第五章铸造

第五章铸造将熔融的金属液浇注入铸型内，待冷却凝固后获得所需形状和性能的毛坯或零件的工艺过程称为铸造。用铸造方法制成的毛坯或零件称为铸件。铸造工艺过程主要包括：金属熔炼、铸型制造、浇注凝固和落砂清理等。铸件的材质有碳素钢、合金钢、铸铁、铸造有色合金等。与其它金属加工方法相比，铸造具有如下优点：（1）原材料来源广。（2）生产成本低。（3）铸件形状与零件接近，尺寸不受限制。因此，铸造在机器制造业中应用极其广泛。但铸造生产目前还存在着若干问题，如铸件内部组织粗大，常有缩松、气孔等铸造缺陷，导致铸件力学性能不如锻件高。铸造工序多，而且一些工艺过程还难以精确控制，使得铸件质量不够稳定，废品率高。第一节砂型铸造砂型铸造是指铸型由砂型和砂芯组成，而砂型和砂芯是用砂子和粘结剂为基本材料制成的。一、造型材料用来制造砂型和砂芯的材料统称造型材料。1、型（芯）砂的性能对铸件质量的影响型（芯）砂是由原砂、粘结剂和其他附加物按一定比例配合，经混合制成符合造型、制芯要求的混合料。型芯砂应具备的性能：透气性、强度、耐火度、发气性、退让性、溃散性、流动性、可塑性、不粘模性、保存性、抗吸湿性和回用性。2、型（芯）砂的分类（1）粘土砂粘土砂是由砂、粘土、水和附加物（煤粉、木屑等）按比例混合制成。粘土砂按浇注时的烘干程度分为湿型砂和干型砂两大类。（a）湿型砂优点：生产率高、生产周期短、便于组织流水生产；节约燃料、设备和车间生产面积；砂型不变形，铸件精度高；落砂性好，砂箱寿命长；铸件冷却速度快，组织致密。缺点：铸件易产生砂眼、气孔、粘砂、胀砂、夹砂等缺陷。（b）干型铸造优点：对原砂化学成分和耐火度要求较低；提高了砂性的强度和透气性，减少了发气量，对于预防砂眼、胀砂和气孔等缺陷比较有利。缺点：砂型的退让性和溃散性较差，散热慢，造成铸件晶粒粗大；烘干操作恶化了劳动条件和环境卫生。（2）水玻璃砂优点：砂型硬化快，强度高、尺寸精确、便于组织流水生产。缺点：溃散性差，导致铸件清理困难和旧砂回用性差。改善水玻璃砂溃散性的措施：a）减少水玻璃加入量；b）应用非钠水玻璃；c）加入溃散剂；d）应用改性水玻璃。（3）油砂、合脂砂和树脂砂油砂的粘结剂是植物油包括桐油、亚麻油等。合脂砂的粘结剂是合脂，是制皂工业的副产品，来源广，价格低，是植物油的良好代用品。优点：烘干后强度高，不吸潮；退让性和溃散性很好；铸件不粘砂、内腔光洁。缺点：发气量大，价格昂贵。树脂砂树脂砂的粘结剂是树脂。优点：不需烘干，强度高，表面光洁，尺寸精确，退让性和溃散性好，易于实现机械化和自动化。缺点：生产中会产生甲醛、苯酚、氨等刺激性气体，污染环境。二、造型方法的选用1、手工造型2、机器造型（1）紧实砂型的方法（a）震压紧实（a）抛砂紧实（c）高压紧实（2）起模方法（a）顶箱起模（b）漏模起模（c）反转起模3、造芯（1）对芯砂的要求（a）开通气孔和气道（b）放置芯骨（c）上涂料和烘干（2）砂芯制造第二节特种铸造一、熔模铸造熔模铸造又称失蜡铸造，它是在蜡模表面包以造型材料，待其硬化后，再将其中的蜡模熔去，从而获得无分型面铸型的铸造方法。1、蜡模铸造工艺过程（1）母模（2）压型：易熔合金压型，利用母模作模样，由易熔合金（Sn、Pb、Bi等的合金）直接浇注制成的。钢或铝合金压型。（3）蜡模的制作模料：分低温模料、中温模料和高温模料。压蜡：将调好的模料压入压型中，待其凝固后取出蜡件，放入水中冷却。修蜡模：修去飞边毛刺。组合：将多个蜡件粘到蜡质浇棒上。（4）铸型的制造制壳脱蜡焙烧浇注2、熔模铸造的特点及应用范围（1）铸件精度高，表面光洁。（2）能够铸造各种合金铸件。（3）铸件形状可以比较复杂。（4）铸件质量不宜太大。熔模铸造主要用于制造形状复杂、精度要求较高的小型零件，如涡轮机叶片和叶轮、高速钢刀具等。二、金属型铸造金属型铸造的特点及应用范围（1）实现了一型多铸（2）铸件的力学性能高（3）铸件的精度高（4）局限性：铸型制造成本高，周期长；透气性差，无退让性，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等缺陷；铸造合金的熔点不能太高，质量不能太大；（5）应用金属型主要用于制造有色合金铸件，如铝活塞、汽缸体、缸盖等。三、压力铸造特点及应用（1）铸件尺寸精度高（2）铸件的强度和表面硬度高（3）可压铸形状复杂的薄壁铸件，可嵌铸其他材料（4）生产效率高（5）设备投资大，压型制造成本高（6）铸件内部有大量气孔（7）压铸件不能大余量加工和热处理（8）适宜压铸低熔点合金压力铸造主要用于熔点较低的锌、铝、镁及铜合金铸件的生产。四、离心铸造将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下填充铸型并凝固成型的铸造方法。特点：（1）工艺过程简单（2）铸件力学性能高（3）便于铸造双金属铸件（4）铸件内表面质量差，孔的尺寸不易控制。离心铸造目前主要用于制造铁管、缸套和滑动轴承。五、低压铸造液态金属在一定的压力下自下而上地充填铸型并凝固而获得铸件的方法。特点：（1）适用于各种铸型（2）铸件质量好（3）劳动条件好低压铸造主要用于铸造质量要求较高的铝合金和镁合金铸件。六、陶瓷型铸造利用质地较纯、热稳定性较高的耐火陶瓷材料作造型材料，与硅酸乙酯水溶液混合后制成浆料，经灌浆、结胶、起模、焙烧等工序而制成的。特点：（1）铸件表面光洁，尺寸精确，（2）设备投资少，准备周期短，对铸件大小无限制。（3）铸型材料价格昂贵，不适宜大批量生产。应用：广泛用于冲模、锻模、压铸型、模板、热芯盒等铸件。七、定向结晶铸造合金的铸造性能铸造性能是合金在铸造生产中所表现出来的性能，包括合金的流动性、收缩性等。一、合金的流动性和充型能力1、流动性流动性是指熔融金属本身的流动能力。合金流动性好的优点：（1）易获得形状复杂、轮廓清晰的薄壁件；（2）有利于气体和夹杂物的上浮和排除；（3）有利于补缩；因此，能有效防止铸件出现冷隔、浇不足、气孔、夹渣、缩孔等缺陷。合金流动性的大小通常用浇注流动性试样的方法来测定。2、影响合金流动性的因素（1）合金种类（2）化学成分一般规律：合金的凝固范围宽，流动性差。硅提高流动性；锰的影响不大；硫易形成硫化锰，降低流动性；磷提高流动性。3、合金的充型能力在实际生产条件下，熔融金属充满型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力，叫合金的充型能力。影响充型能力的因素有：（1）铸型填充条件：包括铸型的蓄热能力、温度及铸型中的气体等。（2）浇注条件：包括浇注温度、充型压力等。（3）铸件结构二、合金的凝固与收缩液体金属在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减少的现象，称为合金的收缩。1、铸件的凝固方式（1）逐层凝固方式（2）糊状凝固方式（3）中间凝固方式2、合金的收缩方式（1）液态收缩：从浇注—液相线（2）凝固收缩：液相线—固相线——是产生缩孔、缩松的主要原因（3）固态收缩;固相线—室温→导致体积收缩和线收缩,是产生内应力、裂纹和变形的主要原因3、影响收缩的因素（1）化学成分碳、硅量增高，收缩减少；锰、硫量增加，收缩增大。（2）浇注温度浇注温度越高，收缩越大。（3）铸件结构和铸型条件4、铸件中的缩孔和缩松缩孔是容积较大而集中的孔洞。缩松是细小而分散的孔洞。（1）缩孔缩孔通常隐藏在铸件上部或最后凝固的部位。其外形特征为倒锥形，内表面不光滑。基本原因是液态收缩和凝固收缩。基本条件是逐层凝固。（2）缩松缩松分布于铸件的轴线区域、厚大部位或浇口附近。基本原因是液态收缩和凝固收缩。基本条件是铸件在较宽的区域内同时凝固。（3）防止措施定向凝固是防止产生缩孔的有效措施。定向凝固就是采取一定措施，是铸件按规定的方向从一部分到另一部分逐渐凝固的过程。a）合理选择内浇道在铸件上的引入位置和高度；b）开设冒口；c）放置冷铁。冷铁是用来控制铸件凝固顺序的激冷物。定向凝固的缺点：一是冒口浪费金属；二是铸件内应力大，易于变形和开裂。应用：主要用于凝固收缩大，凝固温度范围较宽的合金。如铸钢、高牌号灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和黄铜等。5、铸件的内应力、变形和裂纹（1）铸件的内应力铸件的凝固收缩受到阻碍时，就会产生内应力。a）热应力是铸件在凝固或冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。防止的根本途径是尽量减少铸件各部位的温差，使其均衡凝固。具体工艺措施是减少铸件与铸型的温差；适当控制铸件的打箱时间等。b）收缩应力是铸件的固态收缩受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或箱挡的阻碍而产生的应力。一般这种应力是暂时的，打箱后便可消失。防止措施是改善铸型和型芯的退让性。（2）铸件的变形（3）铸件的裂纹当内应力超过合金的强度极限时，铸件就会产生裂纹。根据裂纹产生的温度不同，把裂纹分为热裂和冷裂两种。a）热裂是铸件在高温下形成的裂缝，外形形状曲折而不规则，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。b）冷裂是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。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。第五节砂型铸造工艺设计一、设计依据1、生产任务（1）铸造零件图（2）零件的技术要求（3）产品数量和生产期限2、生产条件（1）设备条件（2）原材料来源和应用情况（3）工人的技术水平和生产经验3、考虑经济性二、绘制铸造工艺图：利用各种工艺符号，把制造模样和铸型以及型芯所需要的资料，直接绘在零件图上所得到的图形。1、浇注位置的选定指浇注时铸件在铸型中所处的位置。浇注位置不同，铸件质量不一样。下部质量比上部好。原因：（1）下部缺陷少（气体、熔渣上浮）。（2）下部无冷隔、浇不足（静压力大）。（3）晶粒细小、力学性能高（冷速快）。铸件侧面周长方向质量均匀，原因：在周长方向上冷却条件相近，同时凝固。所以：一般应从以下考虑：（1）铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或侧立。图6-42（2）铸件的厚大部位置于上方或侧立。（3）铸件大平面应尽可能朝下。（4）铸件的薄壁部分应放在下部或侧面。浇注位置以文字标出：上下或上中下2、分型面的选择选取原则：在保证铸件质量的前题下，以造型简单、起模方便为原则。图6-46，6-47，6-48分型面用兰线标出，并写上浇注位置。铸件质量要求较高时，以选择浇注位置为主；铸件质量要求不高时，以选择分型面为主，以简化工艺。“横浇竖冷”3、砂芯的设计（1）砂芯数量、形状、模样（2）芯盒的斜度、芯头结构、尺寸及下芯顺序4、铸造工艺参数（1）铸件的线收缩（2）加工余量（3）起模斜度（4）最小铸出孔和槽第五节铸件结构设计合理结构铸件的结构设计：使用性能经济性能：材料费用、工艺性能铸件结构工艺性能好：易铸（造型简单、起模方便）无缺陷（无缩孔、变形、开裂）省材（无冒口）生产率高（工艺简单、易机械化）一、外形设计1、尽量使分型面少且平2、外形力求简单、平直3、避免活块4、结构斜度二、内腔设计制芯简单下芯容易安装稳固排气通畅清理方便1、尽量减少型芯2、型芯要稳固、易于清理三、壁厚设计1、合理设计铸件壁厚2、铸件壁厚应尽可能均匀3、注意铸件壁的连接设防裂筋减少收缩阻力