液态材料铸造成形技术过程.ppt

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1、第2章 液态材料铸造成形技术过程,2.1概述 液态材料成形(铸造)是将液态金属浇注到与零件形状相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法。,液态材料成形工艺过程,零件图,铸造工艺图,铸型,型芯,芯盒 芯砂,型砂模型,熔化,合 箱,落砂、清理,检 验,铸 件,图2-1砂型铸造的工艺过程,铸造生产的特点,（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。,1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。,（1）合金种类不受限制；（2）铸件大小几乎不受限制。,2适应性强：,3成本低：,4废品率高、表面质量较低、劳动条件差。,2.2铸造

2、成形技术过程理论基础,2.2.1 液态金属的充型能力与流动性 充型能力是指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。,实践证明，液态金属的充型能力主要取决于金属自身的流动性，还受外部条件如铸件性质、浇注条件和铸件结构等因素的影响，是各种因素的综合反映。,流动性是液态合金本身的流动能力。是金属的液态铸造成型的性能之一，与金属的成分，温度，杂质含量及其物理性质有关。金属的流动性通常用浇注螺旋形式样来衡量。,0.45%C 铸钢：200,4.3%C 铸铁：1800,2.2.1液态金属的充型能力与流动性,图2.2 螺旋形流动试样示意图,2.2.1液态金属的充型能力与流动性,影响液态金属充

3、型能力的因素,1）金属的性质：包括金属的种类，成分，结晶特性及其他物理性能等。决定金属自身的流动能力流动性。,合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点。结晶温度范围小的金属趋近于逐层凝固方式，凝固层内表面光滑对未凝固液态金属阻力小，所以流动性好；而结晶范围大的金属为糊状凝固方式，凝固层内表面粗糙对未凝固液态金属阻力大，所以流动性差。,2.2.1液态金属的充型能力与流动性,a）在恒温下凝固,b）在一定温度范围内凝固,合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点,2）铸型性质：铸型的阻力影响金属液态的充型速度，铸型与金属的热交换强度影响金属液保持流动的时间。铸型蓄热系数大，铸型的激冷能

4、力就越强，充型能力下降。,（3）浇注系统的的结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。,3）浇注条件：,（1）浇注温度一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。,（2）充型压力液态金属在流动方向上所受压力越大，充型能力越强。,2.2.1液态金属的充型能力与流动性,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=V/S)和复杂程度。如果铸件体积相同，在同样的浇注条件下，R大的铸件，由于与铸型的接触表面积相对较小，热量散失比较缓慢，则充型能力较高。铸件的壁薄；R越小，则充型能力较弱。,2.2.1液态金属的充型能力与流动性,2.2.2铸件的凝固,铸型中的合金从液态转变为固

5、态的过程，称为铸件的凝固。凝固热力学条件：体系所处的温度低于熔点温度。凝固方式：1）逐层凝固 凝固过程固液界面分明 2）体积凝固 液固共存区很宽 3）中间凝固 液固凝固区域介于逐层和体积凝固之间 影响凝固方式的主要因素是合金的结晶温度范围和铸件的温度梯度。,2.2.3铸件的收缩,1）收缩的基本概念 铸件在液态，凝固和固态下继续冷却过程中所产生的体积减小现象称为收缩。收缩是铸件的许多缺陷，如缩孔，缩松，热烈，应力变形和冷裂产生的基本原因。,（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。T浇 T液,（2）凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。T液 T固,2）收缩的3个基本阶段,2.2.

6、3铸件的收缩,体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。,体收缩率：,线收缩率：,线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。,（3）固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。T固 T室,2.2.3铸件的收缩,铸造合金的收缩过程示意图,2.2.3铸件的收缩,3）铸件的实际收缩 前面所说的收缩为自由收缩，它只考虑了金属自身的成分，温度和相变的影响，实际铸件是受阻收缩，它还受到以下几种阻力：（1）铸型表面的摩擦阻力；（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。因此，生产中采用的收缩率是铸造收缩率（或称铸件线收缩率）是包括了各种阻力在内的实际收缩

7、率。,2.2.3铸件的收缩,4）铸件的缩孔和缩松 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。（1)铸件的缩孔和缩松 缩孔：形成的基本条件是金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件由表及里逐层凝固。缩松：形成基本条件是金属的结晶温度范围较宽，呈体积凝固方式。,2.2.3铸件的收缩,缩孔和缩松的形成,2.2.3铸件的收缩,影响缩孔，缩松形成因素：a）金属的成分；结晶温度小缩孔 结晶温度大缩松 b）浇注条件和铸型性质；浇注温度御高，液态收缩愈大，愈易形成缩孔 c）补缩压力和铸件结构；增大补缩压力大，

8、缩孔和缩松的倾向越小,2.2铸造成形技术过程理论基础,（2）缩孔和缩松的防止方法 控制凝固方式,防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。,顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固。,2.2.3铸件的收缩,冒口 储存补缩用金属液的空腔。,2.2.3铸件的收缩,同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。,2.2.3铸件的收缩,合理确定内浇口位置及浇注方法顺序凝固：采用高温缓慢浇注，厚大处引入同时凝固：采用低温快速浇注，薄壁处引入合理应用冒口、补贴和冷铁等技术措施 冒口：用于液态补缩 冷铁：用于加快局部冷却速度,2.2.3铸件的收缩,5）铸造应力 铸件在凝固和随后的冷却过程中，

9、收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造应力。铸造应力按阻碍形成的原因也就相应分为热应力、相变应力和机械阻碍应力。,2.2.3铸件的收缩,（1）热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图。,2.2.3铸件的收缩,（2）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，新旧两相的比容差越大，相变应力越大。（3）机械阻碍应力 铸件在冷却过程中因收缩受到箱带，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。机械应力是暂时应力。,2.2.3铸

10、件的收缩,上型,下型,受砂型和砂芯机械阻碍的铸件,2.2.3铸件的收缩,（4）防止和减小铸造应力的措施 合理设计铸件结构 选用线收缩率小、弹性模量小的合金 采用同时凝固 合理设计浇冒口，缓慢冷却 可以采用人工时效、自然时效的方法消除已有残余应力,2.2.3铸件的收缩,6）铸件的变形和裂纹 铸造应力是铸件产生变形和裂纹的根本原因。当残余应力的总和超过金属的屈服强度极限时，铸件将发生塑性变形，当铸造应力的总和超过金属的抗拉强度极限时，铸件便产生裂纹。,2.2.3铸件的收缩,铸件变形示意图,2.2.3铸件的收缩,（1）铸件的变形与防止,a）使铸件壁厚尽可能均匀；,b）采用同时凝固的原则；,c）采用反

11、变形法。,2.2.3铸件的收缩,热裂的防止：a)应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。b)应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。c)对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。,（2）铸件的裂纹与防止 热裂热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。,2.2.3铸件的收缩,冷裂,冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。,冷裂的防止：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）采用同时凝固的原则；,3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。,2.2.4金属的吸气性,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

12、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。,2.2.4金属的吸气性,1）金属液吸收气体的过程 气体分子撞击到金属液表面；在高温金属液表面上气体分子理解为原子状态；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；气体原子根据扩散进入金属液内部。,2.2.4金属的吸气性,2）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100克金属含有的气体在标准状态下的体积来表示，有时也用溶解气体对金属的质量分数来表示。影响

13、气体在金属液中的溶解度的因素：温度、金属化学成分和气体在金属液面上的平衡分压。,2.2.4金属的吸气性,3）气体的析出与气孔 溶解于金属液中的气体，随温度下降则不断析出，其方式有3种：气体以原子态扩散到金属表面，然后脱离吸附。与金属内某些元素形成化合物，以非金属夹杂物形式排除；以气泡形式从金属液中逸出。当铸件表面已凝固，气泡来不及排出而保留，致使铸件产生析出性气孔。,2.2.4金属的吸气性,4）气孔 按气孔的产生的原因，可分为：侵入气孔、析出气孔和反应气孔。侵入气孔 气孔侵入金属液而不上浮逸出的气孔析出气孔 由于溶解度下降而从合金中析出的气孔反应气孔 由化学反应生成的气孔,2.2.4金属的吸气

14、性,5）气体对铸件品质的影响 气孔不仅会减少铸件的有效截面积，而且能使局部造成应力集中，成为零件断裂的裂纹源，尤其是形状不规则的气孔，如裂纹状气孔和尖角形气孔不仅增加缺口的敏感性，使金属强度下降，而且会降低零件的疲劳强度。,2.2.5铸件的化学成分偏析,铸件的凝固后，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。偏析形成原因主要是由于合金在结晶过程中溶质再分配的结果。晶体在生产过程中，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，这样就形成了铸件各部分

15、化学成分的不均匀性。,2.2.5铸件的化学成分偏析,偏析可大体分为两大类：微观偏析和宏观偏析。1）微观偏析指微小范围内的化学成分不均匀现象，一般在一个晶粒尺寸范围左右，包括晶内偏析和晶界偏析。2）宏观偏析也称为区域，其成分不均匀现象表现在较大的尺寸范围，主要包括正偏析和逆偏析。实际上铸件在凝固时，由于合金的类型不同，冷却条件的差异，等轴晶的产生，结晶游离的存在，使铸件断面成分变的极为复杂，因此对具体的铸件应做具体分析。,2.3液态金属成形的工艺设计,2.3.1铸造工艺设计内容与步骤 1)铸造工艺过程设计的内容 一般包括：铸造工艺过程图、铸件图、铸型装配图、工艺过程图、工艺过程卡、操作技术规程。

16、广义的讲，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，均属于铸造工艺的内容。,2.3.1铸造工艺设计内容与步骤,2）铸造工艺过程设计的步骤,零件图,结构工艺过程分析,铸造工艺过程方案的拟定,砂芯设计,浇注系统设计,冒口、冷铁的设计,绘制铸造工艺过程图,一般产品铸造过程设计过程示意图,2.3.2铸造成形方案的拟定,1）确定浇注位置 确定浇注系统的原则：,铸件的重要面朝下或处于侧面，以避免缺陷的产生。,铸件的宽大平面朝下或倾斜浇注,铸件的薄壁部分朝下，可保持铸件易于充型,铸件的厚大部分朝上，便于补缩,2.3.2铸造成形方案的拟定,2.3

17、.2铸造成形方案的拟定,2）选择分型面,1.分型面应选在铸件的最大截面处。,2.应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。,上,下,中,2.3.2铸造成形方案的拟定,4.为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型 腔及主要型芯位于下箱。,上,下,上,下,上,下,上,下,2.3.2铸造成形方案的拟定,3）确定主要工艺过程参数,（1）机械加工余量 机加工时被切去的金属层厚度成为加工余量,（2）最小铸出孔,2.3.2铸造成形方案的拟定,（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。,2.3.2铸造成形方案的拟定,（4）铸造圆角,(5)铸

18、造收缩率,(6)型芯及芯头,圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/31/2。,通常灰铸铁为0.71.0%，铸造碳钢为1.32.0%，铝硅合金为0.81.2%，锡青铜为1.21.4%。,型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。,芯头的作用：,1）定位作用；,2）固定作用；,3）排气作用。,2.3.2铸造成形方案的拟定,2.3.3浇注系统及其设计,1）浇注系统概述 引导金属液流入铸型型腔的一系列通道的总称。,1）浇注系统的组成及作用交口杯：承接金属液并将其平稳地导入直浇道。直浇道：产生静压力、调速。横浇口：分配金属液，阻挡熔渣。内浇口：控制金属液的速度与方向。,2.3.3浇注

19、系统及其设计,封闭式浇注系统,F直F横F内,F直F横F内=1.151.11,开放式浇注系统,F直F横F内,F直F横：F内=124,2）浇注系统的常见类型,2.3.3浇注系统及其设计,2.3.4 冒口、冷铁设计,1）冒口设计,冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。,冒口,普通冒口,特种冒口,明冒口,暗冒口,保温冒口发热冒口大气压力冒口易割冒口,2）冷铁设计,2.3.5铸造工艺过程图的绘制,铸造工艺过程图把一确定的工艺设计内容用各种工艺符号描绘在零件图上的图样。1、在零件图上找出加工表面，绘红色平行线以示加工余量，并标注出加工余量数值。2、尺寸小于30 50的不铸出孔或其他结构，剖面涂红以表示

20、实体，投影视图画“”，表示不铸出。3、取分型面投影为线的视图一端适当延长，绘出分型、分模符号，标注浇注位置。4、标注出浇口、冒口位置，其结构另画图。画冷铁形状与尺寸示意图。5、画出型芯轮廓、芯头形状、标注尺寸、间隙。型芯数量多事要编号，复杂型芯标注出填砂、吊芯、出气方向。6、审查机械加工或铸造工艺要求，绘出工艺凸台、工艺肋等结构。7、以上内容完成后进行复查。,2.3.5铸造工艺过程图的绘制,铸造工艺设计过程,1）结构技术分析2）铸造工艺过程方案拟定3）砂芯的设计4）浇注系统设计冒口、冷铁的设计绘制铸造工艺过程图,2.4液态金属成形件的结构设计,2.4.1 保证铸件的质量的铸件结构设计1）铸件的

21、最小壁厚2）铸件的临界壁厚3）铸件的内壁厚度4）铸件的过渡和连接5）肋6）铸造斜度7）凸台,2.4液态金属成形件的结构设计,2.4.2适应铸造工艺过程的铸件结构设计1）简化或减少分型面2）尽量不用或少用型芯3）铸件结构应方便起模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7）有利于铸件清理,2.5常用铸造合金及其熔炼,本节内容为自学,2.6铸造成形技术过程,2.6.1砂型铸造,以型砂为主要造型造型材料制备铸型的铸造技术方法叫砂型铸造。常用的砂型有湿型，干型，表面干型和各种化学自硬砂。,特点：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

22、准备过程简单。,按照紧实型砂和起模方法分为:手工造型和机械造型,2.6.1砂型铸造,1）手工造型和制芯整体模造型 分模模造型挖砂造型活块造型三箱造型,特点：适用于单件、小批量生产,2.6.1砂型铸造,2.6.1砂型铸造,2）机械造型,机器造型主要将繁重的紧砂和精细的起模等主要操作实现机械化、机器造型基本原理1）紧砂方法：压实式、震实式、震压式、抛砂式、射压式2）起模方式：顶箱式起模、漏模式起模、翻转式起模,优点：生产率高、尺寸精度、表面质量好，劳动条件改善。缺点：投资大，不适合三箱、活块造型。,2.6.1砂型铸造,2.6.2特种铸造,1）熔模铸造,在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥

23、后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。,熔模铸造工艺过程流程图,1）熔模铸造,1）熔模铸造,熔模铸造的特点和适用范围,1铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11IT13，表面粗糙度Ra值达1.612.5m。,2合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合 金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。,3可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的 凹槽、直径大于2mm的小孔均可直接铸出。,4生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。,5工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。,2)金属型铸造,金

24、属型铸造又称硬模铸造，永久型铸造。其铸型是采用金属材料制成的。,金属型的铸造工艺1喷刷涂料 金属型的型腔和金属表面必须喷刷涂料2金属型应保持一定的工作温度 通常铸铁件为250350度,非铁金属件100250度3合的出型时间 通常小型铸铁出型时间为1060S,铸件温度约为780950C,2)金属型铸造,2)金属型铸造,1金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。,2铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精 度达IT12IT14，Ra值平均可达6.312.5m。,3 生产率高，劳动条件得到改善。,金属型铸造的特点及适用范围,4 金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生 气孔、应力、

25、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷。,应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。,3）压力铸造,液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。,在压铸件的设计和使用中，应注意的问题,1.应使铸件壁厚均匀，并以34mm壁厚为宜，最大壁厚应小于68mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。,2.压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件内气孔中的气体膨胀，导致铸件表面鼓泡或变形。,3.压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。,4.由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不适宜制造承受冲击的制件。,3）压力铸造,3）压力铸造,压力铸造的特点和适用范围,

26、1铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为 IT11IT13级，Ra为3.20.8m。,2铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造 提高2530%，但伸长率有所下降。,3可压铸出形状复杂的薄壁件。,4生产率高。国产压铸机每小时可铸50150次，最高可达500次。,3）压力铸造,5压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间 长，不适宜单件、小批生产。,6由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢 等高熔点合金的铸造。,7压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。,应用：有色薄壁小件的大批量生产。,4)低压铸造,低压铸造是在0.020.07MPa的低压下将金属液注入型腔，并在压

27、力下凝固成形，以获得铸件的方法。,低压铸造的特点及应用范围,应用：目前广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等，也可用于球墨铸铁、铜合金等浇注较大的铸件，如球铁曲轴、铜合金螺旋桨等。,1浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型。,2铸件的气孔、夹渣等缺陷较少。,3便于实现顺序凝固，使铸件组织致密、力学性能高。,4由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到9098%。,4)低压铸造,5）离心铸造,将液态合金浇入高速旋转的铸型,使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶,这种铸造方法称作离心铸造.,离心铸造必须在离心铸造机上进行.根据铸型旋转空间位置的不同,离心铸造机可分为立式和

28、卧式两大类:立式离心铸造机上的铸型是绕垂直轴旋转的;卧式离心铸造机上铸型是绕水平轴旋转的.,5）离心铸造,5）离心铸造,离心铸造的特点:(1)利用自由表面生产圆筒形或环形铸件时,可省去型芯和浇注系统,因而省工,省料,降低了铸件成本.(2)在离心力的作用下,铸件呈由外向内的定向凝固,而气体和熔渣因密度较金属小,则向铸件内腔(即自由表面)移动而排除,故铸件极少有缩孔,缩松,气孔,夹渣等缺陷.(3)便于制造双金属铸件.,6）实型铸造,实型铸造是利用泡沫塑料模制造铸型后不取出模样，浇注时模样汽化消失获得铸件的铸造方法。,1、泡沫塑料模发泡成型 加工成型2、铸造工艺3、特点没有分型面、简化工艺设计和尺寸精度好,7）陶瓷型铸造,陶瓷型铸造是以陶瓷作为铸型材料的一种铸造方法.基本工艺过程(1)砂套造型(2)灌浆与胶结(3)起模与喷烧(4)烘烧与合箱(5)浇注,7）陶瓷型铸造,陶瓷型铸造的特点及适用范围,(1)陶瓷型铸造具有熔模铸造的许多优点.(2)陶瓷型铸件的大小几乎不受限制,如铸件重量可从几千克到数吨,而熔模铸件最大仅几千克.(3)在单件,小批量生产条件下,需要的投资少，生产周期短,在一般铸造车间较容易实现.,2.6.3铸造方法的选择,（1）零件的使用性能（2）零件的铸造技术性能（3）经济的合理性,