热加工工艺基础
1金属材料导论
2金属液态成形
3金属塑性成形
4金属连接成形
热加工工艺
2.1 金属液态成形基础概述
什么是 金属的液态成形,
即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,亦称铸造,
金属的液态成形的作用,
金属的液态成形是制造毛坯、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（包括压力铸
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,
2.2金属液态成形
金属的液态成形
2.1金属液态成形的铸造基础
2.2金属的液态成形工艺
2.3液态成形金属件的工艺设计
2.4液态金属成形件的结构设计
砂型铸造过程
液态成型的优点
适于做复杂外形，特别是
复杂内腔的毛坯
对材料的适应性广，铸件
的大小
几乎不受限制
成本低，原材料来源广泛，
价格低廉,一般不需要昂
贵的设备
是某些塑性很差的材料
(如铸铁等 )制造其毛坯或
零件的唯一成型工艺
液态成型
优 点
液态成型的优点
工艺过程比较复杂，一些工艺
过程还难以控制
液态成形零件内部组织的均匀性、
致密性一般较差
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
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
液态成型
缺 点
液态合金的工艺性能
液态合金的工艺性能表征为液态合金的
铸造性能
通常是指合金的 流动性, 收缩性
吸气性 及 偏析 等性能
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
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
充型能力的决定因数
合金的流动性
铸型性质
浇注条件
铸件结构等
浇不足缺陷
气孔缺陷
夹砂缺陷
合金的充型能力
测试合金充型能
力的方法,
如右图,将合金
液浇入铸型中，冷
凝后测出充满型腔
的式样长度。浇出
的试样越长，合金
的流动性越好,合金
充型能力越好,
几种不同合金流动性的比较
*铸铁的流动性*铸钢的流动性
实验证明铸铁的流动性好，铸钢的流动性差。
比较下面几种合金流动性能
合金流动性对充型能力的影响
合金流动性的决定因数
合金的种类, 合金不同流动性不同
化学成分, 同种合金中成分不同的合金具有不同的结晶特点，流动性也不
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
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
浇注温度越高，液态金属的粘度越小，
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。
铸型充填条件对充型能力的影响
铸型温度 (不能过高 )
铸型蓄热系数,
即从金属中吸取热量
并储存的能力
铸型的发气和
透气能力：
浇铸时产生气体
能在金属液与铸型间形成气膜，
减小摩擦阻力，有利于充型。
但发气能力过强,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。
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。
液态金属的凝固与收缩
铸件的凝固过程,
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。
凝固方式有：
逐层凝固,糊状凝固,
中间凝固,
影响凝固的主要因素
*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。
*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。
合金的收缩
合金的收缩的过程,
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、裂纹、变形等）。
合金收缩的三个阶段
合金的收缩
合金收缩
固态合金冷却
液态合金冷却
液态收缩
凝固收缩
缩孔,恒温下结晶
缩松,两相区结晶
线形收缩
裂纹
变形
应力
影响收缩的因素
铸型条件
铸件结构
浇注温度
化学成分 (c含量 )
合金收缩
缩孔与缩松的形成
缩孔的形成,
纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的
合金,浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝
固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，
在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔,
缩松的形成原因,
铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者
结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域
较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨
架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所
致。
缩孔与缩松的形成演示
缩孔易出现的部位
判断缩孔出现的方法
A等温线法 B内截圆法
消除缩孔和缩松的方法
定向凝固原则
是铸件让远离冒口的地方先凝
固，靠近冒口的地方次凝固，
最后才是冒口本身凝固。实现
以厚补薄，将缩孔转移到冒口
中去。
原理
合理布置内浇道及确定浇铸工艺。
方法
合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。
解决缩孔的方法演示, 冒口和冷铁
定向凝固原则 解决缩孔的方法演示
液态成形内应力、变形与裂纹
内应力
热应力
机械应力
变形
裂纹
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。
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。
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。
当热应力大到一定程度会导致出现裂纹。
热应力的形成过程演示
热应力形成过程分析
机械应力,机械应力会导致形成 裂纹,
应适时开箱加以解决 。
热应力的消除方法
铸件的结构,铸件各部分能自由收缩
工艺方面,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
铸件的变形原因
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 。
铸件的变形的消除方法
防止变形的方法, 与防止应力的方法基本相同。带有残
余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。
问题 铸造时所受的应力与变形情况。
分析有长、短不一的两根弹簧，将
其固定，使其达到同等长度，即其中一
弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所
受的应力状态？然后将其固定约束去掉，
试分析其变形趋势？
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
铸件的生产工艺
实际生产中，由于 铸铁材料 (包括灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁 )具有
优良的铸造性能，且资源丰富，冶炼方便，价格低廉，铸铁件占液态成形件
中相当大的份额。
铸铁 通常是 C%=2.5%~4.0%的铁碳合金。
碳在铁碳合金中的存在形式有,渗碳体 和 石墨
根据碳在铁碳合金中的存在形式铸铁可以分为：
白口铸铁：
灰口铸铁：
麻口铸铁
普通灰口铸铁
可锻铸铁
球墨铸铁
蠕墨铸铁
灰口铸铁
灰口铸铁
可以看成是在钢的基体上分布着不同形态的石墨。而
石墨的形态、大小和分布直接影响着铸铁的性能 。
根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁可以分为：
普通灰口铸铁,石墨呈片状
可锻铸铁,石墨呈团絮状
蠕墨铸铁,石墨呈蠕虫状
球墨铸铁,石墨呈球状
铸铁的性能
铸铁之所以用得如此广泛,是因为石墨的存在，
石墨的存在，使铸铁具有铸 钢所不具备的性能。
铸铁的优点
良好的铸造性能，如流动性好、收缩小
良好的切削加工性能；
高的耐磨性；
良好的吸振缓冲性能；
低的缺口敏感性能。
石墨形态对铸铁性能的影响
石墨片越圆整、越细小、分布越均匀对基体
割裂作用越小。
铸铁 的石墨化
碳以石墨的形式析出的过程。 通常视石墨化过
程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。
铸铁的基体通常有：
*铁素体灰口铸铁
*铁素体 — 珠光体灰口铸铁
*珠光体灰口铸铁
影响石墨化的因素 化学成分
化学成分,C是形成石墨的元素 Si是促进形成石墨
的元素通常 C%,Si%越高，越容易 石墨化 。
影响石墨化的因素 冷却速度
冷却速度：
减小冷却速度 可以 促进
石墨化, 易得到粗大
的石墨片和铁素体基体；
增大冷却速度则阻碍石
墨化，此时只有部分碳
以细石墨片析出，而另
一部分碳则以渗碳体析
出,得到铸光体基体。
影响石墨化的因素,壁厚
普通灰口铸铁件
基体, F,P,F+P
生产, 铁水熔炼好后直接浇铸
牌号, HTXXX
HT,表示灰口铸铁中文拼音的代号
XXX,三位数字表示最抵抗拉强度 (MPa)
石墨形态, 片状
问题 1） 灰口铸铁牌号为什么不用含碳量多少表示，而用力学性能表示？
2） 有一铸件当其强度不够时，可否通过增
大截面 解决？
灰口铸铁的孕育处理
提高和改善灰口铸铁
的性能的途径
改善基体组织
改变石墨形态、数量、
大小和分布
灰口铸铁的孕育处理是 提高和改善灰口铸铁的性能 的途径行之
有效的方法。常用的孕育剂是含 Si量为 75%的硅铁。
灰口铸铁的孕育处理方法
即将熔炼出的铁水在 浇铸前加入质量分数
为 0.25%~0.60%的孕育剂，孕育剂在铁水
中形成大量弥散的 石墨结晶核心,使石墨化
作用显著提高，从而得到在细珠光体上
均匀分布着细片状石墨的组织。
灰口铸铁的 孕育处理
选用碳、硅量低的铁水,原铁水含碳量越低，石
墨越细小，铸铁 的强度、硬度就越高。
冷却速度,对其组织和性能影响较小。如下面的图：
球墨铸铁件的生产
向高温铁水中加入一定
量的球化剂和孕育剂，直
接得到球状石墨的铸造合
金。
球化剂,金属镁或稀土镁
孕育剂,含 Si量为 75%或 95%的硅铁
球墨铸铁件 主要特点：
石墨成球状，对基体的割裂作用已降到最低，
力学性能比灰铸铁有显著提高 。
可通过热处理改善金属基体，进一步提高性能
。这一点与灰铸铁不同。
球墨铸铁较灰铸铁易产生 缩孔、缩松、
皮下气孔、夹渣等缺陷 。
石墨析出时，发生膨胀，
应适当 提高铸型刚度 。
球墨铸铁件
生产中应注意的问题
控制原铁液的化学成分，与一般灰铸铁基本相同；
具有 高 C高 Si,中 Mn,低 S,P特点。
较高的铁液温度，以 防止球化处理、孕育处
理后铁液温度过低，产生浇不足等缺陷
球化处理、孕育处理 。
球墨铸铁的牌号、性能及用途
可锻铸铁
可锻铸铁 生产, 将白口铸铁件经长时间的高温石墨化退火，使白口铸铁中的渗碳
体分解，获得在铁素体或珠光体的基体分布着团絮状石墨的铸铁。
黑心可锻铸铁 (KTH,铁素体基体 )
珠光体可锻铸铁 (KTZ)
白心可锻铸铁 (KTB，很少用 )
种类
特点,强度高 σb=300-400Mpa，
塑性（ δ≤12%）和韧性（ αk
≤30J/Cm2)好 。
石墨化退火周期长,40-70h,铸
件成本高。
适用于制造承受震动和冲击、形
状复杂的薄壁小件。
铸钢
按化学成分：
铸造碳钢,以铸造中碳钢用的最多；
而铸造低碳钢和铸造高碳钢用的少。
铸造合金钢,在碳钢的基础上加入少量的合金元素，
如锰、铬、钼、钒等。 ZGMn13为铸造耐磨钢；
ZG1Cr18Ni9为铸造不锈钢。
按用途分类：
不锈钢
耐磨钢
……
铸钢件的铸造工艺
铸钢的熔点高，钢液易氧化，吸气，流动性差，
收缩大。 因此，铸造困难，易产生浇不足、气孔、
缩松缩孔、夹渣和粘砂等缺陷。
* 要求型砂的耐火度高，有良好的透气性和退
让性。
* 应严格控制浇注温度，防止过高或过低。
* 铸钢件须热处理。