铸造生产工艺.ppt

热加工基础热加工基础第一章第一章 铸造生产铸造生产l三院制造系热加工基础张虎第一章第一章 铸铸 造造l第一节合金的铸造性能第一节合金的铸造性能l 第二节常用合金铸件的生产第二节常用合金铸件的生产l 第三节砂型铸造第三节砂型铸造l 第四节特种铸造第四节特种铸造l 第五节零件结构的铸造工艺性第五节零件结构的铸造工艺性热加工基础张虎铸造概念铸造概念引言引言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。图1 砂型铸造 热加工基础张虎2、铸造优缺点l优点：优点：l1）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。热加工基础张虎l缺点：缺点：l1）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。热加工基础张虎铸造产品 图2 铸造产品热加工基础张虎铸造技术的应用铸造技术的应用l我国铸造生产有着悠久的历史。l早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百年前，铸铁工具已经相当普遍。l例如，始建于公元856年的河北正定隆兴寺内的铜佛菩萨，高22m余，42臂，重120t，是我国古代最大的佛像，且造型生动逼真，是一尊难得的佛教艺术珍品；热加工基础张虎l再如制造于公元953年的河北沧州铁狮子，身高5.4m,长6.5m,宽3m,重40t,颈下及体外铸有“狮子”“大周广顺二年铸”等字样，腹内还铸有金刚经文，雄伟壮观，具有极高的艺术价值，充分体现了我国古代劳动人民精湛的铸造技艺。l大量历史文物显示出我国古代劳动人民在世界铸造史上作出的卓越贡献，如泥型、金属型、失蜡型三大铸造技术就是我国的创造。热加工基础张虎第一节合金的铸造性能l铸造性能是合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能，它是合金的流动性、收缩性、偏析和吸气性等性能的综合体现。l其中流动性和收缩性对铸件的质量影响最大。热加工基础张虎铸造性能内容包括:l1、流动性和充型能力l2、合金的凝固与收缩l3、铸造合金的偏析和吸气性热加工基础张虎（一）合金的流动性l1、流动性流动性是指熔融金属的流动能力。l它是影响熔融金属充型能力的因素之一热加工基础张虎流动性对铸件质量的影响流动性对铸件质量的影响l流动性好的合金，易于充满薄而复杂的铸型型腔，便于浇注出轮廓清晰的铸件，减少浇不到、冷隔等缺陷；l有利于液体金属中气体和非金属夹杂物的上浮与排出，减少气孔、夹杂缺陷的产生；l有利于对合金冷凝过程中所产生的收缩进行补缩，从而减少铸件中诸如缩孔、缩松及凝固后期所产生的热裂纹等铸造缺陷。l因此，在铸件设计、选择合金和制定铸造工艺时，常常需要考虑合金的流动性。热加工基础张虎流动性的评价标准：流动性的评价标准：l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。热加工基础张虎流动性螺旋形式样流动性螺旋形式样热加工基础张虎流动性的影响因素流动性的影响因素l流动性是合金本身的属性，其影响因素很多，主要包括合金的种类、成分、结晶特征及其它物理性能。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。热加工基础张虎常用合金流动性常用合金流动性热加工基础张虎2）化学成分和结晶特征l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，见图3a。图3 不同结晶特征的合金的流动性 热加工基础张虎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，见图3b。图3 不同结晶特征的合金的流动性 热加工基础张虎铁碳合金的流动性与相图的关系见图4。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。图4 铁碳合金的流动性与相图的关系热加工基础张虎l合金液的粘度、结晶潜热、热导率等物理性能对流动性都有影响l如高铬耐热钢钢液因含较多的Cr2O3，使粘度显著增大，流动性很差。热加工基础张虎铁碳合金相图铁碳合金相图热加工基础张虎（二）合金的充型能力1.充型能力考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。l即液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。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。热加工基础张虎若充型能力不足产生的缺陷：若充型能力不足产生的缺陷：l若充型能力不足，已形成的晶粒可能将金属流动的通道堵塞，产生浇不到、冷隔等类缺陷，造成废品。热加工基础张虎2.充型能力的影响因素充型能力的影响因素l合金的流动性对充型能力的影响最大，此外，铸型和工艺条件也会改变合金的充型能力。热加工基础张虎1）铸型填充条件）铸型填充条件l铸型的阻力将阻碍合金液的流动l铸型与合金液之间的热交换又将影响合金保持流动的时间l故铸型对充型能力有显著影响热加工基础张虎la）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。l如金属型铸造较砂型铸造容易产生浇不到等缺陷。热加工基础张虎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。热加工基础张虎2）浇注条件）浇注条件a)浇注温度浇注温度对合金的充型能力有着决定性的影响。在一定范围内，随着浇注温度的提高，合金液的粘度下降，且在铸型中保持流动的时间增长，充型能力增加。对薄壁铸件或流动性较差的合金，为防止浇不到和冷隔等缺陷的产生，可适当提高浇注温度。热加工基础张虎l浇注温度过高的缺陷：l浇注温度过高，液态合金的收缩增大，吸气量增加，氧化严重，容易导致产生缩孔、缩松、气l孔、粘砂、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，尽量降低浇注温度。热加工基础张虎l常用金属浇铸温度：l灰铸铁的浇注温度为1230C-13800C，l铸钢为1520C-1620Cl铝合金为680-780C。l复杂薄壁件取上限，厚大件取下限。热加工基础张虎lb）充型压力l液态合金在流动方向上所受的压力越大，其充型能力越好。l砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力取得的，故增加直浇道的高度可有效地提高充型能力。l特种铸造中（压力铸造、低压铸造和离心铸造等），是用人为加压的方法使充型压力增大，充型能力提高。l浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力就越低。热加工基础张虎l3）铸件结构l铸件的结构对充型能力也有相当的影响。铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂，有大的水平面时，都将会影响合金的充型能力。充型能力低。l改善充型能力的措施:l选用流动性好的合金，提高浇注温度和压头、合理设计浇注系统和改进铸件结构。热加工基础张虎二 合金的凝固与收缩l浇入铸型的金属液在其后的冷却凝固过程中，体积将会缩减。l如果这种收缩得不到及时地补足，将在铸件中产生缩孔或缩松缺陷。l常见缺陷：铸件缩孔或缩松、热裂、析出性气孔、偏析、非金属夹杂等缺陷热加工基础张虎（一）铸件的凝固方式及影响因素（一）铸件的凝固方式及影响因素l1.铸件的凝固方式铸造合金大都在一定温度范围内（状态图中的液相线到固相线之间）结晶凝固。l凝固过程中的三区域：液相区、固相区和液固两相区（又称凝固区）l凝固区对铸件质量的影响最显著l根据液固两相区的宽窄将铸件的凝固方式分为：逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。热加工基础张虎l（1）逐层凝固方式l合金在凝固过程中，其铸件断面上的凝固区域宽度趋于零，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。l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。热加工基础张虎逐层凝固方式的优点逐层凝固方式的优点l呈逐层凝固方式的合金，其凝固前沿与液态金属接触（或凝固区域很窄），凝固阶段发生的收缩能及时得到液体的补足，故易获得组织致密的铸件；l如果凝固层因收缩受阻而产生了晶间裂纹，也很容易得到未凝固金属液的填补而弥合起来，从而大大减少了铸件的热裂缺陷；l呈逐层凝固方式的合金，具有良好的流动性，便于浇注出轮廓清晰的铸i件。热加工基础张虎 铸件凝固方式铸件凝固方式热加工基础张虎l（2）糊状凝固方式条件：如果合金的凝固温度范围很宽，或铸件断面温度曲线较平坦，则其凝固区很宽，甚至在铸件凝固的某段时间内，液固并存的凝固区贯穿整个铸件断面。l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。l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。热加工基础张虎糊状凝固方式缺陷糊状凝固方式缺陷l呈糊状凝固的铸件在铸件中留下了许多分散的小孔洞（缩松）。l呈糊状凝固方式的合金难以获得组织致密的铸件l糊状凝固的合金树枝晶较发达，且过早地连成骨架，并开始线收缩，铸件易产生热裂l液体中较发达的枝晶增大了流动阻力，使合金的流动性降低。热加工基础张虎凝固方式凝固方式热加工基础张虎（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。热加工基础张虎 图5 铸件的凝固方式凝固方式凝固方式热加工基础张虎2.凝固方式的影响因素凝固方式的影响因素l影响铸件凝固方式的主要因素是合金的凝固温度范围和铸件结晶时的温度梯度。热加工基础张虎l（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。l凝固区域的宽度取决于合金的凝固温度范围铸件的温度梯度由合金的化学成分确定l纯金属或共晶成分合金为逐层凝固热加工基础张虎l温度梯度是凝固方式的重要调节因素l逐层凝固措施：l加大铸型的蓄热能力和激冷能力以及降低金属液的浇注温度，都可以增大铸件断面的温度梯度。l结论：倾向于逐层凝固的合金便于铸造，容易生产出优质铸件，故应尽量选用；当必须选用倾向于糊状凝固的合金时，则可考虑采用适当的工艺措施，提高铸件断面的温度梯度，以减小其凝固区域。热加工基础张虎（二）（二）铸造合金的收缩铸造合金的收缩l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。l收缩是铸造合金的物理性能，是多种铸造缺陷（缩孔、缩松、残余内应力、变形、裂纹）产生的基本原因。l合金的收缩量通常用体收缩率或线收缩率来表示热加工基础张虎热加工基础张虎l冷却收缩经历如下三个阶段：l1.液态收缩l金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。l铸造合金的浇注温度一般控制在高于液相线50-150。2.凝固收缩l熔融金属在凝固阶段的体积收缩。l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l金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。l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。热加工基础张虎l（三）影响合金收缩的因素合金的总体积收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和l主要影响因素有合金的化学成分、浇注温度、铸型结构和铸型条件等。1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。石墨质量体积大，使铸铁体积膨胀在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小热加工基础张虎铁碳合金的体积收缩率铁碳合金的体积收缩率热加工基础张虎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。热加工基础张虎l（四）收缩对铸件质量的影响1.缩孔和缩松铸件凝固过程中，其液态收缩和凝固收缩所减少的体积如果得不到及时的补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。l大而集中的孔洞叫缩孔，l细小而分散的孔洞叫缩松l影响：缩孔和缩松降低铸件的力学性能和气密性，严重时可能使铸件成为废品。热加工基础张虎l（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。l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。缩孔形成过程见图6。l缩孔形成的主要原因是液态收缩和凝固收缩。热加工基础张虎 图6 缩孔形成过程示意图缩孔形成过程示意图热加工基础张虎l纯金属和接近共晶成分的金属易形成缩孔，现以圆柱形铸件为例说明缩孔的形成过程，见图1-6l液态金属充满铸型型腔，降温时发生液态收缩，其减小的体积可以从浇注系统中得到补尝，见图1-6al由于铸型的吸热，靠近型腔表面的金属率先凝固结壳，此时内浇道被冻结，见图1-6b热加工基础张虎l体系向外界散失热量，凝固层加厚，但封闭于硬壳内的液体金属因液态收缩和补充凝固层的凝固收缩，体积减小，液面下降，硬壳内出现空隙，见图1-6cl铸件凝固依次进行，硬壳层逐渐加厚，液面不断下降。此时若下降的液面得不到液体金属的补足，当铸件全部凝固后，在其上部形成了一个倒圆锥形的孔洞缩孔，见图1-6d.热加工基础张虎l已形成缩孔的铸件继续冷却到室温时，由于固态收缩，铸件的外形轮廓有所减小，缩孔的体积亦有所减小，但缩孔体积与铸件体积的比值保持不变，缩孔被保留下来，见图1-6e热加工基础张虎l（2）缩松的形成）缩松的形成 缩松是分散在铸件某区域内的细小孔洞，可分为缩松是分散在铸件某区域内的细小孔洞，可分为宏观缩松和显微缩松宏观缩松和显微缩松两种两种l凝固范围较宽的合金有一个较宽的液固两相区，凝固范围较宽的合金有一个较宽的液固两相区，继续凝固时，晶体不断长大，直至互相接触，此继续凝固时，晶体不断长大，直至互相接触，此时互相接触的固体将液相分割成许多封闭的小区，时互相接触的固体将液相分割成许多封闭的小区，封闭区内的金属液凝固收缩时无法得到补充，故封闭区内的金属液凝固收缩时无法得到补充，故最后形成一个个微小的分散孔洞，即缩松。最后形成一个个微小的分散孔洞，即缩松。l宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩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，松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。缩松。缩松形成过程见图形成过程见图7。热加工基础张虎 图7 缩松形成过程示意图缩松形成过程示意图热加工基础张虎l不同铸造合金形成缩孔和缩松的倾向不同：l纯金属和接近共晶成分的合金倾向于逐层凝固方式，容易产生集中的缩孔；l凝固温度范围较宽的合金，如白口铸铁，则倾向于糊状凝固方式，容易产生分散的缩松。l在生产中可以采取一定的工艺措施，控制铸件的凝固方式，使铸件中的缩孔和缩松在一定的范围内互相转化。热加工基础张虎（3）缩孔、缩松的防止措施产生缩孔、缩松的主要原因是液、凝固态收缩a）采用定向凝固的原则l所谓定向凝固，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。定向凝固原则见图8。l冒口是指铸型中储存供补缩用熔融金属的空腔，也指该空腔中充填的金属热加工基础张虎 图8 定向凝固原则定向凝固原则热加工基础张虎l冒口和冷铁的合理使用，可消除铸钢、高强度铸铁和可锻铸铁等浇铸的索孔和缩松l定向凝固的缺陷：使铸件各部分的温差加大，容易导致变形、裂纹等缺陷的产生。热加工基础张虎b）合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺l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。以减少金属的液态收缩量。热加工基础张虎冒口、冷铁的应用冒口、冷铁的应用热加工基础张虎l2.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。热加工基础张虎l（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l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。l铸件的各部分壁厚不均匀，则各部分的冷却速度不同，在同一时期内铸件各部分的收缩不一致。但铸件各部分彼此相连，相互制约，不能自由收缩，因而产生热应力。热加工基础张虎框形铸件热应力的形成过程框形铸件热应力的形成过程热加工基础张虎l上图中Tk是金属弹、塑性转变的临界温度（例如钢和铸铁为620-650C)，合金在此温度之上处于塑性状态，其下则处于弹性状态l塑性阶段(t0-t1）l弹、塑性阶段(t1-t2）l以上阶段铸件内不残留应力l弹性阶段(t2-t3)残留应力热加工基础张虎l结论：铸件壁厚不均匀，凝固冷却后其内将产生残余内应力。内应力的性质为：横截面积较大的厚大部分受到拉伸，产生拉应力；而横截面积较小的细薄部分受到压缩，产生压应力，铸件的壁厚差别越大，合金的线收缩率越高，弹性模量越大，则铸件内产生的热应力就越大。热加工基础张虎lb）固态相变应力l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。l铸件在凝固以后的冷却过程中如果有固态相变发生（例如钢和铸铁的共析转变），则晶体的体积就会发生变化。若此时铸件各部分温度均匀一致，则相变同时发生，可能不产生应力；若铸件壁厚不均，冷却过程中存在着温度差，则各部分的相变不同时发生，其体积变化不均衡而导致产生相变应力。热加工基础张虎lc）收缩应力铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。热加工基础张虎l收缩应力一般为临时应力，随着造成收缩应力原因的解除，如铸件落砂清理后，应力自行消除。但如果收缩应力大于相应温度下的强度极限时将会导致裂纹。l铸造应力是热应力、固态相变应力和收缩应力的矢量和。根据不同情况，三种应力有时互相抵消，有时互相叠加，有的是临时性的，有的则残留下来。l铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。热加工基础张虎l（2）铸造应力的防止和消除措施铸造应力的危害：影响铸件的精度和使用寿命，甚至导致铸件的变形和开裂。l减小和消除铸造应力的方法如下：a）采用同时凝固的原则 工艺措施：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。如图9所示。热加工基础张虎 图9 同时凝固原则同时凝固原则热加工基础张虎l采用同时凝优点：有效地减小铸造应力，同时不用或少用冒口，工艺简单，节省金属。l缺点：凝固往往使铸件中心区域出现缩松，影响铸件的致密性。l应用：同时凝固一般主要应用于收缩较小的合金，如灰铸铁以及对气密性要求不高的铸件。热加工基础张虎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l把零件加温到临界温度以上把零件加温到临界温度以上3050,保保温一段时间温一段时间,然后随炉冷却。然后随炉冷却。l目的：消除应力目的：消除应力;降低硬度降低硬度;细化晶粒细化晶粒;均均匀成分匀成分;为最终热处理作好组织准备。为最终热处理作好组织准备。热加工基础张虎l（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。l）铸件的变形热加工基础张虎铸件变形铸件变形热加工基础张虎）切削加工变形）切削加工变形l经切削加工后产生的变形称为切削加工变形。热加工基础张虎l3)铸件变形的防止l消除铸造应力的工艺措施也是防止变形的根本方法l防止铸件变形有以下几种方法：a)采用反变形法l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。热加工基础张虎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。热加工基础张虎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。热加工基础张虎l（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。l热裂纹是在凝固末期固相线附近的高温下形成的，裂纹沿晶界产生和发展。l当固态合金的线收缩受到阻碍，产生的应力若超过该温度下合金的强度，即产生热裂；热加工基础张虎l热裂纹外形曲折短小，裂纹缝内表面呈氧化色。热裂纹一般分布在铸件上易产生应力集中的部位（内尖角、断面突变处）或铸件热节附近l铸钢件、可锻铸铁件以及某些铸造铝合金件容易产生热裂纹缺陷。热加工基础张虎l冷裂l冷裂是铸件处于弹性状态时，铸造应力超过合金的强度极限而产生的。l冷裂纹常常是穿过晶体而不是沿晶界断裂，裂纹细小，外形呈连续直线状或圆滑曲线状，且裂纹缝内干净，有时呈轻微氧化色。l冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是在有应力集中的地方。l冷裂材质：脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢最易产生裂纹，大型复杂铸件也容易产生冷裂纹。热加工基础张虎l冷裂与应力的关系：l铸件产生冷裂的倾向与铸件形成应力的大小密切相关。影响冷裂的因素与影响铸造应力的因素基本是一致。热加工基础张虎轮形铸件的冷裂轮形铸件的冷裂热加工基础张虎b）铸件裂纹的防止为有效地防止铸件裂纹的发生，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。热加工基础张虎热加工基础张虎l灰铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩甚小，故它们不易产生热裂；而铸钢、白口铸铁，由于其凝固范围较宽，故容易产生热裂缺陷。l钢铁中的硫、磷，因在铸件中形成低熔点的共晶体，扩大了凝固温度范围，故含量越多，热裂倾向越大。热加工基础张虎三、铸造合金的偏析和吸气性三、铸造合金的偏析和吸气性l1.偏析l铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。l铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。热加工基础张虎l(1)晶内偏析晶内偏析（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。l当铸件凝固时，往往初生晶轴上含熔点较高的组元多，l在枝晶的边缘上，含熔点较低的组元多，对于那些凝固范围较大的形成固溶体的合金，其晶内偏析尤为严重。l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。热加工基础张虎(2)区域偏析区域偏析是指铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。l铸件在凝固时，与铸型壁相接触的外部先行凝固，于是靠近型壁的部分高熔点组元含量较多，而中心部分容易富集低熔点的组元和杂质。l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。热加工基础张虎l(3)比重偏析比重偏析l铸件上、下部分化学成分不均匀的现象称为比重偏析。l铸件凝固过程中，如果液相和固相的体积质量相差较大，那么体积质量大的组元下沉，体l积质量小的组元上浮。l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。热加工基础张虎l实例：l球墨铸铁的石墨飘浮、高铝铸铁的铝成分上浮以及铅青铜的上面富铜而下面富铅等现象都是由于体积质量偏析的缘故热加工基础张虎l2.铸件中的气孔和合金的吸气l按照气体的来源，将气孔分为三种类型，即侵人性气孔、析出性气孔和反应性气孔。（1）侵入性气孔l侵入性气孔是由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。热加工基础张虎l侵人铸件中的气体主要来源：造型材料中水分、有机粘结剂和各种附加物。l当高温的金属液浇人铸型，水分急剧蒸发，加之造型材料中有机物的燃烧和挥发，形成了大量的气体。如果铸型的透气性不良，则气体将会侵人金属液内部。l当铸件的表面已经结成硬壳，侵人的气l体尚未逸出，则气体留在铸件内部，形成气孔。热加工基础张虎l预防措施：预防侵人性气孔的基本途径是降低造型材料的发气量和增加铸型的透气性。热加工基础张虎l（2）析出性气孔l析出性气孔是溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。l其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。热加工基础张虎l析出性气孔的产生源于合金的吸气，所谓l合金的吸气，是指熔融金属和固态金属溶解或结合气体的过程。l这类气孔在铸铁件中很少发现，但在非铁合金（主要是铝合金中）和铸钢中则经常存在，约占这两类合金铸件气孔缺陷总量的一半。l3)反应性气孔浇人铸型中热加工基础张虎l析出性气孔产生的主要原因是因为金属在熔炼过程中吸气过多。l减少合金的吸气措施：缩短熔炼时间；选用烘干过的炉料；在熔剂覆盖层下或者在真空条件下熔炼金属；对合金液进行精炼除气处理；提高铸型和型芯的透气性；降低造型材料中的含水量和对铸型进行烘干等。热加工基础张虎3）反应性气孔浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。l这种气孔又称为皮下气孔，它常出现在铸钢件和球墨铸铁件上。热加工基础张虎l铸钢件皮下气孔常呈针状，所以又称针孔。其产生原因在于当灼热的钢液与铸型接触时，发生如下反应lFeHO=FeO十2Hl生成的氢一部分通过铸型逸出，另一部分则向钢液中扩散，使钢液表层的氢浓度达到饱和。另一方面，钢液中的氧化铁和碳发生如下反应lFeOCFe+CO热加工基础张虎l防止针孔的措施：除了减少钢液中的气体含量外，还要控制铸型中的水分含量和增加铸型的透气性，以及冷铁、型芯撑表面不得有锈蚀、油污，并保持干燥。热加工基础张虎l皮下气孔是球墨铸铁的主要铸造缺陷之一，其产生原因是铁液中逸出的镁和铁液表面的硫化镁，与铸型中的水蒸气发生化学反应，生成了氢和硫化氢等气体，这些气体侵入铸件表面l措施：防止球墨铸铁件皮下气孔，除了减少铁液中的含气量外，要严格控制型砂水分，在保证球化的前提下尽量减少镁的加人量。提高浇注温度；在铁液表面覆盖冰晶石粉等对防止皮下气孔也有很好的效果。热加工基础张虎l作业：书p71,110热加工基础张虎第二节常用合金铸件的生产第二节常用合金铸件的生产热加工基础张虎铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些合金中，碳的质量分数超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量。（一）铸铁的分类 1.根据碳在铸铁中的存在形式分类（1）白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁，断口呈银白色。（2）灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。它是工业中应用最广的铸铁。（3）麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现，断口灰白相间。第二节第二节 常用铸造合金常用铸造合金一、铸铁一、铸铁 热加工基础张虎2.根据铸铁中石墨形态分类（1）普通灰铸铁 石墨呈片状，见图10；图1-10 灰口铸铁热加工基础张虎（2）蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状，见图11；图11 蠕墨铸铁热加工基础张虎（3）可锻铸铁 石墨呈团絮状，见图12；图12 可锻铸铁热加工基础张虎（4）球墨铸铁 石墨呈球状，见图13。图13 球墨铸铁热加工基础张虎3.根据铸铁的化学成分分类（1）普通铸铁（2）合金铸铁（二）灰铸铁 1.灰铸铁的显微组织及其性能（1）灰铸铁的显微组织 灰铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与片状石墨组成。灰口铸铁的组织：铁素体+片状石墨铁素体珠光体+片状石墨珠光体+片状石墨热加工基础张虎（2）灰铸铁的性能 a)力学性能 由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，断裂强度通常为120250Mpa；塑性和冲击韧性近于0，属于脆性材料。b)工艺性能 灰铸铁属于脆性材料，不能进行冲压；同时，其焊接性能也很差。但灰铸铁的切削加工性能较好。c)减振性 灰铸铁具有良好的减振性，其减震能力约为钢的510倍。工业上常用它来制造机床床身、机座等。d)耐磨性好 e)缺口敏感性低热加工基础张虎2.灰铸铁的孕育处理 孕育是以少量材料加入熔融金属，促进成核，以改善其组织和性能的方法。加入的材料称为孕育剂。常用的孕育剂是FeSi75，熔点为1300，经孕育处理后的铸铁称孕育铸铁。孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁有显著提高。孕育铸铁适用于对强度、硬度和耐磨性要求较高的重要铸件，尤其是厚大铸件，如床身、凸轮、凸轮轴、气缸体和气缸套等。灰铸铁的孕育处理见图14。图14 灰口铸铁的孕育处理热加工基础张虎（三）可锻铸铁 可锻铸铁是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁。可锻铸铁实际上并非可以锻造，这个名子只表示它具有一定的塑性和韧性。1.可锻铸铁件的微观组织及其性能特点（1）可锻铸铁的显微组织 可锻铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与团絮状石墨组成。（2）可锻铸铁的性能 可锻铸铁的强度一般为300400Mpa，最高可达700 Mpa，同时，可锻铸铁具有一定的塑性和较高的冲击韧度。热加工基础张虎可锻铸铁的铸造性能 可锻铸铁的碳、硅质量分数低，熔点比灰铸铁高，凝固温度范围大，故铁液的流动性差，必须适当提高铁液的出炉温度，以防产生冷隔、浇不到等缺陷。同时，可锻铸铁的凝固过程没有石墨化膨胀阶段，体积收缩和线收缩较大，易形成缩孔和裂纹等缺陷。在设计铸件时除应考虑合理的结构形状外，在铸造工艺上应采用定向凝固的原则设置冒口和冷铁，适当提高型砂的耐火度，退让性和透气，为挡住熔渣，在浇注系统中应安放过滤网。热加工基础张虎（四）球墨铸铁 球墨铸铁是铁液经过球化处理后使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。1.球墨铸铁的组织与性能（1）球墨铸铁的显微组织 球墨铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与球状石墨组成。（2）球墨铸铁的性能 球墨铸铁不仅强度远远高于灰铸铁，优于可锻等铁，甚至可与钢媲美，尤其屈强比（一般大于0.7）明显高于碳钢（仅0.6左右），疲劳强度与中碳钢接近，而且其耐磨性远高于45钢表面淬火。球墨铸铁还具有优良的热处理性能，球墨铸铁的铸造性能、减振性、切削加工性及缺口敏感性较灰铸铁差，但仍优于铸钢。其塑性和韧性虽低于钢，但仍能满足一般零件的要求。热加工基础张虎球墨铸铁的铸造工艺特点球墨铸铁的铸造性能介于灰铸铁与铸钢之间。其流动性与灰铸铁相近，可生产壁厚3mm4mm铸件。球墨铸铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀，在铸造工艺上应采用定向凝固原则，用干型或水玻璃砂快干型提高铸型的强度，并增设冒口以加强补缩。球墨铸铁凝固时有较大的内应力、变形和冷裂倾向，故对重要的球墨铸铁件要退火以消除应力。（五）蠕墨铸铁 指大部分石墨为蠕虫状石墨的铸铁。蠕墨铸铁的力学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间。热加工基础张虎（一）铸钢的种类与性能 铸钢按化学成分的不同，可分为以下两大类：1.碳素铸钢 指以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。根据碳质量分数的高低可分为低碳、中碳和高碳铸钢。铸钢的强度与球墨铸铁相近，但铸钢的冲击韧度和疲劳强度都高得多，另外，铸钢的焊接性能远比铸铁优良。2.铸造合金钢 对于具有较高力学性能或某些特殊性能要求的零件或工具，可采用合金铸钢（即铸造合金钢）。合金铸钢按其合金质量分数可分为低合金铸钢和高合金铸钢。二 铸钢热加工基础张虎（二）铸钢的铸造工艺特点 1.钢液的流动性差 其铸件壁厚不能小于8mm，且浇注系统应力求简单、截面尺寸要比铸铁大、铸型常用干型。此外，铸钢件晶粒粗大，热裂、气孔和粘砂等倾向大，故应根据具体情况确定合适的浇注温度。一般小件、薄壁及形状复杂的铸件，其浇注温度比钢的熔点高150左右；大件、厚壁铸件的浇注温度比钢的熔点高100左右。2.铸钢的体积收缩率和线性缩率大 铸钢的体积收缩率为10%-14%，线收缩率为1.8%-2.5%。3.易吸气氧化和粘砂热加工基础张虎（三）铸钢件的热处理 为了细化组织，消除内应力，改善偏析，提高铸件的力学性能，必须对铸钢件进行正火或退火处理。正火的力学性能较退火高，且生产率高、成本低、应尽量采用正火代替退火。但正火较退火的内应力大，因此形状复杂、易产生裂纹、硬化的铸钢件，则需退火。对于小型中碳钢铸件，则常用调质处理，以提高其综合力学性能。热加工基础张虎（一）铝合金铸造 1.铸造铝合金的种类 按化学成分的不同，铸造铝合金可分为铸造铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金。2.铝合金的铸造工艺特点（1）铸造铝合金熔点低、流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值，还可浇注薄壁复杂铸件。（2）为防止铝液在浇注过程中的氧化和吸气，通常采用开放式浇注系统及应用，蛇形直浇道和缝隙内浇道等。（3）应能造成合理的温度分布，使铸型进行定向凝固，并在最后凝固部分设置冒口进行补缩，以消除缩孔和缩松。三有色金属铸造热加工基础张虎（二）铜合金铸件的生产 1.铜合金种类 铸造铜合金按其成分不同可分为黄铜和青铜。2.铜合金的铸造工艺特点（1）铸造黄铜熔点低、结晶温度窄（30-70），流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值、减小加工余量，并可浇注薄壁铸件。但其收缩率大、容易产生集中缩孔，铸造时应配置较大的冒口。（2）锡青铜在液态下易氧化，在开设浇道时，应尽力使金属液流动平稳、防止飞溅，故常用开放式及底注式浇注系统。锡青铜的凝固温度宽（150-200），凝固收缩和线收缩率小，虽不易产生大的集中缩孔，但常出现枝晶偏析与缩松，降低铸件的致密度。这种缩松便于储存润滑油，适宜制造滑动轴承。壁厚不大的锡青铜铸件常采用同时凝固原则，锡青铜适合采用金属型铸造，利用快速冷却与补缩，铸件结晶细小致密。热加工基础张虎（3）铝青铜的凝固温度范围小，有利于提高流动性和铸件组织致密度，是青铜的代用材料，广泛应用于制造重要的齿轮、轴套、蜗杆和阀体等铸件。但铝青铜的收缩较大，易产生集中缩孔，为此需安置冒口、定向凝固。又因液态铝青铜易氧化吸气，故宜采用开放式及底注式浇注系统，且浇注时不能断流。此外，浇注系统中还应安放过滤网以除去浮渣。（4）铅青铜浇注时，因铅体积质量大会下沉，故需控制浇注温度，且浇注前应充分搅拌，并加快铸件冷却以减小偏析。热加工基础张虎用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，其主要工序包括：制造模样，制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。一、造型方法的选择二、铸造工艺设计第三节 砂型铸造热加工基础张虎用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。（一）手工造型（一）手工造型手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低，但其铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高，所以手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。1.手工造型方法分类根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。各种手工造型方法的示意图如图1-15所示。2.各种手工造型方法的主要特征及其适用范围一、造型方法的选择热加工基础张虎两箱造型两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。a)两箱造型热加工基础张虎三箱造型三