第五章铸造工艺基础.docx

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第五章铸造工艺基础

第五章铸造

第二篇铸造工艺基础

教学内容

合金的铸造性能、流动性、收缩性、偏析性；铸件的常见缺陷分析及防止；常见合金铸件的生产；砂型铸造工艺基础；几种典型的特种铸造工艺方法；铸件结构与铸造工艺及合金铸造性能的关系。

目的与要求

要求了解合金流动性和收缩的概念、影响因素及其对铸件质量的影响，为铸件设计，选材和制订铸造工艺提供理论基础。

常用合金铸件的生产，要求了解灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、铸钢、铜、铝及其合金铸件的生产特点。

砂型铸造要求掌握制定铸造工艺图的基本原则，主要工艺参数的选择原则，分析典型铸件图例，并为今后解决实际问题打好基础。

掌握铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。

特种铸造重点了解金属型铸造、熔模铸造、压力铸造和离心铸造基本知识。

‘第一节液态合金的充型

充型：

液态合金填充铸型的过程。

充型能力：

液态金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰健全的铸件的能力。

影响充型能力的主要因素是合金的流动性、浇注条件、铸型填充条件和铸件结构。

一、合金的流动性

1．流动性的概念

流动性：

液态态合金本身的流动能力。

流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件。

流动性好，有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮，排除。

流动性好，易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩。

2.流动性的测定方法

以螺旋形试件的长度来测定：

如图5-1

影响合金流动性的因素:

合金成分

结金温度范围

浇注温度

充型压力

图5—3所示为铁碳合金的流动性与含碳量的关系。

由图可见，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶间隔减小，流动性提高。

愈接近共晶成分，愈容易铸造。

二、浇注条件

浇注温度浇注温度对合金的充型能力有着决定性影响。

浇注温度愈高，液态金属所含的热量较多，粘度下降，在相同的冷却条件下，合金在铸型中保持流动的时间长。

但是，浇注温度过高会使金属液体的吸气量和总收缩量增大，铸件容易生产气孔、缩孔、缩松、粘砂、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度不易过高。

对于形状复杂的薄壁铸件，为避免产生冷隔和浇不足等缺陷，浇注温度以略高些为宜。

例如灰铸铁的浇注温度为1200～1380℃，铸钢为1520～1620℃，铝合金为680～780℃。

充型压力液态合金在流动方向上所受的压力愈大，充型能力愈好。

砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力取得的，故直浇道的高度必须适当。

在压力铸造、低压铸造和离心铸造时，金属液是在外力作用下充满铸型型腔的，所以充型能力较强。

三、铸型填充条件

1.铸型的蓄热能力

2．铸型温度

3．铸型中的气体

四、铸件结构

当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化或有较大水平面等结构时，都使液态合金的充型能力降低。

因此设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值。

有的铸件需设计工艺孔或流动通道，如图5—4所示的壳体铸件，在大平面上增设肋条有利于金属液充满铸型型腔，并可防止夹砂缺陷的产生。

第二节铸件的凝固与收缩

凝固：

液态金属的温度降低到液相线至固相线温度范围时，合金就从液态向固态转变。

这种由液态向固态转化的过程称为凝固。

一、铸件的凝固方式及其与铸件质量的关系

在合金的凝固过程中，铸件截面上液相和固相同时并存的区域叫做“凝固区域”。

凝固区域的宽窄对铸件质量有很大的影响。

而铸件的凝固方式就是依据凝固区域的宽窄如图5—5（b）中S来划分的。

1．逐层凝固如图5—5（a）

2．糊状凝固如图5—5（c）。

3.中间凝固如图5—5（b）

在常用合金中，灰铸铁、铝硅合金等倾向于逐层凝固，易于获得紧实铸件；球墨铸铁、锡青铜、铝铜合金等倾向于糊状凝固，为获得紧实铸件常需采用适当的工艺措施，以便补缩或减小其凝固区域。

二、铸造合金的收缩

收缩铸造合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。

收缩是合金的物理本性。

合金的收缩可分为3个阶段。

各阶段的收缩特性不同，因而对铸件质量有不同的影响．

1．液态收缩指合金从浇注温度冷却到液相线温度（即凝固开始温度）过程中的收缩。

2．凝固收缩指合金在液相线和固相线（即凝固终止温度）之间的收缩。

3．固态收缩指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。

所以，合金的总收缩率为上述3种收缩的总和。

合金种类不同，其收缩率是不同的。

在常用的铸造合金中铸钢件收缩最大，灰铸铁最小，这是由于灰铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的，石墨比容大，在结晶过程中析出石墨所产生的体积膨胀，抵消了部分收缩。

表5—2所示为几种铁碳合金的体积收缩率。

表5—3为几种铸造合金的线收缩率。

在制作铸件模样时要考虑合金的线收缩率。

第三节铸造缺陷分析

一、铸件中的缩孔和缩松

1.缩孔它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。

缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显的凹坑。

为便于分析缩孔的形成，现假设铸件呈逐层凝固，其形成过程如图5—6所示。

缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，如壁的上部或中心处。

此外，铸件两壁相交处因金属积聚凝固较晚，也易产生缩孔，此处称为热节。

热节位置可用画内接圆方法确定，如图5—7所示。

铸件上壁厚较大及内浇口附近都属热节部位。

缩松分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。

当缩松与缩孔的容积相同时，缩松的分布面积要比缩孔大得多。

缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足，或是因合金是糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。

缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。

宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的小孔洞，多分布在铸件中心轴线区域、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如图5—8所示。

显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞，要用显微镜才能观察出来，这种缩松的分布更为广泛，有时遍及整个截面。

显微缩松难以完全避免，对于一般铸件多不作为缺陷处理，但对气密性、力学性能、物理性能和化学性能要求很高的铸件，则必须设法减少。

3.缩孔和缩松的防止

（1）按照顺序凝固原则进行凝固

所谓顺序凝固即定向凝固，就是在铸件可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固（图5-9中Ⅰ），而后是靠近冒口部位凝固（图5-9中Ⅱ，Ⅲ），最后才是冒口本身凝固。

顺序凝固和逐层凝固是两个不同的概念。

逐层凝固是指铸件某断面上的凝固方式，即表层先凝固，然后一层一层向铸件心部长厚。

由于逐层凝固时，铸件心部保持液态时间长，冒口的补缩通道易于保持畅通，故能充分发挥补缩效果。

顺序凝固原则适用于收缩大或壁厚差别较大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁和可锻铸铁等。

冒口补缩作用好，铸件致密度高。

缺点是铸件各部分温差较大，冷却速度不一致，易产生铸造内应力、变形及裂纹等缺陷；冒口消耗金属多、切割费事。

（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺

内浇道的引入位置对铸件各部分的温度分布有明显影响，应按照顺序凝固原则确定。

例如，内浇道应从铸件厚实处引入，尽可能靠近冒口或由冒口引入。

（3）合理利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施

①冒口在铸件厚壁和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施，冒口的尺寸应保证有足够的金属液供给铸件的补缩部位。

冒口的形状应采用圆柱形，因其散热表面积较小，补缩效果良好，取模方便。

冒口种类很多，应用最多的为顶冒口和侧冒口（图5—10）。

冒口的有效补缩距离：

口能补缩的最大距离称有效补缩距离L。

图5—1l（a）所示铸钢平板，当冒口尺寸足够大时（D≥3T，T为板厚，H／D＝，胃口的有效补缩距离L＝。

当铸件长度超出冒口的有效补缩距离时，在平板中部会出现轴线缩松如图5—11（b）。

②冷铁用金属材料（铸铁、钢和铜等）制成的激冷物称为冷铁。

其作用是在铸型中加大铸件某部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序。

如图5—10所示，冷铁与冒口配合使用，可扩大冒口的有效补缩距离。

③补贴对于壁厚均匀的薄壁件，只用增加冒口直径和高度的办法来增加冒口的有效补缩距离，效果往往不显著，其内部仍然产生缩孔和缩松现象如图5—12（a）。

若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度，造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，这样就可大大增加冒口的有效补缩距离，消除缩孔。

所增加的楔形部分，称为补贴如图5—12（b）。

冒口、补贴和冷铁的综合运用是消除缩孔、缩松的有效措施。

二、铸造内应力、变形和裂纹

1.铸造内应力

铸件固态收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造内应力。

铸造内应力按其产生的原因，可分为热应力和机械应力两种。

（1）热应力它是由于铸件壁厚不均匀、各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。

落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造内应力。

现以框形铸件为例，说明残留热应力的形成过程。

如图5—13（b）所示，

（2）机械应力铸件的固态收缩（即线收缩）受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或箱挡等的

阻碍而产生的内应力（也称收缩应力）。

如图5—14所示。

（3）铸造内应力的防止

①设计铸件时尽量使其壁厚均匀，形状对称、减小热节；尽量避免牵制收缩结构，使铸件各部分能自由收缩。

②设计铸件的浇注系统时，应采取“同时凝固”的原则。

如图5-15

③造型工艺上，采取相应措施减小铸造内应力，如改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇口、胃口等。

④减少铸型与铸件的温度差。

例如，在金属型铸造和熔模铸造时对铸型预热，可有效地减少铸件的热应力。

⑤去应力退火。

2．铸件的变形与防止

如前所述，当铸件的残留应力以热应力为主时，铸件中冷却较慢的部分有残留拉应力，冷却较快的部分有残留压应力。

处于这种不稳定状态的铸件，将自发地通过一定的变形来减缓其内应力，以趋于稳定状态。

显然，只有原来受拉应力的部分产生压缩变形、受压应力的部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余内应力减少或消除。

图5—16所示为车床床身由热应力导致的挠曲变形示意图．其导轨部分因较厚受拉应力而缩短，床壁部分因较薄受压应力而伸长。

于是产生导轨面下凹的变形现象。

有的铸件虽无明显变形，但经切削加工后，破坏了铸造应力的平衡，又产生微量变形甚至裂纹。

如图5—17（a）所示圆柱体铸件，由于心部冷却比表层慢，结果心部产生拉应力，表层产生压应力。

于是心部总是力图变短，外层总是力图变长。

当外表面被加工掉一层后，心部所受拉应力减小，铸件变短如图5—17（b）。

当在心部钻孔后，表层所受压应力减小，铸件变长如图5—17（c）。

若从侧面切去一层，则会产生图5—17（d）所示的弯曲变形。

时效处理分自然时效和人工时效两种。

自然时效是将有残留应力的铸件放置露天场地，经数月至半年以上，使其内应力慢慢自然释放。

人工时效是将铸件加热到550～650℃进行去应力退火，它比自然时效速度快、内应力去除较彻底，故应用广泛。

时效处理宜在粗加工之后进行，这样既有利于原有内应力的消除，又可将粗加工过程中所产生的内应力一并消除。

3．铸件的裂纹与防止

当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件将产生裂纹。

裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。

按裂纹形成的温度范围可分热裂和冷裂两种。

（1）热裂热裂是铸件在高温下产生的裂纹。

其裂纹特征是：

裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内有氧化色。

试验证明，热裂是在合金凝固末期的高温下形成的。

因为合金的线收缩并不是在完全凝固后开始的，而是在田5-18所示

钢铁中的硫、磷含量较多时，形成低熔点的共晶体，扩大了结晶温度范围，降低了钢的高温强度，故含量愈多、热裂倾向愈严重。

（2）冷裂冷裂是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。

其形状特征是：

裂纹细小，呈连续直线状，具有金属光泽或呈轻微氧化色。

为防止铸件冷裂，除应设法减小铸造内应力外，还应控制钢、铁的含磷量。

三、铸件中的气孔

根据气体的来源，可将气孔分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔3种类型。

1．侵入气孔

侵入气孔是由于砂型表面聚集的气体侵人金属液中而形成的气孔。

侵入气孔的特征是：

多位于铸件上表面附近，尺寸较大，呈梨形或椭圆形，孔的内表面被氧化。

侵入性气体主要来自造型材料中的水分、粘结剂和各种附加物。

水不仅发气量大，且发气的临界温度最低。

侵入气孔的形成过程，当金属液浇入铸型后，型壁表层的水分迅速汽化、并向型壁里层δ处迁移（图5—19）

预防侵入气孔的基本途径是降低型砂（芯砂）的发气量和增加铸型的排气能力。

2．析出气孔

溶解于金属液中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出，铸件因此而形成的气孔称为析出气孔。

析出气孔的特征是：

尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，有时遍及整个铸件截面．

金属所以吸收气体是由于金属在熔化和浇注过程中很难与气体隔离，一些双原子气体（如H2\N2、O2等）可从炉料、炉气等进入金属液中。

其中，氢因不与金属形成化合物，原子直径较小，故较易溶解于金属。

合金的吸气性随温度升高而加大。

如图5—20所示。

预防析出性气孔的基本途径是：

尽量减少金属液在熔化过程中的吸气量；对已溶于金属液中的气体采取驱气处理等方法。

3．反应气孔

浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间，固化学反应产生气体而形成的气孔称为反应气孔。

例如图5-21

第四节铸件的质量控制

铸件缺陷种类繁多，名称也不尽统一。

表5—4列出了铸件缺陷名称及分类。

铸件缺陷的产生不仅来源于不合理的铸造工艺，还与造型材料、模具、合金的熔炼和浇注等各个环节密切相关。

此外，铸造合金的选择、铸件结构工艺性、技术要求的制订等设计因素是否合理，对于是否易于获得健全铸件也具有重要影响。

就一般机械设计和制造人员而言，控制铸件质量应从以几方面来考虑。

1．合理选定铸造合金和铸件结构在进行设计选材时，在能保证铸件使用要求的前提下，应尽量选用铸造性能好的合金。

同时，还应结合合金铸造性能的要求，合理设计铸件结构。

2．合理制订铸件的技术要求具有缺陷的铸件并不都是废品，若其缺陷不影响铸件的使用要求，可视为合格铸件。

在合格铸件中，其缺陷允许存在的程度，一般应在零件图或有关技术文件中做出具体规定，作为铸件质量检验的依据。

应该注意的是，对铸件的质量要求必须合理。

若要求过低，将导致产品质量低劣；若要求过高，则导致铸件废品率的增加和铸件成本的提高。

3．模样质量检验若模样（模板）、型芯盒不合格，可造成铸件形状或尺寸不合格等缺陷。

4．铸件质量检验它是控制铸件质量的重要措施。

生产中检验铸件的目的是依据铸件缺陷的存在程度，确定和分辨合格铸件、待修补铸件及废品。

检验铸件质量最常用的是宏观法。

它是通过肉眼观察（或借助尖嘴锤）找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、夹砂、粘砂、缩孔、浇不足、冷隔、尺寸误差等。

对于铸件内部缺陷则要通过一定的仪器才能发现，如进行耐压试验、磁力探伤、超声波探伤、X射线探伤等。

此外，若有必要还可对铸件（或试样）进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分分析等。

5．铸件热处理时效处理，软化处理。

如为保证力学性能，对铸钢件、球墨铸铁件进行退火或正火处理等。

思考和练习题

1．为什么铸造是毛坯生产中的重要方法?

试说明铸造成形特点及其存在的主要问题。

2．简要说明液态合金的充型能力与合金流动性之间的关系。

不同化学成分的合金为何流

动性不同?

为什么铸钢的充型能力比铸铁差?

3．什么叫合金的流动性?

影响合金流动性的因素有哪些?

流动性不足时铸件易产生哪些

缺陷?

4．为什么尽量选择共晶成分或结晶间隔窄的合金作为铸造合金?

5.既然提高浇注温度可提高合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高?

怎样理解“高温出炉低温浇注”?

6．铸件的凝固方式依照什么划分?

哪些合金倾向于逐层凝固?

7．铸件缩孔和缩松产生的原因是什么?

防止产生缩孔的主要工艺措施有哪些?

8．什么是“顺序凝固原则”和“同时凝固原则”?

各需要采取什么措施才能实现?

各适用哪些铸造合金?

9．按内应力的产生原因，铸造应力有哪几种?

什么是热应力?

什么是机械应力?

10．试分析下图轨道铸件热应力形成的原因，各部分应力属什么性质（拉应力、压应力）?

并用虚线表示铸件的变形方向。

11．什么是铸件的热裂和冷裂?

它们各在什么条件下产生?

各有何特征?

12．从铸件结构和铸造工艺两方面考虑，如何防止铸件产生铸造应力、变形和裂纹?

13．为什么要规定铸件的最小壁厚值?

14．铸件的气孔有哪几种?

析出性气孔的产生原因是什么?

下列情况各容易产生哪种类型的气孔：

化铝时铝料油污过多，起模时刷水过多；椿砂过紧；型芯撑或冷铁有锈蚀。

15．如果你在某专业厂科室从事技术工作，该厂没有铸造车间，所需的模样和铸件全部依靠外厂协作加工，那么你该从哪些方面来抓铸件质量?

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