铸造工艺基础.ppt

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1、2023/8/28,武汉理工大学金工学部,1,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,2,选材,毛坯,预先热处理,机械加工,最终热处理,检验,应根据零件的性能要求、受载情况、服役条 件、工作环境等：,选材：金属材料种类繁多，性能不一，而且材料的发展日新月异，而零件的性能要求、服役条件各不相同，再加上材料的资源、价格等多方面考虑。,1.机械零件的制造工艺过程：,机械制造过程及发展趋势简介,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,3,毛坯选择：液体成形（铸造），塑性成形（压力加工），连接成形（焊接），粉末冶金成形，型材。机械加工：传统加工：车削，包削，铣削，拉削，镗削，磨削等 现代加工：数控加

2、工，电火花加工，激光加工等特种加工方法,一个具体零件的加工往往可用多种不同的加工方法，而每种加工方法所能达到的加工精度、加工质量、加工范围、加工效率是不同的。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,4,课程介绍,1.课程性质 本课程是高等工科院校机械类和近机械 类专业必修的学科基础课程，本课程研究 机械零件毛坯的制造方法及毛坯设计时的 结构工艺性问题，同时还研究机械加工方 法的特点及各种加工方法对机械零件的工 艺性要求。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,5,2.课程任务,通过本课程的学习了解和掌握机械制造过程中各种零件毛坯制造方法的基本原理和工艺特点，并且对各种表面加工的方法选择

3、和机械零件的加工工艺规程的编制有较全面的了解，使学生具有初步的选择毛坯、制造毛坯及零件加工的工艺分析能力。,1、主要讲授工程材料常用的成形方法及机械加工方法和工艺特点、机械制造过程中常用的一些先进技术。2、各种工艺方法本身的规律性及在机械制造中的应用和相互联系；3、金属零件的加工工艺过程；4、金属材料性能及其对加工工艺的影响；5、工艺方法的综合比较等。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,6,3.课程重点,1、基本原理 2、工艺特点,4.课程特点,1、理论性强 2、实践性强 3、无公式推导,5.学习方法,1、在理解基础上记忆 2、在记忆基础上加深理解,2023/8/28,武汉理工大学金工

4、学部,7,金属工艺学,材料成形工艺基础,金属连接成形(焊接),金属塑性成形(压力加工),金属液态成形(铸造),机械加工工艺基础,机械加工工艺的基本知识,表面切削成形的基本方法,金属切削加工基础,实验,刀具角度的测量与设计,低碳钢熔化焊焊接接头组织分析,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,8,第2章：铸造,本章内容 1.1铸造工艺基础；1.2常用合金铸件的生产；1.3砂型铸造；1.4铸件结构设计。本章重点 铸造性能；铸铁生产；砂型铸造工艺设计；铸件结构设计。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,9,铸造概述,液态成形,工艺基础,铸件生产,结构设计,砂型铸造,1,2,3,4,工艺性能,

5、工艺方法,铸造的发展史,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,10,铸造发展史概述,铸造生产的技术在我国至少有四 千年的历史.前两千年以青铜铸造为主,发展 了冶铸技术,形成了商周文化.后两千年以铸铁生产为主,推动 了铸造技术的发展.,商代司母戊鼎司母戊鼎通高133厘米,横长110厘米,宽78厘米,重875公斤.根据目前发展的商代熔铜坩锅,一次约能熔铜12.7公斤.铸造司母戊这样的大鼎,就需要七十多个坩锅.如果一个坩锅配备三至四人,就需要二、三百人同时操作。,云版又叫“点”，是军营中遇有急事敲打报警用的。此块云版用生铁铸成，上下两端勾卷如云，故名。上铸双钩汉字两行：“大金天命癸亥年铸牛庄城”

6、十一字。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,11,2.1铸造工艺基础,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，通常称为金属的液态成形或铸造。金属的液态成形在机械制造业中占有重要的地位。他是制造毛坯、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（包括熔模铸造、离心铸造、压力铸造、低压铸造、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。,铸造生产过程,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,12,砂型铸造过程,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,13,砂型铸造过程

7、,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,14,液态成型的优点,适应性广，对铸件材料、大小、批量几乎不受限制,2,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,15,液态成型的缺点,铸造缺陷与合金铸造性能（液态合金充型，凝固收缩）；造型材料（型砂）；铸造工艺（工艺设计与结构设计）以及合金熔炼有关，它们相互关联并相互矛盾。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,16,合金的铸造性能,合金的铸造性能通常是指合金在铸造过程中所表现出的工艺性能。它包括液态合金的充型能力，合金的凝固与收缩，铸造应力与偏析等，他们对获得合格铸件有很大的影响。因此，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

8、进行铸件结构设计的依据。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,17,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,影响充型能力的因数,合金的流动性浇注条件铸型填充条件铸件结构,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,18,合金的流动性,测试合金流动性的方法:通常用螺旋形试样来测试合金流动性的优、劣。如右图，将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的试样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好。,几种不同合金流动性的比较,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,19,2.1.2.1 合金流

9、动性对充型能力的影响,合金流动性的影响因数合金的种类：不同种类的合金流动性不同化学成分：同类合金成分不同，合金的结晶特点不同，流动性不同。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。,相同过热度时铸铁含碳量与流动性的关系,含碳量对结晶特性的影响,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,20,硅:硅是石墨化元素,其作用与碳相似,随着硅量的增加,合金的液相线温度下降,使流动性提高.,锰:锰本身对合金的流动性影响不大,但随着MnS 夹杂物的增加,合金的流动性下降.,硫:合金中含硫量越高,越易形成氧化膜,增加铁水的粘度,致使 铁水流动性降低.,磷:合金中随着含磷量的增加,液相线温度和

10、固相线温度下降,铁水的粘度下降,因此,提高了合金的流动性.,合金的流动性是指液态金属自身的流动能力，合金流动性愈好，充型能力愈强。合金流动性优劣最根本的影响因素是其化学成分。不同种类合金化学成分不同；同类合金化学成分不同其结晶特性不同。针对不同材料的流动性优劣可预先采取其他措施以提高合金充型能力。,铁碳合金五大化学元素：碳、硅、锰、磷、硫对合金流动性的影响,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,21,2.1.2.2 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,浇注温度高，液态金属的粘度变小；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

11、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。,2.1.2.3 铸型条件对充型能力的影响,铸型蓄热系数:即从液态金属中吸取热量并储存的能力,铸型温度(不能过高),铸型的发气和透气能力：铸型发气能力过强,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。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,22,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

12、：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。,知道了影响影响充型能力的因素，进一步分析，找出可控因素，从而提出改进或提高合金充填能力的措施。因素分析控制,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,23,小结,合金的充型能力,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,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,24,2.1.3 液态金属的凝固与收缩,铸件的凝固方式：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。,铸件的凝固方式依据凝固区的宽窄划分为

13、：逐层凝固；糊状凝固；中间凝固。,合金的结晶温度范围和凝固方式的关系,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,25,影响凝固的主要因素：,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。,增大温度梯度是使凝固区变窄的有效工艺措施,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,26,合金的收缩：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

14、带来许多困难，会造成许多铸造缺陷。（如：缩孔、缩松、变形、裂纹）。,合金的收缩可划分为三个阶段：液态收缩；凝固收缩；固态收缩。,-液态收缩；-凝固收缩；-固态收缩+-体收缩；-线收缩,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,27,合金的固态收缩，体积和尺寸减小并存，通常称之为线收缩。在此收缩阶段会导致铸件产生应力、变形和裂纹等缺陷。,合金的液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的减小，通常称之为体收缩。在此阶段会出现缩孔和缩松缺陷。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,28,影响收缩的因素,浇铸温度：浇铸温度越高，合金的液态收缩量增加，合金的收缩量增大。铸型条件：铸件在铸形中是受阻收缩而不是

15、自由收缩，阻力来自铸型和型芯。铸件结构：铸件壁厚不同，各处的冷却速度不同，冷凝使铸件各部分相互制约。,化学成分：当浇注温度不变时，碳钢随着含碳量的增加，液相线的温度下降，其液态体积收缩增大；铸铁中石墨的密度小、比容大，减小了灰铸铁的部分收缩。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,29,缩孔与缩松的形成,缩孔的形成 纯金属、共晶成分和结晶温度范围窄的合金，浇注后在型腔内呈现由表及里的逐层凝固。凝固过程中,由于液态收缩和凝固收缩,使体积缩小,若其收缩得不到补充,就在铸件最后凝固处形成大而集中的孔洞称为缩孔.,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,30,缩松的形成 结晶温度范围宽的合金呈糊

16、状凝固。凝固区域内液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割为小液体区，由于液态收缩和凝固收缩,使体积缩小,若其收缩得不到补充,就在铸件最后凝固处形成细小而分散的孔洞称为缩松。,结论：纯金属、共晶成分（逐层凝固）和凝固温度范围窄的合金易产生缩孔、凝固区域较宽（糊状凝固）的合金易产生缩松,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,31,缩孔与缩松的形成,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,32,缩孔实例一,缩孔实例二,缩孔易出现的部位,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,33,判断缩孔出现的方法：a）等温线法 b）内截圆法,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,34,缩孔和

17、缩松的防止,定向凝固原则：使铸件远离冒口的地方先凝 固，靠近冒口的地方次凝固，冒口本身最后凝固。实现以厚补薄，将缩孔转移到冒口中去。,冒口 储存补缩用金属液的空腔。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,35,1.合理布置内浇道及确定浇铸工艺符合定向凝固原则。,防止缩孔的工艺方法：,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,36,防止缩孔的工艺方法：,2.合理应用冒口、冷铁等工艺措施。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,37,2.1.4 液态成形内应力、变形与裂纹,内应力：热应力和机械应力 热应力：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

18、应力。机械应力：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。变形：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。裂纹：当应力大到一定程度会导致出现裂纹。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,38,热应力的形成过程分析,t0t1 高温阶段，塑性状态，塑性变形消除t1 t2 杆弹性状态，塑性状态，杆受拉应力，受压应力，塑性变形消除t2 t3 杆弹性状态，比温度高，收缩大于，收缩受的阻碍，产生拉应力,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,39,机械应力形成过程分析,机械应力（收缩应力）：铸件冷却到弹性

19、状态后，由于受到铸型、型芯和浇、冒口等的机械阻碍而产生的应力。机械应力一般是拉应力，由于其在弹性状态时产生，因而当形成应力的原因消除也可随之消失，故适时开箱可以防止。机械应力超过铸件的强度极限时，或机械应力和残余热应力同时作用超过铸件强度极限时，会导致形成裂纹。,机械应力的防止及消除：适时开箱；提高型芯砂退让性,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,40,2.1.4.3 热应力的防止及消除方法,铸件的结构：铸件各部分能自由收缩 工艺原则：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,冷铁,同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。,2023/8/28,武汉理

20、工大学金工学部,41,2.1.4.4 铸件的变形及防止结论：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,粗短细长,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,42,铸件的变形二,铸件的变形三,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,43,铸件的变形及防止,变形的形成：带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。变形的防止：与防止应力的方法基本相同。,例：圆柱体铸件：1）将中间钻一通孔；2）将外表面车掉一层；问：在这两种情况下其长度会发生什么变化？,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,44,2.1.4.5 铸件的裂纹,裂纹的种类,热裂:铸件在凝固

21、末期高温下形成的裂纹.,冷裂:铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹.,热裂特征：沿晶粒边界产生和发展，外形曲折。裂纹表面呈氧化色。部位：应力集中或热节处。理论：液膜理论；强度理论。原因：应力大，结构不合理，工艺不合理。,铸钢件结构对热裂影响,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,45,冷裂特征：裂纹穿过晶粒，外形规则，裂纹表面光滑具有金属光泽。部位：应力集中的受拉部位。原因：结构不合理，机械阻力大。,轮毂收缩将轮辐拉断轮缘收缩受拉被拉断,裂纹的防止尽量减小铸造应力：应力是变形和裂纹的元凶；改善铸型和型芯的退让性：适当减小机械应力的措施；实现同时凝固原则：克服热应力的有效措施；合理设计铸件结

22、构：壁厚均匀，避免应力集中。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,46,2.1.4.6 铸件的气孔,气孔是气体在铸件内形成的空洞。按气体来源不同，气孔分为：侵入性气孔；析出性气孔；反应性气孔。,侵入性气孔：砂型表面聚集的气体压力超过金属液静压力侵入金属液且又未能上浮析出被凝固在铸件内的气体形成的空洞。一般位于上表面附近且尺寸较大。防止：降低型砂发气，增加透气。,析出性气孔：溶解于金属液中的气体在冷凝过程中因气体溶解度下降而析出所形成的空洞。分布面积较广，尺寸甚小。防止：控制金属液的溶气量。,反应性气孔：金属液与铸型、芯撑、冷铁和熔渣间因化学反应产生气体而生成的气孔。多位于反应源附近。如金属液和铸型反应气孔多在铸件表层，又称为皮下气孔。防止：控制和杜绝化学反应的发生。,2023/8/28,武汉理工大学金工学部,47,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,铸件结构,变形与裂纹,