1、第三章 液態成型原理工藝 概述 不銹鋼勞斯萊斯標志性的歡慶女神雕像：不銹鋼勞斯萊斯標志性的歡慶女神雕像： 生產商：保利卡斯特有限公司生產商：保利卡斯特有限公司 設計師：查里斯設計師：查里斯.羅賓遜羅賓遜.賽克斯賽克斯 發布時間：發布時間：1911年年 更多信息：更多信息： 工藝方法：失臘鑄造法工藝方法：失臘鑄造法 鑄件的應用 常用鑄件常用鑄件 鑄鐵件 鑄鋼件 鑄鋁 鑄銅 鑄件毛坯鑄件毛坯 形狀復雜 有內腔 大、小件 受力簡單 鑄鋁件 球鐵鑄件 鑄 銅 什么是什么是金屬的液態成形金屬的液態成形: : 即將液態金屬澆入與零件形狀相適應的鑄型空腔中， 待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的工藝方法,亦稱鑄

2、造. 通過鑄造所鑄出的金屬制品稱為鑄件。 金屬的液態成形的作用金屬的液態成形的作用: 金屬的液態成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。 按鑄型材料的不同，金屬液態成形可分為砂型鑄造和特 種鑄造（包括壓力鑄造、金屬型鑄造等）.其中砂型鑄造 是最基本的液態成形方法，所生產的鑄件要占鑄件總量 的80%以上. 液態成型的優點液態成型的優點 適于做復雜外形，特別是適于做復雜外形，特別是 復雜內腔的毛坯復雜內腔的毛坯 對材料的適應性廣，鑄件對材料的適應性廣，鑄件 的大小幾乎不受限制的大小幾乎不受限制 成本低，原材料來源廣泛，成本低，原材料來源廣泛， 價格低廉價格低廉,一般不需要昂一般不需要昂 貴的設備貴的設

3、備 是某些塑性很差的材料是某些塑性很差的材料 (如鑄鐵等如鑄鐵等)制造其毛坯或制造其毛坯或 零件的唯一成型工藝零件的唯一成型工藝 液態成型液態成型 優優 點點 液態成型的缺點液態成型的缺點 工藝過程比較復雜，一些工藝工藝過程比較復雜，一些工藝 過程還難以控制過程還難以控制 液態成形零件內部組織的均勻性、液態成形零件內部組織的均勻性、 致密性一般較差致密性一般較差 液態成形零件易出現縮孔、縮松、液態成形零件易出現縮孔、縮松、 氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等氣孔、砂眼、夾渣、夾砂、裂紋等 缺陷，產品缺陷，產品 質量不夠穩定質量不夠穩定 由于鑄件內部晶粒粗大，組織不均由于鑄件內部晶粒粗大，組織不均

4、勻，且常伴勻，且常伴 有缺陷，其力學性能有缺陷，其力學性能 比同類材料的塑性成形低比同類材料的塑性成形低 液態成型液態成型 缺缺 點點 u鑄造工藝過程主要包括：金屬熔煉、鑄型制造、鑄造工藝過程主要包括：金屬熔煉、鑄型制造、 澆注凝固和落砂清理等。澆注凝固和落砂清理等。 熔煉金屬熔煉金屬 鑄型鑄型 澆注澆注鑄件鑄件 鑄件生產過程框圖 鑄件的材質有碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄造有色合金等。鑄件的材質有碳素鋼、合金鋼、鑄鐵、鑄造有色合金等。 第一節第一節 鑄造工藝過程鑄造工藝過程 一一 、充型能力：、充型能力： 液態合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完液態合金充滿鑄型型腔，獲得形狀完 整、輪廓清晰鑄件的能力。整

5、、輪廓清晰鑄件的能力。 合金的充型能力合金的充型能力 液態金屬液態金屬充滿鑄型型腔充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確獲得尺寸精確、輪廓清晰輪廓清晰 的成型件的能力的成型件的能力 充型能力的概念充型能力的概念: 充型能力不足充型能力不足 澆不足澆不足冷冷 隔隔夾夾 砂砂氣氣 孔孔夾夾 渣渣 充型能力不足：澆不足、冷隔等缺陷；充型能力不足：澆不足、冷隔等缺陷； 充型能力好：鑄件輪廓清晰、能夠鑄出薄而充型能力好：鑄件輪廓清晰、能夠鑄出薄而 復雜的鑄件、有利于非金屬夾雜物和氣體的復雜的鑄件、有利于非金屬夾雜物和氣體的 上浮與排除、有利于補縮上浮與排除、有利于補縮； 澆不足澆不足 冷隔冷隔 幾種不同合金流動性的

6、比較幾種不同合金流動性的比較 *鑄鐵的流動性鑄鐵的流動性*鑄鋼的流動性鑄鋼的流動性 實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。實驗證明鑄鐵的流動性好，鑄鋼的流動性差。 比較下面幾種合金流動性能比較下面幾種合金流動性能 1、合金的流動性、合金的流動性： u液態合金本身的流動能力，是合金主要鑄造性能之一。液態合金本身的流動能力，是合金主要鑄造性能之一。 u衡量流動性方法：螺旋形試樣，衡量流動性方法：螺旋形試樣，如圖所示；如圖所示； u 化學成分對流動性影響：合金成分離共晶點越近，流動性化學成分對流動性影響：合金成分離共晶點越近，流動性 越好；（鑄鐵的流動性好、鑄鋼的流動性差），如圖所示；越好；（鑄鐵

7、的流動性好、鑄鋼的流動性差），如圖所示； 充型能力的充型能力的 決定因素決定因素 合金的流動性合金的流動性 鑄型性質鑄型性質 澆注條件澆注條件 鑄件結構等鑄件結構等 出氣口 澆口杯 PbSb 20406080 20 40 60 80 0 流動性（流動性（cm） 100 200 300 溫度溫度（） 0 合金的成分合金的成分。同種合金，成分。同種合金，成分 不同，其結晶特點不同，流動不同，其結晶特點不同，流動 性也不同。如圖性也不同。如圖2-42-4所示鉛錫合所示鉛錫合 金的流動性與相圖的關系；純金的流動性與相圖的關系；純 金屬和共晶合金在恒溫下結晶，金屬和共晶合金在恒溫下結晶， 為逐層凝固方式

8、，凝固層表面為逐層凝固方式，凝固層表面 光滑，阻力小，故流動性好，光滑，阻力小，故流動性好， 同時共晶合金熔點最低，故流同時共晶合金熔點最低，故流 動性最好。而亞共晶合金，為動性最好。而亞共晶合金，為 中間凝固方式，復雜枝晶阻礙中間凝固方式，復雜枝晶阻礙 流動，故流動性差。流動，故流動性差。 圖圖2-4鉛錫合金的流動性與相圖的關系鉛錫合金的流動性與相圖的關系 鑄造性能流動性 合金種類鑄型種類澆注溫度（）螺旋線長度（mm） 鑄鐵C+Si=6.2% C+Si=5.9% C+Si=5.2% C+Si=4.2% 砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 100

9、0 600 鑄鋼C=0.4%砂型 砂型 1600 1640 100 200 鋁硅合金（鋁硅明） 鎂合金（含Al及Zn） 錫青銅（Sn=10%,Zn=2%） 硅黃銅（Si=1.54.5%） 金屬型（300） 砂型 砂型 砂型 680720 700 1040 1100 700800 400600 420 1000 常用合金的流動性（砂型，試樣截面常用合金的流動性（砂型，試樣截面8 88 8mmmm） 2、澆注條件：、澆注條件： （1）澆注溫度：）澆注溫度： u澆注溫度越高澆注溫度越高充型能力越好；充型能力越好； u澆注溫度過高澆注溫度過高缺陷：縮孔、縮松、粘砂、氣孔、缺陷：縮孔、縮松、粘砂、氣孔、

10、 晶粒粗大等；如圖所示；晶粒粗大等；如圖所示； （2）充型壓力：）充型壓力： 充型壓力越大充型壓力越大充型能力越好；充型能力越好； 3、 澆注系統澆注系統 澆注系統的結構越復雜，則流動阻力越大，充澆注系統的結構越復雜，則流動阻力越大，充 型能力越差。型能力越差。 澆注澆注 條件條件 澆注溫度澆注溫度 充型壓力充型壓力 澆注系統澆注系統 澆注溫度越高，液態金屬的粘度越澆注溫度越高，液態金屬的粘度越 小，過熱度高，金屬液內含熱小，過熱度高，金屬液內含熱 量多，量多， 保持液態的時間長，充型保持液態的時間長，充型 能力強。能力強。 液態金屬在流動方向上所受的壓力液態金屬在流動方向上所受的壓力 稱為充

11、型壓力。充型壓力越大稱為充型壓力。充型壓力越大, 充充 型能力越強。型能力越強。 澆注系統的結構越復雜，則流動澆注系統的結構越復雜，則流動 阻力越大，充型能力越差。阻力越大，充型能力越差。 3、鑄型填充條件：、鑄型填充條件： 鑄型材料：鑄型材料： 導熱系數、比熱容越大導熱系數、比熱容越大充型能力越差；充型能力越差； 鑄型溫度：鑄型溫度： 溫度越高溫度越高充型能力越好；充型能力越好； 鑄型中氣體鑄型中氣體 氣壓越大氣壓越大阻礙液態合金的充型；阻礙液態合金的充型； 鑄型充填條件對充型能力的影響鑄型充填條件對充型能力的影響 鑄型溫度鑄型溫度(不能過高不能過高) 鑄型蓄熱系數鑄型蓄熱系數: 即從金屬中

12、吸取熱量即從金屬中吸取熱量 并儲存的能力并儲存的能力 鑄型的發氣和鑄型的發氣和 透氣能力：透氣能力： 澆鑄時產生氣體澆鑄時產生氣體 能在金屬液與鑄型間形成氣膜，能在金屬液與鑄型間形成氣膜， 減小摩擦阻力，有利于充型。減小摩擦阻力，有利于充型。 但發氣能力過強但發氣能力過強,透氣能力又差時透氣能力又差時, 若澆鑄速度太快若澆鑄速度太快, 則型腔中的氣體壓力增大，則型腔中的氣體壓力增大， 充型能力減弱。充型能力減弱。 4鑄件結構對充型能力的影響鑄件結構對充型能力的影響 折算厚度：折算厚度： 折算厚度也叫當量厚度折算厚度也叫當量厚度 或模數或模數,是鑄件體積與鑄件是鑄件體積與鑄件 表面積之比。折算厚

13、度越表面積之比。折算厚度越 大，熱量散失越慢，充型大，熱量散失越慢，充型 能力就越好。鑄件壁厚相能力就越好。鑄件壁厚相 同時，垂直壁比水平壁更同時，垂直壁比水平壁更 容易充填容易充填.(大平面鑄件不大平面鑄件不 易成形易成形) 復雜程度：復雜程度： 鑄件結構越復雜，鑄件結構越復雜， 流動阻力就越大，鑄流動阻力就越大，鑄 型的充填就越困難。型的充填就越困難。 二、二、 鑄件的凝固與收縮鑄件的凝固與收縮 1、鑄件的凝固方式、鑄件的凝固方式： 鑄件的凝固過程，其斷面一般存在三個區域：鑄件的凝固過程，其斷面一般存在三個區域： 固相區、凝固區、液相區，如圖所示；固相區、凝固區、液相區，如圖所示； ab

14、表層中心 t鑄件 固相線 液相線 成分 溫度 表層中心 t鑄件 液 固 液 c 表層中心 S t鑄件 溫度 液相線 固 凝固區 1）、逐層凝固）、逐層凝固（殼狀凝固）：（殼狀凝固）： 純金屬或共晶成分的合金，純金屬或共晶成分的合金，如圖如圖所示所示； 2）、糊狀凝固：）、糊狀凝固： 合金的結晶溫度范圍（溫度間隔）很寬，合金的結晶溫度范圍（溫度間隔）很寬，如圖所如圖所 示示： 3）中間凝固（介于兩者之間）：）中間凝固（介于兩者之間）： 多數合金屬于此種方式，如圖所示；多數合金屬于此種方式，如圖所示； 總之總之： 逐層凝固時，合金的充型能力強，不易產生縮逐層凝固時，合金的充型能力強，不易產生縮 松

15、，鑄件致密性好，熱裂傾向小；如灰鑄鐵；松，鑄件致密性好，熱裂傾向?。蝗缁诣T鐵； 糊狀凝固時，鑄件致密性差，縮松嚴重，熱裂糊狀凝固時，鑄件致密性差，縮松嚴重，熱裂 傾向大；如鋁合金、球墨鑄鐵等；傾向大；如鋁合金、球墨鑄鐵等； 2 影響凝固的主要因素影響凝固的主要因素 *合金的結晶溫度范圍：合金的結晶溫度范圍： 合金的結晶溫度范圍越小，凝固區域越合金的結晶溫度范圍越小，凝固區域越 窄，越趨向于逐層凝固。在鐵碳合金中普通窄，越趨向于逐層凝固。在鐵碳合金中普通 灰鑄鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固?；诣T鐵為逐層凝固，高碳鋼為糊狀凝固。 *鑄件的溫度梯度：鑄件的溫度梯度： 在合金結晶溫度范圍已定的前提下，

16、凝在合金結晶溫度范圍已定的前提下，凝 固區的寬窄取決于鑄件內外層之間的溫度差。固區的寬窄取決于鑄件內外層之間的溫度差。 若鑄件內外層之間的溫度差由小變大，則其若鑄件內外層之間的溫度差由小變大，則其 凝固區相應由寬變窄。凝固區相應由寬變窄。 表層中心 S t鑄件 溫度 成分 溫度 S1 T1 T2 T澆 T液 T固 T室 3、鑄造合金的收縮：、鑄造合金的收縮： u合金從澆注、凝固直至冷卻至室溫，其體積和尺寸合金從澆注、凝固直至冷卻至室溫，其體積和尺寸 縮減的現象，稱為收縮；縮減的現象，稱為收縮； u合金的收縮包括：合金的收縮包括：液態收縮、凝固收縮、固態收縮；液態收縮、凝固收縮、固態收縮； 圖圖

17、2-6 鑄造合金收縮過程示意圖鑄造合金收縮過程示意圖 I液態收縮液態收縮 II凝固收縮凝固收縮 III固態收縮固態收縮 a) 合金狀態圖合金狀態圖 b) 一定溫度范圍合金一定溫度范圍合金 c) 共晶合金共晶合金 a) b) c) 1 1）液態收縮。）液態收縮。指合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度過程中的收縮。指合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度過程中的收縮。 2 2）凝固收縮。）凝固收縮。指合金在液相指合金在液相 線和固相線之間凝固階段的收線和固相線之間凝固階段的收 縮。結晶溫度范圍越大，收縮縮。結晶溫度范圍越大，收縮 率越大。率越大。液態和凝固收縮時金液態和凝固收縮時金 屬液體積縮小，是形成縮孔和屬

18、液體積縮小，是形成縮孔和 縮松的基本原因?？s松的基本原因。 3 3）固態收縮。）固態收縮。指合金從固相指合金從固相 線溫度冷卻到室溫時的收縮。線溫度冷卻到室溫時的收縮。 用線收縮率表示。用線收縮率表示。它對鑄件形它對鑄件形 狀和尺寸精度影響很大，是鑄狀和尺寸精度影響很大，是鑄 造應力、變形和裂紋等缺陷產造應力、變形和裂紋等缺陷產 生的基本原因生的基本原因 。 合金的收縮合金的收縮 合金收縮合金收縮 固態合金冷卻固態合金冷卻 液態合金冷卻液態合金冷卻 液態收縮液態收縮 凝固收縮凝固收縮 縮孔縮孔:恒溫下結晶恒溫下結晶 縮松縮松:兩相區結晶兩相區結晶 線形收縮線形收縮 裂紋裂紋 變形變形 應力應力

19、 4 影響收縮的因素影響收縮的因素 鑄型條件鑄型條件 鑄件結構鑄件結構 澆注溫度澆注溫度 化學成分化學成分(c含量含量) 合金收縮合金收縮 5、鑄件中的縮孔與縮松：、鑄件中的縮孔與縮松： 1 1）、縮孔：集中在鑄件上部或最后凝固部位）、縮孔：集中在鑄件上部或最后凝固部位 容積較大的孔洞，如圖所示；容積較大的孔洞，如圖所示； 液態金屬填滿鑄型之后（圖液態金屬填滿鑄型之后（圖a a），由于鑄型吸熱，靠近鑄型），由于鑄型吸熱，靠近鑄型 表面的金屬很快凝結成一層外殼，而內部仍然是高于凝固溫度表面的金屬很快凝結成一層外殼，而內部仍然是高于凝固溫度 的液體（圖的液體（圖b)b)。溫度繼續下降、外殼加厚，但

20、內部液體因液態。溫度繼續下降、外殼加厚，但內部液體因液態 收縮和補充凝固層的凝固收縮，體積減小，液面下降，使鑄件收縮和補充凝固層的凝固收縮，體積減小，液面下降，使鑄件 內部出現了空隙（圖內部出現了空隙（圖c c）。直到內部完全凝固，在鑄件上部形成）。直到內部完全凝固，在鑄件上部形成 了縮孔（圖了縮孔（圖d d）。已經產生縮孔的鑄件繼續冷卻到室溫時，因固）。已經產生縮孔的鑄件繼續冷卻到室溫時，因固 態收縮是鑄件的外輪廓尺寸略有縮?。▓D態收縮是鑄件的外輪廓尺寸略有縮?。▓Dd d） 2）縮松：分散在鑄件某區域內的細小孔洞，）縮松：分散在鑄件某區域內的細小孔洞， 如圖所示如圖所示。 分為：宏觀縮松、微

21、觀縮松；分為：宏觀縮松、微觀縮松； 縮松的形成原因縮松的形成原因: 鑄件最后凝固的收縮未能得到補足，或者鑄件最后凝固的收縮未能得到補足，或者 結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區域結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區域 較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發達，枝晶骨較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發達，枝晶骨 架將合金液分割開的小液體區難以得到補縮所架將合金液分割開的小液體區難以得到補縮所 致。致。 縮孔和縮松的形成縮孔和縮松的形成 常出現于常出現于純金屬、共晶成分純金屬、共晶成分合金和合金和結晶溫度范圍結晶溫度范圍 較窄較窄的以的以層狀凝固方式凝固層狀凝固方式凝固的鑄造合金中；的鑄造合金中； 多集

22、中在鑄件的上部和最后凝固的部位；鑄件多集中在鑄件的上部和最后凝固的部位；鑄件厚厚 壁處壁處、兩壁相交處及、兩壁相交處及內澆口附近內澆口附近等凝固較晚或凝等凝固較晚或凝 固緩慢的部位（稱為熱節），也常出現縮孔；固緩慢的部位（稱為熱節），也常出現縮孔； 縮孔尺寸較大，形狀不規則，表面不光滑縮孔尺寸較大，形狀不規則，表面不光滑。 縮 孔 特 點 縮 松 的 特 點 縮松多出現于縮松多出現于結晶溫度范圍較寬結晶溫度范圍較寬的合金中；的合金中； 顯微縮松一般出現在顯微縮松一般出現在枝晶間和分枝之間枝晶間和分枝之間； 常分布在常分布在縮孔附近或鑄件厚壁的中心部位縮孔附近或鑄件厚壁的中心部位； 5 5縮孔和

23、縮松的防止縮孔和縮松的防止 防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制鑄件的 凝固次序，使鑄件實現“順序凝固”。 順序凝固：使鑄件遠離冒口的地方先凝固，而后靠近冒地方先凝固，而后靠近冒 口的地方凝固，最后才是冒口本身凝固。按照這樣的凝固口的地方凝固，最后才是冒口本身凝固。按照這樣的凝固 順序，先凝固的部位的收縮，由后凝固部位的金屬夜來補順序，先凝固的部位的收縮，由后凝固部位的金屬夜來補 充；后凝固部位的收縮有冒口中的金屬液補充，從而使各充；后凝固部位的收縮有冒口中的金屬液補充，從而使各 個部位的收縮均能得到補充。個部位的收縮均能得到補充。 消除縮孔和縮松的方法消除縮孔和縮松的方法 順序凝固原則順序凝

24、固原則 是鑄件讓遠離冒口的地方先凝是鑄件讓遠離冒口的地方先凝 固，靠近冒口的地方次凝固，固，靠近冒口的地方次凝固， 最后才是冒口本身凝固。實現最后才是冒口本身凝固。實現 以厚補薄，將縮孔轉移到冒口以厚補薄，將縮孔轉移到冒口 中去。中去。 原理原理 合理布置內澆道及確定澆鑄工藝。合理布置內澆道及確定澆鑄工藝。 方法方法 合理應用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。合理應用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。 順序凝固：如圖所示；順序凝固：如圖所示； u實現順序凝固的方法：安放冒口和局部加冷鐵，實現順序凝固的方法：安放冒口和局部加冷鐵， 如圖所示如圖所示: 對于凝固溫度范圍寬的合金，定向凝固通過在鑄件的不對于凝固

25、溫度范圍寬的合金，定向凝固通過在鑄件的不 同部位放置冷鐵實現。這時凝固界面的溫度梯度很大，糊狀同部位放置冷鐵實現。這時凝固界面的溫度梯度很大，糊狀 凝固區域明顯減小，因此補縮得到改善，鑄件完整性變好，凝固區域明顯減小，因此補縮得到改善，鑄件完整性變好， 同時鑄件的機械性能也得以提高。同時鑄件的機械性能也得以提高。 暗冒口 冒口 儲存補縮用金屬 液的空腔。 順序凝固 鑄件按照一定 的次序逐漸凝固。 冷鐵 冷鐵 同時凝固 整個鑄件幾乎同時凝固。 三、液態成形內應力、變形與裂紋三、液態成形內應力、變形與裂紋 內應力內應力 熱應力熱應力 機械應力機械應力 變形變形 裂紋裂紋 鑄件在凝固和冷卻的過程中，

26、由于鑄件鑄件在凝固和冷卻的過程中，由于鑄件 的壁厚不均勻，導致不同部位不均衡的的壁厚不均勻，導致不同部位不均衡的 收縮而引起的應力。收縮而引起的應力。 鑄件在固態收縮時，因受到鑄型、型鑄件在固態收縮時，因受到鑄型、型 芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產生芯、澆冒口、砂箱等外力阻礙而產生 的應力。的應力。 殘余熱應力的存在，使鑄件處在一種非穩定殘余熱應力的存在，使鑄件處在一種非穩定 狀態，將自發地通過鑄件的變形來緩解其應狀態，將自發地通過鑄件的變形來緩解其應 力，以回到穩定的平衡狀態。力，以回到穩定的平衡狀態。 當熱應力大到一定程度會導致出現裂紋。當熱應力大到一定程度會導致出現裂紋。 1 熱應力的形

27、成過程演示熱應力的形成過程演示 +表示拉應力，表示拉應力，-表示壓應力表示壓應力 所示的框形鑄件來分析熱應力的形成。當鑄件處于高溫階段(圖中 t0t1），兩桿均處于塑性狀態，盡管兩桿的冷卻運度不同，收縮不一 致，但瞬時的應力均可通過塑性變形而消失。 繼續冷卻后，冷速較快的細桿已進入彈性狀態，而粗桿I仍處于塑 性狀態(圖中t1t2間)。由于細桿冷速快，收縮大于I桿，所以細桿H 受拉伸、細桿I受壓縮(圖b)，形成了暫時內應力，但這個內應力隨之 便被粗桿I的微量塑性變形(壓短)而消失(圖c)。 當進一步冷卻到更低溫度時(圖中t2t3)，粗桿I也處于彈性狀態，此 時，盡管兩桿長度相同，但所處的溫度不同。粗桿的溫度較高，還將 進行較大的收縮；細桿H的溫度較低，收縮已趨停止。因此，粗桿I的 收縮必然受到細桿的強烈阻礙，于是，