铸件形成理论基础共53页文档
铸件形成理论基础
近年来，我国铸造业有了很大的发展。铸件年 产量达到3200万吨，占世界的36%，连续多年位 居世界第一。加入WTO以后，中国成为国际上重 要的铸件生产基地。
二.我国铸造行业的巨大成就
二重集团公司成功地铸造了世界最大的轧机铸 件，钢液总质量达730吨，铸件重约400吨。 哈尔滨电站设备集团公司成功制造出铸焊结构 的三峡工程用重约450吨的水轮机叶轮。 沈阳铸造研究所生产出了铝液重5吨、净重2.7 吨的特大型铝合金铸件。 这些成果均标志我国铸造技术水平正在接近国 际先进水平。
2、铸件的轻量化 为了减轻对资源消耗及环境污染的压力，铸件 的轻量化已成为重要的发展趋势。以汽车制造为 例，汽车重量减轻10%，可使燃烧效率提高7%， 并减少10%的污染。 铸件的轻量化一是材质的轻量化，二是工艺的 精确化。汽车工业、航空工业级国防工业广泛采 用轻金属合金是重要的发展趋势。
3、铸件的精确化 传统精确铸造技术有：熔模铸造、压力铸造、 离心铸造等。 新的铸造成形技术（净终成形铸造）有： 消失模铸造、定向凝固熔 模铸造、半固态铸造、 快速铸造成形技术等。
铸造技术的发展必然要为社会进步和经济发展 的大局所左右，“绿色铸造”的概念体现了高 速发展着的文明进程的人性化特征和经济可持 续发展的总体要求。“绿色铸造”的目标都是 使铸件从设计、制造、包装、运输、使用到报 废处理的整个“产品生命”周期中，对环境的 负面影响最小，资源效率最高。从而使企业经 济效益和社会效益达到最优化。
战国兴隆铁范
隋唐以后，铸造技术得到进一步发展，向大型 和特大型铸件发展。 著名的代表性铸件如后周时期铸造的河北沧州 大铁狮。
河北沧州大铁狮
高5.3m，长 6.5m，宽3m， 重约40t，采 用“泥范明 浇法”铸成。
铸件形成理论基础教学大纲-内蒙古工业大学
《铸件形成理论基础》实验教学大纲课程编号：铸件形成理论基础课程学时／学分：60/3.0 实验总学时：6.0课程英文名称：Basis of Cast Forming Theory课程类别：专业课开出学期：第六学期开出单位（实验室）：材料成型及控制工程实验室制定人：刘向东一、制定依据指根据教育部高等学校机械学科教学指导委员会材料成型及控制工程专业（课程）教学指导分委员会《材料成型原理》课程教学的基本要求, 结合内蒙古工业大学03版培养方案、铸件形成理论基础课程教学大纲等制订本课程实验教学大纲。
三、实验目的、内容与要求实验一、铸造合金流动性的测定实验1、实验目的（1）了解和掌握铸造合金流动性对铸件质量的影响；（2）通过实验，了解并掌握铸造合金流动性的测试方法，了解并掌握影响铸造合金流动性的因素。
2、实验内容（1）采用40/100目石英砂+12%粘土+5.5%水制备型砂，造螺旋试样用铸型；。
（2）灰铸铁流动性的测试。
①.HT250；②.QT600-2；（3）铝合金ZL102流动性的测试。
3、基本要求（1）做好实验预习（明确实验目的、任务、基本原理与测试方法、熟悉操作的主要步骤、注意事项。
并于实验前写好实验预习报告等）（2）实验中要认真细心实验现象和准确记录实验数据，严格遵守操作规程及注意事项，自觉遵守实验室各项规章制度；（3）实验的原始记录经指导教师签阅后妥善保管备查。
认真撰写实验报告。
实验二、铸造合金残余应力的测定1、实验目的本实验目的在于使学生初步了解和掌握使用应力框测定铸造合金残余应力的基本原理与方法；了解残余应力是导致铸件变形和开裂的主要原因之一。
了解并掌握产生残余应力的原因及防止措施，以便为今后从事铸造生产和工艺控制打下良好的基础。
2、实验内容（1）熔炼铁水撇渣后浇注入应力框砂型；待应力框凝固并冷却后，打箱、清理，用游标卡尺测量出凸台两端距离；（2）手工将应力框从凸台的中央锯断；再次用游标卡尺测量出凸台两端距离；根据给定公式计算出粗杆的残余拉应力；（3）根据崩断面积估算出铸铁的抗拉强度，仔细观察应力框自行崩断处的端面情况。
铸件形成理论
一、名词解释：1、流动性：液态金属本身的流动能力，是金属的铸造性能之一，与金属的成分温度杂质含量及其物理性质有关。
2、液态金属的充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整轮廓清晰的铸件的能力成为液态金属充填铸型的能力，简称为~。
3、粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有50%左右为固相原子所占据，这些原子散乱的随机分布在界面上形成一个坑坑洼洼呕吐不平的界面层。
4、平整界面：固相表面的点阵位置几乎全部为固相原子所占据，只留下少数空位或在充满固相原子的界面上存在有少数不稳定的孤立固相原子从而形成了一个总的来说平整光滑的界面。
5、成分过冷：由溶质再分配导致界面前方熔体成份及其凝固温度发生变化而引起的过冷称为~。
6、热过冷：仅由熔体实际温度分布所决定的过冷状态称为~。
7、枝晶偏析：由于固溶体合金多按枝晶方式生长，分支本身分支与分支间的成分是不均匀的，故称为~。
8、宏观偏析：又称长程偏析或区域偏析，指较大范围内的化学成分不均匀现象，表现为铸件各部位之间化学成分的差异。
9、反应性气孔：金属液与铸型之间，金属与熔渣之间或金属液内部某些元素化合物之间发生化学反应所产生的气孔。
10、铸造应力：铸件在凝固和以后的冷却过程中发生线收缩有些合金还发生固态相变，这种变化往往受到外界的约束或铸件各部分之间的相互制约而不能自由的进行于是产生变形的同时还产生应力，这种应力叫做~。
三、简答题1、铸造的优缺点？答：优：○1适应性强○2可以利用某些合金的特性○3尺寸精度高○4成本低。
缺：○1铸件尺寸均一性差○2与压力加工和粉末冶金相比金属利用率低○3内在质量比锻件差○4工作环境粉尘多温度高劳动强度大生产效率低。
2、试述均质生核与非均质生核的区别及联系？答：均质生核：在没有任何外界面的均匀熔体中的生核过程，均质生核在熔体各处几率相同，晶核的全部固液界面皆由生核过程所提供，因此热力学能障较大，所需驱动力较大，理想液态金属的生核过程就是均质生核；非均质生核：在不均匀的熔体中依靠外来杂质或型壁界面提供的衬底进行生核的过程，非均质生核优先发生在外来外界面处，因此热力学能障较小，所需要驱动力较小，实际液态金属的生核过程一般都是非均质生核。
铸件形成理论复习文档
1.液体的“近程有序”与“长程无序”：液体的颗粒分布相对于周期有序的晶态固体是不规则的，液态结构在宏观上不具备平移及对称性，表现为长程无序特征；而相对于完全无序的气体，液体中存在着许多不停游荡着的局域有序的原子集团，其结构又表现为近程有序。
2.实际液态金属的结构是：实际金属的液态结构是非常复杂的，由大量时聚时散、此起彼伏游动的原子团簇及空穴所组成，同时可能包含各种固态、液态或气态杂质或化合物而且还表现出能量、结构和浓度三种起伏特征。
3.理想纯金属液态结构是：由原子集团、游离原子、空穴组成的。
原子集团内原子近程有序排列,原子集团间的空穴或裂纹内分布着无规则排列的游离原子。
原子集团、空穴或裂纹的大小、形态和分布及热运动的状态都处于每时每刻都在变化的状态，存在能量起伏和结构起伏。
4.窄结晶温度范围合金停止流动机理：1区：过热量未散失完；2区：冷前端在型壁上凝固，已凝固的壳重新熔化；3区：未被熔化保留下固相，该区金属液耗尽过热热量；4区：固、液相具有相同的温度，在该区发生堵塞。
5.宽结晶温度范围合金停止流动机理：a.过热量未散失尽，以纯液态流动；b.温度下降到液相线以下，析出固相，顺流前进，黏度增加；c.晶粒数量达到临界值，固相形成连续网络，压力无法克服该网络阻力而发生堵塞，停止流动。
6.三个起伏结构起伏：液态金属中原子团簇尺寸及其内部原子数量都随着时间和空间发生着改变能量起伏：液态金属中不同原子能量有高有低，同一原子的能量也随着时间空间的变化时高时低浓度（成分）起伏：在液态金属中，游动原子团簇之间存在着成分差异，这种局域成分的不均匀性随原子热运动在随时变化7.充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力8.凝固动态曲线的绘制：以温度﹣时间曲线为依据，先将合金的液相线和固相线温度给定到温度场曲线上，以铸件表面至中心的距离x 与半铸件厚度R 之比为纵坐标（x / R =1表示铸件中心位置），以时间t 为横坐标，将温度场曲线与液相和固相温度线的交点分别标注在坐标系中，然后分别将温度场曲线与液相和固相温度线的交点各自连接成曲线，即为凝固动态曲线绘制方法：以时间为横坐标，相对位置x/R为纵坐标; 把温度场曲线与液相线和固相线的交点分别标注在图上；分别把液相线和固相线连成曲线。
第一章铸造成形工艺理论基础
随着人们对金属材料(青铜、钢铁等)的使用，相应 地产生了铸造、锻造、焊接等金属成形加工技术。
20世纪以后，随着塑料和先进陶瓷材料的出现，这 些非金属材料的成形工艺得到了迅速发展；
在跨人21世纪后的今天，已进入了各种人工设计、 人工合成的新型材料层出不穷的新时代，各种与之 相应的先进的成形工艺也在不断涌现并大显身手。
第一章铸造成形工艺理 论基础
2020/12/1
第一章铸造成形工艺理论基础
在现代机械产品的制造过程中，一般是应用材料成 形的方法将材料制成毛坯，再经过机械加工方法制 成所需的零件。
材料成形工艺是指用于把材料从原材料的形态通 过加工而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯
或成品的所有加工方法或手段的总称。
先进的技术装备等等。
我国成功地进行了耗用钢水达490t的轧钢机机架和 长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件的铸造，锻造 了196t汽轮机转子；
采用铸一焊组合方法制造了12000t水压机的立柱 （高18m）、底座和横梁等大型零、部件；
我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的12000t 水压机；
解决了30万吨级远洋油轮船体的焊接技术；
第一章铸造成形工艺理论基础
20世纪中期以后，随着计算机、微电子、信息和 自动化技术的迅速融入，在涌现出一大批新型的 成形技术的同时，材料成形加工生产已开始向着 优质化、精密化、绿色化和柔性化的方向发展。
第一章铸造成形工艺理论基础
我国材料成形技术的发展历史
我国的材料成形技术具有悠久的历史 明朝大科学家宋应星编著的《天工开物》一书中，
➢工艺过程----将原料或半成品加工成产品的 过程。
铸造成型技术DOC
第一章铸造成型技术铸造：将液态金属浇注到与零件尺寸、形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。
铸件：采用铸造方法铸出的金属制品。
铸造生产的特点1.适应范围广，工艺灵活性大（材料、大小、形状几乎不受限制）2. 可制造各种合金铸件，各种箱体、机架、阀体等3.成本较低（铸件与最终的零件形状相似，尺寸相近）铸造的局限性1材料力学性能比锻件低2容易产生铸造缺陷3劳动条件差第一节铸造成型理论基础一、液态金属冲型充型能力：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰的铸件的能力。
液态金属重要的铸造性能指标。
冲型能力差：形状不完整、轮廓不清晰产生缺陷。
（浇不足，冷隔）问：影响液态金属充型能力的因素有哪些？★合金本身的流动性★浇注条件★铸型填充条件★铸件结构1.合金流动性1）合金流动性的概念：合金本身的流动能力流动性好●容易浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件●气体、夹杂上浮与排除●补缩好流动性差●薄壁铸件浇不足●复杂铸件产生冷隔2）合金流动性的测量螺旋形试样测量法：用浇注后试样的长度表示（实际浇注的螺旋线的长度，长度越长，流动性越好）3）影响合金流动性的因素合金的化学成分：固液两相的间距越大，流动性越差。
A.具有共晶成分的合金，纯金属流动性好B.合金成分越远离共晶点结晶温度范围越宽，流动性越差亚共晶铁随含碳量增加，结晶温度范围减小，流动性提高2 浇注条件1）浇注温度：浇注温度越高充型能力越好2）充型压头：压头越大，金属流动速度越大，充型能力越好，压力铸造、离心铸造的充型能力就比砂型铸造好。
缺点：压力过大：引起喷射和飞溅，增加金属氧化，气体来不及排除，易造成浇不足和冷隔。
3）浇注系统结构：复杂，流动阻力大，充型能力差浇注系统如阻流式、缓流式易增大铸件的流动阻力，使充型能力降低。
浇口杯和内浇口等也有同样的影响。
3. 铸型填充条件1）铸型材料：导热系数越大，合金的充型能力越差金属型铸造较砂型铸造易产生浇不足和冷隔等缺陷2）铸型温度：铸型温度越高，合金的充型能力越强3）铸型中的气体：铸型排气能力差，阻碍液态合金的充型4. 铸件结构1）铸件的折算厚度（体积与表面积之比）：折算厚度越大，充型能力越强2）铸件的复杂程度越大，充型能力差5. 提高充型能力的措施1）铸型性质方面金属铸型、熔模铸型：提高铸型温度，填涂料增加铸型热阻，提高铸型排气量，减少铸型在金属充填期间的发气速度等。
铸件形成理论
铸件形成理论（一）铸造是将熔化成液态的金属浇入铸型后一次制成需要形状和性能的铸件，亦即铸造是使金属的状态按着“固态--液态--固态”变化而成形的。
金属由液态--固态的凝固过程中的一些现象，如液态金属、结晶、溶质的传输、晶体长大、气体溶解和析出、非金属夹杂物的形成、金属体积变化等都是我们在后面将要探讨的内容。
一、有关液态金属方面的介绍（一）液态金属的粘滞性液态金属的粘滞性对铸型的充填、液态金属中的气体、非金属夹杂物的排除、金属的补缩、一次结晶的形态、偏析的形成等，多有直接或间接的作用。
因此液态金属的粘滞性对铸件的质量有重要的影响。
1、粘滞性的本质当外力作用于液体表面时，由于质点间作用力引起内摩擦力，使的最表面的一层移动速度大于第二层，而第二层的速度大于第三层，……。
因此粘滞性的本质是质点间（原子间）结合力的大小。
2、影响粘度的因素①温度温度对粘度的影响要根据不同原子之间的相互关系来解释，因此在这里不讨论。
细化铝硅合金加入的变质剂钠，在结晶期间吸附在晶核表面，阻止硅原子的集聚，使粘度降低。
所以变质处理后的铝硅合金的流动性较未变质前有所提高。
②化学成分难熔化合物的粘度较高，而熔点低的共晶成分合金其粘度低。
这是由于难熔化合物的结合力强，在冷至熔点之前就及早地开始了原子的集聚。
对于共晶成分合金，异类原子间不发生结合，而同类原子聚合时，由于异类原子存在所造成的阻碍，使它们聚合缓慢，晶胚的形成拖后，故粘度较非共晶成分的低。
③非金属夹杂物液态合金中呈固态的非金属夹杂物使液态合金的粘度增加，如氧化铝、氧化硅等。
这是因为夹杂物的存在使液态合金成为不均匀的多相系统，液体流动时内摩擦力增加。
夹杂物愈多，对粘度影响愈大。
同时夹杂物的形态也有影响。
（二）液态金属的表面张力物体的表面是两种相的分界面，该表面总是具有某些不同于内部的特有性质，有此产生出一些表面特有的现象-----表面现象。
在铸件形成过程中存在着许多相相的界面，如金属与大气、熔剂、型壁，以及与其内部的气体、夹杂物、晶体等界面。
铸件形成理论基础
第一章能量起伏：金属晶体结构中每个原子的振动能量不是均等的，一些原子的能量超过原子的平均能量，有些原子的能量则远小于平均能量，这种能量的不均匀性称为“能量起伏”近程有序排列：金属液体则由许多原子集团所组成，在原子集团内保持固体的排列特征，而在原子集团之间的结合处则受到很大破坏。
这种仅在原子集团内的有序排列称为近程有序排列。
浓度起伏：不同原子间结合力存在差别，在金属液原子团簇之间存在着成分差异。
这种成分的不均匀性称为浓度起伏。
实际金属的液态结构实际金属中总存在大量杂质和溶质原子，所以其液态除了存在能量起伏和结构起伏以外，还存在浓度起伏。
实际液态金属在微观上是由存在能量起伏、结构起伏和成分起伏的游动原子集团、空穴和许多固态、气态或液态的化合物组成的混浊液体；从化学键上看，除了基体金属与其合金元素组成的金属键之外，还存在其他多种类型的化学键。
影响表面张力的因素1）熔点：高熔点的物质，其原子间结合力大，其表面张力也大。
2）温度：大多数金属和合金，温度升高，表面张力降低。
3）溶质：向系统中加入削弱原子间结合力的组元，会使表面内能和表面张力降低。
第二章液态金属的充型能力一、水力学特点1、液态金属在砂型流动时具有的特性：①粘性液体流动②多相流动③不稳定流动④紊流流动⑤在‘多孔管’中流动2、什么是液态金属充填铸型能力答：液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的能力。
3、影响液态金属充型能力的因素：①取决于金属本身的流动性②受外界影响（铸型性质、杂质含量、）4、充型能力不好的缺陷：浇不足、冷隔5、用浇注“流动性试样”方法衡量流动性、试样类型有：螺旋形、球形、真空试样。
四、液态金属充型能力的计算l=v τ gH v 2μ=五、影响充型能力的因素和措施因素：金属性质方面：（①密度②比热③导热系数④结晶潜热⑤动力粘度）铸型性质方面：（①铸型蓄热系数②铸型密度③铸型比热④铸型温度⑤铸型发气性和透气性）浇注条件方面：（①浇注温度②液态金属静压头③外力场）铸件结构方面：（①铸件的折算率 ②压头损失）凝固过程中释放的潜热越多，则凝固进行的越缓慢，流动性就越好措施：金属性质：（①正确选择合金成分②合理的熔炼工艺）铸型性质：（①选择蓄热系数低的铸型材料②预热铸型③适当降低型砂中的含水量和发气 ④量提高砂型的透气性）浇注方面：（①合理提高提高浇注温度②增加金属液静压头③选择恰当的浇注系统结构）铸件结构：（选择适当的浇注位置）第三章 铸件的凝固一：凝固动态曲线（书本76页）二：铸件的凝固方式（书本77-78页）：1、逐层凝固方式2、体积凝固方式3、中间凝固方式铸件的凝固方式取决于凝固区域的宽度。
铸造成形工艺理论基础
2020/8/9
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工艺、工艺过程、工艺学的定 义
➢工艺----将原料或半成品加工成产品的方法 、技术等。
➢工艺过程----将原料或半成品加工成产品的 过程。
➢工艺学---研究工艺过程的科学。诸如机械 制造工艺学（包括：铸造工艺学、锻造工 艺学、焊接工艺学，机械加工工艺学）。
2020/8/9
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材料成形技术基础主要内容
➢材料成形加工在国民经济中的地位
材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在 一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。
占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接(又说45％的 金属通过焊接得以成形)制成件或产品后投入使用的；
在机床和通用机械中铸件质量占70％～80％；
农业机械中铸件质量占40％—70％；
2020/8/9
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我国材料成形技术的发展历史
我国的材料成形技术具有悠久的历史 明朝大科学家宋应星编著的《天工开物》一书中，
详细论述了冶铁、铸钟、锻铁、淬火等各种金属的 加工方法。
这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法 以来最早的科学论著，充分反映了我国历代劳动人 民在材料成形及机械加工技术方面的卓越贡献。
第一章铸造成形工艺理论基础
在现代机械产品的制造过程中，一般是应用材料成 形的方法将材料制成毛坯，再经过机械加工方法制 成所需的零件。
材料成形工艺是指用于把材料从原材料的形态通 过加工而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯
或成品的所有加工方法或手段的总称。
从材料到毛坯又由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机 械制造过程中的一条主线，它包含了材料成形及机 械制造工艺的基本理论、基本知识、基本方法。对 于一个合格的工程技术人员来说．掌握这些知识， 对所从事的工作是非常重要的。
铸造理论基础
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§1-4 液态金属结晶的基本原理 一、液态金属的结晶过程
2.液态金属的结晶过程 晶核形成
界面 长大 热力学能障
能量障碍
动力学能障
材料成型与控制工程专业
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§1-4 液态金属结晶的基本原理 二、生核过程
1.生核分类 均质生核(自 发生核)
分 类
非均质生核(异质 生核)
界面：
1280 ～ 1180
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§1-2 液态金属的充型能力 三、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
•3浇注条件 2）充型压头
液态金属在流动方向上所受的压力 越大，充型能力就越好； 不良后果？
采取措施：
1)增加金属静压头h；
2)其它方式如压铸等； 3）浇注系统的结构
材料成型与控制工程专业
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§1-2 液态金属的充型能力 三、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
•2铸型方面 3）铸型中气体 发气能力：在金属液与铸型之间形成气膜， 可减小流动的摩擦阻力，有利于充型
减小反压力途径：
1）减少砂型的发气性（适当降低含水量和发气物 质含量）；
2）提高砂型透气性（扎通气孔，设冒口等）
材料成型与控制工程专业
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§1-2 液态金属的充型能力 三、影响充型能力的因素及提高充型能力的措施
材料成型与控制工程专业
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§1-4 液态金属结晶的基本原理 二、生核过程
局限性： 克服高能量障碍，所需的过冷度是很大的。 ΔT=(0.18-0.2)T熔 如：纯Al T熔＝660℃，ΔT=195℃;
但实际上金属结晶时的过冷度一般只有十几摄氏度或 几分之一摄氏度，远小于均质生核所需的过冷度。