《金属材料与热处理》-第九章

第一节概述一、铸造分类将液体金属浇入与零件几何形状相适应的铸型空腔中.待冷却凝固后.获得零件或毛坯.这种工艺方法称为铸造.用这种方法获得的毛坯或零件称铸件.铸件一般作为金属零件的毛坯.大多需经部分或全部切削加工方能制成合格零件.但有时用特种铸造方法生产的某些铸件亦可不经加工而直接作为零件来使用.铸件的生产方法有多种.使用最多的是砂型铸造.除砂型铸造外.还有特种铸造.主要有金属型铸造、熔模(失蜡)铸造、压力铸造、离心铸造等.下一页返回第一节概述二、铸造特点(１)可以制成几何形状复杂.特别是具有复杂内腔的毛坯.如各种机器的箱体、气缸体、床身、机架等.(２)适应性强.工业上常用的金属材料均可用来铸造.如铸铁、有色金属、钢都能熔铸.有的不易加工的合金钢材料.如高锰钢也能用铸造方法浇注成零件.(３)铸件成本较低.铸造所用的原材料大多价格低廉.来源广泛.能直接利用报废的机件、废钢和切屑等.一般情况下铸造生产不需要昂贵或复杂设备.(４)铸件形状和尺寸与零件接近.可实现少削无削加工.节省金属消耗.上一页下一页返回第一节概述

(５)用同样金属制成的铸件不及锻件力学性能高.其显微组织粗大.内部常出现缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷.铸件质量不易稳定.易出废品.(６)劳动强度大.劳动条件差.生产率低.三、铸造的应用铸造虽存在缺点.但优点居多.在工业生产中已获得广泛应用.在机器设备中.铸件占有很大比重.近年来.由于特种铸造的迅速发展.使铸件尺寸精和表面质量有所提高.新型铸造材料的广泛应用.使铸件力学性能有显著的提高.铸造车间的技术改造和生产机械化、自动化程度不断提高.大大提高了劳动生产率和改善了劳动条件.铸造生产的缺点不断被克服.铸件性能显著提高.其使用范围越来越广泛.上一页返回第二节砂型铸造一、模样与型芯盒模样和型芯盒是制造砂型的基本工具.模样用来获得铸件的外形.用型芯盒制得的型芯主要是用来获得铸件的内腔.制造模样和型芯盒的材料.应根据铸件的大小和生产规模大小有所不同.产量少的铸件一般用木材制造模样或型芯盒ꎻ产量多的铸件.常用金属和塑料制造模样和型芯盒.木质的模样制造容易.成本低.使用广泛.为了保证铸件质量.并使造型制芯方便.降低成本.在设计和制造模样及芯盒时.必须考虑下列问题.下一页返回第二节砂型铸造

１.分型面分型面是上下模样的分界面.一般情况下.也叫模样的分模面.模样大多从分型面取出.选择分型面时必须考虑使模样从砂型中能顺利取出.并使造型方便和能保证铸件质量.因此分型面最好选在铸件的最大平直面上.２.起模斜度为了便于从砂型中取出模样或由型芯盒中取出型芯.在垂直于分型面的模壁应做出起模斜度.一般木模起模斜度为１°~３°.金属模起模斜度为０.５°~１°.上一页下一页返回第二节砂型铸造

３.加工余量与铸造圆角铸件上凡需要加工的部分.都应在木模上增加加工余量.有些小直径的孔.可以做成实心不铸孔.以后加工时直接钻孔.铸件上各表面的转折处.都要做成过渡性圆角以改善造型.防止浇注时冲砂.避免铸件应力集中.４.收缩量考虑合金在冷凝时的收缩.模样尺寸应比铸件的尺寸大.其值决定于合金的线收缩率.常用合金中灰铸铁的线收缩率为０.８％~１.０％.铸钢为１.６％~２.０％.青铜为１.２５％~１.５％.铝合金为１.０％~１.５％.上一页下一页返回第二节砂型铸造

５.型芯头有型芯的砂型.为了便于安置型芯、模样与芯盒.都要考虑做芯头.二、造型材料造型材料包括型砂、芯砂、涂料等.它们的质量对砂型的优劣有很大影响.生产１ｔ铸件.需要２.５~１０ｔ造型材料.因此.必须合理选用和配制造型材料.(一)对型砂和芯砂的性能要求上一页下一页返回第二节砂型铸造

１.可塑性型砂在外力作用下容易获得清晰的模型轮廓.外力去除后仍能保持其形状的性能称为可塑性.可塑性高.铸件表面质量就好.型砂的可塑性与黏土含量有关.含黏土量多.分布均匀.可塑性就高.２.强度型砂在外力作用下.能保持砂型的形状和尺寸不被破坏的能力称为强度.为了合箱和浇注时不致损坏.型砂应有足够的强度.型砂强度与型砂中的原砂、黏结剂、捣实程度、砂粒粗细、粒度均匀性和水分有关.把型砂烘干.也能增加型砂的强度.上一页下一页返回第二节砂型铸造

３.耐火性在高温液体金属作用下.型砂不软化、不烧结、不黏在金属表面的性能称为耐火性.若耐火性差.型砂将黏结在铸件表面上.致使铸件难以清理.并使机械加工产生困难.耐火性主要与型砂的化学成分、砂粒形状及大小有关.纯石英砂耐火性较好.圆形粗大的砂粒.其耐火性较多面形、细小砂粒的耐火性好.４.透气性型砂允许气体透过的能力称透气性.型腔中本来没有气体.型砂和芯砂在高温条件下.会产生气体.液体金属冷却时也会析出气体.如果型砂透气性不好.气体不能及时排出.将会使铸件产生气孔等缺陷.上一页下一页返回第二节砂型铸造

砂粒大、均匀、黏土少、水分适当则可提高透气性.另外.烘干的砂型浇注金属时产生气体少.并且砂型本身透气性也高.５.退让性铸件冷却收缩时.砂型和型芯可被压缩的性能称退让性.砂型和型芯退让性不好.使铸件收缩时受到阻力增大.容易造成变形和裂纹.减少型砂中黏土量.使用特殊黏结剂或附加物(如木屑).可以提高砂型和型芯的退让性.型芯是芯砂制作的.由于型芯置于铸型型腔内部.浇注后被高温液态金属所包围.故芯砂对上述性能要求更高.上一页下一页返回第二节砂型铸造

(二)造型材料的配制为了使型砂和芯砂具有合适的性能.就需要进行配制.配制用的原材料种类较多.但最常用的有以下几种.１.原砂原砂多为天然砂.质量高的原砂要求含石英量高.粒度均匀.圆形.含杂质少.所以.并非任何天然砂都能用于铸造.２.黏结剂一般为黏土、膨润土.有时为了提高型砂和芯砂的强度、透气性和退让性.对复杂的铸型也常采用特殊黏结剂.常用的有桐油、纸浆废液、糖浆、水玻璃等.上一页下一页返回第二节砂型铸造

３.特殊附加物为了提高造型材料的某些性能而附加的物质.如:加木屑增加砂型的透气性和退让性ꎻ加煤粉防止黏砂.(三)涂料液态金属如直接接触砂型和型芯表面.很容易产生黏砂.为了提高砂的耐火性.增加铸件表面光滑度.通常在砂型和型芯表面涂刷一层涂料.铸铁件涂石墨水浆.铸钢件涂石英粉浆.三、造型方法在实际生产中.由于铸件的尺寸、形状、铸造合金、产品的批量等条件不一.就要有相适应的各种造型方法.常用的方法有砂箱造型、地坑造型、刮板造型和机器造型.上一页下一页返回第二节砂型铸造

四、造型芯及合箱１.造芯型芯是放置在砂型内腔的.四周受液体金属包围.所以对型芯性能如强度、透气性、耐火性、退让性等要求较高.在制造型芯时.除采用合适的型芯砂外.还需要采取其他措施.如为了提高型芯强度.在型芯中间安置芯骨.小的芯骨可用铁丝弯扎制成.大的芯骨是用铸铁浇注成的.２.合箱把砂箱、型芯装配起来.成为一个完整的铸型.此工序称为合箱.合箱一般是由２~３只砂箱和１~２只型芯装配成.但大型铸件.如机座等就可能用５~６只砂箱和十余只型芯装配起来.上一页下一页返回第二节砂型铸造

合箱后要保证铸型型腔几何形状和尺寸准确不变.型芯要稳固.砂箱之间要扣紧.在上箱上面要放压铁或用螺栓紧固.以防浇注时受液体金属的浮力造成抬箱和漏铁液等事故.在自动化造型线上.合箱工作是由合箱机自动完成的.五、铸铁的熔炼熔炼铸铁所用的设备.主要是冲天炉.熔炼铸铁的炉料有金属料、燃料和熔剂.１.金属料包括铸造生铁锭、回炉料(浇冒口、废铸件)、废铁、废钢和少量铁合金(硅铁、锰铁等).上一页下一页返回第二节砂型铸造

２.燃料熔炼铸铁所用的燃料.主要是焦炭.焦炭的发热量高.灰分少.在高温下仍具有较好的强度.是冲天炉最好的一种燃料.３.熔剂在冲天炉熔炼过程中.燃料燃烧后的灰分、金属氧化物(金属料的烧损)以及其他夹杂物(砂子、炉衬的浸蚀物)都生成熔渣.熔剂的作用是使炉渣稀释.并具有较好的流动性.便于排除.以保证铁水质量和熔炼的正常进行.为此.在冲天炉中每加一层金属料和燃料时.要加一定数量的熔剂.常用的熔剂有石灰石、白云石和萤石等.上一页下一页返回第二节砂型铸造

六、浇注和铸件的落砂及清理(一)砂型的浇注将液体金属浇入铸型的过程称为浇注.正确地进行浇注.对保证铸件质量和安全生产都是非常重要的.为了保证铸件质量.浇注时必须注意浇注温度和浇注速度.１.浇注温度浇注温度的高低.对铸件的质量影响很大.温度过低.金属液体的流动性差.容易浇不足而产生冷隔现象.温度高.金属液体的流动性好.易于充填铸型.这对于薄壁、形状复杂的铸件.尤其重要ꎻ同时.也有利于熔渣的排除.从而可减少铸件夹渣等缺陷.上一页下一页返回第二节砂型铸造

但是.浇注温度过高.会使铸件产生气孔和缩孔、力学性能下降等缺陷.要控制浇注温度.主要是根据铸件的壁厚、形状复杂程度及铸造金属液体的流动性等来确定.为了保证铸件质量.一般铁水的出炉温度应尽可能高一些.以利于熔渣上浮.但在浇注时.则应在保证铁水有足够流动性的条件下.尽可能低一些.以免产生缩孔、气孔和晶粒粗大等缺陷.２.浇注速度浇注速度快.容易充满铸型.但浇注速度太快.对铸型冲击力大.易发生冲砂.在实际生产中.薄壁铸件应采取快速浇注.厚壁铸件则应采取慢－快－慢的原则进行浇注.在浇注过程中应挡好渣.并使铁水连续不断地注入铸型.使浇注系统一直保持充满状态.上一页下一页返回第二节砂型铸造

(二)铸件的落砂和清理铸件从砂型中取出的过程称为落砂.落砂应注意铸件温度和凝固时间.铸件出箱落砂温度不得高于５００℃.如果过早落砂会因铸件尚未凝固而发生烫伤事故.即使铸件已凝固.也会使铸件急冷而产生白口、变形和裂纹等缺陷.铸件在砂型中冷凝时间与铸件的大小、质量、形状、壁厚及所用的金属材料性质有关.一般小于１０ｋｇ的铸件.浇铸１ｈ左右就可落砂.单件生产用手工落砂.成批大量生产用落砂机落砂.上一页下一页返回第二节砂型铸造

铸件的清理包括:去浇冒口、清除型芯及芯骨、清除铸件表面的黏砂及飞翅、毛刺等.铸件的清理工作劳动强度大.劳动条件差.单件或小批量铸件的清理一般是人工清理.在大量生产中现已采用机械化和自动化.上一页返回第三节铸造工艺的基本内容进行铸造生产时.应根据零件的结构特点、技术要求、生产批量和生产现场条件确定铸造工艺.铸造工艺的基本内容主要用铸造工艺图来表达.所以.铸造工艺图是指导铸工车间生产的基本文件.制订铸造工艺主要考虑如下几个方面的基本内容:铸件浇注位置的选择与确定、分型面、型芯的形状和数量、机械加工余量、起模斜度、铸造合金收缩率、铸造圆角以及浇注系统等.图９－８为气缸套的零件图和铸造工艺图.下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

一、浇注位置的选择与确定浇注位置是指铸件在浇注时其主要表面在铸型中所在的位置.一般应按下列原则选择浇注位置.(１)铸件的重要加工面、基准面和耐磨面应朝下.因为铸件在铸造过程中上表面的缺陷(如砂眼、气孔、夹渣等)通常比下部多.组织也不如下部致密.如果工艺上确有困难时.应尽量使之位于侧面.当铸件的重要加工面不在一个方向时.应将较大的面朝下.并对朝上的表面加大加工余量.以保证朝上的表面经切削加工后无气孔、夹渣等缺陷.图９－９为车床床身的铸造工艺方案.床身的导轨面是最重要的加工面.不允许有任何表面缺陷.因此.在工艺方案中将导轨面朝下.上一页下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

(２)体收缩率大的合金铸件.应尽量使需要补缩的部分朝上.便于设置明冒口.使之自下而上地顺序凝固.防止铸件产生缩孔.(３)铸件最宽大的平面应置于朝下(或置于侧面).以防止大平面产生夹渣、气孔等.如图９－１０所示.二、分型面的选择分型面是指上下砂型相互接触的表面.造型后为了能从砂型中起出模样.在砂型中安放型芯.必须将砂型分开.因而产生分型面.分型面选择的好坏对于造型工艺的繁简和铸件质量有很大影响.一般应根据下列原则选择分型面.上一页下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

(１)尽量选择平直面为分型面.数量要少.避免不必要的活块和型芯.以简化模样的制造及造型工艺.尽量减少分型面数量.最好只有一个分型面.多一个分型面就增加一些误差.分型面应选在铸件最大截面处.以保证在起模时不致损伤铸型.并使安装型芯方便.如图９－１１所示.(２)尽量使铸件的主要加工面和加工基准面安放在同一个砂箱里.便于保证铸件的精度.(３)应使型腔和主要型芯位于下箱.以便于造型.并能方便而稳妥地安放主要型芯.也便于检查铸件的壁厚.(４)分型面尽量采用平直面.上一页下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

三、浇注系统液体金属流入铸型型腔的通道称为浇注系统.如图９－１３所示.它一般由浇口盆、直浇道、横浇道、内浇口等几部分组成.浇口盆通常做成漏斗形.用以减少浇注时液体金属对砂型的冲击和使熔渣浮于表面.直浇道用以引导液体金属流入铸型及改善液体金属充型能力.一般做成锥形.以便造型.横浇道是分配液体金属流入内浇口.并有阻止熔渣沉入型腔的作用.常位于内浇口之上.其截面多为梯形.上一页下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

内浇口直接和铸型型腔相连.为了使液体金属快而平稳地流入型腔.避免冲歪型芯.内浇口可沿切线引入液体金属.或沿型腔周边均匀分布多个内浇口.切忌内浇口正对细长型芯.内浇口多开在带型腔的分型面上.为了便于清理.内浇口的截面多为扁梯形.有的铸件还设置冒口以补充液体金属凝固时的体积收缩.并兼有排除型腔气体、浮渣及观察浇注情况等作用.四、工艺参数的确定１.机械加工余量和最小铸出孔铸件加工面上为进行机械加工而加大的尺寸称为机械加工余量.其大小要根据铸件的大小、铸造合金种类、铸造方法、铸件的复杂程度及加工面在铸型中的位置等来确定.上一页下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

２.起模斜度(铸造斜度)为使模样(或型芯)易于从铸型(或芯盒)中取出.需在垂直分型面的壁上做出斜度.通常称为起模斜度.斜度大小取决于模壁高度、模样材料和造型方法等因素.垂直壁越高.其斜度越小ꎻ外壁的斜度比内壁小ꎻ机器造型比手工造型的斜度小.通常为３°~１５°.３.铸造圆角在设计和制造模样时.壁间的连接处应做成圆弧过渡.称为铸造圆角.铸造圆角可防止铸件转角处黏砂或由于应力集中而产生裂纹.上一页下一页返回第三节铸造工艺的基本内容

４.收缩余量铸件冷却时.由于收缩而引起尺寸减小.因此模样尺寸应比铸件尺寸放大一个收缩余量.收缩余量大小与铸件尺寸和铸造合金的线收缩率有关.通常灰铸铁的收缩率为０.８％~１％.铸钢为１.６％~２％.有色合金约为１.５％.５.型芯头型芯头是指安放在型芯座里不和金属接触的部分型芯.其作用是支撑、定位和排气.为承受砂芯本身重力及浇铸时金属液对它的浮力.型芯头的形状和尺寸应该足够大才不致被破坏.浇注后砂芯产生的气体应能够通过型芯头排至铸型外.芯头可分为垂直芯头和水平芯头两类.上一页返回第四节铸造合金一、合金的铸造性能合金的铸造性能是指氧化性、吸气性、流动性、收缩、偏析等.若合金易氧化、吸气、流动性差、收缩大和偏析严重.就很难铸出合格铸件.相反.合金的铸造性能良好.则不需采取特别工艺措施便可获得合格铸件.１.流动性液体金属充满铸型的能力称流动性.如果流动性过低.常常不能把型腔全部充满.造成铸件因浇不足而产生冷隔等缺陷而报废.对于薄壁或外型复杂的铸件.要求合金具有较高的流动性.下一页返回第四节铸造合金

影响合金流动性的因素很多.主要有合金的化学成分、浇注温度和铸型工艺等.铸铁中的磷能提高流动性.而硫则降低流动性.铸型越复杂.型腔狭窄部分越多.对液体金属流动的阻力也就越大.铸型材料导热性越好.合金液体的温度下降也越快.就会使合金流动性变差.２.收缩液体合金在冷却凝固过程中.会产生体积和尺寸减小的现象.当液体合金的体积收缩很大时.在铸件上容易产生缩孔.因此.要设置冒口进行补缩.当固体收缩很大.同时又受到阻碍时.会产生内应力.致使铸件产生变形甚至开裂等缺陷.上一页下一页返回第四节铸造合金

影响合金收缩的因素很多.主要有合金的化学成分、浇注温度和铸型工艺等.具有共晶成分或靠近共晶成分的合金.以及结晶温度范围窄的合金易产生集中缩孔.一般可用设置适当冒口的方法来消除.结晶温度范围宽的合金.易产生分散缩孔和缩松.而且不易防止.浇铸温度越高.体积收缩越大.容易产生缩孔.通常在保证足够流动性的前提下.应降低浇注温度.铸型越复杂.型砂和芯砂的退让性越差.会阻碍收缩.铸铁件冷却速度越快.阻碍铸件中石墨的析出.能使收缩量增加.上一页下一页返回第四节铸造合金

３.偏析偏析会严重影响铸件的力学性能和物理化学性能.铸件中的偏析有枝晶偏析和区