第四章 材料的液态成形工艺.ppt

1、,主讲人：于美杰 副教授 Tel：88396181 Email：,工程材料与 机械制造基础,第四章 材料的液态成形工艺,本章基本要求 影响金属充型能力的因素及控制措施 合金的收缩方式、能够引起的缺陷种类、预防措施 不同铸造方法的特点及应用 各种铸造合金的特点及应采取的铸造工艺 铸件的结构工艺性,第四章 目录,第一节 金属铸造工艺简介 第二节 铸造工艺基础知识 第三节 砂型铸造 第四节 特种铸造 第五节 铸件结构工艺性 第六节 计算机在铸造生产中的应用简介 什么是液态成形？ 是指将液态（或熔融态、浆状）材料注入一定形状和尺寸的铸型(Mold)（或模具）型腔(Mold Cavity)中，凝固后获得

2、固态毛坯或零件的方法,第一节 金属铸造工艺简介,铸造 （Casting） 优点 形状复杂件 大小、批量不受限 原材料来源广、成本低 缺点 尺寸精度不高、表面质量低 易产生气孔、砂眼、缩孔、缩松等缺陷 对相同材料，铸件性能不如锻件好。 常用金属铸件材质：铸铁、有色合金、碳素钢、合金钢、金属间化合物 砂型铸造生产流程,第四章 金属的液态成形工艺,Casting techniques,第二节 铸造工艺基础知识,合金的铸造性能 良好的铸造性能： 熔化时，不氧化、不易吸气（氧化性、吸气性）； 浇注时，易充型（流动性）； 凝固时，收缩小，成分均匀（收缩性、偏析性）； 冷却时，变形和开裂倾向小（缺陷）。 一

3、、液态金属的充型能力 金属液的流动性 浇注条件，如温度、压力 铸型特性，如铸型结构、铸型材质,Basic knowledge For Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,合金充型能力好，能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。 冷隔铸件上出现未被完全融合在一起的缝隙，多出现在远离浇口的宽大表面或薄壁处、金属流汇合处，以及冷铁、芯撑等激冷部位。 浇不足未浇满，常出现在远离浇口的部位及薄壁处。,Processing Features of Casting,冷隔、浇不足 气孔 缩孔,视频,第四章 金属的液态成形工艺,1. 金属液的流动性 影响流动性的

4、因素： 合金成分：纯金属、共晶成分合金流动性好 材质：灰铸铁硅黄铜铝合金锡青铜铸钢 为什么共晶成分流动性好？ 共晶成分熔点低、保持液态时间长；恒温结晶，流动性好。 非共晶成分在两相区内结晶凝固，大量枝状晶粒阻碍液体流动。 合金的结晶温度区间越大，流动性越差,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,图43 铁碳合金流动性与含碳量关系,第二节 铸造工艺基础知识,浇注条件对充型能力的影响 温度高，液态金属粘度降

5、低，流动性提高；过热度大，液态存在时间长，充型能力提高； 温度过高，易出现粘砂、气孔和晶粒粗大的缺陷。 （视频：粘砂、夹砂） 压力高，液体注入型腔的流速加快，充型能力提高。 铸型条件对充型能力的影响 铸型结构和材质 凡能增加液体流动阻力的，使冷却速度加快的，均降低充型能力。（壁厚不小于规定的“最小壁厚”）,Processing Features of Casting,不利因素：形腔复杂、直浇道低、浇口截面积小、铸型排气不畅、铸型材料导热性过高、铸件壁太薄,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,二、合金的凝固特性 铸件在凝固过程中，其断面一般存在三个区域：固相区、凝固区、液相区。

6、 三种凝固方式 逐层凝固 中间凝固 体积凝固：又称糊状凝固 影响凝固方式的因素 成分或结晶温度区间：越窄，越趋于逐层凝固 铸件截面的温度梯度：梯度越大，越趋于逐层凝固,Processing Features of Casting,液固 两相,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,结晶温度区间,铸件截面温度梯度,第二节 铸造工艺基础知识,三种凝固方式的区别,Processing Features of Casting,取决于成分,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,三、 合

7、金的收缩特性 收缩：合金冷却过程中，体积和尺寸减小的现象。 液态收缩：浇注温度凝固开始温度 凝固收缩：凝固开始温度凝固结束温度 固态收缩：凝固结束温度室温,Processing Features of Casting,三个收缩阶段,第二节 铸造工艺基础知识,影响收缩的因素： 化学成分：灰铸铁中，C、Si、S，收缩率小 浇注温度：越高，液态收缩越大 铸件结构与铸型条件：壁厚不均匀、铸型与型芯间，产生阻力，阻力，收缩小,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,常用铸造合金的线收缩率,第二节 铸造工艺基础知识,收缩对铸件质量的影响： 缩孔和缩松：铸件

8、在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小，得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成了孔洞，容积较大而集中的孔洞成为缩孔；细小而分散的孔洞成为缩松。 铸造应力、变形、裂纹：铸件的固态收缩受限，产生铸造应力，在应力作用下产生变形甚至开裂。,Processing Features of Casting,上部、厚部,中心轴线部,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,（1）缩孔 分布区域：集中在上部或厚大部位等最后凝固区域 产生条件：逐层凝固 控制措施：顺序凝固 （2）缩松 分布区域：分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近 产生条件：较宽的区域内同时凝固 控制措施：

9、顺序凝固 顺序凝固：在厚大部位开设冒口补缩的工艺。远离冒口部位先凝固，并依次向冒口推进，冒口最后凝固。 （使铸件的凝固按薄壁厚壁冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得致密的铸件）,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,（3）热应力 形成原因：铸件壁厚不均匀、各部位冷却速度不同，导致收缩量不一致 特点：热应力不会自行消除，又称残余内应力 控制措施：同时凝固 、热处理 （4）机械应力 形成原因：收缩

10、时受到铸型或型芯的阻碍作用 特点：铸件落砂后，机械应力能够自行消除 控制措施：改善铸型或型芯的退让性 （5）相变应力 形成原因：冷却速度不同，组织结构转变的时间不同 特点：不会自行消除 控制措施：同时凝固,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,同时凝固：减小冷却过程中铸件各部位的温差，使收缩一致。方法：薄壁处设浇口、厚壁处装冷铁。 框形铸件热应力的形成过程,Processing Features of Casting,框形铸件 I 粗杆、II细杆 II冷却快先凝固收缩、I处于塑性状态，II受拉伸，I受压缩（暂时） I

11、 杆开始收缩，产生塑性变形，使内应力消失， II收缩完成 I 杆继续收缩，但受II 杆牵制，最终I中产生拉应力， II中产生压应力,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,（5）变形与裂纹 当铸造应力超过材料的强度极限时，会产生裂纹。 热裂纹：铸件在高温下形成的裂缝，外观形状曲折而不规则，断口呈氧化色。热裂是铸件在凝固末期形成的，是铸钢和铸铝常见的缺陷。 控制措施：改善型砂退让性、减少含S量 冷裂纹：铸件处于弹性状态时，其热应力和机械应力总值超过合金强度极限而形成的

12、。其外形呈连续直线状或圆滑曲线状，断口干净，具有金属光泽或称轻微氧化色。 控制措施：结构设计合理、减少铸造应力,Processing Features of Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,四、合金的吸气性及气孔 吸气性：液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气体的能力称为。 气孔:聚集在铸件中没有排出的气体叫气孔，气孔是铸件中最常见的缺陷。 1.析出性气孔 溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中，随温度下降，合金液对气体的溶解度下降，气体析出并留在铸件内形成的气孔称为析出性气孔。 2.侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液内所形成的气孔称为侵入性气孔。 3.反应性

13、气孔 反应性气孔主要是指金属液与铸型之间发生化学反应所产生的气孔。,Design of Casting Process,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,五、 常用铸造合金的特点 （1）灰铸铁 接近共晶成分、熔点低、流动性好； 由于石墨化膨胀使其收速率小，故不易产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷； 影响灰铸铁组织和性能的因素 化学成分：C实现石墨化、Si强烈促进石墨化 注：若Si含量少，即使C多，也难石墨化 冷却速度： 快白口 中麻口（Fe3C石墨） 慢灰口 碳当量：将硅对铸铁石墨化的影响折算成碳对石墨化的影响 wc(%)+0.3wSi(%) 碳当量接近共晶成分，合金流动性好。,D

14、esign of Casting Process,第四章 金属的液态成形工艺,第二节 铸造工艺基础知识,孕育铸铁 孕育处理：通过向低碳含量的铁液中冲入孕育剂，促使铸铁形成分散细小石墨并且基体晶粒得到细化的方法。 孕育剂：常用含Si 75%的硅铁 目的： 加入外来质点，增加石墨结晶核心； 得到珠光体基体的灰铁； 细化石墨片； 提高灰口铁的强度、硬度； 孕育铸铁流动性比普通铸铁差，收缩率高。,Design of Casting Process,第四章 金属的液态成形工艺,可锻铸铁 白口铸铁经长时间石墨化退火获得团絮状石墨 流动性差，原因：C、Si含量较铸铁低，熔点高、凝固温度范围大。 没有石墨化膨

15、胀阶段，故收缩大，形成缩孔和裂纹的倾向较大 铸造工艺： 提高浇注温度 顺序凝固原则 提高型砂的退让性,第二节 铸造工艺基础知识,Design of Casting Process,第四章 金属的液态成形工艺,球墨铸铁 铁液经球化剂球化处理（球化剂：稀土镁合金，加入量为铁液质量的1.32%） 流动性与灰铸铁基本相同 易产生浇不足、冷隔，原因：球化处理时使铁液温度降低 截面温度梯度小 石墨化膨胀会使铸件外形尺寸增大 铸造性能介于灰铸铁与铸钢之间 凝固方式：体积凝固 铸造工艺： 提高铸型刚度 提高铁水温度、增设冒口以防止缩孔和缩松,第二节 铸造工艺基础知识,Design of Casting Pro

16、cess,第四章 金属的液态成形工艺,铸钢 特点： 熔点高粘砂 流动性差浇不足、冷隔 收缩性大缩孔、缩松、裂纹 铸造工艺： 提高浇注温度 型砂要具有较高的耐火度、透气性和强度（硅砂） 顺序凝固原则（多冒口） 改善铸件结构 增加铸型退让性 增设防裂筋 降低S、P量，防止热脆和冷脆产生裂纹,第二节 铸造工艺基础知识,Design of Casting Process,第四章 金属的液态成形工艺,有色金属及合金 特点： 流动性好 收缩性大 容易吸气 易氧化 铸造工艺 在坩埚炉内熔炼，不与燃料直接接触，避免引入杂质或烧损合金元素。 预热 缩短时间,Design of Casting Process,第

17、二节 铸造工艺基础知识,第四章 金属的液态成形工艺,第 三节 砂型铸造,砂型铸造：是铸件生产的主要方法，占铸件总量的90%以上，可生产各种铸钢、灰铁、球铁、可锻铸铁、有色金属等。 2.1 砂型铸造生产流程,Sand Casting,零件工艺图,制造模型 (零件模样芯盒),造型,造芯,用型砂 和芯砂,合箱、浇注,落砂、铸件,铸型,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,型（芯）砂：通常由硅砂、粘土（或其他粘结材料）和水按一定比例混合而成。 特性（一强三性）：一定的强度、透气性、耐火性、退让性,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,砂型造型图解,Sand C

18、asting,砂箱,砂型,分型面,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,浇注系统 浇注系统作用： 引导液体金属平稳地充满型腔，避免冲坏型壁和型芯 挡住熔渣进入型腔 调节铸件的凝固顺序 冒口的作用: 补缩 出气 浮渣,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,砂型铸造的造型方法 （注意与铸造方法的区别）,Sand Casting,手工造型,机械造型,整模造型 分模造型 挖砂造型 假箱造型 刮板造型 活块造型 脱箱造型 两箱造型 三箱造型 地坑造型,震压式造型 无箱射压造型 抛砂造型 射砂

19、制芯,按模样特征分,按砂箱特征分,填砂、紧实、起模都是机械化,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,手工造型 整模造型1、2 特点：模样为整体，分型面为平面，铸型型腔全部在一个砂箱内，造型简单，铸件不会产生错箱缺陷。 应用范围： 铸件最大截面在一端，且为平面；例：盘、轴承、盖类。 分模造型 特点：模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、下两个砂箱内。造型方便，但制作模样较麻烦。 应用范围：最大截面在中部，一般为对称性铸件。例：套筒、管子和阀体等。 挖砂造型 特点：当铸件的外部轮廓为曲面，其最大截面不在端部，且模样又不宜分成两半时，应将模样做成整体（整模），造型时需挖去阻碍起模的型砂，分型面

20、是曲面。造型麻烦，生产率低。 应用范围：单件小批生产模样薄、分模后易损坏或变形的铸件。例：手轮、法兰盘等。,Sand Casting,两个砂型的分界面,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,假箱造型（成型底板造型） 特点：为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个成型底板（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。 应用范围：适用于成批生产中需要挖砂的铸件。 三箱造型 铸型由上、中、下三部分组成，中型的高度须与铸件两个分型面的间距相适应。 特点：铸件两端截面尺寸比中间部分大，采用两箱无法起模，将铸型放在三个砂箱中，组合而成。三箱造型的关

21、键是选配合适的中箱。造型复杂，易错箱，生产率低，应尽量避免使用 应用范围：单件小批生产具有两个分型面的铸件。,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,活块造型 特点：将模样上妨碍起模的部分，做成可活动的活快，便于起模。造型和制作模样都很麻烦，生产率低。 应用范围：单件小批生产带有突起部分的铸件。例：带凸台、筋条 刮板造型 特点：用刮板代替实体模样造型，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。 应用范围：用于有等截面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产。例：尺寸大于500mm的旋转体铸件，如带轮、飞轮、大齿轮。 地坑造型 特点：在

22、车间地坑内造型，用地坑代替下砂箱，只要一个上砂箱，可减少砂箱的投资，大型铸件单件生产时,降低铸型高度，便于浇注操作。 脱箱造型 特点：利用活动砂箱造型，一箱多用，适用于成批生产小型铸件。,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,机械造型 加砂、紧砂与起模都由机器完成 优点：生产率高，铸件尺寸精确，光洁度高，加工余量少，劳动强度小，大批量生产. 缺点：厂房、设备等要求高，投资大，批量生产才经济，只适于两箱（中箱无法紧实），不宜用活块。,Sand Casting,机械造型：震实-压实-脱模,砂型铸造连续生产线,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,砂型铸造工

23、艺制定原则 （1）造型方法的选择 应根据铸件的生产批量、尺寸的大小、形状的复杂程度，车间的生产设备、工人的技术水平选择造型方法。 （2）分型面的选择 （在造型时上下两箱接触的面 ） 分型面一般应选择最大截面处 尽量减少分型面，并使分型面平直，避免不必要的活块和型芯，以便于起模，使造型工艺简化； 应尽量使铸件位于同一铸型内，以保证铸件精度； 尽量使型腔和主要型芯位于下型，以便于造芯、下芯、合箱和检验铸件壁厚。,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,（3）浇注位置的选择 （浇注时，铸件在型内所处的位置） 主要加工面、受力面等质量要求较高部位应置于下面或侧面， 如汽

24、缸浇注时的位置。（如图1） 具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，以利于充型和气体排除。（如图2） 壁厚不均需要补缩时，宜将厚大部位置于上部或侧面。 应将铸件的大平面置于铸型下部，并使铸型侧斜浇注。（如图3） （4）工艺参数的选择 机械加工余量：是指在切削加工时需要从铸件上切削掉的材料厚度。与造型方法、合金种类、铸件尺寸有关。,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,Sand Casting,图1,图2,图3,重要面,薄壁,大平面,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,机械加工余量 机械造型余量小，手工造型余量大； 灰铸铁余量小；铸钢余量大；

25、（浇注温度高） 有色金属多采用特种铸造，余量小； 铸件愈大，余量愈大。 铸件顶部余量应大。 铸造收缩率 铸件冷却后尺寸比型腔略小，因此模型尺寸应放大。放大量等于收缩量。 不同合金的收缩率：灰铁0.7-1%，铸钢1.3-2%，有色金属1左右。,Sand Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第三节 砂型铸造,起模斜度 为了便于起模，凡垂直于分型面的立壁，在制造模型时需留出一定的斜度。15 3 结构斜度 为了便于起模或结构本身需要，将铸件上凡垂直于分型面的不需要机械加工的铸件表面设计有一定的斜度。 型芯头与型芯座 目的和作用：便于型芯的放置和固定 芯头与芯座之间14mm间隙，便于安装。,Sa

26、nd Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,特种铸造： 除了砂型铸造外，其他铸造方法的统称。 特点: 表面精度高，加工余量小；生产率高；劳动条件好。 分类 熔模铸造 金属型铸造 压力铸造 低压铸造 离心铸造,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,1 熔模铸造 又称失蜡铸造，是用易熔材料制成模型，然后在模型上涂挂耐火材料，经硬化后，加热将蜡模熔出,获得无分型面的铸型，经高温对型壳焙烧后即可浇注 。 工艺过程：,Special Casting,压型,注蜡,蜡模,结壳、脱蜡、焙烧,填砂、浇注,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造

27、,结壳：在蜡模表面涂上粘结剂后均匀挂上石英砂，然后通入硬化剂硬化，反复68次，获得610mm的坚硬型壳。 脱蜡：将结壳后的蜡模（组），浸入8595的热水中，使蜡模熔出，形成型腔。 焙烧：800950 ，目的是彻底去除壳型中的残蜡和水分。 浇注：焙烧后趁热浇注，若壳型强度不足，可放在砂箱中用砂子填紧后再浇注，以防变形或破裂。,Special Casting,压型,注蜡,蜡模,结壳、脱蜡、焙烧,填砂、浇注,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,熔模铸造特点 1）可浇注形状复杂的、薄壁铸件 2）能铸造高熔点合金 (因型壳是高级耐火材料) 3）工序复杂，大批量生产 4）铸造精度高，机加工量减少

28、 5）尺寸重量不能过大，小于25kg 熔模铸造应用 最适合形状复杂、难以切削、高熔点合金的小零件，尤其适合大批量生产。 汽轮机叶片、大模数滚刀 古代形状复杂的器皿。,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,2 金属型铸造 铸型由铸铁或钢制造，可反复使用。 工艺措施 浇注前要预热金属型，以免散热过快产生浇不足； 浇注前金属型内腔喷涂耐火涂料，以减缓热冲击并增加透气性； 分型面上设出气孔； 要及时取出铸件； 铸造过程,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,金属型铸造的特点 1）铸型能反复使用，可一型多铸； 2）冷却速度快

29、，组织致密，机械性能高 ； 3）尺寸精度和表面质量高 4）劳动条件好，生产率高 5）铸型制造成本高，周期长； 6）透气性差，无退让性，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷； 7）铸造合金的熔点不能太高； 金属型铸造的应用 主要用于有色合金铸件的大批量生产。 如：活塞、气缸盖、油泵壳体、铜瓦等。,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,3 压力铸造 在高压下将液态金属快速充满型腔，并在压力下凝固 铸型：金属型 设备：压铸机 （压力铸造生产过程1、2） 压力：50150MPa 特点 1）铸件尺寸精度高、强度和表面硬度高 2）充型能力强，可压铸形状复杂的薄壁铸件

30、3）设备投资大，铸型制造成本高 4）充型过快，易产生气孔 4）适宜低熔点合金 应用 大批量生产低熔点合金（如锌、铝、镁及铜）的中小型铸件。,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,4 低压铸造 把铸型放在密封的坩埚上方，坩埚内通压缩空气，在金属液体表面形成60150kPa的低压，使液态合金在压力下自下而上地充填型腔（多用金属型）。,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,低压铸造 低压铸造过程模拟、低压铸造生产过程 特点 1）充型压力和速度便于控制。 2）铸件的组织致密，机械性能较高。 3）一定压力下结晶，有补缩作用，

31、不用冒口补缩。 4）铸件尺寸、形状范围广。 应用 广泛用于大批量生产铝、镁合金精密铸件,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,5 离心铸造 将液态合金浇入高速旋转的铸型中，利用离心力使液态金属填充铸型的铸造方法。 设备：离心铸造机 （卧式和立式） 特点 1）对空心铸件，不需要型芯； 2）不需要专门的浇注系统和冒口； 3）组织致密，力学性能高； 4）气孔等缺陷集中在内表面，可机加工去除，故内孔尺寸不易控制。 应用 主要用于空心回转体，如铸铁管、活塞环等。,Special Casting,第四章 金属的液态成形工艺,第四节 特种铸造,6 消失模铸造 消失模铸造过程 将发泡塑料制成的模型粘结成模型组，刷涂耐火涂层、烘干，埋在干石英砂中，振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成铸件。 特点 1）“实型”铸型，而非“空型”