第一章 铸造成形工艺理论基础
铸造工艺基础知识及理论
铸造工艺基础知识及理论目录一、基础概念 (2)1.1 铸造的定义与意义 (3)1.2 铸造工艺的种类与应用 (4)二、铸造材料 (6)三、铸造设备 (7)3.1 熔炼设备 (9)3.2 锻造设备 (10)3.3 后处理设备 (11)四、铸造工艺过程 (12)五、铸造工艺设计 (13)5.1 工艺方案的确定 (15)5.2 工艺参数的选择 (16)5.3 工艺文件的编制 (18)六、铸造质量与控制 (20)6.1 铸造缺陷的产生原因及防止措施 (22)6.2 铸造质量检测方法与标准 (23)七、铸造生产与环境 (24)7.1 铸造生产的环保要求 (26)7.2 环保设备的应用与管理 (27)八、现代铸造技术的发展趋势 (28)8.1 快速凝固与近净形铸造技术 (30)8.2 数字化与智能化铸造技术 (31)8.3 生物铸造与绿色铸造技术 (33)一、基础概念铸造工艺是指将熔炼好的液态金属浇入铸型，待其凝固后获得所需形状和性能的金属制品的过程。
它是制造业中非常重要的工艺之一，广泛应用于汽车、航空、建筑、电子等领域。
铸造工艺的基础知识主要包括液态金属的性质、铸型（即模具）的设计与制造、浇注系统、凝固过程以及后处理等。
这些知识是理解和掌握铸造工艺的基本前提。
液态金属的性质：液态金属在铸造过程中的流动性、填充能力、冷却速度等对其最终的产品质量有着决定性的影响。
了解液态金属的成分、温度、粘度等基本性质对于铸造工艺的设计和实践都是非常重要的。
铸型的设计与制造：铸型是形成金属制品形状和内部结构的重要工具。
铸型的设计需要考虑到金属液的流动性和凝固特性，以及制品的精度和表面质量要求。
铸型的制造也需要选用合适的材料，并经过精密加工才能达到设计要求。
浇注系统：浇注系统是连接铸型和液态金属的通道，包括浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道等部分。
合理的浇注系统设计可以确保金属液均匀地注入铸型，并有利于热量和气体的排出，从而提高制品的质量和生产效率。
铸造工艺学课件第一章
有机物燃烧，化合物分 解，产生大量气体，又 叫“发气区”，有可能 导致气孔。
图1-5 浇注后某一瞬间砂型水分的分布
I-完全烘干区；II-水分饱和凝聚区；III-水分不饱和凝聚区；
IV-正常区
铸造工艺学
第1章 金属与铸型的相互作用
3.湿分迁移导致铸型湿度与温度变化
干燥区厚度与铸件尺 寸，浇注温度、浇注后 时间有关；
铸造工艺学
第1章 金属与铸型的相互作用
图1-7 石英的同质异构变化
纵向转变为同类转变，即在同一类型晶型中，在高低温晶型
间发生的转变，这种转变不必断开和重新键合硅氧键，只需将
原来骨架上的硅氧四面体稍作扭动，作一些位移，即可完成。
这种转变需要的能量低，速度也较快，故称为快转变，又称位
移转变。
铸造工艺学
(2)吸附水 一般指黏土胶团中的外吸附层和扩散层中的水。它被吸 附在黏土质点表面上，而不进入晶格中，吸附水与黏土质点的结合不 像矿物组成水那样牢固。
(3)自由水 一般指远离黏土质点而机械混入的水。
铸造工艺学
第1章 金属与铸型的相互作用
黏土加热到100℃以上就失去全部自由水。随着水 分的去除，黏土质点相互靠近，出现收缩。
铸造工艺学
第1章 金属与铸型的相互作用
图1-6 硅氧四面体和β石英四面体的连接 (a)硅氧四面体 (b) β石英四面体的连接
铸造工艺学
第1章 金属与铸型的相互作用
图1-7 石英的同质异构变化
横向的转变为同级转变，即在不同类型晶型间发生转变， 这种转变必须使硅氧骨架中Si-O-Si键断开后重新键合，转变过 程需很大能量，速度也慢，又叫慢转变，亦称重建转变。
第1章 金属与铸型的相互作用
在浇注时，铸型被加热的时间较短，整个铸型的温度也
电子课件——机械制造工艺基础(第七版) 1第一章 铸造
1 §1—1 概述 2 §1—2 砂型铸造 3 §1—3 特种铸造及铸造新技术
第一章 铸造
§1—1 铸造基础
一、 铸造及其分类
将熔融金属浇注、压射或吸入铸型型 腔中，凝固后获得具有一定形状、尺寸 和性能的毛坯或零件
砂型铸造
铸 造
特种铸造
熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 离心铸造
§第1一—章1 铸铸造造基础
整模两箱造型
§第1—一2章 砂型铸铸造造
模样分成两 部分，分别 制造上型和 下型，型腔 则位于上型 和下型之间
分模两箱造型
§第1—一2章 砂型铸铸造造
2）脱箱造型 在可脱砂箱内造型，合型后浇注前脱去砂箱
§第1—一2章 砂型铸铸造造
3）挖沙造型 下型分型面挖成不平分型面（曲面、非平面）
§第1—一2章 砂型铸铸造造
气动微振压实造型机紧砂
§第1—一2章 砂型铸铸造造
3．造芯
制造型芯的过程称为造芯
手工造芯 机器造芯
芯盒造芯
§第1—一2章 砂型铸铸造造
4．合型
又称合箱，是将铸型的各个组元 组合成一个完整铸型的操作过程
5．熔炼
熔炼是使金属由固态转变为熔融状态的过程
§第1—一2章 砂型铸铸造造
6．浇注
（1）浇注工具
4．铸造圆角
相邻两表面的过渡圆角
§第1—一2章 砂型铸铸造造
5．芯头
在模样上：芯头是模样的凸出部分 在型芯上：芯头是型芯的外伸部分
§第1—一2章 砂型铸铸造造
6．浇注系统
（1）外浇口 （2）直浇道 （3）横浇道 （4）内浇道
7．冒口
§第1—一2章 砂型铸铸造造
三、砂型铸造的工艺过程
1．混砂
机械制造工艺基础课件第一章铸造
2．制造模样与芯盒的注意要点
（1）分型面——铸型组元间的接合面。
1—上型
2—分型面 3—型芯
4—支座型腔
5—芯头 6—下型
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（2）收缩余量——为了补偿铸件收缩，模样比铸件图样尺 寸增大的数值。
（3）加工余量——为保证铸件加工面尺寸和零件精度， 在铸造工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚 度。
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（4）起模斜度——为使模样容易从铸型中取出或型芯从芯盒
中脱出，在模样或芯盒上平行于起模方向所设的斜度。
一般α=0.5 ° ～3°
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（5）铸造圆角——制造模样时，凡相邻两表面的交角，都 应做成圆角。
铸造圆角（r为铸造圆角半径）
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握包
抬包
吊包
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2．浇注温度与浇注速度
浇注温度（℃）——金属熔液浇入铸型时所测量到的温度 。
浇注速度（kg/s）——单位时间内浇入铸型中的金属熔液质量
。
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二、落砂和清理
四、 造芯 五、浇注系统及冒口 六、合型
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一、砂型和造型材料
1. 造型材料 2. 型砂和芯砂 3. 砂型
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1．造型材料
造型材料——制造砂型和砂芯的材料。 1砂 2 黏土
3 黏结剂 4 附加物
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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。
第一章 铸造工艺基础
第一章铸造工艺基础1、为什么铸造是毛坯生产中的方法？试从铸造的特点并结合实例分析之。
答：铸造适用于形状复杂，特别是有复杂内腔的毛坯件；适用范围广，成本低。
机床床身、汽车发动机曲轴等。
2、什么是液态合金的充型能力？它与合金的流动性有何关系？不同成分的合金为何流动性不同？答：液态合金充满铸型型腔，获得形状准确、轮廓清晰铸件的能力称之为液态合金的充型能力；合金流动性越好充型能力越强；影响合金流动性的因素有很多，化学成分的影响最为显著。
3、某定型生产的厚铸铁件，投产以来质量基本稳定，但是近一段时间浇不到和冷隔缺陷突然增加，试分析其原因答：材料化学成分发生变化，结晶范围变宽，导致流动性变差；浇注温度即充型压力变小也会导致充型压力变小；铸型材料导热太快或铸型温度较低，使的液态合金温度降低较快；铸型排气不畅或天气因素导致温度降低。
4、既然提高浇注温度可以改变充型能力，那为什么又要防止浇注温度过高？答：因为浇注温度过高，铸件容易形成缩孔、缩松、粘沙、析出性气孔、粗晶等缺陷，故保证充型能力适合前提下，温度不宜过高。
5、缩孔和缩松有何不同？为什么缩孔比缩松较容易防止？答：缩孔是指集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞；缩松是指分散在某区域内的细小缩孔。
缩孔是铸件最后凝固部位容积较大的孔洞，采用顺序凝固加冒口的方法就可以防止，但缩松是分散在铸件没区域内的细小缩孔，分部面积很大，所以不好防止。
6、什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需要采取什么措施实现？上述两种凝固原则适用场合有什么不同？答：顺序凝固原则同时凝固原则定义在铸件上可能出现缩孔的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位先凝固；然后靠近冒口的部位凝固；最后才是冒口本身的凝固。
尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀的冷却措施实现加冒口安防冷铁使用场合的不同之处这两种凝固方式适合于收缩率较小的灰铁件铸造。
铁水在砂型里面凝固的时候，顺序凝固一般都是薄壁部分先凝固，厚壁的部分后凝固，也就是铸件壁厚凝固冷却速度有差异；而同时凝固指的是铸件所有壁厚凝固冷却速度温差较小，一般会在热节部位采用冷铁激冷的方式，迫使热节部位快速凝固，这种凝固方式适合于薄壁、壁厚较均匀的铸件。
2-1铸造工艺基础-1.2充型.收缩1
液态金属的流动性
流动性定义： 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。 流动性不好：不能充满型腔，铸件易产生浇不到、冷
隔、气孔、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。
冷隔
浇不足
气孔
液态合金的流动性通常以“螺旋形试样”长度来衡 量。
机械学院金工教研室
课程考核方式及成绩评定方法
开课学时：48（理论44，实验4） 成绩构成：
卷面成绩60%：期末考试成绩×0.6；
实验成绩5%：实验室成绩（满分10分）/2；
作业成绩20%：共提交4次作业，每次5分，每次 作业打错1处扣1分，扣完5分为止；
平时成绩5%：缺席1次扣0.5分，扣完5分为止；
体收缩率：
线收缩率：
V0 V1 V 100% V (t0 t1 ) 100% V0
l0 l1 L 100% l (t0 t1 ) 100% l1
V0，V1——金属在 t0 和 t1 时的体积，m3； l0，l1——金属在 t0 和 t1 时的长度，m；
课程大作业10%：课程结束后提交大作业，满分 10分，答错一处扣1分，扣完10分为止。
机器生产过程：原材料——毛坯——零件——机器
机器制造方法： • 原材料选取择与改性（热处理）； • 毛坯成形（铸、锻、焊等）； • 零件成形（切削加工等）与装配。
主要教学内容
•
各种毛坯制造方法的生产原理、特点和应用
落砂后热应力仍存在与铸件之中，属于残余应力。
粗杆：拉应力
细杆：压应力
铸件热应力的产生
分析下列铸件内的纵向残余应力
厚壁筋板内拉伸应力 薄壁筋板内压缩应力
铸造理论基础
33
§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
15
§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。