第七章金属液态成形

1、第七章金属的液态成形（铸造）铸造 将熔融金属浇入铸型型腔， 经冷却凝固后获得所需铸件的方法。铸造实质：液态成形。 铸件大小、重量不限； 可生产复杂外形和内腔的铸件； 制造成本低，废品可重熔； 生产过程较复杂，铸件质量不稳定； 劳动条件差。铸件示例金属铸件680 Kg1.5 m 不锈钢船用螺旋推进器熔模铸造熔模铸造砂铸（形状复杂，铸件表面粗糙）拉模铸造7.1 金属液态成形原理 金属液态成形原理就是将液体注入预先制作好的容器内腔中，待其冷却凝固后取出，即得到所需的物品。 基本条件：合格的液体；盛液体的容器7.1.1、液态合金的充型铸件形成第一阶段合金两种或两种以上的金属元素、或金属与非金属元素（碳

2、）熔和在一起，所构成具有金属特性的物质。特点：硬度、强度合金 硬度、强度纯金属充型 液态合金填充铸型的过程。流动性和收缩性是合金的主要铸造工艺特性。1、合金的充型能力 熔融合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰的铸件的能力合金的充型能力影响因素： 熔融合金流动性、铸型性质、浇筑条件 和铸件结构等产生作用： 液态合金与铸型之间的热交换流动时间 液态合金在铸型中的动力学条件流动速度改进充型能力措施： 延长液态合金的流动时间； 加快液态合金的流动速度2、影响合金充型能力的因素1. 合金的流动性熔融金属的流动能力。衡量方法：“螺旋形流动性试样”法。螺旋形流动性试样示意图液态合金的充型影响流动性的因素

3、：合金的种类和化学成分不同种类的合金其流动性不同，同一种类不同成分的合金其流动性也不相同。流动性最好最差灰口铸铁 硅黄铜 铝硅合金 铸钢不同结晶特征的合金的流动性a）流动性最好，凝固后的表面较平滑；b）流动性较差，凝固后的表面粗糙。（2）合金的浇注条件a. 浇注温度（T）T 越高（有界限），充型能力越好。b. 充型压力流动方向上所受压力越大，充型能力越好。（3）合金的铸型特点结构越复杂，充型越困难。2、影响合金充型能力的因素7.1.2、液态合金的凝固1. 铸件的凝固及影响因素固相区；凝固区；液相区（影响最大）（1）逐层凝固方式特点： 铸件组织致密、紧实； 充型能力强，不易产生铸造缺陷； 流动性

4、较好，铸件轮廓清晰； 断面固、液分界线清晰。eg. 灰铸铁、低碳钢、铝硅合金、纯铜、纯铝等。（2） 体积凝固方式特点： 铸件组织不致密； 充型能力差，易产生铸造缺陷； 流动性较差；eg. 球墨铸铁、高碳钢、铝铜合金、锡青铜等。（3） 中间凝固方式 介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式。eg. 中碳钢、高锰钢、白口铸铁等。2 影响铸件凝固方式的因素1）合金的结晶温度范围2）铸件截面的温度梯度合金的结晶温度范围越小，凝固区越窄，越倾向于逐层凝固。 对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区越窄。越趋向于逐层凝固。影响温度梯度因素：合金性质，铸

5、型的蓄热能力，浇注温度等合金的收缩合金从浇注、凝固、冷却到室温，体积和尺寸缩小的现象。可用体收缩率V 或线收缩率L 定量描述。V0-V1V0L0 - L1L0100% = V (t0 - t1 ) 100%100% = L (t0 - t1 ) 100% V = L =缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。g 7.1.3、液态合金收缩、应力及变形合 金 收 缩 的 三 个 阶 段：（1）液态收缩合金从 T浇注 T凝固开始 间的收缩。（2）凝固收缩（产生缩孔、缩松、裂纹）合金从 T凝固开始 T凝固终止 间的收缩。（3）固态收缩（易产生铸造应力、变形、裂纹等。）合金从 T凝固终止

6、T室 间的收缩。浇 注 温 度室温凝 固 温 度开始终止凝固收缩（1）（3）2.影响收缩的因素 化学成分不同合金的收缩率各不相同。eg. 铸钢最大，灰铸铁最小。 浇注温度（T）T 越高，过热度越大 液体收缩越大。 铸件结构与铸型条件铸件的实际收缩率 铸件的自由收缩率3. 缩孔与缩松（按孔洞的大小和分布）（1）缩孔 集中在铸件上部或最后凝固部位容积较大的孔洞。（逐层凝固的方式产生）（2）缩松 分散在铸件某区域内的细小缩孔。形成原因： 收缩得不到及时补充； 糊状凝固，被树枝晶体分隔区域难以实现补缩。产生缩孔和缩松的主要原因：液态收缩 和 凝固收缩 导致。3）. 缩孔与缩松的防止（都会降低机械性能）

7、（2）顺序凝固控制铸件的凝固顺序；（3）合理确定铸件的浇注工艺加压补缩；离心浇注（浇注系统布局）。（1）合理铸造合金选择共晶成分的合金或结晶温度范围窄的合金.冒口、冷铁的应用常用冒口种类4. 铸造内应力、变形和裂纹铸件的固态收缩受到阻碍而产生的应力称为铸造内应力。铸件产生变形和裂纹的根本原因：铸造内应力（残余内应力） 内应力的形成和预防内应力的产生原因：热应力、机械应力。 热应力 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力。框形铸件热应力的形成 机械应力（收缩应力） 合金的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力。减小和消除铸造应力的工艺方法：借助于冷铁使铸件实现同时凝固

8、。冷铁 为增加铸件局部冷却速度，在型腔内部或工作表面安放的金属块。冷铁分为内冷铁、外冷铁两种。 铸件的变形与防止(a) 板 I 受拉，板 II 受压 板 I 内凹，板 II 外凸。(b) 板 I 受压，板 II 受拉 板 I 外凸，板 II 内凹。防止铸件产生变形的措施： 设计时，应尽量使铸件壁厚均匀、形状对称，避免金属聚集； 铸造工艺上采用同时凝固的原则； 采用“反变形”工艺； 对铸件进行时效处理（自然时效、人工时效）。 铸件的裂纹与防止铸造内应力 金属的强度极限裂纹（冷裂纹、热裂纹）冷裂 铸件处于弹性状态时，铸造应力大于金属的强度极限而产生的裂纹。是在低温下形成的。形状特征： 裂纹细小，呈

9、连续直线状； 裂纹断面干净，有金属光泽。轮形铸件的冷裂纹热裂 铸件在高温下形成的裂纹。一般分布在断面突变处。形状特征： 裂纹短，缝隙宽； 裂纹形状曲折、缝内呈氧化色。防止铸件产生热裂纹和变形的工艺措施铸筋割筋（收缩筋）铸筋设置方向收缩应力，热裂纹。拉筋（拉肋、加强筋）厚度拉筋 =（0.40.6）厚度铸件防止铸件变形的割筋防止铸件变形的拉筋7.2 液态合金成型方法砂型铸造是把液体金属浇注到砂型中从而获得铸件的铸造方法。1、造型材料：制造砂型和型芯的材料组成：由原沙、粘结剂和水按一定的比例混合而成。分类：黏土沙、水玻璃沙、油沙、合脂沙及树脂砂等2、选择造型方法造型 用型砂及模样等工艺装备制造铸型的

10、方法。造型：机器造型；手工造型7.2.1、砂型铸造液态成型的方法：砂型铸造和特种铸造砂 型 铸 造 工 序 流 程砂型铸造1）.手工造型 全部用手工或手动工具完成的造型工序（紧砂、起模、修整、合箱）。特点： 操作灵活，对模样、砂箱要求不高； 对操作者的技术水平要求高； 铸件品质不稳定； 劳动强度大，生产率低。铸件的造型方法 （挖砂、三箱造型、活块）(a) 手轮零件(d) 造上型(b) 放模样造下型(e) 起模型(c) 反转，最大截面处挖分型面(f) 落砂后带浇口的铸件(a) 铸 件(b) 模 样(d) 造中型(e) 造上型(c) 造下型(f) 起模、放砂芯、合型上箱模样中箱模样下箱模样(c)

11、模 样(f) 取出活块(b) 铸 件(e) 取出模样主体(a) 零 件(d) 造下砂型2）. 机器造型 用机器全部地完成或至少完成紧砂和起模操作的造型工序。特点： 生产率高，劳动强度低； 铸件尺寸精度好，加工余量少； 铸件质量稳定，精度和表面质量高； 投资较大（专用砂箱、设备）。常见的机器造型方法（按紧砂方式）震压造型（压实 + 震击）高压造型（压实型砂的压力一般为70150N/cm2的造型方法。）抛砂造型（用机械法将砂团高速抛入砂箱，使型砂紧实。）起模方式要求： 起模动作平稳，无冲击； 起模速度平缓。常见起模方法二、铸造工艺图的绘制是按规定的工艺符号或文字，将铸型分型面、浇注位置、浇冒口系统

12、、型芯结构尺寸、控制凝固措施（ eg. 冷铁、保温衬板）等绘制在零件图上的图样。衬套铸件的零件图和铸造工艺图1）、浇注位置和分型面的选择浇注位置- 是指浇注时铸件在铸型内所处的位置（空间位置）。分型面- 指两半铸型相互接触的表面。分为水平、垂直、倾斜，分型面决定铸件（模样）造型时的位置。浇注位置和分型面的选择原则： 主要工作面和重要加工面应朝下或位于侧面； 铸件的大平面应朝下或采用倾斜浇注，以免造成结疤、夹砂等缺陷； 铸件薄避部分应朝下或位于侧面或倾斜浇注，以免产生冷隔、浇不到现象； 铸件厚大部分应朝下或位于侧面，以便设置冒口进行补缩； 分型面应选在最大截面处，方便起模； 尽量减少分型面的数量

13、； 分型面应尽量选用平直面，避免曲面分型，以简化制模和造型工艺； 尽量使铸件全部或大部分处于同一砂箱，且位于下箱，或使主要加工面与基准面处于同一砂箱； 尽量减少型芯和活块数量，以简化制模、制芯和造型等工序； 分型面应尽量与浇注位置一致，以免合型后再翻转砂箱。2）、浇注系统 为填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道。作用：1）确保金属液平稳、无冲击地充满型腔；2）除渣、调节凝固顺序，避免产生铸造缺陷。（1）浇注系统的组成及作用（2）浇注系统的类型 顶注式浇注系统特点： 适于矮小铸件的浇注； 系统补缩作用好； 浇注过程中易产生飞溅和冲砂。 底注式浇注系统特点： 适于高度较大、形状较复杂、厚壁铸件

14、； 金属液流动平稳，不易冲砂； 补缩效果差。 阶梯式浇注系统特点： 适于高度800mm的铸件； 金属液流动平稳，不易冲砂； 补缩作用好。 中间式浇注系统特点： 内浇道一般开设在分型面上； 主要用于两箱造型。3）. 铸造工艺参数的确定（机加工余量、收缩余量、起模斜度、芯头）（1）加工余量和铸孔加工余量指在进行工艺设计是预先增加出用于机加工的尺寸预留量。其大小取决于铸件材料、结构、铸造方法eg. 灰铸铁表面较平整，加工余量小；铸钢因浇注温度高，铸件表面不够平整，加工余量铸铁；有色金属铸件表面光洁，其加工余量铸铁件。起 模 斜 度 壁越高，斜度越小； 斜度外壁斜度内壁即； 斜度金属模斜度木模 斜度机

15、器造型斜度手工。=153o, =3o 10o上下（2）收缩余量为补偿铸件收缩，模样尺寸比铸件尺寸增大的数值。用线收缩率L 确定。 100 %L 模样 L 铸件L 铸件 L =（3）起模斜度（拔模斜度）为使模样容易从砂型中取出，制模时凡垂直于分型面的立壁必须留出一定倾斜度。（4）铸件上最小铸出的孔、槽 铸件上的不加工孔，应尽量铸出。 若铸件的孔径25mm，或深径比4，则不铸出，直接采用机加工； 凹槽、台阶和胖肚圆铸件的深度或高度 h 10mm，或宽度 b20mm时，不必铸出。h 10 mm，b20 mm 时，不必铸出。（5）型芯头型芯的外伸部分，不形成铸件的轮廓，只是在芯座内用来定位和支承型芯。

16、 垂直芯头上芯头斜度= 6o 15o下芯头斜度= 5o 10o 芯头、芯座间隙S=14 mm7.2.1、砂型铸造1）、金属型铸造（硬模铸造、永久铸造）IT12IT14，Ra6.3 m在重力作用下，将液态合金浇入金属铸型以获得铸件的铸造方法。金属铸型材料： 铸铁、碳钢或低合金钢。1. 金属型铸造工艺金属型预热（150oC）刷耐火涂料（厚0.30.4mm） 浇注（温度高于砂铸） 开型时间7.2.2、特种铸造铝活塞金属型铸造结构简图2. 金属型铸造特点 铸件冷却快，组织致密，力学性能高； 铸件精度高，表面质量好； 节约金属材料和造型材料； 金属型制造成本高，生产周期长； 金属型不透气、无退让性，易产

17、生铸造缺陷。2）、压力铸造（压铸）IT11IT13（ IT8 IT9） ，Ra0.83.2 m （ Ra0.4 m）定义：金属液在高压下高速充型，并在压力下凝固的铸造方法。特点： 铸件加工精度、质量高； 铸件强度、硬度较高； 生产率高； 铸件内部常有气孔、缩松； 压铸高熔点合金时，压型寿命低； 设备投资大，费用高。3）、低压铸造2060KPa定义：液态金属在压力作用下完成充填型腔及凝固过程，从而获得铸件的铸造过程。特点：1、充型比较平稳；2、成型好；3、组织致密，机械性能好；4、浇注系统简单；5、条件简单，易实现自动化4）、离心铸造定义：液态金属浇入旋转的铸型，在离心力作用下充型并凝固成铸件的

18、铸造方法。特点：1、不适用型芯；2、提高充型能力；3、力学性能好；4、节约原料；5、适宜的加工余量5）、熔模铸造（失蜡铸造）IT11 IT14，Ra1.6 12.5 m用易熔材料制成模样，然后在其表面涂上数层耐火材料，通过硬化处理，再将模样熔失，得到无分型面的铸型的加工方法。特点：铸件表面光滑，尺寸精度高。1. 熔模铸造工艺2. 熔模铸造特点 铸件精度高，表面质量好； 可对各种材料进行熔模铸造； 可铸出形状复杂的铸件；最小孔径=0.5mm，最小壁厚=0.3mm 工艺过程复杂，成本高。6）、实型铸造（汽化模铸造和消失模铸造）定义：用泡沫塑料代替木模或金属模进行造型，造型后模样不取出，铸型呈实体，浇入液态金属后，模样燃烧汽化消失，液态金属充填模样的位置且冷却凝固成铸件。特点：1、铸件精度与熔模类似；2、降低成本，有充分自由度；3、简化工序；4、影响尺寸精度；5、气体污染汽化模模样的制造；模样与浇注系统的黏结；浇注充型；清理7.3 7.3 金属液态成形新技术金属液态成形新技术主要包括：快速凝固技术、定向凝