铸造生产工艺

热加工基础——张虎《热加工基础》第一章铸造生产三院制造系热加工基础——张虎第一章铸造第一节合金的铸造性能第二节常用合金铸件的生产第三节砂型铸造第四节特种铸造第五节零件结构的铸造工艺性热加工基础——张虎铸造概念引言1、何为铸造？熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法，称为铸造。图1砂型铸造热加工基础——张虎2、铸造优缺点优点：1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右。3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。热加工基础——张虎缺点：1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。热加工基础——张虎铸造产品图2铸造产品热加工基础——张虎铸造技术的应用我国铸造生产有着悠久的历史。早在三千多年前，青铜铸器已有应用，二千五百年前，铸铁工具已经相当普遍。例如，始建于公元856年的河北正定隆兴寺内的铜佛菩萨，高22m余，42臂，重120t，是我国古代最大的佛像，且造型生动逼真，是一尊难得的佛教艺术珍品；热加工基础——张虎再如制造于公元953年的河北沧州铁狮子，身高5.4m,长6.5m,宽3m,重40t,颈下及体外铸有“狮子”“大周广顺二年铸”等字样，腹内还铸有金刚经文，雄伟壮观，具有极高的艺术价值，充分体现了我国古代劳动人民精湛的铸造技艺。大量历史文物显示出我国古代劳动人民在世界铸造史上作出的卓越贡献，如泥型、金属型、失蜡型三大铸造技术就是我国的创造。热加工基础——张虎第一节合金的铸造性能铸造性能是合金在铸造生产中所表现出来的工艺性能，它是合金的流动性、收缩性、偏析和吸气性等性能的综合体现。其中流动性和收缩性对铸件的质量影响最大。热加工基础——张虎铸造性能内容包括:1、流动性和充型能力2、合金的凝固与收缩3、铸造合金的偏析和吸气性热加工基础——张虎（一）合金的流动性1、流动性流动性是指熔融金属的流动能力。它是影响熔融金属充型能力的因素之一热加工基础——张虎流动性对铸件质量的影响流动性好的合金，易于充满薄而复杂的铸型型腔，便于浇注出轮廓清晰的铸件，减少浇不到、冷隔等缺陷；有利于液体金属中气体和非金属夹杂物的上浮与排出，减少气孔、夹杂缺陷的产生；有利于对合金冷凝过程中所产生的收缩进行补缩，从而减少铸件中诸如缩孔、缩松及凝固后期所产生的热裂纹等铸造缺陷。因此，在铸件设计、选择合金和制定铸造工艺时，常常需要考虑合金的流动性。热加工基础——张虎流动性的评价标准：合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。热加工基础——张虎流动性螺旋形式样热加工基础——张虎流动性的影响因素流动性是合金本身的属性，其影响因素很多，主要包括合金的种类、成分、结晶特征及其它物理性能。1）合金的种类不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。热加工基础——张虎常用合金流动性热加工基础——张虎2）化学成分和结晶特征纯金属和共晶成分的合金，凝固是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好，见图3a。图3不同结晶特征的合金的流动性热加工基础——张虎在一定凝固温度范围内结晶的亚共晶合金，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差，见图3b。图3不同结晶特征的合金的流动性热加工基础——张虎铁碳合金的流动性与相图的关系见图4。图中表明，纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加，其流动性变差。图4铁碳合金的流动性与相图的关系热加工基础——张虎合金液的粘度、结晶潜热、热导率等物理性能对流动性都有影响如高铬耐热钢钢液因含较多的Cr2O3，使粘度显著增大，流动性很差。热加工基础——张虎铁碳合金相图热加工基础——张虎（二）合金的充型能力1.充型能力考虑铸型及工艺因素影响的熔融金属流动性叫合金的充型能力。即液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。合金的流动性是金属本身的属性，不随外界条件的改变而变化，而合金的充型能力不仅和金属的流动性相关，而且也受外界因素的影响。热加工基础——张虎若充型能力不足产生的缺陷：若充型能力不足，已形成的晶粒可能将金属流动的通道堵塞，产生浇不到、冷隔等类缺陷，造成废品。热加工基础——张虎2.充型能力的影响因素合金的流动性对充型能力的影响最大，此外，铸型和工艺条件也会改变合金的充型能力。热加工基础——张虎1）铸型填充条件铸型的阻力将阻碍合金液的流动铸型与合金液之间的热交换又将影响合金保持流动的时间故铸型对充型能力有显著影响热加工基础——张虎a）铸型的蓄热能力即铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金的充型能力就越差。如金属型铸造较砂型铸造容易产生浇不到等缺陷。热加工基础——张虎b）铸型温度提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差，进而减缓了冷却速度，可提高合金液的充型能力。c）铸型中的气体铸型中气体越多，合金的充型能力就越差。热加工基础——张虎2）浇注条件a)浇注温度浇注温度对合金的充型能力有着决定性的影响。在一定范围内，随着浇注温度的提高，合金液的粘度下降，且在铸型中保持流动的时间增长，充型能力增加。对薄壁铸件或流动性较差的合金，为防止浇不到和冷隔等缺陷的产生，可适当提高浇注温度。热加工基础——张虎浇注温度过高的缺陷：浇注温度过高，液态合金的收缩增大，吸气量增加，氧化严重，容易导致产生缩孔、缩松、气孔、粘砂、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，尽量降低浇注温度。热加工基础——张虎常用金属浇铸温度：灰铸铁的浇注温度为1230°C-13800°C，铸钢为1520°C-1620°C铝合金为680℃-780°C。复杂薄壁件取上限，厚大件取下限。热加工基础——张虎b）充型压力液态合金在流动方向上所受的压力越大，其充型能力越好。砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力取得的，故增加直浇道的高度可有效地提高充型能力。特种铸造中（压力铸造、低压铸造和离心铸造等），是用人为加压的方法使充型压力增大，充型能力提高。浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力就越低。热加工基础——张虎3）铸件结构铸件的结构对充型能力也有相当的影响。铸件壁厚过小，壁厚急剧变化，结构复杂，有大的水平面时，都将会影响合金的充型能力。充型能力低。改善充型能力的措施:选用流动性好的合金，提高浇注温度和压头、合理设计浇注系统和改进铸件结构。热加工基础——张虎二合金的凝固与收缩浇入铸型的金属液在其后的冷却凝固过程中，体积将会缩减。如果这种收缩得不到及时地补足，将在铸件中产生缩孔或缩松缺陷。常见缺陷：铸件缩孔或缩松、热裂、析出性气孔、偏析、非金属夹杂等缺陷热加工基础——张虎（一）铸件的凝固方式及影响因素1.铸件的凝固方式铸造合金大都在一定温度范围内（状态图中的液相线到固相线之间）结晶凝固。凝固过程中的三区域：液相区、固相区和液固两相区（又称凝固区）凝固区对铸件质量的影响最显著根据液固两相区的宽窄将铸件的凝固方式分为：逐层凝固方式、糊状凝固方式和中间凝固方式。热加工基础——张虎（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中，其铸件断面上的凝固区域宽度趋于零，其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。热加工基础——张虎逐层凝固方式的优点呈逐层凝固方式的合金，其凝固前沿与液态金属接触（或凝固区域很窄），凝固阶段发生的收缩能及时得到液体的补足，故易获得组织致密的铸件；如果凝固层因收缩受阻而产生了晶间裂纹，也很容易得到未凝固金属液的填补而弥合起来，从而大大减少了铸件的热裂缺陷；呈逐层凝固方式的合金，具有良好的流动性，便于浇注出轮廓清晰的铸i件。热加工基础——张虎铸件凝固方式热加工基础——张虎（2）糊状凝固方式条件：如果合金的凝固温度范围很宽，或铸件断面温度曲线较平坦，则其凝固区很宽，甚至在铸件凝固的某段时间内，液固并存的凝固区贯穿整个铸件断面。合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。热加工基础——张虎糊状凝固方式缺陷呈糊状凝固的铸件在铸件中留下了许多分散的小孔洞（缩松）。呈糊状凝固方式的合金难以获得组织致密的铸件糊状凝固的合金树枝晶较发达，且过早地连成骨架，并开始线收缩，铸件易产生热裂液体中较发达的枝晶增大了流动阻力，使合金的流动性降低。热加工基础——张虎凝固方式热加工基础——张虎（3）中间凝固方式大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。热加工基础——张虎图5铸件的凝固方式凝固方式热加工基础——张虎2.凝固方式的影响因素影响铸件凝固方式的主要因素是合金的凝固温度范围和铸件结晶时的温度梯度。热加工基础——张虎（1）合金凝固温度范围的影响合金的液相线和固相交叉在一起，或间距很小，则金属趋于逐层凝固；如两条相线之间的距离很大，则趋于糊状凝固；如两条相线间距离较小，则趋于中间凝固方式。凝固区域的宽度取决于合金的凝固温度范围铸件的温度梯度由合金的化学成分确定纯金属或共晶成分合金为逐层凝固热加工基础——张虎温度梯度是凝固方式的重要调节因素逐层凝固措施：加大铸型的蓄热能力和激冷能力以及降低金属液的浇注温度，都可以增大铸件断面的温度梯度。结论：倾向于逐层凝固的合金便于铸造，容易生产出优质铸件，故应尽量选用；当必须选用倾向于糊状凝固的合金时，则可考虑采用适当的工艺措施，提高铸件断面的温度梯度，以减小其凝固区域。热加工基础——张虎（二）铸造合金的收缩铸造合金从液态冷却到室温的过程中，其体积和尺寸缩减的现象称为收缩。收缩是铸造合金的物理性能，是多种铸造缺陷（缩孔、缩松、残余内应力、变形、裂纹）产生的基本原因。合金的收缩量通常用体收缩率或线收缩率来表示热加工基础——张虎热加工基础——张虎冷却收缩经历如下三个阶段：1.液态收缩金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。铸造合金的浇注温度一般控制在高于液相线50℃-150℃。2.凝固收缩熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。3.固态收缩金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。热加工基础——张虎（三）影响合金收缩的因素合金的总体积收缩为液态收缩、凝固收缩和固态收缩之和主要影响因素有合金的化学成分、浇注温度、铸型结构和铸型条件等。•1.化学成分不同成分的合金其收缩率一般也不相同。•石墨质量体积大，使铸铁体积膨胀•在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小热加工基础——张虎铁碳合金的体积收缩率热加工基础——张虎•2.浇注温度•合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。3.铸件结构与铸型条件•铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。热加工基础——张虎（四）收缩对铸件质量的影响1.缩孔和缩松铸件凝固过程中，其液态收缩和凝固收缩所减少的体积