热加工工艺基础教学PPT铸造.ppt

热加工工艺基础,授 课：孔令波总学时：32学时,第一章 铸造,第一章 铸造,1-0、概述1-1、造型方法1-2、铸造工艺及其对铸件结构的要求1-3、合金的铸造性能及其对铸件结构的要求1-4、铸铁件生产1-5、铸钢件和有色合金铸件生产1-6、特种铸造1-7、零件结构的铸造工艺性,第一章 铸造概述,1、何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。,图1-1 砂型铸造,第一章 铸造概述,优点：可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。缺点：铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。铸件质量不够稳定。,第一章 铸造概述,图1-2 铸造产品,1.1 造型方法,铸造一般按造型方法来分类，习惯上分为砂型铸造和特种铸造。砂型铸造包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型三类。特种铸造按造型材料的不同，又可分为两大类：一类以天然矿产砂石作为主要造型材料，如熔模铸造、壳型铸造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等；一类以金属作为主要铸型材料，如金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等。用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型和造芯是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。,1.1 造型方法,一、手工造型手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低，但其铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高，所以手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。1.手工造型方法分类根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。2.各种手工造型方法的主要特征及其适用范围,1.1 造型方法,两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。,a)两箱造型,1.1 造型方法,三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生产的铸件。,b)三箱造型,1.1 造型方法,三箱造型的特点是只能手工造型。因此，造型时工艺操作比较麻烦，只适应于单件小批生产。由于三箱造型的中箱高度与中箱模样的高度相等，故中箱的通用性较差。并且由于机器造型不能采用三箱造型，在大批生产时，往往采用外型芯环，从而使槽轮铸件的三箱造型变为两箱造型。,1.1 造型方法,脱箱造型 主要采用活动砂箱来造型，在铸型合型后，将砂箱脱出，重新用于造型。一个砂箱可制出许多铸型。金属浇注时为防止错型，需用型砂将铸型周围填紧，也可在铸型上套箱。常用于生产小铸件，因砂箱无箱带，故砂箱一般小于400mm。地抗造型是利用车间地面砂床作为铸型的下箱。大铸件需在砂床下面铺以焦炭，埋上出气管，以便浇注时引气。,1.1 造型方法,地坑造型 仅用或不用上箱即可造型，因而减少了造砂箱的费用和时间，但造型费工、生产率低，要求工人技术水平高。适用于砂箱不足，或生产要求不高的中、大型铸件，如砂箱、压铁、炉栅、芯骨等。,c)地坑造型,1.1 造型方法,组芯造型 是用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。,d)组芯造型,1.1 造型方法,整模造型 的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。,e)整模造型,1.1 造型方法,挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。,f)挖砂造型,1.1 造型方法,假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。,j)假箱造型,1.1 造型方法,分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。,g)分模造型,1.1 造型方法,活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。,h)活块造型,1.1 造型方法,刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。,i)刮板造型,1.1 造型方法,二、机器造型机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小，但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。1.机器造型方法分类常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。2.各种机器造型方法的主要特征及其适用范围,1.1 造型方法,压实紧实 方法单纯借助压力紧实砂型，机器结构简单、噪声小，生产率高，消耗动力少，型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀，上下紧实度相差很大。主要适用于成批生产高度小于200mm薄而小的铸件。,a)压实紧实,1.1 造型方法,高压紧实主要是用较高压实比压（一般在0.7MPa-1.5MPa）压实砂型。砂型紧实度高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度Ra值小，废品率低，生产率高、噪声低、灰尘小、易于机械化、自动化、但机器结构复杂、制造成本高。主要适用于需大量生产的中、小型铸件，如汽车、机械车辆、缝纫机等产品较为单一的制造业。,b)高压紧实,1.1 造型方法,震击紧实主要依靠震击力坚实砂型。该方法机器结构简单，制造成本低，但噪声大、生产率低、要求厂房基础好。砂型坚实度沿砂箱高度方向愈往下愈大。主要适用于需成批生产的中，小型铸件。,c)震击紧实,1.1 造型方法,震压紧实是经过多次震击后再压实砂型。该方法生产率高，能量消耗少，机械磨损少，砂型坚实度较均匀，但噪声大。广泛用于成批生产中、小型铸件。,c)震压紧实,1.1 造型方法,微震紧实是在加压坚实型砂的同时，砂箱和模板作高频率、小振幅震动。此方法生产率较高、紧实度均匀、噪声小。广泛用于成批生产中、小型铸件。,e)微震紧实,1.1 造型方法,抛砂紧实是利用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力下完成填砂和坚实。该方法生产率高，能量消耗少、噪声低、型砂坚实度均匀、适用性广。主要适用于单件、小批、成批、大量生产中、大型铸件或大型芯。,f)抛砂紧实,1.1 造型方法,射压紧实是使压缩空气骤然膨胀，将型砂射人砂箱进行填砂和坚实，再进行压实。该方法生产率高，坚实度均匀，砂型型腔尺寸精确、表面光滑、工人劳动强度低、易于自动化、但造型机调整维修复杂。主要适用于大批、大量生产的形状简单的中、小型铸件。,g)射压紧实,射砂紧实是用压缩空气将型（芯）砂高速射入砂箱或芯盒而进行紧实。因其将填砂、紧实两个工序同时完成，故生产率高，但用于造型，其坚实度不高、需进行辅助压实。广泛用于制芯、并开始用于造型。,1.1 造型方法,三、造型生产线造型机生产效率高，但是只能实现紧砂和起模的机械化和自动化，其他辅助工序（翻箱、下芯、合箱、压铁、浇注、落砂、落箱运输）也需要机械化才能发挥造型机的效率。大量生产采用造型生产线组织生产，将造型机和其他辅助机按照铸造工艺流程，用运输设备（铸造输送机、辊道等）联系起来，组成一套机械化、自动化铸造生产系统。,1.1 造型方法,四、机器造芯一般芯型，可以用震压造芯机、微震压实造芯机和射芯机制造树脂芯热芯盒射芯机和壳芯机 1、热芯盒射芯机制芯适用于呋喃树脂砂，采用射砂方式添砂和紧砂热芯盒温度为200250oC，芯砂加热60秒即可硬化热芯盒制砂法生产效率很高，型砂强度高、尺寸精确，表面光滑。主要用来制造汽车、拖拉机、内燃机等铸件的复杂型芯。加热硬化时有刺激性气味发出。,1.1 造型方法,2、壳芯机制芯主要用于酚醛树脂砂，采用吹砂方式添砂和紧实。壳芯强度更高；因型芯中空，故树脂消耗量小、通气性很高；流动性很好。用于汽车缸体的缸筒、进排气管和滤清器壳等复杂型芯上。酚醛树脂价格昂贵，固化时间长、生产率相对较低，制芯时也有刺激性气味产生。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,一、铸造方案的确定浇注位置的选择a）重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面。见下图。,图 汽缸浇注时的位置,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,b）具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置。见下图。,图 箱盖浇注时的位置,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,d）具有大平面的铸件，应将铸件的大平面朝下。见下图。e）尽量减少型芯的数目，最好使型芯位于下型以便下芯和检查，同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。,图 平板浇注时的位置,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,一、铸造方案的确定分型面的选择分型面为铸型组元间的接合面，选择分型面应考虑以下原则：应该保证铸件的质量应该使工艺简单、操作方便,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,一、铸造方案的确定分型面的选择a）分型面应尽量采用平面分型，避免曲面分型，并应尽量选在最大截面上，以简化模具制造和造型工艺，见下图。,a)不正确 b)正确,图 分型面应选在最大截面处,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,b）尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱，以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷，保证铸件尺寸的精确。注意减轻落砂、清理和机械加工工作量。见下图。,a)不合理 b)合理,图 分型面的位置应能减少错型、飞翅,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,c）应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。见下图。,a)不合理 b)合理,图 螺栓塞头的分型面,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,d）若铸件的加工面很多，又不可能全部与基准面放在分型面的同一侧时，则应使加工基准面与大部分加工面处于分型面的同一侧。e）尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面。见下图。,a)不合理 b)合理,图 分型面数目的确定,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,f）铸件的非加工表面上，尽量避免有披缝。见下图。g）分型面的选择应尽量与铸型浇注时位置一致。,a)不正确 b)正确,图 分型面的位置应能避免披缝,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,二、铸造工艺参数的确定铸造收缩率铸件在凝固过程中，他的各部分尺寸一般都要缩小，铸件尺寸缩小的百分率，叫做铸造线收缩率或者铸造收缩率。L模模样尺寸L件铸件尺寸,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,二、铸造工艺参数的确定铸造收缩率影响铸件收缩率的因素较多，主要的有：1.铸件的材料铸件的材料不同，铸造收缩率也不同。例如，铸钢的收缩率比灰铸铁大；灰铸铁中硫多时，收缩率增大，硅多时收缩率减小。2.铸件的结构铸件的结构复杂收缩困难，铸件的收缩率减小。3.铸型的退让性 铸型的退让性好，铸件的收缩率增大。例如，用湿性和水玻璃砂型浇铸的铸件比干型浇铸的铸件的收缩率大。同样道理，随着铸件的尺寸增大，铸型的退让性变差，铸件的 收缩率 也就减小。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,二、铸造工艺参数的确定加工余量 指为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。零件上需要加工的表面，应需有适当的加工余量。铸件加工余量的大小取决于铸件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工面与基准面的距离及加工面在铸型中的位置、加工精度要求等。灰铸铁件较铸钢件线收缩率小、熔点低，铸件表面较光洁、平整，故其加工余量小，铸钢件因浇注温度高、表面粗糙、变形大、其加工余量应比铸铁件大；,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,二、铸造工艺参数的确定加工余量非铁合金铸件表面光洁、且材料昂贵、加工余量应比铸铁件小；铸件的尺寸愈大或加工面与基准面的距离愈大，铁件的尺寸误差也愈大，故余量也应随之加大；大量生产时，因采用机器造型，铸件精度高，故余量可减小；反之，手工造型误差大，余量应加大；浇注时朝上的表面，因产生缺陷的机率大，其加工余量应比底面和侧面大。加工余量的具体数值应根据加工余量国家标准和铸件尺寸公差标准配套使用选取。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,二、铸造工艺参数的确定拔模斜度（起模斜度）为使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度称为拔模斜度。凡垂直于分型面（分盒面）的没有结构斜度的壁均应设拔模斜度。拔模斜度的大小，应根据模壁测量面高度、模样材料及造型方法确定。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,二、铸造工艺参数的确定最小铸出孔及槽零件上的孔、槽、台阶等应从铸件质量及经济方面考虑。较大的孔、槽等应铸出来，以便节约金属和机构加工工时，同时还避免铸件局部过厚所造成的热节，提高铸件的质量；较小的孔槽，则不宜铸出，直接加工反而方便；如有特殊要求，且无法实行机加工的孔如弯曲孔，则一定要铸出。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,三、型芯设计芯的主要作用是形成铸件的内腔或局部外形。单件、小批生产时采用手工制芯，大批生产时采用机器制芯。型芯设计的主要内容包括芯型的数量及形状、下芯顺序等，其中也要考虑型芯的加强（芯骨）和通风等问题。芯头 是型芯的重要组成部分，起定位和支撑型芯、排除型芯内气体的作用。芯头可以分为垂直芯头和水平芯头两种型式。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,四、铸造工艺图铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等的图样。图中应表示出：铸件的浇注位置、分型面、型芯的数量、形状、尺寸及固定方法、加工余量、起模斜度、浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置。,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,四、铸造工艺图,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,四、铸造工艺图连接盘的铸造工艺图,1-2 铸造工艺及其对铸件结构的要求,五、铸造工艺对铸件结构的要求铸件的外形铸件的内腔组合铸件,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,一、合金的流动性流动性 流动性是指熔融金属的流动能力。流动性不好时，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,一、合金的流动性流动性的影响因素1）合金的种类 不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。2）化学成分和结晶特征 纯金属和共晶成分的合金是在常温下结晶的，由表层向中心逐层推进（称为逐层凝固）方式，固体内层内表面比较光滑，流动阻力小、流行性好；其它成分合金是在一定温度范围内逐步凝固的（糊状凝固），固体内表面粗糙不平，液体本身有晶体部分，流动性很差。远离共晶点成分的合金，流动性差些。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,一、合金的流动性流动性的影响因素3）铸型和浇注条件 铸型的导热速度越大或对金属流动阻力越大，何进的流动性越差；在一定范围内，浇注温度越高，流动性越好；浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，流行性越低。4）铸件结构 当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，有大的水平面等结构时，都使金属液的流动困难。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件的凝固方式（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。（2）糊状凝固方式 合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件的凝固方式（3）中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件质量与凝固方式密切相关逐层凝固，充型能力强，便于防止缩孔、缩松 灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固糊状凝固，难以获得结晶紧实的铸件 球铁倾向于糊状凝固,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩收缩合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减的现象，称收缩。收缩是多种铸造缺陷的根源，如缩松(孔)，裂纹等。体积收缩率线收缩率其中av、al为合金在t0至t1温度范围内的体积收缩系数和线收缩系数,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩收缩的三个阶段(1)液态收缩 处于液态，温度下降，阶段收缩(2)凝固收缩 分为状态改变和温度下降两部分组成，是缩松(孔)的基本原因(3)固态收缩 由固相线温度到室温时收缩，是铸造应力和变形、裂纹基本原因。铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型条件有关。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔缩孔的形成 形成条件 金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁呈逐层凝固方式 形成原因 液态合金在冷凝过程中，液态收缩和凝固收缩的容积得不到补足而行成。(补缩),1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔缩孔的形成 宏观缩松多分布在铸件最后凝固的部位，显微缩松则是存在于在晶粒之间的微小孔洞，形成缩松的主要原因也是液态收缩和凝固收缩所致。缩松形成过程见图,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔缩孔与缩松的关系 逐层凝固合金，缩孔倾向大，如纯金属、共晶合金或结晶温度范围窄的合金。糊状凝固合金，缩松倾向大。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔影响缩孔缩松形成的因素 合金的成分 结晶范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大；结晶范围越大的合金，产生缩松的倾向越大。浇铸条件和铸型条件 提高浇铸温度时，合金的总体积收缩和缩孔倾向增大。湿型比干型的冷却能力大，使凝固区域变窄，缩松减少，金属型冷却能力更大，故缩松更显著减少。铸件结构铸件结构与缩孔、缩松关系极大，需要采取合理的工艺措施才能防止或减少他们的形成。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔缩孔、缩松的防止措施 实现顺序凝固，就可实现“补缩”设冒口，加冷铁,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔缩孔、缩松的防止措施 合理确定铸件的浇注位置、内浇道位置及浇注工艺 浇注位置的选择应服从定向凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要合理选择浇注温度和浇注速度，在不增加其它缺陷的前提下，应尽量降低浇注温度和浇注速度。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造中的缩松与缩孔缩孔、缩松的防止措施 合理利用冒口、冷铁和补贴等工艺冒口多设置于铸件厚壁处和热节部位，形状多采用圆柱形（散热表面积小、补所效果好、取模方便）。冷铁用铸铁、钢或铜等金属材料制成的激冷物称冷铁。用以加大铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序。补贴在铸件壁上部靠近冒口处增加一楔形厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，称为补贴。可以造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，消除缩孔。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造应力在铸件的凝固以及以后的冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，有些内应力是暂存的。有的一直保留到室温。后者称为残余内应力。铸造内应力是铸件产生变形、裂纹的基本原因。,二、合金的凝固与收缩铸造应力（1）铸造应力的产生 a）热应力*原因：是由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起。铸件的壁厚差别愈大，线收缩率愈大，弹性模量愈大，热应力愈大*预防热应力的途径：减小个部分间的温差，均匀地冷却。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造应力（1）铸造应力的产生 b）机械应力（收缩应力）*形成：合金、固态收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应 力。*机械应力车落砂后可自行消除。但若机械应力与热应力共同作用，过大时，可能造成铸件的裂纹,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造应力（2）铸造应力的防止和消除措施 a）采用同时凝固的原则 同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸造应力（2）铸造应力的防止和消除措施 b）采用反变形法 可在模样上做出与铸件变形量相等而方向相反的预变形量来抵消铸件的变形，此种方法称为反变形法。c）提高铸型温度 d）改善铸型和型芯的退让性 e）进行去应力退火 铸件机加工之前应先进行去应力退火，以稳定铸件尺寸，降低切削加工变形程度。f）设置工艺肋 为了防止铸件的铸态变形，可在容易变形的部位设置工艺肋。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件的变形与防止*铸件的翘曲变形 当铸件内残留铸造应力超过材料屈服极限时，往往产生翘曲变形。即自发地通过变形来减缓其内应力。*防止：i)工艺上采用同时凝固原则，减小温差，均匀冷却；ii)设计时尽量使铸件壁厚均匀，形状对称；iii)可采用“反变形”。*时效处理是去除残余应力防止变形的有效方法。i)自然时效，将铸件置于露天半年以上；ii)人工时效，550-650去应力退火。时效处理宜放在粗加工之后，以便将铸造应力、粗加工产生应力一并消除。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件的裂纹与防止*当铸造内应力超过金属的强度极限时，将产生裂纹。热裂 热裂是在高温下形成的裂纹。因为是高温，所以缝内呈氧化色，缝隙宽，形状曲折。形成热裂的主要因素 合金性质 结晶温度范围宽、液、固两相绝对收缩量愈大，热裂倾向也愈大。另外，含硫（S）高，热裂倾向也大。灰铸铁、球铸热裂倾向小。铸钢、可锻铸铁热裂倾向大。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件的裂纹与防止(2)铸型阻力 铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。砂土中加入少量锯木屑可增加退让性。2.冷裂 是在低温下形成的裂纹。特征：裂纹细小，呈连续直线状，有时有轻微的氧化色。出现部位：形状复杂的受拉伸部份，特别是应力集中处，如尖角、孔洞处。塑性好的合金通过塑性变形应力自行缓解，故冷裂倾向小，塑性差，脆性大的合金易冷裂如：高锰钢、高碳钢含磷高时易冷裂。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的凝固与收缩铸件的裂纹与防止附：铸件中的气孔*铸件中的气孔是最常见的缺陷，按气体来源可分为 侵入气孔是砂型表面聚集的气体侵入而成。常在铸件上表面。增加铸型的排气能力可预防之。析出气孔 因温度下降，气体溶解度下降而析出气孔尺寸小，分布广，有时可遍及整个截面。反应气孔 金属与铸型材料等之间发生化学反应而产生的气体。大多分布在铸件表层下12mm处。,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,二、合金的铸造性能对逐渐结构的要求 浇不到、缩孔、缩松、铸造应力、变形和裂纹等铸造缺陷，与铸件结构密切相关。设计时要注意采用合理的铸件结构，以消除这些缺陷。铸件的壁厚铸件的连接避免变形和裂纹的结构,1-3 合金的铸造性能及其对铸件结构的要求,铸铁是一系列主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些合金中，碳的质量分数超过了在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量。一般情况下铸铁中的碳含量超过2.11%。一、铸铁的分类1、根据碳在铸铁中的存在形式分类白口铸铁 指碳主要以游离碳化铁形式出现的铸铁，断口呈银白色，很难切削加工。灰铸铁 指碳主要以片状石墨形式出现的铸铁，断口呈灰色。强度低、塑性差，但是铸造性能好，是工业中应用最广的铸铁。麻口铸铁 指碳部分以游离碳化铁形式出现，部分以石墨形式出现，断口灰白相间。性能介于白口铸铁和灰铸铁之间，应用较少。碳在铸铁中以两种形式存在，一种是游离碳化铁（渗碳体Fe3C），另一种是游离碳（石墨）。,1-4 铸铁件生产,一、铸铁的分类2、根据铸铁中石墨形态分类普通灰铸铁 石墨呈片状。可锻铸铁 石墨呈团絮状，具有较高的塑性和韧性。主要用于受冲击和振动的薄壁小件。,1-4 铸铁件生产,普通灰铸铁,可锻铸铁,一、铸铁的分类2、根据铸铁中石墨形态分类球墨铸铁 石墨呈球状，强度、塑性均比可锻铸铁高。主要用于受力复杂的重要零件。蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状，同时具有灰铸铁和球墨铸铁的性能特点，主要用于经受热循环载荷的铸件及结构复杂、强度要求较高的铸件。,1-4 铸铁件生产,球墨铸铁,蠕墨铸铁,一、铸铁的分类3、根据铸铁的化学成分分类普通铸铁合金铸铁,1-4 铸铁件生产,二、灰铸铁1、灰铸铁的牌号国标规定了六个灰铸铁牌号及不同壁厚灰铸铁件的即席性能参考值。HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350，设计时可根据受力壁厚选择相应牌号。在冲天炉内熔炼，大多采用湿型铸造，铸造后一般不需处理，或仅需时效处理。,1-4 铸铁件生产,二、灰铸铁2、灰铸铁显微组织及性能灰铁的显微组织由金属基体和石墨片组成，其中石墨片石影响铸铁性能的决定性因素；而基体部分和碳钢组织完全相同，可以把灰铸铁看成为在钢的基体中嵌入不同数量的石墨片。铁素体+片状石墨铁素体珠光体+片状石墨珠光体+片状石墨,1-4 铸铁件生产,二、灰铸铁2、灰铸铁显微组织及性能力学性能 由于石墨的存在，一方面使得基体承载的有效面积减少，另一方面在基体中容易造成应力集中现象，最终导致灰铸铁的抗拉强度和弹性模量均比钢低得多，断裂强度通常为120250Mpa；塑性和冲击韧性近于0，属于脆性材料。工艺性能 灰铸铁属于脆性材料，不能进行冲压；同时，其焊接和热处理性能也很差。但灰铸铁的切削加工性能较好。减振性 灰铸铁具有良好的减振性，其减震能力约为钢的510倍。工业上常用它来制造机床床身、机座等。耐磨性好 缺口敏感性低 在有缺口时的强度明显小于物缺口时的强度,1-4 铸铁件生产,二、灰铸铁3、灰铸铁的分类普通灰铸铁 铁水不经过任何处理，也称为低强度灰铸铁，HT100、HT150。主要缺点是壁厚敏感性较大，铸件壁厚越大时，石墨片越粗大，强度越低。孕育铸铁 铁水经过孕育处理，也称高强度灰铸铁，HT200及其以上牌号。其耐磨性能和铸造性能比普通灰铸铁要强，但是减震性能较差，铸造工艺复杂，主要用于动载荷较小、静载荷较大、要求耐磨性和减震性能好的铸件，如机床床身、发动机气缸体等。,1-4 铸铁件生产,二、灰铸铁4、孕育处理孕育是以少量材料加入熔融金属，促进成核，以改善其组织和性能的方法。加入的材料称为孕育剂。常用的孕育剂是FeSi75（含硅75%的硅铁），熔点为1300，经孕育处理后的铸铁称孕育铸铁。孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁有显著提高。降低碳、硅含量。,1-4 铸铁件生产,二、灰铸铁4、孕育处理孕育铸铁的特点：强度、硬度提高。耐磨性提高，但减震性下降。壁厚敏感性小，冷却速度对组织、性能影响较小。截面上机械性能齐一性好，对厚壁铸件尤其重要。孕育铸铁使用：适于静载荷下要求强度高、耐磨性好，或气密性好的铸件，特别厚大铸件。,1-4 铸铁件生产,三、球墨铸铁 球墨铸铁是铁液经过球化处理后使石墨大部分或全部呈球状，有时少量为团絮状的铸铁。1.球墨铸铁的组织与性能（1）球墨铸铁的显微组织 球墨铸铁的显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与球状石墨组成。（2）球墨铸铁的性能 球墨铸铁不仅强度远远高于灰铸铁，优于可锻铸铁，甚至可与钢媲美，尤其屈强比（一般大于0.7）明显高于碳钢（仅0.6左右），疲劳强度与中碳钢接近，而且其耐磨性远高于45钢表面淬火。球墨铸铁还具有优良的热处理性能，球墨铸铁的铸造性能、减振性、切削加工性及缺口敏感性较灰铸铁差，但仍优于铸钢。其塑性和韧性虽低于钢，但仍能满足一般零件的要求。,1-4 铸铁件生产,三、球墨铸铁2、常用球墨铸铁珠光体球墨铸铁 抗拉强度和疲劳强度都比较高。碳素体球墨铸铁 塑性和冲击韧性高，机械性能优于可锻铸铁。3、球墨铸铁生产特点铁水 含碳较高，硫、磷含量偏低，铁水温度偏高。球化处理和孕育处理 使用球化剂 稀土镁合金。使用孕育剂 促进石墨化，防止白口倾向，孕育剂硅、铁。,1-4 铸铁件生产,三、球墨铸铁4、球墨铸铁的铸造工艺特点球墨铸铁的铸造性能介于灰铸铁与铸钢之间。流动性与灰铸铁相近，可生产壁厚3mm4mm铸件。收缩比较大，球墨铸铁的结晶特点是在凝固收缩前有较大的膨胀，在铸造工艺上应采用定向凝固原则，用干型或水玻璃砂快干型提高铸型的强度，并增设冒口以加强补缩。球墨铸铁凝固时有较大的内应力、变形和冷裂倾向，故对重要的球墨铸铁件要退火以消除应力。球墨铸铁可以退火、正火、淬火、等热处理。,1-4 铸铁件生产,四、可锻铸铁可锻铸铁是白口铸铁通过石墨化或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织或成分而获得的有较高韧性的铸铁，是机械性能最高的铸铁。可锻铸铁实际上并不能锻造，这个名子只表示它具有一定的塑性和韧性。强度一般为300400Mpa，最高可达700 Mpa。按退火方式不同可分为：黑心可锻铸铁珠光体可锻铸铁白心可锻铸铁可锻铸铁用于制造形状复杂、承受冲击的薄壁小 件，适于大批量生产。,1-4 铸铁件生产,五、蠕墨铸铁石墨成蠕虫状，机械性能较好，耐磨性较好，壁厚敏感性较小。力学性能介于基体相同的灰铸铁和球墨铸铁之间。可用于大截面复杂铸件，忽冷忽热零件，气密性较好的铸件。,1-4 铸铁件生产,一、铸钢件生产1、铸钢按化学成分的不同，可分为以下两大类：碳素铸钢 指以碳为主要合金元素并含有少量其他元素的铸钢。根据碳质量分数的高低可分为低碳、中碳和高碳铸钢。铸钢的强度与球墨铸铁相近，但铸钢的冲击韧度和疲劳强度都高得多，另外，铸钢的焊接性能远比铸铁优良。2.铸造合金钢 对于具有较高力学性能或某些特殊性能要求的零件或工具，可采用合金铸钢（即铸造合金钢）。合金铸钢按其合金质量分数可分为低合金铸钢和高合金铸钢。碳素铸钢的强度与球铁相当。但塑性、韧性、疲劳强度比球铁高。因此，承受较复杂的交变应力和较大冲击载荷的铸件。铸钢比球铁好。,1-5 铸钢件和有色合金铸件生产,一、铸钢件生产2、铸钢的铸造工艺特点 钢液的流动性差 其铸件壁厚不能小于8mm，且浇注系统应力求简单、截面尺寸要比铸铁大、铸型常用干型。此外，铸钢件晶粒粗大，热裂、气孔和粘砂等倾向大，故应根据具体情况确定合适的浇注温度。一般小件、薄壁及形状复杂的铸件，其浇注温度比钢的熔点高150左右；大件、厚壁铸件的浇注温度比钢的熔点高100左右。铸钢的体积收缩率和线性缩率大 铸钢的体积收缩率为10%-14%，线收缩率为1.8%-2.5%。易吸气氧化和粘砂,1-5 铸钢件和有色合金铸件生产,一、铸钢件生产3、铸钢热处理 为细化晶粒，消除铸造应力，提高机械性能，铸后进行热处理。含碳量0.35%，或结构复杂铸件退火 含碳量0.35%，或结构复杂铸件正火再加正火、回火，可使应力进一步减小。铸钢不宜淬火，因淬火极易开裂。,1-5 铸钢件和有色合金铸件生产,二、铝合金铸件的生产1、铝合金分类 铝合金的密度小，熔点低，导电性、导热性和耐蚀性优良，因此也常用来制造铸件。铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金及铝锌合金四类。2.铝合金的铸造工艺特点 铸造铝合金熔点低、流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值，还可浇注薄壁复杂铸件。为防止铝液在浇注过程中的氧化和吸气，通常采用开放式浇注系统及应用，蛇形直浇道和缝隙内浇道等。应能造成合理的温度分布，使铸型进行定向凝固，并在最后凝固部分设置冒口进行补缩，以消除缩孔和缩松。,1-5 铸钢件和有色合金铸件生产,三、铜合金铸件的生产1、铜合金分类 纯铜俗称紫铜青铜 铜与锌以外的元素所组成的合金统称青铜。又分为无锡青铜、锡青铜和铝青铜等。黄铜 以锌为主加元素的铜合金2、铜合金的铸造工艺特点铸造黄铜熔点低、结晶温度窄（30-70），流动性好、对型砂耐火度要求不高，可用细砂造型，以减小铸件表面粗糙度值、减小加工余量，并可浇注薄壁铸件。但其收缩率大、容易产生集中缩孔，铸造时应配置较大的冒口。,1-5 铸钢件和有色合金铸件生产,三、铜合金铸件的生产2、铜合金的铸造工艺特点锡青铜在液态下易氧化，在开设浇道时，应尽力使金属液流动平稳、防止飞溅，故常用开放式及底注式浇注系统。锡青铜的凝固温度宽（150-200），凝固收缩和线收缩率小，虽不易产生大的集中缩孔，但常出现枝晶偏析与缩松，降低铸件的致密度。这种缩松便于储存润滑油，适宜制造滑动轴承。壁厚不大的锡青铜铸件常采用同时凝固原则，锡青铜适合采用金属型铸造，利用快速冷却与补缩，铸件结晶细小致密。铝青铜的凝固温度范围小，有利于提高流动性和铸件组织致密度，是青铜的代用材料，广泛应用于制造重要的齿轮、轴套、蜗杆和阀体等铸件。但铝青铜的收缩较大，易产生集中缩孔，为此需安置冒口、定向凝固。又因液态铝青铜易氧化吸气，故宜采用开放式及底注式浇注系统，且浇注时不能断流。此外，浇注系统中还应安放过滤网以除去浮渣。,1-5 铸钢件和有色合金铸件生产,1-6 特种铸造,所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。特种铸造一般能至少实现以下一种性能：,提高铸件的尺寸精度和表面质量提高铸件的物理及力学性能提高金属的利用率(工艺出品率)减少原砂消耗量适宜高熔点、低流动性、易氧化合金铸造改善劳动条件，便于实现机械化和自动化,一、熔模铸造用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。1、熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和浇注等，其流程图及铸造过程示意图如下：,1-6 特种铸造,一、熔模铸造1、熔模铸造的工艺过程,1-6 特种铸造,一、熔模铸造1、熔模铸造的工艺过程,1-6 特种铸造,一、熔模铸造2、熔模铸造的主要特点及适用范围铸件的精度和表面质量较高，尺寸公差等级可达IT14-IT11，表面粗糙度Ra值可达12.5mm-1.6mm。适用于各种合金铸件。可制造形状较复杂的铸件，铸出孔的最小直径为0.5mm，最小壁厚可达0.3mm。工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费用较高，多用于小型零件（从几十克到几千克），一般不超过25kg。,1-6 特种铸造,二、金属型铸造 金属型铸造又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型，在重力作用下充填铸型，以获得铸件的铸方法。1、金属型 为保证使用寿命，制造金属型的材料具备如下的性能：高的耐热性和导热性，反复受热不变形，不破坏；一定的强度、韧性及耐磨性；好的切削加工性能。金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。水平分型式、垂直分型式和复合分型式,1-6 特种铸造,二、金属型铸造2、金属型铸造的工艺特点金属型预热 金属型预热温度主要通过试验来确定，一般不低于150。刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料（厚度为0.3mm0