金属工艺学---铸造

第二篇铸造铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700～前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。铸造是指将室温中为液态但不久后将固化的物质倒入特定形状的铸模待其凝固成形的加工方式。被铸物质多为原为固态但加热至液态的金属（例：铜、铁、铝、锡、铅等），而铸模的材料可以是砂、金属甚至陶瓷。因应不同要求，使用的方法也会有所不同。出土于河南安阳侯家庄武官村。此鼎形制雄伟，重达832.84公斤,高达133厘米,是迄今为止出土的最大最重的青铜器。永乐大钟高6.75m、直径3.3m、重量46.5t的铜钟，是明朝永乐年间（约1420年）铸造的，在世界大钟之林中铸造年代最久远。钟身内外铸满了佛经，经文清晰，排列巧妙，总字数达230184个，是世界上铸字最多的大钟。撞击一下，钟声悠扬悦耳，可传40～50km。四羊方尊【年代】商朝【规格】通高58.3厘米；重达34公斤【出土时间地点】1938年湖南省宁乡县出土【地位】商代方尊的代表铜尊盛行于商代和西周时期，是一种饮酒用具。这件四羊方尊是现存商代青铜方尊中最大的一件，是国家特级文物.被认为是中国青铜铸造史上最杰出的作品之一越王勾践剑越王者旨於赐剑越王州句复合剑越王不寿剑第二篇铸造•铸造：即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得一定形状、尺寸和性能的毛坯或零件的工艺方法,亦称金属的液态成形.铸件：用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。•应用：与其它金属加工方法相比，铸造在机器制造业中应用极其广泛。因为铸造具有如下优点：1.适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯。2.适应范围广：对材料的适应性广，是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造其毛坯或零件的唯一成型工艺；铸件的大小、壁厚、批量几乎不受限制。3.成本低，原材料来源广泛，价格低廉,一般不需要昂贵的设备。•缺点：1.工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制。2.铸件内部组织的均匀性、致密性一般较差。3.铸件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定。4.由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低。•铸造按生产方法分为：砂型铸造和特种铸造，其中砂型铸造是最基本的铸造方法，所生产的铸件要占铸件总量的80%至90％以上。第一章铸造工艺基础•1.优质铸件：•2.决定铸造缺陷的因素：•3.合金铸造性能：包括：合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。1.1液态合金的充型•充型：•液态合金的充型能力：•影响充型能力的主要因素：合金的流动性浇注条件铸型填充条件一、合金的流动性液态合金本身的流动能力----合金流动性流动性对铸件质量影响影响流动性的因素主要是化学成分:1纯金属流动性好:一定温度下结晶,凝固层表面平滑,对液流阻力小2共晶成分流动性好:恒温凝固,固体层表面光滑,且熔点低,过热度大.3非共晶成分流动性差:结晶在一定温度范围内进行,初生数枝状晶阻碍液流改善金属的流动性加快凝固中液体的补缩排除内部夹杂物和气体形成轮廓清晰、薄壁复杂的铸件有利于合金的充型能力测试合金充型能力的方法:如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好.几种不同合金流动性的比较*铸铁的流动性*铸钢的流动性实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。比较下面几种合金流动性能•二、浇注条件1浇注温度:∴t↑提高充型能力.但过高,易产生缩孔,粘砂,气孔等,故不宜过高2充型压力:液态合金在流动方向上所受的压力↑充型能力↑•如砂形铸造---直浇道,静压力.压力铸造,离心铸造等充型压力高.T浇注↑t凝固↑流动性↑δ粘度↓充填路径↑充型能力↑P充型↑V流动↑充型能力↑浇不足:不能得到完整的零件。冷隔:金属液充型后，在金属液的交接处融合不好，而且在铸件中产生穿透的或不穿透的缝隙称为冷隔。或没完整融合缝隙或凹坑,机械性能下降。•三、铸型填充条件1铸型材料导热能力:导热↑金属降温快,充↓如金属型2铸型温度:t↑充↑如金属型预热3铸型中气体:排气能力↑充↑减少气体来源,提高透气性,少量气体在铸型与金属液之间形成一层气膜,减少流动阻力,有利于充型.4铸型结构:若不合理,如壁厚小或有大的水平面,直浇口低,浇口小等充↓折算厚度：折算厚度也叫当量厚度或模数,是铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填.(大平面铸件不易成形)复杂程度：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。铸件的凝固方式：1.2铸件的凝固与收缩铸件的凝固过程：在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。凝固方式有：逐层凝固,糊状凝固,中间凝固.一、铸件的凝固方式逐层凝固纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。糊状凝固铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。中间凝固大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。逐层凝固：合金的充型能力强，便于防止缩孔和缩松（灰铸铁、硅铝合金）糊状凝固：难以获得结晶紧实的铸件（球墨铸铁、铜铝合金）影响凝固的主要因素*合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度：在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其凝固区相应由宽变窄。二、铸造合金的收缩合金的收缩的过程:合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。合金的收缩给铸造工艺带来许多困难，会造成许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松、裂纹、变形等）。合金收缩的三个阶段铸件温度降低浇注温度室温凝固终止温度开始凝固温度液态收缩凝固收缩固态收缩体积收缩线收缩收缩率：体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。%100110VVVV体积收缩率：%100110LLLL线收缩率：其中V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。3.3～4.20.13.614003.50灰口铸铁5.4～6.34.22.414003.00白口铸铁7.863.01.616100.35碳钢固态收缩（％）凝固收缩（％）液态收缩（％）浇注温度（℃）碳含量（％）合金种类表2-2典型合金的收缩率εV合金的收缩合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶线形收缩裂纹变形应力影响收缩的因素铸型条件铸件结构浇注温度化学成分(c含量)合金收缩三、铸件中的缩孔与缩松缩孔:纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金,浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生容积较大的孔洞。产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。缩松：指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。产生原因：当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。另外，缩松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，缩松内表面应该是光滑，近似球状。消除缩孔和缩松的方法定向凝固原则使铸件让远离冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。原理合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法合理应用冒口、冷铁等工艺措施。危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。上下冒口冷铁冒口、冷铁的设置冒口、冷铁共用法•为避免铸件出现缺陷而附加在铸件上方或侧面的补充部分。在铸型中，冒口的型腔是存贮液态金属的容器，其功能是多方面的。功能不同的冒口，其形式、大小和开设位置均不相同，所以，冒口的设计要考虑铸造合金的性质和铸件的特点。对于凝固过程中体积收缩不大的合金(如灰铸铁)，或不产生集中缩孔的合金（如锡青铜），冒口的作用主要是排放型腔中的气体和收集液流前沿混有夹杂物或氧化膜的金属液以减少铸件上的缺陷。这种冒口多置于内浇口的对面,其尺寸也不必太大。如图是单体铸造的活塞环，在内浇口的对面设置一个小冒口来收集冷金属，该处就不会因金属过冷而出现白口组织，导致铸件报废。这类冒口的大小和设置部位，应根据铸件的显微组织要求确定。定向凝固原则解决缩孔的方法1.3铸造内应力、变形与裂纹内应力热应力机械应力变形裂纹铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇注系统、冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。残余热应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。热应力的形成过程先冷却部分形成压应力，后冷却部分形成拉应力。热应力的消除方法铸件的结构：铸件各部分能自由收缩工艺方面：采用同时凝固原则时效处理：人工时效；自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀原理：减少各部分温差，均匀冷却。机械应力：机械应力会导致形成裂纹,应适时开箱加以解决。提高铸型和型芯的退让性。预防方法：退让性：铸件冷却收缩时，铸型、型芯不阻碍其收缩的性质。铸件的变形原因结论：厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。薄部、表面受压应力，出现外凸变形。防止变形的方法：与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。壁厚均匀，形状对称，同时凝固。反变形法时效处理铸件的裂纹与防止（1）热裂纹：高温下形成裂纹。特征：裂纹短，缝宽，形状曲折。缝内呈氧化色，无金属光泽，裂缝沿晶界通过，多发生在应力集中或凝固处。灰铁，球铁热裂少，铸钢、铸铝、白口铁大。原因：①凝固末期，合金呈完整骨架+液体，强度、塑性↓；②合金含S—热脆；③铸型退让性不好。预防：设计结构合理,改善退让性,控制含S量。（2）冷裂纹：低温下产生的裂纹。特征：裂纹细，直线或圆滑曲线，裂口干净，金属光泽，有时呈轻微氧化色。原因：复杂大工件受拉应力部位和应力集中处易发生；材料塑性差；P—冷脆。预防：合理设计，减少内应力，控制P含量，提高退让性。铸件特殊位置的裂纹示意图裂纹的常见部位：1.4铸件中的气孔•气孔的形成：•气孔对铸件质量的影响：减少有效截面积、造成局部应力集中、降低力学性能。一、析出性气孔1.形成：在冷凝过程中，H2等的溶解度降低，从液态合金中逸出，由于粘度增加而留在铸件中形成析出性气孔。2.特点：分布面积大，有时遍及整个截面；常直径小于1mm，称为“针孔”，既降低了力学性能，又影响了铸件的气密性；在压力下，易渗漏、裂纹。3.防止：浇注前的“除气处理”；对炉料的除油污和水份，浇注用具要烘干、铸型水分不高。二、浸入性气孔1.形成：砂型或砂芯在浇注时产生的气体聚集在型腔表层浸入金属液内所形成的气孔。2.特点：多出现在铸件局部上表面附近；尺寸较大、椭圆或梨形，表面被氧化。3.防止：提高型砂的透气性、增加铸砂的排气性。三、反应性气孔1.形成:高温金属液与铸型材料、冷铁、熔渣之间的化学反应形成的气体留在铸件内形成的气孔。2.分类：皮下气孔：