_铸造基本知识及理论

.,铸造的基本知识及理论,.,第一节铸造概述第二节铸造的工艺基础第三节砂型铸造第四节特种铸造,课程大纲,.,金属的成形方法可分为铸造、塑性成形（或称压力加工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大类。,铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。,第一节概述,但它的缺点是公差较大，易产生内部缺陷。,.,铸造是人类掌握比较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历史。中国约在公元前1700前1000年之间已进入青铜铸件的全盛期，工艺上已达到相当高的水平。中国商朝的重875公斤的司母戊方鼎，战国时期的曾侯乙尊盘，西汉的透光镜，都是古代铸造的代表产品。,曾侯乙尊盘,司母戊方鼎,.,.,第二节铸造的工艺基础,定义：铸造是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。,.,.,主要影响因素,铸造的主要影响因素主要体现在二个方面：一是影响充型的主要因素和影响凝固收缩的主要因素。,.,金属的流动性：,.,浇注温度：,.,充型能力：,铸件的凝固方式：,.,在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的。,.,.,一般认为：铸模的冷却能力越大，越有利于在结晶过程中保持较大的温度梯度，从而利于柱状晶区的发展。,柱状晶择优取向，晶界往往容易富集第二相，特别是在两种位向交叉面是受力的薄弱环节，轧制时容易开裂。,因此，钢铁或镍合金（塑形较差）应避免柱状晶的出现；而有色金属，有时要求获得柱状晶。,思考：若要避免柱状晶的出现，应采用哪种凝固方式，并如何实现？,讨论：,.,铸件的收缩：,定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。,.,收缩率：体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。,.,注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。,合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。,.,缩孔：,铸造缺陷,定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。,产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。,.,疏松：,定义：疏松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。,.,危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。,防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、疏松的出现。,.,内置冷铁法,外置冷铁法,.,设置冒口法,冒口、冷铁共用法,.,裂纹与变形：,在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。,.,铸件特殊位置的裂纹示意图,裂纹的常见部位：,.,裂纹和变形的防止：,以有利于释放铸造应力为原则；1、采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；2、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；3、对铸件进行热处理。,.,.,第三节砂型铸造,砂型铸造是指用砂粒制备铸型来生产铸件的铸造方法。可追溯到公元前30004000年，用石头和金属型做出铜器。,砂型铸造概略图,.,.,浇注系统的设计：,浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道；通常由交口杯、直浇道、横浇道和内浇道等组成。,设计原则：确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔。,浇注系统示意图,.,设计原则：1、冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间。2、冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩。3、在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩通道。4、为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷能力强的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。,.,生产准备：,模型和芯盒的设计：,模型的内轮廓应该与铸件的外轮廓的形状相一致，并且在尺寸上比铸件大出一个收缩量。,对于有孔或中空的铸件，需在模腔中放置型芯来获得。型芯的尺寸设计也要考虑到收缩量的问题。,.,型（芯）砂的制备：,技术要求：型（芯）砂具有一定的强度、透气性、退让性盒溃散性等。,影响因素：1、造型因素：主要指砂型的紧实程度。（右图表示了几种常用的压实型砂的方法）,.,2、型砂的影响：1）原砂、粘结剂和稀释剂的成分配比；,2）原砂的形状、粒度状况一般认为：粒度在小尺寸范围呈正态分布，有利于砂型强度的提高，但透气性较差。,.,工艺过程,.,特点及应用：,1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制；2、属于一次性铸造成形，造型工作量大；3、铸件精度和表面质量差；4、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差；5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。,.,第四节特种铸造,为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。,.,金属型铸造：,定义：金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。,工艺过程：,.,特点和应用：1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高；2、铸件精度高，表面粗糙度较低；3、金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好；4、不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。5、适于生产大批量有色金属铸件。,.,工艺过程：,.,特点和应用：1、铸件尺寸精度高，表面光洁；2、可铸造形状复杂零件；3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。,应用实例：航空发动机等轴晶叶片的制备航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加工难度。,.,目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空环境下的熔模铸造来解决这一技术难题。,.,.,压力铸造：,定义：是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸件的一种铸造方法。,工艺过程：,.,大型压铸机及压铸模,.,特点和应用：1、浇注时间短，易于机械化、自动化作业；2、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；3、铸件尺寸精度高，表面光洁；4、凝固速度快，排气困难，易形成疏松和缩孔；5、模具成本高，铸件尺寸受限；6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。,.,低压铸造：,定义：是指液态金属在低的气体压力作用下从坩埚中自下而上地充填型腔并凝固而获得铸件的一种铸造方法。,工艺过程：,.,低压铸造火车车轮示意图,.,特点和应用：1、充型压力和充型速度易于控制，气孔、夹渣较少；2、铸型散热快，组织致密，机械性能好；3、无需冒口设置，金属利用率高；4、铸件尺寸精度高，表面光洁；5、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。,.,工艺过程：,.,2、改善金属的流动性，提高了充型能力；3、简化了中空圆柱形铸件的生产过程；4、成分偏析严重，尺寸难以控制；5、特别适于横截面呈圆柱的铸件生产。,特点和应用：1、离心力改善了补缩条件，缩孔等缺陷减少；,.,工艺过程：如右图所示。,特点和应用：1、冷却速度快，组织致密，机械性能好；2、工艺简单，生产效率高；3、适于横截面一定的钢材、铝材和铸铁管等铸件的生产。,连续铸造工艺过程示意图,.,消失模铸造：,定义：是指用泡沫塑料聚苯乙烯制成带有浇冒系统的模型，覆上涂料，用干砂造型，不需取模，直接浇注的铸造生产方法。,工艺过程：如下图所示。,.,特点和应用：1、不分型，不起模，工艺简化，精度提高；2、能制造形状复杂的铸件和