特种铸造简介

1、特种成型技术课程报告 院 系： 材料科学与工程学院 专 业： 金属材料成型加工 学 号： 20110800818 姓 名： 申澎洋 指导老师： 张春香 时 间 ： 2014年5月1日 特种铸造技术简介铸造(Foundry）：是一种液态金属成形的方法，即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场（压力、离心力、电磁力等）的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。特种铸造泛指除传统砂型铸造以外的铸造方法，金属型铸造、压力铸造、离心铸造、挤压铸造、熔模铸造、消失模铸造、真空密封造型、负压造型、陶瓷型铸造、低压铸造、连续铸造、挤压铸造、和磁

2、型铸造等。1、 金属型铸造1. 定义：金属液在重力作用下浇入金属铸型中，并在重力作用下结晶凝固而形成铸件的一种方法。由于金属型可反复使用几百次到几千次，故又称永久型铸造。2. 金属型的材料：制造金属型的材料应根据浇注的合金选用，一般金属型材质的熔点应高于浇入液态合金的温度。浇注锡、锌、镁等低熔点合金，可用灰铸铁做金属型；浇注铝、铜等合金，要用合金铸铁或钢做金属型。3. 金属型的结构：金属型的结构首先必须保证铸件(连同浇、冒口系统)能从金属型中顺利取出。按分型面的不同金属型可分为整体式、水平分型式、垂直分型式和综合分型式等。4. 金属型的浇注系统：多采用底注式或倒注式，以防止浇注时金属液飞溅，遇

3、金属型壁急冷凝成“冷豆”存在于铸件中，影响铸件质量。5. 金属型的型芯：分金属型芯和砂芯两种。金属型芯一般适用于有色金属铸件，使用时需考虑金属型芯易于顺利拔出。对浇注高熔点合金，采用砂芯，但每个砂芯只能使用一次。6. 金属型铸造优点1) 金属型铸件的机械性能比砂型铸件高。与砂型相比，金属型的导热性能好，铸件凝固时冷却速率高，即使结晶温度范围较宽的合金，也能得到密实的铸件。同时，铸件晶粒细化，尤其是铸件表层结晶组织更细密，形成“铸造硬壳”，铸件的抗蚀性能和硬度也显著提高。2) 铸件尺寸精度和表面粗糙度(CT6CT9，Ra3.212.5m)均优于砂型铸件，其加工余量可减少。3) 铸件的工艺收得率高

4、，液体金属耗量减少，一般节约1530%。4) 工序简单，于实现机械化和自动化生产，生产率高，并且劳动条件好。7. 金属型铸造的缺点1) 金属型的制造成本高，周期长，不适合单件、小批生产。2) 金属型不透气，铸件在其中冷速大，易造成铸件气孔，浇不足等。3) 金属型无退让性，易造成铸件开裂。4) 金属型铸造时，工艺参数对铸件质量影响较大，故要求严格。2、 压力铸造1. 定义：压铸是在高压作用下，将液态或半液态金属快速压入金属压铸型(也可称为压铸模或压型)中，并在高压作用下凝固而获得铸件的方法。2. 压铸机分类及工作原理1) 热室压铸机：压室与保温坩埚炉连成一体，压室浸在熔化的液态金属中，其压射机构

5、安置在保温坩埚上面。当压射冲头上升时，金属液通过进口进入压室中，随后压射冲头下压，金属液沿通道经喷嘴充填压铸型型腔。冷凝后冲头回升，多余金属液回流至压室中，然后打开压型取出铸件。2) 冷室压铸机：冷室压铸机的压室与保温炉是分开的，压铸时，要从保温炉中将金属液倒人压室后进行压铸。分为卧式冷室压铸机（压室的中心线是水平的）和立式冷室压铸机（压室的中心线是垂直的），两者相比，立式有切断、顶出余料的下油缸，因结构比较复杂，故增加了维修的困难。卧室压铸机压室简单，维修方便。目前采用较多的是冷室压铸机。3. 压铸过程原理压铸过程分为四个阶段：1) 慢速封孔阶段：压射充头慢速向前移动，金属液在低压力Pd作用

6、下被推向内浇口（Pd小，压射速度小，防止金属液越过压室浇注孔时溅出，并利于气体排除）2) 充填阶段：压射活塞开始加速，并因内浇口处阻力而出现小的峰压，金属液在压力Pc作用下，以极高的速度在短时间内充满型腔。3) 增压阶段：充型结束，金属液停止流动，由动能转变为冲击压力能。压力上升，并因增压器开始工作，使压力升至最高值。4) 保压阶段（压实阶段）：金属在最终静压力Pj作用下进行凝固，以得到组织致密的铸件。金属液在压铸型型腔中有层流充填、紊流充填、弥散式充填等三种填充方式。4. 压铸的优点1) 铸件的精度高，表面光洁(CT4CT8，Ral.66.3m)，并可直接铸出极薄件或带有小孔、螺纹的铸件。2

7、) 铸件冷却快，又是在压力下结晶，故晶粒细小，表层紧实，铸件的强度、表面硬度高。 3) 生产率高，每小时可压铸50150次，最高可达500次且便于实现自动化、半自动化 4) 便于采用嵌铸(又称镶铸法)，利于制出一般压铸法难以制出的形状复杂件。5. 压铸的缺点1) 压铸型结构复杂，制造成本高，压铸机生产效率高，一般压铸只用于定型产品的大量生产。2) 压铸高熔点铸件时，易降低压型寿命。目前压铸尚不适于钢、铸铁等高熔点合金的铸造。3) 由于压铸的金属液注入和冷凝速度过快，型腔气体难以完全排出，厚壁处难以进行补缩，故压铸件内部存有气孔、缩孔和缩松。4) 压铸件应尽量避免机械加工，以防止内部孔洞外露。6

8、. 压铸的新发展由于充型时，型腔的气体没有完全排出以及铸件在凝固收缩时得不到补缩，压铸件难以避免的产生内部气孔和疏松，这对压铸件的性能和扩大应用范围都有不利影响。为解决此问题，发展了一些压铸新工艺。如真空压铸法，充氧压铸法，半固态流变压铸技术以及双压射冲头压铸等。3、 离心铸造1. 定义：离心铸造是将金属液浇入高速旋转的铸型中，使之在离心力作用下完成充填及凝固成形的一种铸造方法。2. 离心铸造的基本类型1) 立式离心铸造：铸型的旋转轴线处于垂直状态，当铸型在立式离心铸造机上绕垂直轴回转时，在离心力作用下，金属液自由表面(内表面)呈抛物面，使铸件沿高度方向的壁厚上薄、下厚。铸件高度愈大、直径愈小

9、、转速愈低时，其上、下壁厚差愈大。主要用于生产高度小于直径的盘、环类铸件。2) 卧式离心铸造：铸型的旋转轴线处于水平状态，或与水平线夹角很小(4)。当铸型在卧式离心铸造机上绕水平轴回转时，由于铸件各部分的冷却、成形条件基本相同，所得铸件的壁厚在轴向和径向都是均匀的。卧式离心铸造适用于铸造长度较大的套筒及管类铸件，如铜衬套、铸铁缸套、水管等。3) 成形件离心铸造：本质上是一种立式离心铸造。将铸型安装在立式离心铸造机上，金属液在离心力作用下充满型腔。由于离心力提高了合金的流动性，利于薄壁铸件的成形。3. 离心铸造的优点1) 可不用型芯就能铸出中空的铸件，大大简化了套筒、管件类铸件的生产过程。2)

10、由于离心力的作用，可显著提高金属液的充型能力，因此，对流动性差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。3) 可生产双金属中空圆柱形铸件，如钢背铜套、双金属轧辊等；4) 在离心力作用下，改善了补缩条件，特别是结晶温度范围宽的合金。气体和非金属夹杂也易于自金属液中排除，因此，铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，力学性能高。但过共晶铝硅合金易使铸件内部出现缩孔缺陷。5) 可减少甚至不用浇冒口系统，节省金属液。4. 离心铸造的缺点1) 铸件易产生密度偏析，因此不适合于易产生密度偏析的合金铸件(如铅青铜)，尤其不适合于铸造杂质密度大于金属液的合金。2) 铸件内孔直径不准确，内孔表面比较粗糙，质量较差，加工余

11、量大；3) 用于生产异形铸件时有一定的局限性。4、 挤压铸造1. 定义：指在两个半型分开的情况下，浇注金属液，而后两个半型合拢，将金属液挤压充满整个型腔，使之凝固成形的铸造方法。2. 挤压铸造的分类及原理1) 铸型垂直合型挤压铸造法：铸型垂直合型挤压铸造法也称为液态金属模锻、液态金属冲压、液态金属锻造、冲头压力结晶等。铸件成型过程：把凹型置于液压机的工作台上，凸型作为金属冲压时的冲头，固定在液压机的活动横粱上，在凹型内倒人定量的金属液，凸型垂直下移，凹型内金属液在凸型挤压下充填型腔，在压力下凝固成形。铸型为金属型，金属液在合型后处于封闭状态，铸件凝固时所受压力较大。铸型垂直合型挤压铸造法优缺点

12、：1 铸件内部气孔、缩松等缺陷少，组织致密，晶粒细小，组织均匀。 2 铸件尺寸精度高，可达CT5，表面粗糙度较低(达Ra6.3m)。3 铸件在压力下凝固，利于防止铸件裂纹。4 无浇冒口，工艺收得率可超过90。5 生产率高，劳动条件好。6 适于生产力学性能要求高、气密性要求好的各种铸件。7 需用价格高的液压机，不宜铸造形状很复杂的铸件。2) 铸型旋转合型挤压铸造法 铸件成形过程：先向呈张开合页状的铸型底部浇人一定量的金属液；而后动型向定型旋转合拢，把铸型底部的金属液挤压向上流动；当动型旋转至固定位置时，停止不动，多余的金属液经定型上的流槽流人型外，金属在型内凝固成形。铸型旋转合型挤压铸造法特点：

13、 充型过程平稳，不易卷进型腔中的气体，型腔中气体也易向铸型开口处排除。 金属液充填型腔时是随着型腔断面由大变小在压力作用下充型的，它所遇阻力比直接在窄的型腔中充填时要小得很多，并且在流动过程中的散热也较慢，故特适于铸造大型薄壁件。 在型腔合拢过程中，在金属流的断面上在液流的中央金属液的流速最快，而在靠近型壁处，金属液的流速最低，这样就创造了金属液流中的夹杂颗粒和气泡向液流中央集聚，并随液流上升至铸型最高边缘，随多余金属液一起流出铸型的条件，减少铸件中可能出现的夹渣、气孔缺陷。 沿铸型壁结晶的金属凝固壳与夹在它们中间的金属液间有相对运动，故流动的金属液可在结晶前缘上具有较大的对已凝固金属层的补缩

14、能力，并且挤压成形时金属液中不断增大的压力也进一步助长了这种补缩压力，使铸件组织致密化。不仅如此，在金属液流动情况下的铸件结晶还可促使形成细小的等轴晶粒。5、 熔模铸造1. 定义与原理：熔模铸造又称失蜡铸造。它是用易熔材料(蜡料)制成精确的可熔性模样(熔模)，在模样表面涂覆多层耐火材料，待干燥、硬化后，加热将模样熔去，获得与模样形状相应的整体型壳，再经高温焙烧之后进行浇注而获得铸件的一种方法。2. 熔模铸造的工艺流程：1) 制造压型，压型是用于压制蜡模的专用模具。压型应尺寸精确、表面光洁，且压型的型腔尺寸必须包括蜡料和铸造合金的双重收缩量，以压出尺寸精确、表面光洁的蜡模。主要有机械加工压型、易

15、容合金压型。2) 制作熔模，按照模料的规定成分和配比，将各种原料熔融成液态，混合并搅拌均匀，滤去杂质浇成锭块或调制成糊状模料待用。普遍采用压制成型的方法，压制成型。制作熔模的材料按成分分为：蜡基模料（以矿物蜡和动植物蜡为主要组分）、松香基模料和其它模料（如塑料模料、尿素模料和充填模料等）。按模料熔点的高低分为：低温、中温和高温模料。3) 熔模组装：将制作的熔模组件组装成整件。4) 制壳：在蜡模组上涂挂耐火材料以制成较坚固的耐火型壳。制壳的主要工序包括：模组的除油和脱脂、上涂料和撒砂、干燥和硬化、脱模和焙烧等。3. 熔模铸造的优点：1) 铸件尺寸精度较高，表面粗糙度较低，可减少或无需机加工。2)

16、 熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制，可以铸造出形状复杂件、薄壁件以及质量很小的铸件。3) 铸件不受合金种类限制，尤其对难以切削加工或锻压加工的合金，更能显示其优越性。生产批量也没有限制，可以从单件到成批大量生产。 4. 熔模铸造的缺点：1) 工序复杂，生产周期长。2) 原材料价贵，铸件成本高。3) 铸件不能太大、太长，否则蜡模易变形，丧失原有精度。6、 消失模铸造1. 定义：消失模铸造又称“气化模造型”、“泡沫聚苯乙烯塑料模造型”、“无型腔铸造”或“实型铸造”。 其实质是采用泡沫聚苯乙烯塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样就浇人金属液，在灼热液体金属的热作用下，泡沫塑料模气化、燃烧而消

17、失，金属液取代了原来泡沫塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件。2. 消失模铸造的主要工艺过程：消失模模样的制造模样与浇冒口的粘合模样涂挂涂料和干燥填干砂并振动紧实浇注落砂清理。3. 消失模铸造分类1) 用聚苯乙烯发泡板材，分块制作然后粘合成模样，采用水玻璃砂或树脂砂造型。这类方法主要适用于单件小批量的中大型铸件的生产，如汽车覆盖件模具、机床床身等，一些工厂曾成功地用消失模铸造工艺浇注了50t的铸钢件和32.5t的铸铁件。2) 将聚苯乙烯颗粒在金属模具内加热膨胀发泡，形成消失模模样，并采用干砂造型(该法称为expendable pattern casting，简称EPC法)，它

18、主要适用于大批量中小型铸件的生产，如汽车、拖拉机、铸件管接头、耐磨件等。4. 消失模铸造特点：1) 由于采用了遇金属液即汽化的泡沫塑料制作模样，无需起模，无分型面，无型芯，因而铸件无飞边毛刺，减少了由型芯组合而引起的铸件尺寸误差。铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模铸造，但铸件的尺寸可大于熔模铸件。2) 为铸件结构设计提供了充分的自由度。3) 消失模铸造的工序比砂型铸造及熔模铸造大大简化。4) 提高冒口的金属利用率。5) 减少材料消耗，降低铸件成本。5. 消失模铸造存在的问题：1) 泡沫塑料模只能浇注一次，每生产一个铸件就消耗一个模样，增加了铸件的成本；2) 泡沫塑料的密度小、强度低，若采用普通

19、型砂造型，模样容易产生变形，影响铸件尺寸精度；3) 泡沫聚苯乙烯塑料摸样在浇注过程的气化、燃烧，产生一定量的烟雾和碳氢化合物，影响工人浇注操作和车间的环境卫生；4) 对于具有凹深空腔、形状复杂的铸铁件，采用实型铸造，铸铁件容易产生皱皮缺陷；5) 铸钢件采用实型铸造时，铸件经常产生渗碳现象等。7、 真空密封造型1 定义：真空密封造型简称真空造型，又称真空薄膜造型法、减压造型法和“v”法造型（vacuum）。它是一种物理造型方法，它的基本原理是在特制的砂箱内，填入无水无粘结剂的干石英砂，用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差使型砂紧实和成型。2 真空密封造型的主要工艺过程1) 根据铸

20、件的结构特点，制造带有抽气箱和抽气孔的模板以及特殊结构砂箱。2) 将经烘烤呈塑性状态的塑料薄膜覆盖在模板上，开动真空泵构成真空，使塑料薄膜紧贴附在模板上并让其成型 3) 将带有过滤抽气管的特制砂箱放在已覆盖塑料薄膜的模板上。4) 往砂箱里填人没有粘结剂及附加物的干石英砂，并微震紧实、刮平。 5) 在砂型上面安放密封塑料薄膜，打开抽气阀门抽去型砂中的空气，使铸型内外存在2.943.92kPa(300400mm汞柱)的压力差。在压力差的作用下，铸型具有较高的硬度，型砂硬度计的读数可达95左右。6) 去除模板内的真空，使它与大气相通，这样原来覆盖在模板上的塑料薄膜就均匀地贴附在砂型表面上，然后起模，但铸型内要继续抽真空，直到铸件全部凝固为止。7) 依照上述方法制造另一半型。8) 下芯、合箱、浇注。在浇注过程中塑料薄膜逐渐消失，但铸型仍能保持原状而不溃散。 9) 待金属全部凝固后，停止对铸型抽真空，使铸型内的压力逐渐与铸型外的压力相近，铸型就自行溃散，可方便地取出铸件。3 较其它造型方法，真空密封造型有以下优点：铸件的尺