铸造工艺基础

2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 1 Wuhan University of Technology机 电 工 程 学 院 金 工 学 部METAL TECHNOLOGY 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 2 选 材 毛 坯 预 先 热 处 理 机 械 加 工最 终 热 处 理检 验 应 根 据 零 件 的 性 能 要 求 、 受 载 情 况 、 服 役 条 件 、工 作 环 境 等 ：选 材 ： 金 属 材 料 种 类 繁 多 ， 性 能 不 一 ， 而 且 材 料 的 发 展 日 新 月异 ， 而 零 件 的 性 能 要 求 、 服 役 条 件 各 不 相 同 ， 再 加 上 材 料 的 资 源 、价 格 等 多 方 面 考 虑 。1.机 械 零 件 的 制 造 工 艺 过 程机 械 制 造 过 程 及 发 展 趋 势 简 介 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 3 毛 坯 选 择 ： 液 体 成 形 （ 铸 造 ） ， 塑 性 成 形 （ 压 力 加 工 ） ， 连接 成 形 （ 焊 接 ） ， 粉 末 冶 金 成 形 ， 型 材 。机 械 加 工 ： 传 统 加 工 ： 车 削 ， 包 削 ， 铣 削 ， 拉 削 ， 镗 削 ， 磨削 等 现 代 加 工 ： 数 控 加 工 ， 电 火 花 加 工 ， 激 光 加 工 等特 种 加 工 方 法一 个 具 体 零 件 的 加 工 往 往 可 用 多 种 不 同 的 加 工 方 法 ， 而每 种 加 工 方 法 所 能 达 到 的 加 工 精 度 、 加 工 质 量 、 加 工 范围 、 加 工 效 率 是 不 同 的 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 4 课 程 介 绍1.课 程 性 质 本 课 程 是 高 等 工 科 院 校 机 械 类 和 近 机 械 类 专 业 必 修 的 学 科 基 础 课 程 ， 本 课 程 研 究 机 械 零 件 毛 坯 的 制 造 方 法 及 毛 坯 设 计 时 的 结 构 工 艺 性 问 题 ， 同 时 还 研 究 机 械 加 工 方 法 的 特 点 及 各 种 加 工 方 法 对 机 械 零 件 的 工 艺 性 要 求 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 5 2.课 程 任 务通 过 本 课 程 的 学 习 了 解 和 掌 握 机 械 制 造 过 程 中 各 种 零件 毛 坯 制 造 方 法 的 基 本 原 理 和 工 艺 特 点 ， 并 且 对 各 种表 面 加 工 的 方 法 选 择 和 机 械 零 件 的 加 工 工 艺 规 程 的 编制 有 较 全 面 的 了 解 ， 使 学 生 具 有 初 步 的 选 择 毛 坯 、 制造 毛 坯 及 零 件 加 工 的 工 艺 分 析 能 力 。 1、 主 要 讲 授 工 程 材 料 常 用 的 成 形 方 法 及 机 械 加 工 方 法和 工 艺 特 点 、 机 械 制 造 过 程 中 常 用 的 一 些 先 进 技 术 。 2、 各 种 工 艺 方 法 本 身 的 规 律 性 及 在 机 械 制 造 中 的 应 用和 相 互 联 系 ； 3、 金 属 零 件 的 加 工 工 艺 过 程 ； 4、 金 属 材 料 性 能 及 其 对 加 工 工 艺 的 影 响 ； 5、 工 艺 方 法 的 综 合 比 较 等 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 6 3.课 程 重 点 1、 基 本 原 理 2、 工 艺 特 点4.课 程 特 点 1、 理 论 性 强 2、 实 践 性 强 3、 无 公 式 推 导5.学 习 方 法 1、 在 理 解 基 础 上 记 忆 2、 在 记 忆 基 础 上 加 深 理 解 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 7 金 属 工 艺 学材 料 成 形 工 艺 基 础 金 属 连 接 成 形 (焊 接 )金 属 塑 性 成 形 (压 力 加 工 )金 属 液 态 成 形 (铸 造 )机 械 加 工 工 艺 基 础 机 械 加 工 工 艺 的 基 本 知 识表 面 切 削 成 形 的 基 本 方 法金 属 切 削 加 工 基 础实 验 刀 具 角 度 的 测 量 与 设 计低 碳 钢 熔 化 焊 焊 接 接 头 组 织 分 析 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 8 第 2章 ： 铸 造v 本 章 内 容 1.1铸 造 工 艺 基 础 ； 1.2常 用 合 金 铸 件 的 生 产 ； 1.3砂 型 铸 造 ； 1.4铸 件 结 构 设 计 。v 本 章 重 点 铸 造 性 能 ； 铸 铁 生 产 ； 砂 型 铸 造 工 艺 设 计 ； 铸 件 结 构 设 计 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 9 铸 造 概 述 液 态 成 形工 艺 基 础 铸 件 生 产结 构 设 计 砂 型 铸 造1 234 工 艺 性 能工 艺 方 法 铸 造 的 发 展 史 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 10 铸 造 发 展 史 概 述铸 造 生 产 的 技 术 在 我 国 至 少 有 四 千 年 的 历 史 . 前 两 千 年 以 青 铜 铸 造 为 主 , 发 展 了 冶 铸 技 术 , 形 成 了 商 周 文 化 . 后 两 千 年 以 铸 铁 生 产 为 主 , 推 动 了 铸 造 技 术 的 发 展 .商 代 司 母 戊 鼎 司 母 戊 鼎 通 高 133厘 米 , 横长 110厘 米 , 宽 78厘 米 ,重 875公 斤 . 根 据 目 前 发 展 的 商 代熔 铜 坩 锅 , 一 次 约 能 熔 铜 12.7公 斤 . 铸 造 司 母 戊 这 样 的 大鼎 , 就 需 要 七 十 多 个 坩 锅 . 如果 一 个 坩 锅 配 备 三 至 四 人 , 就 需 要 二 、 三 百 人 同 时 操 作 。云 版 又 叫 “ 点 ” ， 是 军 营 中遇 有 急 事 敲 打 报 警 用 的 。 此块 云 版 用 生 铁 铸 成 ， 上 下 两端 勾 卷 如 云 ， 故 名 。 上 铸双 钩 汉 字 两 行 ： “ 大 金 天 命癸 亥 年 铸 牛 庄 城 ” 十 一 字 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 11 2.1铸 造 工 艺 基 础 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 毛坯 或 零 件 的 工 艺 方 法 ， 通 常 称 为 金 属 的 液 态 成 形 或 铸 造 。 金 属 的 液 态 成 形 在 机 械 制 造 业 中 占 有 重 要 的 地 位 。 他 是 制 造 毛 坯 、 零 件 的重 要 方 法 之 一 。 按 铸 型 材 料 的 不 同 ， 金 属 液 态 成 形 可 分 为 砂 型 铸 造 和 特 种 铸 造 （ 包 括 熔 模铸 造 、 离 心 铸 造 、 压 力 铸 造 、 低 压 铸 造 、 金 属 型 铸 造 等 ） 。 其 中 砂 型 铸 造 是最 基 本 的 液 态 成 形 方 法 ， 所 生 产 的 铸 件 要 占 铸 件 总 量 的 80%以 上 。零件图 铸造 工艺图 铸型型芯芯 盒 芯 砂型 砂模 型 熔 炼 合 箱 落砂、清理 检 验 铸 件浇 注 冷 却凝 固铸 造 生 产 过 程 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 12 砂 型 铸 造 过 程 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 13 砂 型 铸 造 过 程 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 14 液 态 成 型 的 优 点 适 于 做 复 杂 外 形 ， 特 别 是复 杂 内 腔 的 毛 坯1 适 应 性 广 ， 对 铸 件 材 料 、大 小 、 批 量 几 乎 不 受 限 制2 成 本 低 ， 原 材 料 来 源 广 ， 价 格 低 廉 ,一 般 不 需 要 昂 贵的 设 备3 是 选 用 某 些 塑 性 很 差 的 材 料(如 铸 铁 等 )制 造 毛 坯 或 零 件 的 唯 一 成 型 工 艺4 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 15 液 态 成 型 的 缺 点 工 艺 过 程 比 较 复 杂 ， 一 些工 艺 过 程 还 难 以 控 制1 液 态 成 形 零 件 内 部 组 织 的 均匀 性 、 致 密 性 一 般 较 差2 液 态 成 形 零 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3 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4铸 造 缺 陷 与 合 金 铸 造 性 能 （ 液 态 合 金 充 型 ， 凝 固 收 缩 ） ； 造 型材 料 （ 型 砂 ） ； 铸 造 工 艺 （ 工 艺 设 计 与 结 构 设 计 ） 以 及 合 金 熔炼 有 关 ， 它 们 相 互 关 联 并 相 互 矛 盾 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 16 合 金 的 铸 造 性 能 合 金 的 铸 造 性 能 通 常 是 指 合 金 在 铸 造 过 程中 所 表 现 出 的 工 艺 性 能 。 它 包 括 液 态 合 金 的充 型 能 力 ， 合 金 的 凝 固 与 收 缩 ， 铸 造 应 力 与偏 析 等 ， 他 们 对 获 得 合 格 铸 件 有 很 大 的 影 响 。 因 此 ， 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 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 17 2.1.1合 金 的 充 型 能 力液 态 金 属 充 满 铸 型 型 腔 ，获 得 尺 寸 精 确 、 轮 廓 清晰 的 成 型 件 的 能 力充 型 能 力 的 概 念 :充 型 能 力不 足 浇 不 足 冷 隔 夹 砂 气 孔 夹 渣影 响 充 型 能 力 的 因 数 合 金 的 流 动 性 浇 注 条 件铸 型 填 充 条 件铸 件 结 构 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 18 合 金 的 流 动 性测 试 合 金 流 动 性 的 方 法 :通 常 用 螺 旋 形 试 样 来 测 试 合 金 流动 性 的 优 、 劣 。如 右 图 ， 将 合 金 液 浇 入 铸 型 中 ，冷 凝 后 测 出 充 满 型 腔 的 试 样 长 度 。浇 出 的 试 样 越 长 ， 合 金 的 流 动 性越 好 。几 种 不 同 合 金 流 动 性 的 比 较 出 气 口浇 口 杯试 样 铸 件试 样 凸 台 内 浇 口 合 金 造 型 材 料 浇 注 温 度 螺 旋 线 长 度灰 铸 铁 C + Si = 5.2% C + Si = 4.2% 砂 型砂 型 1300 1300 1000 mm600 mm铸 钢 ( 0.4% ) 砂 型 1600 100 mm锡 青 铜 (9% 11%Sn 2% 4%Zn) 砂 型 1040 420 mm硅 黄 铜 ( 1.5 4.5% ) 砂 型 1100 1000 mm铝 合 金 ( 硅 铝 明 ) 金 属 型( 300 ) 680 720 700 800 mm 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 19 2.1.2.1 合 金 流 动 性 对 充 型 能 力 的 影 响合 金 流 动 性 的 影 响 因 数合 金 的 种 类 ： 不 同 种 类 的 合 金 流 动 性 不 同化 学 成 分 ： 同 类 合 金 成 分 不 同 ， 合 金 的 结 晶 特 点 不 同 ， 流 动 性 不 同 。结 晶 特 性 : 恒 温 下 结 晶 ， 流 动 性 较 好 ； 两 相 区 内 结 晶 ， 流 动 性 较 差 。相 同 过 热 度 时 铸 铁 含 碳 量 与 流 动 性 的 关 系 含 碳 量 对 结 晶 特 性 的 影 响 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 20 硅 : 硅 是 石 墨 化 元 素 , 其 作 用与 碳 相 似 , 随 着 硅 量 的 增 加 , 合 金 的 液 相 线 温 度 下 降 , 使流 动 性 提 高 .锰 :锰 本 身 对 合 金 的 流 动 性影 响 不 大 ,但 随 着 MnS 夹 杂物 的 增 加 ,合 金 的 流 动 性 下降 . 硫 : 合 金 中 含 硫 量 越 高 , 越易 形 成 氧 化 膜 , 增 加 铁 水的 粘 度 ,致 使 铁 水 流 动 性降 低 .磷 : 合 金 中 随 着 含 磷 量 的增 加 , 液 相 线 温 度 和 固 相线 温 度 下 降 ,铁 水 的 粘 度下 降 , 因 此 , 提 高 了 合 金的 流 动 性 . 合 金 的 流 动 性 是 指 液 态 金 属 自 身 的 流 动 能 力 ， 合 金 流 动 性 愈 好 ， 充 型能 力 愈 强 。合 金 流 动 性 优 劣 最 根 本 的 影 响 因 素 是 其 化 学 成 分 。 不 同 种 类 合 金 化 学成 分 不 同 ； 同 类 合 金 化 学 成 分 不 同 其 结 晶 特 性 不 同 。 针 对 不 同 材 料 的 流 动 性 优 劣 可 预 先 采 取 其 他 措 施 以 提 高 合 金 充 型 能 力 。 铁 碳 合 金 五 大 化 学 元 素 ： 碳 、 硅 、 锰 、 磷 、 硫对 合 金 流 动 性 的 影 响 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 21 2.1.2.2 浇 注 条 件 对 充 型 能 力 的 影 响浇 注条 件 浇 注 温 度充 型 压 力浇 注 系 统 浇 注 温 度 高 ， 液 态 金 属 的 粘 度 变 小 ； 过热 度 高 ， 金 属 液 内 含 热 量 多 ， 保 持 液态 的 时 间 长 ， 充 型 能 力 强 。液 态 金 属 在 流 动 方 向 上 所 受 的 压 力 称 为充 型 压 力 。 充 型 压 力 越 大 , 充 型 能 力 越强 。浇 注 系 统 的 结 构 越 复 杂 ， 则 流 动 阻 力 越 大 ， 充 型 能 力 越 差 。2.1.2.3 铸 型 条 件 对 充 型 能 力 的 影 响 铸 型 蓄 热 系 数 :即 从 液 态 金 属 中 吸 取热 量 并 储 存 的 能 力 铸 型 温 度(不 能 过 高 ) 铸 型 的 发 气 和 透 气 能 力 ：铸 型 发 气 能 力 过 强 ,透 气 能 力 又 差时 ,若 浇 铸 速 度 太 快 ,则 型 腔 中 的气 体 压 力 增 大 ， 充 型 能 力 减 弱 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 22 2.1.2.4铸 件 结 构 对 充 型 能 力 的 影 响折 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 。知 道 了 影 响 影 响 充 型 能力 的 因 素 ， 进 一 步 分 析 ，找 出 可 控 因 素 ， 从 而 提出 改 进 或 提 高 合 金 充 填能 力 的 措 施 。 因 素 分 析 控 制 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 23 小 结 什 么 是 金 属 的 液 态 成 形 液 态 成 型 的 优 、 缺 点合 金 的 充 型 能 力 结 晶 特 性 : 恒 温 下 结 晶 ， 流 动 性 较 好 ； 两 相 区 内 结 晶 ， 流 动 性 较 差影 响 充 型 能力 的 因 数 合 金 的 流 动 性铸 型 性 质浇 注 条 件铸 件 结 构 等 浇 注 温 度 充 型 压 力 浇 注 系 统复 杂 程 度 、 折 算 厚 度铸 型 温 度 、 铸 型 的 发 气 和 透 气 能 力合 金 的 种 类 、 化 学 成 分 （ 结 晶 特 性 ） 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 24 2.1.3 液 态 金 属 的 凝 固 与 收 缩2.1.3.1铸 件 的 凝 固 方 式 ： 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 。铸 件 的 凝 固方 式 依 据 凝固 区 的 宽 窄划 分 为 ：逐 层 凝 固 ；糊 状 凝 固 ；中 间 凝 固 。 合 金 的 结 晶 温 度 范 围 和 凝 固 方 式 的 关 系 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 25 影 响 凝 固 的 主 要 因 素 ：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 。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 。增 大 温 度 梯 度 是 使 凝 固 区 变 窄 的 有 效 工 艺 措 施 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 26 2.1.3.2合 金 的 收 缩 ： 合 金 从 液 态 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 液 态 成 形 工 艺带 来 许 多 困 难 ， 会 造 成 许 多 铸 造 缺 陷 。 （ 如 ： 缩 孔 、 缩松 、 变 形 、 裂 纹 ） 。合 金 的 收 缩 可划 分 为 三 个 阶段 ： 液 态 收 缩 ； 凝 固 收 缩 ； 固 态 收 缩 。 - 液 态 收 缩 ； - 凝 固 收 缩 ； - 固 态 收 缩 + - 体 收 缩 ； - 线 收 缩 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 27 合 金 的 固 态 收 缩 ， 体 积 和 尺 寸 减 小 并 存 ， 通 常称 之 为 线 收 缩 。 在 此 收 缩 阶 段 会 导 致 铸 件 产生 应 力 、 变 形 和 裂 纹 等 缺 陷 。 合 金 的 液 态 收 缩 和 凝 固 收 缩 表 现 为 合 金 体 积的 减 小 ， 通 常 称 之 为 体 收 缩 。 在 此 阶 段 会出 现 缩 孔 和 缩 松 缺 陷 。恒 温 下 结 晶 逐 层 凝 固 缩 孔两 相 区 结 晶 糊 状 凝 固 缩 松 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 28 2.1.3.3影 响 收 缩 的 因 素浇 铸 温 度 ：浇 铸 温 度 越 高 ， 合 金 的 液 态 收 缩 量 增 加 ， 合 金 的 收 缩 量 增 大 。铸 型 条 件 ：铸 件 在 铸 形 中 是 受 阻 收 缩 而 不 是 自 由 收 缩 ， 阻 力 来 自 铸 型 和 型 芯 。 铸 件 结 构 ：铸 件 壁 厚 不 同 ， 各 处 的 冷 却 速 度 不 同 ， 冷 凝 使 铸 件 各 部 分 相 互 制 约 。合 金 种 类 含 碳 量 (%) 浇 注 温 度 ( ) 总 收 缩 量 (%)碳 素 铸 钢 0.35 1610 12.46白 口 铸 铁 3.0 1400 12 12.9灰 口 铸 铁 3.5 1400 6.9 7.8球 墨 铸 铁 4.0 1400 0.8 1.0化 学 成 分 ： 当 浇 注 温 度 不变 时 ， 碳 钢 随 着 含 碳 量 的增 加 ， 液 相 线 的 温 度 下 降 ，其 液 态 体 积 收 缩 增 大 ； 铸铁 中 石 墨 的 密 度 小 、 比 容大 ， 减 小 了 灰 铸 铁 的 部 分收 缩 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 29 2.1.3.4缩 孔 与 缩 松 的 形 成v缩 孔 的 形 成 纯 金 属 、 共 晶 成 分 和 结 晶 温 度 范 围 窄 的 合 金 ，浇 注 后 在 型 腔 内 呈 现 由 表 及 里 的 逐 层 凝 固 。 凝 固过 程 中 , 由 于 液 态 收 缩 和 凝 固 收 缩 , 使 体 积 缩 小 , 若 其 收 缩 得 不 到 补 充 , 就 在 铸 件 最 后 凝 固 处 形成 大 而 集 中 的 孔 洞 称 为 缩 孔 . 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 30 缩 松 的 形 成 结 晶 温 度 范 围 宽 的 合 金 呈 糊 状 凝 固 。 凝 固 区域 内 液 、 固 两 相 共 存 ， 树 枝 晶 发 达 ， 枝 晶 骨 架 将合 金 液 分 割 为 小 液 体 区 ， 由 于 液 态 收 缩 和 凝 固 收缩 , 使 体 积 缩 小 , 若 其 收 缩 得 不 到 补 充 , 就 在 铸 件 最后 凝 固 处 形 成 细 小 而 分 散 的 孔 洞 称 为 缩 松 。结 论 ： 纯 金 属 、 共 晶 成 分 （ 逐 层 凝 固 ） 和 凝 固 温 度 范 围 窄 的 合金 易 产 生 缩 孔 、 凝 固 区 域 较 宽 （ 糊 状 凝 固 ） 的 合 金 易 产 生 缩 松 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 31 缩 孔 与 缩 松 的 形 成 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 32 缩 孔 实 例 一缩 孔 实 例 二缩 孔 易 出 现 的 部 位 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 33 判 断 缩 孔 出 现 的 方 法 ： a） 等 温 线 法 b） 内 截 圆 法 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 34 缩 孔 和 缩 松 的 防 止v 定 向 凝 固 原 则 ： 使 铸 件 远 离 冒 口 的 地 方 先 凝 固 ，靠 近 冒 口 的 地 方 次 凝 固 ， 冒 口 本 身 最 后 凝 固 。 实 现以 厚 补 薄 ， 将 缩 孔 转 移 到 冒 口 中 去 。 冒 口 储 存 补缩 用 金 属 液 的空 腔 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 35 1.合 理 布 置内 浇 道 及 确定 浇 铸 工 艺符 合 定 向 凝固 原 则 。防 止 缩 孔 的 工 艺 方 法 ： 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 36 防 止 缩 孔 的 工 艺 方 法 ： 2.合 理 应 用 冒 口 、 冷 铁等 工 艺 措 施 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 37 2.1.4 液 态 成 形 内 应 力 、 变 形 与 裂 纹内 应 力 ： 热 应 力 和 机 械 应 力v 热 应 力 ： 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 。v 机 械 应 力 ： 铸 件 在 固 态 收 缩 时 ， 因 受 到 铸 型 、 型 芯 、 浇 冒 口 、 砂 箱 等 外 力 阻 碍 而 产 生 的 应 力 。v 变 形 ： 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 。v 裂 纹 ： 当 应 力 大 到 一 定 程 度 会 导 致 出 现 裂 纹 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 38 2.1.4.1热 应 力 的 形 成 过 程 分 析t 0t1 高 温 阶 段 ， 塑 性 状 态 ， 塑 性变 形 消 除t1 t2 杆 弹 性 状 态 ， 塑 性 状 态 ， 杆 受 拉 应 力 ， 受 压 应 力 ， 塑 性变 形 消 除t2 t3 杆 弹 性 状 态 ， 比 温 度高 ， 收 缩 大 于 ， 收 缩 受 的 阻碍 ， 产 生 拉 应 力 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 39 2.1.4.2机 械 应 力 形 成 过 程 分 析机 械 应 力 （ 收 缩 应 力 ） ： 铸 件 冷 却 到 弹 性 状 态 后 ， 由 于 受 到 铸 型 、型 芯 和 浇 、 冒 口 等 的 机 械 阻 碍 而 产 生 的 应 力 。 机 械 应 力 一 般 是 拉应 力 ， 由 于 其 在 弹 性 状 态 时 产 生 ， 因 而 当 形 成 应 力 的 原 因 消 除 也可 随 之 消 失 ， 故 适 时 开 箱 可 以 防 止 。 机 械 应 力 超 过 铸 件 的 强 度 极限 时 ， 或 机 械 应 力 和 残 余 热 应 力 同 时 作 用 超 过 铸 件 强 度 极 限 时 ，会 导 致 形 成 裂 纹 。机 械 应 力 的 防 止 及 消 除 ： 适 时 开 箱 ； 提 高 型 芯 砂 退 让 性 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 40 2.1.4.3 热 应 力 的 防 止 及 消 除 方 法铸 件 的 结 构 ： 铸 件 各 部 分 能 自 由 收 缩 工 艺 原 则 ： 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 匀冷 铁同 时 凝 固 整 个 铸 件 几 乎 同 时 凝 固 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 41 2.1.4.4 铸 件 的 变 形 及 防 止结 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 。铸 件 的 变 形 粗 短 细 长 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 42 铸 件 的 变 形 二铸 件 的 变 形 三 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 43 铸 件 的 变 形 及 防 止变 形 的 形 成 ： 带 有 残 余 应 力 的 铸 件 ， 变 形 使 残 余 应 力 减小 而 趋 于 稳 定 。变 形 的 防 止 ： 与 防 止 应 力 的 方 法 基 本 相 同 。例 ： 圆 柱 体 铸 件 ： 1） 将 中 间 钻 一 通 孔 ； 2） 将 外 表 面 车 掉 一 层 ； 问 ： 在 这 两 种 情 况 下 其 长 度 会 发 生 什 么 变 化 ？ 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 44 2.1.4.5 铸 件 的 裂 纹裂 纹 的 种 类 热 裂 : 铸 件 在 凝 固 末 期 高 温 下 形 成 的 裂 纹 .冷 裂 : 铸 件 处 于 弹 性 状 态 即 在 低 温 时 形 成 的 裂 纹 .热 裂特 征 ： 沿 晶 粒 边 界 产 生 和 发 展 ， 外 形 曲 折 。 裂 纹 表 面 呈 氧 化 色 。部 位 ： 应 力 集 中 或 热 节 处 。理 论 ： 液 膜 理 论 ； 强 度 理 论 。原 因 ： 应 力 大 ， 结 构 不 合 理 ， 工 艺 不 合 理 。 铸 钢 件 结 构对 热 裂 影 响 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 45 冷 裂特 征 ： 裂 纹 穿 过 晶 粒 ， 外 形 规 则 ， 裂 纹 表 面 光 滑 具 有 金 属 光 泽 。部 位 ： 应 力 集 中 的 受 拉 部 位 。原 因 ： 结 构 不 合 理 ， 机 械 阻 力 大 。 轮 毂 收 缩 将 轮 辐 拉 断轮 缘 收 缩 受 拉 被 拉 断裂 纹 的 防 止尽 量 减 小 铸 造 应 力 ： 应 力 是 变 形 和 裂 纹 的 元 凶 ； 改 善 铸 型 和 型 芯 的 退 让 性 ： 适 当 减 小 机 械 应 力 的 措 施 ；实 现 同 时 凝 固 原 则 ： 克 服 热 应 力 的 有 效 措 施 ；合 理 设 计 铸 件 结 构 ： 壁 厚 均 匀 ， 避 免 应 力 集 中 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 46 2.1.4.6 铸 件 的 气 孔气 孔 是 气 体 在 铸 件 内 形 成 的 空 洞 。 按 气 体 来 源 不 同 ， 气 孔 分 为 ：侵 入 性 气 孔 ； 析 出 性 气 孔 ； 反 应 性 气 孔 。侵 入 性 气 孔 ：砂 型 表 面 聚 集 的 气 体 压 力 超 过 金 属 液 静 压 力 侵 入 金属 液 且 又 未 能 上 浮 析 出 被 凝 固 在 铸 件 内 的 气 体 形 成的 空 洞 。 一 般 位 于 上 表 面 附 近 且 尺 寸 较 大 。防 止 ： 降 低 型 砂 发 气 ， 增 加 透 气 。 析 出 性 气 孔 ：溶 解 于 金 属 液 中 的 气 体 在 冷 凝 过 程 中 因 气 体 溶 解 度 下降 而 析 出 所 形 成 的 空 洞 。 分 布 面 积 较 广 ， 尺 寸 甚 小 。防 止 ： 控 制 金 属 液 的 溶 气 量 。 氢 在 纯 铝 中 的 溶 解 度反 应 性 气 孔 ：金 属 液 与 铸 型 、 芯 撑 、 冷 铁 和 熔 渣 间 因 化 学 反应 产 生 气 体 而 生 成 的 气 孔 。 多 位 于 反 应 源 附 近 。如 金 属 液 和 铸 型 反 应 气 孔 多 在 铸 件 表 层 ， 又 称为 皮 下 气 孔 。防 止 ： 控 制 和 杜 绝 化 学 反 应 的 发 生 。 2021-4-30 武 汉 理 工 大 学 金 工 学 部 47 小 结合 金 工 艺 性 能 充 型 能 力凝 固 方 式应 力 与 变 形 流 动 性浇 注 条 件铸 型 条 件逐 层 凝 固糊 状 凝 固中 间 凝 固收 缩 性 能 液 态 收 缩凝 固 收 缩固 态 收 缩铸 件 结 构 变 形 与 裂 纹