金属工艺学文本教案

1《金属工艺学》授课教案2上编第一章铸造铸造：液态金属自重或压力铸型冷却、凝固铸件铸造特点：优点：1．具有较强的适应性性材料材质：不限，特别是脆结构：复杂外形、内腔～壁厚：尺寸：几毫米～十几米重量：几克～几百吨mmm12.02．铸件成本低原材料：来源广、价格低、投资少、易生产铸件：机械加工量相对较小，成本低缺点：1．废品率较高，生产过程难以控制；2．铸件力学性能较差，3．砂型铸造铸件精度较差。§1.1铸造工艺规程制定（一）铸造性铸造性:金属在铸造成形过程中所表现出的能力，主要取决于金属充型能力和收缩。一、充型能力液态金属充填铸型型腔的能力（液态金属流入型腔、液态金属准确清晰复制出型腔结构）影响因素：（1）金属成分（流动性）纯金属和共晶成分金属，在恒温下结晶，充型能力好。见图2.18。（2）温度和压力温度越高，原子动能越大，保持液态时间越长，传给铸型热量越多，减小铸型对金属的激冷作用，充型能力强。提高压力，改变压力场可显著改善金属的充型能力。（3）铸型填充条件a．铸型蓄热能力：铸型从金属中吸收和储存热量的能力铸型材料导热系数和比热越大，对液态金属激冷能力越强，金属充型能力就越差。如金属型，浇不足图2.18合金成分对充型的影响3b．铸型温度：影响液态金属冷却速度温度高，充型能力强，金属型和熔模铸造，预热铸型c．铸型排气能力：透气性↑，充型能力↑措施：扎气孔、加木屑，远离浇口的最高部位开设气口二、收缩铸件凝固过程中，温度变化很大，必然会引起收缩。后果：①缩孔、缩松（液态→固态）②热应力、机械阻碍应力（固态）③变形、开裂预防措施：①控制凝固方式，有效补缩——顺序凝固，易产生缩孔处加冒口②加冷铁，改变局部凝固速度。（二）铸造工艺规程制定工艺规程包括：铸造方法、绘制铸件工艺图、选择工艺参数等。其核心内容：绘制铸件工艺图（在零件图上用各种各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形）。一、选择浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。确定原则如下：（1）铸件重要工作面或主要加工面应朝下或呈侧立状态防止砂眼、气孔、夹渣等缺陷（缩孔）朝下：图4.1侧立：图4.2（2）铸件大平面或薄壁结构应朝下或呈侧立状态防止砂眼、气孔、夹渣及夹砂和浇不足朝下：图4.3侧立：图4.4（3）浇注位置应有利于补缩、防止产生缩孔将铸件厚大部分置于铸件的上部位置，以便安放冒口，实现自下而上的顺序凝固，图4.2二、确定分型面：铸型间的接触表面确定原则如下：（1）应能方便、顺序地取出模样或铸件一般选在铸件地最大横截面处（2）应尽量与浇注位置一致，并尽量满足浇注位置的要求（图4.5）（3）分型面应避免曲折，数量应少，最好是一个且为平面，机器造型时，分型面只能有一个（图4.6）（4）应尽量使型腔全部或大部分置于同一个砂型内，最好使型腔或使加工面与基准面位于下型中。（5）应使型芯数量少，并便于安放和稳定。图4.1车床床身浇注位置图4.2起重机卷筒浇注位置图4.3大平面铸件浇注位置图4.4薄件浇注位置图4.5伞齿轮分型面方案图4.6三通铸件分型面方案4三、确定工艺参数1.机械加工余量：铸造时在零件的加工表面增加的供切削加工用的余量。2.拔模斜度为便于把模样（或型芯）从砂型中（或从芯盒中）取出，铸件上垂直分型面的各个侧面应具有的斜度。拔模斜度在铸造工艺图中标出，其大小取决于立壁的高度、造型方法、模样材质和该侧面在型腔中的所处位置。通常在15′～3°，见图4.83.型芯及型芯头型芯：铸件孔形和各种内腔，简化模样的外形，铸出铸件上局部妨碍拔模的凸台、凹槽等结构。按照在型腔中所处的状态，一般分为水平型芯和垂直型芯。型芯头：浇注时不与液体金属接触，起到定位、支撑型芯及导引型芯中气体排出的作用。§1.2铸造方法按铸件的成形条件和制备铸型的材料不同，铸造方法可以分为：砂型铸造、熔模铸造、压力铸造、金属型铸造、离心铸造、低压铸造、陶瓷型铸造等。砂型铸造是普遍采用的方法，其他方法都属于特种铸造。一、金属型铸造用金属材料（铸铁或钢）制造铸型生产铸件的方法。亦称永久型铸造（可使用上千次）。按分型面的状态，金属型可分为水平式、垂直式和复合式。见图4.11金属材料导热速度快、无退让性，无透气性，耐火性比型砂差等，易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。由于金属型反复受灼热金属液的冲刷，寿命会降低，应采用相应的工艺措施。1.喷刷涂料：导热能力较强的耐火材料（氧化锌、石墨料）作用：①隔绝液态金属与金属型型腔的直接接触，方便铸件出型。②避免高温液体金属直接冲刷金属型腔表面，减弱液体金属对铸型热冲击的作用，延长铸型的使用寿命。③减缓铸件的冷却速度，防止铸件产生裂纹和白口组织等缺陷。2.保持合适的工作温度既对金属型要预热才能使用，预热温度为铸铁件250～350℃、有色金属件100～250℃。预热的目的是减缓铸型对金属的激冷作用，利于金属液的充型和避免产生浇不足、裂纹或白口缺陷，减小所浇金属与铸型的温差，提高铸型的寿命。3.控制开型时间浇注后开型太晚，铸型会阻碍铸件收缩而使其产生裂纹，增大取件和抽出型芯的难度，对灰口铸铁还将增厚白口层。图4.11铸造铝活塞简图图4.8拔模斜度5但开型过早也会影响铸件成形和使铸件变形过大。通常开型时间为10～60秒，大多通过实验确定合适的开型时间。4.浇注灰口铸铁件要防止产生白口组织铸铁件壁厚应大于15mm。铁水中的碳、硅总量应高于6%，涂料中应掺有硅铁粉，以使铸件表面的含硅量稍高而减弱白口倾向。从铸型中取出铸件后，应放入缓冷环境（如干砂坑、草灰坑或保温炉）中冷却。金属型铸造的特点和应用：优点：①节省造型材料、设备及工时，可“一型多铸”，便于自动化生产，生产效率高；②金属型冷却速度快，获得铸件的组织致密，晶粒细小，力学性能好，较砂型铸件的强度提高约20%；③铸件尺寸精度高，公差等级为IT12~IT16，表面粗糙度较低，Ra12.5μm。缺点：铸型制造周期长、成本高、工艺参数要求严格，易出现大量同一缺陷的废品等缺点。应用：主要用于熔点较低的有色金属的大批量生产铸件，如飞机、汽车、内燃机等用的铝合金活塞、汽缸体、汽缸盖、水泵壳体及铜合金轴瓦、轴套等。黑色金属类铸件只限于形状简单的中、小型铸铁件。二、熔模铸造（精密铸造、失蜡铸造）采用易熔的蜡料制成模样来生产铸件的工艺方法。该法制作的铸型无分型面，从而提高了铸件的精度，故又称为“精密铸造”。生产过程中模样主要由蜡质材料来制造，经熔化从铸型中流出，故又称为“失蜡铸造”。1.模样及铸型材料用来制造模样的易熔材料有蜡基模料、树脂（松香）基模料、含水无机盐模料及水银模料等。目前工业生产中主要采用前两种模料制造模样。2.工艺过程（图4.12）（1）蜡模制造（图4.13）①压型制造：压型是制造蜡模的专用模具。高精度、大批量时采用钢、铜或铝制造。小批量时采用低熔点合金、塑料或石膏。②蜡模压制：将配好的模料加热成糊状后，以2～3个大气压的用压力注入压型，待其冷却、凝固后取出。③蜡模组装：将若干个带有内浇口的单个蜡模粘接在直浇口棒上，形成蜡模组，以提高生产率。（2）结壳：在蜡模组上涂挂耐火材料，以制成一定强度的耐火型壳过程。①浸挂涂料：把蜡模放在由石英粉、粘结剂（水玻璃、硅酸乙酯等）组成的糊状混合物中浸泡，使涂料均匀地覆盖在模组表层，使型腔获得光洁的内表面。②撒砂，在已浸渍涂料的蜡模组上，均匀地撒上一层石英砂。为使型壳迅速增厚，撒砂时，第一、二层所用砂的粒度较细，后面几层所用砂的粒度较粗。③硬化，撒砂后，为使耐火材料层结成坚固的型壳，需要进行硬化处理。硬化后应在空气中干燥。为使型壳具有较高的强度，上述结壳过程要重复多次，以便形成5～10mm厚的硬化耐火型壳。图4.13蜡模制造6（3）脱蜡：取出蜡模以形成铸型空腔。热水法：将结壳后的蜡模浇口朝上浸泡在热水中（一般85～95℃），使其中的蜡料熔化，浮在水面；高压蒸汽法：将型壳浇口朝下放在高压釜内，向釜内通入0.2～0.5MPa的高压蒸汽，使蜡料熔出。模样为树脂基时，无需脱蜡过程，而是在焙烧过程中将模样燃烧掉。（4）焙烧将脱蜡后的型壳送入加热炉内，加热到800～1000℃进行焙烧，以去除型壳中的水分、残余蜡料及其他杂质，还能增大型壳强度。（5）填砂造型：将脱蜡后的型壳置于铁箱中，周围用粗砂填实以加固型壳，防止浇注时型壳变形或开裂。图4.14（6）浇注：焙烧出炉后趁热（600～700℃）浇注，以提高铸造合金的充型能力，同时也防止浇不足、冷隔等缺陷。（7）落砂及清理：铸件冷却凝固之后，打碎型壳，取出铸件，并用氧乙炔焰切除浇、冒口，清理毛刺。3.熔模铸造的特点及适用范围：（1）铸型没有分型面，型腔表面极为光洁，起模过程无振动，型腔变形很小，故铸件精度及表面质量好；（2）铸型在预热（600～700℃）后浇注，可生产出形状复杂的薄壁件（最小壁厚可达0.7mm）；（3）适用各种合金的铸造，结壳材料耐火度高，可浇注高熔点合金及难切削合金如（高锰钢、耐热合金等）；（4）生产批量不受限制，既适应成批生产，又适应单件生产；（5）原材料价格昂贵，工艺过程复杂，生产周期长，铸件成本高，铸件尺寸、重量受限。适用范围：（1）高熔点合金精密铸件的成批、大量生产。（2）形状复杂、难以切削加工的小零件。三压力铸造（压铸）液态金属5～150MPa(高压)铸型压力下结晶铸件0.001～0.2S（快速）1.压铸机及压铸工艺过程压铸机可分为热压室式和冷压室式两大类。热室式压铸机压室与合金熔化炉成一体或压室浸入熔化的液态金属中，用顶杆或压缩空气产生压力进行压铸。热压室式压铸机压力较小，压室易被腐蚀，一般只用于铅、锌等低熔点合金的压铸，生产中应用较少。冷室式压铸机压室和熔化金属的坩埚是分开的。压铸机结构简单，生产率高，液体金属进入型腔流程短，压力损失小，故使用较广。冷室式卧式压铸机工艺过程,见图4.15：（1）注入金属喷刷涂料→闭合压型→液态金属经压室上的注液孔注入压室。图4.14待浇注的铸型图4.15冷室式压铸机7（2）压铸压射冲头向前推进，金属液压入压型中，保压、凝固（3）取出铸件铸件凝固后，型腔两侧型芯同时抽出→动型左移开型→铸件被冲头顶离压室→铸件被顶杆顶出动型2.压铸的特点和适用范围（1）精度和表面质量高于其他铸造方法，少、无切削加工。（2）压铸件强度、硬度较高，力学性能好（3）可压铸出形状复杂的薄壁件，镶嵌件，最小壁厚0.4mm（4）生产率很高（5）设备投资高，铸型制造周期长适合压铸的合金种类有限，压铸件不能采用热处理改性，不能承受冲击载荷适用范围：大批量的有色金属铸件，缸体、齿轮、箱体、支架等四．低压铸造低压铸造是介于重力铸造（如砂型、金属型铸造）和压力铸造之间的一种铸造方法。液态合金在压力作用下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶形成铸件的工艺过程。所用压力较低，一般为0.02～0.07MPa。1.工艺过程密闭的保温坩埚用于熔炼与储存金属液体，垂直的升液管使金属液与铸型朝下的浇口相通，铸型可用砂型、金属型等，其中金属型最为常用，但金属型必须预热并喷刷涂料。浇注前紧锁上半型，浇注时，先缓慢向坩埚室通入压缩空气→金属液在升液管内平稳上升，直至充满铸型→升压到所需压力（工作压力）→保压、凝固结晶→撤压，升液管和浇口中未凝固的金属液体在重力作用下流回坩埚内→由气动装置开启上型→取出铸件。见图4.17。2.低压铸造的特点和适用范围（1）充型时的压力和速度便于控制和调节，充型平稳，液体合金中的气体较容易排出，气孔、夹渣等缺陷较少；（2）低压作用下，升液管中的液态合金源源不断地补充铸型，有效防止了缩孔、缩松的出现，尤其是克服了铝合金的针孔缺陷；（3）省掉了补缩冒口，使金属利用率提高到90～98%；（4）铸件组织致密、力学性能好；（5）压力提高了液态合金的充型能力，有助于大型薄壁件的铸造。适用范围：主要用于质量要求较高的铝、镁合金铸件的大批量生产，如气缸、曲轴、高速内燃机活塞、纺织机零件等。五．离心铸造将液态金属浇入高速旋转（250～1500r/min）的铸型中，使金属液体在离心力作用下充填铸型，图4.17低压铸造图4.18圆筒件的离心铸造8以获得铸件