第三章铸造成形及其工艺控制

第3章铸造重庆理工大学材料科学与工程学院第3章铸造发展历史我国铸造冶炼历史有5000多年，前3000多年为青铜器时代，后2000多年为铁器时代，铜器和铁器的制造是一个典型的熔化、凝固过程。鼎钟方彝中国古代三大铸造技术在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广泛的社会影响，像“泥范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。泥范铸造,我国自新石器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。熔模铸造,传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。第3章铸造发展历史金属型铸造铸型材料从石和泥、砂改用金属，从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久”型（金属型），在铸造技术的历史发展上具有重要的意义。1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共87件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，使壁厚均匀，利于散热：范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。第3章铸造发展历史4,500BC—1,000BC青铜时代（BronzeAge）从矿石中提炼铜——冶金业的黎明埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一第3章铸造发展历史青铜：第一种合金青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的《考工記》一書中，提出了「金有六齊」，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。夏钺戈第3章铸造发展历史商代青铜bronze文化仰韶文化的后期，即大约在公元前3500年以后的一个时期，我们的祖先已经知道了铜，并且已会制造简单的小件铜器。现已知道的最早的青铜器物，是1975年在甘肃东乡县林家的甘肃仰韶文化马家窑类型遗址中出土的一件公元前3000年左右青铜刀。到了商代，青铜器冶铸工艺高度发展，商代晚期即殷墟时期，已经出现特别巨大或精细的器物，技术水平和艺术水平都很高。西周晚期，事实上是青铜器走向衰落的时期。第3章铸造发展历史青铜文化四羊方尊虎食人卣第3章铸造发展历史二里冈出土饕餮乳钉纹方鼎大禾人面方鼎第3章铸造发展历史青铜文化青铜文化饕餮纹鼎司母辛方鼎第3章铸造发展历史青铜文化商代青铜文化司母戊鼎，1939年安阳武官村出土，高133厘米，重833千克，是中国目前发现最重的青铜器。据估计，铸造这样大型青铜器，需300多人同时工作。第3章铸造发展历史青铜文化豕尊司母辛觥第3章铸造发展历史湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑第3章铸造发展历史三星堆立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史永乐大钟铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重w约46吨。钟体内外遍铸经文，共22.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54％、锡16.40％、铝1.12％，为泥范铸造。第3章铸造发展历史中国古代铁器中带有球状石墨的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄ronAge（I）铁时器代第3章铸造发展历史现代铸造我国已成功地生产出了世界上最大的轧钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡电站巨型水轮机的特大型铸件。各种铸造方法和铸造合金发展迅速，应用范围不断扩大。第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造发展历史第3章铸造基本概念铸造的定义铸造是指将材料(包括金属、合金及复合材料等)熔化成液体，浇注于具有和零件形状相适应的铸型型腔中，待其凝固、冷却后，获得毛坯（或零件）的工艺方法。与其它成型方法相比，铸造的应用相对较为普遍。铸造合金用于铸造的金属称为铸造合金。常用的铸造合金有铸铁、铸钢和铸造有色金属，其中铸铁、特别是灰铸铁用得最为普遍。凝固物质从液态到固态的转变过程。铸造：Casting铸造合金：Castingalloys凝固：Solidification适应性广。适应铸铁，碳钢，有色金属等材料；铸件大小，形状和重量几乎不受限制；壁厚1mm到1m，质量零点几克到数百吨（三峡的水轮机叶轮重达430T）。可复杂成形。适合形状复杂，尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低；在金属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上，而生产成本仅占15-30%但也存在一些不足，如组织缺陷，力学性能偏低，质量不稳定，工作环境较差。因此，铸件多数做为毛坯用。组织疏松、晶粒粗大，铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低.（发展了铸锻联合工艺）污染环境。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。（特种铸造工艺）铸造工艺特点第3章铸造基本概念第3章铸造基本概念铸造生产过程实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。砂型铸造概略图第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能金属的充型能力液态金属充填铸型型腔，获得形状完整、轮廓清楚铸件的能力称为金属的充填能力，其与金属的金属的流动性、浇注条件以及铸件结构等因素密切相关。金属的流动性1）金属的流动性是指金属本身的流动能力。流动性越好、充型能力越强，越容易获得形状完整的铸件。同时，还有利于非金属夹杂和气体的上浮排除，有利于对金属凝固过程产生的收缩进行补缩。2）金属流动性主要与化学成分、温度、杂质含量及物理性质有关。3）流动性的测定多采用螺旋型试样。浇注条件主要包括浇注温度、充型压力等因素的影响铸型性质和铸件结构浇不足、冷隔等缺陷第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能金属性质合金成分结晶潜热比热、密度和导热系数铸型性质铸型的蓄热系数铸型的温度铸型中的气体浇注条件浇注温度充型压头浇注系统结构铸件结构第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能图1-2螺旋型试样在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能合金种类铸型种类浇注温度/℃螺旋线长度/㎜铸铁wC+Si=6.2%wC+Si=5.9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型砂型砂型砂型1300130013001300180013001000600铸钢wC=0.4%铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜wSn≈10%wZn≈2%硅黄铜wSi=1.5%~4.5%砂型砂型金属型300℃砂型砂型砂型16001640680~72070010401100100200700~800400~6004201000表1-1常用合金的流动性（砂型，试样截面8㎜×8㎜）第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能温度，T碳钢铸铁共晶点由图可见，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金的流动性愈好。Fe-C合金的流动性与含碳量的关系第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能铸件的凝固与收缩铸件的凝固方式---取决于凝固区域的宽度。逐层凝固、糊状凝固、中间凝固铸件的凝固方式对铸件质量的影响逐层凝固合金充型能力强铸件内部组织致密糊状凝固合金充型能力若难以获得组织致密的铸件影响铸件凝固方式的因素凝固温度范围和固/液相界面前沿的温度梯度铸件的收缩收缩定义：合金从浇注、凝固到冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。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室温体收缩线收缩收缩率第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能收缩对铸件质量的影响缩孔和缩松产生原因：液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。其与以下影响因素：金属性质（和液态收缩系数、凝固收缩率及固态收缩系数有关）、铸型条件（激冷能力越大、可以减少）、浇注条件（浇注温度越高、液态收缩越大；浇注越缓慢，缩孔越小）和铸件尺寸（壁越厚、越容易产生缩孔）。控制措施：顺序凝固、同时凝固和安放冒口、冷铁、加压补缩（缩松）等。热等静压法。铸件中缩孔的形成示意图第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能收缩对铸件质量的影响铸造应力、裂纹（热裂和冷裂）和变形铸造应力分类：机械应力、热应力和相变应力铸件变形的根本原因：铸造应力。铸件中的偏析及其对铸件质量的影响分类：显微偏析和宏观偏析。显微偏析：晶内偏析和晶界偏析。宏观偏析：正常偏析、反偏析和比重偏析。铸件中的气体与非金属夹杂物及其对铸件质量的影响铸件中的气体铸件中的非金属夹杂物减少气体和非金属夹杂物的措施：吸附精炼法和非吸附精炼法。第3章铸造铸件成形基本原理及金属的铸造性能第3章铸造砂型铸造铸造方法：砂型铸造:采用型砂制备铸型。特种铸造:有别于砂型铸造的其它铸造方法。砂型铸造的基本生产过程技术准备铸造工艺方案(浇注位置、分型面、工艺参数、浇铸系统、补缩系统等)生产准备模样和芯盒设计、原材料准备[如型（芯）砂准备、合金材料准备等]工艺过程造型（制芯）、合箱、浇注、落砂和清理等。砂型铸造工艺简图浇注金属造型、芯做木模铸件空心圆柱的铸造工艺流程型砂moldingsand配制造型砂型干燥工装准备炉料准备合金冶炼芯砂coresand配制造芯coremaking型芯干燥工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注落砂shakeout清理cleaning铸件检验入库砂型sandmould铸造工艺流程图合型浇注凝固冷却第3章铸造砂型铸造第3章铸造铸造工艺方案制定铸造工艺方案制定包括选择铸造方法、绘制铸件工艺图、选定合理工艺参数等，其中核心内容是绘制铸件工艺图，其主要内容包括：1）选择浇注位置2）确定分型面3）确定工艺参数：加工余量、拨模斜度、型芯及型芯头浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处位置。选择原则：重要工作面或主要加工面朝下或侧立；大平面或薄壁结构应朝下或侧立；有利于补缩，防止铸件产生缩孔。第3章铸造铸造工艺方案制定第3章铸造铸造工艺方案制定分型面：指铸型间的接触面，其存在有利于铸型的分开和合型。分型面选择正确与否，不仅影响铸件质量，还影响铸造生产工序的复杂程度，还会影响后续切削加工。确定原则：1）应能方便顺利地取出模样或铸件。为此，其一般在铸件最大截面处2）应尽量与浇注位置一致，并尽量满足浇注位置的要求。3）应避免曲折，数量应少。4）尽量使型腔大部或全部位于同一砂型内；5）应使型芯数量少，切便于安放和稳定；第3章铸造铸造工艺方案制定最好第3章铸造铸造工艺