1、第一章 金屬材料的液態成形1.1概述金屬的液態成型常稱為鑄造，鑄造成形技術的歷史悠久。早在5000多年前，我們的祖先就能鑄造紅銅和青銅制品。鑄造是應用最廣泛的金屬液態成型工藝。它是將液態金屬澆注到鑄型型腔中，待其冷卻凝固后，獲得一定形狀的毛坯或零件的方法。在機器設備中液態成型件所占比例很大，在機床、內燃機、礦山機械、重型機械中液態成型件占總重量的70%90%；在汽車、拖拉機中占50%70%；在農業機械中占40%70%。液態成型工藝能得到如此廣泛的應用，是因為它具有如下的優點：（1）可制造出內腔、外形很復雜的毛坯。如各種箱體、機床床身、汽缸體、缸蓋等。（2）工藝靈活性大，適應性廣。液態成型件的大

2、小幾乎不限，其重量可由幾克到幾百噸，其壁厚可由0.5mm到1m左右。工業上凡能溶化成液態的金屬材料均可用于液態成型。對于塑性很差的鑄鐵，液態成型是生產其毛坯或零件的唯一的方法。（3）液態成型件成本較低。液態成型可直接利用廢機件和切屑，設備費用較低。同時，液態成型件加工余量小，節約金屬。但是，金屬液態成型的工序多，且難以精確控制，使得鑄件質量不夠穩定。與同種材料的鍛件相比，因液態成型組織疏松、晶粒粗大，內部易產生縮孔、縮松、氣孔等缺陷。其機械性能較低。另外，勞動強度大，條件差。近年來，隨著液態成型新技術、新工藝、新設備、新材料的不斷采用，使液態成型件的質量、尺寸精度、機械性能有了很大提高，勞動條

3、件到底改善，使液態成型工藝的應用范圍更加廣闊。液態材料鑄造成形技術的優點：（1）適應性強，幾乎適用于所有金屬材料。（2）鑄件形狀復雜，特別是具有復雜內腔的鑄件，成形非常方便。（3）鑄件的大小不受限制，可以由幾克重到上百噸。（4）鑄件的形狀尺寸，組織性能穩定。（5）鑄造投資小、成本低，生產周期短。 液態材料鑄造成形技術也存在著某些缺點： 如鑄件內部組織疏松，晶粒粗大，易產生縮孔、縮松、氣孔等缺陷；而外部易產生粘砂、夾砂、砂眼等缺陷。另外鑄件的力學性能低，特別是沖擊韌性較低。鑄造成形工藝較為復雜，且難以精確控制，使得鑄件品質不夠穩定。 鑄造成形技術的發展：（1）提高尺寸精度和表面質量； （2）先進

4、的造型技術及自動化生產線； （3）高效、節能，減少污染； （4）降低成本，改善勞動條件。 1.2 鋼鐵的生產過程鋼鐵的生產過程是一個由鐵礦石煉成生鐵、再由生鐵煉成鋼液并澆注成鋼錠的過 1.2.1 煉鐵 煉鐵在高爐中進行，其過程為：將鐵礦石、焦碳和石灰石等按一定比例配成爐料，由加料車送入爐內，形成料柱，加料完畢，將爐頂關閉。被熱風爐加熱到9001200的熱風，由爐壁上的風口吹入高爐下部，使焦碳燃燒，產生大量的爐氣。炙熱的爐氣在爐內上升，加熱爐料，并與之發生化學反應，如圖所示為鋼鐵生產過程。圖1.1 鋼鐵生產過程示意圖高爐中發生的冶金反應有： （1）還原反應：將氧化鐵中的鐵還原。 （2）造渣反應：

5、生成低熔點爐渣。 （3）滲碳反應：生成碳含量較高，熔點較 低的鐵液。爐渣的密度小，浮在鐵液之上，爐渣和鐵液分別從高爐下部的出渣口和出鐵口排除爐外 煉鐵的產品有： 煉鋼生鐵用來煉鋼 鑄造生鐵用來鑄造1.2.2 煉鋼 煉鋼的主要任務是將生鐵中多余的碳和其它雜質氧化成氧化物，并使其隨爐氣或爐渣一起去除。 間接氧化是煉鋼的主要反應形式，即氧首先與鐵液發生氧化反應，生成FeO，然后再通過FeO來氧化其它元素。 鋼的熔煉方法有：電爐煉鋼、轉爐煉鋼和平爐煉鋼。 煉好的鋼液，部分澆入連續鑄錠機，鑄成“鋼坯”直接用來軋制鋼材；部分澆注到鋼錠模內鑄成一定形狀和尺寸的鋼錠。1.3 鑄造金屬熔煉 熔煉是液態金屬鑄造成

6、形技術過程中的一個重要環節，與鑄件的品質、生產成本、產量、能源消耗以及環境保護等密切相關。 1.2.1 金屬的熔煉 在熔煉中，多種固態金屬的爐料（廢鋼、生鐵、回爐料、鐵合金、有色金屬等）按比例搭配裝入相應的熔爐中加熱熔化，通過冶金反應，轉變成具有一定化學成分和溫度的符合鑄造成形要求的液態金屬。 熔煉的要求： （1）保證金屬液的化學成分和材質性能。 （2）保證金屬液有足夠的溫度(過熱)。 （3）保證金屬液的數量(質量)。 （4）保證低能耗、低成本。 （5）保證低噪聲、低污染。 1.熔煉的分類 （1）按熔煉金屬分：鑄鐵熔煉、鑄鋼熔煉和有色金屬熔煉。 （2）按熔爐分：沖天爐熔煉、電弧爐熔煉、感應電爐

7、熔煉、坩堝爐熔煉。 2.熔煉過程和熔煉爐 在高溫中熔煉，用耐火材料做熔爐的爐襯，用熔渣覆蓋在液態金屬表層，以防止液態金屬的氧化及溶入氣體。 爐襯分為：酸性爐襯和堿性爐襯。 酸性爐襯耐火粘土、石英砂組成。酸性爐襯堅固和便宜，能量消耗低且產量較高。熔煉過程中造酸性渣，不能脘硫和脫磷。 堿性爐襯鎂砂筑成。熔煉過程中造堿性渣，具有一定的脫磷和脫硫能力。 （1）沖天爐熔煉 應用極為廣泛，具有結構簡單、設備費用少、電能消耗低、生產率高、成本低、操作和維修方便，并能連續進行生產等特點。 常用的為用焦（焦碳）沖天爐，也有非焦沖天爐(油、天燃氣等)。 圖1.2 沖天爐 用焦沖天爐是由：底焦燃燒熱量交換冶金反應，

8、三個基本過程組成。 金屬與爐氣、焦炭、爐渣相互接觸，發生一系列物理化學變化 冶金反應，引起金屬液化學成分的變化。 圖1.3 焦碳沖天爐圖1.4 沖天爐工作過程原理圖 （2）電弧爐熔煉電弧爐是利用電極與金屬爐料之間電弧產生的熱能，通過輻射、傳導和對流傳遞給爐料，加熱、熔化固體爐料，并使金屬液過熱，從而實現熔煉目標的一種設備，主要用于鋼、鑄鐵的熔煉。圖1.5 電弧爐熔煉 （3）感應電爐熔煉常用為無芯感應電爐，其電流頻率為：工頻(50Hz)、中頻(75010000Hz)、高頻(10000Hz)。無芯感應電爐工作時，爐襯外的感應器線圈相當于變壓器的原繞組，爐襯內的金屬爐料相當于副繞組，當感應線圈通以交

9、變電流時，則因交變磁場的作用，使短路連接的金屬爐料產生強大的感應電流，電流流動時，為克服金屬爐料表層的電阻面產生熱量，致使金屬爐料加熱熔化。 圖1.6 感應電爐 （4）坩堝爐 坩堝爐分為：燃油、燃氣、焦碳和電阻坩堝爐。主要用于有色金屬的熔煉，如銅合金、鋁合金、鎂合金、低熔點軸承合金等。 圖1.7 坩堝爐 常用的鑄鐵： （1）灰鑄鐵灰鑄鐵是因斷口呈灰色而得名，灰鑄鐵生產方便，成品率高，生產成本低，是目前應用最為廣泛的一種鑄鐵。在各種鑄鐵總產量中，灰鑄鐵占80%以上?；诣T鐵的組織特點是在基體上分布著片狀石墨。 （2）可鍛鑄鐵 可鍛鑄鐵又稱瑪鋼，是由鑄態白口鑄件經熱處理而得到的一種高強度鑄鐵，其塑性

10、比灰鑄鐵好，其組織為鐵素體（或珠光體）基體上分布著團絮狀石墨。可鍛鑄鐵實際上并不能鍛造。 （3）球墨鑄鐵 球墨鑄鐵的石墨呈球狀。其生成工藝是向鐵水中加入一定量的球化劑（如Mg、稀土元素等）進行球化處理，并再加入少量的孕育劑（硅鐵）而制得。由于石墨呈球狀，它對基體的縮減作用和造成應力集中都很少，使球墨鑄鐵具有很高的強度，良好的塑性和韌性，并且鑄造性能好，生產工藝簡便，成本低廉，獲得廣泛的應用。 1.3.2 澆注金屬熔化后，液態金屬通過澆注系統充填鑄型型腔的過程稱為澆注過程。1.澆注壓力 （1）高壓215MPa，適用于薄的截面且對品質要求高的鑄件。 （2）低壓0.120.3MPa，金屬型鑄件。 （

11、3）重力（常壓）普通鑄件 2.澆注系統澆注系統是鑄型中液態金屬注入鑄型型腔的通道。澆注系統的主要功能： （1）將金屬液由澆包導入型腔。 （2）擋渣及排除鑄型型腔中的空氣及其它氣體。 （3）調節溫度分布，控制凝固順序。 （4）保證充型時間、壓力、速度。 澆注系統的組成: 澆口杯緩解金屬液沖蝕，阻擋熔渣。 直澆道有一定錐度以保證流速，排出空氣。 橫澆道將直澆道的金屬液分配至內澆道。 內澆道將金屬液引入型腔。 圖1.8 澆注系統圖1.9 澆注的形式 3.澆注后的冷凝 澆注入鑄型型腔的液態金屬，隨溫度的降低，將經歷由液態向固態的轉變過程，即冷凝過程。冷凝是金屬材料一種重要的相變過程。 金屬的凝固過程包

12、括：晶核的形成和晶粒的長大。 金屬的冷凝過程中，熔液體積收縮是導致鑄件在最后凝固部分產生縮孔、縮松的基本原因；而固態收縮是鑄件變形、產生內應力和裂紋的主要原因。 在鑄型中，合理放置冒口和冷鐵以保證鑄件質量，如圖所示。圖1.10 冒口的類型鑄型中能儲存一定金屬液，補償鑄件收縮以防止產生縮孔和縮松缺陷的空腔稱為冒口。 冒口的作用：補縮、集渣、通氣、排氣。 冒口的要求：凝固時間鑄件；金屬液足夠補縮量；補縮通道暢通。 1.4液態合金的工藝性能液態合金的工藝性能是指符合某種生產工藝要求所需要的性能。液態合金在鑄造生產過程中所表現出來的工藝性能，常稱為鑄造性能，鑄造性能是表示合金鑄造成形獲得優質鑄件的能力

13、。鑄造性能是一個非常重要的工藝性能，對鑄件質量、鑄造工藝及鑄件結構有顯著的影響，通常用流動性、收縮性等來衡量。合金的流動性1. 流動性的概念 液態合金充滿型腔，形成輪廓清晰、形狀完整的優質鑄件的能力，稱為液態合金的流動性又叫做“充型能力”。液態合金的流動性愈好，不僅易于鑄造出輪廓清晰，薄而形狀復雜的鑄件，而且有助于液態合金在鑄型中收縮時得到補充，有利于液態合金中的氣體及非金屬夾雜物上浮與排除。若流動性不好，則易使鑄件產生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣和縮松等缺陷。液態合金流動性的好壞，通常以螺旋形流動性試樣的長度來衡量。如圖所示，將液態合金注入螺旋形試樣鑄型中，冷凝后，測出其螺旋線長度。為便于測量，

14、在標準試樣上每隔50mm做出凸點標記，在相同的澆注工藝條件下，測得的螺旋線長度越長，合金的流動性越好。常用合金的流動性如表1所示。其中灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鋁合金次之，鑄鋼最差。圖1.11 螺旋形標準式樣表1 常用鑄造合金的流動性2. 影響流動性的因素影響流動性的因素很多，其中主要是合金的種類及化學成分、澆注溫度和鑄型的填充條件。（1）合金的種類及化學成分不同的合金，其流動性有很大差異（見表1）對同種合金而言，化學成分不同，其流動性不同。純金屬和共晶成分的合金是在恒溫下進行結晶的，此時由鑄件斷面的表層向中心逐層凝固，以結晶固體層與剩余液體的界面比較清晰、平滑，對中心未凝固的液態金屬的流動

15、阻力小，故流動性最好。其它成分的合金是在一定溫度范圍內結晶的，即經過液、固兩相共存區。該區中液相與固相界面不清晰，其固相為樹枝晶，它使固體層內表面粗糙，增加了對液態合金流動的阻力，因而流動性差。合金的結晶溫度范圍愈寬，則液固兩相共存的區域愈寬，液態合金的流動阻力愈大，故流動性愈差。顯然，合金成分愈接近共晶成分，流動性愈好。圖1.12所示為鐵碳合金的流動性與含碳量的關系。由圖可見，亞共晶鑄鐵隨含碳量的增加，結晶溫度范圍減小，流動性提高。圖1.12 Fe-C合金流動性與含碳量的關系（2）鑄型的特點鑄型材料的導熱速度愈大，使液態合金的冷卻速度加快，從而使流動性變差。如液態合金在金屬型中的流動性比在砂

16、型中差；鑄件壁厚過小，形狀復雜，會增加液態合金的流動阻力，故會降低合金的流動性。因此設計鑄件時，鑄件的壁厚必須大于規定的最小允許壁厚值。并力求形狀簡單。型砂含水分多或鑄型透氣性差，會使澆注時產生大量氣體且又不能及時排出，造成型腔內氣體壓力增大，使液態合金流動的阻力增加，從而降低合金的流動性。因此提高鑄型的透氣性，減少型砂的水分，多設出氣口等，有利于提高液態合金的流動性。（3）澆注條件澆注溫度愈高，液態合金的粘度愈低，保持液態的時間愈長，故液態合金的流動性提高。提高澆注溫度是生產中減少薄壁鑄件的澆不足、冷隔等缺陷的重要措施。但澆注溫度過高，鑄件易產生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、粗晶等缺陷，在保證鑄件

17、薄壁部分能充滿的前提下，澆注溫度不宜過高。各種合金的澆注溫度范圍是：鑄鐵為12301450；鑄鋼為15201620；鋁合金為680780。薄壁復雜件取上限，厚大件取下限。1.4.2合金的收縮1.合金收縮的概念合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現象，稱為收縮。收縮是合金的物理本性，是鑄件中縮孔、縮松、裂紋、變形、殘余應力等缺陷產生的主要原因。液態金屬從澆注溫度冷卻到常溫，其收縮過程如圖所示的三個階段： 圖1.13 鑄造合金的收縮過程-液態收縮；-凝固收縮；-固態收縮（1）液態收縮 指合金從澆注溫度冷卻到液相線溫度時的收縮。（2）凝固收縮 指合金從液相線溫度冷卻到固相線溫度

18、時的收縮。（3）固態收縮 指合金從固相線溫度冷卻到室溫時的收縮。合金的總體積收縮為上述三個階段收縮之和。液態收縮和凝固收縮會引起型腔內液面的下降，表現為合金體積的收縮，常用體收縮率表示。它們是鑄件產生縮孔、縮松的基本原因。固態收縮一般直觀的表現為鑄件外形尺寸的減少，常用線收縮率表示。它是鑄件產生內應力、變形和裂紋的基本原因。2.影響合金收縮的因素合金的收縮與其化學成分、澆注溫度、鑄件結構和鑄型條件有關。（1）化學成分 碳鋼隨含碳量增加，凝固溫度范圍擴大，收縮量隨之增大。灰口鑄鐵中碳、硅為促進石墨化元素，當其含量增加或碳以石墨形態存在的可能性愈大，則收縮量減小。因石墨密度小，比容大，抵消了灰口鑄

19、鐵的部分收縮，使其總的收縮量減小；而阻礙石墨化元素，硫會使收縮量增加?？傊?，不同的合金，化學成分不同，收縮率也不一樣。幾種鑄造合金的收縮見表2。 表2 幾種鑄造合金的鑄造收縮率（2）澆注溫度 澆注溫度愈高，過熱度愈大其液態收縮量增加，合金總的收縮率增大。（3）鑄型條件和鑄件結構 鑄件在鑄型中是受阻收縮而不是自由收縮。其阻力來自鑄型和型芯；鑄件壁厚不同，壁在型內所處的位置不同，其冷卻速度也不同，冷凝時，鑄件各部分相互制約也會產生阻力。這些都會影響合金的實際收縮率。3. 縮孔和縮松液態金屬在冷凝過程中，由于液態收縮和凝固收縮的結果，會在鑄件最后凝固的部位形成孔洞。容積大而集中的孔洞稱為縮孔；細小分

20、散的孔洞稱為縮松。（1）縮孔的形成 縮孔常產生在鑄件的厚大部位或上部最后凝固部位，常呈倒錐狀，內表面粗糙?？s孔的形成過程如圖1.14所示。液態合金充滿鑄型型腔后（圖中a），由于鑄型的吸熱，液態合金溫度下降，靠近型腔表面的金屬凝固成一層外殼，此時內澆道以凝固，殼中金屬液的收縮因被外殼阻礙，不能得到補縮，故其液面開始下降（圖中b）。溫度繼續下降，外殼加厚，內部剩余的液體由于液態收縮和補充凝固層的收縮，使體積縮減，液面繼續下降（圖中c）。此過程一直延續到凝固終了，在鑄件上部形成了縮孔（圖中d）溫度繼續下降之室溫，因固態收縮使鑄件的外輪廓尺寸略有減?。▓D中e）。純金屬和共晶成分的合金，易形成集中的縮孔

21、。圖1.14 縮孔的形成過程示意圖（2）縮松的形成 結晶溫度范圍寬的合金易形成縮松，其形成的基本原因與縮孔相同，也是由于鑄件最后凝固區域得不到補充而形成的?？s松的形成過程如圖1.15所示。當液態合金充滿型腔后，由于溫度下降，緊靠型壁處首先結殼，且在內部存在較寬的液固兩相共存區（圖中a）。溫度繼續下降，結殼加厚，兩相共存區逐步推向中心，發達的樹枝晶將中心部分的合金液分隔成許多獨立的小液體區（圖中b）。這些獨立的小液體區最后趨于同時凝固，因得不到液態金屬的補充而形成縮松（圖中c）?？s松分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。宏觀縮松是用肉眼或放大鏡可以看出的分散細小縮孔。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小縮孔，要

22、用顯微鏡才能觀察到，這種縮松分布面積更為廣泛，甚至遍布鑄件整個截面。圖1.15 縮松形成過程示意圖（3）縮孔和縮松的防止 縮孔和縮松都使鑄件的機械性能下降，縮松還可是鑄件因滲漏而報廢。因此，縮孔和縮松都屬鑄件的重要缺陷，必須根據技術要求、采取適當的工藝措施予以防止。實踐證明，只要能使鑄件實現“順序凝固”，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒有縮孔的致密鑄件。所謂順序凝固，就是在鑄件上可能出現縮孔的厚大部位通過安放冒口等工藝措施，使鑄件上遠離冒口的部位先凝固（如圖1.16中），爾后是靠近冒口部位凝固（圖中、），最后才是冒口本身的凝固。按照這樣的凝固順序，先凝固部位的收縮，由后凝固部位的金屬液來補充；后

23、凝固部位的收縮，由冒口中的金屬液來補充，從而使鑄件各個部位的收縮均能得到補充，而將縮孔轉移到冒口之中。冒口為鑄件的多余部分，在鑄件清理時將其去除。圖1.16 順序凝固為了實現順序凝固，在安放冒口的同時，還可在鑄件上某些厚大部位增設冷鐵。（圖1.17）所示鑄件的熱節不止一個，若僅靠頂部冒口，難以向底部凸臺補縮，為此，在該凸臺的型壁上安放了兩個外冷鐵。由于冷鐵加快了該出的冷卻速度，使厚度較大的凸臺反而最先凝固，從而實現了自下而上的順序凝固，防止了凸臺處縮孔、縮松的產生，可以看出，冷鐵僅是加快某些部位的冷卻速度，以控制鑄件的凝固順序，但本身并不起補縮作用。冷鐵通常用鋼或鑄鐵制成。圖1.17 冷鐵的應

24、用正確地估計鑄件上縮孔或縮松可能產生的部位是合理安設冒口和冷鐵的重要依據。在實際生產中，常以畫“凝固等溫線法”和“內切圓法”近似地找出縮孔的部位，如（圖1.18）所示。圖中等溫線未曾通過的心部和內切圓直徑最大處，即為容易出現縮孔的熱節。圖1.18 縮孔位置的確定安放冒口和冷鐵，實現順序凝固，雖可有效的防止縮孔和縮松（宏觀縮松），但卻耗費許多金屬和工時，加大了鑄件成本。同時，順序凝固擴大了鑄件各部位的溫度差，促進了鑄件的變形和裂紋傾向。因此，主要用于必須補縮的場合，如鋁青銅、鋁硅合金和鑄鋼件等。必須指出，對于結晶溫度范圍甚寬的合金，結晶開始之后，發達的樹枝狀骨架布滿了整個截面，使冒口的補縮道路嚴

25、重受阻，因而難以避免顯微縮松的產生。顯然，選用近共晶成分或結晶溫度范圍較窄的合金生產鑄件是適宜的。1.4.3鑄造應力、變形和裂紋1.鑄造應力鑄件的固態收縮受到阻礙而引起的內應力，稱鑄造應力。阻礙按形成的原因不同分為熱阻礙和機械阻礙。鑄件各部分由于冷卻速度不同、收縮量不同而引起的阻礙稱熱阻礙；鑄型、型芯對鑄件收縮的阻礙，稱機械阻礙。由熱阻礙引起的應力稱熱應力，由機械阻礙引起的應力稱機械應力（收縮應力）。鑄造應力可能是暫時的，當引起應力的原因消除以后，應力隨之消失，稱為臨時應力；也可能是長期存在的，稱殘留應力。（1）熱應力 它是由于鑄件的壁厚不均勻、各部分的冷卻速度不一致，導致其收縮在同一時期內不

26、相同，彼此相互制約而形成的。落砂后熱應力仍存在于鑄件內，是一種殘留鑄造應力。為了分析熱應力的形成，首先必須了解金屬自高溫冷卻到室溫時應力狀態的改變。固態金屬在再結晶溫度以上的較高溫度時（鋼和鑄鐵為620650以上），處于塑性狀態。此時，在較小的應力下就可發生塑性變形，變形之后應力可自行消除。在再結晶溫度以下，金屬呈彈性狀態，此時，再應力作用下將發生彈性變形，而變形之后應力繼續存在。圖1.19 熱應力的形成下面用（圖1.19 a）所示的框形鑄件來說明熱應力的形成過程。該鑄件由桿和桿兩部分組成，桿較粗、桿較細。當鑄件處于高溫階段（圖中T0T1間），兩桿均處于塑性狀態，盡管兩桿的冷卻速度不同、收縮不

27、一致，但瞬時的應力均可通過塑性變形而自行消失。繼續冷卻后，冷速較快的桿以進入彈性狀態，而粗桿仍處于塑性狀態（圖中T1T2間）。由于細桿冷卻快，收縮大于粗桿，所以細桿受拉伸，粗桿受壓縮（圖中b），形成了暫時內應力，但這個內應力隨之便被粗桿的微量塑性變形（壓短）而消失（圖中c）。當進一步冷卻到更低溫度時（圖中T2T3間），已被塑性壓短的粗桿也處于彈性狀態，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，還會進行較大的收縮；細桿的溫度較低，收縮已趨停止。因此，粗桿的收縮必然受到細桿的強烈阻礙，于是，桿受壓縮，桿受拉伸，直到室溫，形成了殘余內應力（圖中d）。由此可見，熱應力使鑄件的厚壁或心部

28、受拉伸，薄壁或表面受壓縮。鑄件的壁厚差別愈大，熱應力愈大。預防熱應力的基本途徑是盡量減少鑄件各部位間的溫度差，使其均勻的冷卻。為此，可將澆口開在薄壁處，使薄壁處鑄型在澆注過程中的升溫較厚壁處高，因而可補償薄壁處的冷速快的現象。有時為增快厚壁處的冷速，還可在厚壁處安放冷鐵（圖1.20）。圖1.20 鑄件的同時凝固原則堅持同時凝固原則可減少鑄造內應力、防止鑄件的變形和裂紋缺陷，又可不用冒口而省工省料。其缺點是鑄件心部容易出現縮孔或縮松，主要用于普通灰口鑄鐵、錫青銅等。這是由于灰口鑄鐵的縮孔、縮松傾向??；錫青銅的糊狀凝固傾向大，用順序凝固也難以有效地消除其顯微縮松缺陷。（2）機械應力 它是合金的線收

29、縮受到鑄型或型心機械阻礙而形成的內應力，如（圖1.21）所示。圖1.21 機械應力 機械應力使鑄件產生拉伸或剪切應力，并且是暫時的，在鑄件落砂之后，這種內應力便可自行消除。但機械應力在鑄型中可與熱應力共同起作用，增大了某些部位的拉伸應力，促進了鑄件的裂紋傾向。2.鑄件的變形與防止殘余內應力使鑄件不同部位被拉伸或壓縮，好象被拉伸或壓縮的彈簧一樣，處于一種不穩定的狀態，有自發通過鑄件變形來緩解其應力，以回到穩定的平衡狀態。顯然，只有原來受拉伸的部分產生壓縮變形、受壓縮部分產生拉伸變形，才能使鑄件中的殘余應力減少或消除。（圖1.22）所示為車床床身，其導軌部分因較厚而受拉應力，床壁部分較薄而受壓應力

30、，于是朝著導軌方向發生擾曲變形，使導軌呈內凹。（圖1.23）為一平板鑄件，盡管其壁厚均勻，但其中心部分因比邊緣散熱慢而受拉應力，其邊緣處受壓應力。由于鑄型上面比下面冷卻快，于是該平板發生如圖所示方向變形。為防止鑄件產生變形，除在鑄件設計時盡可能使鑄件的壁厚均勻、形狀對稱外，再鑄造工藝上應采用同時凝固原則，以便冷卻均勻。對于長而易變形的鑄件，還可采用“反變形”工藝。反變形法是在統計鑄件變形規律的基礎上，在模樣上預先作出相當與鑄件變形量的反變形量，以抵消鑄件的變形。圖1.22 床身導軌面的擾曲變形圖1.23 平板鑄件的變形實踐證明，盡管變形后鑄件的內應力有所減緩，但并未徹底去除，這樣的鑄件經機械加

31、工之后，由于內應力的重新分布，還將緩慢地發生微量變形，使零件喪失了應有的精確度。為此，對于不允許發生變形的重要機件必須進行時效處理。自然時效是將鑄件置于露天場地半年以上，使其緩慢地發生變形，從而使內應力消除，人工時效是將鑄件加熱到550650進行去應力退火。時效處理宜在粗加工之后進行，以便將粗加工所產生的內應力一并消除。3.鑄件的裂紋與防止根據裂紋形成的溫度范圍可將其分為冷裂和熱裂兩種。冷裂是鑄件處于彈性狀態時，鑄造應力超過合金在該溫度下的強度極限而產生的。他往往出現在鑄件受拉應力的部位，特別是應力集中之處，如尖角處以及縮孔、氣孔和渣眼附近。冷裂是在較低溫度下形成的，故表面具有金屬光澤或只呈輕

32、微的氧化色澤，斷口圓滑、干凈、且常穿過晶粒延伸到鑄件表面。復雜的鑄件以及灰鑄鐵、白口鑄鐵和高錳鋼等塑性差的材料易產生這類缺陷。要防止冷裂，主要是減少鑄造應力，提高合金的力學性能。鋼和鑄鐵中的磷會使合金的沖擊韌性下降，脆性增加，是冷裂傾向增大。鋼液脫氧不良和非金屬夾雜物也會增加冷裂傾向。熱裂是鑄件在凝固過程中和固相線溫度附近形成的。此時結晶骨架已經完成，但晶粒間還有少量液體，強度很低，其收縮時受到鑄型、型心等的阻礙，鑄件則產生熱裂。熱裂是在較高溫度下形成的，因此，斷口氧化嚴重，無金屬光澤，裂口往往沿晶界產生和發展，形狀曲折而不規則。鑄鋼件（特別是合金鋼件）、可鍛鑄鐵件和某些鋁合金鑄件容易產生這類

33、裂紋。要防止熱裂，減少鑄造應力是關鍵，如合理設計鑄件結構，提高砂型（芯）的退讓性；合理設計澆冒口系統；嚴格控制鑄鋼和鑄鐵中的含硫量；在易產生熱裂處設防裂筋等。鑄件的化學成分偏析化學成分不均勻的現象稱為偏析。 （1）微觀偏析 微觀偏析指微小范圍內的化學成分不均勻（一般在一個晶粒尺寸范圍內）。 （2）宏觀偏析（區域偏析）宏觀偏析是指在較大尺寸范圍內的成分不均勻，主要包括正偏析和逆偏析。 在實際生產中，鑄件斷面成分偏析極為復雜。往往以一種偏析為主，其他偏析同時存在。 1.5 鑄件的結構設計及幾何形狀特征 在液態材料鑄造成形技術中，鑄件的結構設計及幾何形狀是否合理，即結構技術性是否良好，對鑄造零件的品

34、質、生產率及成本等有較大的影響。 1.鑄件結構設計的一般原則 （1）必須針對不同的鑄造合金的性能、鑄造方法、產品多少和生產條件，綜合考慮合理的結構。 （2）鑄件壁厚的變化對金屬的力學性能均有影響。 （3）鑄件的最小壁厚必須結合零件的復雜程度、尺寸大小、材料及制造技術來確定。 （4）簡化模型設計。 （5）易于造型及合理確定分型面，盡量避免或減采用型芯，便于落砂清理。 （6）考慮澆注的特點。 （7）充分考慮材料的不同特性。 2.鑄件的結構要素設計（1）鑄件的最小壁厚 在一定鑄造條件下，鑄造合金液能充滿鑄型的最小厚度稱為該鑄造合金的最小壁厚。 （2）鑄件的臨界壁厚 厚壁鑄件易產生縮孔、縮松等缺陷，不產生此類缺陷的最大壁厚稱為臨界壁厚。一般臨界壁厚取最小壁厚的3倍。 （3）鑄件的內壁厚 為保證鑄件同時凝固，減少熱應力，內壁厚要小于外壁厚。 （4）鑄件壁的過渡和連接 采用逐漸過渡；連接應避免交叉，以減少和分散熱節點。 （5）肋 為了增加鑄件的力學性能和減輕鑄件的質量，消除縮孔和防止裂紋、變形、夾砂等缺陷，在鑄件結構設計中大量采用肋。 設計肋時，要盡量分散和減少熱節點，避免多條肋互相交叉，肋與肋和肋與壁的連接處