第67章挤压铸造ppt课件.ppt

第六章 挤压铸造 原理 把液态金属直接浇入金属模内 然后在一定时间内以一定的压力作用于焙融或半熔融的金属液体使之成形 并在此压力下成型 凝固 从而获得毛坯或零件的一种成形方法 又称液态模锻 是介于铸造 锻压之间的一种少无切削工艺技术 工艺流程 1 铸型准备2 浇注3 合型加压4 开型取件 挤压铸造技术的发展概况 挤压铸造技术在上世纪30年代即问世 40至50年代在前苏联得到推广应用 60年代末期有色金属挤压铸造在日本得到了应用和发展 我国挤压铸造技术的发展大体上可分为四个阶段 第一阶段 50 60年代中末期为工艺探索阶段 50年代到60年代初如武昌造船厂与华中科技大学协作的铜合金挤压铸造 杭州前氧机厂 沈阳冶金机械专科学校等开展这方面的试验研究工作 大连造船厂的高压阀体铸锻联合工艺等 都是我国首批研究与试验生产的单位 第二阶段 60年代后期至80年代中期为生产应用阶段 此项技术逐渐发展并陆续用于生产实际 如广东仪表厂 西安仪表厂 维纺铸锅厂等都是我国第一批用于生产的单位 70年代 一些高等院校和科研院所如上海交通大学 五二研究所 哈尔滨工业大学 武汉理工大学等单位相继开展了挤压铸造典型制件的生产工艺 模具结构 挤压铸造材料等研究为挤压铸造的发展奠定了良好基础 进入80年代 我国挤压铸造技术得到了较快速发展 特别是间接挤压铸造的研究与成功应用 使得过去无法用挤压铸造生产的零件 成为可能 扩大了挤压铸造的应用范围 适合生产那些形状较复杂 壁厚较大 用普通铸造性能达不到要求 而用锻造因形状复杂无法生产的零件 80年代中期至90年代中期为快速发展阶段 以挤压铸造摩托车铝轮毂 汽车空压机铝连杆和汽车制动泵缸体为代表的一大批挤压铸造件开发研制成功并投入生产 于此同时 挤压铸造 钢质液态金属模锻 液态金属模锻模具设计 等专著的问世近一步推动和促进了挤压铸造技术的全面发展 90年代后期挤压铸造处于健康 稳步发展阶段 不注重技术上的创新和市场的变化 忽视产品质量 更没有根据制件的具体结构来选择适合的工艺 致使一些企业投产后又转产 重视技术上的创新 较好掌握该技术特点的单位或企业都得到了快速发展 取得了很好的经济效益和社会效益 第三阶段 第四阶段 挤压铸造特点及应用范围 由于挤压铸造是使液态金属在高的机械压力下进行结晶 因而此工艺具有如下的特点 1 挤压铸造可以消除铸件内部的气孔 缩孔和缩松等缺陷 产生局部的塑性变形 使铸件组织致密 加之 在压力下结晶 还有明显的细化晶粒 加快凝固速度和使组织均匀化的作用 因而 挤压铸件的力学性能一般要高于其它普通铸件 而接近甚至达到同种合金的锻件水平 同时它没有锻件中通常存在的各向异性问题 所以 挤压铸造是目前用以提供高质量 高力学性能铸件的一种重要工艺方法 2 挤压铸件表面粗糙度低和尺寸精度高 其级别能达到压铸件的水平 液态金属在压力下成形和凝固 使铸件与型腔壁贴合紧密 3 挤压铸件在凝固过程中 各部分处于压应力状态 有利于铸件的补缩和防止铸造裂纹的产生 因而 挤压铸造工艺的适用性较强 使用的合金不受铸造性能好坏的限制 它不仅适用于铸造性能好的铸造合金 而且也适用于铸造性能较差的变形合金 既可用于铝 铜 镁 锌等有色合金 又可用于铁 钢等黑色金属 以及复合材料等 4 便于实现机械化 自动化 可大大减轻工人的劳动强度 改善铸造车间劳动条件 加之 挤压铸造通常没有浇冒口 毛坯精化 铸件尺寸精度高 因而金属材料的利用率高 可以减少切削加工量 所有这些 均有利于降低成本 提高生产效率 与重力铸造相比 它可以提高铸件质量 减少废品率 5 挤压铸造是通过压力传递进行补缩的 工艺的应用会受到某些限制 对于薄壁零件和一些形状复杂的零件 因为铸件冷凝速度快 有时来不及加压就凝固了 另外 直接式挤压铸造通常无浇冒口系统 浇注的金属全部成形为铸件 因此 铸件的高度是由浇入金属的量决定的 即其高度方向的尺寸精度取决于定量浇注的精确程度 适用范围 1 在材料种类方面适用性较广 可用于生产各种类型的合金 如铝合金 锌合金 铜合金 灰铸铁 球墨铸铁 碳钢 不锈钢等 2 对于一些复杂且性能上有一定要求的零件 采用挤压铸造合适 因为挤压铸造既能容易成形 又能保证产品性能的要求 3 在工件壁厚方面 一般来讲不能太薄 否则将给成形带来困难 挤压铸造件生产的摩托车零件 挤压铸造生产的汽车零件 挤压铸造件在高铁领域的实际应用 挤压铸造工艺的分类 按成形时液体金属充填的特性和受力情况 液体金属不产生充型运动 适合于形状简单的厚壁铸件和铸锭 液体金属进行充型运动 适合于形状不太复杂的厚壁铸件 液体金属进行充型运动 适合于产量较大 形状较复杂的中 小型铸件 液体金属进行充型运动 适合于大型整体薄壁铸件 柱塞加压凝固法 1 金属型2 柱塞3 液态金属4 底板 冲头直接挤压法1 金属型2 冲头3 液态金属 冲头间接挤压法1 上型2 下型3 冲头4 液态金属5 型腔 按挤压铸型的合型方向的不同 挤压铸造可分为垂直合型和旋转合型两大类 铸型垂直合型挤压铸造 优缺点 铸件内部气孔 缩松等缺陷少 组织致密 晶粒细小 组织均匀 对不少铸件而言 其强度常可比轧材大 接近锻件 但塑性稍差 铸件尺寸精度高 可达CT5 表面粗糙度较细 Ra6 3 m 铸件在压力下凝固 利于防止铸件裂纹 可挤压铸造多种金属 如铝合金 铜合金 铸铁 铸钢等 无浇冒口金属液损失 工艺收得率可超过90 机械化程度高 故生产率高 劳动条件好 与普通铸造相比 需用液压机 且不宜铸造形状很复杂的铸件 铸型旋转合型挤压铸造 主要用于生产大型薄壁件 机翼 飞机的座舱底板 导弹弹翼等 1 活动板 2 动型 3 浇包 4 定型 5 金属液 6 多余金属液 旋转合型挤压铸造成型特点 充型过程平稳 不易卷气 适用于生产大型薄壁件 断面由大变小 充型阻力较小 利于排气 排渣 避免夹渣 气孔的缺陷 利于补缩 获得致密铸件 旋转合型挤压铸造机 挤压铸造工艺设计特点 1 设计铸型时应注意的问题挤压铸造主要采用金属型 个别使用泥型 如铸造铁锅 常用耐热模具钢制造 如3Cr2W8V 4W2CrSiV 等 凹型的形式可有多种 整体凹型垂直分型凹型水平分型凹型复合分型凹型带芯棒凹型 铸件收缩率 由于铸件凝固在封闭的金属型中受高压作用进行 故铸件收缩较小 比常规数值小一半 加工余量 垂直合型挤压铸造时铸件加工面上的加工余量可取较小 有色合金铸造时可选取0 5 2mm 铸钢取3 5mm 型腔表面粗糙度常取Ra6 3 0 8 m 铸造圆角半径2 10mm 铸造斜度为1 3度 2 冲头加压的工艺参数1 压力是保证铸件质量的重要参数 一般铸件壁越薄 所需施加的压力越大 铸钢时比有色合金铸造时需要的压力大 铸造半固态合金时比铸造液态合金时所需的压力大 有色金属垂直合型挤压铸造所采用的压力一般应大于50MPa 铸钢件成形时压力应大于250MPa 2 浇注后开始加压时间的间隔不应超过15s 3 挤压时冲头的下压移动速度冲头下压移动速度太低 易出现金属液未充满型腔时金属已不能流动 速度太高 金属液充型时流速太快 金属液中产生涡流 卷入气体 一般 铸件壁厚较大时 冲头的下压移动速度控制在0 1m s 铸件壁厚较小时 冲头的下压移动速度可取0 2 0 4m s 4 保压时间挤压充型后压力的保持时间应坚持到铸件全部凝固为止 一般按铸件的最大壁厚推算保压时间 铸件壁厚小于50mm时 铝合金 铸铁 铸钢件的保压时间可按每mm铸件壁厚需时0 5s推算 铜合金件按每1 5s mm推算 铸件最大壁厚50 100mm时 铸铁 铸钢件的保压时间仍按每mm铸件壁厚需时0 5s推算 铜合金件仍按每1 5s mm推算 铝合金件按1 1 5s mm推算 3 铸型工作温度浇注前 铸型应先有预热温度 以避免金属进入铸型后 在挤压充型之前 铸型中的金属会由于散热太快 已在型壁上形成较厚的硬壳 而后在挤压过程中被皱折 破碎和卷入铸件之中 降低铸件的质量 铸造铝合金件铸型预热温度 200 左右 铸造铜合金件铸型预热温度 250 左右 铸造铸钢件铸型预热温度 400 4 金属浇注温度为利于提高铸件内部质量和铸型工作寿命 铸型垂直合型挤压铸造时的金属浇注温度比砂型铸造和金属型铸造偏低 一般挤压铸造时金属浇注温度比该金属的液相线温度高50 100度 5 浇注的定量常采用体积定量法对浇入凹型中的金属数量进行定量 也可用称重法进行浇注金属的定量 另外 可在设计铸型时 设置溢流器 以使多余金属在挤压铸造成型时进入该处 保证铸件尺寸不会因浇注金属太多而出现偏差 6 铸型的润滑为铸件凝固后冲头能很顺利地自铸件中抽出 铸件与凹型的脱离也应同样顺利 降低铸件与铸型间的摩擦力 在浇注时和进行挤压成形之前 需对铸型和冲头工作表面刷涂润滑剂 铝合金 镁合金和锌合金挤压铸造 水基胶体石墨 硅涂料 白涂料 石墨和机油或猪油的混合物 铜合金 油基胶体石墨 石墨加机油或锭子油 植物油加肥皂水 植物油加石墨等 铸铁 铸钢 地蜡加石蜡加凡士林加石墨的混合物 石蜡加二硫化钼加水玻璃加酒精等 一些新型的挤压铸造工艺 带倾转式压射筒挤压铸造机1 上型2 下型3 连杆4 加压缸5 压射筒6 定量勺7 挤压冲头8 制品 金属液的浇入位置发生了改变 采用电磁泵输液固定式压射筒挤压铸造机1 固定式压射筒2 金属型3 电磁泵4 熔化炉5 输液管 挤压铸造与压铸对比 1 产品性能好 液态金属自下而上缓慢 平稳充型的 并保持在高压力下凝固 由于浇注速度低及没有浇注系统 当上下模闭合后 金属在充分的压力下结晶成形 不会在工件内形成气孔 缩孔及涡流等缺陷 因而组织致密均一 晶粒较细 对于厚壁件的制造更显其优越性 2 模具结构比较简单 紧凑 不需要浇口套及浇注系统等辅助结构 模具的加工费低于压铸模 使用寿命也较长 3 不像压铸工艺需要专用液压机 可采用通用的液压机 设备投资较便宜 挤压铸造与模锻对比 1 产品质量好 金属液在充足的压力下凝固结晶 其组织很致密 纵向和横向力学性能比模锻件均一 2 因挤压铸造直接凝固成形 制件外形准确 表面光泽 精度较高 3 挤压铸造采用一次成形 不需要模锻的制坯 预成形及终成形 节约模具材料 4 由于金属是在半流动状态下成形 所需能量低 其设备吨位只有模锻的1 5 1 8 压力下结晶对金属组织 性能的影响 挤压铸造实质 使液态 或半固态 合金在高机械压力下结晶 凝固 因此对挤铸件组织与性能产生一定影响 1 细化显微组织 改变宏观晶粒结构挤压铸造时 压力使铸件紧贴在铸型壁上 可大大改善其热交换条件 使合金冷凝速度加大 另外 压力对成长中树枝晶的破碎及脱落作用 因此可明显细化合金的纤维组织 使其枝晶间距 胞晶尺寸和胞晶间隔缩小 这有利于合金的力学性能的提高 但压力下结晶 会导致合金相图 结晶时形核率和晶粒长大速度的改变 总之 压力对合金宏观晶粒度的影响是复杂的 在工艺选配得当的情况下 挤压铸造有利于细化宏观晶粒度 2 抑制气泡的形成 减少甚至消除铸件中气孔缺陷对正凝固的合金液施压 可增加合金中气体的溶解度 使可析出的气体量减少 外部压力还会增加气泡形核的难度从而抑制气泡的形成 因冷凝速度的增加 使气体来不及扩散析出而被固溶在合金中 3 可抑制显微偏析 比重偏析的形成 但会促使正偏析的产生由于压力结晶可显著缩短凝固时间 降低溶质元素的扩散系数 因此可抑制上述偏析的形成 有利于提高合金成分的均匀性 并促使非金属夹杂物均匀分布 但由于压力对正凝固合金的 挤滤作用 对某些合金 在特定条件下 会促使正偏析的产生 4 阻止缩松 缩孔的形成 提高合金组织的致密性挤压铸造是靠高的机械压力 对正凝固的合金铸件进行压力补缩的 同时使铸件产生少量的塑性变形 在工艺得当和压力足够的条件下 可以消除铸件中的缩松缩孔缺陷 使挤铸件达到很高的致密度 总之 压力下结晶对合金组织及性能产生一定影响 在工艺得当的条件下 挤铸件的内部质量和力学性能高于同种合金的其他普通铸件 可接近甚至达到同种合金锻件水平 第七章 连续铸造 定义 连续铸造是将液体金属连续地浇入到通水强制冷却的金属型 即结晶器 中 又不断地从金属型的另一端连续地拉出已凝固或具有一定结壳厚度的铸件 当铸件从金属型中拉出达到一定长度时 可以在不间断浇注的情况下 将铸件切断 也可以在铸件达到一定长度时 停止浇注 以获得一定长度的铸件 有时人们把最后一种连续铸造法称为半连续铸造 连续铸造的特点 1 铸件迅速冷却 其结晶细小 组织较致密 连续浇注 结晶的过程又会使铸件在整个长度上的组织均匀 2 因无浇冒口 可节省金属消耗 3 生产工序简单 生产过程易于机械化 自动化 生产效率高 4 如把连续铸造获得的高温铸锭 立即进行轧制加工 则可省去一般轧制前对铸锭的加热工序 故可大大地节省能源 还可提高生产效率 5 应用范围有一定局限性 只能生产断面不变的长铸件 应用领域用连续铸造法可以浇注钢 铁 铜合金 铝合金 镁合金等断面形状不变的长铸件 如铸锭 板坯 棒坯 管子和其它形状均匀的长铸件 有时 铸件的端面形状也可与主体有所不同 连铸机已生产的铸坯形状和尺寸范围 小方坯 70 70 200 200mm大方坯 150 100 500 400mm矩形坯 100 150 400 560mm板坯 150 600 300 2640mm圆坯 80 450mm 连铸设备布局 1 出坯及精整设备 辊道 拉钢机 翻钢机 火焰清理机 2 工艺性设备 中间包烘烤装置 吹氩装置 脱气装置 保护渣供给与结晶润滑装置 3 自动控制与测量仪表 结晶器液面测量与显示系统 测温测压 测速等仪表 1 浇铸设备 钢包及回转台 中间包及中间包车 结晶器及振动装置 二次冷却装置 2 拉坯矫直设备 拉坯机 矫直机 引锭链 脱锭装置 引锭链存放装置 3 切割设备 火焰切割机 机械剪切机 主体设备 辅助设备 连铸设备布局连铸设备主要包括主体设备和辅助设备两大类 结晶器结晶器是连铸机非常重要的部件 是一个强制水冷的无底钢锭模 称之为连铸设备的 心脏 常用合金化铜镀铬 镍制作 结晶器的作用 1 使钢液逐渐凝固成所需要规格 形状的坯壳 2 通过结晶器的振动 使坯壳脱离结晶器壁而不被拉断和漏钢 3 通过调整结晶器的参数 使铸坯不产生鼓肚和裂纹等缺陷 4 保证坯壳均匀稳定的生成 对结晶器的要求结晶器相当于水冷的金属型 连续铸管用的结晶器是由内外两个结晶器所组成 内外结晶器之间的间隙就是型腔 因此只要更换不同规格的结晶器 就可铸出不同型号的铸型 由于结晶器的工作面承受高温铁水的热作用 背面通冷却水 工作条件较为恶劣 一般对结晶器的要求如下 1 结晶器壁应具有良好的导热性 使浇入结晶器内的铁水能较快的结晶凝固 从而提高拉拔速度 2 结晶器壁的热膨胀系数要小 能承受激冷激热作用 这样结晶器工作时的内应力便小 不易产生裂纹和变形 3 要有较高的光洁度和耐磨性 4 高的工作寿命 结晶器的类型 按其内壁形状分 1 直型结晶器 直形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈垂直形 因此导热性能良好 坯壳冷却均匀 该类型结晶器还有利于提高坯壳的质量和拉坯速度 结构较简单 易于制造 安装和调试方便 夹杂物分布均匀 但铸坯易产生弯曲裂纹 连铸机的高度和投资增加 直形结晶器用于立式和立弯式及直弧连铸机 2 弧形结晶器 弧形结晶器的内壁沿坯壳移动方向呈圆弧形 因此铸坯不易产生弯曲裂纹 但导热性比直形结晶器差 夹杂物分布不均 偏向坯壳内弧侧 弧形结晶器用在全弧形和椭圆形连铸机 按其内壁结构分 1 管套式结晶器 由铜管作为工作壁 外套钢材 二者间隙形成冷却水通道 该类型结晶器工作面无接缝 不影响拉拔铸坯 损坏后易于更换修理 2 整体式结晶器 在整体铜坯料上直接加工而成 导热性更优 磨损量大则报废 3 组合式结晶器 由四块铜板组成工作壁 采用钢质夹具加持组合成型 可以改变夹具夹持位置调节铜板组成结晶器形状 进而改变所生产产品的形状尺寸 修复 更换更为方便 结晶器振动的目的 连续铸钢过程中 为防止铸坯的初生坯壳与结晶器内壁间发生粘结而被拉裂 使结晶器的润滑剂或结晶器保护渣进入坯壳与内壁的间隙 不断对内壁进行润滑 保证生产出表面光洁的铸坯而采取的工艺措施 要求 a 振动方式能有效防止因坯壳的粘结而造成的拉漏事故 b 振动参数有利于改善铸坯表面质量 形成表面光滑的铸坯 c 弧形结晶器振动机构能准确实现圆弧轨迹 不产生过大的加速度引起的冲击和摆动 d 设备的制造 安装和维护方便 便于事故处理 传动系统有足够的安全储备 连续铸管的工艺过程 浇注前 承口底盘上升 封住结晶器底部 浇注时 铁水经由带有小孔的环形旋转浇杯均匀地进入结晶器空腔 当下部铸铁管已凝固一定高度时 即可进行拔管 此时 承口底盘下降 不断将凝固的部份铸铁管拔出 而铁水按相应的浇注速度进入结晶器直至结束 连续铸铁管的工艺特点 1 特点 我国比较普遍地采用连续铸管的生产工艺 与离心铸造相比 它具有技术要求较低 设备简单的优点 但铁管的质量较离心铸造差 适用范围 铸铁管的直径为100 1300毫米 长为5 10米连续铸造铁管可用作上下水管及煤气管道等 连续铸造铸铁管的工艺过程 连铸铸铁管结晶器特点 结晶器由内外两个部分组成 铸铁管承口的外形由外结晶器下部做成相应形状形成 内腔用型芯 砂芯或拼合铸铁芯 形成 型芯安装在底盘上 内 外结晶器的下部为逐渐缩小的锥形 结晶器通水冷却 结晶器需作上下振动 并在结晶器工作表面涂油 结晶器锥形的作用 避免铸铁管收缩时紧抱住内结晶器 使拔管发生困难 避免铸铁管与外结晶器内表面之间存在较大间隙 导致铸铁管的冷却速度降低 连续铸造的分类 根据结晶器轴线在空间的布置特点 基本上可把连续铸造方法分为以下几种类型 1 立式连续铸造 2 立弯式连续铸造 3 弧形连续铸造 4 水平连续铸造 立式连铸机 钢水从结晶器内开始凝固到铸坯完全凝固后切成定尺 铸坯始终沿垂直线运动 中间包 结晶器 导辊 拉坯辊和切割机都沿垂直线布置 优点 坯壳冷却均匀 组织 几何对称性好 且不受弯曲 矫直作用 故不易产生内部和表面裂纹 有利于夹杂物上浮 缺点 设备高度大 操作不方便 投资费用高 设备维护及事故处理很困难 铸坯断面和定尺长度及拉速受到限制 导致生产效率较低 并且 铸坯因钢水静压力大 板坯的鼓肚变形较为突出 立弯式连铸机 铸机的中间包 结晶器 导辊 引锭杆沿垂线布置 拉矫机 切割机沿水平布置 浇铸和冷却凝固在垂直方向上完成 完全凝固后被顶弯90 进入弯曲段 在水平方向出坯 优点 铸机高度比立式下降 运输方便 可适应较长定尺的要求 缺点 由于增加了一次弯曲和矫直 易造成裂纹 机器结构复杂 只适用于断面小于100 100mm的坯料 弧形连铸机 根据结晶器形式的不同 分为结晶器弧形连铸机和直结晶器弧形连铸机 结晶器弧形连铸机 结晶器呈弧形 铸坯的运动轨迹是一条弧线 二冷段全为弧型 拉矫机 切割机和出坯系统布置在水平线上 椭圆形和准水平都属于