铸造成形工艺理论基础课件

工程材料与材料成形工艺工程材料与材料成形工艺l材料是人类的材料是人类的生活和生产生活和生产赖以进行的物质基础，赖以进行的物质基础，它直接用于制造人类所需要的各种它直接用于制造人类所需要的各种生产工具生产工具和和生生活用具活用具。l机械工程材料机械工程材料，按化学成分可分为以下四大类：，按化学成分可分为以下四大类：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料。l任何材料任何材料在被人们在被人们制造制造成有用物品成有用物品(无论是生活用无论是生活用品或是生产工具等品或是生产工具等)的过程中，都要经过的过程中，都要经过成形加工成形加工;l材料成形工艺材料成形工艺是人类的生产活动中始终不可缺少是人类的生产活动中始终不可缺少的的基础性技术基础性技术。1l在现代机械产品的制造过程中，一般是应用在现代机械产品的制造过程中，一般是应用材料成材料成形的方法形的方法将将材料制成材料制成毛坯毛坯，再经过机械加工方法制再经过机械加工方法制成所需的成所需的零件零件。l材料成形工艺是指材料成形工艺是指用于把材料从用于把材料从用于把材料从用于把材料从原材料的形态原材料的形态原材料的形态原材料的形态通过通过通过通过加工加工加工加工而转变为具有而转变为具有而转变为具有而转变为具有所要求的形状及尺寸的毛坯所要求的形状及尺寸的毛坯所要求的形状及尺寸的毛坯所要求的形状及尺寸的毛坯或或或或成成成成品品品品的所有加工方法或手段的总称的所有加工方法或手段的总称的所有加工方法或手段的总称的所有加工方法或手段的总称。l从材料到毛坯又由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机从材料到毛坯又由毛坯到零件的工艺过程是贯穿机械制造过程中的一条主线械制造过程中的一条主线，它包含了材料成形及机，它包含了材料成形及机械制造工艺的械制造工艺的基本理论、基本知识、基本方法基本理论、基本知识、基本方法。对。对于一个合格的工程技术人员来说掌握这些知识，于一个合格的工程技术人员来说掌握这些知识，对所从事的工作是非常重要的。对所从事的工作是非常重要的。2材料成形技术的发展史材料成形技术的发展史p材料成形材料成形工艺工艺是伴随着人类使用材料的历史是伴随着人类使用材料的历史而发展的。而发展的。l在人类使用材料之初，通过将天然材料石头、陶土在人类使用材料之初，通过将天然材料石头、陶土打制成打制成石器和烧制成陶器，就诞生了石器和烧制成陶器，就诞生了最原始的材料最原始的材料成形工艺成形工艺。l随着人们对金属材料随着人们对金属材料(青铜、钢铁等青铜、钢铁等)的使用，相应的使用，相应地产生了地产生了铸造、锻造、焊接等金属成形加工技术铸造、锻造、焊接等金属成形加工技术。l20世纪以后，随着塑料和先进陶瓷材料的出现，这世纪以后，随着塑料和先进陶瓷材料的出现，这些些非金属材料的成形工艺非金属材料的成形工艺得到了迅速发展；得到了迅速发展；l在跨人在跨人21世纪后的今天，已进入了各种人工设计、世纪后的今天，已进入了各种人工设计、人工合成的新型材料层出不穷的新时代，各种与之人工合成的新型材料层出不穷的新时代，各种与之相应的相应的先进的成形工艺先进的成形工艺也在不断涌现并大显身手。也在不断涌现并大显身手。3n材料成形工艺经历了从简单的材料成形工艺经历了从简单的手工操作手工操作到如今的到如今的复杂化复杂化、大型化大型化和和智能化智能化生产的发展过程。生产的发展过程。l蒸汽蒸汽空气锤、水压机、模锻压力机、高速冲床空气锤、水压机、模锻压力机、高速冲床等的使用，使金属锻压工艺彻底改变了传统的等的使用，使金属锻压工艺彻底改变了传统的“手工打铁手工打铁”的落后方式，进入到的落后方式，进入到机械化现代化生机械化现代化生产的行列产的行列。l1885年发现了年发现了气体放电电弧气体放电电弧作为电弧焊接的热源，作为电弧焊接的热源，1886年发明了年发明了电阻焊电阻焊，从此，从此电焊便成为现代焊接电焊便成为现代焊接技术的主流技术的主流。4p20世纪中期以后，随着计算机、微电子、信息和世纪中期以后，随着计算机、微电子、信息和自动化技术的迅速融入，在涌现出一大批新型的自动化技术的迅速融入，在涌现出一大批新型的成形技术的同时，成形技术的同时，材料成形加工生产已开始向着材料成形加工生产已开始向着优质化、精密化、绿色化和柔性化的方向发展优质化、精密化、绿色化和柔性化的方向发展。5我国材料成形技术的发展历史我国材料成形技术的发展历史l我国的材料成形技术具有悠久的历史我国的材料成形技术具有悠久的历史l明朝大科学家宋应星编著的明朝大科学家宋应星编著的天工开物天工开物一书中，一书中，详细论述了详细论述了冶铁、铸钟、锻铁、淬火冶铁、铸钟、锻铁、淬火等各种金属的等各种金属的加工方法。加工方法。这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法以这部论著是世界上有金属材料成形及加工方法以来来最早的科学论著最早的科学论著，充分反映了我国历代劳动人民，充分反映了我国历代劳动人民在材料成形及机械加工技术方面的卓越贡献。在材料成形及机械加工技术方面的卓越贡献。6p我国的冶铸技术至少有我国的冶铸技术至少有4000年以上的悠久历年以上的悠久历史，前史，前2000年是青铜的天下。到商周时代，年是青铜的天下。到商周时代，冶铸技术已达到很高水平，形成了灿烂的青冶铸技术已达到很高水平，形成了灿烂的青铜文化。铜文化。l铸造技术在我国源远流长，并有很高的水平铸造技术在我国源远流长，并有很高的水平，形成了闻名于世的以形成了闻名于世的以泥范泥范(砂型砂型)、铁范铁范(金金属型属型)和失蜡铸造为代表的中国古代和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸三大铸造技术造技术。7l我国也是世界上应用焊接技术最早的国家我国也是世界上应用焊接技术最早的国家之一。之一。河南辉县战国墓中的殉葬河南辉县战国墓中的殉葬铜器的铜器的耳耳和和足足就就是用是用铸焊方法铸焊方法与与本体连接本体连接的，比欧洲早了的，比欧洲早了2000多年。多年。8l新中国成立以后，我国机械制造业得到了飞速发展，新中国成立以后，我国机械制造业得到了飞速发展，经历了由经历了由仿制到自行设计仿制到自行设计、制造制造，从，从生产普通机械生产普通机械到制造精密和大型机械到制造精密和大型机械，从生产，从生产单机到制造成套设单机到制造成套设备备的发展过程。的发展过程。l20世纪世纪50年代，自行制造汽车、拖拉机及飞机；年代，自行制造汽车、拖拉机及飞机；l60年代，制造万吨水压机，和齿轮磨床、坐标镗床年代，制造万吨水压机，和齿轮磨床、坐标镗床等精密机床；等精密机床；l70年代，制造大型成套设备和万吨级远洋巨轮；年代，制造大型成套设备和万吨级远洋巨轮；l直至直至90年代，为我国航天、原子能等工业领域提供年代，为我国航天、原子能等工业领域提供先进的技术装备等等。先进的技术装备等等。9l我国成功地进行了我国成功地进行了耗用钢水达耗用钢水达490t的轧钢机的轧钢机机架和机架和长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件长江三峡电站巨型水轮机的巨型铸件的铸造，锻造的铸造，锻造了了196t汽轮机转子汽轮机转子；l采用采用铸一焊组合方法铸一焊组合方法制造了制造了12000t水压机的立柱水压机的立柱（高（高18m）、底座和横梁等）、底座和横梁等大型零、部件大型零、部件；l我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的我国已成功地生产出了用于锻造大型锻件的12000t水压机水压机；l解决了解决了30万吨级万吨级远洋油轮船体的焊接技术远洋油轮船体的焊接技术；lCAD/CAE/CAM等计算机技术及机器人技术在材料等计算机技术及机器人技术在材料成形技术中得到越来越成形技术中得到越来越l广泛的应用，粉末冶金、高分子、陶瓷、复合材料广泛的应用，粉末冶金、高分子、陶瓷、复合材料制品的应用也日益扩大等等。制品的应用也日益扩大等等。10材料成形加工在国民经济中的地位材料成形加工在国民经济中的地位pp材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在材料成形加工在国民经济中占有十分重要的地位；并且在一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。一定程度上代表着一个国家的工业和科技发展水平。l l占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接占全世界总产量将近一半的钢材是通过焊接(又说又说又说又说4545的的的的金属通过焊接得以成形金属通过焊接得以成形金属通过焊接得以成形金属通过焊接得以成形)制成件或产品后投入使用的；制成件或产品后投入使用的；制成件或产品后投入使用的；制成件或产品后投入使用的；l l在机床和通用机械中铸件质量占在机床和通用机械中铸件质量占在机床和通用机械中铸件质量占在机床和通用机械中铸件质量占70708080；l l农业机械中铸件质量占农业机械中铸件质量占农业机械中铸件质量占农业机械中铸件质量占40407070；l l汽车中铸件质量约占汽车中铸件质量约占汽车中铸件质量约占汽车中铸件质量约占2020，锻件质量约占，锻件质量约占，锻件质量约占，锻件质量约占7070；l l飞机上的锻件质量约占飞机上的锻件质量约占飞机上的锻件质量约占飞机上的锻件质量约占8585；l l发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；发电设备中主要零件如主轴、叶轮、转子等均为锻件制成；l l家用电器和通信产品中家用电器和通信产品中家用电器和通信产品中家用电器和通信产品中60608080的零部件是冲压件和塑的零部件是冲压件和塑的零部件是冲压件和塑的零部件是冲压件和塑料成形件。料成形件。料成形件。料成形件。11p交通工具交通工具交通工具交通工具轿车轿车轿车轿车的构成来看的构成来看的构成来看的构成来看：l l发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，发动机中的缸体、缸盖、活塞等一般都是铸造而成，l l连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，连杆、传动轴、车轮轴等是锻造而成，l l车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，车身、车门、车架、油箱等是经冲压和焊接制成，l l车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制车内饰件、仪表盘、车灯罩、保险杠等是塑料成形制件，轮胎等是橡胶成形制品件，轮胎等是橡胶成形制品件，轮胎等是橡胶成形制品件，轮胎等是橡胶成形制品。因此，可以毫不夸张地说：因此，可以毫不夸张地说：没有先进的材料成形工艺，就没有现代制造业。没有先进的材料成形工艺，就没有现代制造业。12毛毛坯坯零零件件切削切削加工加工装配装配液态成形（液态成形（铸造铸造）塑性成形（塑性成形（压力压力 加工加工）连接成形连接成形（焊接）（焊接）热处理热处理型型材材铸铸锭锭生生铁铁矿矿石石冶冶炼炼形状、形状、尺寸、尺寸、性能性能炼钢炼钢 塑性成形塑性成形（压力加工压力加工）塑性成形塑性成形（压力加工压力加工）切削加工切削加工机器零件的基本生产工艺过程及工艺学机器零件的基本生产工艺过程及工艺学本课程的学习内容本课程的学习内容13掌握主要毛坯成型方法的基本原理和工掌握主要毛坯成型方法的基本原理和工艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能艺特点，具有选择毛坯及工艺分析的初步能力，具有综合运用工艺知识，分析零件结构力，具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。工艺性的初步能力。课程任务课程任务抓住一主线：抓住一主线：成形原理成形原理成形方法（工艺）及应用成形方法（工艺）及应用成形工艺过成形工艺过程设计程设计成形件的结构工艺性成形件的结构工艺性l学习方法：学习方法：14工艺、工艺过程、工艺学的定义工艺、工艺过程、工艺学的定义工艺工艺-将原料或半成品加工成产品的方法、将原料或半成品加工成产品的方法、技术等。技术等。工艺过程工艺过程-将原料或半成品加工成产品的将原料或半成品加工成产品的过程。过程。工艺学工艺学-研究工艺过程的科学。诸如机械研究工艺过程的科学。诸如机械制造工艺学（包括：铸造工艺学、锻造工制造工艺学（包括：铸造工艺学、锻造工艺学、焊接工艺学，机械加工工艺学）。艺学、焊接工艺学，机械加工工艺学）。15材料成形技术基础主要内容材料成形技术基础主要内容l铸造铸造 l锻压锻压 l焊接焊接 l非金属材料成形非金属材料成形l粉末冶金粉末冶金 l材料成形工艺的选择材料成形工艺的选择16学习目的及要求学习目的及要求（1 1）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和）掌握各种热加工方法的基本原理、工艺特点和应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，应用场合，了解各种常用的成形设备的结构和用途，具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或具有进行材料热加工工艺分析和合理选择毛坯（或零件）成形方法的初步能力。零件）成形方法的初步能力。（2 2）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性）具有综合运用工艺知识，分析零件结构工艺性的初步能力。的初步能力。（3 3）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及）了解与材料成形技术有关的新材料、新工艺及其发展趋势。其发展趋势。（即（即 学会学会“五选五选”：材料、毛坯、工艺方法、热处：材料、毛坯、工艺方法、热处理、结构工艺性）理、结构工艺性）17第一篇 金属的铸造成形工艺18铸铸造造工艺基础工艺基础铸件生产铸件生产结构设计结构设计铸造工艺铸造工艺1234工艺性能19第一章第一章 铸造成形工艺铸造成形工艺理论基础理论基础20q定定义义：铸铸造造（casting）是是指指将将熔熔融融态态的的金金属属（或或合合金金）浇浇注注于于特特定定型型腔腔的的铸铸型型中中，冷冷却却凝凝固固后后获获得得毛毛坯坯或或零零件件的的成成形形工艺。工艺。q铸造的基本过程：铸造的基本过程：液液液液 态态态态金金金金 属属属属充充充充 型型型型铸铸铸铸 件件件件凝凝凝凝 固固固固收收收收 缩缩缩缩第一节第一节 铸造成形工艺的特点和分类铸造成形工艺的特点和分类215/16/2009 4:28 PM 砂型铸造过程22l金属液态成形在机械制造业中占有重要的地位。它金属液态成形在机械制造业中占有重要的地位。它是制造毛坯、零件的重要方法之一。是制造毛坯、零件的重要方法之一。就重量而论，就重量而论，铸件铸件在一般机械设备中占在一般机械设备中占4590，在金属切削机床中占在金属切削机床中占7080%，在汽车及农业机械中占在汽车及农业机械中占40%70。23一、铸造工艺特点一、铸造工艺特点（1）适适应应性性广广。既既可可用用于于单单件件、小小批批生生产产，也也可可用用于于成成批批、大大量量生生产产；适适应应铸铸铁铁，碳碳钢钢，有有色色金金属属等等材材料料；铸铸件件大大小小，形形状状和和重重量量几几乎乎不不受受限限制制；壁壁厚厚1mm到到1m，质质量量零零点点几几克克到到数数百百吨吨（三三峡峡的的水水轮轮机叶轮重达机叶轮重达430T）。）。材料能熔便可铸材料能熔便可铸（2）可可复复杂杂成成形形。适适合合形形状状复复杂杂，尤尤其其是是有有复复杂杂内内腔腔的的毛毛坯坯或或零零件件。如如箱箱体体、床床身身、机机架架、车车轮轮、阎阎体体、泵体、叶轮、汽缸体、螺旋桨等泵体、叶轮、汽缸体、螺旋桨等。（3）成成本本较较低低。可可直直接接利利用用成成本本低低廉廉的的废废机机件件和和切切屑屑，设备费用较低；设备费用较低；24（4）但但也也存存在在一一些些不不足足：组组织织缺缺陷陷，力力学学性性能能偏偏低低，质量不稳定质量不稳定，工作环境较差工作环境较差。组组织织缺缺陷陷：铸铸件件内内部部常常有有缩缩孔孔、缩缩松松、气气孔孔等等缺缺陷陷产产生生，导导致致铸铸件件力力学学性性能能，特特别别是是冲冲击击性性能能较较低低.l铸件多数做为毛坯用。铸件多数做为毛坯用。污污染染环环境境：铸铸造造生生产产会会产产生生粉粉尘尘、有有害害气气体体和和噪噪声声对对环环境境的的污污染染，比比起起其其他他机机械械制制造造工工艺艺来来更更为为严重，需要采取措施进行控制。严重，需要采取措施进行控制。25 2007 金工教研室机械制造基机械制造基础常见铸造缺陷常见铸造缺陷26铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为：铸件的生产工艺方法按充型条件的不同，可分为：l重力铸造、压力铸造、离心铸造等。重力铸造、压力铸造、离心铸造等。l传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统传统上，将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统称为称为“特种铸造特种铸造”。l砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产砂型铸造应用最为广泛，世界各国用砂型铸造生产的铸件占铸件总产量的的铸件占铸件总产量的9090以上。砂型铸造可分为以上。砂型铸造可分为手工造型和机器造型两种，手工造型和机器造型两种，其工艺流程如图其工艺流程如图1 1所示。所示。二、铸件成形工艺分类二、铸件成形工艺分类按照形成铸件的铸型分可分为：按照形成铸件的铸型分可分为：砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。27铸造生产主要包括以下几个过程：铸造生产主要包括以下几个过程：（1 1）合金的熔炼；）合金的熔炼；（2 2）铸型的制造；）铸型的制造；（3 3）合金的浇注；）合金的浇注；（4 4）铸件的清理；）铸件的清理；（5 5）铸件的检验。）铸件的检验。285/16/2009 4:28 PM 砂型铸造过程2930合金的铸造性能合金的铸造性能:l充型能力充型能力l收缩性收缩性l吸气性吸气性 第二节第二节合金的铸造性能合金的铸造性能l合合金金的的铸铸造造性性能能是是指指在在铸铸造造过过程程中中获获得得尺尺寸寸精确、结构完整的铸件的能力。精确、结构完整的铸件的能力。合金铸造性能是选择铸合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据。铸件结构设计的依据。铸造性能铸造性能对获得合格的铸件有很大的影响。对获得合格的铸件有很大的影响。31一、合金的充型能力一、合金的充型能力充型能力：充型能力：熔融合金充满铸型型腔，获得形状完熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力整、轮廓清晰铸件的能力。在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能在液态合金充型过程中，一般伴随结晶现象，若充型能力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵力不足时，在型腔被填满之前，形成的晶粒将充型的通道堵塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生塞，金属液被迫停止流动，于是铸件将产生浇不足或冷隔浇不足或冷隔等等缺陷。缺陷。浇不足使铸件未能获得完整的形状；浇不足使铸件未能获得完整的形状；冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全熔合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。合的垂直接缝，铸件的力学性能严重受损。3233充型能力对铸件质量的影响充型能力对铸件质量的影响液态合金的充型能力强，则容易获得薄壁而复杂的液态合金的充型能力强，则容易获得薄壁而复杂的铸件，不易出现轮廓不清、浇不足或冷隔等缺陷；铸件，不易出现轮廓不清、浇不足或冷隔等缺陷；有利于金属液中有利于金属液中气体和非金属夹杂物气体和非金属夹杂物的的上浮、排出，上浮、排出，减小气孔、夹渣减小气孔、夹渣等缺陷；等缺陷；能够能够 提高提高补缩能力补缩能力，减少产生，减少产生缩孔、缩松缩孔、缩松的倾向的倾向性。性。34影响合金充型能力的主要因素：影响合金充型能力的主要因素：合金的流动性（与合金种类、合金的化学成分、合金的流动性（与合金种类、合金的化学成分、温度、杂气量等有关）温度、杂气量等有关）浇注条件（温度、压力）浇注条件（温度、压力）铸型条件（铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中铸型条件（铸型的蓄热能力、铸型温度、铸型中的气体、铸件结构）的气体、铸件结构）351、合金的流动性、合金的流动性流动性定义（流动性定义（flowability）：流动性是指液态合金的流动能力。流动性是指液态合金的流动能力。这种能力体现在这种能力体现在2 2个方面：个方面：（1 1）充满型腔；）充满型腔；（2 2）形成符合要求的优质铸件。）形成符合要求的优质铸件。如如果果流流动动性性不不好好，就就不不能能充充满满型型腔腔，就就不不能能形形成成符符合合要要求求的的优优质质铸铸件件。也也说说明明不不同同的的合合金金具具有有不不同同的的流流动动性性特特点点。在在进进行行铸铸件件设设计计和和铸铸造造工工艺艺制制定定时时，必必须须考考虑虑合合金金流流动动性性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？36图图1-1-1 1 螺旋型试样螺旋型试样在相同的浇注在相同的浇注工艺条件下，工艺条件下，将金属液浇入将金属液浇入铸型中，测出铸型中，测出其实际螺旋线其实际螺旋线长度。浇出的长度。浇出的试样愈长，合试样愈长，合金的流动性愈金的流动性愈好！好！螺螺旋旋形形流流动动性性试试样样 l测定方法测定方法37合金种类合金种类铸型种类铸型种类浇注温度浇注温度/螺旋线长度螺旋线长度/铸铁铸铁wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢铸钢wC=0.4%铝硅合金（硅铝明）铝硅合金（硅铝明）镁合金（含镁合金（含Al和和Zn）锡青铜（锡青铜（wSn10%，wZn2%）硅黄铜硅黄铜（wSi=1.5%4.5%）砂型砂型砂型砂型金属型金属型（300）砂型砂型砂型砂型砂型砂型16001640680720700104011001002007008004006004201000表表1-1常用合金的流动性（砂型，试样截面常用合金的流动性（砂型，试样截面88）38灰铸铁、硅黄铜的流动性较好；灰铸铁、硅黄铜的流动性较好；铸钢较差；铸钢较差；铝合金居中。铝合金居中。l液态金属本身的流动能力。液态金属本身的流动能力。l流动性流动性 充型能力充型能力 易薄壁复杂铸件易薄壁复杂铸件气气孔、夹渣、缩孔孔、夹渣、缩孔 影响合金流动性的主要因素：影响合金流动性的主要因素：合金的成分合金的成分与与铸件的凝固方铸件的凝固方式式 u不同成分合金的结晶特性示意图见图不同成分合金的结晶特性示意图见图1-239含碳量含碳量温度，温度，T碳钢碳钢铸铁铸铁共晶点共晶点共晶点共晶点40图图1-2 1-2 不同成分合金的结晶特性不同成分合金的结晶特性在在铸铸件件凝凝固固过过程程中中，铸铸件件断断面面上上存存在在三三个个区区域域，即即固固相相区区、凝凝固固区区和和液液相相区区。其其中中凝凝固固区区对对铸铸件件质质量量有有较较大大影影响响。铸铸件件的的凝凝固固方方式式也也可可根根据据凝凝固固区区的的宽宽窄窄来来划划分分，如图如图1-2。液态金属的凝固液态金属的凝固41铸件的凝固方式铸件的凝固方式 纯金属、共晶类合金及窄结晶温度范围的合金，在恒温下以纯金属、共晶类合金及窄结晶温度范围的合金，在恒温下以共共晶团晶团进行结晶，结晶时从进行结晶，结晶时从表层开始向中心逐层凝固表层开始向中心逐层凝固。紧靠铸型紧靠铸型壁的外层合金，一旦冷却至凝固点或共晶点温度时，即凝固成壁的外层合金，一旦冷却至凝固点或共晶点温度时，即凝固成固态晶体；而处于上述温度以上的里层合金，仍为液态。固态晶体；而处于上述温度以上的里层合金，仍为液态。固相线成分成分温度温度表层表层中心中心t铸件液固1.逐层凝固逐层凝固:42特征特征 l如灰口铸铁、硅黄铜及低碳钢等如灰口铸铁、硅黄铜及低碳钢等固固液界面分明、平滑，不存在液界面分明、平滑，不存在固液交错固液交错，凝固前沿，凝固前沿比较平滑，对金属的流动阻力小，因而充型能力强比较平滑，对金属的流动阻力小，因而充型能力强。432.糊状凝固糊状凝固结晶温度范围很宽的合金的结晶温度范围很宽的合金的一旦冷却至液相线温度时，结晶一旦冷却至液相线温度时，结晶出的出的第一批晶粒即被周围剩余的液体合金所包围第一批晶粒即被周围剩余的液体合金所包围，温度继续，温度继续下降，新形成的另一批晶粒又被液体合金包围，下降，新形成的另一批晶粒又被液体合金包围，枝晶与液体枝晶与液体合金互相交错合金互相交错充斥整个断面，充斥整个断面，固、液交错固、液交错。成分成分温度温度表层表层中心中心t铸件铸件固相线液相线液相线44这种凝固方式犹如水泥凝固，先呈糊状而后固化，这种凝固方式犹如水泥凝固，先呈糊状而后固化，凝固前沿粗糙，对金属流动的阻力大凝固前沿粗糙，对金属流动的阻力大，因而，因而充型能充型能力差力差，容易产生铸造缺陷。，容易产生铸造缺陷。特征特征 l远离共晶点成分的合金，如锡青铜、球墨铸铁及远离共晶点成分的合金，如锡青铜、球墨铸铁及高碳钢等高碳钢等453.中间凝固中间凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式。固方式。温度温度成分成分表层表层中心中心St铸件温度固相线液相线液相线中碳钢、白口铁以及部分特种黄铜等，倾向于中间凝固方式。中碳钢、白口铁以及部分特种黄铜等，倾向于中间凝固方式。46（2 2）铸件的温度梯度）铸件的温度梯度在合金结晶温度范围已定的前提在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内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，则外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄其对应的凝固区由宽变窄 。表层中心St铸件温度成分温度S1T1T2（1 1）合金的结晶温度范围）合金的结晶温度范围合金的结晶温度范围愈小，凝固合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。影响铸件凝固方式的主要因素影响铸件凝固方式的主要因素 ：l金属的凝固温度范围金属的凝固温度范围越大，树枝晶越发达，越大，树枝晶越发达，其流动性越差。其流动性越差。47如何提高合金的流动性如何提高合金的流动性l提高流动性：提高流动性：降低金属粘稠度的成分均有助于提降低金属粘稠度的成分均有助于提高流动性。高流动性。磷：磷：铁液的凝固温度和粘度铁液的凝固温度和粘度流动性；流动性；铸铁的冷脆性；铸铁的冷脆性；硫：硫：形成悬浮于铁液中的形成悬浮于铁液中的MnS质点，增加内摩擦质点，增加内摩擦铁液的粘度铁液的粘度流动性。流动性。48v纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：纯金属、共晶类合金及结晶温度范围窄的合金：只存在固、液两相区只存在固、液两相区v结晶温度范围大的合金：结晶温度范围大的合金：存在固相区、凝固存在固相区、凝固(固固-液两相液两相)区和液相区。区和液相区。倾倾向于向于向于向于逐逐逐逐层层凝固凝固凝固凝固方式方式方式方式倾倾向于向于向于向于糊状凝固糊状凝固糊状凝固糊状凝固方式方式方式方式 在相同的浇注温度下，共晶成分合金凝固温度在相同的浇注温度下，共晶成分合金凝固温度最低，即液态金属的过热度较大，推迟了液态金属的凝最低，即液态金属的过热度较大，推迟了液态金属的凝固，所以固，所以从流动性考虑，宜从流动性考虑，宜选用共晶成分或窄结晶温度选用共晶成分或窄结晶温度范围的合金作为铸造合金范围的合金作为铸造合金。492.浇注条件 浇注温度浇注温度粘度粘度、过热度过热度蓄热多蓄热多保温时间保温时间 流动性流动性。一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。凝固时间，以保持良好的流动性。（1 1）浇注温度）浇注温度 指的是浇注时熔融合金的温度。指的是浇注时熔融合金的温度。l对于薄壁铸件或对于薄壁铸件或 流动性差的合金，利用提流动性差的合金，利用提高浇注温度以改善充型能力的措施。高浇注温度以改善充型能力的措施。50浇注温度浇注温度金属的收缩金属的收缩吸气吸气氧化氧化缩孔、缩孔、缩松、气孔和粘砂缩松、气孔和粘砂。充型能力足够时浇注温度应尽可能低。充型能力足够时浇注温度应尽可能低。l每种合金有自己的合理浇注温度范围：每种合金有自己的合理浇注温度范围：铸钢铸钢1520 1620；铸铁铸铁1230 1450；铝合金铝合金680 78051（2）浇注压力）浇注压力采用方法：采用方法：增加直浇道高度、压增加直浇道高度、压力铸造、离心铸造力铸造、离心铸造 来提高来提高浇注压力。浇注压力。浇注压力浇注压力合金的流动性合金的流动性。金属液在流动方向上所受的压力越大，则流速越大，充型能金属液在流动方向上所受的压力越大，则流速越大，充型能力就越好。力就越好。523.铸型填充条件铸型填充条件（1）铸型导热能力）铸型导热能力l铸型材料铸型材料 导热系数大，比热大导热系数大，比热大 金属液冷却快金属液冷却快铸件的温铸件的温度梯度度梯度 凝固区变宽凝固区变宽充型能力充型能力l铸型温度铸型温度 温度温度 金属液冷却慢金属液冷却慢充型能力充型能力干砂干砂型铸型（加热）型铸型（加热）合金的流动性合金的流动性 金属型铸型金属型铸型 导热能力导热能力 合金的流动性合金的流动性 。533.铸型填充条件铸型填充条件l铸型结构：铸型结构：当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，铸型当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，铸型型腔狭窄、结构复杂以及有大的水平面等或铸型材型腔狭窄、结构复杂以及有大的水平面等或铸型材料发气量大时料发气量大时型腔内气体型腔内气体（如排气不畅）（如排气不畅）金金属液流动阻力属液流动阻力合金的流动性合金的流动性。（2）铸型的阻力）铸型的阻力l铸型的排气能力铸型的排气能力 铸型的排气能力差铸型的排气能力差气体不易排出气体不易排出阻碍液态阻碍液态合金的充型合金的充型 所以铸型具有良好透气性，并在所以铸型具有良好透气性，并在最高处设出气口最高处设出气口。54二、合金的收缩性二、合金的收缩性1.合金的收缩合金的收缩合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象称为或尺寸缩减的现象称为收缩。收缩。合金的收缩（控制不好）合金的收缩（控制不好）缩孔、缩松、变形、裂纹。缩孔、缩松、变形、裂纹。收缩是多种铸造缺陷的根源收缩是多种铸造缺陷的根源:55l合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩过程有合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩过程有三个阶段三个阶段：温度温度成分成分T浇浇T凝凝T固固浇浇凝凝固固液态收缩液态收缩 液液从浇注温度（从浇注温度（T浇浇）到凝固开始温度（即液相线温到凝固开始温度（即液相线温度度T液液）间的收缩。）间的收缩。凝固收缩凝固收缩 凝凝从凝固开始温度（从凝固开始温度（T凝凝）到凝固终止温度（即固相）到凝固终止温度（即固相线温度线温度T固固）间的收缩。）间的收缩。固态收缩固态收缩 固固从凝固终止温度（从凝固终止温度（T固固）到室温）到室温T室温室温间的收缩。间的收缩。56体收缩率：体收缩率：l液态收缩液态收缩和和凝固收缩凝固收缩表现为铸型空腔内金属液表现为铸型空腔内金属液面的下降，引起液体铸件面的下降，引起液体铸件体积的变化体积的变化，故称体积收，故称体积收缩或缩或体收缩体收缩。l液态收缩和凝固收缩液态收缩和凝固收缩是铸件产生是铸件产生缩孔或缩松缩孔或缩松的的基本原因。基本原因。57l固态收缩固态收缩是铸件产生是铸件产生铸造应力导致铸件变形铸造应力导致铸件变形，甚至产生甚至产生裂纹裂纹的主要原因。的主要原因。l固态收缩固态收缩将引起铸件外部形状、尺寸发生变将引起铸件外部形状、尺寸发生变化尺寸的变化，故称尺寸收缩或化尺寸的变化，故称尺寸收缩或线收缩线收缩。线收缩率：线收缩率：合金的总收缩为上述三种收缩之和。合金的总收缩为上述三种收缩之和。582.影响合金收缩的因素影响合金收缩的因素化学成分化学成分碳素钢碳素钢C 凝凝 固固；灰铸铁灰铸铁C、Si 收缩率收缩率；S 收缩率收缩率。不同成分合金的收缩率不同不同成分合金的收缩率不同 几种铁碳合金的收缩率几种铁碳合金的收缩率合金种类合金种类含碳量含碳量c(%)浇注温度浇注温度/液态收缩液态收缩率率(%)凝固收缩凝固收缩率率(%)固态收缩固态收缩率率(%)总体收缩总体收缩率率(%)碳素铸钢碳素铸钢0.3516101.63.07.8612.46白口铸铁白口铸铁3.0014002.44.25.46.31212.9灰铸铁灰铸铁3.5014003.50.13.34.26.97.859浇注温度浇注温度 T T过过 液液、总收缩率总收缩率。浇注温度浇注温度为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温为减小合金液态收缩及氧化吸气，并且兼顾流动性，浇注温度一般控制在高于液相线温度度一般控制在高于液相线温度50150。60由于铸件壁厚不均匀，各部分冷速不同，由于铸件壁厚不均匀，各部分冷速不同，各部各部收缩先后不一致收缩先后不一致而相互制约而相互制约对收缩产生阻力；对收缩产生阻力；铸型和型芯铸型和型芯收缩机械阻力收缩机械阻力实际收缩率比自由收实际收缩率比自由收缩率小。缩率小。铸件结构和铸型条件铸件结构和铸型条件l铸件的凝固收缩铸件的凝固收缩 凝凝并非自由收缩，而是受阻收缩。并非自由收缩，而是受阻收缩。其阻力来源于两个方面其阻力来源于两个方面:61(a)自由线收缩率为自由线收缩率为2.5%；(b)受阻较小的线收缩率为受阻较小的线收缩率为1.5%；(c)受阻较大的线收缩率为受阻较大的线收缩率为1.0%；(d)(d)受阻特别大的线收缩率为受阻特别大的线收缩率为0.5%0.5%。62 在设计和制造在设计和制造模样模样 时，不应直接采用合金时，不应直接采用合金的线收缩率，的线收缩率，而应根据合金种类和铸件收缩而应根据合金种类和铸件收缩的受阻情况，采用实际的收缩率的受阻情况，采用实际的收缩率。633.铸件中的缩孔与缩松铸件中的缩孔与缩松铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，洞，大而集中大而集中的孔洞称为的孔洞称为缩孔缩孔，细小而细小而分散分散的孔洞称为的孔洞称为缩松缩松。危害危害-缩孔和缩松会减小铸件的有效承缩孔和缩松会减小铸件的有效承载面积，并在该处造成载面积，并在该处造成应力集中，从而应力集中，从而降低力学性能降低力学性能。对于要求对于要求气密件气密件，缩孔、缩松还会，缩孔、缩松还会造造成渗漏而严重影响其气密性成渗漏而严重影响其气密性。所以，缩孔和缩松是很大的铸造缺陷之一。所以，缩孔和缩松是很大的铸造缺陷之一。64缩孔与缩松的形成缩孔与缩松的形成由由 液液、凝凝体积体积（得不到补充）（得不到补充）最后凝固部分最后凝固部分产生孔洞产生孔洞形成集中孔洞（缩孔）。形成集中孔洞（缩孔）。缩孔的形成：缩孔的形成：演示演示65缩孔形成的条件缩孔形成的条件:金属在恒温或很小的温度范围内金属在恒温或很小的温度范围内结晶，如纯金属、共晶成分的合金，结晶，如纯金属、共晶成分的合金，浇注后在型腔浇注后在型腔内是由表及里的内是由表及里的以逐层凝固方式进行凝固。以逐层凝固方式进行凝固。缩孔种类缩孔产生的基本原因缩孔产生的基本原因:合金的液态收缩和凝固合金的液态收缩和凝固收缩值收缩值远大于远大于固态收缩固态收缩值。值。缩孔与缩松的形成演示缩孔与缩松的形成演示66缩孔易出现的部位缩孔易出现的部位缩孔产生的部位缩孔产生的部位:一般在铸件最后凝固区域，如壁的一般在铸件最后凝固区域，如壁的上部或中心处，以及铸件两壁相交处，即热节处。上部或中心处，以及铸件两壁相交处，即热节处。67若在铸件顶部设置冒口，缩孔将移至冒口。若在铸件顶部设置冒口，缩孔将移至冒口。冒口冒口riser：铸型中特设的空：铸型中特设的空腔，用于储备多余金属液体腔，用于储备多余金属液体以弥补收缩引起的金属液体以弥补收缩引起的金属液体不足。不足。68缩松形成的条件缩松形成的条件:它主要出现在结晶温度范围宽、呈它主要出现在结晶温度范围宽、呈糊状凝固方式的合金中，糊状凝固方式的合金中，或断面较大的铸件壁中。或断面较大的铸件壁中。缩松的形成缩松的形成树枝状晶体树枝状晶体分隔开的液分隔开的液体区难以得体区难以得到补缩所致。到补缩所致。缩松缩松缩松缩松动画动画69 缩松分为宏观缩松和显微缩松：缩松分为宏观缩松和显微缩松：宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到；宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到；显微缩松用显微镜才能观察到。显微缩松用显微镜才能观察到。缩松产生的部位缩松产生的部位:大多分布在铸件大多分布在铸件中心轴线处中心轴线处、热节处热节处、冒口冒口根部根部、内浇口附近内浇口附近或或缩孔下方缩孔下方。图图1-6铸件缩松的形成过程铸件缩松的形成过程7071分布分布特征特征存在存在部位部位容积容积大小大小形状形状特征特征发生发生材料材料缩缩 孔孔集集中中上部，上部，最后最后较大较大倒锥状倒锥状近共晶近共晶缩缩 松松分分散散特殊特殊区域区域细小细小不规则不规则远共晶远共晶72缩孔缩松的形成规律缩孔缩松的形成规律1）合合金金的的液液态态收收缩缩和和凝凝固固收收缩缩越越大大（如如铸铸钢钢、白白口口铁等），铸件越易铁等），铸件越易形成缩孔形成缩孔。2）合合金金的的浇浇注注温温度度越越高高，液液态态收收缩缩越越大大，越越易易形形成成缩孔缩孔。3）结结晶晶温温度度范范围围宽宽的的合合金金，倾倾向向于于糊糊状状凝凝固固，易易形形成缩松成缩松。纯纯金金属属和和共共晶晶成成分分合合金金倾倾向向于于逐逐层层凝凝固固，易易形形成成缩孔缩孔。73缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止l判断缩孔出现的方法判断缩孔出现的方法等温线法等温线法 根据铸件各部分根据铸件各部分的散热情况，把同时到达凝的散热情况，把同时到达凝固温度的各点连接成等温线固温度的各点连接成等温线 ，逐层向内绘制，逐层向内绘制，直道最窄直道最窄的截面上的等温线相互接触的截面上的等温线相互接触为止为止。这样，就可以确定铸。这样，就可以确定铸件最后凝固的部位，即缩孔件最后凝固的部位，即缩孔和缩松的位置。和缩松的位置。74在内接圆直在内接圆直径最大径最大的部分的部分(称为称为“热节热节”)，有较，有较多的金属积聚，往往最后凝固，容易产生缩孔和缩松。多的金属积聚，往往最后凝固，容易产生缩孔和缩松。内接圆法内接圆法常用来确定铸件上相交壁处的缩孔位置。常用来确定铸件上相交壁处的缩孔位置。75缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止定向（定向（顺序）顺序）凝固原则凝固原则原则原则合理布置内浇道及确定浇铸工艺。合理布置内浇道及确定浇铸工艺。方法方法合理应用冒口、冷铁和补贴等工合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。艺措施。消除缩孔的方法消除缩孔的方法缩孔的防止缩孔的防止76 利用各种工艺措施，使铸件从利用各种工艺措施，使铸件从远离冒口的部分到冒口之远离冒口的部分到冒口之间建立一个递增的温度梯间建立一个递增的温度梯，凝固从，凝固从远离冒口的部分开始远离冒口的部分开始，逐，逐渐向冒口方向顺序进行，最后渐向冒口方向顺序进行，最后 是冒口本身凝固。这样就能实是冒口本身凝固。这样就能实现现以厚补薄，使缩孔移至冒口，从而获得致密的铸件以厚补薄，使缩孔移至冒口，从而获得致密的铸件。缩孔和缩松的防止缩孔和缩松的防止“定向凝固定向凝固”原则：原则：适适用用于于收收缩缩大大或或壁壁厚厚差差别别大大，易易产产生生缩缩孔孔的的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。77定向凝固定向凝固directionalfreezing图解图解浇注系统浇注系统Pouringsystem型腔型腔mouldcavity冒口冒口Riser温度温度距离距离123缩孔缩孔shrinkagecavity定向凝固动画78在铸件一些局部厚大的部位上安放冷铁在铸件一些局部厚大的部位上安放冷铁，加快该，加快该处的冷却，以便充分发挥冒口的补缩作用处的冷却，以便充分发挥冒口的补缩作用冷铁冷铁Chill：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。：型壁上外设的铁块，用于加快该处的冷却速度。冒口的设计：冒口的设计：应将冒口安放在铸件最厚和最高处，其尺寸要足够大。应将冒口安放在铸件最厚和最高处，其尺寸要足够大。内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；应将内浇道开设在冒口上，使充型的炽热金属液首应将内浇道开设在冒口上，使充型的炽热金属液首先流经冒口。先流经冒口。内浇道的设计：内浇道的设计：冷铁的设计：冷铁的设计：79n n冷铁的使用图解冷铁的使用图解123冷铁冷铁ChillChills are metallic objects,which are placed in the mould to increase the cooling rate of castings to provide uniform or desired cooling rate.80解决缩孔的方法演示解决缩孔的方法演示 冒口和冷铁冒口和冷铁1冒口和冷铁冒口和冷铁281暗冒口冒口 储存补缩用金属液的空腔。顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固。冷铁热节82尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于尽量选择凝固区域较窄的合金，使合金倾向于逐层凝固；逐层凝固；对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温对凝固区域较宽的合金，可采用增大凝固的温度梯度办法。度梯度办法。缩松的防止缩松的防止缩松的防止比缩孔困难，目前多采用在热节处缩松的防止比缩孔困难，目前多采用在热节处加冷铁和加大结晶压力的办法，减少金属液流动的加冷铁和加大结晶压力的办法，减少金属液流动的阻力，能达到部分防止缩松的效果。阻力，能达到部分防止缩松的效果。l缩松转化为缩孔的方法：缩松转化为缩孔的方法：83由于铸件各部分有温差，凝固期间容易产生热由于铸件各部分有温差，凝固期间容易产生热裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。裂，凝固后也容易使铸件产生应力和变形。定向凝固使清理工作量大。定向凝固使清理工作量大。冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致冒口补缩作用好，可防止缩孔和缩松，铸件致密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，密。对于凝固收缩大，结晶温度范围较小的合金，常采用定向凝固原则以保证铸件质量。常采用定向凝固原则以保证铸件质量。l定向凝固的优点：定向凝固的优点：l定向凝固的缺点：定向凝固的缺点：844.铸造内应力及铸件的变形和裂纹铸造内应力及铸件的变形和裂纹铸件的固态收缩受到阻碍时，在铸件内部产生铸件的固态收缩受到阻碍时，在铸件内部产生的内应力称为的内应力称为铸造内应力。铸造内应力。它是产生变形和裂纹的它是产生变形和裂纹的主要原因。主要原因。内应力内应力热应力热应力机械机械应力应力铸件在铸件在凝固和冷却凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，不均匀，各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分冷却速度不同，造成同一时刻各部分收缩不一致，从而在铸件中相互制约产各部分收缩不一致，从而在铸件中相互制约产生生热应力热应力thermalstressthermalstress。铸件在铸件在固态收缩固态收缩时，因受到铸型、型时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍外力阻碍而产生而产生的应力。的应力。内应力的形成内应力的形成85第一阶段第一阶段T0T1（a):高温阶段，塑性状态，高温阶段，塑性状态，杆杆、杆杆都都是是塑塑性性变变形形，无无热应力热应力；图图1-10热应力的形成热应力的形成以以框框架架铸铸件件为为例例，说说明明热热应应力力的的形形成成过过程程，如如图图1-101-10所所示示，其热应力形成过程分三阶段。其热应力形成过程分三阶段。铸造热应力的形成过程分析铸造热应力的形成过程分析第二阶段第二阶段T1T2(b、c）:杆杆塑塑性性状状态态、杆杆弹弹性性状状态态，杆杆受受拉拉应应力力，受受压压应应力力，塑塑性性变变形形消消除除,仍仍无热应力无热应力；86第第三三阶阶段段T2T3（d）：杆杆、杆杆均均弹弹性性变变形形，杆杆比比杆杆温温度度高高，杆杆收收缩缩大大于于杆杆，杆杆收收缩缩受受杆杆的的阻阻碍碍，产产生生拉拉应应力力，杆杆产生压应力产生压应力。热热应应力力和和合合金金的的弹弹性性模模量量、线线收收缩缩系系数数、铸铸件件各各部部分分壁壁厚厚差差别别及及温温度度差差成成正比正比。图图1-10热应力的形成热应力的形成动画演示动画演示87结论：结论：热应力的特点：热应力的特点：固态收缩使固态收缩使铸件厚壁或心部受拉伸铸件厚壁或心部受拉伸。薄壁薄壁或或表层受压缩表层受压缩。合金固态收缩率愈大，铸件壁厚差别愈大，形状愈复杂，合金固态收缩率愈大，铸件壁厚差别愈大，形状愈复杂，所产生的所产生的热应力愈大热应力愈大。防止热应力产生的途径：防止热应力产生的途径：缩小铸件各部位的温差，使其均匀冷却。缩小铸件各部位的温差，使其均匀冷却。、选用弹性模量小的合金；、选用弹性模量小的合金；、设计壁厚均匀的铸件；、设计壁厚均匀的铸件；、从工艺方面促使铸件各部位、从工艺方面促使铸件各部位同时凝固同时凝固。88冷铁同时凝固同时凝固 整个铸件几乎同时凝固整个铸件几乎同时凝固。l同时凝固可有效防止热应力。凝固期间不容易产生热裂，同时凝固可有效防止热应力。凝固期间不容易产生热裂，凝固后也不易引起应力、变形；凝固后也不易引起应力、变形；l由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工由于不用冒口或冒口很小而节省金属，简化工艺、减少工作量。作量。l缺点缺点是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。是铸件中心区域往往有缩松，铸件不致密。89机械应力（收缩应力）机械应力（收缩应力）mechanicalstressmechanicalstress机械应力是暂时应力。机械应力是暂时应力。上型下型铸件收缩受到铸型、型芯及浇铸系统的机械阻碍而产生的应铸件收缩受到铸型、型芯及浇铸系统的机械阻碍而产生的应力称为机械阻碍应力。简称力称为机械阻碍应力。简称机械应力机械应力。l铸型或型芯退让性良好，铸型或型芯退让性良好，机械应力则小。机械应力则小。l机械应力在铸件落砂之机械应力在铸件落砂之后可自行消除。后可自行消除。l机械应力在铸型中能与机械应力在铸型中能与热应力共同起作用，增加热应力共同起作用，增加了铸件产生裂纹的可能性了铸件产生裂纹的可能性.90减小和消除铸造应力的途径减小和消除铸造应力的途径工艺方面工艺方面a.a.使铸件按使铸件按“同时凝固同时凝固”原则进行凝固。原则进行凝固。将内浇道开设在薄壁处，在厚壁部位安放冷铁使铸将内浇道开设在薄壁处，在厚壁部位安放冷铁使铸件各部分温差很小，同时进行凝固，由此热应力件各部分温差很小，同时进行凝固，由此热应力可可减小到最低限度。减小到最低限度。应该注意的是，此时应该注意的是，此时铸件中心区域往往出现铸件中心区域往往出现缩松，组织不够致密。缩松，组织不够致密。91b.提高铸型和型芯的提高铸型和型芯的退让性退让性，及早落砂、打箱以消，及早落砂、打箱以消除机械阻碍，将铸件放入保温坑中缓冷，都可减除机械阻碍，将铸件放入保温坑中缓冷，都可减小铸造应力。小铸造应力。结构设计方面结构设计方面应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐应尽量做到结构简单，壁厚均匀，薄、厚壁之间逐渐过渡，以减小各部分的温差，并使各部分能比渐过渡，以减小各部分的温差，并使各部分能比较自由地进行收缩。较自由地进行收缩。采用自然时效、人工时效等方法采用自然时效、人工时效等方法消除铸件中产生消除铸件中产生的热应力。的热应力。92铸件的变形及其防止铸件的变形及其防止如果铸件存在内应力，如果铸件存在内应力，则铸件处于一种不稳定状态则铸件处于一种不稳定状态，铸件，铸件厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力厚的部分受拉应力，薄的部分受压应力。如果。如果内