第二章 铸造

材料成形技术基础------铸造FundamentalofMaterialsFormingCasting课程的主要目的《材料成形技术基础》是机械类或近机械类专业的一门学科基础课，学习本课程的主要目的是使学生比较全面系统的获得机械制造中铸造、压力加工、粉末成形、焊接、塑料、橡胶、陶瓷以及有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。其主要任务是介绍以下内容：1）制定铸造过程图，了解合金的熔炼与浇注过程的基本知识以及砂型铸造、特种铸造等；2）制定锻造过程图，了解材料塑性变形基本规律；了解粉末成形、塑料、橡胶、陶瓷成型过程和板料冲压成形过程；3）了解常用金属材料焊接过程基本知识；4）了解有关模具设计、加工、制造方面的专业知识。为后续课程的学习及从事机械零件设计、制造及管理工作打下必要的技术基础学习方法和同是液态成型的塑料成型对比理论与实践相结合运用矛盾的分析方法本次课的学习提示!了解铸造的定义(重点)；了解铸造的历史;了解铸造工艺的特点；了解铸造生产的工艺过程(重点)；理解熔融合金的流动性(重点);金属液态成型定义：所谓金属液态成型，即铸造，casting，是将液态金属借助外力充填到型腔中，使其凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零件的工艺。注意2个过程：（1）充填型腔；（2）凝固冷却铸造生产过程实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。砂型铸造概略图材料与人类文明人类的文明进程是依据什么而划分的？材料应用的发展是人类发展的里程碑：——石器时代、铜器时代、铁器时代……。——发展得越来越快。绪论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“模范”、“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。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。4,500BC——1,000BC青铜时代（BronzeAge）从矿石中提炼铜——冶金业的黎明这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一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。青铜：第一种合金夏钺戈绪论青铜文化商代青铜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。青铜文化四羊方尊虎食人卣青铜文化二里冈出土饕餮乳钉纹方鼎大禾人面方鼎青铜文化饕餮纹鼎司母辛方鼎司母戊鼎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。青铜文化豕尊司母辛觥湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑三星堆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。绪论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。永乐大钟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感受铸造感受铸造铸造工艺特点（1）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）。（2）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。（3）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%（4）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）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砂型铸造造型生产线动画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§1金属液态成型工艺基础本节主要内容：铸造工艺性machinability问题1.熔融合金的流动性flowability与充型moldfilling2.凝固过程中的收缩及其影响3.铸件常见缺陷1.1流动性及充型（1）流动性定义：flowability,液态合金充满型腔，形成轮廓清晰，形状和尺寸符合要求的优质铸件的能力(CSS,configuration,shapeandsize)。和塑料流动性比较见P203,与金属的焊接性比较P157流动性通义是流体的流动能力，但不同学科对流动性有不同的定义，这里是材料成形学的定义。它的定义说流动性是这样的一种能力，这种能力体现在2个方面：（1）充满型腔；（2）形成符合要求的优质铸件。这个定义突出地表明了流动性对金属液态成型工艺的重要性。如果流动性不好，就不能充满型腔，就不能形成符合要求的优质铸件。也说明不同的合金具有不同的流动性特点。在进行铸件设计和铸造工艺制定时，必须考虑合金流动性。那么，我们怎样衡量合金的流动性呢？流动性好：易于充满型腔，有利于气体和非金属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。螺旋形流动性试样见图1-2和表1-1。取浇注试样长度做比较度量。分析表1-1。铸铁的流动性最好，最高可达1800mm。此外应注意到，化学成分有很大影响，Wc+Si表示合金元素的含量，weightpercent，用重量百分比度量。如铸铁，主要是铁Fe和碳C的合金，还含硅Si等。Wc+Si=6.2%表示化学成分为含碳量C%+含硅量Si%为6.2%，其余为Fe的铸铁图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！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㎜）影响合金流动性的材料因素合金的流动性主要取决于它本身的化学成分。钢铁的流动性，可以从Fe-C合金相图判别。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合金的化学成分决定了2种凝固模式纯金属和共晶合金，对应A点和C点成分，有确定的熔点，恒温结晶，结果在铸型中凝固过程将从表及里推进，称为逐层凝固layingsolification非共晶合金没有一个确定的熔点，它的凝固结晶是在一个温度区间内完成的，属非恒温结晶。在这个温度区间内，同时存在已经凝固的部分，如先晶，或树枝状晶主干，和还没有凝固的部分，固相和液相并存，象桨糊状态，流动性差，所以称为糊状凝固mushysolification离共晶点C越远，结晶温度区间越宽，流动性就越差。换句话说，C点成分以前的铁碳合金，即亚共晶铸铁，流动性随含碳量的增加而提高；过共晶铸铁呢，即C点成分以后的合金，流动性随含碳量的增加而下降。这就是铁碳合金流动性与含碳量的关系。流动性与浇注温度的关系流动性浇注温度T熔合金温度高，液态时间长、粘度低....浇注温度对流动性的影响影响熔融合金充型的工艺条件①浇注pouring条件：主要指浇注温度，浇注速度和静压头高度。其中最重要的是浇注温度。②铸型：铸型温度，导热性，发气和排气，铸型结构。浇注温度指的是浇注时熔融合金的温度，一般要求比它的液相线温度高，即存在过热度，推迟它的凝固时间，以保持良好的流动性。但是也不能太高，否则造成氧化，吸气，过收缩，粘砂，胀砂等不良后果。所以，每种合金有自己的合理浇注温度范围。浇注温度：铸钢1520~1620℃；铸铁1230~1450℃；铝合金680~780℃从浇注条件及填充条件来看，影响充型能力的主要因素有：1.浇注温度（T）2.充型压力（H—V）3.铸型的蓄热能力4.铸型温度（热交换—延长T）5.铸型中气体（阻力—V）lTlVHl散热蓄热谢谢！