金属工艺学(铸造).ppt

2020 3 29 1 GM KD5025数控龙门磨床床身 41T 铸件 第二篇铸造 2020 3 29 2 金属熔化 液态金属浇入铸型 落砂清理后成为铸件 第一章铸造的工艺基础一 铸造 将液态合金浇注到与零件的形状 尺寸相适应的铸型空腔中 待其冷却凝固 以获得毛坯或零件的生产方法 叫做铸造 2020 3 29 3 二 铸造的特点 能制成形状复杂 特别是具有复杂内腔的毛坯 铸件重量及所用合金几乎不受限制 铸件的切削加工余量较小 成本低 因此 得到了广泛的应用 但是 1 抗拉强度和冲击韧性不如锻 焊件 2 工艺复杂 故废品率高 2020 3 29 4 第一节液态合金的充型一 充型概念 液态合金填充铸型的过程 简称充型 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 称为液态合金的充型能力 二 充型能力的影响因素 合金的流动性 常用螺旋形试样长度来衡量 流动性愈好 充型能力愈好 愈便于浇铸出轮廓清晰 薄而复杂的铸件 螺旋形试样 2020 3 29 5 1 合金流动性的测定 用 螺旋形试样 的长度来衡量 在相同浇注条件下 试样愈长 流动性愈好 2 影响合金流动性的因素 主要是合金的化学成分 液相线与固相线间的距离 T液 T固 称为结晶间隔 结晶间隔越大流动性越差 反之越好 因此共晶成分合金流动性最好 图2 3 浇注条件 浇注温度和充型压力 浇注温度越高 充型压力越大则充型能力越好 铸型填充条件 铸型的蓄热能力 铸型温度和铸型中的气体 铸型的蓄热能力低 铸型温度较高 铸型排气能力较好时则充型能力较好 由于充型能力低而引起的缺陷有 冷隔 浇不足 Fe C合金流动性与含碳量关系 2020 3 29 6 铸件的凝固方式 第二节铸件的凝固与收缩一 铸件的凝固逐层凝固 充型能力好 便于补缩 凝固方式糊状凝固 易形成缩孔 难以获得结晶紧实的铸件 中间凝固 介于上两者间 2020 3 29 7 合金的结晶温度范围 影响凝固方式的主要因素合金性质铸件的温度梯度铸型的蓄热能力浇注温度二 铸造合金的收缩铸造合金在浇注 凝固 直至冷却到室温的过程中 其体积或尺寸缩减的现象称为收缩 1 收缩的实质 按空穴理论 随着温度的下降合金中空穴的数量少 原子间距缩短 使其体积和尺寸缩小 液态收缩 液 T浇 T液的收缩 T浇越大 液则越大 收缩的分类凝固收缩 凝 T液 T固的收缩 结晶间隔越大 凝则越大固态收缩 固 T固 室温的收缩 与合金的线膨胀系数有关 2020 3 29 8 三 铸件中的缩孔与缩松 缩孔和缩松的形成 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足 则在铸件最后凝固部位形成一些孔洞 按孔洞的大小和分布 分为缩孔和缩松 1 缩孔 集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞 特征 多呈倒圆锥形 内表面粗糙 通常隐藏在铸件内层 有时暴露于表面 缩孔的形成 影响因素 液 凝的大小 浇注温度的高低 铸件厚度 2020 3 29 9 缩松 分散在铸件某区域内的细小缩孔 称为缩松 分宏观缩松和显微缩松 形成原因 由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足 或者因合金呈糊状凝固 被树枝状晶体分隔的小液体区难以得到补缩所致 逐层凝固合金易产生缩孔 如纯金属 共晶合金 糊状凝固合金易产生缩松 如锡青铜 明集中缩孔暗集中缩孔分散缩孔缩松 2020 3 29 10 缩孔和缩松的防止 适当地降低浇注温度和浇注速度 采用顺序凝固 冒口补缩 顺序凝固原则 按冷铁 采用金属型 缩孔部位的确定 常用 凝固等温线法 内切圆法 2020 3 29 11 缩松 2020 3 29 12 偏析 合金中各部分化学成分不均匀的现象称为偏析 铸锭 件 在结晶时 由于各部位结晶先后顺序不同 合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶区 造成宏观上的成分不均匀 称宏观偏析 适当控制浇注温度和结晶速度可减轻宏观偏析 硫在钢锭中偏析的模拟结果 2020 3 29 13 气孔 是指液态金属中溶解的气体或反应生成的气体在结晶时未逸出而存留于铸锭 件 中的气泡 铸锭中的封闭的气孔可在热加工时焊合 张开的气 孔需要切除 铸件中出现气孔则只能报废 2020 3 29 14 第三节铸造内应力变形和裂纹 内力 构件内部相互作用并达平衡的力 与内应力 变形 裂纹相关的是固态收缩 一 内应力的形成 因固态收缩受阻 按内应力产生的原因分为 机械应力 热应力 机械应力 受机械阻碍而形成的 原因 铸件固态收缩时 受到铸型或型芯等的机械阻碍 而产生的内应力 机械应力使铸件产生拉伸或剪切应力 并且是暂时的 在铸件落砂之后 这种应力便可自行消失 2020 3 29 15 热应力 由于同一构件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 热应力的形成再结晶温度 t临 产生了加工硬化的工件 在加热至某一温度后能发生再结晶现象 此温度叫再结晶温度 高于再结晶温度时 材料处于塑性状态 低于再结晶温度时材料处于弹性状态 2020 3 29 16 T0 T1均处于塑性状态 T1 T2 处于弹性状态 处于塑性状态 T2 T3 均处于弹性状态 A B C D 2020 3 29 17 冷至室温 T3 时 杆 受拉 杆 受压 判断应力方向的规律 最后冷却收缩的部分受拉伸应力 先冷却收缩的部位受压应力 因此铸件的厚壁或心部受拉 薄壁或表层受压 由上可知 由于内应力的存在 就等于铸件在未承受载荷之前 自身就已承受了应力载荷 因而使铸件的实际承载能力降低 同时应力过大时 会导致变形 开裂而报废 壁厚差 热应力的影响因素线收缩率弹性模量 2020 3 29 18 预防措施 设计壁厚均匀的铸件 选用线收缩率小的合金 在工艺上采取措施 控制铸件厚处和薄处同时冷却 同时凝固原则 对已存在应力铸件进行低温去应力退火 2020 3 29 19 二 铸件的变形与防止 变形产生的原因 当铸件中的内应力大于铸件所用合金的屈服强度时 就会引起铸件变形 通过应变来减小应力 因此其变形方向是 受拉应力的部分向内凹 而受压应力部分向外凸 即受拉部分产生压缩变形 受压部分产生拉伸变形 变形过大时将引起报废 减小内应力的所有方法 防止措施 反变形法时效处理 人工时效 自然时效 2020 3 29 20 三 铸件的裂纹与防止 产生的原因和分类 当铸件内应力超过金属的强度极限时 铸件便产生裂纹 导致铸件报废 根据裂纹产生时温度的不同分为热裂和冷裂 热裂 铸件在高温下产生的裂纹 合金在凝固末期的高温下形成的机械应力超过该温度下的强度极限 合金性质 结晶特点 化学成分等 铸钢 主要影响因素 铸铝 可锻铸铁热裂倾向大 铸型阻力 特征 裂纹小 缝隙宽 形状曲折 缝内呈氧化色 控制 含量 防止措施 提高铸型退让性 2020 3 29 21 冷裂 是在低温下形成的 主要由于热应力 合金性质 塑性差的材料易产生 影响因素 含 量铸件结构 特征 裂纹细小 呈连续直线状 有时缝内呈轻微氧化色 防止措施 与影响因素相对应 另外浇注后勿过早开箱 变形和裂纹都是因内应力而引起 因此所有降低内应力的方法对减少变形和裂纹倾向都是有效的 2020 3 29 22 2020 3 29 23 2020 3 29 24 2020 3 29 25 第四节铸件中的气孔气孔 气体在铸件中形成的孔洞 它是铸件中最常见的缺陷 破坏金属的连续性机性一 气孔的危害减少承载的有效面积降低引起应力集中气密性二 气孔的分类 2020 3 29 26 第五节铸件的质量控制 合理选定铸造合金和铸件结构 合理制订铸件的技术要求 模型质量检验 铸件质量检验 铸件热处理 2020 3 29 27 第二章常用合金铸件的生产 第一节铸铁件生产 2020 3 29 28 一 铸铁简介 C 2 11 的Fe C合金 常为2 8 3 5 C 是价廉 应用广泛的铸造合金 占机器总重量50 以上 白口铸铁 C以Fe3C存在 普通灰口铸铁 HT 二 铸铁的分类灰口铸铁可锻铸铁 KT C以G存在 球墨铸铁 QT 蠕墨铸铁 RuT 麻口铸铁 C以G Fe3C 2020 3 29 29 HT的性能 机械性能 b和弹性模量比钢低得多 通常 b仅为120 250Mpa 塑 韧性近于0 属脆性材料 但抗压强度与钢相近 一般达600 800Mpa 工艺性能 不能锻 冲 焊接性能性差 但铸造性能优良 切削加工性能好 减振性好 为钢的5 10倍 耐磨性较钢好 缺口敏感性低 三 灰口铸铁 占各类铸铁总产量的80 HT的组织金属基体 片状石墨 常看作是有大量微小裂纹或孔洞的碳钢 强度利用率为30 50 2020 3 29 30 按HT中金属基体显微组织分类 珠光体灰口铸铁 在P的基体上分布着细小而均匀的石墨片 它与其它基体的铸铁相比强度 硬度高 用来制造较为重要的机件 珠光体 铁素体HT 在 P F 的基体上分布着较为粗大的石墨片 G 是用途最广的一种HT 铁素体HT 在铁素体上分布着粗大的石墨 强度 硬度低 机性差 很少应用 提高HT性能有两条途径 改变石墨的数量 大小 形状及分布情况 以减轻石墨对金属基体的割裂作用 在改变石墨特性的基础上控制基体组织 以期充分发挥基体的作用 2020 3 29 31 影响铸铁组织和性能的因素 化学成分 铸铁中主要的化学成分是 C Si Mn S P Si 是形成石墨和促进石墨化元素 Si 强烈促进石墨化和改善铸造性能的元素 HT中 Si含量一般是 2 7 3 9 C 1 1 2 6 Si 即接近共晶成分 可根据碳当量法计算 当 C 0 3Si Mn S P S阻碍石墨化 热脆 铸造性能 须严格控制 0 1 0 15 以下 n 抵消 的有害作用 提高基体强 硬度 但阻碍石墨化 常为0 6 1 2 P 使铸造性能有所改善 但冷脆 属有害杂 0 5 以下 白口 麻口 P G P F G F G 2020 3 29 32 冷却速度 受铸型材料 铸件壁厚影响 冷速的不同将导致组织的不同和晶粒粗细的不同 冷速越大出现白口的可能性越大 组织越细 2020 3 29 33 灰铸铁的孕育铸铁 采用碳 硅含量稍低的铁水 并通过孕育处理 孕育剂为75 Si的硅铁 得细小均匀的石墨 且得珠光体基体 孕育铸铁特点 1 强 硬度比普通HT显著提高 2 塑 韧性仍很低 3 冷速对组织性能影响小 适用于静载荷下要求 b高 耐磨 高气密性铸件 厚大铸件 2020 3 29 34 5 生产特点 冲天炉熔炼 大多数不需炉前处理 流动性好 收缩率小 常不需冒口与冷铁等工艺措施 易生产薄壁复杂件 6 牌号与应用 牌号 HT 数字 表示最低抗拉强度值 2020 3 29 35 2020 3 29 36 灰口铸铁件 2020 3 29 37 可锻铸铁 KT 又称玛钢或玛铁 是将白口铸铁经石墨化退火而成的 石墨成团絮状 使 b 塑性和韧性 分为黑心可锻铸铁 KTH 和珠光体可锻铸铁 KTZ 可锻铸铁是用碳 2 4 2 8 硅 0 4 1 4 含量较低的铁水先浇注出白口件 然后经长时间的可锻化退火 920 980 C 保温几十小时 而使Fe3C转变为团絮状的石墨 机械性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间 但生产率低 成本高 一般用于制造形状复杂 承受冲击 并且壁厚 25mm的铸件 2020 3 29 38 可锻铸铁 应用 2020 3 29 39 球墨铸铁 QT 向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂 而得到的球状石墨铸铁 分为铁素体球铁 塑性 韧性好 和珠光体球铁 强度 硬度高 QT性能 机性远超过HT 优于KT 可与钢媲美 具有HT的优良性能 如铸造性能好 减振 切削性好 低的缺口敏感性 疲劳强度与中 钢近 耐磨性优于表面淬火钢 可通过热处理提高性能 应用 应用广泛 成功地取代了许多KT 铸钢件及部分负载较重 但冲击不大的锻件 2020 3 29 40 2020 3 29 41 球墨铸铁件 刹车片 2020 3 29 42 2 6X8m 五 铸铁牌号的含义 HT 为普通灰口铸铁 其后的三位数表示最低抗拉强度 如HT150 HT200 KT QT后有两组数 第一组数表示最低抗拉强度值 第二组数表示延伸率大小 如 KTZ550 4 QT700 2 离心铸造方法生产污水管 2020 3 29 43 蠕墨铸铁 是石墨成蠕虫状 石墨片短而厚 头部较圆 的铸铁 蠕墨铸铁的组织介于灰口铸铁与球墨铸铁之间 机械性能也介于两者之间 蠕墨铸铁的导热性 减振性 铸造性能均优于球铁 与灰铁接近 但高温强度 热疲劳性能大大优于灰铁 2020 3 29 44 蠕墨铸铁 闸瓦 烤箱铸件 应用 2020 3 29 45 第二节铸钢件生产一 铸钢的类别 性能和应用铸造碳钢 0 25 0 45ZG25 ZG45 类别铸造合金钢如 ZGMn13 ZG1Cr18Ni9编号方法是在以前所介绍过的钢号前加 ZG 性能 1 b s与QT相近 但 ak高于QT 2 铸造性能比球铁差 没有铸铁的一些特殊性能 应用 A 适于制造形状复杂 强度和韧性要求都高的零件 如火车轮 锻锤机架 轧辊等 B 铸钢的焊接性能好 便于采用铸 焊结合 生产复杂巨大铸件 质量较QT稳定 生产大断面和薄壁铸件 2020 3 29 46 二 铸钢件的生产特点 多用电炉熔炼 应采用高耐火度的型砂和涂料 大量地应用冒口和冷铁 常占铸件重量的25 50 采用流动平稳的底注式浇注系统 对铸钢件进行热处理 2020 3 29 47 第三节铜 铝合金铸件生产一 铸造铜合金纯铜也称紫铜 有良好的塑性 导电性 导热性和耐蚀性 但因强度低 不宜制作结构零件 多用于电器工业 机制工业常用的是铜合金 分类 分为黄铜和青铜 牌号及其含义 表2 7 2020 3 29 48 性能及应用 ZH 含Cu比ZQ低 成本比ZQ低 有相当高的机性 结晶间隔很小 铸造性能良好 用于耐磨 耐蚀件 应用比ZQ广泛 ZQ 有好的机性 耐磨 耐蚀优于ZH 但结晶间隔宽 易产生缩松 用于重要的耐磨 耐蚀件 铸件生产特点 熔炼时采用间接加热 对ZQ应用磷铜脱氧 造型时应开设使铜液流动平稳的浇注系统 ZH需用冒口 使其顺序凝固 以便补缩 三 铸造铝合金 铝合金分类 分为形变铝合金和铸造铝合金 铸造铝合金主要有 Al Si Al Cu Al Mg Al Zn系 2020 3 29 49 性能及应用 比重轻 比强很高 耐蚀性能好 铸造性能好 在工业上得到广泛应用 常用的Al Si合金 又称硅铝明 其流动性好 液较低 热裂倾向小 气密性好 又有足够强度 常用作形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的零件 2 Al Cu合金 铸造性较差 热裂倾向大 气密性 耐蚀性较差 但耐热性较好 常作活塞 气缸头等 铝合金的牌号不反应机性 也不反应化学成分 表2 8 铸铝件生产特点 熔炼时间接加热 出炉前应去气处理 加入钠盐等变质剂进行细化晶粒的变质处理 2020 3 29 50 第三章砂型铸造 一 砂型铸造是传统的铸造方法 适用于各种形状 大小及各种合金铸件的生产 二 铸造工艺图 是在零件图上用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形 最主要的几个组成因素是 浇注位置 分型面 型芯 铸造圆角 加工余量 拔模斜度 另外还有收缩率 浇注系统 冒口 冷铁等 绘好工艺图 选择造型方法 浇注位置和分型面是关键 2020 3 29 51 第一节造型方法的选择一 分类 手工造型 机器造型 二 各造型方法的特点及应用范围 手工造型 操作灵活 大小铸件均可适应 可分为 整模造型 分模造型 活块造型 挖砂造型 三箱造型等方法 模型和砂箱费用低 生产准备时间短 对工人技术水平要求较高 尺寸精度及表面质量较差 生产率低 多用于单件 小批生产 有时也用于较大批量生产 2020 3 29 52 整模造型 模样是整体的 分型面是平面 铸型型腔全部在半个铸型内 其造型简单 铸件不会产生错型缺陷 成品 木模 先造下箱 再造上箱 合箱浇注 2020 3 29 53 挖砂造型 模样虽然是整体的 但铸件分型面是曲面 为了能起出模样 造型使用手工挖去阻碍起模的型砂 放木模 造下箱 翻转 挖砂 造上箱 起模 合箱 2020 3 29 54 为了克服上述挖砂造型的挖砂缺点 在造型前预先制造底胎 再在底胎上造下箱 由于底胎并不参加浇铸 故称假箱 2020 3 29 55 活块造型 制模时将铸件上有妨碍起模的小凸台制成活动部分 起模时 先起出主体模样 然后再从侧面取出活块 其造型费时 要求工人技术水平高 2020 3 29 56 刮板造型 用刮板代替木模造型 可大大降低模型成本 节约木材 缩短生产周期 但要求工人技术水平高 2020 3 29 57 三箱造型 2020 3 29 58 2020 3 29 59 机器造型 紧砂 起模由机械完成 零件只准有一个分型面 要求尽量少用或不用活块 生产的铸件精度高 生产率高 劳动条件得以改善 设备投资大 生产准备时间长 适于大批量生产 2020 3 29 60 2020 3 29 61 第二节浇注位置与分型面的选择一 浇注位置的选择 浇注位置与浇口位置 浇注位置 指浇注时铸件在铸型中所处的空间位置 具体是指铸件上的某个表面是位于铸型的上表面 侧面 还是下面而言 浇口位置 是指内浇口与铸型型腔连接处的位置 也就是液态合金流入铸型型腔的位置 浇注位置选择原则 重要加工表面朝下 侧面 大平面朝下 薄壁位于下部或垂直 倾斜 易产生缩孔件 厚壁处于分型面附近的上部或侧面 车床床身 卷扬筒 薄壁件 上 下 2020 3 29 62 二 铸型分型面的选择原则 1 应便于起模 使造型工艺简化 尽量使分型面平直 数量少 避免不必要的活块和型芯 2020 3 29 63 2020 3 29 64 2 应尽量使铸件全部或大部分置于同一砂箱 以保证铸件精度 3 尽量使型腔及主要型芯位于下箱 车床床身 2020 3 29 65 第三节工艺参数的选择绘制工艺图 在铸造工艺方案初步确定之后 还须选定机械加工余量 拔模斜度 收缩率 型芯头尺寸 铸造圆角等 一 机械加工余量和铸孔 机加工余量 铸件上为切削加工而加大的尺寸称为机加工余量 决定因素 生产批量 合金种类 铸件大小 加工面与基准面的距离及加工面在浇注时的位置 表2 9 铸孔 较大的孔槽应铸出 较小不必铸出 HT铸出时的最小尺寸 30 50mm 成批 15 30mm 大量 12 15mm 不必加工的孔无论大小都铸出 2020 3 29 66 二 拔模斜度 图示2 36 为使模型 型芯 易于从砂型 芯盒 中取出 凡垂直于分型面的立壁 制造模型时必须留出一定倾斜度 此斜度叫拔模斜度或铸造斜度 影响因素 立壁高度 造型方法 模型材料等 一般外壁 15 3 内壁 3 10 2020 3 29 67 三 收缩率 由于合金的线收缩 模型尺寸必须比铸件放大一个该合金的收缩量 四 型芯头 分为水平芯头 垂直芯头 特殊式 如悬臂头 吊芯等 2020 3 29 68 支座 支座的铸造工艺图 第四节综合分析举例 2020 3 29 69 2020 3 29 70 图2 41分型面的选择 2020 3 29 71 第四章特种铸造 一 熔模精密铸造 失蜡铸造 工艺过程 A 蜡模制造 B 蜡模组装 结壳 脱蜡和造型 焙烧和浇注 落砂和清理 特点及应用范围 优点 1 铸件的精度及表面质量均优 可生产形状复杂的薄壁件 2 适合各种合金的铸造 这对于高熔点及难切削加工合金 如高锰钢 耐热合金 的铸造尤为可贵 3 生产批量不受限制 缺点 1 材料昂贵 工艺繁杂 生产周期长 2 难以全盘机械化 3 不能生产大型铸件 应用 常用于高熔点 难切削合金 形状复杂的薄壁中小件 2020 3 29 72 二 金属型铸造 永久型铸造 金属型构造 按分型面方位 整体式 垂直分型式 水平分型式 复合分型式 工艺过程 特点和适用范围 优点 一型多铸 铸件表面光洁 尺寸准确 可减少机加工余量 铸件组织致密 机性较好 生产率高 适于大量 大批生产 缺点 金属型成本高 加工费用大 冷速快 铸件易产生裂纹 应用 常用于生产有色金属铸件 也可浇注铸铁件 2020 3 29 73 三 压力铸造压铸 是在高压下快速地将液态或半液态合金压入金属铸型中 并在压力下结晶 以获得铸件的铸造方法 工艺过程 压铸特点及适用范围 优点 铸件的精度及表面质量较其它方法均高 可压铸出形状复杂的薄壁件或镶嵌件 铸件的强度和硬度都较高 生产率比其它铸造方法高 易实现生产过程自动化 缺点 压铸设备投资大 制造压型费用高 周期长 压铸合金的种类受限制 低熔点合金 铸件内部常有气孔和缩松 不宜较大余量的切削加工 不能用热处理提高铸件性能 应用 适于有色合金的薄壁小件大量生产 在航空 汽车 电器 仪表工业广泛应用 2020 3 29 74 四 离心铸造离心铸造 将液态合金浇入高速旋转