教学课件铸造.ppt

第二篇铸造,教学内容与教学目的,第二篇铸造,教学内容:合金的铸造性能、流动性、收缩性、偏析性等基础知识；铸件的常见缺陷分析及防止；常见合金铸件的生产；砂型铸造工艺基础；几种典型的特种铸造工艺方法；铸件结构与铸造工艺及合金铸造性能的关系。,教学目的和要求（第二篇铸造）,目的与要求要求了解合金流动性和收缩的概念、影响因素及其对铸件质量的影响，为铸件设计，选材和制订铸造工艺提供理论基础。常用合金铸件的生产，要求了解灰铸铁的生产特点。球墨铸铁、可锻铸铁、铸钢、铜、铝及其合金铸件的生产特点只作一般了解。砂型铸造要求掌握制定铸造工艺图的基本原则，主要工艺参数的选择原则，分析典型铸件图例，并为今后解决实际问题打好基础。掌握铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求。特种铸造里了解金属型铸造、熔模铸造、压力铸造和离心铸造的基本知识。,第一章铸造工艺基础,知识点：,第一节液态金属的充型（第一章铸造工艺基础）,充型：液态合金填充铸型的过程。充型能力：液态金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰健全的铸件的能力。充型能力低：产生浇不足、冷隔等缺陷。影响充型能力的主要因素是合金的流动性、浇注条件、铸型填充条件和铸件结构。（下面就分析上述几种因素的影响。）,第一节液态金属的充型（第一章铸造工艺基础）,一、合金的流动性1流动性的概念流动性：液态态合金本身的流动能力。流动性好，易于浇出轮廓清晰，薄而复杂的铸件。流动性好，有利于液态金属中的非金属夹杂物和气体上浮，排除。流动性好，易于对液态金属在凝固中产生的收缩进行补缩。,一、合金的流动性（第一章第一节液态金属的充型）,影响合金流动性的因素:合金成分结晶温度范围浇注温度充型压力,一、合金的流动性（第一章第一节液态金属的充型）,图53所示为铁碳合金的流动性与含碳量的关系。由图可见，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶间隔减小，流动性提高。愈接近共晶成分，愈容易铸造。,二、浇注条件（第一章第一节液态金属的充型）,1、浇注温度浇注温度对合金的充型能力有着决定性影响。浇注温度愈高，液态金属所含的热量较多，粘度下降，在相同的冷却条件下，合金在铸型中保持流动的时间长。但是，浇注温度过高会使金属液体的吸气量和总收缩量增大，铸件容易生产气孔、缩孔、缩松、粘砂、粗晶等缺陷，故在保证充型能力足够的前提下，浇注温度不易过高。形状复杂的薄壁铸件，为避免产生冷隔和浇不足等缺陷，浇注温度以略高些为宜。例如灰铸铁的浇注温度为12001380。（铸钢为15201620，铝合金为680780）,二、浇注条件（第一章第一节液态金属的充型）,2.充型压力液态合金在流动方向上所受的压力愈大，充型能力愈好。砂型铸造时，充型压力是由直浇道所产生的静压力取得的，故直浇道的高度必须适当。,三、铸型填充条件（第一章第一节液态金属的充型）,影响因素：1.铸型的蓄热能力（砂型与金属型比较）2.铸型温度（是否需要预热）（知识扩展：加冷铁局部快冷）3.铸型中的气体（砂型与金属型比较；砂型：开设冒口）,四、铸件结构（第一章第一节液态金属的充型）,当铸件壁厚过小，壁厚急剧变化或有较大水平面等结构时，都使液态合金的充型能力降低。因此设计铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值（见p41页表2-1）。有的铸件需设计工艺孔或流动通道，如图54所示的壳体铸件，在大平面上增设肋条有利于金属液充满铸型型腔，并可防止夹砂缺陷的产生。,四、铸件结构（第一章第一节液态金属的充型）,第二节铸件的凝固与收缩（第一章铸造工艺基础）,凝固：液态金属的温度降低到液相线至固相线温度范围时，合金就从液态向固态转变。这种由液态向固态转化的过程称为凝固。一、铸件的凝固方式及其与铸件质量的关系在合金的凝固过程中，铸件截面上液相和固相同时并存的区域叫做“凝固区域”。凝固区域的宽窄对铸件质量有很大的影响。而铸件的凝固方式就是依据凝固区域的宽窄如图55(b)中s来划分的。1逐层凝固如图55(a)2糊状凝固如图55(c)。3.中间凝固如图55(b)（见p41页图2-3）,第二节铸件的凝固与收缩（第一章铸造工艺基础）,第二节铸件的凝固与收缩（第一章铸造工艺基础）,二、铸造合金的收缩收缩铸造合金从浇注、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。收缩是合金的物理本性。合金的收缩可分为三个阶段。各阶段的收缩特性不同，因而对铸件质量有不同的影响1液态收缩指合金从浇注温度冷却到液相线温度(即凝固开始温度)过程中的收缩。2凝固收缩指合金在液相线和固相线(即凝固终止温度)之间的收缩。3固态收缩指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。,第二节铸件的凝固与收缩（第一章铸造工艺基础）,合金的总收缩率为上述三种收缩的总和。合金种类不同，其收缩率是不同的。在常用的铸造合金中铸钢件收缩最大，灰铸铁最小，这是由于灰铸铁中大部分碳是以石墨状态存在的，石墨比容大，在结晶过程中析出石墨所产生的体积膨胀，抵消了部分收缩。（见p42表2-2）几种铁碳合金的体积收缩率；在制作铸件模样时要考虑合金的线收缩率；见下表5-2和表5-3所示。,第二节铸件的凝固与收缩（第一章铸造工艺基础）,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,一、铸件中的缩孔和缩松1.缩孔：它是集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显的凹坑。为便于分析缩孔的形成，现假设铸件呈逐层凝固，其形成过程如图56所示。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，如壁的上部或中心处。此外，铸件两壁相交处因金属积聚凝固较晚，也易产生缩孔，此处称为热节。热节位置可用画内接圆方法确定，如图57所示。铸件上壁厚较大及内浇口附近都属热节部位。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,2.缩松：分散在铸件某区域内的细小缩孔，称为缩松。缩松的分布面积要比缩孔大得多。缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区域的收缩未能得到补足，或是因合金是糊状凝固，被树枝状晶体分隔开的小液体区难以得到补缩所致。宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的小孔洞，多分布在铸件中心轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方如图58所示。显微缩松是分布在晶粒之间的微小孔洞，要用显微镜才能观察出来，这种缩松的分布更为广泛，有时遍及整个截面。显微缩松难以完全避免，对于一般铸件多不作为缺陷处理，,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,3.缩孔和缩松的防止：（1）按照顺序凝固原则进行凝固：就是在铸件可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固，而后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身凝固。顺序凝固缺点是铸件各部分温差较大，冷却速度不一致，易产生铸造内应力、变形及裂纹等缺陷；冒口消耗金属多、切割费事。(2)合理确定内浇道位置及浇注工艺：内浇道应从铸件厚实处引入。(3)合理利用冒口、冷铁和补贴等工艺措施：冒口在铸件厚壁和热节部位设置冒口；冷铁用金属材料(铸铁、钢和铜等)制成的激冷物称为冷铁。其作用是在铸型中加大铸件某部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,补贴：对于壁厚均匀的薄壁件，只用增加冒口直径和高度的办法来增加冒口的有效补缩距离，效果往往不显著，其内部仍然产生缩孔和缩松现象如图512(a)。若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度，造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，这样就可大大增加冒口的有效补缩距离，消除缩孔。所增加的楔形部分，称为补贴如图512(b)。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,二、铸造内应力、变形和裂纹1.铸造内应力铸件固态收缩受到阻碍而引起的内应力，称为铸造内应力。铸造内应力按其产生的原因，可分为热应力和机械应力两种。(1)热应力它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。落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造内应力。（见p45图2-8）(2)机械应力铸件的固态收缩(即线收缩)受到铸型、型芯、浇注系统、冒口或箱挡等的阻碍而产生的内应力(也称收缩应力)。（见p45图2-10）,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,(3)铸造内应力的防止设计铸件时尽量使其壁厚均匀，形状对称、减小热节；尽量避免牵制收缩结构，使铸件各部分能自由收缩。设计铸件的浇注系统时，应采取“同时凝固”的原则。（见p45图2-9）造型工艺上，采取相应措施减小铸造内应力，如改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇口、胃口等。减少铸型与铸件的温度差。例如，在金属型铸造和熔模铸造时对铸型预热，可有效地减少铸件的热应力。去应力退火。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,2铸件的变形与防止（了解要求）如前所述，当铸件的残留应力以热应力为主时，铸件中冷却较慢的部分有残留拉应力，冷却较快的部分有残留压应力。处于这种不稳定状态的铸件，将自发地通过一定的变形来减缓其内应力，以趋于稳定状态。显然，只有原来受拉应力的部分产生压缩变形、受压应力的部分产生拉伸变形，才能使铸件中的残余内应力减少或消除。图516所示为车床床身由热应力导致的挠曲变形示意图其导轨部分因较厚受拉应力而缩短，床壁部分因较薄受压应力而伸长。于是产生导轨面下凹的变形现象。有的铸件虽无明显变形，但经切削加工后，破坏了铸造应力的平衡，又产生微量变形甚至裂纹。如图517(a)所示圆柱体铸件，由于心部冷却比表层慢，结果心部产生拉应力，表层产生压应力。于是心部总是力图变短，外层总是力图变长。当外表面被加工掉一层后，心部所受拉应力减小，铸件变短如图517(b)。当在心部钻孔后，表层所受压应力减小，铸件变长如图517(c)。若从侧面切去一层，则会产生图517(d)所示的弯曲变形。时效处理分自然时效和人工时效两种。自然时效是将有残留应力的铸件放置露天场地，经数月至半年以上，使其内应力慢慢自然释放。人工时效是将铸件加热到550650进行去应力退火，它比自然时效速度快、内应力去除较彻底，故应用广泛。时效处理宜在粗加工之后进行，这样既有利于原有内应力的消除，又可将粗加工过程中所产生的内应力一并消除。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,3铸件的裂纹与防止当铸造内应力超过金属的强度极限时，铸件将产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷，多使铸件报废。按裂纹形成的温度范围可分热裂和冷裂两种。(1)热裂热裂是铸件在高温下产生的裂纹。其裂纹特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内有氧化色。(2)冷裂冷裂是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。其形状特征是：裂纹细小，呈连续直线状，具有金属光泽或呈轻微氧化色。为防止铸件热裂和冷裂，除应设法减小铸造内应力外，还应控制钢、铁的含s、p量。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,三、铸件中的气孔根据气体的来源，可将气孔分为侵入气孔、析出气孔和反应气孔三种类型。1侵入气孔侵入气孔是由于砂型表面聚集的气体侵人金属液中而形成的气孔。侵入气孔的特征是：多位于铸件上表面附近，尺寸较大，孔的内表面被氧化。侵入性气体主要来自造型材料中的水分、粘结剂和各种附加物。水不仅发气量大，且发气的临界温度最低。侵入气孔的形成过程，当金属液浇入铸型后，型壁表层的水分迅速汽化、并向型壁表层迁移。预防侵入气孔的基本途径是降低型砂(芯砂)的发气量和增加铸型的排气能力。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,2析出气孔溶解于金属液中的气体在冷凝过程中，因气体溶解度下降而析出，铸件因此而形成的气孔称为析出气孔。析出气孔的特征是：尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，有时遍及整个铸件截面金属所以吸收气体是由于金属在熔化和浇注过程中很难与气体隔离，一些双原子气体(如h2n2、o2等)可从炉料、炉气等进入金属液中。其中，氢因不与金属形成化合物，原子直径较小，故较易溶解于金属。,第三节铸件缺陷分析（第一章铸造工艺基础）,3反应气孔浇入铸型中的金属液与铸型材料、冷铁或熔渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔称为反应气孔。,第一章铸造工艺基础思考与复习题,1.什么叫合金的流动性？影响合金流动性的因素有哪些？流动性不足时铸件易产生哪些？2.为什么尽量选择共晶成分或结晶间隔窄的合金作为铸造合金？3.既然提高浇注温度可提高合金的充型能力，但为什么又要防止浇注温度过高？4.什么是铸件的热裂和冷裂？各有何特征？5.（教材p48复习题）,第二章常用合金铸件的生产,第一节铸铁件的生产一、灰铸铁按照铁水处理方法的不同，灰铸铁可分为普通灰铸铁和孕育铸铁两大类。（牌号：例如ht200）1普通灰铸铁指出炉铁水不经任何处理而制成的铸铁，如htl00和ht150均属这类铸铁。普通灰铸铁也称低强度灰铸铁，其碳、硅含量较高(3.0%3.7%c，1.82.4si)。普通灰铸铁的主要缺点是壁厚敏感性较大，铸件壁愈大时，石墨片愈粗大，强度愈低。当截面增加到loomm时，强度可下降50%左右。故普通灰铸铁不宜制造壁厚较大的铸件，仅适用于制造受力较小、形状复杂的中小型铸件。,第一节铸铁件的生产（第二章常用合金铸件的生产）,2孕育铸铁为了进一步提高灰铸铁的力学性能，在生产上常采用孕育处理(也称变质处理)。其方法是：浇注前，往铁水中加入一定量的孕育剂(硅铁或硅钙合金)造成人为晶核，以改变铁水的结晶条件，使其获得细晶粒的珠光体基体组织和均匀细小片状的石墨。这种方法处理后的铸铁叫“孕育铸铁”或“变质铸铁”，也称高强度铸铁。孕育铸铁的力学性能，特别是强度、硬度比普通灰铸铁有显著提高。其抗拉强度为250400mpa；由于孕育铸铁的石墨仍为片状，本质仍属于灰铸铁，所以其塑性、韧性仍然很低；其组织和性能的均匀性较高，壁厚敏感性很小，适用于要求较高强度、高耐磨性或高气密性的铸件如机床床身、发动机气缸体。（具体应用见p53表2-3）,第一节铸铁件的生产（第二章常用合金铸件的生产）,3.灰铸铁中的碳的存在形式与石墨化灰铸铁中的碳以两种形式存在：化合碳fe3c和石墨。若化合碳为0.8%时，为p灰口铸铁；（可作气缸体、机床床身等）若化合碳为0.8%时，为（p+f）灰口铸铁；（可作一般机件如机架、法兰等）若全部为石墨时，为f灰口铸铁。（强度很低，少用）由p灰口铸铁-（p+f）灰口铸铁-f灰口铸铁，石墨片越粗大。灰铸铁中的石墨以片状形式存在，对基体金属有割裂作用，令其强度不高。,第一节铸铁件的生产（第二章常用合金铸件的生产）,由上述可见，灰铸铁性能受其石墨化程度影响。而石墨化程度又受化学成分和冷速影响。1）化学成分影响：c、si促进石墨化，si量不能太少，否则即使c多也无法石墨化；s阻碍石墨化，mn则消除s的影响，mns轻，上浮排出。p影响不大，能提高流动性，但有冷脆性。2）快速冷却，石墨化难以进行得硬而脆的白口铸铁，需较慢冷却得灰口铸铁。（除上述灰口铸铁外，铸铁按石墨形态分以下几种）,第一节铸铁件的生产（第二章常用合金铸件的生产）,二、可锻铸铁将白口铸铁经长期石墨化退火可得可锻铸铁。石墨形态：团絮状。（对基体金属割裂作用减轻）牌号：例kht350-10（说明符号的意义）应用：（见p54表2-4）注意：可锻铸铁虽有塑性，但还不算好，故还不能锻造。,第一节铸铁件的生产（第二章常用合金铸件的生产）,三、球墨铸铁在铁水中加入“球化剂”和“孕育剂”，使铸铁中的石墨呈“球状”，得球墨铸铁。石墨形态：球状。牌号：例qt600-3应用：其机械性能远超ht，具良好铸造性能、切削性能等。（详见p55表2-5.）四、白口铸铁全是硬而脆的渗碳体，用作铁锅、犁铧等材料。,第二节铸铁的熔炼工艺（第二章常用合金铸件的生产）,一、常用设备：冲天炉、反射炉、电弧炉和工频炉等，其中冲天炉应用最广泛。,第二节铸铁的熔炼工艺（第二章常用合金铸件的生产）,（其中，以冲天炉应用最广，下面简述其熔炼过程。）1、设备简介：2、炉料：1）金属料（新生铁、回炉铁、废钢和铁合金）2）燃料（焦炭：层焦和底焦）3）溶剂（石灰石、萤石），用以降低高熔点炉渣熔点。3、熔炼工艺：（1）修炉；（2）点火烘干；（3）加底焦；（4）加炉料：溶剂金属料层焦（焦铁比1：10）（5）打开风口，排出co；（6）预热（15-30min），鼓风；（7）完成后先停止加料，后停止鼓风。（8）打开炉底门用水浇灭剩料,第三节铸钢的熔炼工艺（第二章常用合金铸件的生产）,1熔炼设备铸钢生产中的熔炼设备多采用三相电弧炉。因为三相电弧炉炼出的钢液质量好，每炼一炉钢约为24小时。炉子容量一般为15t，三相电弧炉的构造如图67所示。近年来感应电炉炼钢发展也很快，感应电炉炼钢加热速度快、能源消耗少，氧化烧损较少，钢水质量高，且能炼各种高级合金钢及含碳极低的钢，适于小型铸钢件的生产。,第三节铸钢的熔炼工艺（第二章常用合金铸件的生产）,第三节铸钢的熔炼工艺（第二章常用合金铸件的生产）,2铸造工艺钢的浇注温度高、比重大、流动性差，熔炼时易氧化和吸气。钢的体积收缩率均为铸铁的3倍，因此铸造困难，容易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等铸造缺陷。要求型砂(芯砂)的耐火性、强度、透气性和退让性都比较高。铸钢一般用颗粒大而均匀的石英砂，大铸件常采用人工破碎的石英砂。为防止粘砂，铸型表面还要涂以石英粉或锆砂粉涂料。为降低铸型材料的发气性、提高强度、改善填充条件，大件多采用水玻璃快干型。,第三节铸钢的熔炼工艺（第二章常用合金铸件的生产）,一般说来，铸钢件都要安置冒口和冷铁，使之实现顺序凝固。3铸钢件的热处理热处理：正火处理、退火处理等。,第二章常用合金铸件的生产思考与练习题,1、下列铸件宜选用哪类铸造合金?车床床身摩托车气缸体火车轮气缸套压气机曲轴坦克车履带板自来水管道弯头减速器蜗轮轴承座2、（见p61复习题）,第三章砂型铸造,知识点：,第一节造型方法的选择（第三章砂型铸造）,步骤一、两项准备工作：1、制造模样和芯盒；2、配制型砂和芯砂。,第一节造型方法的选择（第三章砂型铸造）,（步骤一）1、制造模样和芯盒工艺要求：（1）若有加工面，则在制造模样和芯盒时在加工表面留出加工余量（2.5-6mm).（2）为便于取出模样，在平行于起模方向的模样壁上增加一斜度（起模斜度1-3）（3）考虑到收缩，模样尺寸比铸件大（ht：1%；铸钢：2%）。,第一节造型方法的选择（第三章砂型铸造）,（步骤一）配制型砂和芯砂（1）材料：砂（石英砂）（+）粘结剂（+）附加物粘结剂：（普通粘土；膨润土）8-10%.水：4-8%.附加物：煤粉（防止粘砂）2-4%.木屑（提高退让性）1-2%.（2）设备：混砂机。（3）质量检验：方法一、型砂芯砂性能试验仪方法二、手捏砂团法。,第一节造型方法的选择（第三章砂型铸造）,（步骤一）配制型砂和芯砂（4）型砂和芯砂应具备的性能：具合适的强度；具有耐火性；具透气性；具退让性。（5）造型芯：为加强其强度，在其中心放“芯骨”；在型芯表面刷涂料（避免铸件内腔粘砂）；重要的型芯要烘干（提高强度和透气性）。,第二节造型前浇注位置和分型面的选择（第三章砂型铸造）,一、浇注位置的选择原则（p67）浇注位置根据铸件的质量要求，确定铸件在砂型中所处的位置。1.铸件的重要加工面或主要工作面朝下；2.铸件的宽大平面朝下；3.有大平面薄壁铸件，薄壁部分朝下；4.有厚壁的铸件，其厚的部分放于上部。（利于补缩，防止气孔）二、分型面的选择原则（p68）铸件分型面的选择正确与否是铸造工艺合理性的关键之一，选择分型面时应注意以下原则：,第二节造型前浇注位置和分型面的选择（第三章砂型铸造）,1.应尽量使分型面平直、数量少；（p68图2-28、29）2.应避免不必要的型芯和活块，以简化造型工