。
15
1.4 铸造工艺设计
1.4.5 铸造工艺图绘
模样是造型工艺必须的工艺装备，用来形成铸型型腔， 制
为了使模样在造型操作时不损坏，不变形，以及获得表面光 洁，尺寸精确的铸件，模样必须具有足够的强度、刚度和耐 磨性，一定的尺寸精度和表面粗糙度。
R5
+6
工艺斜度
2、起模斜度1°15′。
技术要求
1. 铸件组织结构要致密，不得有 砂眼、气孔等缺陷，
+4
2. 未注明的铸造圆角为R3 — 5 。
轴 套 斜度5 °— 10 °
集砂槽
100 10
3.2 1.6
1.4 铸造工艺设计
1.4.5 铸造工艺图绘
浇注位置的绘制：铸造工艺方案确定之后，在绘制铸造工艺图时， 制
必须使用红蓝两色笔来区分不同工艺设计内容。浇注位置用红色箭头画
出，并标注上和下。
170
6.3
。 上 其余：
下
技术要求
1. 铸件组织结构要致密，不得有
砂眼、气孔等缺陷，
1.4.2 铸型分型面
Ⅲ
7
1.4 铸造工艺设计
1.4.2 铸型分型面
方案Ⅲ的铸造工艺图
8
1.4 铸造工艺设计
1.4.2 铸型分型面
9
1.4 铸造工艺设计
1.4.2 铸型分型面
10
1.4 铸造工艺设计
1.4.3 工艺参数
铸件机械加工余量
11
1.4 铸造工艺设计
1.4.3 工艺参数
上铸型
上 中
工艺斜度
技术要求
6.3
100
+4
120
1. 铸件组织结构要致密，不得有
+4
砂眼、气孔等缺陷，
2. 未注明的铸造圆角为R3 — 5 。
21
1.4 铸造工艺设计
1.4.5 铸造工艺图绘
在铸造工艺设计时，一般情况下应优先采用垂直芯头，如制
果是分模造型模样应采用水平芯头。
170
结构斜度 + 6
6.3
上
。 其余：