第7章铸造

金属材料成形基础课程性质金属材料成形基础是一门研究常用工程材料坯件及机器零件成型工艺原理的综合性技术基础学科。主要研究：1.各种成型工艺方法本身的规律性及其在机械制造中的应用和相互联系；2.零件的成型工艺过程和结构工艺性；3.常用工程材料性能对成型工艺的影响；4.工艺方法的综合比较等。毛坯型材零件切削加工装配液态成形（铸造）塑性成形（压力加工）连接成形（焊接）热处理形状、尺寸、性能机械的制造过程第7章铸造金属的液态成形：将液态金属浇注、压射或吸入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得一定形状和性能的金属成型工艺——铸造。金属的液态成形是制造毛坯、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。第7章铸造7.1液态金属成形理论基础7.1液态金属成形理论基础适于做复杂外形，特别是复杂内腔的毛坯对材料的适应性广，铸件的大小几乎不受限制成本低，原材料来源广泛，价格低廉,一般不需要昂贵的设备是某些塑性很差的材料(如铸铁等)制造其毛坯或零件的唯一成型工艺液态成型优点第7章铸造铸造的缺点工艺过程比较复杂，一些工艺过程难以控制液态成形零件内部组织的均匀性、致密性一般较差液态成形零件易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷，产品质量不够稳定由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低液态成型缺点7.1液态金属成形理论基础典型铸件盘盖类零件箱体类零件叉架类零件铸钢件7.1液态金属成形理论基础主要影响因素铸造的主要影响因素体现在二个方面：一是影响充型的主要因素和影响凝固收缩的主要因素。阶段主要影响因素铸造充型金属的流动性浇注温度充型压力凝固收缩凝固方式冷却速度7.1液态金属成形理论基础7.1.1液态合金的充型能力１．合金的流动性１）流动性的概念及对铸件质量的影响流动性：熔融金属的流动能力。以“螺旋形流动性试样”的长度衡量。7.1液态金属成形理论基础7.1.1液态合金的充型能力金属流动性好a）易于充满铸型型腔，浇注出轮廓清晰的铸件；b）利于合金中气体和非金属杂物的上浮与排出，对收缩进行补充，减少铸件中气孔、夹渣、缩孔、缩松等缺陷的产生。7.1液态金属成形理论基础２）影响流动性的因素（１）合金种类灰铸铁的流动性最好，铸钢最差；7.1液态金属成形理论基础（２）化学成分纯金属和共晶成分的合金在恒定温度下凝固，已凝固层和未凝固层之间界面分明、光滑，对未凝固液体阻力小，流动性好，结晶温度范围窄的合金流动性好；（3）合金的物理性质液态合金的比热和密度越大、导热系数和黏度越小流动性越好；（4）液态合金的温度温度越高流动性越好。２．合金的充型能力及影响因素１）充型能力的概念液态合金充满铸腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。影响因素：浇注条件、铸型充填条件及铸件结构。7.1液态金属成形理论基础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越高，液态金属的粘度越小，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。7.1液态金属成形理论基础铸型充填条件对充型能力的影响铸型温度(不能过高)铸型蓄热系数:即从金属中吸取热量并储存的能力铸型的发气和透气能力：浇铸时产生气体能在金属液与铸型间形成气膜，减小摩擦阻力，有利于充型。但发气能力过强,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。凡是增大冷却速度和增大流动阻力的因素都会降低充型能力。7.1液态金属成形理论基础铸件结构对充型能力的影响折算厚度(当量厚度或模数)：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：铸件结构越复杂，流动阻力就越大，铸型的充填就越困难。7.1液态金属成形理论基础3液态金属的凝固与收缩铸件的凝固过程：在凝固过程中，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。7.1液态金属成形理论基础3合金的凝固与收缩１）凝固方式及影响因素（１）凝固方式a）逐层凝固：在凝固过程中不存在液固两相并存的凝固区。b）糊状凝固：凝固温度范围很宽，其凝固区在某段时间内，液、固并存贯穿整个铸件断面。c）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间。7.1液态金属成形理论基础(２）影响凝固方式的因素a）凝固温度范围b）结晶时的温度梯度。加大温度梯度可形成逐层凝固，避免糊状凝固。7.1液态金属成形理论基础２．铸造合金的收缩１）收缩铸造合金从液态冷却至常温的过程中，体积和尺寸缩小的现象。7.1液态金属成形理论基础合金收缩的三个阶段合金的收缩合金收缩固态合金冷却液态合金冷却液态收缩凝固收缩缩孔:恒温下结晶缩松:两相区结晶线形收缩裂纹变形应力7.1液态金属成形理论基础２）影响收缩的因素（１）化学成分铸钢收缩最大，铸铁最小。（２）浇注温度合金的浇注温度越高，液态收缩量越大。（３）结构与铸型条件铸件各部分形状、尺寸不同，冷却速度不同，收缩比不一致；铸型和型芯对铸件产生阻碍，实际收缩率小于自由收缩率。铸型条件铸件结构浇注温度化学成分(c含量)合金收缩7.1液态金属成形理论基础３）收缩对铸件的影响（１）缩孔与缩松缩孔的形成:凝固温度范围窄的金属，浇注后在型腔内由表及里逐层凝固。凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方产生缩孔。7.1液态金属成形理论基础（１）缩孔与缩松缩松的形成原因:结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。7.1液态金属成形理论基础（１）缩孔与缩松防止措施：合理选择铸造合金；正确设置冒口；采用顺序凝固原则；用冒口补缩；控制浇注温度与速度；采用加压、补缩或静压法消除缺陷。7.1液态金属成形理论基础（１）缩孔与缩松顺序凝固原则：通过设置冷铁、布置浇、冒口位置等措施。保证铸件各部按照远离冒口的位置最先凝固，然后朝冒口的方向顺序凝固，使冒口最后凝固的凝固原则。7.1液态金属成形理论基础（２）铸造应力、变形和裂纹铸造应力：铸件在固态收缩阶段引起的应力。分为机械应力、热应力和相变应力。7.1液态金属成形理论基础（２）铸造应力、变形和裂纹热应力：由于铸件壁厚不均．各部分的冷却速度不一致，收缩量不同铸件内部彼此相互制约引起的应力。同时凝固原则：通过设置冷铁、布置浇口位置等措施．使铸件各部分温差尽可能小的凝固过程。铸件的结构：铸件各部分能自由收缩工艺方面：采用同时凝固原则人工时效时效处理：自然时效铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀7.1液态金属成形理论基础（２）铸造应力、变形和裂纹机械应力：铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口等方面的阻碍而产生的应力。防止措施：改善型砂、型芯的退让性；提早落砂。7.1液态金属成形理论基础铸造应力、变形和裂纹分析②铸件开始固态收缩。7.1液态金属成形理论基础③中杆温度尚高，强度低，受压产生塑性变形缩短，应力消失。①高温状态的固态铸件，无应力产生。铸造应力、变形和裂纹分析④侧杆收缩终止。7.1液态金属成形理论基础结论：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。⑤中杆承受的拉应力超过抗拉强度而断裂。铸件变形的消除方法防止变形的方法与防止应力的方法基本相同。带有残余应力的铸件，变形使残余应力减小而趋于稳定。问题铸造时所受的应力与变形情况。分析有长、短不一的两根弹簧，将其固定，使其达到同等长度，即其中一弹簧被拉长，另一弹簧被压缩，此时所受的应力状态？然后将其固定约束去掉，试分析其变形趋势？7.1液态金属成形理论基础铸件的裂纹及防止（1）热裂产生原因及特征：凝固后期高温下受机械阻力形成。裂纹短、形状曲折、缝隙宽、断面有严重氧化、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和发展。防止：合理设计铸件结构；改善型砂和砂芯的退让性；限制硫含量；选择收缩率小的合金。7.1液态金属成形理论基础铸件的裂纹及防止（2）冷裂产生原因及特征：较低温度下形成，常出现在铸件受拉伸部位和应力集中处。裂纹细小，呈连续直线状、缝内干净有时呈轻微氧化色。防止：减少铸造应力，降低合金脆性；限制磷含量。7.1液态金属成形理论基础7.1液态金属成形理论基础7.1液态金属成形理论基础铸造缺陷的检验１．宏观法：通过眼观察铸件表面缺陷和皮下缺陷。7.1液态金属成形理论基础２．仪器检验：用耐压试验、磁粉探伤、超声波探伤等，检查铸件内部缺陷。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7.1液态金属成形理论基础7.2砂型铸造利用具有一定性能的原砂作主要造型材料的铸造方法。第7章铸造砂型铸造生产工艺过程图7.2砂型铸造型芯砂配工艺装备炉料准备造型、造芯金属熔炼合型浇注落砂清理精整后处理含热处理检查合格铸件报废铸件铸件旧砂砂箱7.2.1砂型铸造的生产过程及特点砂型铸造生产工艺过程图7.2砂型铸造砂型铸造生产工艺过程图7.2砂型铸造7.2.2砂型制造工艺简介（一）砂型的组成砂型：铸造用的铸型。特点：（1）具有合适的分型面；（2）模样周围留有足够的砂层厚度，其紧实度随金属的压力而变化；（3）具有浇注系统及通气孔。7.2砂型铸造（二）型砂按一定比例配合的造型材料，经过混制成符合造型、造芯要求的混合料。组成：原砂、粘结剂、水和附加物混制而成。7.2砂型铸造１、型砂应具备的性能（1）强度：在承受外力作用下不易破坏的性能。（2）透气性：紧实后的型砂透过气体的能力。（3）耐火性：在高温液体金属作用下，不软化、不熔化、不烧结的性能。（4）可塑性：在外力作用下能塑制成形，当去除外力并取出模样后，仍保持清晰轮廓形状的能力。（5）退让性：不阻碍铸件收缩的性能。7.2砂型铸造２、型砂组成的成分（1）原砂主要成分是SiO2质量分数95%以上的硅砂，耐火性高达1710℃。（2）旧砂使用过的型砂。（3）粘结剂将砂粒粘结起来具有一定的强度和可塑性。（4）附加材料煤粉可防止铸件表面粘砂；木屑可改善透气性、退让性。7.2砂型铸造（三）造型方法造型是砂型制造过程中的重要工序。分类机器造型手工造型7.2砂型铸造１、手工造型（1）整模造型：特点：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。7.2砂型铸造整模造型（2）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。应用范围：最大截面在中部，一般为对称性铸件。１、手工造型7.2砂型铸造（3）挖砂造型：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。１、手工造型7.2砂型铸造（4）活块造型：将模样上妨碍起模的部分，做成活动的活块，便于起模。特点：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。１、手工造型7.2砂型铸造（5）刮板造型：用于单件、小批量回转体的铸造。１、手工造型零件图7.2砂型铸造刮板造型（6）三箱造型：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。１、手工造型7.2砂型铸造２、机器造型将造型中的紧砂和起模实现机械化的造型方法。特点：（1）生产效率高，砂型质量好，铸件精度高；（2）设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长，适用中、小铸件的成批或大量生产；（3）对工人技术要求低。7.2砂型铸造（四）造芯方法型芯：放置在砂型内腔，四周受液体金属包围。为提高透气性，型芯除烘干外，还须在型芯中间做排气道。常用方法：芯盒造芯。芯盒结构分为：整体式、垂直对分