第一章 金属型铸造.ppt

特种铸造 第一章金属型铸造 1 1概述定义 金属型铸造 Gravitydiecasting 是指液态金属在重力作用下充填金属铸型并在型中冷却凝固而获得铸件的一种成形方法 如图1 1所示 由于金属铸型可以重复使用 寿命 指浇注次数 可达数万次 所以金属型铸造又称永久型铸造 Permanentmold 图1 1 a 金属型合模状态 图1 1 b 倾转浇注 战国时已用此方法生产铜钱 到汉代发展为由中央制造铁范 发给地方作坊 用以生产统一规格的货币 汉代以后 随着叠铸方法进一步发展 开始大量使用铁范来生产车马器件等 优点 与砂型铸造相比 1 金属型的热导率和热容量大 金属液的冷却速度快 铸件组织致密 力学性能比砂型铸件高 如铝合金铸件的抗拉强度可增加10 20 伸长率约提高1倍 2 能获得较高尺寸精度和表面光洁度好的铸件 减少了加工余量 尺寸精度CT7 9级 表面粗糙度Ra6 3 12 5 3 铸件的工艺收得率高 液体金属耗量减少 一般可节约15 30 4 不用砂或少用砂 节约造型材料80 100 减少环境污染 缺点 金属型制造成本高 金属型急冷 不透气 而且无退让性 易造成铸件浇不足 冷隔 开裂或铸铁件白口等缺陷 铸型的工作温度 合金的浇注温度和浇注速度 铸件在铸型中停留的时间以及所用的涂料 对铸件质量的影响敏感 控制难度大 近年来 为了防止浇注时金属液流动过程中形成紊流 减少氧化夹渣及卷气等缺陷 采用倾转式浇注已成为金属型铸造的主流方式 见图1 1 1 2金属型铸造成形过程的特点1 2 1金属型导热性对铸件成型的影响 导热性 退让性 透气性 q 3 T1 T2 t x3t 传热时间 3 中间层导热系数 远小于铸型 各因素的影响 时间t确定 3 取决于材料的成分厚度可控T1 金属液温度 一般固定T2 外界温度 可控 导热性导致的特点 当x3很小 忽略不计时 金属型的蓄热和散热就成了铸件冷却速度的决定因素 1 金属型的蓄热 1 金属型的蓄热 b 蓄热系数 铸型导热系数C 铸型比热容X 铸型厚度 1 金属型的蓄热 b 蓄热系数 铸型导热系数C 铸型比热容X 铸型厚度 1 金属型的蓄热 当涂料有一定厚度时 可以通过涂料成分和厚度的控制实现对导热速度的控制 导热性导致的特点 2 金属型的散热 A自然散热决定于自身的导热能力 通过其外表面向外界散失热量 B强制散热通过自身的导热能力 采取强制手段冷却铸型 达到冷却的目的 例如 风冷 水冷等 综上所述 金属型铸造时 铸型材料的导热性能对铸件的凝固起主导作用 导热性导致的特点 1 2 2金属型无透气性对铸件成型的影响 易造成的缺陷 1 气体阻力大造成浇不足 冷隔 2 排不出的气体造成铸件侵入性气孔的产生 透气性导致的特点 需采取的措施 1 金属型上设置排气装置 如排气槽 排气塞 局部死角处要加强排气2 尽可能的清除产气根源 气体的来源 高温下涂料发气型腔内原有气体潮气油污 透气性导致的特点 1 2 3金属型无退让性对铸件成型的影响 室温 应力集中 阻碍取件和取芯 导致裂纹 为了防止裂纹 应采取的措施 1 在一定温度下取出型芯或使铸件脱出铸型 2 设置专门的抽芯机构和铸件顶出机构 3 必要时修改型芯为砂芯 4 增大金属型斜度和涂料层厚度 冷却过程中 收缩受阻 拉应力 拉伸变形 热裂纹 冷裂纹 应变 1 Ts T1 退让性导致的特点 1 3 1金属型的准备及预热1 金属型的准备新金属型或长期未用的金属型 应先起封 除油 并在200 300 下烘烤 除净油迹 对于经过了一个生产周期 需要清理的金属型而言 应着重清除型腔 型芯 活块 排气塞等工作表面上的锈迹 涂料 粘附的金属屑等杂物 2 金属型的预热金属型在工作前应预热并涂敷涂料 未经预热和喷涂涂料的金属型不能进行浇注 这是因为金属型导热性好 金属液冷却快 流动充型能力差 容易使铸件出现冷隔 浇不足 夹杂 气孔等缺陷 同时未预热的金属型在浇注时 铸型将受到强烈的热冲击 应力倍增 极易损坏 金属型的预热方法主要有 1 用煤气或天然气火焰预热 该方法简单 方便 但金属型上温度分布不均匀 2 采用电加热方法 在模具背面设置电加热管 浇注开始前将金属型预热到指定的温度 该方法同上述1 方法一样 简单方便 但温度不是很均匀 也可烘箱加热 3 将金属型放入加热炉中预热 可获得均匀一致的温度 但仅限于小金属型 4 采用浇注金属液的方法预热 该方法一般不推荐 因为一是浪费金属液 二是缩短金属型使用寿命 小型铸型 1 3 2金属型的浇注在金属型工艺方案确定之后 金属型的浇注工艺参数即模具温度 浇注温度和涂料的选择是生产优质铸件和延长金属型使用寿命的关键 1 3 3铸件的出型和抽芯时间 金属型芯在铸件中最适宜的停留时间是当铸件冷却到塑性变形温度范围内 并有足够的强度时 是最好的抽芯时间 铸件在金属型中停留的时间过长 就会使金属型壁温度升高 冷却时间加长 也会降低金属型的生产率 最合适的时间应由实验确定 1 3 4金属型工作温度的调节由于金属型的导热性能比砂型高很多 热导率约高150倍 蓄热系数约高20倍 导温系数约高65倍 金属型能获得很大的温度梯度 使铸件的冷却速度增大 因此 金属型铸造时 对于逐层凝固的合金和具有体积凝固特性的合金 均能得到组织致密的铸件 同时 冷却速度快 可使铸件晶粒细化 还能减轻或消除非铁合金铸件的针孔 为了得到更快的冷却速度 要求采用较低的金属型温度 金属型工作温度调节的方式有以下几种 1 风冷 2 间接水冷 3 直接水冷 4 局部加热 1 3 5金属型涂料金属型涂料的作用 1 保护金属型 浇注时可减轻液体金属对金属型的热冲击和对型腔表面的冲刷作用 在取出铸件时 减轻铸件对金属型和型芯的磨损 并使铸件易从铸型中取出 2 采用不同冷却性能的涂料 如激冷涂料 保温涂料等 能调节铸件在金属型中各部位的冷却速度 控制凝固顺序 3 改善铸件的表面质量 防止因金属型有较强的激冷作用而导致铸件表面产生冷隔或流痕以及铸件表面形成白口层 4 改善型腔中气体的排除条件 增加合金的流动性 5 获得复杂外型及薄壁铸件 涂料组成 1 耐火材料 氧化锌 滑石粉 锆砂粉 硅藻土粉等 2 粘结剂 水玻璃 糖浆 纸浆废液等 3 溶剂 水等 4 附加物 从上面的一些分析可知 确定金属型浇注工艺规范时 应铸件材质 形状大小 复杂程度等考虑以下三点原则 1 保证铸件全部表面能得到清晰的外形 没有冷隔和浇不足的现象 也就是希望冷却慢些 要求有较高的浇注温度和金属型温度 2 保证铸件变形小 不发生扭曲和裂纹 要求金属型温度高而浇注温度低 3 保证铸件组织细密 力学性能好 希望快速冷却 要求较低的金属型温度和浇注温度 1 4金属型铸件的工艺设计金属型的铸造工艺方案是决定金属型铸件质量的最本质因素 在确定铸造工艺方案时应注意以下几点 1 浇注系统的设计应尽可能简单 设置直浇道 横浇道等时应避免产生紊流 近年来 为了防止浇注时金属液流动过程中形成紊流 可采用倾转式浇注 图2 1b 2 铸件应力求避免壁厚的突然变化 厚壁与薄壁之间应平滑过渡 因为壁厚的剧烈变化易引起金属液流动时形成紊流及凝固时产生热节 增加卷气或缩孔 松之类的缺陷 3 为保证金属液完全充满型腔 对于易形成密闭空间的部位 如拐角 凹坑等 应设置排气塞或排气道来强化排气 4 确保顺序凝固 合理设置冒口或补缩通道 5 为了保证铸件质量和提高生产效率 应考虑设置模具的冷却结构 1 4 1铸件结构的工艺性分析 铸件结构工艺性分析的原则 1 铸件结构不应阻碍出型 抽芯 收缩 见图1 112 壁厚差不能太大 以免造成各部分温差悬殊 从而引起铸件缩裂和缩孔 3 限制金属型铸件的最小壁厚 可铸孔直径 可铸槽的大小 1 4 2浇注位置的选择 铸件在金属型中的位置 铸件在金属型中的位置 直接关系到型芯和分型面的数量 液体金属的导入位置 冒口的补缩效果 排气的通畅程度以及金属型的复杂程度等 铸件在金属型中位置的设计原则如下 1 浇注系统易于安放 保证金属液平稳地充满金属型 排气方便 避免金属液流卷气和氧化 2 铸件最厚大部位应放置在金属型的上端 便于设置冒口补缩 如盖子或盘形铸件的厚大法兰面应向上 便于设置冒口补缩 3 应使金属型结构简单 型芯数量少 安装方便 定位牢固可靠 4 应保证便于分型取出铸件 防止铸件被拉裂或变形 下面以图1 12为例进行简要说明图1 12a所示的方案就不太合理 因为浇注时金属液通过浇口4直接冲击到砂芯3 导致金属液流紊乱 容易进渣和卷气 金属型芯2处的厚壁远离冒口 不易得到补缩 易产生缩孔 缩松 上方的冒口偏大 切割工作量大 因为有金属型芯2 不设顶出机构或抽芯机构 无法取出铸件 图1 12b所示的方案比较合理 采用了底注式浇注 金属液自下而上充型 流动平稳 排气良好 砂芯位于下方 放置方便 牢固 壁厚部位位于上端 冒口补缩容易 因此图1 12b正好克服了图1 12a的缺点 由此可见铸件在金属型中的位置决定了工艺方案的优劣 所以在确定铸件位置时 应多方比较 综合考虑 以选择最佳的位置方案 1 4 3分型面的选择铸件的分型面一般有垂直 水平和综合分型 垂直 水平混合分型或曲面分型 三种形式 一般应根据铸件结构和铸造成形方法进行确定 一个铸件经常有几种分型的可能 如图1 13a所示铸件1的分型情况 在铸件1大圆柱面外围会留下飞边或毛刺 影响表面质量及精度 若采用图1 13b所示分型方案则效果比较好 同理 铸件2若采用图1 13c的分型方案 须改变铸件外形即增加一个铸造斜度 以利取件 同时毛刺也留在平面上 影响铸件表面质量 而采用图1 13d所示的分型方案则无上述缺点 因此在选择分型方案时 须从多方面比较 而找出最合理的方案 分型面选择的基本原则 1 对于形状简单的铸件 分型面应尽量选在铸件的最大端面上 同时铸件最好都布置在一个半型内或大部分分布在半型内 2 矮的盘形和筒形铸件 分型面应尽量不选在铸件的轴心上 3 分型面应尽可能地选在同一个平面上 尽量避免曲面分型 4 应保证铸件分型方便 尽量减少或不用活块 5 分型面应尽量不选在铸件的基准面上 也不要选在精度要求较高的表面上 6 分型面的位置应尽量避免做铸造斜度 而且取件容易 1 4 4浇注系统设计 原则 1 金属型浇注速度要大 超过砂型的20 2 液体金属充型时 型腔里的气体要能顺利排除 其流向应尽可能与液流方向一致 顺利地将气体挤向冒口或出气冒口 3 应注意使液体金属在充型时流动平稳 不产生涡流 不冲击型壁或型芯 更不可产生飞溅 浇注系统的类型 顶注式 2 底注式 3 侧注式 1 5金属型 模具 的设计在金属型铸造工艺方案确定以后 就可以进行金属型 模具 的结构设计 设计内容包括金属型结构与材料选择 型体 或镶块 设计 型芯设计 排气设计 顶杆位置设计等 1 5 1金属型的结构形式金属型的结构取决于铸件形状 尺寸大小 分型面选择等因素 按分型面划分 典型的金属型结构形式如下 1 整体金属型如图1 18所示 浇注出来的铸件无分型面 尺寸精度高 但应用受到限制 仅适用于从铸型中方便取出的简单铸件 2 水平分型金属型如图1 19所示 铸型主体由上 下两半型组成 下半型固定在工作台面上 上半型作开 合 型动作 可以配置各种型芯 抽芯及顶出 砂芯安放方便 但不便于设计浇 冒口系统 排气条件差 适用于轮盘类铸件 3 垂直分型金属型如图2 16c所示 铸型主体由左 右两半型组成 其中一个半型固定 另一个做开 合 型动作 也可以两个半型同时动作 操作方便 便于设置浇冒口系统 易实现机械化 适用于结构简单 开型阻力小的铸件 4 综合分型金属型铸型主体有两个或两个以上的垂直和水平分型面组成 可以设置型芯及抽芯 方便设计浇冒口和排气 易实现机械化 广泛应用于各类复杂铸件 1 5 2金属型 模具 主体设计金属型主体 型体 是指构成型腔 用于形成铸件外形的部分 型体结构与铸件尺寸大小 浇注位置 合金种类等有关 型体结构有整体式和组合式 或镶拼式 两种 1 5 2 1型腔尺寸计算型腔尺寸是决定铸件尺寸精度的主要因素 型腔尺寸应考虑零件尺寸 公差 合金的收缩 涂料的厚度 金属型受热之后的膨胀率以及金属型各部分之间的间隙等 上述因素在实际生产中变化较大 需要根据经验加以判定 或通过试模加以调整 以得到合理的数据 型腔尺寸经验公式 Ax Ap Ap AxAx 型腔尺寸Ap 铸件名义尺寸 mm 铸件收缩率 金属型的涂料层厚度 mm Ax 型腔尺寸制造公差 mm 1 5 2 2分型面尺寸 1 5 2 3金属型尺寸的确定在确定型腔的基本尺寸之后 可按下列原则确定金属型的外形尺寸 1 型腔外轮廓离金属型边缘的距离不小于20mm 2 一型多件的铸型 铸件与铸件之间的距离 小件不小于10mm 一般铸件不小于30mm 3 定位销孔表面至铸型边缘的距离不小于10mm 4 直浇道至铸件间的距离一般取10 25mm 内浇道长度一般取8 12mm 直浇道高度应比铸件高出40 60mm 金属型壁厚金属型壁厚主要影响铸型的重量 强度及铸件的冷却速度 金属型壁厚太厚 增加了铸型的重量 在浇注初期 可加快铸件的冷却速度 但模具温度达到一定值后 厚壁蓄热太多 金属型向外界散失热量的速度慢 从而引起模具温度过高 又会降低铸件的冷却速度 型壁太薄 又可能导致金属型刚性不够 影响金属型使用寿命 金属型壁厚与铸件壁厚 铸件材料等紧密相关 一般根据铸件壁厚加以确定 其原则是在保证金属型刚性的前提下 型壁选择稍薄一些 可按铸件壁厚的1 1 5倍加以选择 常用壁厚为20 25mm 一般不小于15mm 1 5 2 4增强金属型的刚性 1 5 3金属型型芯设计根据铸件复杂程度及精度要求 金属型铸造既可用砂芯 也可用金属芯或二者同时并用 砂芯的设计原理和砂型铸造相同 但砂芯最好能与大气相通 以便排气 金属芯一般设计成活动的 以便取件时及时抽出 在设计时要注意以下两点 1 金属芯安放位置要准确 稳定可靠 不能转动 2 抽芯时抽芯力要足够 1 5 4金属型的顶出设计除非形状特别简单的铸件 一般金属型铸件均须设置顶杆将铸件顶出 顶出方式一般有两种 1 一是在开型过程中 顶杆板碰到固定在机器上的顶出杆后 顶杆板不动 此时铸型继续打开而顶出铸件 称之为回程取件 2 二是开型 模 后 铸型不动 由顶出油 气 缸前进推动顶杆板顶出铸件 1 5 5金属型排气设计金属型铸造的一个特点就是排气性能不好 特别是对于形状复杂的铸件 气体常常聚集在型腔的深处 大平面上以及离冒口较远的部位 因此在上述这些地方必须设置一些排气装置 以防止气体不能及时排出而发生气孔 冷隔 浇不足缺陷 1 5 6金属型的定位 导向及锁紧机构 1 5 7金属型 模具 材料的选择金属型铸造中 由于金属液的浇注温度高 如铝合金的浇注温度为973K 1023K 金属型的型腔部分直接与高温金属液接触且受交变的热应力作用 为保证金属型的使用寿命 型腔的制作材料应具有足够的耐热性 淬透性和良好的机加工和焊接性能 目前型腔材料应用最多的是3Cr2W8V和4Mo5SiV1 即美国牌号H13 对于型腔以外且和金属液体不直接接触的其他部分 俗称模架 则采用普通碳素钢 此种方式称之为镶拼式金属型 当生产量不大或进行产品试制或为降低成本时 也可使用HT200 蠕墨铸铁 球墨铸铁等材料制作整体金属型 当铸件结构复杂 为满足顺序凝固需要在金属型上进行局部强化冷却时 可采用激冷块 亦可采用水冷或气冷 要求激冷块具有高的热导率和蓄热系数 一般均采用纯铜及铜合金 其中以铍青铜为最优 1 6金属型铸造缺陷与对策对于铝 镁合金的金属型铸造 常见的铸件缺陷主要有缩孔 缩松 冷隔或浇不足 裂纹及气孔等 下面将分别给予说明 1 6 1缩孔 缩松缩孔是铸件表面或内部出现的一种粗糙 不规则的空洞 缩松则是许多分散的微小缩孔 如图1 34所示 缩孔 缩松处因冷却速度慢 晶粒粗大 该缺陷常发生在铸件的内浇道附近 冒口根部的肥厚部位 壁的厚薄转接处 局部肥大的凸耳 以及大平面的局部表面 其形状不规则 铸件的缩松 可通过外观 断面或X射线检查发现 缩松在X射线底片上呈云雾状 严重的呈丝状 另外铸件局部表面发白 实际上就是缩松缺陷 图1 34铝合金金属型铸造的缩孔 缩松缺陷 1 6 2冷隔或浇不足冷隔是铸件表面上的一种透缝或有边缘的表面夹缝 中间被氧化皮隔开 不完全融合为一体 冷隔严重时就成了浇不足 图1 35所示即为浇不足或冷隔缺陷 冷隔常发生在铸件顶部 薄的水平面或垂直面 厚薄壁的转接处 薄的筋片 以及合金液最后汇流处 冷隔可以通过外观检查或荧光检查发现 图1 35冷隔或浇不足缺陷 1 6 3裂纹金属型铸造容易发生裂纹 因为金属型本身没有退让性 冷却速度快 容易造成铸件内应力增大而出现裂纹 裂纹的外观呈直线或不规则的曲线 如图1 36 裂纹分为热裂纹和冷裂纹两种 热裂纹一般沿晶界开裂 断面被强烈氧化呈暗色或黑色 无金属光泽 冷裂纹断面的金属表面洁净 有金属光泽 裂纹与缩松 夹渣有联系 多发生在铸件尖角处的内侧 厚薄断面的交接处 图1 36裂纹缺陷 1 6 4气孔气孔是存在于铸件表面或内部呈圆形 椭圆形和不规则形状的孔洞 表面气孔直观可见 皮下气孔经加工后才能发现 如果较轻微 表面吹砂后也可显露出来 如图1 37 内部气孔只能通过断口或X射线透视检查才能发现 气孔的形成原因有 1 浇注速度太快 不平稳 气体被卷入合金液中 2 金属型排气系统不合理 不能及时把型腔中的气体排出 3 合金熔化温度过高 精练效果不好 4 金属型涂料没有完全烘干 5 砂芯没有烘干 通气不良等 相应的措施有 1 控制浇注温度 保持平稳浇注 2 在排气条件差的部位增加排气槽或排气塞 3 控制合金熔化温度 正确精练 并检查精练质量 4金属型涂涂料后应让涂料中的水分挥发干净 5砂芯应烘干 排气系统应畅通 图1 37气孔缺陷示意图a 零件外形b 加工后的外表面 1 7摩托车铝合金车轮的金属型铸造工艺实例近十年来 我国铝合金车轮行业发展十分快速 现已成为世界上铝合金车轮的主要生产国 由于金属型铸造投资少 工艺成熟 生产准备周期短 因而在铝合金车轮 特别是铝合金摩托车车轮生产中普遍采用了金属型铸造方法 其材料一般选用ZL101或ZL101A 1 7 1车轮的浇注系统特点摩托车车轮铸件的结构特点是绕圆周对称 壁厚均匀 平均壁厚一般为6 7mm 属于典型的同时凝固的零件 轮毂的浇注多采用卧式结构 浇口位于车轮的中心 中心处的型芯作为分流锥使用 浇注系统采用顶注 开放式结构 直浇道下大上小 便于上模开模 如图1 38所示 冒口设在轮辋的上部 沿圆周均布 当液体金属从中心浇入时 先冲向型腔底部 当底部逐渐充满 液面上升才通过水平面四散到整个轮辋底部 然后再充满整个型腔 这种流动形态会引起两次金属液流的搅动 易产生铸造缺陷 因此金属铝液必须进行净化 细化 变质 过滤处理 并有效地控制模具型腔的温度和合理地设置冒口 顺利排除腔内空气 才能消除有关缺陷 1 7 2车轮的模具结构特点由于车轮采用复合分型 其模具由上模 下模 四只侧模及顶出系统等组成 模具安装在专用的立式浇注机上 如图1 39所示 由此可知 车轮的金属型模具结构紧凑 可以根据生产需要及时更换 可以在同一浇注机上生产不同型号的车轮 生产通用性强 图1 38铝合金摩托车车轮铸件 图1 39摩托车车轮的金属型浇注机1 上模油缸 2 上模导向杆 3 上模板 4 侧模板 5 侧模油缸 6 浇注台 7 顶出油缸 8 工作台架 1 7 3铸造工艺参数选择及控制要点摩托车车轮的生产工艺流程包括合金熔化 浇注 去除浇冒口 固溶处理 时效处理 整形 精加工 喷漆 检查装配 包装等工序强化 其中铸造工艺和热处理工艺参数的选择对车轮性能和质量有重要影响 表1 8为生产中常用的工艺参数 表1 8铝合金车轮的铸造工艺参数 1 7 3 1铝液的净化处理铝合金车轮的铸造对铝液含气量的要求很严格 铝液含气量高 会导致铸件产生气孔 针孔缺陷而报废 在实际生产中 特别是南方的梅雨季节 经常出现铝液经过除气精炼后 含气量仍偏高 达不到工艺规定的要求 尽管铝液精炼后含气量偏高的原因有多方面如除气精炼的时间短 除气精炼的温度控制不合适等 在保证参数控制严格的前提下 其它需要注意的事项有 1 采用惰性气体小气泡旋转喷吹技术代替传统的熔剂来处理铝液 因为熔剂除气精炼时 人为因素影响较大 难于保证除气精炼效果 采用惰性气体小气泡旋转喷吹进行除气精炼 由机器自动完成 不受人为因素的影响 除气效果的重复再现性好 采用的惰性气体一般为氩气或氮气 使用氮气时 氮气的纯度应大于99 995 如果氮气的纯度低 会