1、現代材料制備技術第二講鑄造技術及復合鑄造第二講鑄造技術及復合鑄造現代材料制備技術n鑄造是指將金屬、合金或復合材料熔化成為液體(熔體)，澆注于具有特定型腔的鑄型中凝固成形的一種金屬材料液態成形方法。n鑄造法是制備金屬及合金的錠坯和鑄件的主要方法之一。幾乎所有的合金錠坯都是通過鑄造制備的。n機械產品中，鑄件占整機質量的比例很高，例如內燃機占80%，拖拉機占65%80%，液壓、泵類機械占50%60%。一般來講，鑄造占包括鍛壓、焊接、粉末冶金和注塑成形等坯件工業產值的60%。現代材料制備技術.鑄件成形基本原理鑄造是液態金屬充填鑄型型腔并在其中凝固和冷卻的過程。液態金屬的流動特性和凝固收縮特性直接影響著

2、鑄件的形成。同時，液態金屬的流動特性和凝固收縮特性也是衡量其鑄造性能的重要依據。金屬的充型能力金屬的流動性澆注條件澆鑄溫度澆鑄壓力鑄型條件鑄件的凝固與收縮凝固過程凝固方式鑄件的收縮收縮對鑄件質量的影響合金的偏析及吸氣性現代材料制備技術金屬的流動性n指液態金屬本身的流動能力。金屬的流動性越好，充型能力就越強，越易于獲得輪廓清晰、薄壁復雜的鑄件。流動性好還有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除，有利于對金屬冷凝過程所產生的收縮進行補縮。n金屬的流動性主要與化學成分有關。純金屬和共晶成分的合金在恒定溫度下結晶時，固相界面光滑，對液態金屬流動的阻力小，流動性好。其他成分的合金均在一定溫度范圍內逐步凝固。

3、由于有初生樹枝狀晶體使固液界面粗糙，阻礙合金液的繼續流動，因此，具有一定結晶溫度范圍的合金流動性較差，且結晶溫度范圍越大，流動性越差。現代材料制備技術澆注條件澆鑄溫度n澆注溫度對充型能力有決定性的影響。澆注溫度越高，液態金屬的黏度就越小，液態金屬在鑄型中保持流動能力的時間就越長，故充型能力也越強。反之，則充型能力越差。所以，液態金屬在澆注時一般都要求一定的過熱度。現代材料制備技術澆注條件澆鑄壓力n液態金屬在流動方向上所受的壓力愈大，充型速度越快，充型能力就愈好。壓力鑄造、擠壓鑄造和半固態鑄造就是利用這一原理。現代材料制備技術澆注條件鑄型條件n鑄型的溫度越高、導熱系數越小、蓄熱系數越小則液態金屬

4、的充型能力越好。但是對凝固速度和合金的組織和性能會產生不利的影響。n此外，充型能力還受到鑄件結構（如鑄件的薄厚、大小和復雜程度等）的影響。現代材料制備技術凝固過程n金屬液注入鑄型后，按照傳熱學基本規律，與鑄型型腔表面相接觸的金屬液將首先冷卻結晶轉變為固態。此時，金屬形態由已結晶的外層固相區、未結晶的心部液相區以及兩者之間的兩相區(即凝固區)組成。n隨著熱量不斷從鑄件中心向鑄型傳遞，鑄件內部溫度不斷降低，凝固區不斷向液相區延伸，固相區不斷擴大，直至液相全部消失為止。現代材料制備技術凝固方式之逐層凝固n純金屬或共晶成分合金在凝固中因不存在液、固兩相并存的凝固區，故斷面上外層的固體和內層的液體由一條

5、界線(凝固前沿)清楚地分開。n隨著溫度的下降，固體層不斷加厚，液體層不斷減少，直到鑄件的中心。這種凝固方式稱為逐層凝固。現代材料制備技術凝固方式之糊狀凝固n如果合金的結晶溫度范圍很寬，且鑄件截面上溫度變化小，則在凝固的某段時間內鑄件表面不存在固相層，液、固共存的凝固區貫穿整個斷面，這種凝固方式稱為糊狀凝固（或同時凝固）。現代材料制備技術凝固方式之中間凝固n大多數合金的凝固介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固方式。現代材料制備技術鑄件的收縮n合金從澆注、凝固到冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現象稱為收縮。收縮是金屬的物理本性。合金的收縮為鑄造生產帶來許多困難，是多種鑄造缺陷產生的根源。

6、n在鑄件形成的過程中，通常要經歷如下3個階段的收縮： (1)液態收縮:從澆注溫度到凝固開始溫度間產生的收縮。 (2)凝固收縮:從凝固開始溫度到凝固終止溫度間產生的收縮 (3)固態收縮:從凝固終止到室溫間產生的收縮。現代材料制備技術收縮對鑄件質量的影響n縮孔和疏松。金屬液在鑄型中冷卻和凝固時，若液態收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補充，則在鑄件的厚大部位等最后凝固部位將形成一些孔洞。其中，在鑄件中集中分布且尺寸較大的孔洞稱為縮孔，分散且尺寸較小的孔洞稱為疏松（縮松）。現代材料制備技術在實際鑄件的生產中，通常采用順序凝固的原則來避免鑄件產生縮孔、疏松缺陷。通過在鑄件上可能出現縮孔的厚大部位安置冒口

7、等工藝措施，使鑄件上遠離冒口的部位先凝固，而后是靠近冒口的部位凝固，最后是冒口本身凝固。按照這樣的凝固方式，先凝固區域的收縮由后凝固部位的金屬液來補充，后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都能得到補充，而將縮孔移至冒口之中。冒口為鑄件上多余的部分，在鑄件清理時應將其去除。現代材料制備技術為了實現順序凝固，在安放冒口的同時，還可以在鑄件的某些厚大部位放置冷鐵，以加大局部區域的凝固速度。現代材料制備技術n鑄造應力、裂紋和變形。在鑄件的固態收縮階段會引起鑄造應力。按其形成原因，可分為機械應力、熱應力和相變應力。現代材料制備技術化學成分不均勻的現象稱為偏析。偏析分為微觀偏析

8、和宏觀偏析兩類。前者指晶粒范圍內的化學成分不均勻現象，有枝晶偏析、胞狀偏析和晶界偏析，可通過高溫擴散退火和晶粒化孕育處理而消除，后者是鑄件各部位之間化學成分的差異，有正偏析、反（逆）偏析、重力偏析等，加快冷卻速度或調整鑄件各處的溫度差及降低有害元素的含量等措施能防止產生宏觀偏析。合金的偏析及吸氣性合金的偏析合金的吸氣性侵入性氣孔析出性氣孔反應性氣孔侵入性氣孔。澆注過程中鑄型和型芯受熱產生的氣體及型腔中的空氣侵入金屬液中所形成的氣孔，其數量少、體積大，常出現于鑄件上表面或靠近型芯的表面處。減少鑄型、芯子的發氣性，提高其透氣性等防止。析出性氣孔。溶解的氣體在冷凝過程析出產生的氣孔，主要是氫氣孔和氮

9、氣孔。它的直徑一般小于1mm，多而分散。合金液進行除氣處理，提高冷卻速度或在壓力下凝固都能減少析出性氣孔的產生。反應性氣孔。澆入鑄型的金屬液與鑄型材料、冷鐵和熔渣反應以及金屬液內部某些成分之間進行化學反應所產生的氣孔。前者產生的氣孔直徑一般為13mm分布于鑄件表皮下，又稱皮下氣孔；后者往往在鑄件內部均勻分布。芯撐、冷鐵表面凈潔、干燥是防止產生皮下氣孔的主要措施之一。現代材料制備技術2.砂型鑄造n砂型鑄造是指用型砂來制備鑄型生產鑄件的鑄造方法。有別于砂型鑄造的其他鑄造方法稱為特種鑄造。n砂型鑄造的生產過程包括技術準備、生產準備和工藝過程3個環節n鑄造工藝設計的內容主要包括確定澆注位置和分型面、加

10、工余量和收縮量、澆注系統和補縮系統等。現代材料制備技術澆注系統設計。澆注系統是鑄型中液態金屬流入型腔的通道，通常由澆口杯、直澆道、橫澆道和內澆道等組成。澆注系統必須確保液態金屬能夠平穩而合理地充滿型腔。現代材料制備技術砂型鑄造工藝過程造型和制芯合箱澆注落砂和清理現代材料制備技術三箱造型模擬現代材料制備技術3.特種鑄造n雖然砂型鑄造具有適應性強、生產準備簡單和成本低等優點而被廣泛采用，但用砂型鑄造方法生產的鑄件尺寸精度低、表面和內在質量差，同時砂型鑄造的勞動強度大、生產條件差。n常見的特種鑄造方法有金屬型鑄造、熔模鑄造、陶瓷型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、連續鑄造和消失模鑄造等。每一種特種

11、鑄造方法都能在提高鑄件質量、提高勞動生產率、降低成本和改善勞動條件等方面，表現出其特殊的優越性，因此成為鑄造技術不可缺少的重要組成部分。現代材料制備技術3.1金屬型鑄造現代材料制備技術3.2熔模鑄造n熔模鑄造是一種精密鑄造方法。n先用易熔材料制成模型或澆注系統，然后用造型材料將其包住，經過硬化后，加熱熔失模型，制成無分型面的硬殼型，再在鑄型中澆注液態合金鑄成鑄件。n由于模型廣泛采用蠟質材料制造，所以熔模鑄造又稱“失蠟鑄造”。現代材料制備技術現代材料制備技術現代材料制備技術熔模鑄造的特點和適用范圍n（）可獲得尺寸精度高、表面光潔的鑄件。由于采用精確的壓型壓制蠟模，蠟模修型后無分型面，不存在起模下

12、芯等尺寸誤差問題，鑄件無披縫。故鑄件的尺寸精度很高，能實現少切削或無切削鑄造。n（）可鑄造出形狀復雜的鑄件。只要能夠制造出壓型模具，就能夠制造蠟模和型殼。模具可以分塊組合，并配以陶瓷型芯，可使鑄件的外形和內腔的復雜程度增加。型殼在高溫下澆注使金屬具有良好的充型能力，因此，可獲得非常復雜的薄壁鑄件。n（）不受鑄造合金種類的限制。由于型殼材料的耐熱性好，所以適于各種鑄造合金，尤其是合金鋼等高熔點合金。現代材料制備技術3.3壓力鑄造n壓力鑄造簡稱壓鑄，是指將液態或半液態合金澆入壓鑄機的壓室內，使之在高壓和高速下充填型腔，并在高壓下成形和結晶而獲得鑄件的一種鑄造技術。n壓鑄最大的特點是生產效率高，鑄件質量好。但只適合用于大批量生產有色合金中小鑄件。現代材料制備技術3.4離心鑄造n將液態金屬澆入高速旋轉的鑄型中，使金屬在離心力的作用下填充鑄型并凝固成形的鑄造方法稱為離心鑄造。現代材料制備技術2.5連續鑄造n連續鑄造是將熔融金屬液連續不斷地澆入到被稱為結晶器的特殊金屬型中，凝固的鑄件不斷從結晶器的另一端被引出，從而獲得任意長度的等截面鑄錠或鑄件的鑄造方法。現代材料制備技術n在結晶器的下端插入引錠