材料成型工艺基础――铸造剖析

第10章铸造铸造是将熔融金属浇注（压射、吸入）到铸型（砂型和金属型）型腔中，冷却凝固后获得一定形状和性能的毛坯或零件的金属成形工艺。概述铸造生产的特点古代：兵器、农具、钟、钱币等；铸造优点：金属一次成形；工艺灵活性大，各种成分、尺寸、形状和重量的铸件几乎都能适应；成本低；适宜于形状复杂、特别是复杂内腔的毛坯或零件；对于不宜锻压生产和焊接的材料，具有特殊的优势。应用铸造缺点：组织晶粒粗大，实体内部常有气孔、缩孔、缩松、砂眼，力学性能不如锻件；生产工序多，废品率高；工作环境差，劳动强度大。现代：机床制造、动力、交通运输、轻纺、冶金机械等。10.1铸造成形理论基础充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔等缺陷。液态合金充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰铸件的能力。合金铸造性能包括液态合金的充型能力、收缩、偏析、氧化和吸气等。铸造有两大基本过程：即液态合金充满型腔和随后在型腔中冷凝收缩。一、液态合金充型能力常见的铸件缺陷0.4%C铸钢：200出气口浇口杯4.3%C铸铁：18001.合金的流动性影响合金流动性的因素有合金的成分、温度、物理性质、不溶杂质和气体等。a）在恒温下凝固b）在一定温度范围内凝固2.影响合金流动性的因素1)液态合金的化学成分纯金属和共晶成分合金在恒定温度下凝固，已凝固和未凝固界面光滑，对未凝固液体阻力小，流动性好。从合金流动性的角度考虑，选择共晶、近共晶成分或凝固温度范围小的合金作为铸造合金。2)合金的物理性质和流动性有关的，比热容、密度、结晶潜热、导热系数、黏度。c、ρ越大，结晶潜热越多，导热系数越小，均使液态合金较长时间保持浇注后的温度，从而使流动性好。μ小，内摩擦力小。3)液态合金的温度在一定温度范围内，液态合金的温度越高，流动性越好。但液态合金温度过高，会造成液态金属氧化、吸气严重，易使铸件产生气孔、夹渣、粘砂、缩松、缩孔等铸造缺陷，故温度要合理，不能太高。铸型条件铸型的蓄热能力3.影响液态合金充型能力的因素浇注条件铸型的发气铸型的温度铸型的结构浇注系统的结构充型压力浇注温度工艺因素流动性影响因素二、合金的收缩1.收缩的概念合金的收缩经历如下三个阶段：（1）液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。固态收缩是铸件产生铸造应力、变形、裂纹的基本原因。（2）凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。（3）固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。1)合金成分2)浇注温度3)铸件结构和铸型2.影响收缩性的因素3.缩孔与缩松液态合金在冷凝过程中，若液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松（疏松）。1)缩孔和缩松的形成结论：1）从收缩的角度考虑，尽量选择共晶、近共晶成分或凝固温度范围小的合金作为铸造合金；2）给定成分的铸件，缩孔和缩松的总容积是一定值，适当增大铸件的冷却速度可促进缩松向缩孔转化；3）合金收缩越大，铸件的缩孔体积越大；4）浇注温度越高，液态收缩越大，缩孔的体积越大；5）缩孔和缩松总是存在于铸件的最后凝固部位。如果铸件设计壁厚不均匀，则在厚壁处易于出现缩孔或缩松。2)缩孔和缩松的防止防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。顺序凝固的缺点：应用：液态收缩和凝固收缩大、必须补缩的场合。(1)冒口浪费金属，降低了工艺出品率，提高了成本；(2)铸件内应力大，易于变形和开裂。三、铸造内应力及铸件的变形、裂纹铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍或铸件各部分互相牵制，铸件内部将产生内应力。热应力是由于铸件壁厚不均匀，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应力。1.热应力热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的收缩受到铸型、型芯、浇注系统的机械阻碍而形成的内应力。上型下型2.机械应力（收缩应力）退让性：铸件冷却收缩时铸型（型芯）可以稍微压缩的性能。3.铸件的变形与防止防止变形的方法：1）使铸件壁厚尽可能均匀或形状对称；2）采用同时凝固的原则；3）采用反变形法。对某些重要的、精密的铸件必须采取去应力退火（人工时效、热时效）或自然时效等方法，消除残余内应力；必要时可在粗加工后进行去应力退火或人工时效，再进行精加工。4.铸件的裂纹与防止(1)热裂热裂的特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、断面有严重氧化、无金属光泽、裂纹沿晶界产生和发展等。热裂的防止：1)应尽量选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金。2)应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。3)对于铸钢件和铸铁件，严格控制硫的含量，防止热脆性。(2)冷裂冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。冷裂的防止：1）使铸件壁厚尽可能均匀；2）采用同时凝固的原则；3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。作业1.铸件的凝固应遵循什么基本原则？优缺点是什么？各适用于什么范围？2.在生产中，为什么要选择共晶成分、近共晶成分或凝固温度范围小的合金作为铸造合金？10.2砂型铸造一、砂型铸造的生产过程1.造型二、砂型铸造工艺过程1)手工造型2)机器造型3)造芯4)涂料5)开设浇注系统6)合型2.熔炼与浇注3.落砂与清理二、工艺过程简介1.造型：手工造型——整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、三箱造型。机器造型——（紧砂特点）压实式、分模式、震压式、抛砂紧实、射砂紧实。造芯——芯盒造芯。用于孔下某些局部外形砂芯中有芯首，砂芯烘干。涂料——耐火材料、黏结材料、悬浮稳定剂等组成，涂刷铸型，型芯表面。防止铸件粘砂、夹砂、砂眼等缺陷。开设浇注系统——图10-16。开设浇铸系统的目的为了填充型腔和冒口的一系列通道。合型（合箱）——将上下箱、型芯等组合成完整的铸型。零件图铸造工艺图铸型型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理检验铸件砂型铸造的工艺过程浇注冷却凝固2.熔炼与浇铸熔炼——将金属熔化，常用冲天炉。浇铸——浇铸包将液态金属注入铸型。浇铸前从浇包内清渣和夹杂物。（注意温度）3.落砂、清理落砂——用手工或机械使铸件从砂箱中取出。落砂不能过早或过晚。清理——将铸件上砂子和氧化皮及浇冒系统（冒口）清除掉。检验、补焊、正火或退火或时效。三、铸造工艺图完整的铸造工艺图包括：铸件(毛坯)图，模型(型盒)图，砂型合箱图。其中主要示铸件图和模型图。在绘制铸造工艺图时先考虑下面三个问题：1.铸件在浇注时的位置的选择。图10-17、图10-18、图10-6.7、图10-19、图10-20。1.浇注位置的选择浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。(1)铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面三、铸造工艺图(3)应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置(2)对于一些需要补缩的铸件，为防止铸件产生缩孔、缩松的缺陷，应使铸件较厚的部位放在铸型的上部或侧面。(4)铸件的大平面应朝下2.分型面的选择(1)分型面应选在铸件的最大截面处。(2)应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。①②上下中(3)应尽可能减少活块和型芯的数量，注意减少砂箱高度。(4)应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。3.工艺参数的确定(2)机械加工余量(1)铸造收缩率通常灰铸铁为0.7~1.0%，铸造碳钢为1.6~2.0%，铝硅合金为0.8~1.2%，锡青铜为1.2~1.4%。在铸件加工表面上留出的、准备切去的金属层厚度。机器造型铸件精度高，余量小；手工造型误差大，余量也大。灰铸铁加工余量小，铸钢加工余量大。(3)拔模斜度(4)铸造圆角圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/4(5)型芯头型芯头的作用：定位、支撑和固定砂芯生产批量最小铸出孔直径灰口铸铁件铸钢件大量生产成批生产单件、小批生产12～1515～3030～5030～5050(6)最小铸出孔及槽4.铸造工艺图特种铸造金属型铸造离心铸造压力铸造熔模铸造低压铸造挤压铸造陶瓷型铸造10.3特种铸造一、熔模铸造熔模铸造又称精密铸造，是用蜡料制成模样，然后蜡模表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。1.熔模铸造的工艺过程母模压型蜡模组结壳脱蜡单个蜡模焙烧、浇注2.熔模铸造的特点和适用范围(1)铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11~IT13，表面粗糙度Ra值达1.6~12.5μm。(2)合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。(4)可铸出形状较复杂的铸件。(3)生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。(5)工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。液态金属浇入金属型铸件获得1.金属型铸件的工艺特点材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢。金属型的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等。二、金属型铸造应用：它最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量生产。金属型铸造注意问题(2)加强金属型的排气(3)在金属型的工作表面上喷刷涂料(1)预热金属型并控制其温度(4)及时开型(5)防止铸铁产生白口组织2.金属型铸造的特点及适用范围(2)金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。(3)铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精度达IT12~IT16，Ra值平均可达6.3~12.5μm。(1)实现了“一型多铸”，生产率高，劳动条件得到改善。(4)金属型制造成本高、周期长；铸件不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生气孔、应力、裂纹、浇不足、冷隔、白口等铸造缺陷。应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。三、压力铸造液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。1.压铸机和压铸工艺过程2.压力铸造的特点和适用范围(1)铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为IT11~IT13级，Ra为3.2~0.8μm。(2)铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高25~30%，但伸长率有所下降。(3)可压铸出形状复杂的薄壁件。(4)生产率高。国产压铸机每小时可铸50~150次，最高可达500次。(5)便于采用镶嵌法。(6)压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。(7)由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。(8)压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。应用：主要用于中小型的、低熔点的锌、铝、镁及铜等有色合金铸件的大批量生产。四、离心铸造将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下填充铸型并凝固成形的铸造方法。离心铸造的铸型分为金属型和砂型两种离心铸造的特点：(1)工艺过程简单。(2)力学性能较好。(3)便于铸造“双金属”铸件。(4)合金的种类几乎不受限制。应用：主要用于大批量中空件的生产。(5)内表面质量差，孔的尺寸不易控制。020406080100120铸件精度生产率毛坯利用率铸件尺寸砂型铸造熔模铸造金属型铸造压力铸造离心铸造10.4常用合金铸件生产特点一、铸铁件铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-4.0%）的铁碳合金。根据铸铁在结晶过程中石墨化程度不同，铸铁分为3类：灰口铸铁、白口铸铁和麻口铸铁。(1)灰铸铁件的生产特点1）灰铸铁一般在冲天炉中熔炼，成本低廉；2）具有良好的铸造性能,一般不需设置冒口和冷铁。1.灰铸铁冲天炉的燃料为焦碳；金属炉料有：生铁（铁矿石经高炉冶炼后的铁碳合金块）、回炉铁（废铸件、浇冒口）、废钢（机加工车间的钢料头和钢切屑）、铁合金；熔剂为石灰石和萤石。2.球墨铸铁球化剂（稀土镁合金）加入量一般为铁水重量的1.0-1.6%。球化剂的作用：促使石墨在结晶时呈球状析出。(1)球化处理常用的孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.4-1.0%。(2)孕育处理孕育剂的作用：促进铸铁石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。1)含碳量高，接近共晶成分，流动性与灰铸铁相近。(3)