金属加工工艺学 第二篇

第二章 金属液态成形 (铸造 ) 一 、 什么是铸造生产 （ 液态成形 ） 将 液态金属 浇注到与零件形状相适应的 铸型型腔 中 ， 待其冷却凝固 ， 以获得 毛坯或零件 的生产方法 。 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 二 、 砂型铸造的工艺过程 浇注 冷却 凝固 （ 1） 材料来源广； （ 2） 废品可 重熔； （ 3） 设备投资低 。 三 、 铸造生产的特点 1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。 如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。 （ 1）合金种类不受限制； （ 2）铸件大小几乎不受限制。 2适应性强： 3成本低： 4 废品率高 、 表面质量较低 、 劳动条件差 。 四羊方尊 （公元前 1311世纪） 青铜 高 58.3CM 曾侯乙尊盘 公元前 476年 公元前 4世纪上半叶 第一节 金属液态成形（铸造）工艺原理 充型能力不足时 ， 会产生 浇不足 、 冷隔 、 夹渣 、 气孔 等缺陷 。 一 、 液态合金的流动性 合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力 。 充型 液态合金填充铸型的过程。 充型能力 液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的铸件（成形件）的能力。 1-1 液态金属的充型能力与流动性 0.45%C 铸钢： 200 出气口 浇口杯 4.3%C 铸铁： 1800 合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点 影响流动性的因素： a）在恒温下凝固 b）在一定温度范围内凝固 Pb Sb 20 40 60 80 20 40 60 80 0 流动性（cm）100 200 300 温度（）0 1.合金的化学成分 （ 3）浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力 越大，充型能力越差。 二、浇注条件 （ 1）浇注温度 一般 T浇 越高，液态金属的充型能力越强。 （ 2）充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。 2.合金的物理性质 合金的黏度、导热系数、结晶潜热、热容、密度等 （ 2）铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。 （ 3）铸型中的气体 铸型有一定的发气能力，能在金属液与铸型之间形成气膜，可减小流动的摩擦阻力，有利于充型。 三、铸型充填条件 （ 1）铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储存在本身的能力。 （ 2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。 四、铸件的结构 （ 1）铸件的折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，是 铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充 型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易 充填。 1-2 液态合金的凝固与收缩 a b一、铸件的凝固方式 1. 逐层凝固 2. 糊状凝固 3. 中间凝固 影响铸件凝固方式的主要因素 ： （ 1）合金的结晶温度范围 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。 表层 中心 固相线 液相线 成分 温度表层 中心 液 固 液 c表层 中心 S 温度液相线 固 凝固区 （ 2）铸件的温度梯度 在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄 。 表层 中心 S 温度成分 温度S1 T1 T2 二、合金的收缩 1. 收缩的概念 T浇 T液 T固 T室 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 。 T浇 T液 体收缩率是铸件产生 缩孔或缩松 的根本原因。 %100铸件铸件铸型VVVV%1 0 0铸件铸件铸型LLLL体收缩率： 线收缩率： 线收缩率是铸件产生 应力、变形、裂纹 的根本原因。 （ 3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 T室 （ 2） 凝固收缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩 。 T液 T固 2. 缩孔与缩松 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则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 。 1)缩孔和缩松的形成 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”，在最后凝固的地方放置冒口进行补缩。 冒口 冒口 储存补缩用金属液的空腔。 顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固。 冷铁 热节 寻找热节的方法 等温线法 内切圆法 冷铁 同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。 热节 1-3 铸造内应力及铸件的变形、裂纹 一、铸造内应力 铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其 固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力 。 1.机械应力（收缩应力） 合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。 机械应力是暂时应力。 上型 下型 2热应力 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。 t T 1 2 t0 t1 t2 t3 TH T临 T室 t0t1: 塑性状态 弹性状态 1 2 + - t1t2： t2t3： 1 2 -+ 1 2 热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸 ， 薄壁或表层受压缩 。 热应力是永久应力 。 二、铸件的变形与防止 + - 反变形法 防止变形的方法： 1）使铸件壁厚尽可能均匀； 2）采用同时凝固的原则； 3）采用反变形法。 三、铸件的裂纹与防止 1 热裂 热裂的形状特征是： 裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。 热裂的防止： 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量， 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。 第二节 常用铸造合金及其熔炼 2-1 铸铁件的生产 铸铁是含碳量大于 2.11%（ 通常为 2.5%-4.0%） 的铁碳合金 。 3 麻口铸铁： 组织中既存在石墨 、 又有莱氏体 ， 是白口和灰 口之间的过渡组织 ， 因断口处有黑白相间的麻 点 ， 故而得名 。 根据碳在铸铁中 存在形式 的不同，铸铁可分为： 1.白口铸铁 ： 碳全部以 Fe3C的形式存在，断口呈银色 。 由于白口铸铁具有 良好的耐磨性 ，所以有时也用来制造一些耐磨件，如轧辊、粉碎机锤头、衬板、球磨机磨球和犁铧等。 2 灰口铸铁： 碳大部或全部以 石墨 形式存在 ， 断口呈暗灰色 。 4 蠕墨铸铁 ： 其石墨呈蠕虫状 。 如图 d所示 。 a b c d 根据铸铁中 石墨形态 的不同， 灰口铸铁 又可分为： 1普通灰口铸铁 ： 简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图 a所示。 2可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图 b所示。 3 球墨铸铁： 其石墨呈球状 。 如图 c所示 。 一、影响铸铁组织和性能的因素 1、化学成分 碳 是形成石墨的元素，也是促进石墨化的素 。含碳愈高，析出的石墨愈多、石墨片愈粗大。 硅 是强烈促进石墨化的元素 ，随着含硅量的增加，石墨显著增多。 所以：当铸铁中 碳、硅含量均高 时，析出的石墨就愈多、愈粗大，而金属基体中铁素体增多，珠光体减少。 铸铁中的碳可以以 化合态 渗碳体 和 游离态 石墨 两种形式存在。 碳 以 石墨 形式析出的现象称为 石墨化 。 1）碳和硅 3）锰 所以： 硫含量限制在 0.1-0.15%以下，高强度铸铁则应更低。 使铸铁铸造性能恶化（如降低流动性，增大收率）。 锰是弱阻碍石墨化元素 ，具有稳定珠光体，提高铸铁强度和硬度的作用。 MnS 一般控制在 0.61.2%之间 4）磷 磷对铸铁的 石墨化 影响不显著。 含磷过高将增加铸铁的冷脆性。 限制在 0.5%以下，高强度铸铁则限制在 0.20.3%以下。 2）硫 硫是强烈阻碍石墨化元素 。 硫量高 易促使 碳 以 Fe3C 白口组织 ； 硫量高 热脆性； 2冷却速度 在实际生产中 ， 一般是根据铸件的壁厚 （ 主要部位的壁厚 ） ，选择适当的化学成分 （ 主要指碳 、 硅 ） ， 以获得所需要的组织 。 由此可知：随着壁厚的增加，石墨片的数量和尺寸都增大，铸铁强度、硬度反而下降。这一现象称为壁厚（对力学性能的）敏感性。 1）铸型材料 2）铸件壁厚 铸件壁愈厚，冷却速度愈慢，则石墨化倾向愈大，愈易得到粗大的石墨片和铁素体基体。 铸铁壁厚（ mm） 10 20 30 40 50 60 70 4.0 5.0 6.0 7.0 （w C+wSi）%白口铸铁 灰口铸铁 白口铸铁： 灰口铸铁： 麻口铸铁： P+Fe3C+Ld P+Fe3C+G+Ld 珠光体灰口铸铁 ： 铁素体灰口铸铁： 珠光体 +铁素体灰口铸铁： P+G片 P+F+G片 F+G片 二、灰口铸铁 （一）灰口铸铁的化学成分、组织和性能 1 灰口铸铁的化学成分与组织 灰口铸铁的化学成分一般为： 2.63.6%C， 1.23.0%Si， 0.41.2Mn， S0.15% ， P0.3% 。 1) 铁素体灰口铸铁（ F+G片 ） ： 这种铸铁抗拉强度和硬度低，易加工，铸造性能好。常用来制造性能要求不高的铸件和一些薄壁件。 2) 铁素体 -珠光体灰口铸铁（ F+P+G片 ）： 此种铸铁强度亦较低，但可满足一般机件要求，且其铸造性能、切削加工性能和减振性较好，因此应用较广。 3) 珠光体灰口铸铁（ P+G片 ）： 这种铸铁强度和硬度较高，主要用来制造较为重要的机件。 2 灰口铸铁的性能 2） 良好的减振性 3）良好的耐磨性 4）低的缺口敏感性 1）力学性能： b=120-250Mpa， 仅为钢件的 20-30%， 0 （二）灰口铸铁的孕育处理 灰口铸铁的组织和性能，很大程度上取决于石墨的数量、大小和形态。 差 0 50 150 50 100 100 150 150 表面 表面 中心 160 140 170 180 硬度HB孕育处理 熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的 孕育剂 ，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。 孕育铸铁： P细 +G细片 b=250-400Mpa， HB=170-270， 0 冷却速度对其组织和性能的影响很小。 常用的孕育剂为含硅 75%的硅铁，加入量为铁水重量的 0.25-0.6%。 孕育铸铁适用于静载荷下，要求较高强度、硬度、耐磨性或气密性的铸件，特别是 厚大截面铸件 。如重型机床床身，汽缸体、缸套及液压件等。 必须指出： 孕育铸铁原铁水的碳 、 硅含量不能太高； 原铁水出炉温度不应低于 1400 ； 经孕育处理后的铁水必须尽快浇注 ， 以防止孕育作用衰退 。 （三）灰口铸铁的工艺性能 3 锻造性和焊接性差。 1 良好的铸造性能。 良好的流动性、小的收缩率。 2 良好的切削加工性能。 2 灰口铸铁的牌号选用 灰口铸铁的牌号用汉语拼音“ HT” 和一组数字表示， 数字表示其最低抗拉强度 b （ Mpa）。 1 灰口铸铁件的生产特点 1）灰口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 。 3）灰口铸铁一般不通过热处理来提高其性能。 （四）灰口铸铁生产特点及牌号选用 灰铁 牌 号 组织 用途举例 HT100 F+G片 盖 、 外罩 、 油盘 、 手轮 、 支架 、 底板 、 镶导轨的机床底座等对强度无要求的零件 HT150 F+P+G片 底座、床身、与 HT200相配的溜板、工作台；泵壳、容器、法兰盘 ;工作压力不太大的管件 HT200 F+P+G片 要求高的强度和一定耐蚀能力的泵壳 、 容器 、 塔器 、法兰 、 硝化塔 机床床身 、 立柱 、 平尺 、 划线平板 、 汽缸 、 齿轮 、 活塞 、 刹车轮 、 联轴器盘 、 水平仪框架 压力为 80Mpa以下的油缸、泵体、阀门 HT250 P+G片 HT300 P细 +G细片 床身导轨 、 车床 、 冲床等受力较大的床身 、 机座 、 主轴箱 、 卡盘 、 齿轮 、 高压油缸 、 水缸 、 泵体 、 阀门 、衬套 、 凸轮 、 大型发动机曲轴 、 气缸体 、 气缸盖；冷镦模 、 冷冲模 HT350 P细 +G细片 三、 可锻铸铁 （一）可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用 1 可锻铸铁的组织、性能、牌号及选用 具有良好的塑性和韧性，耐蚀性较高，适于制造承受振动和冲击、形状复杂的薄壁小件，如汽车拖拉机的底盘类零件、各种水管接头、农机件等。 其强度、硬度、耐磨性优良，并可通过淬火、调质等热处理强化。可取代锻钢制造小型连杆、曲轴等重要件。 1）铁素体（黑心）可锻铸铁（ F+G团 ）： 2）珠光体（ P+ G团 ）： 2 可锻铸铁的牌号 可锻铸铁的牌号用汉语拼音和两组数字表示，第一组数字表示其 最低抗拉强度 b （ Mpa）， 第二组数字表示其 最低伸长率 。 KTH300 06 KTZ450 06 可铁黑 可铁珠 b b 牌 号 组织 用 途 举 例 KTH300 06 F+G团 三通、管件、中压阀门 KTH330 08 F+G团 输电线路件 、 汽车 、 拖拉机的前后轮壳 、 差速器壳 、 转向节壳 、 制动器；农机件及冷暖器接头等 。 KTH350 10 F+G团 KTH370 12 F+G团 KTZ450 06 P+ G团 曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮、摇臂、活塞环、轴套、犁片、耙片、闸、万向接头、棘轮、扳手、传动链条、矿车轮 KTZ550 04 P+ G团 KTZ650 02 P+ G团 KTZ700 02 P+ G团 （二）可锻铸铁的生产特点 1.铸出白口坯料 1）碳、硅含量要低。 通常为 2.42.8%C， 0.41.4%Si。 2）冷却速度要快。 2.石墨化退火 920 -980 720 650 Fe3C A+G团 P F+G团 P+G团 F+ G团 t 石墨化退火的总周期一般为 4070小时 高温阶段的石墨化退火时间需 10-20小时 四、球墨铸铁 1球墨铸铁的组织、性能、牌号及用途 1）珠光体球墨铸铁（ P + F少 +G球 ） 正火 其性能特点是： a） 强度高。特别是屈服强度高， 屈、强比（ 0.2/b0.7 0.8） 高于 45号钢 （ 0.2/b0.6) 。 b） 疲劳强度较高 c） 硬度和耐磨性远比高强度灰铸铁高 因此 ， 珠光体球墨铸铁可代替碳钢制造某些受较大交变负荷的重要件，如 曲轴、连杆、凸轮、蜗杆等。 b=600800 MPa ; =2% 我国主要用于代替可锻铸铁制造汽车、拖拉机底盘类零件， 如后桥壳等。国外则大量用于铸管，如上、下水管道及输气 管道等。 2）铁素体球墨铸铁 （ F + P少 +G球 ） 退火 其性能特点： b=450500 MPa ; =17% 球墨铸铁的牌号用汉语拼音“ QT” 和 两组数字表示 ，两组 数字分别表示最低抗拉强度和伸长率。 球铁 牌 号 组织 用 途 举 例 QT400 17 F+G球 汽车、拖拉机底盘类零件，轮毂、驱动桥壳、差速器壳、拨叉、中低压阀门、管道。 QT420 10 F+G球 QT500 05 F+P+G球 机座、传动轴、机车护瓦等。 QT600 02 P+G球 曲轴、凸轮轴、连杆、齿 轮、摇臂、活塞环、轴套、汽缸套、机床蜗轮、蜗杆等 QT700 02 P+ G球 QT800 02 P+ G球 QT1200 01 B下 + G球 汽车后桥螺旋锥齿轮、大减速器齿轮、曲轴、凸轮等 2球墨铸铁的生产 1）控制原铁水化学成分 2）较高的铁水温度 3）球化处理和孕育处理 出炉温度应高于 1400 。 a）应严格控制 S0.07% 、 P0.1% 。 b）适当提高含碳量（ 3.6 4.0%C）， 以改善铸造性能。 稀土镁合金 球化剂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。 a）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%。 b）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 。 球化处理工艺有 冲入法 和 型内球化法 。 铁水 合金球化剂 硅铁粉 铁水包 出铁槽 草木灰 反应室 铸件 冒口 积渣包 4）球墨铸铁的热处理 退火、正火 及其它热处理（淬火、回火等）。 五、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁的性能特点： （ 1）力学性能（强度和韧性）比灰铸铁高，与铁素体球墨 铸铁相近 。 （ 2）壁厚敏感性比灰铸铁小得多。 （ 3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。 （ 4）耐磨性比灰口铸铁好，为 HT300的 2.2倍以上。 蠕墨铸铁主要用来 代替 高强度灰铸铁 、 合金铸铁 、 铁素 体球墨铸铁和铁素体可锻铸铁生产复杂的大型铸件 。 如 大型柴油机机体 、 大型机床立柱等 ， 更适合制造在热循 环作用下工作的零件 ， 如大型柴油机汽缸盖 、 排汽管 、 制动盘 、 钢锭模及金属型等 （ 6）工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削 加工性能近于球墨铸铁。 （ 5） 减振性比球墨铸铁高 ， 但比灰口铸铁低 。 牌号 组织 用 途 举 例 RuT260 F+G蠕 汽车、拖拉机底盘类零件、驱动 桥壳、阀体等 RuT300 F+P+G蠕 排气管、变速箱体、汽缸盖、 纺织零件、液压件等 RuT340 F+P+G蠕 重型机床件、大型齿轮箱体、盖、 刹车鼓、玻璃模具、飞轮等 RuT380 P+G蠕 活塞环、气缸套、制动盘、玻璃模具、刹车鼓、钢珠研磨盘吸泥泵体等 RuT420 P+ G蠕 2-2 铸钢件的生产 一、铸钢的分类、性能、牌号及应用 1 碳素钢 2 合金钢 1）低碳钢 2）中碳钢 3）高碳钢 C5% Mn13 铸造性能差、应用较少。 铸造性能较好、应用广泛。 铸造性能差、应用较少。 钢号 旧 钢号 化学成分的质量分数（ %） 用途举例 C Si Mn P、 S ZG200400 ZG15 0.20 0.50 0.80 0.04 用于受力不大、要求韧性高的各种机械零件，如机座、箱体等 ZG230450 ZG25 0.30 0.50 0.90 0.04 用于受力不大、要求韧性较高的各种机械零件，如外壳、轴承盖、阀体、砧座等 ZG270500 ZG35 0.40 0.50 0.90 0.04 用于轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体、箱体等 ZG310570 ZG45 0.50 0.60 0.90 0.04 用于负荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、棍子等 ZG340640 ZG55 0.60 0.60 0.90 0.04 用于齿轮、棘轮、联接器、叉头等 二、铸钢的熔铸工艺特点 1. 铸钢的铸造性能 差 流动性差、收缩大。 1）铸件要安放冒口和冷铁； 2）必须严格控制浇注温度； 3）铸件的壁不能太薄； 2. 铸钢的热处理 退火 正火 3. 铸钢的熔炼 电炉 2-3 铸造有色合金件的生产 一、铸造铜合金 1铸造黄铜 2铸造青铜 (Cu-Zn) 铸造黄铜有相当高的力学性能，如 b=250450Mpa， =730%， HBS=60120。因其含铜量低，价格低于铸造 青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能。所以 铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬 套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。 青铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金 。 铸造锡青铜的力学性能虽低于黄铜，但 其耐磨、耐蚀性 优于黄铜，锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。 除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜、铍青铜等，其中铝 青铜 有优良的力学性能和耐磨、耐蚀性 ，但铸造性能较 差，仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。 二、铸造铝合金 1 铝硅合金（ Al-Si） 铝硅合金流动性好、线收缩率低、热裂倾向小、气密性好， 又有足够的强度，所以应用最广。 常用于制造形状复杂的 薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、 化油器、仪表外壳等。 2 铝铜合金（ Al-Cu） 3 铝镁合金（ Al-Mg） 4 铝锌合金（ Al-Zn） 铝铜合金的 铸造性能差 ，热裂倾向大、气密性和耐蚀性 较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。 铝镁合金是所有铝合金中比强度最高的，主要用于航天、 航空或长期在大气、海水中工作的零件等 。 第三节 砂型铸造 3-1 砂型铸造的生产过程 一、手工造型 二、机器造型 适用于单件、小批量生产 1)生产效率高 ; 2)铸型质量好 （紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰） ; 3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。 适用于 中、小型 铸件的 成批、大批量生产 。 型砂 落砂 捅箱机 压铁传送机 铸件输送机 下箱造型机 铸型输送机 下箱翻箱 、 落箱机 下芯 合箱机 合箱 冷却箱 冷却 浇注 压铁 加砂机 加砂机 上箱造型机 1 机器造型的造型方法： 1）振击压实 2）汽动微振压实 3）高压造型 4）抛砂紧实 1）射芯机 2）壳芯机 2 机器造型的造芯方法： 3-2 铸造工艺设计 铸造工艺图 将工艺设计的内容（工艺方案）用工艺符号或文字在零件图上表示出来 所形成的图样。 一、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