機械工程材料成型及工藝16課件

第9章鑄造緒論鑄造成形理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

合金的凝固與收縮

鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋鑄造合金的偏析和氣孔第9章鑄造緒論流動性和充型能力

1緒論1、何為鑄造？熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法，稱為鑄造。

緒論1、何為鑄造？2砂型鑄造生產(chǎn)工藝流程圖2

鑄造生產(chǎn)的工藝流程

鑄造生產(chǎn)基本上由鑄型制備、合金熔煉及澆注、落砂及清理等三個相對獨立的工藝過程所組成。

砂型鑄造生產(chǎn)工藝流程圖2鑄造生產(chǎn)的工藝流程33鑄造方法的分類鑄造砂型鑄造特種鑄造濕型鑄造干型鑄造表干型鑄造熔模鑄造金屬型鑄造離心鑄造壓力鑄造鑄鐵鑄造鑄鋼鑄造有色合金鑄造3鑄造方法的分類鑄造砂型鑄造特種鑄造濕型鑄造干型鑄造表4齒輪毛坯的砂型鑄造

砂型鑄造——以鑄造用型砂為主要原材料制成鑄型，且液態(tài)金屬完全靠重力充滿整個鑄型型腔形成鑄件的方法稱為砂型鑄造。齒輪毛坯的砂型鑄造砂型鑄造——以鑄造用型砂為54、鑄造優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1）可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜，特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件毛坯。如各種箱體、床身、機架等。

2）鑄造生產(chǎn)的適應(yīng)性廣，工藝靈活性大。工業(yè)上常用的金屬材料均可用來進行鑄造，鑄件的重量可由幾克到幾百噸，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）鑄造用原材料大都來源廣泛，價格低廉，并可直接利用廢機件，故鑄件成本較低。缺點：

1）鑄造組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷，因此，鑄件的力學性能，特別是沖擊韌度低于同種材料的鍛件。

2）鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。4、鑄造優(yōu)缺點

優(yōu)點：65我國鑄造技術(shù)的發(fā)展

鑄造技術(shù)歷史悠久。三千年前,青銅器已有應(yīng)用,二千五百年前,鑄造工具已經(jīng)相當普通。大量歷史文物顯示著我國古代人民在鑄造技術(shù)上的精湛創(chuàng)造:早在5000多年前,我們的祖先就能冶煉紅銅和青銅等合金,并鑄出了簡單的銅斧。早在4000年以前,我們的祖先就已開始和使用瓷器,到商代已經(jīng)有了高度發(fā)達的青銅冶煉和鑄造技術(shù),從河南安陽商代遺址出土的司母戊鼎提供了有力的證明；四羊方尊也是其中杰出的代表。河南安陽商遺址出土的司母戊鼎重達875kg,外形尺寸(133×78×110)cm,是迄今世界上最古老的大型青銅器.5我國鑄造技術(shù)的發(fā)展7曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館。右圖為出土現(xiàn)場。曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，8巧奪天工的曾侯乙尊盤。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠處望去似象牙雕刻樓空的叢花，邊緣許多層次和變化近看又是細長的盤龍上下游弋，各不相連，堪稱稀世珍品。戰(zhàn)國時代的“冰箱”——曾侯乙冰鑒巧奪天工的曾侯乙尊盤。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠處9明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元1418～1422年），中國現(xiàn)存最大的青銅鐘。銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。銅鐘合金成分為：銅80.54％、錫16.40％、鋁1.12％，為泥范鑄造?，F(xiàn)存北京大鐘寺。明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元1418～1410中國五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城開元寺前。五代后周廣順三年（953）鑄，獅身左肋鑄有“山東李云造”五字。鐵獅身長5.3米，高5.4米，寬3米，重約40噸，采用泥范明注式整體鑄成。獅身鑄有“獅子王”字樣，背馱蓮座，前胸及臀部飾束帶，發(fā)鬈曲呈波浪形，形態(tài)威武，作奔走狀。中國五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城11滄州鐵獅的歷史照片滄州鐵獅的歷史照片12四羊方尊四羊方尊13湖北當陽鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三層，高16.945米,據(jù)銘文記載的鐵塔重七萬六千六百斤,當時是就地設(shè)爐分層鑄造,采用堆土法而建起來,各層之間重疊擺放,沒有焊接,整個塔身玲瓏雋秀,從上到下,自里而外全生鐵澆鑄,僅塔剎在清代以青銅重鑄.湖北當陽鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三14江蘇吉鑫風能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂鑄件，該產(chǎn)品采用無冒口鑄造工藝，可耐-40℃低溫，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量均達到了世界領(lǐng)先水平。江蘇吉鑫風能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂15三峽700MW水輪機組配套的大型水輪機葉片在力學性能、表面質(zhì)量等方面均達世界一流水平

三峽700MW水輪機組配套的大型水輪機葉片在力學性能、表面質(zhì)16鑄造產(chǎn)品鑄造產(chǎn)品17鑄造形成理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

合金的凝固與收縮

鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋鑄造合金的偏析和吸氣性鑄造形成理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

18一、流動性和充型能力（一）合金的流動性

1.流動性流動性是指熔融金屬的流動能力。

合金流動性的好壞，通常以“螺旋形流動性試樣”的長度來衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。2.流動性的影響因素

1）合金的種類

不同種類的合金，具有不同的螺旋線長度，即具有不同的流動性。其中灰鑄鐵的流動性最好，硅黃銅、鋁硅合金次之，而鑄鋼的流動性最差。一、流動性和充型能力（一）合金的流動性

1.流動性流動性192）化學成分和結(jié)晶特征純金屬和共晶成分的合金，凝固是由鑄件壁表面向中心逐漸推進，凝固后的表面比較光滑，對未凝固液體的流動阻力較小，所以流動性好，見下圖a。在一定凝固溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的亞共晶合金，凝固時鑄件內(nèi)存在一個較寬的既有液體又有樹枝狀晶體的兩相區(qū)。凝固溫度范圍越寬，則枝狀晶越發(fā)達，對金屬流動的阻力越大，金屬的流動性就越差，見下圖b。不同結(jié)晶特征的合金的流動性

2）化學成分和結(jié)晶特征純金屬和共晶成分的合金，凝固是由鑄件20鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系見下圖。圖中表明，純鐵和共晶鑄鐵的流動性最好，亞共晶鑄鐵和碳素鋼隨凝固溫度范圍的增加，其流動性變差。

鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系見下圖。圖中表明，純213）合金的物理性質(zhì)與合金有關(guān)的物理性質(zhì)有比熱容、密度、導熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱和黏度。液態(tài)合金的比熱容和密度越大，導熱系數(shù)越小，凝固時結(jié)晶潛熱釋放得越多，都能使合金較長時間保持液態(tài)，因而流動性越好；液態(tài)合金的黏度越小，流動時的內(nèi)摩擦力也就越小，流動性就越好。3）液態(tài)合金的溫度溫度越高，液態(tài)合金的流動性就越好，但如液態(tài)合金的溫度過高，會導致合金的氧化、吸氣非常嚴重，使鑄件產(chǎn)生氣孔、夾渣、粘砂、縮松、縮孔等缺陷。3）合金的物理性質(zhì)與合金有關(guān)的物理22（二）合金的充型能力

1.充型能力

概念：液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。合金的流動性是金屬本身的屬性，不隨外界條件的改變而變化，而合金的充型能力不僅和金屬的流動性相關(guān)，而且也受外界因素的影響。

2.充型能力的影響因素

1）鑄型條件

a）鑄型的蓄熱能力即鑄型從金屬液中吸收和儲存熱量的能力。鑄型的熱導率和質(zhì)量熱容越大，對液態(tài)合金的激冷作用越強，合金的充型能力就越差。

（二）合金的充型能力

1.充型能力

概念：液態(tài)合232）澆注條件a）澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；b）充型壓力；c）澆注溫度。b）鑄型溫度

提高鑄型溫度，可以降低鑄型和金屬液之間的溫差，進而減緩了冷卻速度，可提高合金液的充型能力。c）鑄型中的氣體鑄型中氣體越多，合金的充型能力就越差。d)鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，鑄件壁厚越薄，液態(tài)金屬充型越困難。2）澆注條件a）澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；b）鑄型溫度

提高鑄型溫度24二合金的凝固與收縮（一）鑄件的凝固方式及影響因素

1.鑄件的凝固方式（1）逐層凝固方式

合金在凝固過程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開，這種凝固方式稱為逐層凝固。常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。（2）糊狀凝固方式

合金在凝固過程中先呈糊狀而后凝固，這種凝固方式稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。二合金的凝固與收縮（一）鑄件的凝固方式及影響因素25（3）中間凝固方式

大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。鑄件的凝固方式（3）中間凝固方式

大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和262.凝固方式的影響因素（1）合金凝固溫度范圍的影響

合金的液相線和固相交叉在一起，或間距很小，則金屬趨于逐層凝固；如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。（2）鑄件溫度梯度的影響

增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉(zhuǎn)化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉(zhuǎn)化。2.凝固方式的影響因素27

二）鑄造合金的收縮

鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。它主要包括以下三個階段：

1.液態(tài)收縮金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。

2.凝固收縮熔融金屬在凝固階段的體積收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因。

3.固態(tài)收縮金屬在固態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。二）鑄造合金的收縮

鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的28（三）影響合金收縮的因素

1.化學成分

不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄鋼的收縮最大，灰鑄鐵最小。

2.澆注溫度

合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。

3.鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件

鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實際收縮率就越小。（三）影響合金收縮的因素

1.化學成分29（四）收縮對鑄件質(zhì)量的影響

1.縮孔和縮松

（1）縮孔的形成

縮孔總是出現(xiàn)在鑄件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：內(nèi)表面粗糙，形狀不規(guī)則，多近于倒圓錐形。通?？s孔隱藏于鑄件的內(nèi)部，有時經(jīng)切削加工才能暴露出來?？s孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮?？s孔形成過程見下圖。（四）收縮對鑄件質(zhì)量的影響

1.縮孔和縮松

（1）縮孔的30縮孔形成過程示意圖縮孔形成過程示意圖31（2）縮松的形成

宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。縮松形成過程見下圖。縮松形成過程示意圖（2）縮松的形成

宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部32（3）縮孔、縮松的防止措施

a）采用定向凝固的原則所謂定向凝固或順序凝固，是使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。冒口和冷鐵的合理使用，可造成鑄件的定向凝固，有效地消除縮孔、縮松。定向凝固原則見下圖。定向凝固原則：（3）縮孔、縮松的防止措施

a）采用定向凝固的原則所謂定向33b）合理確定鑄件的澆注位置、內(nèi)澆道位置及澆注工藝

澆注位置的選擇應(yīng)服從定向凝固原則；內(nèi)澆道應(yīng)開設(shè)在鑄件的厚壁處或靠近冒口；要合理選擇澆注溫度和澆注速度，在不增加其它缺陷的前提下，應(yīng)盡量降低澆注溫度和澆注速度。b）合理確定鑄件的澆注位置、內(nèi)澆道位置及澆注工藝34

2.

鑄造應(yīng)力、變形和裂紋

在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形或開裂，這種缺陷的產(chǎn)生，將嚴重影響鑄件的質(zhì)量。（1）鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生

鑄造應(yīng)力按其產(chǎn)生的原因可分為三種：

a）熱應(yīng)力鑄件在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。

b）固態(tài)相變應(yīng)力鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應(yīng)力。

c）機械應(yīng)力鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋(箱帶）等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。

鑄件鑄出后存在于鑄件不同部位的內(nèi)應(yīng)力稱為殘留應(yīng)力。2.鑄造應(yīng)力、變形和裂紋

在鑄件的凝固以及以35（2）鑄造應(yīng)力的防止和消除措施

a）采用同時凝固的原則

同時凝固是指通過設(shè)置冷鐵、布置澆口位置等工藝措施，使鑄件溫差盡量變小，基本實現(xiàn)鑄件各部分在同一時間凝固。如下圖所示。

b）提高鑄型溫度

c）改善鑄型和型芯的退讓性

d）進行去應(yīng)力退火同時凝固原則：（2）鑄造應(yīng)力的防止和消除措施

a）采用同時凝固的原則同時36（3）鑄件的變形和防止

鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形有以下幾種方法：

a)采用反變形法可在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預(yù)變形量來抵消鑄件的變形，此種方法稱為反變形法。

b)進行去應(yīng)力退火鑄件機加工之前應(yīng)先進行去應(yīng)力退火，以穩(wěn)定鑄件尺寸，降低切削加工變形程度。

c)設(shè)置工藝肋

為了防止鑄件的鑄態(tài)變形，可在容易變形的部位設(shè)置工藝肋。

d）采用同時凝固原則。（3）鑄件的變形和防止

鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生37（4）鑄件的裂紋及防止

a)鑄件裂紋的分類及其形貌

鑄件一般有熱裂和冷裂兩種開裂方式。熱裂是在凝固后期高溫下形成的，主要是受到機械阻礙作用而產(chǎn)生的，熱裂裂紋一般沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，其外形曲折短小，裂紋縫內(nèi)表面呈氧化色；冷裂是在較低溫度下形成的，常出現(xiàn)在鑄件受拉伸部位，特別是有應(yīng)力集中的地方，冷裂常常是穿晶斷裂，裂紋細小，外形呈連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀，裂紋縫內(nèi)干凈，有時呈輕微氧化色。

b）鑄件裂紋的防止

應(yīng)盡可能采取措施減小鑄造應(yīng)力；同時金屬在熔煉過程中，應(yīng)嚴格控制有可能擴大金屬凝固溫度范圍元素的加入量及鋼鐵中的硫、磷含量，選用收縮率小的合金，改善合金的退讓性。（4）鑄件的裂紋及防止

a)鑄件裂紋的分類及其形貌

38三、鑄造合金的偏析和吸氣性1.偏析鑄件中出現(xiàn)化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和比重偏析三類。

(1)晶內(nèi)偏析（又稱枝晶偏析）是指晶粒內(nèi)各部分化學成分不均勻的現(xiàn)象，這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方法。

(2)區(qū)域偏析是指鑄件截面的整體上化學成分和不均勻。避免區(qū)域偏析的發(fā)生，主要應(yīng)該采取預(yù)防措施，如控制澆注溫度不要太高，采取快速冷卻使偏析來不及發(fā)生，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中心部分接近同時凝固。

(3)比重偏析鑄件上、下部分化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為比重偏析。為防止比重偏析，在澆注時應(yīng)充分攪拌金屬液或加速合金液的冷卻，使液相和固相來不及分離，凝固即告結(jié)束。三、鑄造合金的偏析和吸氣性1.偏析392.鑄件中的氣孔和合金的氣孔（1）侵入性氣孔侵入性氣孔是由于鑄型表面聚集的氣體侵入金屬液中而形成的孔洞。多位于鑄件的上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔壁光滑，表面有光澤或有輕微氧化色。

（2）析出性氣孔析出性氣孔是溶解在金屬液中的氣體，在凝固時由金屬液中析出而未能逸出鑄件所產(chǎn)生的氣孔。其特征是尺寸細小，多而分散，形狀多為圓形、橢圓形或針狀，往往分布于整個鑄件斷面內(nèi)。

（3）反應(yīng)性氣孔澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或溶渣之間，因化學反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的氣孔，統(tǒng)稱反應(yīng)性氣孔。這種氣孔經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件表面層下1mm-2mm處，孔內(nèi)表面光滑，孔徑1mm-3mm。2.鑄件中的氣孔和合金的氣孔40小結(jié)重點要求

合金的流動性和充型能力；鑄造合金的收縮；鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋。一般要求

影響合金流動性的因素；影響收縮的因素；縮孔和縮松的形成過程；縮孔位置的確定；鑄件裂紋的防止，鑄造合金的偏析和氣孔。小結(jié)重點要求411、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。12月-2212月-22Thursday,December15,20222、成功源于不懈的努力，人生最大的敵人是自己怯懦。22:49:4822:49:4822:4912/15/202210:49:48PM3、每天只看目標，別老想障礙。12月-2222:49:4822:49Dec-2215-Dec-224、寧愿辛苦一陣子，不要辛苦一輩子。22:49:4822:49:4822:49Thursday,December15,20225、積極向上的心態(tài)，是成功者的最基本要素。12月-2212月-2222:49:4822:49:48December15,20226、生活總會給你另一個機會，這個機會叫明天。15十二月202210:49:48下午22:49:4812月-227、人生就像騎單車，想保持平衡就得往前走。十二月2210:49下午12月-2222:49December15,20228、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/12/1522:49:4822:49:4815December20229、我們必須在失敗中尋找勝利，在絕望中尋求希望。10:49:48下午10:49下午22:49:4812月-2210、一個人的夢想也許不值錢，但一個人的努力很值錢。12/15/202210:49:48PM22:49:4815-12月-2211、在真實的生命里，每樁偉業(yè)都由信心開始，并由信心跨出第一步。12/15/202210:49PM12/15/202210:49PM12月-2212月-22謝謝大家1、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。1421、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。12月-2212月-22Thursday,December15,20222、成功源于不懈的努力，人生最大的敵人是自己怯懦。22:49:4822:49:4822:4912/15/202210:49:48PM3、每天只看目標，別老想障礙。12月-2222:49:4822:49Dec-2215-Dec-224、寧愿辛苦一陣子，不要辛苦一輩子。22:49:4822:49:4822:49Thursday,December15,20225、積極向上的心態(tài)，是成功者的最基本要素。12月-2212月-2222:49:4822:49:48December15,20226、生活總會給你另一個機會，這個機會叫明天。15十二月202210:49:48下午22:49:4812月-227、人生就像騎單車，想保持平衡就得往前走。十二月2210:49下午12月-2222:49December15,20228、業(yè)余生活要有意義，不要越軌。2022/12/1522:49:4822:49:4815December20229、我們必須在失敗中尋找勝利，在絕望中尋求希望。10:49:48下午10:49下午22:49:4812月-2210、一個人的夢想也許不值錢，但一個人的努力很值錢。12/15/202210:49:48PM22:49:4815-12月-2211、在真實的生命里，每樁偉業(yè)都由信心開始，并由信心跨出第一步。12/15/202210:49PM12/15/202210:49PM12月-2212月-22謝謝大家1、每一個成功者都有一個開始。勇于開始，才能找到成功的路。143第9章鑄造緒論鑄造成形理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

合金的凝固與收縮

鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋鑄造合金的偏析和氣孔第9章鑄造緒論流動性和充型能力

44緒論1、何為鑄造？熔煉金屬，制造鑄型，并將熔融金屬澆入鑄型，凝固后獲得一定形狀和性能鑄件的成形方法，稱為鑄造。

緒論1、何為鑄造？45砂型鑄造生產(chǎn)工藝流程圖2

鑄造生產(chǎn)的工藝流程

鑄造生產(chǎn)基本上由鑄型制備、合金熔煉及澆注、落砂及清理等三個相對獨立的工藝過程所組成。

砂型鑄造生產(chǎn)工藝流程圖2鑄造生產(chǎn)的工藝流程463鑄造方法的分類鑄造砂型鑄造特種鑄造濕型鑄造干型鑄造表干型鑄造熔模鑄造金屬型鑄造離心鑄造壓力鑄造鑄鐵鑄造鑄鋼鑄造有色合金鑄造3鑄造方法的分類鑄造砂型鑄造特種鑄造濕型鑄造干型鑄造表47齒輪毛坯的砂型鑄造

砂型鑄造——以鑄造用型砂為主要原材料制成鑄型，且液態(tài)金屬完全靠重力充滿整個鑄型型腔形成鑄件的方法稱為砂型鑄造。齒輪毛坯的砂型鑄造砂型鑄造——以鑄造用型砂為484、鑄造優(yōu)缺點

優(yōu)點：

1）可以生產(chǎn)出形狀復(fù)雜，特別是具有復(fù)雜內(nèi)腔的零件毛坯。如各種箱體、床身、機架等。

2）鑄造生產(chǎn)的適應(yīng)性廣，工藝靈活性大。工業(yè)上常用的金屬材料均可用來進行鑄造，鑄件的重量可由幾克到幾百噸，壁厚可由0.5mm到1m左右。

3）鑄造用原材料大都來源廣泛，價格低廉，并可直接利用廢機件，故鑄件成本較低。缺點：

1）鑄造組織疏松、晶粒粗大，內(nèi)部易產(chǎn)生縮孔、縮松、氣孔等缺陷，因此，鑄件的力學性能，特別是沖擊韌度低于同種材料的鍛件。

2）鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定。4、鑄造優(yōu)缺點

優(yōu)點：495我國鑄造技術(shù)的發(fā)展

鑄造技術(shù)歷史悠久。三千年前,青銅器已有應(yīng)用,二千五百年前,鑄造工具已經(jīng)相當普通。大量歷史文物顯示著我國古代人民在鑄造技術(shù)上的精湛創(chuàng)造:早在5000多年前,我們的祖先就能冶煉紅銅和青銅等合金,并鑄出了簡單的銅斧。早在4000年以前,我們的祖先就已開始和使用瓷器,到商代已經(jīng)有了高度發(fā)達的青銅冶煉和鑄造技術(shù),從河南安陽商代遺址出土的司母戊鼎提供了有力的證明；四羊方尊也是其中杰出的代表。河南安陽商遺址出土的司母戊鼎重達875kg,外形尺寸(133×78×110)cm,是迄今世界上最古老的大型青銅器.5我國鑄造技術(shù)的發(fā)展50曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，寬3.35米，高2.73米，1978年湖北省隨縣擂鼓墩出土，現(xiàn)藏湖北省博物館。右圖為出土現(xiàn)場。曾侯乙編鐘（戰(zhàn)國時期，距今2400余年），鐘架長7.48米，51巧奪天工的曾侯乙尊盤。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠處望去似象牙雕刻樓空的叢花，邊緣許多層次和變化近看又是細長的盤龍上下游弋，各不相連，堪稱稀世珍品。戰(zhàn)國時代的“冰箱”——曾侯乙冰鑒巧奪天工的曾侯乙尊盤。是一件外形美麗、工藝復(fù)雜的鑄件。遠處52明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元1418～1422年），中國現(xiàn)存最大的青銅鐘。銅鐘通高6.75米，鐘壁厚度不等，最厚處185毫米，最薄處94毫米，重約46噸。鐘體內(nèi)外遍鑄經(jīng)文，共22.7萬字。銅鐘合金成分為：銅80.54％、錫16.40％、鋁1.12％，為泥范鑄造。現(xiàn)存北京大鐘寺。明永樂大鐘，鑄于永樂18年前后（公元1418～1453中國五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城開元寺前。五代后周廣順三年（953）鑄，獅身左肋鑄有“山東李云造”五字。鐵獅身長5.3米，高5.4米，寬3米，重約40噸，采用泥范明注式整體鑄成。獅身鑄有“獅子王”字樣，背馱蓮座，前胸及臀部飾束帶，發(fā)鬈曲呈波浪形，形態(tài)威武，作奔走狀。中國五代后周大型鑄件。在今河北省滄州市東南20千米的滄州故城54滄州鐵獅的歷史照片滄州鐵獅的歷史照片55四羊方尊四羊方尊56湖北當陽鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三層，高16.945米,據(jù)銘文記載的鐵塔重七萬六千六百斤,當時是就地設(shè)爐分層鑄造,采用堆土法而建起來,各層之間重疊擺放,沒有焊接,整個塔身玲瓏雋秀,從上到下,自里而外全生鐵澆鑄,僅塔剎在清代以青銅重鑄.湖北當陽鐵塔，鑄造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三57江蘇吉鑫風能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂鑄件，該產(chǎn)品采用無冒口鑄造工藝，可耐-40℃低溫，工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量均達到了世界領(lǐng)先水平。江蘇吉鑫風能科技有限公司的展品是目前最大發(fā)電功率的3MW輪轂58三峽700MW水輪機組配套的大型水輪機葉片在力學性能、表面質(zhì)量等方面均達世界一流水平

三峽700MW水輪機組配套的大型水輪機葉片在力學性能、表面質(zhì)59鑄造產(chǎn)品鑄造產(chǎn)品60鑄造形成理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

合金的凝固與收縮

鑄造內(nèi)應(yīng)力及鑄件的變形、裂紋鑄造合金的偏析和吸氣性鑄造形成理論基礎(chǔ)流動性和充型能力

61一、流動性和充型能力（一）合金的流動性

1.流動性流動性是指熔融金屬的流動能力。

合金流動性的好壞，通常以“螺旋形流動性試樣”的長度來衡量，將金屬液體澆入螺旋形試樣鑄型中，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。2.流動性的影響因素

1）合金的種類

不同種類的合金，具有不同的螺旋線長度，即具有不同的流動性。其中灰鑄鐵的流動性最好，硅黃銅、鋁硅合金次之，而鑄鋼的流動性最差。一、流動性和充型能力（一）合金的流動性

1.流動性流動性622）化學成分和結(jié)晶特征純金屬和共晶成分的合金，凝固是由鑄件壁表面向中心逐漸推進，凝固后的表面比較光滑，對未凝固液體的流動阻力較小，所以流動性好，見下圖a。在一定凝固溫度范圍內(nèi)結(jié)晶的亞共晶合金，凝固時鑄件內(nèi)存在一個較寬的既有液體又有樹枝狀晶體的兩相區(qū)。凝固溫度范圍越寬，則枝狀晶越發(fā)達，對金屬流動的阻力越大，金屬的流動性就越差，見下圖b。不同結(jié)晶特征的合金的流動性

2）化學成分和結(jié)晶特征純金屬和共晶成分的合金，凝固是由鑄件63鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系見下圖。圖中表明，純鐵和共晶鑄鐵的流動性最好，亞共晶鑄鐵和碳素鋼隨凝固溫度范圍的增加，其流動性變差。

鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系鐵碳合金的流動性與相圖的關(guān)系見下圖。圖中表明，純643）合金的物理性質(zhì)與合金有關(guān)的物理性質(zhì)有比熱容、密度、導熱系數(shù)、結(jié)晶潛熱和黏度。液態(tài)合金的比熱容和密度越大，導熱系數(shù)越小，凝固時結(jié)晶潛熱釋放得越多，都能使合金較長時間保持液態(tài)，因而流動性越好；液態(tài)合金的黏度越小，流動時的內(nèi)摩擦力也就越小，流動性就越好。3）液態(tài)合金的溫度溫度越高，液態(tài)合金的流動性就越好，但如液態(tài)合金的溫度過高，會導致合金的氧化、吸氣非常嚴重，使鑄件產(chǎn)生氣孔、夾渣、粘砂、縮松、縮孔等缺陷。3）合金的物理性質(zhì)與合金有關(guān)的物理65（二）合金的充型能力

1.充型能力

概念：液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。合金的流動性是金屬本身的屬性，不隨外界條件的改變而變化，而合金的充型能力不僅和金屬的流動性相關(guān)，而且也受外界因素的影響。

2.充型能力的影響因素

1）鑄型條件

a）鑄型的蓄熱能力即鑄型從金屬液中吸收和儲存熱量的能力。鑄型的熱導率和質(zhì)量熱容越大，對液態(tài)合金的激冷作用越強，合金的充型能力就越差。

（二）合金的充型能力

1.充型能力

概念：液態(tài)合662）澆注條件a）澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；b）充型壓力；c）澆注溫度。b）鑄型溫度

提高鑄型溫度，可以降低鑄型和金屬液之間的溫差，進而減緩了冷卻速度，可提高合金液的充型能力。c）鑄型中的氣體鑄型中氣體越多，合金的充型能力就越差。d)鑄件結(jié)構(gòu)鑄件結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，鑄件壁厚越薄，液態(tài)金屬充型越困難。2）澆注條件a）澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)；b）鑄型溫度

提高鑄型溫度67二合金的凝固與收縮（一）鑄件的凝固方式及影響因素

1.鑄件的凝固方式（1）逐層凝固方式

合金在凝固過程中其斷面上固相和液相由一條界線清楚地分開，這種凝固方式稱為逐層凝固。常見合金如灰鑄鐵、低碳鋼、工業(yè)純銅、工業(yè)純鋁、共晶鋁硅合金及某些黃銅都屬于逐層凝固的合金。（2）糊狀凝固方式

合金在凝固過程中先呈糊狀而后凝固，這種凝固方式稱為糊狀凝固。球墨鑄鐵、高碳鋼、錫青銅和某些黃銅等都是糊狀凝固的合金。二合金的凝固與收縮（一）鑄件的凝固方式及影響因素68（3）中間凝固方式

大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。中碳鋼、高錳鋼、白口鑄鐵等具有中間凝固方式。鑄件的凝固方式（3）中間凝固方式

大多數(shù)合金的凝固介于逐層凝固和692.凝固方式的影響因素（1）合金凝固溫度范圍的影響

合金的液相線和固相交叉在一起，或間距很小，則金屬趨于逐層凝固；如兩條相線之間的距離很大，則趨于糊狀凝固；如兩條相線間距離較小，則趨于中間凝固方式。（2）鑄件溫度梯度的影響

增大溫度梯度，可以使合金的凝固方式向逐層凝固轉(zhuǎn)化；反之，鑄件的凝固方式向糊狀凝固轉(zhuǎn)化。2.凝固方式的影響因素70

二）鑄造合金的收縮

鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的過程中，其體積和尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮。它主要包括以下三個階段：

1.液態(tài)收縮金屬在液態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。

2.凝固收縮熔融金屬在凝固階段的體積收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮是鑄件產(chǎn)生縮孔和縮松的基本原因。

3.固態(tài)收縮金屬在固態(tài)時由于溫度降低而發(fā)生的體積收縮。固態(tài)收縮對鑄件的形狀和尺寸精度影響很大，是鑄造應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷產(chǎn)生的基本原因。二）鑄造合金的收縮

鑄造合金從液態(tài)冷卻到室溫的71（三）影響合金收縮的因素

1.化學成分

不同成分的合金其收縮率一般也不相同。在常用鑄造合金中鑄鋼的收縮最大，灰鑄鐵最小。

2.澆注溫度

合金澆注溫度越高，過熱度越大，液體收縮越大。

3.鑄件結(jié)構(gòu)與鑄型條件

鑄件冷卻收縮時，因其形狀、尺寸的不同，各部分的冷卻速度不同，導致收縮不一致，且互相阻礙，又加之鑄型和型芯對鑄件收縮的阻力，故鑄件的實際收縮率總是小于其自由收縮率。這種阻力越大，鑄件的實際收縮率就越小。（三）影響合金收縮的因素

1.化學成分72（四）收縮對鑄件質(zhì)量的影響

1.縮孔和縮松

（1）縮孔的形成

縮孔總是出現(xiàn)在鑄件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：內(nèi)表面粗糙，形狀不規(guī)則，多近于倒圓錐形。通?？s孔隱藏于鑄件的內(nèi)部，有時經(jīng)切削加工才能暴露出來?？s孔形成的主要原因是液態(tài)收縮和凝固收縮?？s孔形成過程見下圖。（四）收縮對鑄件質(zhì)量的影響

1.縮孔和縮松

（1）縮孔的73縮孔形成過程示意圖縮孔形成過程示意圖74（2）縮松的形成

宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部位，顯微縮松則是存在于在晶粒之間的微小孔洞，形成縮松的主要原因也是液態(tài)收縮和凝固收縮所致。縮松形成過程見下圖。縮松形成過程示意圖（2）縮松的形成

宏觀縮松多分布在鑄件最后凝固的部75（3）縮孔、縮松的防止措施

a）采用定向凝固的原則所謂定向凝固或順序凝固，是使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。冒口和冷鐵的合理使用，可造成鑄件的定向凝固，有效地消除縮孔、縮松。定向凝固原則見下圖。定向凝固原則：（3）縮孔、縮松的防止措施

a）采用定向凝固的原則所謂定向76b）合理確定鑄件的澆注位置、內(nèi)澆道位置及澆注工藝

澆注位置的選擇應(yīng)服從定向凝固原則；內(nèi)澆道應(yīng)開設(shè)在鑄件的厚壁處或靠近冒口；要合理選擇澆注溫度和澆注速度，在不增加其它缺陷的前提下，應(yīng)盡量降低澆注溫度和澆注速度。b）合理確定鑄件的澆注位置、內(nèi)澆道位置及澆注工藝77

2.

鑄造應(yīng)力、變形和裂紋

在鑄件的凝固以及以后的冷卻過程中，隨溫度的不斷降低，收縮不斷發(fā)生，如果這種收縮受到阻礙，就會在鑄件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，引起變形或開裂，這種缺陷的產(chǎn)生，將嚴重影響鑄件的質(zhì)量。（1）鑄造應(yīng)力的產(chǎn)生

鑄造應(yīng)力按其產(chǎn)生的原因可分為三種：

a）熱應(yīng)力鑄件在凝固和冷卻過程中，不同部位由于不均衡的收縮而引起的應(yīng)力。

b）固態(tài)相變應(yīng)力鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應(yīng)力。

c）機械應(yīng)力鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱擋(箱帶）等外力的阻礙而產(chǎn)生的應(yīng)力。

鑄件鑄出后存在于鑄件不同部位的內(nèi)應(yīng)力稱為殘留應(yīng)力。2.鑄造應(yīng)力、變形和裂紋

在鑄件的凝固以及以78（2）鑄造應(yīng)力的防止和消除措施

a）采用同時凝固的原則

同時凝固是指通過設(shè)置冷鐵、布置澆口位置等工藝措施，使鑄件溫差盡量變小，基本實現(xiàn)鑄件各部分在同一時間凝固。如下圖所示。

b）提高鑄型溫度

c）改善鑄型和型芯的退讓性

d）進行去應(yīng)力退火同時凝固原則：（2）鑄造應(yīng)力的防止和消除措施

a）采用同時凝固的原則同時79（3）鑄件的變形和防止

鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生的變形以及隨后的切削加工變形。防止鑄件變形有以下幾種方法：

a)采用反變形法可在模樣上做出與鑄件變形量相等而方向相反的預(yù)變形量來抵消鑄件的變形，此種方法稱為反變形法。

b)進行去應(yīng)力退火鑄件機加工之前應(yīng)先進行去應(yīng)力退火，以穩(wěn)定鑄件尺寸，降低切削加工變形程度。

c)設(shè)置工藝肋

為了防止鑄件的鑄態(tài)變形，可在容易變形的部位設(shè)置工藝肋。

d）采用同時凝固原則。（3）鑄件的變形和防止

鑄件的變形包括鑄件凝固后所發(fā)生80（4）鑄件的裂紋及防止

a)鑄件裂紋的分類及其形貌

鑄件一般有熱裂和冷裂兩種開裂方式。熱裂是在凝固后期高溫下形成的，主要是受到機械阻礙作用而產(chǎn)生的，熱裂裂紋一般沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，其外形曲折短小，裂紋縫內(nèi)表面呈氧化色；冷裂是在較低溫度下形成的，常出現(xiàn)在鑄件受拉伸部位，特別是有應(yīng)力集中的地方，冷裂常常是穿晶斷裂，裂紋細小，外形呈連續(xù)直線狀或圓滑曲線狀，裂紋縫內(nèi)干凈，有時呈輕微氧化色。

b）鑄件裂紋的防止

應(yīng)盡可能采取措施減小鑄造應(yīng)力；同時金屬在熔煉過程中，應(yīng)嚴格控制有可能擴大金屬凝固溫度范圍元素的加入量及鋼鐵中的硫、磷含量，選用收縮率小的合金，改善合金的退讓性。（4）鑄件的裂紋及防止

a)鑄件裂紋的分類及其形貌

81三、鑄造合金的偏析和吸氣性1.偏析鑄件中出現(xiàn)化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。鑄件的偏析可分為晶內(nèi)偏析、區(qū)域偏析和比重偏析三類。

(1)晶內(nèi)偏析（又稱枝晶偏析）是指晶粒內(nèi)各部分化學成分不均勻的現(xiàn)象，這種偏析出現(xiàn)在具有一定凝固溫度范圍的合金鑄件中。為防止和減少晶內(nèi)偏析的產(chǎn)生，在生產(chǎn)中常采取緩慢冷卻或孕育處理的方法。

(2)區(qū)域偏析是指鑄件截面的整體上化學成分和不均勻。避免區(qū)域偏析的發(fā)生，主要應(yīng)該采取預(yù)防措施，如控制澆注溫度不要太高，采取快速冷卻使偏析來不及發(fā)生，或采取工藝措施造成鑄件斷面較低的溫度梯度，使表層和中心部分接近同時凝固。

(3)比重偏析鑄件上、下部分化學成分不均勻的現(xiàn)象稱為比重偏析。為防止比重偏析，在澆注時應(yīng)充分攪拌金屬液或加速合金液的冷卻，使液相和固相來不及分離，凝固即告結(jié)束。三、鑄造合金的偏析和吸氣性1.偏析822.鑄件中的氣孔和合金的氣孔（1）侵入性氣孔侵入性氣孔是由于鑄型表面聚集的氣體侵入金屬液中而形成的孔洞。多位于鑄件的上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔壁光滑，表面有光澤或有輕微氧化色。

（2）析出性氣孔析出性氣孔是溶解在金屬液中的氣體，在凝固時由金屬液中析出而未能逸出鑄件所產(chǎn)生的氣孔。其特征是尺寸細小，多而分散，形狀多為圓形、橢圓形或針狀，往往分布于整個鑄件斷面內(nèi)。

（3）反應(yīng)性氣孔澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或溶渣之間，因化學反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的氣孔，統(tǒng)稱反應(yīng)性氣孔。這種氣孔經(jīng)常出現(xiàn)在鑄件表面層下1mm-2mm處，孔內(nèi)表面光滑，孔徑1mm-3mm。2.鑄件中的氣孔和合金的氣孔83小結(jié)重點要求

合金的