第一章 鑄造成形工藝?yán)碚摶A(chǔ)(李)

1、 主編 華中科技大學(xué) 沈其文 主講 制造教研室 李春燕 學(xué)時(shí) 32 Fundamental of Materials Forming q 材料科學(xué)與工程的四大要素材料科學(xué)與工程的四大要素 合 成 加 工 組 織 結(jié) 構(gòu) 材料科學(xué) 與工程 性 能 使用 效 能 q 材料科學(xué)與工程的多學(xué)科化材料科學(xué)與工程的多學(xué)科化 q 材料科學(xué)與材料工程的差異材料科學(xué)與材料工程的差異 是一個(gè)是一個(gè)，不可分割；它們，不可分割；它們 之間的差異主要表現(xiàn)在學(xué)科的之間的差異主要表現(xiàn)在學(xué)科的。 發(fā)現(xiàn)和揭示四個(gè)要素之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)和揭示四個(gè)要素之間的關(guān)系， 提出新概念、新理論。提出新概念、新理論。 尋求新手段實(shí)現(xiàn)新材料的設(shè)計(jì)

2、思想尋求新手段實(shí)現(xiàn)新材料的設(shè)計(jì)思想 并使之投入應(yīng)用，二者相輔相成。并使之投入應(yīng)用，二者相輔相成。 v 尼龍纖維的研制：尼龍纖維的研制： 1928年杜邦公司年杜邦公司 開(kāi)始研究天然尼龍開(kāi)始研究天然尼龍 Carother等成功合等成功合 成聚酯等高分子成聚酯等高分子 物理化學(xué)家發(fā)現(xiàn)聚物理化學(xué)家發(fā)現(xiàn)聚 酯能夠冷拉絲成形酯能夠冷拉絲成形 利用利用X射線發(fā)現(xiàn)拉射線發(fā)現(xiàn)拉 伸纖維強(qiáng)度源于高伸纖維強(qiáng)度源于高 分子鏈的高度取向分子鏈的高度取向 Carother等提出熔等提出熔 融紡纖的新概念融紡纖的新概念 工程技術(shù)人員發(fā)明工程技術(shù)人員發(fā)明 尼龍熔融紡纖技術(shù)尼龍熔融紡纖技術(shù) 小分子流體力學(xué)不小分子流體力學(xué)不 使

3、用于高分子物質(zhì)使用于高分子物質(zhì) 紡纖設(shè)備的要求紡纖設(shè)備的要求 銅容器腐蝕造成尼銅容器腐蝕造成尼 龍熔體顏色污染龍熔體顏色污染 1938年首批合成尼年首批合成尼 龍纖維產(chǎn)品問(wèn)世龍纖維產(chǎn)品問(wèn)世 材料材料 科學(xué)科學(xué) 材料材料 科學(xué)科學(xué) 材料材料 科學(xué)科學(xué) 材料材料 工程工程 材料材料 工程工程 材料材料 工程工程 材料材料 科學(xué)科學(xué) 材料材料 工程工程 q材料工程所涉及的三大制備技術(shù)材料工程所涉及的三大制備技術(shù) 根據(jù)所需材料的性能、結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行根據(jù)所需材料的性能、結(jié)構(gòu)要求，進(jìn)行材料的提純凈材料的提純凈 化、原料化、原料( (成分成分) )配制和合成或合配制和合成或合金化金化的過(guò)程是材料制備的過(guò)程是

4、材料制備 工程的首要環(huán)節(jié)。工程的首要環(huán)節(jié)。 熔融凝固制備技術(shù)熔融凝固制備技術(shù) 原材料原材料 熔融熔融 精煉精煉 凝凝 固固坯坯 料料 常用常用于金屬、無(wú)機(jī)非金屬化合物、半導(dǎo)體材料坯錠和于金屬、無(wú)機(jī)非金屬化合物、半導(dǎo)體材料坯錠和 玻璃制品的制備。玻璃制品的制備。 粉末冶金制備技術(shù)粉末冶金制備技術(shù) 原料原料 粉末粉末 壓壓 制制燒燒 結(jié)結(jié)混混 合合 這是陶瓷材料、水泥以及硬質(zhì)合金以及鐵基合金等材這是陶瓷材料、水泥以及硬質(zhì)合金以及鐵基合金等材 料的主要成材途徑。料的主要成材途徑。 單體聚合制備技術(shù)單體聚合制備技術(shù) 這是高分子材料的典型的制備技術(shù)。這是高分子材料的典型的制備技術(shù)。 天然氣天然氣 聚聚

5、合合聚合物聚合物 單單 體體 煤炭煤炭 石油石油 q材料工程的加工成形技術(shù)材料工程的加工成形技術(shù) 通過(guò)上述三種材料制備技術(shù)得到的材料，大多數(shù)不是通過(guò)上述三種材料制備技術(shù)得到的材料，大多數(shù)不是 材料的最終產(chǎn)品，需要進(jìn)一步的后續(xù)加工處理。材料的最終產(chǎn)品，需要進(jìn)一步的后續(xù)加工處理。 玻璃材料有它的特殊性，從原材料配制、熔化，到熔玻璃材料有它的特殊性，從原材料配制、熔化，到熔 體快冷成形為制品，必須一步完成。體快冷成形為制品，必須一步完成。 材料的常規(guī)加工技術(shù)主要有鍛造、沖壓、軋制、擠壓、材料的常規(guī)加工技術(shù)主要有鍛造、沖壓、軋制、擠壓、 拉拔、焊接以及注射成形等。拉拔、焊接以及注射成形等。 課程的主要

6、目的課程的主要目的 材料成形工藝基礎(chǔ)材料成形工藝基礎(chǔ)是機(jī)械類(lèi)或近機(jī)械類(lèi)專(zhuān)是機(jī)械類(lèi)或近機(jī)械類(lèi)專(zhuān) 業(yè)的一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)本課程的主要目的是業(yè)的一門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)本課程的主要目的是 使學(xué)生比較全面系統(tǒng)的獲得機(jī)械制造中鑄造、壓使學(xué)生比較全面系統(tǒng)的獲得機(jī)械制造中鑄造、壓 力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡膠、陶瓷以力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡膠、陶瓷以 及有關(guān)模具設(shè)計(jì)、加工、制造方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。及有關(guān)模具設(shè)計(jì)、加工、制造方面的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。 其主要任務(wù)是介紹以下內(nèi)容：其主要任務(wù)是介紹以下內(nèi)容： 1 1）制定鑄造過(guò)程圖，了解合金的熔煉與澆注過(guò)）制定鑄造過(guò)程圖，了解合金的熔煉與澆注過(guò) 程的基本知識(shí)以及砂型

7、鑄造、特種鑄造等；程的基本知識(shí)以及砂型鑄造、特種鑄造等； 2 2）制定鍛造過(guò)程圖，了解材料塑性變形基本規(guī)）制定鍛造過(guò)程圖，了解材料塑性變形基本規(guī) 律；了解粉末成形、塑料、橡膠、陶瓷成型過(guò)程律；了解粉末成形、塑料、橡膠、陶瓷成型過(guò)程 和板料沖壓成形過(guò)程；和板料沖壓成形過(guò)程； 3 3）了解常用金屬材料焊接過(guò)程基本知識(shí)；）了解常用金屬材料焊接過(guò)程基本知識(shí)； 材料與人類(lèi)文明材料與人類(lèi)文明 人類(lèi)的文明進(jìn)程是人類(lèi)的文明進(jìn)程是 依據(jù)什么而劃分的？依據(jù)什么而劃分的？ 材料應(yīng)用的發(fā)展是人類(lèi)發(fā)材料應(yīng)用的發(fā)展是人類(lèi)發(fā) 展的里程碑展的里程碑： 石器時(shí)代、 銅器時(shí)代、鐵 器時(shí)代。 發(fā)展得越 來(lái)越快。 歷歷 史史 中國(guó)古

8、代三大鑄造技術(shù)中國(guó)古代三大鑄造技術(shù) 在我國(guó)古代金屬加工工藝中，鑄造占著突出的地位， 具有廣泛的社會(huì)影響，像“模范”、“陶冶”、“熔 鑄”、“就范”等習(xí)語(yǔ)，就是沿用了鑄造業(yè)的術(shù)語(yǔ)。勞 動(dòng)人民通過(guò)世代相傳的長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐，創(chuàng)造了具有我國(guó) 民族特色的傳統(tǒng)鑄造工藝。其中特別是泥范、鐵范和熔 模鑄造最重要，稱(chēng)古代三大鑄造技術(shù)。 泥范鑄造我國(guó)自新石器晚期，就進(jìn)入銅石并用時(shí) 代。河北唐山等地出土的早期銅器，有鍛打成形的，也 有熔鑄成形的，說(shuō)明范鑄技術(shù)在我國(guó)源遠(yuǎn)流長(zhǎng)，很早就 發(fā)展起來(lái)。 熔模鑄造傳統(tǒng)的熔模鑄造一般稱(chēng)失蠟、出蠟或捏 蠟、撥蠟。它和用來(lái)制造汽輪機(jī)葉片、銑刀等精密鑄件 的現(xiàn)代熔模鑄造，無(wú)論在所用蠟料、

9、制模、造型材料、 工藝方法等方面，都有很大不同。但是，它們的工藝原 理是一致的，并且現(xiàn)代的熔模鑄造是從傳統(tǒng)的熔模鑄造 發(fā)展而來(lái)的。 金屬型鑄造鑄型材料從石和泥、砂改用金屬，從 一次型經(jīng)多次型又改進(jìn)成為耐用性更高的所謂“永久” 型（金屬型），在鑄造技術(shù)的歷史發(fā)展上具有重要的意 義。1953年河北興隆鐵范的發(fā)現(xiàn)，證明我國(guó)早在戰(zhàn)國(guó)時(shí) 期已經(jīng)用白口鐵的金屬型澆注生鐵鑄件。這批鐵范包括 鋤、鐮、斧、鑿、車(chē)具等類(lèi)共87件，大部完整配套。其 中，鐮和鑿是一范兩件，鋤和斧還采用了金屬芯。它們 的結(jié)構(gòu)十分緊湊，頗具特色。范的形狀和鑄件相吻合， 使壁厚均勻，利于散熱：范壁帶有把手，以便握持，又 能增加范的剛度?？?/p>

10、以說(shuō)是創(chuàng)造了一種中國(guó)風(fēng)格的金屬 型，并且在那個(gè)時(shí)候已經(jīng)大體定型了。近年來(lái)，在河南 南陽(yáng)、鄭州、鎮(zhèn)平和河北滿(mǎn)城、山東萊蕪等地又陸續(xù)出 土漢代鐵范許多件，品種比戰(zhàn)國(guó)時(shí)期顯著增多，型式卻 基本相同。河南泥池漢魏鐵器窖藏中還有鑄造成形鐵板 和矢鏃的鐵范以及長(zhǎng)達(dá)半米的大型鐵犁范。 4,500 BC1,000 BC 青銅時(shí)代（青銅時(shí)代（Bronze Age） 從礦石中提煉銅冶金 業(yè)的黎明 這張埃及古墓壁畫(huà)是這張埃及古墓壁畫(huà)是 人類(lèi)冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一人類(lèi)冶金業(yè)的最早紀(jì)錄之一 青銅，古稱(chēng)金或吉金，是紅 銅與其它化學(xué)元素（錫、鎳、 鉛、磷等）的合金。 史學(xué)上所稱(chēng)的“青銅時(shí)代” 是指大量使用青銅工具及青 銅禮器

11、的時(shí)期。保守的估計(jì)， 這一時(shí)期主要從夏商周直至 秦漢，時(shí)間跨度約為兩千年 左右，這也是青銅器從發(fā)展、 成熟乃至鼎盛的輝煌期。 到春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，齊國(guó)工匠 總結(jié)科技經(jīng)驗(yàn)寫(xiě)成的考工考工 記記一書(shū)中，提出了金有 六齊，這是世界科技史上 最早的冶銅經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。 青銅：第一種合金青銅：第一種合金 夏鉞 戈 歷歷 史史 商代青銅商代青銅bronze 文化文化 商代青銅文化商代青銅文化 湖北江陵楚墓出土越王勾踐寶劍 歷歷 史史 三星堆三星堆 立人像鑄于商代晚期，人像 高172厘米，底座高90厘米， 通高262厘米，是世界上最 大的青銅立人像，被尊稱(chēng)為 “世界銅像之王”。 突目面具鑄于商代晚期，原 件高64.5厘

12、米，寬138厘米， 眼球柱狀外突長(zhǎng)達(dá)13.5厘米， 其造型在世界上亦屬首見(jiàn)。 歷歷 史史 銅鐘通高銅鐘通高6.756.75米，鐘米，鐘 壁厚度不等，最厚處壁厚度不等，最厚處 185185毫米，最薄處毫米，最薄處9494毫毫 米，重米，重w w約約4646噸。鐘體噸。鐘體 內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共 22.722.7萬(wàn)字。銅鐘合金萬(wàn)字。銅鐘合金 成分為：銅成分為：銅80.5480.54、 錫錫16.4016.40、鋁、鋁1.121.12， 為泥范鑄造。為泥范鑄造。 永樂(lè)大鐘永樂(lè)大鐘 歷歷 史史 中國(guó)古代鐵器中帶有球狀石墨的金相組織 湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤 ron Age（I）鐵時(shí) 器代

13、器代 歷歷 史史 現(xiàn)代鑄造 我國(guó)已成功地生產(chǎn)出了世界上最大的 軋鋼機(jī)機(jī)架鑄鋼件（重410t）和長(zhǎng)江 三峽電站巨型水輪機(jī)的特大型鑄件 大飛機(jī)、航空母艦。 第一章 鑄造成形工藝?yán)?論基礎(chǔ) 第一節(jié)第一節(jié) 鑄造成形工藝的特點(diǎn)和分類(lèi)鑄造成形工藝的特點(diǎn)和分類(lèi) 定義：所謂金屬液態(tài)成型，即鑄造，定義：所謂金屬液態(tài)成型，即鑄造，casting， 是將是將液態(tài)液態(tài)金屬金屬借助外力借助外力充填到充填到型腔型腔中，使其中，使其 凝固冷卻凝固冷卻而獲得所需而獲得所需形狀和尺寸形狀和尺寸的毛坯或零的毛坯或零 件的工藝。件的工藝。 注意注意2個(gè)過(guò)程：個(gè)過(guò)程： （1）充填型腔充填型腔； （2）凝固冷卻凝固冷卻 q 實(shí)質(zhì)：實(shí)質(zhì)

14、：液態(tài)金屬（或合金）充填鑄型型腔并在其中液態(tài)金屬（或合金）充填鑄型型腔并在其中 凝固和冷卻。凝固和冷卻。 砂型鑄造概略圖砂型鑄造概略圖 一、鑄造工藝特點(diǎn)一、鑄造工藝特點(diǎn) （1 1）適應(yīng)性廣適應(yīng)性廣。適應(yīng)鑄鐵，碳鋼，有色金屬等材料；鑄件大小，形。適應(yīng)鑄鐵，碳鋼，有色金屬等材料；鑄件大小，形 狀和重量幾乎不受限制；壁厚狀和重量幾乎不受限制；壁厚1 1mmmm到到1 1m m ，質(zhì)量零點(diǎn)幾克到數(shù)百?lài)崳ㄈ|(zhì)量零點(diǎn)幾克到數(shù)百?lài)崳ㄈ?峽的水輪機(jī)葉輪重達(dá)峽的水輪機(jī)葉輪重達(dá)430430T T）。）。 （2 2）可復(fù)雜成形可復(fù)雜成形。適合形狀復(fù)雜，尤其是有復(fù)雜內(nèi)腔的毛坯或零件。適合形狀復(fù)雜，尤其是有復(fù)雜內(nèi)腔的毛

15、坯或零件。 （3 3）成本較低成本較低?？芍苯永贸杀镜土膹U機(jī)件和切屑，設(shè)備費(fèi)用較?？芍苯永贸杀镜土膹U機(jī)件和切屑，設(shè)備費(fèi)用較 低；在金屬切削機(jī)床中，鑄件占機(jī)床總重量低；在金屬切削機(jī)床中，鑄件占機(jī)床總重量75%75%以上，而生產(chǎn)成本僅以上，而生產(chǎn)成本僅 占占15-30%15-30% （4 4）但也存在一些）但也存在一些不足不足，如組織缺陷，力學(xué)性能偏低，質(zhì)量不穩(wěn)定，如組織缺陷，力學(xué)性能偏低，質(zhì)量不穩(wěn)定， 工作環(huán)境較差。因此，鑄件多數(shù)做為毛坯用。組織疏松、晶粒粗大，工作環(huán)境較差。因此，鑄件多數(shù)做為毛坯用。組織疏松、晶粒粗大， 鑄件內(nèi)部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷產(chǎn)生，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能，特鑄件內(nèi)

16、部常有縮孔、縮松、氣孔等缺陷產(chǎn)生，導(dǎo)致鑄件力學(xué)性能，特 別是沖擊性能較低別是沖擊性能較低. .（發(fā)展了鑄鍛聯(lián)合工藝）（發(fā)展了鑄鍛聯(lián)合工藝） 污染環(huán)境。鑄造生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生粉塵、有害氣體和噪聲對(duì)環(huán)境的污染，比污染環(huán)境。鑄造生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生粉塵、有害氣體和噪聲對(duì)環(huán)境的污染，比 起其他機(jī)械制造工藝來(lái)更為嚴(yán)重，需要采取措施進(jìn)行控制。（特種鑄起其他機(jī)械制造工藝來(lái)更為嚴(yán)重，需要采取措施進(jìn)行控制。（特種鑄 造工藝）造工藝） 二、鑄件成形工藝分類(lèi)二、鑄件成形工藝分類(lèi) 按照形成鑄件的鑄型分可分為： 砂型鑄造、金屬型鑄造、熔模鑄造、殼型鑄造、 陶瓷型鑄造、消失模鑄造、磁型鑄造等。 鑄件的生產(chǎn)工藝方法按充型條件的不同，可 分為

17、： 重力鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等。 傳統(tǒng)上，將有別于砂型鑄造工藝的其他鑄造方 法統(tǒng)稱(chēng)為“特種鑄造”。 砂型鑄造應(yīng)用最為廣泛，世界各國(guó)用砂型鑄造 生產(chǎn)的鑄件占鑄件總產(chǎn)量的90以上。砂型鑄 造可分為手工造型和機(jī)器造型兩種，其工藝流 程如圖1所示。 工藝三大塊：冶煉，造型（芯）和澆工藝三大塊：冶煉，造型（芯）和澆注注 落砂落砂shakeout清理清理cleaning 鑄件檢驗(yàn)鑄件檢驗(yàn)入庫(kù)入庫(kù) 砂型砂型sand mould鑄造工藝流程圖鑄造工藝流程圖 凝固冷卻凝固冷卻 型砂型砂molding sand配制配制砂型干燥砂型干燥 工裝準(zhǔn)備工裝準(zhǔn)備爐料準(zhǔn)備爐料準(zhǔn)備合金冶煉合金冶煉 芯砂芯砂core san

18、d配制配制型芯干燥型芯干燥 砂型鑄造造型生產(chǎn)線動(dòng)畫(huà) 鑄件的質(zhì)量(品質(zhì))直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量 (品質(zhì))。提高鑄造生產(chǎn)工藝水平是機(jī)械產(chǎn)品更 新?lián)Q代、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)的重要保證，是機(jī)械工 業(yè)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、提高生產(chǎn)質(zhì)量(品質(zhì))和經(jīng)濟(jì) 效益、改變行業(yè)面貌的關(guān)鍵之一。 在材料成形工藝發(fā)展過(guò)程中，鑄造是歷史上最 悠久的一種工藝，在我國(guó)已有6000多年歷史了， 目前我國(guó)鑄件年產(chǎn)量已超過(guò)1000萬(wàn)t。由于歷史 原因，長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的鑄造生產(chǎn)處于較落后 狀態(tài)。與當(dāng)前世界工業(yè)化國(guó)家先進(jìn)水平相比， 我國(guó)的鑄造生產(chǎn)的差距不是表現(xiàn)在規(guī)模和產(chǎn)量 上，而是集中在質(zhì)量和效率上。國(guó)內(nèi)外鑄造生 產(chǎn)技術(shù)水平的比較見(jiàn)表1。 表表1 國(guó)

19、內(nèi)外鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平的比較國(guó)內(nèi)外鑄造生產(chǎn)技術(shù)水平的比較 比較項(xiàng)目國(guó) 外國(guó) 內(nèi) 尺寸精度汽缸體和汽缸蓋：一般為CT8CT9CT10，與國(guó)外差24級(jí) 表面粗糙度汽缸體和汽缸蓋：50m 使用壽命汽缸套為600010000h30006000h 鑄件廢品率美、英、法、日約為2%815% 耗能/噸鑄件360370kg標(biāo)準(zhǔn)煤(合格鑄件)650kg標(biāo)準(zhǔn)煤 勞動(dòng)生產(chǎn)率65t/人年8t/人年 熔煉技術(shù)富氧送風(fēng)，鐵水溫度15001400 造型工藝 廣泛采用流水線，采用高壓造型、射 壓造型、和氣沖造型 除汽車(chē)等行業(yè)中少數(shù)廠采用半自動(dòng)、 自動(dòng)化流水線外，多數(shù)廠普遍采用 40年代造型技術(shù) 鑄造工 藝裝備 造型機(jī)精度和精度

20、保持能力很高。造 型線精度可保持12年，設(shè)備綜合開(kāi) 工率80%，裝備全部標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、 商品化 精度低，精度保持能力差(半年)。 設(shè)備綜合開(kāi)工率50%。裝備標(biāo)準(zhǔn)化、 系列化、商品化程度很低 鑄造用 工藝材料 質(zhì)量很高，如日本硅砂都經(jīng)水洗，含 泥量小于0.2% 質(zhì)量很差，砂只作篩分，含泥量在 2%以上 第二節(jié)第二節(jié)合金的鑄造性能合金的鑄造性能 合金的鑄造性能合金的鑄造性能是指在鑄造過(guò)程中獲得尺寸精是指在鑄造過(guò)程中獲得尺寸精 確、結(jié)構(gòu)完整的鑄件的能力。確、結(jié)構(gòu)完整的鑄件的能力。 主要包括合金的流動(dòng)性、收縮性、吸氣性及其主要包括合金的流動(dòng)性、收縮性、吸氣性及其 成分偏析傾向性等性能。成分偏析傾向性

21、等性能。 一、合金的充型一、合金的充型 液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程簡(jiǎn)稱(chēng)充型；充型； 液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型，獲得尺寸精確、輪廓清晰液態(tài)金屬充滿(mǎn)鑄型，獲得尺寸精確、輪廓清晰 的鑄件的能力，簡(jiǎn)稱(chēng)的鑄件的能力，簡(jiǎn)稱(chēng)充型能力。充型能力。 在液態(tài)合金充型過(guò)程中，一般伴隨結(jié)晶現(xiàn)象，在液態(tài)合金充型過(guò)程中，一般伴隨結(jié)晶現(xiàn)象， 若充型能力不足時(shí)，在型腔被填滿(mǎn)之前，形成的晶若充型能力不足時(shí)，在型腔被填滿(mǎn)之前，形成的晶 粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動(dòng)，于是粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動(dòng)，于是 鑄件將產(chǎn)生鑄件將產(chǎn)生澆不足或冷隔澆不足或冷隔等缺陷。澆不足使鑄件未等缺陷。澆不足使鑄件未 能

22、獲得完整的形狀；冷隔時(shí)，鑄件雖可獲得完整的能獲得完整的形狀；冷隔時(shí)，鑄件雖可獲得完整的 外形，但因存有未完全熔合的垂直接縫，鑄件的力外形，但因存有未完全熔合的垂直接縫，鑄件的力 學(xué)性能?chē)?yán)重受損。學(xué)性能?chē)?yán)重受損。 充型能力首先取決于金屬液本身的流動(dòng)能力，充型能力首先取決于金屬液本身的流動(dòng)能力， 同時(shí)又受鑄型性質(zhì)、澆注條件及鑄件結(jié)構(gòu)等因素的同時(shí)又受鑄型性質(zhì)、澆注條件及鑄件結(jié)構(gòu)等因素的 影響。影響。 影響充型能力的因素有：影響充型能力的因素有：合金的流動(dòng)性、合金合金的流動(dòng)性、合金 的收縮性、合金的吸氣性等。的收縮性、合金的吸氣性等。 1 . 流動(dòng)性定義：流動(dòng)性定義：flowability, 液態(tài)合金

23、液態(tài)合金充充 滿(mǎn)滿(mǎn)型腔，形成輪廓清晰，形狀和尺寸符型腔，形成輪廓清晰，形狀和尺寸符 合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件的能力(CSS, configuration, shape and size)。 流動(dòng)性通義是流體的流動(dòng)能流動(dòng)性通義是流體的流動(dòng)能 力，但不同學(xué)科對(duì)流動(dòng)性有力，但不同學(xué)科對(duì)流動(dòng)性有 不同的定義，這里是材料成不同的定義，這里是材料成 形學(xué)的定義。它的定義說(shuō)流形學(xué)的定義。它的定義說(shuō)流 動(dòng)性是這樣的一種能力，這動(dòng)性是這樣的一種能力，這 種能力體現(xiàn)在種能力體現(xiàn)在2個(gè)方面：個(gè)方面： （1）充滿(mǎn)型腔；）充滿(mǎn)型腔； （2）形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄）形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄 件。件。 這個(gè)定義這個(gè)

24、定義突出地表明了流動(dòng)性對(duì)金突出地表明了流動(dòng)性對(duì)金 屬液態(tài)成型工藝的重要性屬液態(tài)成型工藝的重要性。如果流。如果流 動(dòng)性不好，就不能充滿(mǎn)型腔，就不動(dòng)性不好，就不能充滿(mǎn)型腔，就不 能形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。也說(shuō)能形成符合要求的優(yōu)質(zhì)鑄件。也說(shuō) 明不同的合金具有不同的流動(dòng)性特明不同的合金具有不同的流動(dòng)性特 點(diǎn)。在進(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)和鑄造工藝制點(diǎn)。在進(jìn)行鑄件設(shè)計(jì)和鑄造工藝制 定時(shí)，必須考慮合金流動(dòng)性。那么，定時(shí)，必須考慮合金流動(dòng)性。那么， 我們?cè)鯓雍饬亢辖鸬牧鲃?dòng)性呢我們?cè)鯓雍饬亢辖鸬牧鲃?dòng)性呢？ 圖1-1 螺旋型試樣 在相同的澆注 工藝條件下， 將金屬液澆入 鑄型中，測(cè)出 其實(shí)際螺旋線 長(zhǎng)度。澆出的 試樣愈長(zhǎng)，合

25、 金的流動(dòng)性愈 好！ 螺螺 旋旋 形形 流流 動(dòng)動(dòng) 性性 試試 樣樣 合金種類(lèi) 鑄型種類(lèi) 澆注溫度 / 螺旋線長(zhǎng)度/ 鑄鐵 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 鑄鋼 wC=0.4% 鋁硅合金（硅鋁明） 鎂合金（含Al和Zn） 錫青銅（wSn10%， wZn2%） 硅黃銅（wSi=1.5%4.5% ） 砂型 砂型 金屬型（ 300） 砂型 砂型 砂型 1600 1640 680720 700 1040 1100 100 200 700800 4

26、00600 420 1000 表表1-1 常用合金的流動(dòng)性（砂常用合金的流動(dòng)性（砂 型，試樣截面型，試樣截面88） 液態(tài)金屬本身的流動(dòng)能力。 流動(dòng)性充型能力易薄壁復(fù)雜鑄件氣 孔、夾渣、縮孔 灰鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性較好； 鑄鋼較差； 鋁合金居中。 不同成分合金的結(jié)晶特性示意圖見(jiàn)圖1-2 含碳量含碳量 溫度，溫度，T 碳鋼碳鋼鑄鐵鑄鐵 圖圖1-2 1-2 不同成分合金的結(jié)晶特性不同成分合金的結(jié)晶特性 在鑄件凝固過(guò)在鑄件凝固過(guò) 程中，鑄件斷面程中，鑄件斷面 上存在三個(gè)區(qū)域，上存在三個(gè)區(qū)域， 即即固相區(qū)、凝固固相區(qū)、凝固 區(qū)和液相區(qū)區(qū)和液相區(qū)。其。其 中凝固區(qū)對(duì)鑄件中凝固區(qū)對(duì)鑄件 質(zhì)量有較大影響。質(zhì)量

27、有較大影響。 鑄件的凝固方式鑄件的凝固方式 也可根據(jù)凝固區(qū)也可根據(jù)凝固區(qū) 的寬窄來(lái)劃分，的寬窄來(lái)劃分， 如圖如圖1-21-2。 液態(tài)金屬的凝固液態(tài)金屬的凝固 ab 鑄件的凝固方式鑄件的凝固方式 1. 1. 逐層凝固逐層凝固 純金屬或共晶成分的合金的凝固，如圖純金屬或共晶成分的合金的凝固，如圖2-1a2-1a； 2. 2. 糊狀凝固糊狀凝固 結(jié)晶溫度范圍很寬的合金的凝固，如圖結(jié)晶溫度范圍很寬的合金的凝固，如圖2-1c2-1c； 3. 3. 中間凝固中間凝固 介于逐層凝固介于逐層凝固 和糊狀凝固之和糊狀凝固之 間，大多數(shù)合間，大多數(shù)合 金為此凝固方金為此凝固方 式，如圖式，如圖2-1b2-1b 所

28、示。所示。 影響鑄件凝固方式的主要因素影響鑄件凝固方式的主要因素 ： 表層中心 t鑄件 固相線 液相線 成分 溫度 表層中心 t鑄件 液 固 液 c 表層中心 S t鑄件 溫度 液相線 固 凝固區(qū) （2 2）鑄件的溫度梯度）鑄件的溫度梯度 在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前 提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與 鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若 鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小 變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬 變窄變窄 。 表層中心 S t鑄件 溫度 成分 溫度 S1 T1 T2 （1 1）合金的結(jié)

29、晶溫度范圍）合金的結(jié)晶溫度范圍 合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，合金的結(jié)晶溫度范圍愈小， 凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐 層凝固層凝固 。 合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決 定的定的結(jié)晶特點(diǎn)結(jié)晶特點(diǎn) PbSb 20406080 20 40 60 80 0 流動(dòng)性（cm） 100 200 300 溫度（） 0 合金的種類(lèi)合金的種類(lèi): 合金合金 不同流動(dòng)性不同不同流動(dòng)性不同 合金的成分：合金的成分：同同 種合金，成分不同，種合金，成分不同， 其結(jié)晶特點(diǎn)不同，其結(jié)晶特點(diǎn)不同， 流動(dòng)性也不同。如流動(dòng)性也不同。如 圖所示鉛錫合金的圖所示鉛錫合金的 流動(dòng)性

30、與相圖的關(guān)流動(dòng)性與相圖的關(guān) 系；系； 鉛錫合金的流動(dòng)性與相圖的關(guān)系鉛錫合金的流動(dòng)性與相圖的關(guān)系 圖圖1-3 1-3 結(jié)晶特性對(duì)流動(dòng)性的影響結(jié)晶特性對(duì)流動(dòng)性的影響 a) a)恒溫下恒溫下 b)b)一定溫度范圍一定溫度范圍 結(jié)晶特性結(jié)晶特性: : 恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相恒溫下結(jié)晶，流動(dòng)性較好；兩相 區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差區(qū)內(nèi)結(jié)晶，流動(dòng)性較差 純金屬和共晶合金純金屬和共晶合金在恒溫在恒溫 下結(jié)晶，為逐層凝固方式，下結(jié)晶，為逐層凝固方式， 如圖如圖1-3a1-3a所示，凝固層表所示，凝固層表 面光滑，阻力小，故流動(dòng)面光滑，阻力小，故流動(dòng) 性好，同時(shí)共晶合金熔點(diǎn)性好，同時(shí)共晶合金熔點(diǎn) 最低，故流動(dòng)性

31、最好。最低，故流動(dòng)性最好。 而亞共晶合金而亞共晶合金，為中間凝，為中間凝 固方式，復(fù)雜枝晶阻礙流固方式，復(fù)雜枝晶阻礙流 動(dòng)，故流動(dòng)性差，動(dòng)，故流動(dòng)性差，如圖如圖1-1- 3b3b所示。所示。 2. 2. 澆注條件澆注條件 （1 1）澆注溫度）澆注溫度 指的是澆注時(shí)熔融合金的溫度。指的是澆注時(shí)熔融合金的溫度。 一般要求比它的液相線溫度高，即存在過(guò)熱度，一般要求比它的液相線溫度高，即存在過(guò)熱度， 推遲它的凝固時(shí)間，以保持良好的流動(dòng)性。推遲它的凝固時(shí)間，以保持良好的流動(dòng)性。 澆注溫度澆注溫度粘度粘度 過(guò)熱度過(guò)熱度蓄熱多蓄熱多保溫時(shí)間保溫時(shí)間 流動(dòng)性流動(dòng)性 。 澆注溫度澆注溫度金屬收縮金屬收縮吸氣吸氣

32、氧化氧化縮縮 孔、縮松、氣孔和粘砂孔、縮松、氣孔和粘砂 。 充型能力足夠時(shí)澆注溫度應(yīng)盡可能低。充型能力足夠時(shí)澆注溫度應(yīng)盡可能低。 n所以，每種合金有自己的合理澆注溫度范圍。澆所以，每種合金有自己的合理澆注溫度范圍。澆 注溫度：注溫度： n鑄鋼鑄鋼15201520 16201620；鑄鐵；鑄鐵1230 1230 14501450；鋁合金；鋁合金 680 680 780780 （2 2）澆注壓力）澆注壓力 澆注壓力澆注壓力合金的流動(dòng)性合金的流動(dòng)性 。 采用方法：采用方法： 增加直澆道高度、壓力鑄造、離心鑄造增加直澆道高度、壓力鑄造、離心鑄造 來(lái)提高來(lái)提高澆注壓力。澆注壓力。 3. 3. 鑄型填充條

33、件鑄型填充條件 （1 1）鑄型導(dǎo)熱能力）鑄型導(dǎo)熱能力 金屬型鑄型金屬型鑄型合金的流動(dòng)性合金的流動(dòng)性 。 干砂干砂型鑄型（加熱）型鑄型（加熱）合金的流動(dòng)性合金的流動(dòng)性 （2 2）鑄型的阻力）鑄型的阻力 鑄型型腔狹窄、復(fù)雜或鑄型材料發(fā)氣量大鑄型型腔狹窄、復(fù)雜或鑄型材料發(fā)氣量大 型腔內(nèi)氣體型腔內(nèi)氣體 （如排氣不暢）（如排氣不暢）金屬液流動(dòng)阻金屬液流動(dòng)阻 力力合金的流動(dòng)性合金的流動(dòng)性 。 二、合金的收縮性（二、合金的收縮性（constriction constriction ） 1. 1. 合金的收縮合金的收縮 合金在澆注、凝固直至冷卻到室溫的過(guò)程合金在澆注、凝固直至冷卻到室溫的過(guò)程 中體積或尺寸縮減

34、的現(xiàn)象稱(chēng)為中體積或尺寸縮減的現(xiàn)象稱(chēng)為收縮。收縮。 合金的收縮（控制不好）合金的收縮（控制不好）縮孔、縮松、縮孔、縮松、 變形、裂紋。變形、裂紋。 合金在澆注、凝固直至冷卻到室溫的收縮合金在澆注、凝固直至冷卻到室溫的收縮 過(guò)程有三個(gè)階段：過(guò)程有三個(gè)階段：要經(jīng)歷要經(jīng)歷液態(tài)收縮、凝固收液態(tài)收縮、凝固收 縮和固態(tài)收縮縮和固態(tài)收縮三個(gè)互相聯(lián)系的收縮階段。三個(gè)互相聯(lián)系的收縮階段。 液態(tài)收縮液態(tài)收縮 液 液、凝固收縮 、凝固收縮 凝 凝、固態(tài)收縮 、固態(tài)收縮 固 固 液態(tài)收縮液態(tài)收縮 液 液 從澆注溫度（ 從澆注溫度（T T澆 澆）到凝固 ）到凝固 開(kāi)始溫度（即液相線溫度開(kāi)始溫度（即液相線溫度T T液 液）

35、間的收縮。 ）間的收縮。 T T澆 澆 T T液 液 Liquid shrinkage 凝固收縮凝固收縮 凝 凝 從凝固開(kāi)始溫度（ 從凝固開(kāi)始溫度（ T T凝 凝）到 ）到 凝固終止溫度（即固相線溫度凝固終止溫度（即固相線溫度T T固 固）間的 ）間的 收縮。收縮。 T T凝 凝 T T固 固 Solidification shrinkage 固態(tài)收縮 固態(tài)收縮 固 固 從凝固終止溫度（ 從凝固終止溫度（ T T固 固）到 ）到 室溫室溫T T室溫 室溫間的收縮。 間的收縮。 T T固 固 T T室溫 室溫Solid shrinkage 固態(tài)收縮將引起鑄件外部尺寸的變化，故稱(chēng)固態(tài)收縮將引起鑄件

36、外部尺寸的變化，故稱(chēng) 尺寸收縮或線收縮。尺寸收縮或線收縮。 體收縮率是鑄件產(chǎn)生體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮縮 孔或縮松孔或縮松的根本原因。的根本原因。 %100 鑄件鑄件 鑄件鑄件鑄型鑄型 V VV V %100 鑄鑄件件 鑄鑄件件鑄鑄型型 L LL L 體收縮率：體收縮率： 線收縮率：線收縮率： 線收縮率是鑄件產(chǎn)生線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)應(yīng) 力、變形、裂紋力、變形、裂紋的根本的根本 原因。原因。 液態(tài)收縮和凝固收縮將引起液體鑄件體積的變化，液態(tài)收縮和凝固收縮將引起液體鑄件體積的變化， 故稱(chēng)體積收縮或體收縮。故稱(chēng)體積收縮或體收縮。 合金的總收縮為上述三種收縮之和。合金的總收縮為上述三種收縮之和。 2. 2

37、. 影響合金收縮的因素影響合金收縮的因素 化學(xué)成分化學(xué)成分 碳素鋼碳素鋼C C 凝 凝 固固 ； ； 灰鑄鐵灰鑄鐵C C、Si Si 收縮率收縮率 ；S S 收縮率收縮率 。 澆注溫度澆注溫度 澆注溫度澆注溫度 T T過(guò)過(guò) 液 液、 、總收縮率總收縮率 。 鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件鑄件結(jié)構(gòu)和鑄型條件 凝 凝是受阻收縮，不是自由收縮。 是受阻收縮，不是自由收縮。 各部各部V V冷 冷不同 不同各部收縮不一致各部收縮不一致對(duì)收縮產(chǎn)生阻對(duì)收縮產(chǎn)生阻 力；力； 鑄型和型芯鑄型和型芯收縮機(jī)械阻力收縮機(jī)械阻力實(shí)際收縮率比自實(shí)際收縮率比自 由收縮率小。由收縮率小。 3. 3. 鑄件中的縮孔鑄件中的縮孔shrink

38、age cavity與縮松與縮松 鑄件凝固結(jié)束后常常在某些部位出現(xiàn)孔洞，鑄件凝固結(jié)束后常常在某些部位出現(xiàn)孔洞， 大而集中大而集中的孔洞稱(chēng)為的孔洞稱(chēng)為縮孔縮孔，細(xì)小而分散細(xì)小而分散的孔的孔 洞稱(chēng)為洞稱(chēng)為縮松縮松。 縮孔和縮松可使鑄件力學(xué)性能、氣密性和物縮孔和縮松可使鑄件力學(xué)性能、氣密性和物 理化學(xué)性能大大降低，以至成為廢品。理化學(xué)性能大大降低，以至成為廢品。 縮孔與縮松的形成縮孔與縮松的形成 由由 液 液、 、 凝 凝 體積體積 （得不到補(bǔ)充）（得不到補(bǔ)充）最后凝最后凝 固部分產(chǎn)生孔洞固部分產(chǎn)生孔洞形成集中孔洞（縮孔）、形成集中孔洞（縮孔）、 細(xì)小分散的孔洞（縮松）。細(xì)小分散的孔洞（縮松）。 縮

39、孔的形成（見(jiàn)圖縮孔的形成（見(jiàn)圖1-51-5）：假定合金在恒）：假定合金在恒 溫下凝固或凝固溫度范圍很窄。溫下凝固或凝固溫度范圍很窄。 圖1-5 鑄件縮孔形成過(guò)程示意圖 縮孔形成過(guò)程圖解縮孔形成過(guò)程圖解 樹(shù)枝狀晶體樹(shù)枝狀晶體 分隔開(kāi)的液分隔開(kāi)的液 體區(qū)難以得體區(qū)難以得 到補(bǔ)縮所致。到補(bǔ)縮所致。 縮松大多分縮松大多分 布在鑄件中布在鑄件中 心軸線處、心軸線處、 熱節(jié)處、冒熱節(jié)處、冒 口根部、內(nèi)口根部、內(nèi) 澆口附近或澆口附近或 縮孔下方縮孔下方 縮松分為宏觀縮松和顯微縮松：縮松分為宏觀縮松和顯微縮松： 宏觀縮松用肉眼或放大鏡即可看到；宏觀縮松用肉眼或放大鏡即可看到； 顯微縮松用顯微鏡才能觀察到。顯微

40、縮松用顯微鏡才能觀察到。 圖1-6 鑄件縮松的形成過(guò)程 縮松的形成（見(jiàn)圖縮松的形成（見(jiàn)圖1-61-6）：假定合金在恒溫下凝固）：假定合金在恒溫下凝固 或凝固溫度范圍較寬或凝固溫度范圍較寬 縮松形成機(jī)理：縮松形成機(jī)理：樹(shù)枝狀晶體樹(shù)枝狀晶體 dendritic dendritic crystal crystal 所分隔的晶間液體區(qū)得不到補(bǔ)縮形所分隔的晶間液體區(qū)得不到補(bǔ)縮形 成的小孔隙。成的小孔隙。 動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà) 縮孔形成機(jī)理：縮孔形成機(jī)理：逐層凝固方式下最后逐層凝固方式下最后 凝固部位得不到補(bǔ)充而形成的空隙。凝固部位得不到補(bǔ)充而形成的空隙。 動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà) 縮孔種類(lèi) 分布分布 特征特征 存在存在 部位部位

41、容積容積 大小大小 形狀形狀 特征特征 發(fā)生發(fā)生 材料材料 縮縮 孔孔 集集 中中上部，上部， 最后最后 較大較大倒錐狀倒錐狀近共晶近共晶 縮縮 松松 分分 散散特殊特殊 區(qū)域區(qū)域 細(xì)小細(xì)小不規(guī)則不規(guī)則遠(yuǎn)共晶遠(yuǎn)共晶 定向凝固定向凝固directional freezingdirectional freezing：是通是通 過(guò)安放冒口和冷鐵等工藝措施，實(shí)現(xiàn)人過(guò)安放冒口和冷鐵等工藝措施，實(shí)現(xiàn)人 為的順序凝固為的順序凝固。 冒口冒口riserriser：鑄型中特設(shè)的空腔，用于：鑄型中特設(shè)的空腔，用于 儲(chǔ)備多余金屬液體以彌補(bǔ)收縮引起的金儲(chǔ)備多余金屬液體以彌補(bǔ)收縮引起的金 屬液體不足。冷鐵屬液體不足。冷

42、鐵ChillChill：型壁上外設(shè)：型壁上外設(shè) 的鐵塊，用于加快該處的冷卻速度。的鐵塊，用于加快該處的冷卻速度。 縮孔和縮松的防止縮孔和縮松的防止 縮孔的防止縮孔的防止 防止產(chǎn)生縮孔的有效措施：防止產(chǎn)生縮孔的有效措施： 定向凝固定向凝固 定向凝固定向凝固directional freezing圖解圖解 澆注系統(tǒng)澆注系統(tǒng) Pouring system 型腔型腔mould cavity 冒口冒口 Riser 溫度溫度 距離距離 1 2 3 縮孔縮孔 定向凝固動(dòng)畫(huà)定向凝固動(dòng)畫(huà) 1 2 3 冷鐵冷鐵Chill Chills are metallic objects, which are placed

43、in the mould to increase the cooling rate of castings to provide uniform or desired cooling rate. 在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用在實(shí)際生產(chǎn)中，通常采用“定向凝同原則定向凝同原則”， 目的是使鑄件在凝固過(guò)程中建立良好的目的是使鑄件在凝固過(guò)程中建立良好的補(bǔ)縮補(bǔ)縮 條件，條件，并設(shè)法使分散的縮松轉(zhuǎn)化為集中的縮并設(shè)法使分散的縮松轉(zhuǎn)化為集中的縮 孔，再使集中的縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中，最后將孔，再使集中的縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中，最后將 冒口割去，即可獲得健全的鑄件。也就是通冒口割去，即可獲得健全的鑄件。也就是通 過(guò)沒(méi)置冒口和冷鐵

44、，使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的地過(guò)沒(méi)置冒口和冷鐵，使鑄件從遠(yuǎn)離冒口的地 方開(kāi)始凝回并逐漸向冒口推進(jìn)，冒口最后凝方開(kāi)始凝回并逐漸向冒口推進(jìn)，冒口最后凝 固固亦即使鑄件進(jìn)行亦即使鑄件進(jìn)行定向（順序）凝固定向（順序）凝固，在，在 鑄件凝固過(guò)程中，冒口始終保持液態(tài)并對(duì)鑄鑄件凝固過(guò)程中，冒口始終保持液態(tài)并對(duì)鑄 件的液態(tài)收縮和凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充，合金的件的液態(tài)收縮和凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)充，合金的 液態(tài)收縮和凝固收縮轉(zhuǎn)移到冒口中，最終獲液態(tài)收縮和凝固收縮轉(zhuǎn)移到冒口中，最終獲 得健全的鑄件。見(jiàn)圖得健全的鑄件。見(jiàn)圖1-71-7。 防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制 鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)

45、鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)“順序凝固順序凝固”。 尋找熱節(jié)的方法 等溫線法 內(nèi)切圓法 冷鐵 同時(shí)凝固 整個(gè)鑄件幾乎同時(shí)凝固。 同時(shí)凝固可有效防止同時(shí)凝固可有效防止 熱應(yīng)力。凝固期間不熱應(yīng)力。凝固期間不 容易產(chǎn)生熱裂，凝固容易產(chǎn)生熱裂，凝固 后也不易引起應(yīng)力、后也不易引起應(yīng)力、 變形；由于不用冒口變形；由于不用冒口 或冒口很小而節(jié)省金或冒口很小而節(jié)省金 屬，簡(jiǎn)化工藝、減少屬，簡(jiǎn)化工藝、減少 工作量。工作量。 缺點(diǎn)是鑄件中心區(qū)域缺點(diǎn)是鑄件中心區(qū)域 往往有縮松，鑄件不往往有縮松，鑄件不 致密致密。 暗冒口 冒口 儲(chǔ)存補(bǔ)縮用金屬 液的空腔。 順序凝固 鑄件按照一定 的次序逐漸凝固。 冷鐵 熱節(jié) 定向凝

46、固的優(yōu)點(diǎn)：定向凝固的優(yōu)點(diǎn)：冒口補(bǔ)縮作用好，可防冒口補(bǔ)縮作用好，可防 止縮孔和縮松，鑄件致密。對(duì)于凝固收縮止縮孔和縮松，鑄件致密。對(duì)于凝固收縮 大，結(jié)晶溫度范圍較小的合金，常采用定大，結(jié)晶溫度范圍較小的合金，常采用定 向凝固原則以保證鑄件質(zhì)量。向凝固原則以保證鑄件質(zhì)量。 定向凝固的缺點(diǎn)：定向凝固的缺點(diǎn)：由于鑄件各部分有溫差，由于鑄件各部分有溫差， 凝固期間容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也容易使凝固期間容易產(chǎn)生熱裂，凝固后也容易使 鑄件產(chǎn)生應(yīng)力和變形。定向凝固使清理工鑄件產(chǎn)生應(yīng)力和變形。定向凝固使清理工 作量大。作量大。 縮松的防止縮松的防止 縮松的防止比縮孔困難，目前多采用在熱 節(jié)處加冷鐵和加大結(jié)晶壓力的

47、辦法，減少 金屬液流動(dòng)的阻力，能達(dá)到部分防止縮松 的效果。 縮松轉(zhuǎn)化為縮孔的方法：縮松轉(zhuǎn)化為縮孔的方法： 盡量選擇凝固區(qū)域較窄的合金，使合金傾 向于逐層凝固； 對(duì)凝固區(qū)域較寬的合金，可采用增大凝固 的溫度梯度辦法。 4. 4. 鑄造內(nèi)應(yīng)力鑄造內(nèi)應(yīng)力stress及鑄件的變形及鑄件的變形deform和裂紋和裂紋 鑄件的固態(tài)收縮受到阻礙時(shí)，在鑄件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力 稱(chēng)為鑄造內(nèi)應(yīng)力鑄造內(nèi)應(yīng)力。它是產(chǎn)生變形和裂紋的主要原因。 內(nèi)應(yīng)力的形成 鑄件在凝固和其后的冷卻過(guò)程中，因壁厚不均，各部分 冷卻速度不同，造成同一時(shí)刻各部分收縮不一致，從而在 鑄件中相互制約產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。這種內(nèi)應(yīng)力稱(chēng)為熱應(yīng)力熱應(yīng)力 。 金屬在冷

48、卻過(guò)程中，從凝固終了溫度到再結(jié)晶溫度階段， 處于塑性狀態(tài)，在較小的外力作用下，就可以生塑性變形， 變形后應(yīng)力可自行消除。低于再結(jié)晶溫度的金屬處于彈性 狀態(tài)，受力時(shí)產(chǎn)生彈性變形，變形后應(yīng)力繼續(xù)存在。 內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因：內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生原因： 凝固后固態(tài)收縮受阻引起凝固后固態(tài)收縮受阻引起 + - + -+ +表示拉應(yīng)力 -表示壓應(yīng)力 鑄件因壁厚不均勻，或鑄件中存在著較大的溫差，鑄件因壁厚不均勻，或鑄件中存在著較大的溫差， 在同一時(shí)間內(nèi)鑄件各部分收縮不同，先冷卻的部位在同一時(shí)間內(nèi)鑄件各部分收縮不同，先冷卻的部位 阻礙了后冷卻部位的收縮，在其內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。阻礙了后冷卻部位的收縮，在其內(nèi)部產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力。 圖

49、1-10 應(yīng)力框及其熱應(yīng)力的形成過(guò)程 三桿熱應(yīng)力分析模型三桿熱應(yīng)力分析模型 綜上所述，熱應(yīng)力的特點(diǎn)：綜上所述，熱應(yīng)力的特點(diǎn)： 固態(tài)收縮使鑄件厚壁或心部受拉伸。薄壁或表固態(tài)收縮使鑄件厚壁或心部受拉伸。薄壁或表 層受壓縮。層受壓縮。 合金固態(tài)收縮率愈大，鑄件壁厚差別愈大，形合金固態(tài)收縮率愈大，鑄件壁厚差別愈大，形 狀愈復(fù)雜，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力愈大。狀愈復(fù)雜，所產(chǎn)生的熱應(yīng)力愈大。 防止熱應(yīng)力產(chǎn)生的途徑：防止熱應(yīng)力產(chǎn)生的途徑： 縮小鑄件各部位的溫差，使其均勻冷卻?？s小鑄件各部位的溫差，使其均勻冷卻。 、選用彈性模量小的合金；、選用彈性模量小的合金； 、設(shè)計(jì)壁厚均勻的鑄件；、設(shè)計(jì)壁厚均勻的鑄件； 、從工藝方

50、面促使鑄件各部位同時(shí)凝固。見(jiàn)圖、從工藝方面促使鑄件各部位同時(shí)凝固。見(jiàn)圖 1-121-12 機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力） 機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)應(yīng)力。 上型 下型 鑄件收縮受到鑄型、型芯及澆鑄系統(tǒng)的機(jī)械阻礙鑄件收縮受到鑄型、型芯及澆鑄系統(tǒng)的機(jī)械阻礙 而產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為機(jī)械阻礙應(yīng)力。簡(jiǎn)稱(chēng)而產(chǎn)生的應(yīng)力稱(chēng)為機(jī)械阻礙應(yīng)力。簡(jiǎn)稱(chēng)機(jī)械應(yīng)力機(jī)械應(yīng)力。 鑄型或型芯退讓性良鑄型或型芯退讓性良 好，機(jī)械應(yīng)力則小。好，機(jī)械應(yīng)力則小。 機(jī)械應(yīng)力在鑄件落砂機(jī)械應(yīng)力在鑄件落砂 之后可自行消除。但之后可自行消除。但 是機(jī)械應(yīng)力在鑄型中是機(jī)械應(yīng)力在鑄型中 能與熱應(yīng)力共同起作能與熱應(yīng)力共同起作 用，增加了鑄

51、件產(chǎn)生用，增加了鑄件產(chǎn)生 裂紋的可能性。裂紋的可能性。 圖1-13 鑄件的變形及其防止鑄件的變形及其防止 如果鑄件存在內(nèi)應(yīng)力，如果鑄件存在內(nèi)應(yīng)力， 則鑄件處于一種不穩(wěn)定則鑄件處于一種不穩(wěn)定 狀態(tài)，鑄件厚的部分受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng)狀態(tài)，鑄件厚的部分受拉應(yīng)力，薄的部分受壓應(yīng) 力。如果內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的屈服極限時(shí)，則鑄件力。如果內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的屈服極限時(shí)，則鑄件 本身總是力圖通過(guò)變形來(lái)減緩內(nèi)應(yīng)力，因此細(xì)而本身總是力圖通過(guò)變形來(lái)減緩內(nèi)應(yīng)力，因此細(xì)而 長(zhǎng)或大又薄的鑄件易發(fā)生變形。長(zhǎng)或大又薄的鑄件易發(fā)生變形。 如圖如圖1-151-15所示：車(chē)床床身的導(dǎo)軌部分因較厚所示：車(chē)床床身的導(dǎo)軌部分因較厚 而受拉應(yīng)

52、力，床壁部分因較薄而受壓應(yīng)力，而受拉應(yīng)力，床壁部分因較薄而受壓應(yīng)力， 圖圖1-161-16所示為一平板鑄件，盡管其壁厚均勻，但其中心所示為一平板鑄件，盡管其壁厚均勻，但其中心 部分因比邊緣散熱慢、收縮慢而受拉應(yīng)力，邊緣處則散部分因比邊緣散熱慢、收縮慢而受拉應(yīng)力，邊緣處則散 熱較快，收縮較快而受壓力。由于鑄型上面比下面冷卻熱較快，收縮較快而受壓力。由于鑄型上面比下面冷卻 快，于是該平板發(fā)生了如圖所示方向變形。快，于是該平板發(fā)生了如圖所示方向變形。 圖1-16 平板鑄件的變形 為了防止鑄件變形，設(shè)計(jì)應(yīng)使鑄件為了防止鑄件變形，設(shè)計(jì)應(yīng)使鑄件 各部各部分壁厚盡可能均勻或形狀對(duì)稱(chēng)。分壁厚盡可能均勻或形狀對(duì)

53、稱(chēng)。 此外，還可在制摸時(shí)采用此外，還可在制摸時(shí)采用反變形法反變形法 ( (將模樣制成與鑄件變形方向相反將模樣制成與鑄件變形方向相反 的形狀，此時(shí)應(yīng)較精確地計(jì)算鑄件的形狀，此時(shí)應(yīng)較精確地計(jì)算鑄件 的變形量的變形量) )；有時(shí)也在薄壁處附加；有時(shí)也在薄壁處附加 工藝筋工藝筋。 實(shí)踐證明，盡管鑄件冷卻時(shí)發(fā)生部分變形、 但內(nèi)應(yīng)力仍未徹底消除。在經(jīng)過(guò)機(jī)加工后內(nèi) 應(yīng)力發(fā)生重新分布，鑄件仍會(huì)發(fā)生變形，影 響零件的精度。因此，對(duì)某些重要的、精密 的鑄件，如車(chē)床床身等，必須采取去應(yīng)力退 火或自然時(shí)效等方法，將殘余應(yīng)力消除，必 要時(shí)還可在粗加工后進(jìn)行去應(yīng)力退火或人工 時(shí)效（自然時(shí)效），然后再進(jìn)行精加工，以 確保零件的精度。 鑄件的裂紋及防止鑄件的裂紋及防止 如果鑄造內(nèi)應(yīng)力超過(guò)合金的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄 件便會(huì)產(chǎn)生裂紋。裂紋分為熱裂和冷裂兩種。 熱裂：熱裂：熱裂是在凝固后期高溫下形成的，主要 是由于收縮受到機(jī)械阻礙作用而產(chǎn)生的。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：裂紋短、形狀曲折、縫隙寬、斷面有嚴(yán)重 氧化、無(wú)金屬光澤、裂紋沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展等，在 鑄鋼和鋁合金鑄件中常見(jiàn)。 防止措施：防止措施：除了使鑄件的結(jié)構(gòu)合理外，還應(yīng)合理 選用型砂或芯砂的鉆結(jié)劑，以改善其退讓性；大的 型芯可采用中空結(jié)構(gòu)或內(nèi)部填以焦炭；嚴(yán)格限制鑄 鋼和鑄鐵中硫的含量，選用收縮率小的合金。 冷裂：冷裂：冷裂是在較