材料成型工艺学第四章

1、4.3 4.3 金属型成形金属型成形工艺工艺 金属型成形工艺是金属型成形工艺是 将液态金属（合金）浇注到金属材质的铸型中，并将液态金属（合金）浇注到金属材质的铸型中，并在重力的作用下凝固成形，以获得铸件的一种液态在重力的作用下凝固成形，以获得铸件的一种液态成形方法成形方法。由于铸型是用金属制成，可以反复使用数千次到数万次，所由于铸型是用金属制成，可以反复使用数千次到数万次，所以属于以属于 永久型铸造永久型铸造 方法。方法。4.3 4.3 金属型成形金属型成形工艺工艺 在液态金属特种成形方法中：在液态金属特种成形方法中：l压力铸造压力铸造l低压铸造低压铸造l真空吸铸真空吸铸l连续铸造连续铸造l离

2、心铸造离心铸造 等都要使用金属型。等都要使用金属型。在技术上和经济的特点在技术上和经济的特点 n优点：优点：金属型生产的铸件，其金属型生产的铸件，其 机械性能比砂型铸件高，抗蚀机械性能比砂型铸件高，抗蚀性能和硬度亦显著提高。性能和硬度亦显著提高。 原因是冷却速度快，铸件原因是冷却速度快，铸件表层结晶组织细密。表层结晶组织细密。铸件的精度和表面粗糙度等级比砂型铸件高，而且质量铸件的精度和表面粗糙度等级比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定。和尺寸稳定。铸件的工艺出品率高铸件的工艺出品率高，一般可节约金属液，一般可节约金属液153%。节省造型材料，减轻环境污染，改善劳动条件。节省造型材料，减轻环境污染，

3、改善劳动条件。生产效率高，容易实现机械化和自动化。生产效率高，容易实现机械化和自动化。工序简单，工序简单，使铸件使铸件产生铸造缺陷的原因减少。产生铸造缺陷的原因减少。在技术上和经济的特点在技术上和经济的特点 n缺点：缺点：金属型制造复杂，成本高金属型制造复杂，成本高。金属型不透气，激冷能力强，容易产生铸件浇不足、铸金属型不透气，激冷能力强，容易产生铸件浇不足、铸铁件白口等缺陷铁件白口等缺陷 。金属型无退让性，阻碍铸件收缩金属型无退让性，阻碍铸件收缩。工艺过程需要严格控制。工艺过程需要严格控制。 铸型的工作温度、合金的浇铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度、铸件在铸型中的凝固时间及使用的注温

4、度和浇注速度、铸件在铸型中的凝固时间及使用的涂料等，对铸件质量的影响非常敏感。涂料等，对铸件质量的影响非常敏感。 铸件结构、重量、尺寸等受到限制铸件结构、重量、尺寸等受到限制。 存在充型能力和模具寿命问题存在充型能力和模具寿命问题一一 金属型铸件形成过程的特性金属型铸件形成过程的特性u金属型与砂型的金属型与砂型的根本区别在于两者的铸型材料不同：根本区别在于两者的铸型材料不同：砂砂 型型由颗粒状的耐火材料组成的松软多空隙的型体由颗粒状的耐火材料组成的松软多空隙的型体金属型金属型由金属材料制成的坚固密实的型体由金属材料制成的坚固密实的型体u显著的区别：显著的区别：砂砂 型型有良好的透气性和退让性，

5、有良好的透气性和退让性， 较差的导热性和激冷能力。较差的导热性和激冷能力。金属型金属型优良的导热性和很强的激冷能力，优良的导热性和很强的激冷能力， 没有透气性和退让性。没有透气性和退让性。1 型腔内气体对金属充填过程的影响型腔内气体对金属充填过程的影响假设金属型在浇注前，型腔内气体的温度为假设金属型在浇注前，型腔内气体的温度为T，体积为，体积为V，重，重量为量为G，则气体压力，则气体压力P为：为： P = RTG / V液态金属在充填铸型的过程中，型腔内的气体（空气、砂芯液态金属在充填铸型的过程中，型腔内的气体（空气、砂芯受热产生的气体）由于受热膨胀和体积压缩而使型腔压力增受热产生的气体）由于

6、受热膨胀和体积压缩而使型腔压力增大，即大，即 P P 压力变化为：压力变化为： P = RG T /V结果：结果： 造成充型反压力（大小为造成充型反压力（大小为P） 它成为液体金属充型的阻力它成为液体金属充型的阻力u 金属液充型速度金属液充型速度u 铸型排气能力铸型排气能力u 砂芯数量和大小砂芯数量和大小u 气体温度变化气体温度变化充型反压力充型反压力大小大小u 第一种情况：第一种情况： P 超过临界值超过临界值 P临临 （ 金属液压力和表面张力之和）金属液压力和表面张力之和） 呛火不仅破坏了金属液的连续流动，而且还会对某些合金呛火不仅破坏了金属液的连续流动，而且还会对某些合金造成强烈氧化。在

7、呛火过程中，如果受到初晶或凝固层的造成强烈氧化。在呛火过程中，如果受到初晶或凝固层的阻拦，气体就会留在金属中形成气孔。阻拦，气体就会留在金属中形成气孔。 型腔气体就会钻进金属液中，通过浇注系统向外逸出。型腔气体就会钻进金属液中，通过浇注系统向外逸出。 这种现象称为这种现象称为呛火呛火。呛火呛火 金属氧化金属氧化气孔气孔气阻气阻u 第二种情况：第二种情况：如果：如果： 型腔内局部死角处的气体无法排除，就会形成气阻。型腔内局部死角处的气体无法排除，就会形成气阻。 P 小于临界值小于临界值 P临临气阻气阻型腔中的气体由于受热膨胀和体积压缩而使压力型腔中的气体由于受热膨胀和体积压缩而使压力 增大，形成

8、阻碍液体金属进入的区域。增大，形成阻碍液体金属进入的区域。浇不足浇不足所以，在金属型铸造中一定要注意：所以，在金属型铸造中一定要注意： 型腔的整体排气和型腔死角的排气型腔的整体排气和型腔死角的排气2 铸件凝固过程中热交换的特点铸件凝固过程中热交换的特点 金属液一旦进入型腔，就把热量传给金属型壁，金属液的温金属液一旦进入型腔，就把热量传给金属型壁，金属液的温度不断降低，铸型的温度不断升高。度不断降低，铸型的温度不断升高。金属液金属液通过型壁通过型壁散热，散热，进行凝固并进行凝固并产生收缩产生收缩金属型金属型通过型壁通过型壁吸热，吸热，温度升高并温度升高并产生膨胀产生膨胀 把热量积蓄起来；把热量积

9、蓄起来；把积蓄的热量散发到周围的大气中去。把积蓄的热量散发到周围的大气中去。气隙气隙 在产生气隙前，由于金属液和铸型紧密接触，界面处几乎没有在产生气隙前，由于金属液和铸型紧密接触，界面处几乎没有温度差；而在产生气隙后，由于气隙的导热性比较差，所以铸温度差；而在产生气隙后，由于气隙的导热性比较差，所以铸件和铸型之间存在很大的温度差，铸件的散热速度减慢。件和铸型之间存在很大的温度差，铸件的散热速度减慢。气隙气隙产生前：产生前： 降温快降温快产生后：产生后： 降温慢降温慢在金属型铸造时，铸件与铸型之间要刷一层涂料，在金属型铸造时，铸件与铸型之间要刷一层涂料，在在“铸件铸件气隙气隙金属型金属型”系统中

10、，涂料也被系统中，涂料也被认为是认为是“气隙气隙”的一部分。的一部分。 涂料和空气的导热系数都很小涂料和空气的导热系数都很小。可通过改变涂料的可通过改变涂料的 热物理性质和厚度热物理性质和厚度 来控制铸件的凝固速度。来控制铸件的凝固速度。3 金属型对铸件收缩的阻碍金属型对铸件收缩的阻碍在金属型铸造中，在金属型铸造中，金属型芯及型壁凸起部分金属型芯及型壁凸起部分在铸在铸件凝固过程中无退让性，件凝固过程中无退让性， 会阻碍铸件收缩会阻碍铸件收缩。u 在固液两相区在固液两相区 在金属液温度进入结晶区间（固液两相区），就在金属液温度进入结晶区间（固液两相区），就开始有凝固收缩，当收缩受到阻碍，开始有凝

11、固收缩，当收缩受到阻碍， 就就可能形成热裂缺陷可能形成热裂缺陷。由于金属型会阻碍铸件的收缩，所以对于凝固收由于金属型会阻碍铸件的收缩，所以对于凝固收缩大的合金要特别注意。缩大的合金要特别注意。 随着铸件温度的降低，当低于固相线时，进入弹性变形温度随着铸件温度的降低，当低于固相线时，进入弹性变形温度时，由于金属型的阻碍，在时，由于金属型的阻碍，在铸件内会引起应力铸件内会引起应力，其大小为：，其大小为： =E(- -K)u 在固相区在固相区 式中：式中： E铸件材料的弹性模量；铸件材料的弹性模量； 铸件在弹性温度范围内的自由收缩率；铸件在弹性温度范围内的自由收缩率； K铸型退让系数。铸型退让系数。

12、对于金属型或金属芯，对于金属型或金属芯， K =0（无退让性），则其收缩应力最（无退让性），则其收缩应力最大，即大，即 =E铸件在弹性温度范围内的自由收缩率为：铸件在弹性温度范围内的自由收缩率为：=(T(T弹弹-T-T出出) )式中：式中： 铸件在弹性温度范围内的线收缩系数；铸件在弹性温度范围内的线收缩系数； T T弹弹铸件材料弹性变形开始温度；铸件材料弹性变形开始温度； T T出出铸件出型或抽芯温度。铸件出型或抽芯温度。铸件内应力为：铸件内应力为： = E(T(T弹弹-T-T出出) )从上式可以看出，由于金属型及金属芯阻碍收缩，如果铸件在从上式可以看出，由于金属型及金属芯阻碍收缩，如果铸件在

13、型中停留的时间愈长，即出型或抽芯温度愈低，在铸件内部产型中停留的时间愈长，即出型或抽芯温度愈低，在铸件内部产生的收缩应力就愈大。生的收缩应力就愈大。当当 b b时，时，铸件就可能被拉裂，铸件就可能被拉裂，出现冷裂缺陷。出现冷裂缺陷。为避免产生冷裂缺陷，要严格控制工艺：为避免产生冷裂缺陷，要严格控制工艺：及时抽芯和出型及时抽芯和出型。 二二 金属型形成工艺金属型形成工艺制定金属型铸造的工艺规范，除必须根据金属型的特点周密制定金属型铸造的工艺规范，除必须根据金属型的特点周密设计外，生产时还须严格遵守工艺，才能保证获得优质铸件设计外，生产时还须严格遵守工艺，才能保证获得优质铸件和延长金属型的使用寿命

14、。和延长金属型的使用寿命。金属型的铸造金属型的铸造工艺规范包括：工艺规范包括：u 金属型的预热金属型的预热u 浇注浇注u 出型出型u 涂料涂料1 金属型的预热金属型的预热 冷型浇注：冷型浇注：u 金属液冷却快，流动性剧烈降低金属液冷却快，流动性剧烈降低 u 铸型受到剧烈的热作用，应力倍增铸型受到剧烈的热作用，应力倍增金属型在浇注前一定要预热金属型在浇注前一定要预热 （每班的第一次浇注）（每班的第一次浇注）铸件出现冷隔、夹杂、气孔、浇不足等缺陷铸件出现冷隔、夹杂、气孔、浇不足等缺陷 金属型容易损坏金属型容易损坏常用合金的金属型预热温度常用合金的金属型预热温度 2 金属型的浇注金属型的浇注 要控制

15、：要控制： 合金的合金的浇注温度、浇注速度和浇注过程浇注温度、浇注速度和浇注过程2 金属型的浇注金属型的浇注 浇注温度浇注温度过高过高 铸型寿命降低铸型寿命降低过低过低 铸件产生冷隔、气孔、夹杂、浇不足铸件产生冷隔、气孔、夹杂、浇不足 浇注速度浇注速度 浇注过程浇注过程常用合金的浇注温度常用合金的浇注温度 3 铸件的出型和抽芯时间铸件的出型和抽芯时间 铸件在金属型内停留的时间愈长，温度就愈低，铸件在金属型内停留的时间愈长，温度就愈低，其收缩量也就愈大：其收缩量也就愈大： 3 铸件的出型和抽芯时间铸件的出型和抽芯时间 金属型在浇注后金属型在浇注后 要控制铸件在铸型内的停留时间要控制铸件在铸型内的

16、停留时间金属型的金属型的出型和抽芯时间：出型和抽芯时间： u 铸件结构铸件结构u 铸件壁厚铸件壁厚u 合金性质合金性质u 浇注温度浇注温度 4 金属型的涂料金属型的涂料 粉状耐火材料粉状耐火材料 + 粘结剂粘结剂 + 溶剂溶剂 + 附加物附加物u 调节铸件的冷却速度调节铸件的冷却速度u 保护金属型，缓冲作用保护金属型，缓冲作用u 利用涂料层蓄气排气利用涂料层蓄气排气向预热后的铸型上：向预热后的铸型上： 喷喷 或或 刷刷常用合金的金属型涂料常用合金的金属型涂料 常用合金的金属型涂料常用合金的金属型涂料 常用合金的金属型涂料常用合金的金属型涂料 常用合金的金属型涂料 常用合金的金属型涂料 三三 金属型铸造工艺生产铸件的要素金属型铸造工艺生产铸件的要素直接影