10液态成形(铸造)

第二篇材料成形与加工,我国是制造大国,我国机械工业总产值已占全国工业总产值的25。我国钢年产量2003年已达2.7亿吨，居世界第一位，生铁17,074万吨，成品钢材19,218万吨。我国汽车产量2001年已达234万辆，其中轿车产量为70.36万辆，比1991年增加了10倍多，2002年的产销量又有迅速、大幅度增长，已成为我国国民经济的支柱产业。全世界75的钢材经塑性加工，45的金属结构用焊接得以成形。我国的铸造行业有100万职工，20000多个工厂，2003年产量达1,600万吨，在世界上是第一铸造大国。,第四章金属的液态成形与半固态成形第一节液态成形（铸造）,铸造工艺的内容：1）熔化合格的合金液体：成分合格，温度合适；2）制作合理的铸型：造型材料，造型方法铸造工艺，尺寸，型板，砂箱，分型面，浇注系统3）浇注成型以及清理：浇注方法（重力，加压），清理。4）凝固成合格的铸件：内部质量，尺寸。,一、概述,1、液态成形的特点,（1）材料来源广；（2）废品可重熔；（3）设备投资低。,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。,适应性强：,成本低：,废品率高、表面质量较低、劳动条件差。,2、液态成形的发展,看书,铸件凝固方式,简化为单向导热的情况下,二、液态成形合金性能,液,1.逐层凝固,2.糊状凝固,3.中间凝固,a）在恒温下凝固,b）在一定温度范围内凝固,1）纯金属和共晶合金为清晰的固液界面，凝固是从外向内成逐层凝固的方式2）有结晶温度范围的合金存在固液两相区，凝固是从外向内成糊状凝固的方式固液两相区的宽度是由结晶温度范围和温度梯度所决定的。结晶温度是由合金的成分决定的，而温度梯度是由所采取的工艺所决定的。所以人的任务是I）选择合金的成分；II）确定工艺，改变温度梯度。,0.45%C铸钢：200,4.3%C铸铁：1800,基本概念：液体充满铸型，获得形状完整，轮廓清晰铸件的能力。衡量方法：在螺旋试样上，以相同的条件，流动长度为流动性好坏的标准。,1、合金的充型能力流动性,影响流动性的因素：1）合金的成分，结晶温度范围2）温度梯度i.）浇注温度：ii.）铸型条件：铸型材料iii.）铸件的尺寸，壁厚等3）其它条件：充型压头，压力铸造，浇注系统的设计。,2、合金的收缩,M合金,N合金,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,（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,体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。,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。,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。,缩孔和缩松的形成,缩松,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”。,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。,同时凝固整个铸件几乎同时凝固。,3、液态成形内应力、变形与裂纹,液态成形内应力,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。,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,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。,t0t1:,塑性状态,弹性状态,1,2,+,-,t1t2：,t2t3：,+,-,-,+,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。,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。,铸件的裂纹与防止,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。,一般是在凝固末期，金属处于固相线附近的高温时形成的。铸件结构不合理，合金收缩大，型（芯）砂退让性差以及铸造工艺不合理等均可引发热裂。,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，必须严格控制磷的量，防止冷脆性。,冷裂是铸件冷却到低温处于弹性状态时所产生的热应力和收缩应力的总和，如果大于该温度下合金的强度，则产生冷裂。,4、合金的凝固偏析,微观偏析：固溶体成分不均匀性。影响因素：冷速极慢，扩散充分，没有偏析冷速极快，液相扩散也不出现，也没有偏析。一般冷速出现偏析消除方法：原则上偏析是非平衡凝固所致，所以只要动力学保证扩散的进行时可以消除的。具体方法：i.）加热到低于固相线以下温度，安全在共晶温度以下ii）细化晶粒减少扩散距离。,铸件气体,1）析出气体防排溶原则2）浸入气体：在浇注过程中裹入的气体，空腔气体未顺排除区别：前者遍布整个截面，后者尺寸大，多出现在铸件表面。危害：极大，因为在加工中才被发现，浪费了许多的工时。,宏观正偏析,宏观反偏析,被挤出的液体,溶质量,宏观偏析和逆偏：无解,三、液态成形方法,砂型铸造用型砂和芯砂作铸型i.造型材料的要求强度干强度和湿强度透气性排气用耐火度与液态金属接触时，不软化，不粘砂容让性防止铸造应力溃散性便于清理,ii.造型材料：砂子SiO2；Al2O3粘结剂粘土，水玻璃，树脂。附加物焦碳粉，煤粉（反应生成还原性气膜），稻草特种铸造：金属形铸造熔模铸造离心铸造低压铸造高压铸造实型铸造等,1、砂型铸造,（1）粘土型砂,原砂的主要作用,骨料，具有较高的耐火度保证砂型具有一定的透气性,粘土,粘土的矿物组成：高岭土高岭石膨润土蒙脱石,（2）水玻璃砂,水玻璃别名泡花碱，一般指钠水玻璃。其化学通式为:Na2OmSiO2nH2O。SiO2/Na2O之摩尔比值称模数，用M表示。铸造中使用的水玻璃的模数通常为2M4。水玻璃的SiO2与Na2O的质量比称为硅碱比，但西方某些国家习惯上也将钠水玻璃的硅碱比称为模数。,水玻璃的浓度是指它的水溶液中含有Na2OmSiO2的质量分数。调整水玻璃浓度只需通过加热脱水或增水即能实现。水玻璃的密度和浓度之间虽然并不存在严格的线性关系，但习惯上还是用密度来反映水玻璃的浓度。在铸造行业，更习惯于用波美度Be来表示。20的水玻璃，波美度Be与密度的换算式为,（3）有机粘结剂,粘结剂分类：1.无机粘结剂：水玻璃、水泥、粘土.2.有机粘结剂：1)天然有机粘结剂：植物油、淀粉、松香2）石油炼制副产品：合脂、渣油、沥青3）合成粘结剂：呋喃树脂、酚醛树脂、聚乙烯醇,砂型铸造生产工艺过程示意图,手工造型工艺步骤,水平泥芯的定位,砂箱紧固方法示意图1,2-压铁,39-螺栓或箱卡,10-压铁,分模造型示意图甲-铸件图，乙-木模，丙-造下型，丁-早上型，戊-合箱，己-铸件和浇冒口,2、特种铸造,在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成形工艺方法。,熔模铸造是一种少、无切削的先进精密成形工艺，最适合25kg以下的高熔点、难加工合金铸件的批量生产。如汽轮机叶片、泵轮、复杂刀具、汽车上小型精密铸件。,（1）熔模铸造,母模,熔模铸造的工艺过程,组装蜡模,上涂料,失蜡,熔模焙烧,熔模浇注及处理,熔模铸造的特点和适用范围,1铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11IT13，面粗糙度Ra值达1.612.5m。,2合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。,3可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的凹槽、直径大于2mm的小孔均可直接铸出。,4生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。,5工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有精度。,（2）金属型铸造成形工艺,液态金属,金属型,铸件,材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢。,金属型的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等。,金属型的铸造工艺,1加强金属型的排气,2在金属型的工作表面上喷刷涂料,3预热金属型并控制其温度,4及时开型,金属型铸造的特点及适用范围,1金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。,2铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精度达IT12IT14，Ra值平均可达6.312.5m。,3生产率高，劳动条件得到改善。,铸造铝活塞的金属型及金属型芯,铰链开合式金属型组合式金属型芯,金属型缺点：金属型成本高没有退让性，不宜生产形状复杂的铸件金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生气孔、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷,金属型铸造主要用于铜、铝、镁等有色金属铸件的大批量生产。如内燃机活塞、汽缸盖、油泵壳体、轴瓦、轴套等。,（3）压力铸造成形工艺,液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。,压铸机和压铸工艺过程,冷压室压铸机,卧式冷室压铸机压铸过程示意图a)合型，b)压铸，c)开型1-压射冲头，2-压室，3-液态金属，4-定型，5-动型，6-型腔，7-浇道，8-预料,立式冷室压铸机压铸过程示意图1-压射冲头，2-压室，3-液态金属，4-定型，5-动型，6-喷嘴，7-型腔，8-反料冲头，9-预料,冷室压铸机总体结构示意图1-高压泵，2-合型机构，3-压射机构，4-蓄压器，5-机座,热室压铸机,压力铸造的特点和适用范围,铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为IT11IT13级，Ra为3.20.8m。,铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高2530%，但伸长率有所下降。,可压铸出形状复杂的薄壁件。,生产率高。国产压铸机每小时可铸50150次，最高可达500次。,压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。,由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。,压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。,便于采用镶嵌法。,压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。,由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不适宜制造承受冲击的制件。,应用：有色薄壁小件的大批量生产。,在压铸件的设计和使用中，应注意的问题,应使铸件壁厚均匀，并以34mm壁厚为宜，最大壁厚应小于68mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。,压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件内气孔中的气体膨胀，导致铸件表面鼓泡或变形。,汽车压铸件,汽车压铸件,汽车压铸件,汽车压铸件,辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的冷室卧式压铸机CK500,辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的压铸机J116C,辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的压铸机J1150,辽宁省阜新市阜新压铸机厂生产的压铸机,BHLER半固态铝合金触变成形专用SC型压铸机,传统铸造工艺的突破：1956年，美国人斯洛耶（HFShroyer）实验成功实型铸造工艺，并申请了美国发明专利，该专利于1958年对外公布；利用聚苯乙烯泡沫塑料模样代替铸造木模、金属模或塑料模等进行造型，造型结束以后，模样不被取出而呈实体铸型，将金属液浇入铸型中，模样气化，最后得到铸件，这种铸造方法称之为实型铸造，英语名称为：FullMouldingCastingProcess，简称为FM。,（4）实型铸造,这种铸造方法是一种崭新的铸造工艺，为某些铸件的生产提供了非常便利的技术。,实型干砂工艺过程示意图,工艺原理工艺过程：将覆有涂料的泡沫塑料模样置于可抽真空的特制砂箱中，填入干砂，并施加微振紧实型砂，开动真空泵进行抽气，借助砂箱内的负压与砂箱外形成压力差，使铸型紧实；用薄塑料膜覆盖住砂箱上口，以确保铸型呈密封状态；将浇口杯和冒口圈放在直浇道和冒口位置；在塑料薄膜上另撒一层干砂，防止浇注时溅出的金属液烫坏塑料薄膜而影响铸型内的真空度；浇注金属液，并待铸件表层凝固后，停止抽气；铸件凝固后，即可落砂。,实型负压造型,1干砂或旧砂2密封塑料薄膜3干砂或自硬砂4冒口5模样,6抽气室7抽气管8浇口杯9直浇道10横浇道11有底砂箱12金属丝网13多孔隔板14连接真空泵,工艺原理将表面覆有涂料的泡沫塑料模样置于上端开口的导磁铁质砂箱中，填入无粘结剂的、流动性良好的粒状磁性材料（铁丸或钢丸），并施加微振紧实“型砂”，将造好的铸型移入特制的磁型机内；在浇注前，先给磁型机通电，借助磁场力的作用，磁性材料互相吸引而紧实铸型，铸型既有一定的强度，又有良好的透气性；浇注时，泡沫塑料模样逐步气化，金属也不断充满铸型；铸件凝固后，即可断电去磁，粒状磁性材料又恢复其流动性，很容易落砂；,磁性铸造,1泡沫塑料模样2粒状磁性材料3铁质砂型4磁型机,卧式,（5）离心铸造,立式,立式离心浇注异形铸件示意图1-浇注系统，2-型腔，3-型芯，4-上型，5-下型,应用离心铸造技术已经成为一种应用较广泛的铸造工艺，离心铸造可以生产几乎所有的铸造合