第二章铸造成形.ppt

1、第二章 铸造成形,中南大学 Central South University,引 子,铸造技术在我国源远流长，并达到了很高的水平，形成了闻名于世的以泥范铸造(制模翻外范制内范合范浇铸)、铁范铸造和失蜡铸造为代表的中国古代三大铸造技术。据考证,早在3000年前的商周时期,我国已发明了古代失蜡铸造法；战国中期，出现了金属型铸造；隋唐以后，我国已掌握了大型铸件的生产技术。如沧州五代时期的铁狮，当阳北宋的铁塔，北京大钟寺明代的大钟。 天工开物是世界上有关金属加工工艺最早的科学著作之一,司母戊鼎 司母戊鼎是中国商代后期王室祭祀用的青铜方鼎，1939年3在河南省安阳市出土，因其腹部著有“司母戊”三字而得名

2、，现藏中国国家博物馆。 司母戊鼎器型高大厚重，又称司母戊大方鼎，高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重832.84千克，鼎腹长方形，上竖两只直耳下有四根圆柱形鼎足，是中国目前已发现的最重的青铜器。充分显示出商代青铜铸造业的生产规模和技术水平。,四羊方尊 造型精致，风格独特 制作技艺高超，装饰手法巧妙。经有关考证，它是用传统的分铸法制作而成的。首先铸出羊角及龙头等饰件，再经合范浇铸，使其成为整体，这里充分展示了古人的聪明智慧，杰出的铸造技巧恰到好处，匠心独具 。四羊方尊是商代盛酒器，1938年出土于湖南宁乡。重34.5公斤，是现存商器大的方尊。,永乐大钟 重达46.5t，钟高6.75m，

3、钟唇厚22cm，外径3.3m，钟体内遍铸经文22.7万字，击钟时尾音长达2分钟以上，传距20km。外形和内腔如此复杂、重量如此巨大、质量要求如此高的青铜大钟，正说明我国早已掌握冶炼和铸造技术。 青铜，铸于1420年，为明成祖朱棣亲自设计。,永乐大钟局部，上面载明大钟铸造的时间,永乐大钟,铸造的特点,可以生产出形状复杂的零件，特别是具有复杂内腔的零件。 适应性广。 成本低。 铸件的尺寸和形状与零件非常接近。可以减少切削加工量。 缺点：工序多，质量不易控制，内部组织缺陷多，力学性能低。,第二章 铸造成形,2.1 铸造工艺基础 2.2 砂型铸造 2.3 特种铸造 2.4 常用合金铸件的生产 2.5

4、铸件结构设计,2.1 铸造工艺基础,（一）液态合金的充型 （二）铸件的凝固收缩 （三）铸造内应力，变形和裂纹 （四）铸件中的气孔 （五）铸件中的偏析 （六）铸件的质量控制（常见铸造缺陷）,2.1.1 液态合金的充型,液态合金填充铸型的过程，简称充型。 充型能力 液态合金充满铸型型腔，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力，称为液态合金的充型能力。 影响充型能力的因素 1、合金的流动性 2、浇注条件 3、铸型填充能力 充型能力不强，则易产生浇不足（short run） 、冷隔（short run）等。,概念,1、合金的流动性(fluidity),合金的流动性是指熔融合金的流动能力。 流动性好，充型能力

5、强，便于浇注出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。 合金的流动性与合金的化学成份有关。,1、合金的流动性,流动动性的测定 流动性实验 如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好.,合金种类：灰口铸铁，硅黄铜，流动性最好，l 1000 mm 。铸钢的流动性最差， l 200 mm； 成分：共晶合金的流动性最好； 结晶特征：结晶间隔越小，则流动性越好； 粘度：粘度越大，流动性越差； 结晶潜热：结晶潜热越小，流动性越差。,影响流动性因素：,Fe-C合金的流动性,几种不同合金流动性的比较,*铸铁的流动性,*铸钢的流动性,实验证明铸铁的流动性好，铸

6、钢的流动性差。,比较下面几种合金流动性能,2、浇注条件（pouring）,浇注温度 浇注温度越高，充型能力越好。但温度过高。会出现粘砂（sand adherence）、缩孔（shrinkage cavity）、气孔（blow hole）、粗晶（grain coarsening）等铸造缺陷。 充型压力 压力越大，充型能力越好。 浇注系统 浇注系统的结构越复杂，则流动 阻力越大，充型能力越差。,3、铸型填充条件,铸型的蓄热能力 散热越快的铸型，充型能力越差。 铸型温度 金属型铸造和熔模铸造时，铸型温度越高，充型能力越好。 铸型中气体 铸型中的气体压力增大，液态合金的流动困难，充型能力差。,2.1.

7、2 铸件的凝固（solidification）与收缩（contraction）,1、铸件的凝固方式 逐层凝固 糊状凝固 中间凝固 2、铸造合金的收缩 3、缩孔与缩松,1、铸件的凝固方式之一,逐层凝固 纯金属和共晶成份的合金，结晶温度是一固定值。凝固过程由表面向中心逐步进行,温度,表层,中心,固,液,1、铸件的凝固方式之二,糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金，从铸件的表面至心部都是固液两相混存。,1、铸件的凝固方式之三,中间凝固 大多数合金属于这种方式。,凝固方式与铸件质量的关系： 逐层凝固有利于充型，可防止缩孔和缩松。,影响铸件凝固方式的因素,合金的结晶温度 结晶温度范围越小，糊状凝固区越小。

8、铸件的温度梯度 温度梯度越大，糊状凝固区越小。 合金的性质 铸型的蓄热能力 浇注温度,三、合金的收缩性,1. 收缩及其影响因素,合金的收缩：铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺寸减少的现象称为收缩。包括： 液态收缩（体收缩率）浇注温度液相线 凝固收缩（体收缩率）液相线固相线 固态收缩（线收缩率）固相线室温,缩孔，缩松,应力，变形，裂纹,2、铸造合金的收缩,影响铸件收缩的主要因素：,化学成分：铸钢和白口铸铁收缩率大，灰铸铁、球铁小； 浇注温度：T 收缩率大； 铸件结构：壁厚不均匀收缩受阻收缩率小； 铸型条件：铸型、型芯阻碍收缩收缩率小,收缩导致的铸件缺陷,（1）缩孔与缩松（体积缩减得不到补充） 缩

9、孔：出现在铸件上部或最后凝固部位,倒锥形,容积较大. 缩松：铸件最后凝固区未得到补缩形成分散细小的孔洞. 逐层凝固合金易形成缩孔，糊状凝固合金易产生缩松。 缩松严重影响铸件的气密性。,3、铸件中的缩孔与缩松,缩孔和缩松的形成 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的得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 缩孔 它是集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞 缩松 分散在铸件某区域内的细小孔洞，称为缩松,4、顺序凝固原则（定向凝固）,所谓顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒

10、口本身的凝固。 实现顺序凝固的措施。合理设计冒口和安放冷铁。,铸件上可能产生缩孔或缩松的部位,凝固等温线法,内切圆法,等温线未画到的部位,内切圆大的部位可能产生缩孔或缩松,2.1.3 铸造内应力、变形及裂纹,1、铸造内应力（internal stress） 2、铸件的变形（distortion） 3、铸件的裂纹（crack）,1、铸造内应力,内应力的形成 热应力 它是由于铸件的壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。薄壁处受压应力，厚壁处受拉应力。,机械应力 它是合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应力。,同时凝固原则,尽量减少铸件各处的温度差，使

11、铸件不同壁厚各处在同一时间内凝固。 浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，力求使铸件各处同时冷却。,同时凝固原则与顺序凝固原则对比,2、铸件的变形,铸件冷却到室温后，热应力保留在铸件中,残余应力,薄壁处受压力，厚壁处受拉力,变形,防止变形的措施,设计铸件时尽可能壁厚均匀，形状对称。 采取同时凝固。 设计“反变形”量。,时效处理：有内应力的铸件在加工前置于露天半年以上，或550650C去应力退火。,3、铸件的裂纹与防止,热裂 热裂是铸件在高温下产生的裂纹。其形状特征是：裂纹短，缝隙宽，形状曲折，缝内呈氧化色。 合金性质 铸造合金的结晶特点和化学成分对热裂的产生均有明显的影响 铸型阻力 铸型(包括型芯

12、)的退让性对热力的形成有重要影响。 冷裂 冷裂是在低温下行成的裂纹。其形状特征是:裂纹细小，呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。,2.1.4 铸件中的气孔,气孔的来源 1、侵入气孔 侵入气孔是由于砂型表面层聚集的气体侵入金属液中而形成的。 2、析出气孔 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，在铸件中形成的气孔。 3、反应气孔 浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔。,2.1.5 铸件中的偏析,铸件内部化学成份不均匀的现象，称为偏析。,偏析类型 1、晶内偏析 结晶温度宽的合金易产生晶内偏析 2、区域偏析 合金中各成份因熔点的不同，

13、引起不同时凝固。,2.1.6 常见的铸造缺陷（JB302-62简化）,常见铸造缺陷的特征及产生的原因（P11）,常见铸造缺陷的特征及产生的原因,常见铸造缺陷的特征及产生的原因,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,本节复习与思考题,1、铸件的常见缺陷有哪些？产生的原因是什么？怎样防止？,2、什么是同时凝固原则？什么是顺序凝固原则？下例两图哪个是同时凝固？哪个是顺序凝固？为了防止铸件产生内应力，应采取哪种凝固方式？,同时凝固,顺序凝固,本节复习与思考题,3、区分下列名

14、词： 逐层凝固与定向凝固 出气口与冒口 浇不足与冷隔 4、下列哪种情况易产生气孔，为什么？ 舂砂过紧 型芯撑生锈 起模时刷水过多 5、为什么灰口铸铁的收缩比碳钢小？,本节习题,6、分析如图所示轨道铸件热应力的分布？并用虚线表示出铸件的变形方向。,7、试分析下图所示铸件 （1）哪些是自由收缩？哪些是受阻收缩？ （2）受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力 （3）各部分应力属于拉应力还是压应力？,本节结束,2.2 砂型铸造（Sand Casting）,2.2.1 造型材料与造型方法 2.2.2 铸造工艺设计 2.2.3 铸造工艺图,2.2.1 造型材料与造型方法,型（芯）砂的组成：石英砂+粘土+水+附加

15、物。 型（芯）砂的性能：强度、透气性（permeability）、耐火性（refractoriness）、退让性（collapsibility）。,砂型铸造是传统的铸造方法，适用于各种形状、大小以及各种合金铸件的生产。,2.2.1.1 造型材料,2.2.1.2 基本术语介绍,铸 型：用型砂、金属或其他耐火材料制成；包 括形成铸件形状的空腔、型芯和浇冒系 统的组合整体。 型 腔：铸型中造型材料所包围的空腔部分。 铸 件：用铸造方法制成的金属件，一般作毛坯 用。 分型面：铸型组元间的接合面。 分模面：模样组元间的接合面。,模 样：由木材、金属或其他材料制成，用来形 成铸型型腔的工艺装备。 零 件：

16、铸件经切削加工制成的金属件。 砂 芯：为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂 或其他材料制成的，安放在型腔内部的 铸型组元。 芯 盒：制造砂芯或其他耐火材料所用的装备。,2.2.1.3 造型方法,造型方法： 、手工造型（Hand Molding） 手工造型操作灵活，大小铸件均适应；用于单件、小批量生产。 、机器造型（ Machine Molding） 主要用于成批大量生产。, 手工造型方法,按砂箱特征,两箱造型,三箱造型,地坑造型,脱箱造型,手工造型方法,按模型特征,整模造型,分模造型,挖砂造型,活块造型,刮板造型,假箱造型,手工造型方法介绍-1.整模造型,整模造型的特点及应用,特点： 分型面为平

17、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。,手工造型方法介绍- 2.分模造型,分模造型的特点及应用,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。,手工造型方法介绍- 3.挖砂造型,挖砂造型的特点及应用,特点： 模样为整体模，造型时需挖去阻碍起模的型砂，故分型面是曲面。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。,手工造型方法介绍- 4.假箱造型,挖砂造型生产的铸件有一定批量时，为了避免每型挖砂，可采用假箱造

18、型。,特点是：先预制好一半型，其上承托模样，用其造下型，然后在此下型上再造上型。开始预制的半型不用来浇注，故称假箱。,手工造型方法介绍- 5.活块造型,活块造型的特点及应用,特点： 将模样上妨碍起模的部分，做成活动的活快，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。,手工造型方法介绍-6.三箱造型,三箱造型的特点及应用,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。三箱造型的关键是选配合适的中箱。造型复杂，易错箱，生产率低。 应用范围： 单件小批生产具有两个分型面的铸件。,手工造型方法介绍-7.刮板造型,对有些旋转体或等截面形状的铸件，当产量小，属单件或小批量生产时，为了节省模样费用，缩短模样制造时间，可以采用刮板造型。刮板是一块和铸件截面形状相适应的木板。,手工(紧实)造型,造型时填砂,、机器造型 填砂、紧实、起模等操作由机器来完成。 特点：生产率高，铸型质量好； 但投资大，生产周期长， 主要用于成批大量生产。 分类： 震压造型、 抛砂造型、 射砂造型。,震压造型,砂团,填砂、紧实,叶片,执砂紧实,射砂紧实,2.2.2 铸造工艺设计,、浇注位置（pour