第2章 铸造

4．铸造应力 铸件在凝固和冷却过程中由受阻收缩、热作用 和相变等因素引起的内应力。 (1)收缩应力：
铸件在固态收缩时，因铸型、型芯、浇冒口、箱带及 铸件本身结构阻碍收缩而引起的铸造应力
收缩应力是暂时存在的 应力，会自行消失。但在高 温下，若某瞬间铸件上某部 位的收缩应力和热应力之和 超过其抗拉强度时，就可能 产生裂纹。 提高型（芯）砂的退让性，合理设置浇注系统 和及时开箱落砂等措施，可有效地减小收缩应力
(3) 缩孔和缩松的防止： 缩孔和缩松均使铸件的力学性能下降，甚至因产 生渗漏而报废，应采取适当的工艺措施予以防止。 1）采用顺序凝固原则：
顺序凝固是使铸件按规定方向从一部分到另一部分依次凝 固的原则
实施方法：(内浇口+冒口+冷铁）
目的：实现自薄部向着冒口方向顺序凝固、依次补缩，最 终将缩孔转移到冒口中
却至200～300℃后出炉空冷
5．铸件变形 铸件在铸造应力和残留应力作用下所发生的变形 以及由于模样或铸型变形引起的变形。 (1) 铸件变形的主要原因： 由于残余应力的存在，会自发地产生变形,以缓 解应力使铸件趋于稳定状态
变形分布： 受拉部分（厚部、 后冷、心部）凹下， 受压部分（薄部、 先冷、表面）凸出。 铸件产生挠曲变形
铸型从金属液吸收并 2．铸型条件 储存热量的能力 铸型的蓄热系数：其值越大，激冷能力越强，金属液保 持液态的时间就较短，充型能力越低 选用蓄热系数小的造型材料，在型腔壁喷涂料
铸型温度：铸型的温度越高，金属液冷却就越慢，保持
液态时间就越长
铸型中的气体：形成影响充型的气体阻力 3．浇注条件 浇注温度：浇注温度高，金属液的粘度低，保持液态的时
浇注温度：
随着浇注温度的提高，金属冷却时的液态收缩会增大， 总体积收缩相应增大。
铸型条件：
铸件冷却过程中，由于各部分冷却速度的不同，使收 缩相互制约而不能自由收缩，也可能受到型砂、型芯等的 阻碍而不能自由收缩。 阻碍越大，收缩越小
3．缩孔与缩松
(1)缩孔：铸件在凝固过程中，由于补缩不良而产生 的孔洞。 特征：形状极不规则（多为倒锥形）、孔壁粗糙 并带有枝状晶，常出现在铸件最后凝固的部位
有一直径为ф 50，高50的圆柱形铸件，已知清理 后未发生变形，假定立即进行切削加工，当：①中心 钻一ф 30的通孔；②车去厚度为15mm的外圆；③铣去 20mm一边。如果只考虑轴向变形时，该铸件会发生如 动画所示的3种变形趋势。
(2) 防止铸件变形的措施
1）减小和消除铸造应力： 应力是引起变形的根本原因，无应力则无变形 2）反变形法： 造型时使型腔具有预留的等量反变形量
壁厚差别大、形状复杂的铸件易产生冷裂
(3) 防止裂纹的措施：减小和消除铸造应力、严格限制 硫、磷含量，以降低其脆性。
2.1.3 常用铸造合金的铸造性能及工艺
金属在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全的 铸件的能力 包括金属液的流动性、吸气性、氧化性、收缩特性、 热裂倾向性等 1．铸铁 常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等 (1) 灰铸铁： 铸造性能优良、流动性好、收缩小；产生铸造 缺陷的倾向最小 对铸件壁厚的均匀性要求较低，铸造工艺简便， 热应力小，是应用最广的铸铁。
3) 在可能产生变形的部位添加加强筋，限制变形 4) 铸件对称以便变形互相抵消
6．铸件裂纹 铸件表面或内部由于各种原因发生断裂而形成的 条纹状裂缝 (1)热裂： 凝固后期或凝固后在较高温度下形成的裂纹。 断面严重氧化，无金属光泽，外形曲折而不规则
热裂是铸钢件和铝合金铸件的常见缺陷。
(2) 冷裂： 铸件凝固后在较低温度下形成的裂纹。 裂纹有金属光泽或微呈氧化色，多为直线或圆滑曲 线。常出现在受拉伸的部位，特别是应力集中处。
合理设计铸件结构： 壁厚均匀、圆角连接 采用同时凝固原则：使型腔内各
部分金属液温差很小，同时 进行凝固。 实施方法：(内浇口+冷铁） 特点：热应力小，不易热裂， 省工省料，但组织不致 密，轴心处往往会出现缩松 应用：收缩较小的合金、倾向于糊状凝固的合金、气密性 要求不高的铸件、壁厚均匀的薄壁铸件
去应力退火：一般为Ac1－(100～200) ℃，经保温后随炉冷
特点：可获得致密的铸件，使铸件各部分的温差加大， 易产生内应力、变形和裂纹，增加了铸件成本。
应用：通常用于收缩较大、凝固温度范围较小的合金， 如铸钢、碳硅含量低的灰铸铁、铝青铜等合金以及壁厚 差别较大的铸件。 2）加压补缩： 将铸型置于压力罐中，浇注后使铸件在压力下凝固 可显著减少显微缩松。 3）选择合适的合金 不同成分的合金，凝固方式不同，总体积收缩量不同, 共晶成分的铁碳合金凝固区间最小，收缩量最小。实际 生产中就应使碳、硅含量在4.3％附近
(2) 球墨铸铁： 球墨铸铁的共晶凝固温度范围较宽，且球化处理 时易产生氧化物和硫化物夹杂，故铁液流动性较差； 其石墨化膨胀量大于灰铸铁，但缩前膨胀，使收缩量 加大而产生缩孔、缩松缺陷。 生产球墨铸铁件多采用顺序凝固 原则，需设置冒口和冷铁； 应提高砂型的紧实度和透气性以 防止铸型胀大； 浇注时应注意挡渣和使铁液迅速、 平稳地充型，以减少夹渣缺陷； 应减少铁液的硫、镁含量和型砂 的含水量，防止产生皮下气孔。
2.1 铸造基础
2.1.1 金属液的充型能力 金属液充满铸型型腔，获得轮廓清晰、形状 准确的铸件的能力 很大程度上决定了铸件的质量，充型能力差 的液态合金易产生浇不到和冷隔等缺陷。
1．金属的流动性：
金属液本身的流动能力
流动性好则充型能力强， 易于获得轮廓清晰、壁薄而 形状复杂的铸件，且易于防 止各类铸造缺陷。
(2) 热应力： 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于温差造 成不均匀收缩并互相牵制而引起的铸造应力 铸件凝固冷却后，热应力将残留在铸件内部。 1）热应力的形成过程：
热应力的分布： 厚壁、心部（后 冷处）受拉应力； 薄壁、表面（先 冷处）受压应力
2）减小和消除热应力方法：
残留应力使铸件的精度和耐蚀性大大降低，还会因残留应 力的重新分布而导致铸件变形甚至产生裂纹，故应尽量减小或 消除热应力
4．铸造铜合金 锡青铜的铸造性能较差；金属液流动性差， 且收缩较大，易产生缩孔、缩松等缺陷。 壁厚较大的重要铸件须设置冒口顺序凝固； 形状复杂的薄壁铸件，致密性要求不高时，可采 用同时凝固原则。 铝青铜和铝黄铜等含铝较高的铜合金，铸造 性能较好，流动性好； 但收缩较大，易形成集中缩孔，须设置冒口 顺序凝固。
2．压力铸造 熔融金属在高压下高速充型，并在压力下凝固的 铸造方法 压铸的特点及应用： 高压（可达数百兆帕）、高速（10～120m/s）、 充填铸型的时间极短（0.01～0.2s）是压铸与其它铸 造方法的根本区别 生产率很高，操作简便；可获得形状复杂的薄壁件， 且铸件精度高、表面粗糙度低；铸件晶粒细小，组织 致密，力学性能好。但其设备投资大。用于铸钢、铸 铁件时，铸型的寿命很低。
(2) 机器造型： 用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序 常用的机器造型方 法有震压造型、微震 压实造型、高压造型、 抛砂造型、气冲造型、 负压造型等。 机器造型生产效 率高，劳动条件较好； 铸件精度较高，表面 质量较好；但设备投 资较大，对产品变换 的适应性较差。适用 于成批、大量生产各 类铸件。
2.2.2 特种铸造 与砂型铸造不同的其它铸造方法 绝大多数特种铸造方法铸件精度高、表面粗糙度 低，易实现少、无屑加工 ；铸件内部组织致密，力学 性能好；金属液消耗少，工艺简单，生产效率高；但 在工艺上和应用上各有一定的局限性。 1．金属型铸造 工艺特点：铸型必须预热；型腔须喷刷涂料； 及时开型取件 优缺点及应用:一型多铸,工艺简便，易于实现机械化和 自动化； 易实现少、无屑加工；铸件精 度高、表面粗糙度低、力学性能好。 不适宜铸造结构复杂、薄壁或大型铸件。 主要用于成批、大量生产铝合金、铜合金等非铁合 金中、小型铸件
衡量：螺旋型流动试样长度
(1)合金成分：
成分不同，结晶方式 影 不同，粘度不同，已结晶 响 表面光滑程度不同； 相同温度下，过热度 金 属 不同。
流 动 性 本 质 2)合金的质量热容、 单位质量物质升高单位 温度所需的热量 密度和热导率
质量热容和密度大， 含热量大；流动性好 热导率小，散热慢； 流动性好
合金种类 体收缩率 （%） 10～14.5 12～14 5～8 线收缩率 （%） 1.3～2.0 1.5～2.0 0.7～1.0
铸造碳钢 白口铸铁
灰铸铁
固态收缩： → 线尺寸的缩小 产生铸造应力并引起变形、 裂纹
2．影响收缩的因素
金属的化学成分：
铁碳合金中，灰铸铁收缩小 原因：碳大部分以石墨形态析出，石墨比容大，抵消 部分体积收缩
纯金属、共晶合金和凝固温度范围窄的合金 凝固时呈逐层凝固方式，易产生缩孔缺陷
(2) 缩松：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。 借助高倍放大镜才能发现的缩松称为显微缩松。 铸件有缩松缺陷的部位，在气密性试验时易渗漏 特征：多产生在铸件的轴线附近和热节部位 （即厚度较大，冷速较慢的金属积聚处）
凝固温度范围越宽，糊状凝固越明显，铸件 越易产生缩松缺陷
2.2 铸造方法
2.2.1 砂型铸造 砂型铸造是在砂型中生产铸件的铸造方法 1．常用的砂型 常用的砂型有湿砂型、干砂型、表面烘干型、 自硬砂型 （特点、应用见表2-2） 2．常用的造型方法 造型方法可分为手工造型和机器造型两大类 (1) 手工造型方法 两箱造型、三箱造型、脱箱造型、刮板造型、 地坑造型 。 手工造型操作技术要求高，劳动强度大，生产 效率低，造型质量不稳定，在单件、小批生产特别 是大型复杂铸件的生产中仍有应用。
2．铸钢 铸钢的铸造性能差 流动性差，易产生冷隔、浇不到、夹杂、气孔 等缺陷；收缩大，易产生缩孔、裂纹等缺陷
生产铸钢件常设置冒 口和冷铁，采用顺序凝固 原则，以免产生缩孔； 铸型应有较高的强度、 透气性和耐火性； 型腔表面应涂以耐火 涂料
3．铸造铝合金 铝硅合金的铸造性能好； 其它系列的铸造铝合金均流动性差，且收缩较 大，故铸造性能差；且易产生夹杂和气孔缺陷。 砂型铸造时一般设置冒口顺序凝固