金属工艺学第九章.

第九章铸造引言铸造成形理论基础流动性和充型能力合金的凝固与收缩铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸造合金的偏析和气孔引言1、何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。2、铸造优缺点优点：1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯。如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。缺点：1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。铸造产品4.我国铸造技术的历史铸造是一种液态金属成形的工艺方法，主要用于生产零件毛坯。铸造具有悠久的历史。根据文献记载和出土文物考证，证明我国的铸造生产技术至少已有四千多年的历史。大致可分为两个大的发展阶段：前两千年是以青铜铸造为主，发展冶铸技术，形成灿烂的商周青铜文化。如湖北省出土的青铜器总重达十吨左右、六十四件编钟，铸造精巧，音律准确，音色优美。充分证明了该时期铜合金的冶炼技术和铸造技术达到了很高的水平。后两千年是以铸铁生产为主，如以生铁铸造农具、手工工具为主的铸铁生产技术使社会生产面貌发生了巨大的变化，推动了铸造技术的发展。近半个世纪以来，随着国民经济的快速发展，我国的铸造技术得到了迅速发展。铸造生产作为工业生产的基础产业，在机械制造业中占有重要位置。根据大致估计，在机械各行业中铸件重量所占的比例为：机床、内燃机、重型机器约占70-90％；风机、压缩机约占60-80％；拖拉机、农业机械约占40-70％；汽车约占20-30％。曾侯乙编钟（战国时期，距今2400余年），钟架长7.48米，宽3.35米，高2.73米，1978年湖北省随县擂鼓墩出土，现藏湖北省博物馆。右图为出土现场。巧夺天工的曾侯乙尊盘。是一件外形美丽、工艺复杂的铸件。远处望去似象牙雕刻楼空的丛花，边缘许多层次和变化近看又是细长的盘龙上下游弋，各不相连，堪称稀世珍品。战国时代的“冰箱”——曾侯乙冰鉴明永乐大钟，铸于永乐18年前后（公元1418～1422年），中国现存最大的青铜钟。铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54％、锡16.40％、铝1.12％，为泥范铸造。现存北京大钟寺。中国五代后周大型铸件。在今河北省沧州市东南20千米的沧州故城开元寺前。五代后周广顺三年（953）铸，狮身左肋铸有“山东李云造”五字。铁狮身长5.3米，高5.4米，宽3米，重约40吨，采用泥范明注式整体铸成。狮身铸有“狮子王”字样，背驮莲座，前胸及臀部饰束带，发鬈曲呈波浪形，形态威武，作奔走状。湖北当阳铁塔，铸造于北宋嘉佑六年（公元1061年），八面十三层，高16.945米,据铭文记载的铁塔重七万六千六百斤,当时是就地设炉分层铸造,采用堆土法而建起来,各层之间重叠摆放,没有焊接,整个塔身玲珑隽秀,从上到下,自里而外全生铁浇铸,仅塔刹在清代以青铜重铸.江苏吉鑫风能科技有限公司的展品是目前最大发电功率的3MW轮毂铸件，该产品采用无冒口铸造工艺，可耐-40℃低温，工艺水平和产品质量均达到了世界领先水平。三峡700MW水轮机组配套的大型水轮机叶片在力学性能、表面质量等方面均达世界一流水平第一节铸造形成理论基础流动性和充型能力合金的凝固与收缩铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸造合金的偏析和吸气性一、流动性和充型能力（一）合金的流动性1.流动性流动性是指熔融金属的流动能力。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。2.流动性的影响因素1）合金的种类不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。2）化学成分和结晶特征纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好，见下图a。在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差，见下图b。不同结晶特征的合金的流动性铁碳合金的流动性与相图的关系见下图。图中表明，纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加，其流动性变差。铁碳合金的流动性与相图的关系3）合金的物理性质与合金有关的物理性质有比热容、密度、导热系数、结晶潜热和黏度。液态合金的比热容和密度越大，导热系数越小，凝固时结晶潜热释放得越多，都能使合金较长时间保持液态，因而流动性越好；液态合金的黏度越小，流动时的内摩擦力也就越小，流动性就越好。3）液态合金的温度温度越高，液态合金的流动性就越好，但如液态合金的温度过高，会导致合金的氧化、吸气非常严重，使铸件产生气孔、夹渣、粘砂、缩松、缩孔等缺陷。（二）合金的充型能力1.充型能力概念：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力。合金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响。2.充型能力的影响因素1）铸型条件a）铸型的蓄热能力即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充型能力就越差。2）浇注条件a）浇注系统的结构；b）充型压力；c）浇注温度。b）铸型温度提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差，进而减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。c）铸型中的气体铸型中气体越多，合金的充型能力就越差。d)铸件结构铸件结构越复杂，铸件壁厚越薄，液态金属充型越困难。二合金的凝固与收缩（一）铸件的凝固方式及影响因素1.铸件的凝固方式（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。（2）糊状凝固方式合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。（3）中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。铸件的凝固方式2.凝固方式的影响因素（1）合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固；如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。（2）铸件温度梯度的影响增大温度梯度，可以使合金的凝固方式向逐层凝固转化；反之，铸件的凝固方式向糊状凝固转化。二）铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。它主要包括以下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。（三）影响合金收缩的因素1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸钢的收缩最大，灰铸铁最小。2.浇注温度合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构与铸型条件铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。（四）收缩对铸件质量的影响1.缩孔和缩松（1）缩孔的形成缩孔总是出现在铸件上部或最后凝固的部位，其外形特征是：内表面粗糙，形状不规则，多近于倒圆锥形。通常缩孔隐藏于铸件的内部，有时经切削加工才能暴露出来。缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。缩孔形成过程见下图。缩孔形成过程示意图（2）缩松的形成宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。缩松形成过程见下图。缩松形成过程示意图（3）缩孔、缩松的防止措施a）采用定向凝固的原则所谓定向凝固或顺序凝固，是使铸件按规定方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。冒口和冷铁的合理使用，可造成铸件的定向凝固，有效地消除缩孔、缩松。定向凝固原则见下图。定向凝固原则：b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺浇注位置的选择应服从定向凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。2.铸造应力、变形和裂纹在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。（1）铸造应力的产生铸造应力按其产生的原因可分为三种：a）热应力铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。b）固态相变应力铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。c）机械应力铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡(箱带）等外力的阻碍而产生的应力。铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。（2）铸造应力的防止和消除措施a）采用同时凝固的原则同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。如下图所示。b）提高铸型温度c）改善铸型和型芯的退让性d）进行去应力退火同时凝固原则：（3）铸件的变形和防止铸件的变形包括铸件凝固后所发生的变形以及随后的切削加工变形。防止铸件变形有以下几种方法：a)采用反变形法可在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。b)进行去应力退火铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。c)设置工艺肋为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺肋。d）采用同时凝固原则。（4）铸件的裂纹及防止a)铸件裂纹的分类及其形貌铸件一般有热裂和冷裂两种开裂方式。热裂是在凝固后期高温下形成的，主要是受到机械阻碍作用而产生的，热裂裂纹一般沿晶界产生和发展，其外形曲折短小，裂纹缝内表面呈氧化色；冷裂是在较低温度下形成的，常出现在铸件受拉伸部位，特别是有应力集中的地方，冷裂常常是穿晶断裂，裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。b）铸件裂纹的防止应尽可能采取措施减小铸造应力；同时金属在熔炼过程中，应严格控制有可能扩大金属凝固温度范围元素的加入量及钢铁中的硫、磷含量，选用收缩率小的合金，改善合金的退让性。三、铸造合金的偏析和吸气性1.偏析铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和比重偏析三类。(1)晶内偏析（又称枝晶偏析）是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。(2)区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。为防止比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。2.铸件中的气孔和合金的气孔（1）侵入性气孔侵入性气孔是由于铸