材料成型技术-第二章-液态材料铸造成形技术过程.ppt

第二章 液态材料铸造成形技术过程,21 液态材料铸造成形概述,一、铸造的基本概念熔炼金属，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液态成形，简称铸造。液态成形是机械制造中生产机器零件或毛坯的主要方法之一。,二、铸造成形的主要工序,三、铸造成形的主要特点,1、优点：投资小 技术过程灵活性大 能制造形状复杂的零件 生产周期短 2、缺点：砂型铸件的力学性能较差，质量不够稳定砂型铸造成形生产劳动强度大，生产条件差,四、铸造成形技术的分类,1、按生产方法分类，可分为：砂型铸造特种铸造。2、按合金分类可分为：铸铁铸钢铝合金铜合金镁合金钛合金铸造等。,五、应用,广泛应用于机械制造、矿山冶金、交通运输、石化通用设备、农业机械、能源、轻工纺织、土建工程、电力电子、航天航空、国防军工等领域。,2.2 铸造成形技术过程理论基础,液态金属的充型能力,一、液态金属的充型能力液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力，称为液态金属充填铸型的能力，简称液态金属的充型能力。液态金属的充型能力通常用铸件的最小壁厚来表示。,不同金属和不同铸造方法铸造的铸件最小壁厚mm,二、影响液态金属充型能力的因素,液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动能力，还受外部条件，如铸型性质、浇注条件、铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。,1、液态金属的流动性 液态金属自身的流动能力称为“流动性”，是金属的液态铸造成形的性能之一，与金属的成分、温度、杂质含量及其物理性质有关。流动性好的液态金属，充型能力强，易于充满薄而复杂的型腔，有利于金属液中气体、杂质的上浮并排除，有利于对铸件凝固时的收缩进行补缩。流动性不好的液态金属，充型能力弱，铸件易产生浇不足、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。,液态金属流动性用浇注流动性试样的方法来衡量。在生产和科学研究中应用最多的是螺旋形试样。,在相同的铸型及条件下，浇出的螺旋形试样越长，表示该金属的流动性越好。,一些合金的流动性（螺旋形试样，沟槽截面8mm8mm）,温度，T,碳钢,铸铁,共晶点,合金的化学成分决定了2种凝固模式,纯金属和共晶合金，对应A点和C点成分，有确定的熔点，恒温结晶，结果在铸型中凝固过程将从表及里推进，称为逐层凝固,非共晶合金没有一个确定的熔点，它的凝固结晶是在一个温度区间内完成的，属非恒温结晶。在这个温度区间内，同时存在已经凝固的部分，如先晶，或树枝状晶主干，和还没有凝固的部分，固相和液相并存，象桨糊状态，流动性差，所以称为糊状凝固,离共晶点C越远，结晶温度区间越宽，流动性就越差。换句话说，C点成分以前的铁碳合金，即亚共晶铸铁，流动性随含碳量的增加而提高；过共晶铸铁呢，即C点成分以后的合金，流动性随含碳量的增加而下降。这就是铁碳合金流动性与含碳量的关系。,逐层凝固方式（顺序凝固）,糊状凝固（体积凝固）,凝固是由铸件壁表面向中心逐层推进(称逐层凝固方式)，凝固层内表面较平滑，对未凝固液态金属的流动阻力小，所以流动性好；而结晶温度范围大的金属，凝固时铸件壁内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区(称糊状凝固方式)，凝固层内表面粗糙不平，对内部液体的流动阻力较大，所以流动性较差。,2、铸型性质 铸型的阻力影响金属液的充型速度，铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。所以铸型的蓄热系数b(表示铸型从其中的金属液吸取并储存在本身中热量的能力)愈大，铸型的激冷能力就愈强，金属液于其中保持液态的时间就愈短，充型能力下降，如液态金属在金属铸型中的流动性比在砂铸型中差；铸型的温度较高，就能减少金属液与铸型的温差，从而提高金属液的充型能力。,3、浇注条件浇注温度对液态金属的充型能力有决定性的影响。浇注温度越高，充型能力越好。在一定温度范围内，充型能力随浇注温度的提高而直线上升，超过某界限后，由于吸气，氧化严重，充型能力的提高幅度减小。液态金属在流动方向上所受压力(充型压头)越大，充型能力就越好。但金属液的静压头过大或充型速度过高时，不仅发生喷射和飞溅现象，使金属氧化和产生”铁豆”缺陷，而且型腔中气体来不及排出，反压力增加，造成“浇不足”或“冷隔”缺陷。浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，液态金属充型能力越低。,4、铸件结构 衡量铸件结构的因素是铸件的折算厚度R(R铸件体积/铸件散热表面积VS)和复杂程度，它们决定着铸型型腔的结构特点。R大的铸件，则充型能力较高。R越小，则充型能力较弱。铸件结构复杂，厚薄部分过渡面多，则型腔结构复杂，流动阻力大，充型能力弱。铸件壁厚相同时，铸型中的垂直壁比水平壁更容易充满。,2.2.2 铸件的凝固,铸型中的合金从液态转变为固态的过程，称为铸件的凝固，或称为结晶。,铸件的收缩,一、收缩的基本概念 铸件在液态、凝固和固态冷却过程中所产生的体积减小现象称为收缩，是液态金属自身的物理性质。收缩是铸件的许多缺陷，如缩孔、缩松、热裂、应力、变形和冷裂等产生的基本原因。所以，它又是决定铸件品质的重要铸造性能之一。,衡量收缩的基本参数为体收缩率和线收缩率：,体收缩率,线收缩率,式中：V0、V1金属在T0和T1时的体积；l0、l1 金属在T0和T1时的长度；,、,金属在T0T1温度范围内的 体收缩系数和线收缩系数(1)。,、,液态收缩阶段()表现为型腔内液面的降低。凝固收缩阶段()由状态改变和温度下降两部分产生。一般用体收缩率表示。固态收缩阶段()通常表现为铸件外形尺寸的减少，故一般用线收缩率表示。,液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。固体收缩是铸件产生应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。它和金属自身的成分、温度和相变有关。,二、铸件的实际收缩,实际上，铸件在进行收缩时除受金属自身的成分、温度和相变的影响外，还受到一些外界阻力的影响。铸件在铸型中收缩时受到的阻力有以下几种：1、铸型表面的摩擦阻力 铸件收缩时，其表面与铸型表面之间的摩擦，与铸件质量，铸型表面的平滑程度有关。2、热阻力 铸件各部分收缩时彼此制约产生的阻力。3、机械阻力 铸件收缩时，受到铸型和型芯的阻力。铸件在铸型中的收缩仅受到金属表面与铸型表面之间的摩擦阻力时，为自由收缩。如果铸件在铸型中的收缩受到其他阻碍，则为受阻收缩。,三、铸件的缩孔和缩松,1、缩孔和缩松的基本概念液态金属在凝固过程中，由于液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现大而集中的孔洞，称缩孔；细小而分散的孔洞称为缩松。它们可使铸件力学性能，气密性等大大降低，以致成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。,2、缩孔和缩松的形成,缩孔、缩松的比较,（1）金属的成分结晶温度范围越小的金属，产生缩孔的倾向越大；结晶温度范围越大的金属，产生缩松的倾向越大。（2）浇注条件和铸型性质提高浇注温度时，金属的总体积收缩和缩孔倾向大，浇注速度很慢缩孔容积减少，铸型材料对铸件冷却速度影响很大。缩松:金属型湿型干型。（3）补缩压力和铸件结构在凝固过程中增加补缩压力，可增大缩孔而减小缩松的容积。若金属在很高的压力下浇注和凝固，则可以得到无缩孔和缩松的致密铸件。,3、影响缩孔和缩松形成的因素,（1）针对金属的收缩和凝固特点制定正确的技术方法控制铸件的凝固方向使之符合顺序凝固方式或同时凝固方式；（2）合理确定内浇口位置及浇注方法；（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等技术措施。,4、缩孔和缩松的防止方法,定向凝固图解,浇注系统,型腔,冒口,温度,距离,1,2,3,缩孔,冷铁的使用图解,1,2,3,冷铁,铸造应力,1、概念铸件在凝固和随后的冷却过程中，收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造应力。2、分类按形成的原因不同铸造应力分为热应力、相变应力和机械阻碍应力。按应力存在的状况可分为临时应力和残余应力临时应力是暂时的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失。残余应力是长期存在的，当引起应力的原因消除后，仍存在铸件中。,3、热应力 热应力是由于铸件壁厚不均，各部分冷却速度不同，收缩量不同而产生的热阻碍所造成的。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残余铸造应力。,三杆热应力分析模型,+,-,+,-,-,+,铸件产生热应力与变形的规律（总结）：薄壁、细小部位：冷得快，受压应力（凸出）；厚壁、粗大部位：冷得慢，受拉应力（凹进）。,4、相变应力铸件冷却过程中，有的合金要经历固态相变，比容发生变化。当铸件各部位温度不同时，固态相变不同时发生，则产生相变应力。相变应力是一种残余铸造应力，可通过热处理消除。5、机械阻碍应力铸件在冷却过程中因收缩受到箱带、铸型、型芯、浇注系统和冒口等的机械阻碍而产生的应力为机械阻碍应力。机械应力是一种临时应力，当形成应力的原因一经消除，应力也随之消失。,6、铸造应力对铸件品质的影响(1)易使铸件产生变形,（2）易使铸件产生裂纹 当铸造应力的总合超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。按裂纹形成的温度范围可分为热裂和冷裂。热裂是在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹沿晶粒边界产生和发展，外观形状曲折而不规则，表面与空气接触而被氧化并呈氧化色。冷裂是铸件在低温时形成的裂纹。冷裂纹常穿过晶粒，外形规则，呈圆滑曲线或直线状，表面光滑而具有金属光泽或显微氧化色。,裂 纹,裂纹是铸造内应力超过金属材料抗拉强度的产物。,热裂：凝固后期因机械应力超强而产生。影响因素：合金性质和铸型阻力。,冷裂：继续冷却至室温形成的裂纹。,7、防止和减小铸造应力的措施：在零件能满足工作条件的前提下，选据弹性模量和收缩系数小的材料；采用同时凝固方式；合理设置浇冒口，缓慢冷却，以减小铸件各部分温差；采用退让性好的型、芯砂。若铸件已存在残余应力，可采用人工时效、自然时效或振动时效等方法消除。,作 业 1,一、判断题 1.在铸件热节处安放冷铁能够起补缩作用。（）2.凝固温度范围大的合金，铸造时铸件中易产生缩松。（）3.防止或减少铸件变形的方法之一是提高流动性。（）4.合金的浇注温度越高越好。（）5.铸钢件一般都要安置冒口和冷铁，使之实现同时凝固。（）,二、选择题,1.造成铸件冷隔的主要原因是 a.浇注温度过高b.浇注温度过低c.浇注速度太快 2.生产中为提高合金的流动性常采用的方法是 a.加大出气口b.延长浇注时间c.提高浇注温度3.冒口的一个重要作用是 a.液体金属迅速浇注满型腔b.浇注金属液的通道c.补缩和排气 4.浇注温度过高，铸件会产生 a.气孔b.夹杂物c.冷隔5.在下列物品中，适用于铸造生产的是 a.钢精锅b.铝饭盒c.机床丝杠d.哑铃 6.能够制造形状复杂、特别是具有复杂内腔毛坯的加工方法是 a.铸造b.压力加工c.焊接d.切削加工,三、填空题,1.浇注温度过低，液体金属量不够，铸件就会产生冷隔或_。2._对合金流动性的影响最显著。3.合金的铸造性能用_和_来衡量。4.铸钢的流动性比铸铁_。5.浇注温度越_，上砂箱越_，合金的充型能力越好。6.铸造合金的收缩经历_、_、_三个阶段。7.缩孔和缩松是由于合金的_收缩和_收缩引起的。8.防止缩孔的方法是控制铸件的_顺序，使之符合_原则。四、问答题 1.铸造合金的收缩会导致哪些铸造缺陷的产生？2.铸件热应力形成的原因是什么？,金属的吸气性,一、概念金属在熔炼过程中溶解气体；在浇注过程中因浇包未烘干、铸型浇注系统设计不当、铸型透气性差以及浇注速度控制不当、或型腔内气体不能及时排出，都会使气体进入金属液，增加金属中气体的含量。这就构成了金属的吸气性。（氢、氮、氧）,二、金属液吸收气体的过程,金属液吸收气体可由以下4个过程组成：（1）气体分子撞击到金属液表面；（2）在高温金属液表面上气体分于离解为原子状态；（3）气体原子根据与金属元素之间的亲和力大小，以物理吸附方式或化学吸附方式吸附在金属表面；（4）气体原子扩散进入金属液内部。,三、气体在金属液中的溶解度,在一定温度和压力条件下，金属吸收气体的饱和浓度，称为该条件下气体的溶解度。常用每100g金属含有的气体在标准状态下的体积来表示(cm3100g)，有时也用溶解气体对金属的质量分数表示。影响气体在金属液中的溶解度的因素是：温度金属的化学成分气体在金属液面上的平衡分压。,四、气体的析出与气孔,1、气体析出的方式溶入金属中的气体的析出方式主要存在以下3种方式：（1）气体以原子态扩散到金属表面，然后脱离吸附(蒸发)；（2）与金属内某元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排出；（3）以气泡形式从金属液中逸出。,2、气孔,金属中存在的气孔通常可分为析出性气孔、反应性气孔和侵入性气孔三种：（1）析出性气孔 当金属液冷却速度较快时，由于铸件凝固，气泡来不及排出而保留在铸件中形成的气孔，称为析出性气孔。（2）反应性气孔 金属液与铸型、熔渣之间相互作用或金属液内部某些组元发生化学反应产生的气体所形成的气孔，则称为反应性气孔。（3）侵入性气孔 砂型铸造时，由于砂型透气率低或排气通道不畅，砂型受热产生的气体，在界面上超过一定临界值时，气体就会侵入金属液而未上浮排出，则产生侵入性气孔。,五、气体对铸件品质的影响,气孔有效截面积裂纹源抗拉强度疲劳强度气密性固溶体韧度钢“氢脆”铸铁白口倾向铸造性能反压力，会阻碍金属液的补缩，造成晶间疏松。流动性,六、气孔产生的原因及去处气体的方法,1、产生原因：（1）熔炼过程（2）铸型对于湿砂型，其中的水分在高温金属液的热作用下会产生大量蒸汽；即使烘干的铸型，浇注前也会吸收空气中的水分，且其中的粘土在金属液的热作用的水分还会分解；一些由有机材料制成的砂型或砂芯，有机物的燃烧也能产生大量的气体。2、除气方法：真空去气、沸腾去气、通入惰性气体去气、氧化去气。,铸件的化学成分偏析,一、概念铸件凝固后，截面上不同部位，以至晶粒内部，产生化学成分不均匀的现象，称为偏析。二、偏析产生的原因偏析之所以发生，主要是由于合金在结晶过程中溶质再分配的结果。晶体在成长过程中，由于结晶速度大于溶质的扩散速度，使得初次析出的固相与液相的浓度不同，先析出的晶体与后析出的晶体的化学成分也不同，甚至同一个晶粒内先结晶出来的部分和后结晶出来的部分也有差异，这样便形成了铸件各部分化学成分的不均匀性。,三、偏析的分类,偏析可大体分为两大类：微观偏析和宏观偏析。1、微观偏析微观偏析是指微小（晶粒）尺寸范围内各部分的化学成分不均匀现象。常见有两种形式：一种为晶内偏析也叫枝晶偏析；一种为晶界偏析。,（1）晶内偏析对于有结晶温度范围，并且能够形成固溶体的合金，在铸造条件下结晶时，晶粒内先结晶的和后结晶的部分的成分不同。这主要是因为冷却较快，固态溶质来不及扩散均匀而造成的。,铸件中晶内偏析的存在，给晶粒的物理和化学性质带来了不均匀性，使合金的强度和塑性下降，并导致合金的抗腐蚀性下降。晶内偏析可采用扩散退火或均匀化退火消除。一般是将铸件加热到低于固相线100200的温度，进行长时间保温，使偏析元素进行充分扩散，以达到均匀化的目的。,（2）晶界偏析 在结晶过程中，低熔点物质被排除在固液界面。当两个晶粒相对生长，相互接近并相遇时，在最后凝固的晶界上将有较细溶质或其它低熔点物质。,铸造合金的晶界偏析对合金的性能危害很大，使合金的强度、塑性、抗腐蚀性、高温性能降低，促使铸件在凝固过程中产生热裂。晶界偏析采用均匀化退火很难消除，只有采用细化晶粒和减少合金中氧化物和硫化物以及某些碳化物等措施可以预防和消除。,2、宏观偏析在铸件较大尺寸范围内化学成分不均匀的现象叫宏观偏析。主要包括正偏析和逆偏析。溶质的分配系数：,正偏析：k1，杂质的分布从外部到中心逐渐增多；逆偏析：k1，易熔物质富集在铸件表面上。,2.3液态金属成型件的工艺过程设计,铸件工艺过程设计就是根据铸造零件的结构特点、技术、要求、生产批量和生产条件等，确定铸造方案和技术参数，绘制工艺过程图、编制工艺过程卡等技术文件的过程。铸件工艺过程设计的有关文件，是生产准备、管理和铸件验收的依据，并用于直接指导生产操作。因此，铸件工艺过程设计的好坏，对铸件品质、生产率和成本起着重要的作用。,铸造工艺设计内容与步骤,一、铸造工艺过程设计的内容对于大量生产的定型产品和特殊重要的大型铸件，铸造工艺过程设计一般包括：铸造工艺过程图、铸件图、铸型装配图、工艺过程卡、操作技术规程。广义地讲，凡铸造技术装备的设计内容，诸如模样图、模板图、芯盒图、砂箱图、压铁图、专用检具图、专用量具图及组芯夹具图等，均属于铸造工艺过程设计的内容。对于单件、小批量的一般产品，工艺过程设计内容力求简化，绘制一张铸造工艺过程图就可以了。,二、铸造工艺过程设计的步骤,（1）结构技术分析 主要从铸造性能、铸造技术、铸造合金等方面对铸件结构的合理性进行分析（2）铸造工艺过程方案的拟定 包括选择铸造和造型方法；确定浇注位置和分型面；铸造技术参数的选取等内容。（3）砂芯的设计 砂芯用来形成铸件内腔或外形上有碍起模的凸凹部位。砂芯设计的主要内容包括确定砂芯形状、数量和下芯顺序，决定芯头结构和尺寸，砂芯通排气方式等内容。,一般产品铸造工艺过程设计的基本步骤：,（4）浇注系统设计 主要是选择浇注系统类型、确定内浇道开设位置、各组元截面积、形状和尺寸等。（5）冒口、冷铁的设计 主要是选择冒口、冷铁的类型、确定其位置和尺寸。（6）绘制铸造工艺过程图 在零件图上用规定的技术符号表示出铸造工艺过程内容。,铸造成形方案的拟定,一、确定浇注位置浇注位置是指浇注时铸件在铸型中所处的位置。确定浇注位置应考虑以下原则：1、铸件的重要表面或主要加工面朝下或处于侧面，以避免气孔、砂眼、缩孔、缩松等铸造缺陷。,图2-25 床身,（2）铸件的宽大平面朝下或倾斜浇注，既可避免气孔和夹渣，又可防止型腔上表面经受强烈烘烤产生夹砂结疤缺陷。,图2-27大平面铸件正确的浇注位置,（3）铸件的薄壁部分朝下可保证铸件易于充型，防止产生浇不足、冷隔缺陷,图2-28曲轴箱的浇注位置,（4）铸件的厚大部分朝上，便于补缩容易形成缩孔的铸件，厚大部分朝上，便于安置冒口，实现自下而上的定向凝固，防止产生缩孔,图2-29 铸钢链轮的浇注位置1-冒口；2、3-砂芯,二、选择分型面,分型面是指铸型组元间的结合面。具体原则如下：（1）应尽可能使全部或大部分铸件，或者加工基准面与重要的加工面处于同一半型内 以避免因合型不准产生错型，保证铸件尺寸精度。,图2-30管子堵头分型方案,（2）应尽量减少分型面的数目,图2-31三通铸件的分型面选择,(3)分型面应尽量选用平面 平直的分型面可简化造型工艺过程和模板制造，容易保证铸件精度（图2-32b），这对于机器造型尤为重要。,图2-32 起重臂分型面的确定,(4)尽量使型腔和主要型芯位于下型 图2-33a所示铸件，上型内铸件壁厚不便于检验，合型时容易碰坏型芯，显然图b的分型面便于造型、下芯、合型和检验铸件壁厚。,图2-33型腔和型芯位于下型的实例,生产中，浇注位置和分型面的选择有时相互矛盾、相互制约，需要根据铸件特点和生产条件综合分析，确定最佳方案。,三、确定主要工艺过程参数,1、加工余量机加工时被切去的金属层厚度称为加工余量。加工余量过大，浪费金属和加工工时，加工余量过小，铸件易因残留黑皮而报废。确定加工余量之前，需先确定铸件的尺寸公差等级和加工余量等级。然后查表确定加工余量数值。（表2-9、2-10、2-11）,（2）最小铸出孔 铸件上的孔、槽是否铸出，应从品质和经济角度全面分析。通常较大的孔、槽应直接铸出，从而节约金属，减少加工工时，避免铸件局部过厚形成热节。较小的孔、槽尤其是位置精度要求高的孔、槽不宜铸出，直接加工反而经济。铸件上的最小铸出孔直径见表2-12。,3、起模斜度 为便于起模，在平行于模样或芯盒起模方向的侧壁上留有的斜度称为起模斜度。铸件模样起模斜度的形式如图2-34，砂型铸造起模斜度值可查表2-13。,4、铸造圆角制造模样时，壁的连接和转角处要做成圆弧过度，即铸造圆角。它既可使转角处不产生脆弱面，又可减少应力集中，还可避免产生冲砂、缩孔和裂纹。一般小型铸件，外圆角半径取28mm，内圆角半径取416mm。,5、铸造收缩率 铸件从线收缩起始温度冷却至室温时，线尺寸的相对收缩量，以模样与铸件的长度差与模样长度的百分比表示：K(L0L1)/L0100式中 K铸件线收缩率；L0，L1同一尺寸分别在模样和铸件上的长度。铸件线收缩率取决于合金种类、铸型种类、铸件结构和尺寸等因素。通常灰铸铁件的线收缩率为0.7%1.0%，球墨铸铁件为0.5%1.0%，铸钢件为1.3%2.0%。,浇注系统及其设计,一、浇注系统概述1、浇注系统的主要功能连接铸型与浇包，导入液态金属；挡渣及排气；调节铸型与铸件各部分的温度分布，控制铸件的凝固顺序；保证液态金属在最合适的时间范围内充满铸型，不使金属过度氧化，有足够的压力头，并保证金属液面在铸型型腔内有必要的上升速度。,2、浇注系统的组成：通常由：浇口杯直浇道横浇道内浇道组成。广义：浇包或浇注设备也是浇注系统的一部分。,3、浇注系统的分类常用的关于浇注系统的分类方法有两种：其一是根据各组元间断面比例关系的不同，可分为：封闭式：F杯F直F横F内 易充填、挡渣能力强开放式：F杯F直F横F内 不易充填、挡渣能力差其二，是按内浇道在铸件上的相对位置不同，将浇注系统分成：顶注式中间注入式底注式阶梯注入式等。,二、浇注系统的设计,对设计合理的浇注系统的要求是：尽可能阻止熔渣、气体、氧化物及非金属夹杂物吸附或夹附进入铸型型腔；防止铸型型腔和型芯被冲蚀；降低浇注温度；在正确部位以合适的速度把金属液引入铸型型腔，减少铸件的缩孔(松)和变形；减少浇注系统占用的金属，节约液态金属。,设计浇注系统，首先应该正确地选择浇注系统的类型及其开设的位置，要根据具体情况认真研究，对各种方案进行反复比较，要保证有足够的空间开设浇口和冒口系统。在此基础上还要确定浇注系统各组元的合理尺寸及其之间的比例关系。,2.3.4 冒口、冷铁的设计,一、冒口的设计1、冒口的定义：铸型中能储存一定金属液(同铸件相连接在一起的液态金属熔池)补偿铸件收缩，以防止产生缩孔和缩松缺陷的专门技术“空腔”，被称为冒口。2、冒口的作用：主要是“补缩铸件”、集渣和通、排气。3、设置冒口必须满足的基本条件：凝固时间应大于或等于铸件(或铸件上被补缩部分)的凝固时间；有足够的金属液补充铸件(或铸件上被补缩部分)的收缩；与铸件上被补缩部位之间必须存在补缩通道。,二、冷铁的设计,冷铁是用铸铁、钢、铜和石墨等材料制成的激冷物。放入铸型内，用以加快铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序，与冒口相配合，可扩大冒口的有效补缩距离。冷铁分为外冷铁和内冷铁两种，前者作为铸型的一个组成部分，与铸件不熔接，用后可以回收，重复使用；后者则与铸件熔接在一起，作为铸件壁的一部分。,确定内冷铁的质量、尺寸及数量的原则是：确定好的内冷铁应具有足够的激冷作用以控制铸件达到所要求的方向性（顺序）凝固或同时凝固，并能与铸件本体熔合而不削弱铸件的强度。,铸造工艺过程图的绘制,铸造工艺过程图是在零件图上用规定的技术符号表示出铸造工艺过程内容的图形，它决定了铸件的形状、尺寸、生产方法和工艺技术过程，是制造模样、芯盒、造型、造芯和检验铸件的依据。在蓝图上绘制的铸造工艺过程图，采用红、蓝铅笔将各种技术符号直接标注在零件图样上。,2.4铸件的结构设计,2.4铸件结构设计,铸件的结构设计及几何形状是否合理，对铸造零件的品质、生产率及成本有较大的影响。铸件的结构应满足机器设备本身的使用性能和机械加工的要求；满足液态金属铸造性能和铸造生产技术的要求；应尽量符合液态金属铸造性能的需要，以避免出现如浇不足、冷隔、缩孔、缩松、变形、裂纹、气孔和偏析等缺陷；应尽量使生产技术中的制模、造型、制芯、合型和清理等环节简化，省时、省工、省材，提高尺寸精度和形状精度，防止废品发生。,2.4.1 保证铸件品质的铸件结构设计,为保证获得符合品质的铸件，对铸件结构要素的设计应考虑如下几个方面：1、铸件的最小壁厚 在一定铸造条件下，铸造合金液能充满铸型的最小厚度称为该铸造合金的最小壁厚。铸件的设计壁厚不应小于最小壁厚。铸件的最小壁厚可由相关的铸造手册查得。2、铸件的临界壁厚 对于各种铸造合金来说，均存在一个临界壁厚，如果铸件的壁厚超过临界壁厚，铸件的承载能力并不按比例地随着铸件厚度的增加而增加，而是显著地下降。砂型铸造各种铸造合金铸件的临界壁厚可按其最小壁厚的3倍来考虑。,3、铸件的内壁厚度砂型铸造时，铸件内壁的散热条件较外壁差，为了保证铸件的质量，设计时应使铸件内壁厚度小于外壁厚度。,砂型铸造各种铸造合金件之内、外壁厚相差值,4、铸件壁的过渡和连接铸壁有类型各异的接头，大致分为L型、T型、v型、Y型和十字型等五种。可参考相关手册对各种接头连接形式进行合理的设计。,壁厚的过渡形式,5、肋 为了增加铸件的力学性能和减轻铸件的质量，消除缩孔和防止裂纹、变形、夹砂等缺陷，在铸件结构设计中大量采用肋。设计肋时，要尽量分散和减少热节点，避免多条肋互相交叉，肋与肋和肋与壁的连接处要有圆角过渡，垂直于分型面的肋应有铸造斜度。除此之外，还应考虑：应用肋来提高铸件品质和裁荷性能。,6、铸造斜度 非加工面上的铸件壁的内、外两侧，沿起模方向应设计适当的斜度，即结构斜度。7、凸台 铸件上由于需要安装螺栓、压力表、排气塞、排油塞、黄油杯、测温计等，结构设计时就须在安装位置设置凸台。然而在凸台内易形成缩孔、缩松，有损铸件品质。因此，在设计凸台时要选择正确的形状和尺寸。凸台之间的中心距较小时，应将凸台连成一整体，以便于铸造和切削加工。凸台与铸件垂直壁的距离小时，为便于造型，应与垂直壁相连。,适应铸造工艺过程的铸件结构设计,在保证铸件品质的前提下还应考虑模型制造、造型、制芯、合型和清理等操作方便，以利简化液态铸造成形技术过程，稳定产品品质，提高生产率和降低成本。因此，在铸件结构设计中应强调：1、简化或减少分型面；2、减少型芯总数量；3、方便起模；4、有利于型芯的固定和排气；5、避免变形和裂纹；6、有利于防止夹渣、气孔产生；7、有利于铸件清理。,1、简化或减少分型面,2、减少型芯总数量设计的铸件应尽量不用或少用型芯。,3、方便起模 与分型面垂直的铸壁，应有铸造斜度以方便起模；凡能与分型面垂直的肋条，应与分型面垂直。,4、有利于型芯的固定和排气尽量避免悬臂型芯、吊芯及使用芯撑的设计结构。,5、避免变形和裂纹细长易挠曲的铸件应设计为对称截面；合理设置加强肋，以提高平板铸件的刚度，防止变形；较大的带轮、飞轮、齿轮的轮辐可做成弯曲的、奇数的或带孔辐板。,6、有利于防止夹渣、气孔产生对于壳体铸件的结构，较大的水平面应设计成倾斜面或阶梯面，不易产生夹渣、气孔的结构。,7、有利于铸件清理铸件的清理工作包括清砂、切割浇冒口、去除飞边毛刺、打磨修正等。这部分的工作量大、劳动条件差。因此，铸件轮廓的设计采用有利于清砂、有利于切割冒口和减少设置冒口的结构。,2.5常用铸造合金及其熔炼,常用铸造合金的铸造性能及结构技术特征,常用铸造合金可分为黑色铸造合金和有色铸造合金两大类，黑色铸造合金主要指铸铁、铸钢等，有色铸造合金主要指铸造铝合金、铜合金及镁合金等。一、铸铁 常用的铸铁有灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁等。,1、灰铸铁1）性能特点：流动性好，体收缩和线收缩小，缺口敏感性小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度约高34倍，吸振性好，比钢约大10倍，弹性模量较低。2）结构特点：可设计薄壁(但不能太薄以防产生白口)、形状复杂的铸件。铸件残余应力小、吸振性好。不宜设计很厚大的铸件，常采用非对称截面，以充分利用其抗压强度。,2、球墨铸铁1）性能特点：流动性和线收缩与灰铸铁相近，体收缩及形成内应力倾向较灰铸铁大，易产生缩松和裂纹。强度、塑性、弹性模量均比灰铸铁大，抗磨性好，吸振能力比灰铸铁差。2）结构特点：一般均设计成均匀壁厚，尽量避免厚实断面。对某些厚大断面的铸件可采用空心结构或带加强肋的结构。,二、铸钢1、性能特点：流动性差，体收缩和线收缩都较大。大。综合力学性能高，抗压和抗拉强度相等。吸振性差，缺口敏感性大。低碳钢的焊接性能好。2、结构特点：铸件的最小壁厚要比灰铸铁的厚，不宜设计结构复杂的铸件。铸件内应力大，易挠曲变形。结构应尽量减少热节点，并创造定向凝固的条件。连接壁的圆角和不同厚度壁的过渡段要比铸铁的大。可将复杂的铸件设计成铸焊结构，以利于铸造生产。,三、铸造铝合金,1、性能特点：铝硅合金的铸造性能好，流动性好，收缩略大于铸铁。其它系列的铸造铝合金均远离共晶成分，凝固温度范围宽，多呈糊状凝固，流动性差，且收缩较大，难以通过补缩获得致密件，故铸造性能差。此外，各类铸造铝合金均极易吸气和氧化，易产生夹杂和气孔缺陷。2、结构特点：铸造铝合金件的壁厚不能太大、其余结构特点类似铸钢件。生产铝合金铸件可采用各种铸造方法，批量大或重要铸件宜采用特种铸造。砂型铸造时一般均设置冒口顺序凝固。为保证铝液快而平稳地充型，以免吸气和氧化，通常采用开放式浇注系统及弯曲形状的直浇道，且内浇道数目较多。此外，熔炼时还应注意除气和去渣。,铸造合金的熔炼,一、概述1、熔炼的概念熔炼是将多种固态金属炉料(废钢、生铁、回炉料、铁合金，有色金属等)按比例搭配装入相应的熔炉中加热熔化，通过一系列冶金反应，转变成具有一定化学成分和温度的符合铸造成形要求的液态金属的一种工艺过程。,2、熔炼的要求熔炼出符合材质性能要求的金属液，而且化学成分的波动范围应尽量小；熔化并过热金属所需的高温；有充足和适时的金属液供应；低的能耗和熔炼费用；噪声和排放的污染物严格控制在法定的范围内。,3、熔炼的分类根据所熔炼合金的特点，熔炼大概可分为铸铁熔炼、铸钢熔炼和有色金属熔炼。根据熔炉的特点又可分为冲天炉熔炼、电弧炉熔炼、感应电炉熔炼和坩锅熔炼等。依据炉衬的种类，熔化技术可分为酸性或碱性。,1）精炼熔化和无精炼熔化 原材料和在具体的熔化过程中引起某些元素的少量变化决定了最终的材料成分的熔化过程称为无精炼熔化；熔化以后接着进行精炼阶段（可对材料的成分进行较大的调整）以获得要求的成分的熔化过程称为精炼熔化。,2）酸性熔炼技术和碱性熔炼技术在酸性熔炼技术中：炉衬为酸性，由耐火粘土和石英砂组成，酸性炉衬坚固和便宜，能量消耗低且产量较高。熔炼过程中造酸性渣，不能脱硫和脱磷。在碱性熔炼技术中：炉衬为碱性，由镁砂筑成。熔炼过程中造碱性渣，具有一定的脱磷和脱硫能力。,二、熔炼过程和熔炼炉,1、冲天炉 1）用途：主要用于熔炼铸铁。2）特点：结构简单、设备费用少、电能消耗低、生产率高、成本低、操作和维修方便，并能连续进行生产等特点。3）分类：用焦冲天炉无焦冲天炉,4）冲天炉结构 它由炉底、炉体和炉顶 三部分组成。炉底起支 撑作用，炉体是冲天炉 的主要工作区域，炉顶 排出炉气。1-除尘器 2-烟囱 3-进风通 4-前炉 5-出渣口 6-出铁口 7-支腿 8-炉底板 9-加料口,5）原理：用焦冲天炉熔炼是由底焦燃烧、热量交换和冶金反应三个基本过程组成。向上运动的高温炉气与向下运动的炉料发生热交换，金属炉料在冲天炉内被预热熔化过热。,6）冲天炉熔炼过程中金属液化学成分的变化碳量的变化：凡是能增加碳在铁液中溶解度的元素(如锰)，都能使铁液含碳量增加；凡是能减少碳在铁液中溶解度的元素(如硅、磷)，都能使铁液含碳量减少。铁、硅、锰等合金元素的变化：冲天炉炉气中O2、CO2含量愈高，氧化作用愈大，合金元素的烧损就愈严重。硫量的变化：在一般冲天炉内，金属炉料经熔炼后，含硫量往往增加40100。磷量的变化：酸性冲天炉熔炼过程中不能脱磷，磷量基本不变。碱性冲天炉有脱磷作用。,通常熔炼铸铁时，可用单台炉子熔炼，也可用两台炉子双联熔炼，即冲天炉感应电炉双联熔炼，对于单件小批和成批量生产多用单炉熔炼，对于大批量机械化生产多用双联熔炼。,2、电弧炉 电弧炉是利用电极与金属炉料之间电弧产生的热能通过辐射、传导和对流传递给炉料，加热、熔化固体炉料，并使金属液过热，从而实现熔炼目标的一种设备，主要用于钢、铸铁的熔炼。铸钢生产中普遍应用三相电弧炉。依据炉衬耐火材料的化学性质又分为碱性电弧炉和酸性电弧炉。,1-倾炉液压缸 2-倾炉摇架 3-炉门 4-熔池 5-炉盖 6-电极 7-电极夹紧器 8-炉体 9-电弧 10-出钢槽,3、感应电炉1）用途：铸铁、铸钢、铜合金、铝合金等的熔炼。2）分类：有芯、无芯（常用）两种。无芯包括:工频（50HZ）、中频（75010000HZ）、高频（10000HZ）3）原理,感 应 炉,4、坩埚炉 1）用途主要广泛用于有色金属的熔化，如铜合金、铝合金、镁合金、低熔点轴承合金等。2）分类：电阻坩埚炉、燃油、燃气、燃煤坩埚炉。,焦炭坩埚炉 电阻坩埚炉,2.6铸造成形技术过程,砂型铸造,铸造成形技术方法包括：砂型铸造和特种铸造。以型(芯)砂为主要造型材料制备铸型的铸造技术方法叫砂型铸造。砂型铸造在铸造生产中所占比重极大。世界各国使用砂型铸造生产的铸件约占铸件总产量的8090。,一、砂型铸造的特点是：适应性广，技术灵活性大，不受零件的形状、大小、复杂程度及金属合金种类的限制。生产准备较简单。生产的铸件其尺寸精度较差及表面粗极度高；铸件的内部品质也较低；在生产一些特殊零件(如管件、薄壁件)时，技术经济指标较低。,二、砂型铸造技术流程,三、常用砂型的主要特点和适用范围,四、造型造芯方法简介,1.手工造型：是指全部用手工，或手动工具完成紧砂、起模、修整、合箱等主要操作的造型、制芯过程。常用的手工造型方法有两箱造型、三箱造型、脱箱造型、刮板造型、地坑造型等,常用的手工造型方法的主要特点和适用范围,2.机器造型：即用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序，常用的机器造型方法有震实造型、微震实造型、高压造型、抛砂造型、气冲造型等。,（1）震压式造型 早期的震击造型是采用震压式造型的,（2）气动微震压实造型气动微震压实造型是采用振动(频率150500，振幅2580mm)压实微振(频率4003000Hz，振幅510mm)紧实型砂的。,（3）抛砂造型,（4）射砂造型,（5）.射砂挤压造型,（6）高压造型高压造型一般指压实比压超过0.7MPa的机器造型。按工艺装备可分为有箱、脱箱、无箱三种。加砂可采用重力填砂方式，但更多的是用射砂或真空填砂方式进行充填及预紧实。,（7）气流冲击造型 气流冲击造型简称气冲造型，是一种新的造型方法。其原理是利用气流冲击，使预填在砂箱内的型砂在极短的时间内完成冲击紧实过程。,3、机器制芯振实类似于振实造型，利用振动动能，使芯盒内的芯砂紧实。一般芯盒上表面需要手工补加紧实，并刮去多余芯砂；挤芯利用柱塞式或螺旋式挤芯机挤制砂芯，只能制造断面形状规则，简单直棒砂芯；吹芯利用压缩空气将芯砂吹入芯盒并紧实。射芯利用压缩空气将芯砂从砂筒中射入芯盒并紧实。,4、造型方法的选用原则,在选择造型方法时应充分考虑铸件的尺寸、质量和结构形式，除此之外，还应参照如下选择原则：(1)造型方法应和生产批量相适应。机器造型的生产效率较高，对环境的污染小，所生产的铸件的尺寸精度较高，但设备和技术装备的费用高，生产准备时间长，因而适用于中，小型铸件成批或大量生产；单件小批生产的重型铸件，手工造型仍是重要的方法。(2)湿型造型是应用最广泛的造型方法之一。砂型铸造时这优先选用湿砂型。当湿砂型不能满足要求时，再考虑选样表面烘干型、干型或自硬砂型。(3)造型方法应适合工厂的实际生产条件，并兼顾铸件的技术要求和成本等因素。,特种铸造技术,在砂型铸造的基础上，通过改变铸型的材料、浇注方法、液态金属充填铸型的形式或铸件凝固条件等因素，又形成了多种铸造成形过程有别于砂型铸造的技术方法“特种铸造”。它包括：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、低压铸造等。,特种铸造的技术特点：铸件的尺寸精度较高，表面粗糙度低。在生产一些结构特殊的铸件时，具有较高的技术经济指标，不用砂或少用砂，降低了材料消耗，改善了劳动条件；使生产过程易于实现机械化、自动化。但特种铸造适应性差，生产准备工作量大，需要复杂的技术装备。因此，特种铸造技术(陶瓷型铸造除外)一般适用于大批大量生产。,一、熔模铸造,定义熔模(低熔点)铸造又称“失蜡铸造“，亦称“熔模精密铸造”。顾名思义，通常是先用低熔点易熔材料(一般用蜡质材料)制成摸样，再在蜡模表面涂上数层耐火材料，待其硬化干燥后，将其中的蜡模熔失而制成