第二章 铸造成形

根据铸件结构、浇注系统类型确定，
慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，
消除缩孔。
图2-10顺序凝固原则示意图
（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施
冒口，在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩 孔、缩松最有效的措施。
冷铁，用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷 却速度，调节凝固顺序。
补贴，在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度， 使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒 口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离。
1.热应力
由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一 种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形 成过程，如图2-12所示，其热应力形成过程分三阶段。
第一阶段，两者都塑性 变形，无热应力；
第二阶段，一塑性，一 弹性，仍无热应力；
第三阶段，两者均弹性 变形，冷却慢的受拉， 快的受压。残留热应力 和合金的弹性模量、线 收缩系数、铸件各部分 壁厚差别及温度差成正 比。 动画演示
第2章 铸造成形
2.1 液态成形理论基础 2.2 砂型铸造方法 2.3 特种铸造方法 2.4 铸造工艺设计 2.5 铸件结构工艺性 2.6 铸造成形新发展
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铸造：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，获得一定形状的毛坯 或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之 一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。
铸件温度梯度主要取决于：
a)合金的性质。合金的凝固温 度越低、热导率越高、结晶潜 热越大，温度梯度越小，如多 数铝合金。
b) 铸型的蓄热能力越强，激冷
能力越强，温度梯度越大，如
金属型铸造易得致密组织。
图2-2 温度梯度对凝固区域的影响
c) 浇注温度越高，温度梯度减小。
2.1.2 金属与合金的铸造性能
2）充型压力。压力越大，充型能力越强。
3. 铸型条件
1）铸型的蓄热能力越强，充型能力越差； 2）铸型温度越高，充型能力越好； 3）铸型中的气体阻碍充型； 4）铸件结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大 平面都影响充型。
2.1.2.2 合金的收缩
1、收缩。合金从液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩 小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示：
2.1.3.3 铸件的变形与裂纹
1.铸件的变形
残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲 变形。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度 不够时，将产生如图所示的变形。再如图2-17所示的车床 床身的变形。
图2-15 框架铸件的变形
图2-16 T形梁的变形
防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法； 同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力 退火消除机械应力。
第1节 液态成形理论基础
2.1.1 金属的凝固 2.1.2 金属与合金的铸造性能 2.1.3 铸造性能对铸件质量的影响
2.1.1 金属的凝固
1. 液态金属的结构与性质
1）液态金属的结构：固态金属经加热变为熔融状态即得 液态金属，是由呈有序排列的游动原子集团组成，其结 构与原有固体结构相似，但热运动剧烈，温度越高，热 运动越剧烈，原子集团越小，游动越快。
体收缩率 线收缩率
V

V0 V0
V1
100
%

V
t0
t1 100 %
l

l0 l1 l0
100 %
l t0
t1 100 %
式中 V0 、V1 ——合金在 t0 、t1 时的体积（m3）； l0 、l1 ——合金在 t0 、t1 时的长度（ m ）； V 、 l ——合金在 t0 至t1 温度范围内的体收缩系数
三者综合应用是消除缩孔缩松的有 效措施，如图2-11所示。
动画演示
图2-11 冒口冷铁的作用
2.1.3.2 铸造应力
铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可 分为热应力和收缩应力； 热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而 引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。 机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由其引起的应 力称机械应力（收缩应力）。
铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力； 用充型能力、收缩性等来衡量。
2.1.2.1 充型能力
充型能力：熔融金属或合金充满铸型型腔，获得形 状完整、轮廓清晰铸件的能力。主要影响因素有：
1. 金属或合金的流动性
流动性是熔融金属的流动能 力，合金的流动性用浇注流动性 试样的方法来衡量，一般采用如 图 2-3 所 示 的 螺 旋 形 试 样 。 流 动 距离越长，表明流动性越好。
和线收缩系数（1 0C ）
合金的收缩过程可分为三个阶段：如图2-6所示。
1）液态收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中 的收缩。
2）凝固收缩。指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收 缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金 属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。
3）固态收缩。指合金 从固相线温度冷却到室 温时的收缩。用线收缩 率表示。它对铸件形状 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。
1. 缩孔和缩松的形成 （1）缩孔的形成 形成条件，金属在恒温或很窄的温度 范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。形成过程如 图2-7所示：动画演示
缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值 大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件 最后凝固区域，此区域也称热节。
图2-7 缩孔形成过程示意图
1）逐层凝固：纯 金属或共晶成分的 合金的凝固，如图 2-1a；
2）糊状凝固：结 晶温度范围很宽的 合金的凝固，如图 2-1c；
图2-1 铸件的凝固方式
a)逐层凝固 b)中间凝固 c)糊状凝固
3）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合 金为此凝固方式，如图2-1b所示。
铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金充型能 力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。而糊状凝固时， 充型能力差，易产生缩松。
到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远 离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固， 如图2-10所示， 使缩孔转移到冒口中。
适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸 件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。动画演示
（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺
内浇道的引入位置应按照顺序凝
固原则确定；浇注温度和浇注速度应
2. 缩孔和缩松的防止 一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但
其总容积基本一定，如图2-9所示。
防止缩孔和缩松的 基本原则是：采用 合理的工艺条件， 使缩松转化为缩孔， 并使缩孔移至冒口 中。
图2-9铁碳合金成分与体积收缩率的关系
（1）按照顺序凝固原则进行凝固
是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分
2.1.3 铸造性能对铸件质量的影响
收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原 因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹 杂、缩孔、热裂等缺陷。
2.1.3.1 缩孔和缩松
凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的 孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使 铸件力学性能大大降低，以致成为废品。
2.铸件的裂纹：
当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂 纹。可分为热裂和冷裂。
1）热裂 在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧 化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而 不规则；裂纹短，缝隙宽。
产生原因：凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和 塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能 引起热裂。分布在应力集中处或热节处。
图2-3 螺旋形标准试样
决定合金流动性的主要因素有：
1）合金的种类。
2）合金的成分。同种合金，成 分不同，其结晶特点不同，流 动性也不同。如图2-4所示铅锡 合金的流动性与相图的关系；
纯金属和共晶合金在恒温来自百度文库结 晶，为逐层凝固方式，如图2-1a 所示，凝固层表面光滑，阻力
小，故流动性好，同时共晶合
4. 影响铸件凝固方式的因素
1）合金的结晶温度范围: 结晶温度范围越小，凝固区域 越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾 向于逐层凝固，高碳钢、远共晶成分铸铁倾向于糊状凝 固。
2）铸件的温度梯度：在合金的结晶温度范围已定时，若铸 件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝 固。如图2-2所示。
金熔点最低，故流动性最好。
而亚共晶合金，为中间凝固方 式，复杂枝晶阻碍流动，故流
图2-4铅锡合金的流动性与相图的关系
动性差，如图2-1c所示。
3）杂质和含气量。固态夹杂物使粘度增加，流动性下降； 如灰铁中的MnS；含气量越少，流动性越好。
2. 浇注条件
1）浇注温度越高，保持液态的时间越长，流动性越好； 温度越高，合金粘度越低，阻力越小，充型能力越强。 故提高浇注温度能有效提高充型能力；但过高吸气量和 总收缩大，易产生铸造缺陷。故在保证充型能力的前提 下温度应尽量低。生产中薄壁件常采用较高温度，厚壁 件采用较低浇注温度。
防止热裂的措施：
➢ 应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；
➢ 提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；
➢合理设计浇道、冒口； ➢对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。
2）冷裂 是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。 其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶 粒而发生，外形规则，常是圆滑曲线或直线。防止方法 是尽量减少铸造应力。
铸造的优点：
1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯； 2）工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、 重量和数量的铸件都能生产；
3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。
铸造的缺点：
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。 2）铸件的机械性能较低。 3）铸造工序多，难以精确控制，使铸件质量不够稳定。
a)
b)
c)
图2-6 铸造合金收缩过程示意图
a) 合金状态图 b) 一定温度范围合金 c) 共晶合金 I—液态收缩 II—凝固收缩 III—固态收缩
2. 影响收缩的因素
1）化学成分; 2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大; 3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度 不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻 力。
4）劳动条件较差,劳动强度较大。
铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的 机器设备中铸件占很大比重。如表2-1所示。
表2-1 各类机械工业中铸件重量比
机械类别
%
机床、内燃机、重型机器 风机、压缩机 拖拉机 农业机械 汽车
70~90 60 ~ 80 50 ~ 70 40 ~ 70 20 ~ 30
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。如图2-14所示，各部分温差小， 不易产生热应力。主要用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶 范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜 铸件等。
4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。
5）对铸件进行时效处理。自然时效、热时效（去应力退 火）和共振时效。
2）液态金属的性质：具有粘度和表面张力。
2. 液态金属的凝固 液态金属由液态转变为固态的过程，包括形核和长
大两个过程。得到的凝固组织（铸态晶粒形态、大小、 分布、缺陷等）取决于成分、冷却速度、形核条件等。
3. 铸件的凝固方式
在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相 区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。 铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图2-1。
图2-12 热应力的形成
2.收缩应力
由机械阻碍产生，一般都是拉应力，在形成应力的 原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残 留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸 件将产生裂纹。如图2-13所示。
3.减小和消除铸造应力的措施
1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚 均匀，壁之间连接均匀等。
（2）缩松的形成 其基本原因也是液态收缩和凝固收缩大 于固态收缩。但主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大 的铸件壁中。形成过程如图2-8所示。动画演示
一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内 浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。
图2-8 缩松形成过程示意图
（3）缩孔缩松的形成规律
1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁 等），铸件越易形成缩孔。 2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。 3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩 松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。