金属工艺学金属工艺学 铸造基础铸造基础史晓帆第一节第一节 概述概述 第二节第二节 铸造的工艺基础铸造的工艺基础第三节第三节 砂型铸造砂型铸造第四节第四节 砂型铸造的缺陷砂型铸造的缺陷第二章第二章 铸铸 造造司母戊鼎是中国目前已发现的最重的青铜器。司母戊鼎含铜84.77、锡11.64、铅27.9。充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。青铜器时代青铜器时代秦陵铜车马严格按真车马的制作。造型精美，比例恰当，装饰华丽，工艺精湛，形体庞大，所以很多专家学者把它称之为“青铜之冠”。马踏飞燕1969年，在甘肃武威出土。中年，在甘肃武威出土。中国雕塑史上的不朽之作。国雕塑史上的不朽之作。1984年，定为中国旅游标志图年，定为中国旅游标志图形。形。2002年，年， “马踏飞燕马踏飞燕”的仿制的仿制品作为国礼赠布什。品作为国礼赠布什。铸造的生产特点：铸造的生产特点：形状相似、尺寸相近形状相似、尺寸相近复杂外形、复杂内腔复杂外形、复杂内腔尺寸、重量几乎不受限制尺寸、重量几乎不受限制手工造型适应单件或小批量生产手工造型适应单件或小批量生产机器造型适应批量生产机器造型适应批量生产 铸造的生产特点铸造的生产特点 铸造生产的缺点：铸造生产的缺点：生产过程复杂、废品率高生产过程复杂、废品率高铸件晶粒粗大铸件晶粒粗大硬度低，塑性、韧性差硬度低，塑性、韧性差缩孔、缩松、变形、裂纹多缩孔、缩松、变形、裂纹多铸件的生产过程钢铁生产过程铸造金属熔炼液态合金的工艺特性缩孔与缩松铸造应力、变形、裂纹钢铁生产过程钢铁的生产过程是一个由铁矿石炼成生铁、再由生铁炼成钢液并浇注成钢锭的过程。1 炼铁炼铁炼铁在高炉中进行，其过程为：加料、加热、化学反应炼铁的产品有：炼钢生铁用来炼钢铸造生铁用来铸造2 炼钢炼钢将生铁中多余的碳和其它杂质氧化成氧化物，并使其随炉气或炉渣一起去除。炼好的钢液，部分浇入连续铸锭机，铸成“钢坯”直接用来轧制钢材部分浇注到钢锭模内铸成一定形状和尺寸的钢锭炉渣的密度小，浮在铁液之上炉渣的密度小，浮在铁液之上炉渣和铁液分别从高炉下部的出口排出炉渣和铁液分别从高炉下部的出口排出比例配成炉料，由加料车送入炉内，形成料柱比例配成炉料，由加料车送入炉内，形成料柱9001200的热风，使焦碳燃烧的热风，使焦碳燃烧铸造金属熔炼铸造金属熔炼熔炼是液态金属铸造成形技术过程中的一个重要环节，与铸件的品质、生产成本、产量、能源消耗以及环境保护等密切相关。在熔炼中，多种固态金属的炉料（废钢、生铁、回炉料、铁合金、有色金属等）按比例搭配装入相应的熔炉中加热熔化，通过冶金反应，转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成形要求的液态金属。金属熔炼的几种生产方式冲天炉！冲天炉！利用电极与金属炉料之间电弧产生的热能，通过辐射、传导和对流传递给炉料，加热、熔化固体炉料，并使金属液过热，从而实现熔炼目标的一种设备，主要用于钢、铸铁的熔炼。（高熔点）电弧炉熔炼感感应应电电炉炉熔熔炼炼感应线圈通以交变电流，则因交变磁场的作用，使短路连接的金属炉料产生强大的感应电流，电流流动时，为克服金属炉料表层的电阻面产生热量，致使金属炉料加热熔化。坩埚炉主要用于有色金属的熔炼，如铜合金、铝合金、镁合金、低熔点轴承合金等。浇注金属熔化后，液态金属通过浇注系统充填铸型型腔的过程称为浇注过程。1.浇注压力（1）高压215MPa，适用于薄的截面且对品质要求高的铸件（2）低压0.120.3MPa，金属型铸件。（3）重力（常压）普通铸件2.浇注系统浇注系统是铸型中液态金属注入铸型型腔的通道。浇注系统的主要功能：（1）将金属液由浇包导入型腔。（2）挡渣及排除铸型型腔中的空气及其它气体。（3）调节温度分布，控制凝固顺序。（4）保证充型时间、压力、速度。浇注系统的组成直浇道：直浇道：锥度以保证流速，排出空气横浇道：横浇道：将直浇道的金属液分配至内浇道内浇道：内浇道：将金属液引入型腔将金属液引入型腔 浇口杯：浇口杯：缓解金属液冲蚀，阻挡熔渣金属液导入型腔的位置，浇注系统可分为底注式、顶注式、中注式、阶梯式等，见下图。浇注的不同形式浇注后的冷凝浇注入铸型型腔的液态金属，随温度的降低，将经历由液态向固态的转变过程，即冷凝过程。金属的凝固过程金属的凝固过程：晶核的形成和晶粒的长大。金属的冷凝的缺陷金属的冷凝的缺陷：溶液体积收缩是导致铸件在最后凝固部分产生缩孔、缩松的基本原因；而固态收缩是铸件变形、产生内应力和裂纹的主要原因。避免缩孔、缩松措施避免缩孔、缩松措施：合理放置冒口和冷铁以保证铸件质量。液态合金的工艺性能液态合金的工艺性能工艺性能：指符合某种生产工艺要求所需要的性能。铸造性能：液态合金在铸造生产过程中所表现出来的工艺性能。铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力。铸造性能常用流动性、收缩性等来衡量。液态合金的流动性液态合金的流动性：液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，又称做“充型能力”。液态合金的流动性愈好液态合金的流动性愈好：易于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除，否则易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷。螺旋形试样常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢最差常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢最差在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！常用合金的流动性（砂型，试样截面88mm）合金种类铸型种类浇注温度（）螺旋线长度（mm）铸铁C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢C=0.4%砂型砂型16001640100200铝硅合金（铝硅明）镁合金（含Al及Zn）锡青铜（Sn=10%,Zn=2%）硅黄铜（Si=1.54.5%）金属型（300）砂型砂型砂型680720700104011007008004006004201000 材料材料 浇注条件浇注条件 铸型条件铸型条件浇注温度浇注温度充型压力充型压力铸型铸型铸型温度铸型温度铸型中气体铸型中气体影响液态合金流动性的因素结晶越慢，流动性越好。结晶越慢，流动性越好。铁碳合金随铁碳合金随C C上升，流动性越好上升，流动性越好温度上升，粘度下降，充型能力强温度上升，粘度下降，充型能力强薄壁铸件、或流动性较差合金，薄壁铸件、或流动性较差合金，浇注温度提高，或充型压力提高浇注温度提高，或充型压力提高材料：导热快，冷却快，流动性差材料：导热快，冷却快，流动性差壁厚：铸件的壁厚必须大于规定的最壁厚：铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值小允许壁厚值 形状：力求形状简单形状：力求形状简单 提高流动性的方法铸型的特点铸型的特点：1材料铸型材料的导热快，液态合金的冷却速度快，流动性差液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差；2壁厚、形状铸件壁厚过小，形状复杂，会增加液态合金的流动阻力，流动性差设计铸件时，铸件的壁厚壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值最小允许壁厚值，并力求形状简单浇注条件浇注条件：型砂含水分多或铸型透气性差，会使浇注时产生大量气体且又不能及时排出，造成型腔内气体压力增大气体压力增大，使液态合金流动的阻力增加，从而降低合金的流动性。因此提高铸型的透气性，减少型砂的水分水分，多设出气口出气口等，有利于提高液态合金的流动性。提高流动性的方法浇注温度浇注温度浇注温度愈高，液态合金的粘度愈低，液态合金的流动性提高。提高浇注温度是生产中减少薄壁铸件的浇不足、冷隔浇不足、冷隔等缺陷的重要措施。但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷。在保证铸件薄壁部分能充满的前提下，浇注温度不宜过高。各种合金的浇注温度范围是：铸铁为12301450；铸钢为15201620；铝合金为680780。薄壁复杂件取上限，厚大件取下限。充型不足充型不足合金收缩的概念合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，是铸件中缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。液态金属从浇注温度冷却到常温，其收缩过程如图所示的三个阶段：凝固收缩浇注温度液相线固相线固态收缩液态收缩缩孔、缩松缩孔、缩松内应力、变形和裂纹内应力、变形和裂纹合金的收缩的影响因素合金的收缩与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。（1）化学成分碳钢随含碳量增加，凝固温度范围扩大，收缩量随之增大。（2）浇注温度浇注温度愈高，过热度愈大其液态收缩量增加（3）铸型条件和铸件结构1铸件在铸型中是铸型和型芯阻碍影响收缩受阻收缩2铸件壁厚不同，壁在型内所处的位置不同，其冷却速度也不同。3冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。缩孔和缩松液态金属在冷凝过程中，由于液态收缩和凝固收缩的结果，会在铸件最后凝最后凝固固的部位形成孔洞。容积大而集中的孔洞称为缩孔；细小分散的孔洞称为缩松（1）缩孔的形成缩孔常产生在铸件的厚大部位厚大部位或上部最后凝固部位上部最后凝固部位，常呈倒锥状，内表面粗糙先凝固先凝固区域堵住液体流动的通道，区域堵住液体流动的通道，后凝固后凝固区域收缩所缩减的容积区域收缩所缩减的容积得不到补充得不到补充。缩松的形成结晶温度范围宽结晶温度范围宽的合金易形成缩松，其形成的基本原因与缩孔相同，也是由于铸件最后凝固区域得不到补充而形成的。缩松形成过程示意图缩松形成过程示意图缩孔和缩松的防止缩孔和缩松都使铸件的机械性能机械性能下降，缩松还可是铸件因渗漏渗漏而报废。因此，缩孔和缩松都属铸件的重要缺陷，必须根据技术要求、采取适当的工艺措施予以防止。使铸件实现“顺序凝固顺序凝固”，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件。缩孔的厚大部位通过安放冒口冒口等工艺措施，使铸件从远到近（冒口）部位依次凝固，后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充。冒口的作用铸型中能储存一定金属液，补偿铸件收缩以防止产生缩孔和缩松缺陷的空腔称为冒口。 先远后近：先远后近： 在铸件的厚大部位安放冒口，使铸件远离冒口的部位先凝固 缩孔和缩松的防止冷铁冷铁加快加快某些部位的冷却冷却速度，控制控制铸件的凝固顺序顺序。铸件上某些厚大部位增设冷铁。由于冷铁加快了该处的冷却速度，使厚度较大的凸台反而最先凝固，从而实现了自下而上的顺序凝固，防止了凸台处缩孔、缩松的产生。 先下后上：先下后上：在铸件的底部安放冷铁，使铸件远离冒口的部位先凝固 缩孔产生的部位正确地估计铸件上缩孔或缩松可能产生的部位是合理安设冒口和冷铁的重要依据。在实际生产中，常以画“凝固等温线法”和“内切圆法”近似地找出缩孔的部位，等温线未曾通过的心部和内切圆直径最大处，易出现缩孔顺序凝固的应用范围安放冒口和冷铁，实现顺序凝固，虽可有效的防止缩孔和缩松，但却耗费许多金属和工时，加大了铸件成本。同时，顺序凝固扩大了铸件各部位的温度差，促进了铸件的变形和裂纹倾向。因此，主要用于必须收缩率大的合金，如铝青铜、铝硅合金和铸钢件等。对于结晶温度范围甚宽的合金，结晶开始之后，发达的树枝状骨架布满了整个截面，使冒口的补缩道路严重受阻，因而难以避免显微缩松的产生。显然，选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金生产铸件是适宜的。缩孔的形成-动画c1定向凝固-动画c2铸件的变形 对于厚薄不均匀、截面不对称及具有细长特点的杆件类、板类及轮类等铸件，当残余铸造应力超过铸件材料的屈服强度时，产生翘曲变形。框形铸件变形T形梁铸钢件变形措施：对长而易变形的铸件，预先露出变形量的反变形量第三节铸造内应力、变形和裂纹铸件内应力铸件内应力：热应力热应力原因：铸件壁厚不均匀、各部分冷却速度不同避免办法:减少铸件各部分温度差，均匀冷却措施：1.浇口开在薄壁处，避免冷凝过快2.厚壁放冷铁，提高冷却速度机械应力机械应力原因：受到铸型、型芯、浇冒口等的机械阻碍而产生热应力的形成塑性状态弹性状态同时凝固定义：定义： 将浇口开在铸件的薄壁处，厚壁处放冷铁，尽量减少铸件个部位的温度差，使其均匀冷却。残余内应力残余内应力解决方法解决方法：1.铸件壁厚均匀、形状对称（内应力）2.铸造工艺遵循同时凝固同时凝固原则，使冷却均匀（内应力）3.反变形，抵消最终变形；4.彻底消除内应力：时效处理时效处理自然时效自然时效人工时效人工时效