金属的凝固成形.ppt

1、第二章 金属的凝固成形,一、什么是液态成型（铸造生产）,将液态金属浇注到与零件形状相 适应的铸型型腔中，待其冷却凝固， 以获得毛坯或零件的生产方法。,零件图,铸造工艺图,铸型,型芯,芯盒 芯砂,型砂 模型,熔化,合 箱,落砂、清理,检 验,铸 件,二、砂型铸造的工艺过程,（1）材料来源广； （2）废品可 重熔； （3）设备投资低。,三、铸造生产的特点,1可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。如汽缸体、汽缸盖、蜗轮叶片、床身件等。,（1）合金种类不受限制； （2）铸件大小几乎不受限制。,2适应性强：,3成本低：,4废品率高、表面质量较低、劳动条件差。,第一节 金属的凝固特点,充型能

2、力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。,（一）液态合金的流动性,合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。,充型 液态合金填充铸型的过程。,充型能力液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。,一 液态金属的充型能力与流动性,0.45%C 铸钢：200mm,4.3%C 铸铁：1800mm,出气口,合金流动性主要取决于合金化学成分所决定的结晶特点,a）在恒温下凝固,b）在一定温度范围内凝固,3.浇注系统的的结构 浇注系统的结构越复杂，流动阻力 越大，充型能力越差。,（二）浇注条件,（三）铸型充填条件,1. 铸型的蓄热系数 铸型的蓄热系数表示铸型从其中的 金属吸取热量并储

3、存在本身的能力。,1.浇注温度 一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。,2.充型压力 液态金属在流动方向上所受的压力越大， 充型能力越强。,2.铸型温度 铸型温度越高，液态金属与铸型的温差 越小，充型能力越强。,3.铸型中的气体,（2）铸件复杂程度 铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的 充填就困难。,（四）铸件结构,（1）折算厚度 折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就 好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。,二、液态金属的凝固与收缩,（一）铸件的凝固方式,1. 逐层凝固,2. 糊状凝固,3. 中间凝固,影响铸件凝固方式的主要因素 ：,（1）

4、合金的结晶温度范围,合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固 。,液,（2）铸件的温度梯度,在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变，则其对应的凝固区由宽变窄。,T1,T2,（二）合金的收缩,1. 收缩的概念,T浇,T液,T固,T室,合金的收缩经历如下三个阶段：,（1）液态收缩 从浇注温度到凝固开始温度 之间的收缩。T浇 T液,体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。,体收缩率：,线收缩率：,线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。,（3） 固态收缩 从凝固终止温度到室温间的收缩。 T固 T室,（2） 凝固收

5、缩 从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。 T液 T固,2. 缩孔与缩松,液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞 。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。,1)缩孔和缩松的形成,2)缩孔和缩松的防止,防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固 次序，使铸件实现“顺序凝固”。,冒口 储存补缩用金属液的空腔。,顺序凝固 铸件按照一定的次序逐渐凝固。,确定热节的方法,等温线法,内切圆法,同时凝固 整个铸件几乎同时凝固。,三、铸造内应力、变形与裂纹,（一）铸造内应力,铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生

6、内应力。,1.机械应力（收缩应力）,合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。 机械应力是暂时应力。,上型,下型,2热应力,热应力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应力。,t0t1:,塑性状态,弹性状态,1,2,+,-,t1t2：,t2t3：,+,-,-,+,热应力：由于形状复杂，厚薄不均，各部分的冷却速度不同，以至在同一时刻，铸件各部位收缩不一致而引起的内应力称为热应力。热应力的形成过程如下图框形梁铸件所示。,热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。 热应力是永久应力。,（二）铸件的变形与防止,反变形法,防止变

7、形的方法：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）采用同时凝固的原则；,3）采用反变形法。,（三）铸件的裂纹与防止,1 热裂,热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。,热裂的防止：, 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量， 防止热脆性。,2 冷裂,冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。,冷裂的防止：,1）使铸件壁厚尽可能均匀；,2）采用同时凝固的原则；,3）对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的 含量，防止冷脆性。,四、液态成形件的质量与控制,常见铸件缺陷及特征,

8、铸件缺陷的产生与铸造工艺、造型材料、模具、合金的熔炼与浇注、铸造合金的选择、铸件结构设计、技术要求的设计是否合理等各个环节密切相关。因此，应从以下几个方面控制铸件质量： 1合理选定铸造合金和铸件结构 2合理制定铸件的技术要求 具有缺陷的铸件并不都是废品，在合格铸件中，允许存在那些缺陷及其存在的程度，应在零件图或有关的技术文件中做出具体规定，作为铸件质量要求的依据。 3铸件质量检验 铸件质量检验是控制铸件质量的重要措施。 铸件检验的项目有：铸件外观质量，包括铸件表面缺陷、表面粗糙度、重量公差和尺寸公差等；铸件内在质量，包括铸件内部缺陷、化学成分、金相组织和材质性能等；铸件使用性能，包括铸件在强力

9、、高速、耐蚀、耐热、耐低温等不同条件下的工作能力。 铸件质量检验最常用的是宏观法。它是通过肉眼观察（或借助尖咀锤）找出铸件的表面缺陷和皮下缺陷，如气孔、砂眼、夹渣、粘砂、缩孔、浇不到、冷隔、尺寸误差等。对于内部缺陷则要用仪器检验，如着色渗透检验、超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、荧光探伤、耐压试验等。此外，若有必要还应对铸件进行解剖检验、金相检验、力学性能检验和化学成分分析等。,用型砂紧实成型的铸造方法称为砂型铸造。砂型铸造是应用最广泛的一种铸造方法，其主要工序包括：制造模样，制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理与检验等。 一、造型方法的选择 二、铸造工艺设计,第二节 砂型铸造

10、,用造型混合料及模样等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两大类。 （一）手工造型 手工造型主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件。 1. 手工造型方法分类 根据砂型的不同特征，手工造型方法可分为：两箱造型、三箱造型、脱箱造型、地坑造型、组芯造型；根据模样的不同特征，手工造型方法可分为：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活块造型、刮板造型。各种手工造型方法的示意图如图1-15所示。 2. 各种手工造型方法的主要特征及其适用范围,一、造型方法的选择,两箱造型是造型的最基本方法，铸型由成对的上型和下型构成，操作简单。适用于各种生产批

11、量和各种大小的铸件。,a) 两箱造型,三箱造型的铸型由上、中、下三型构成。中型高度需与铸件两个分型面的间距相适应。三箱造型操作费工。主要适用于具有两个分型面的单件、小批生产的铸件。,b) 三箱造型,c) 地坑造型,组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。,d) 组芯造型,整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。,e) 整模造型,挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生

12、产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。,f) 挖砂造型,假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。,j) 假箱造型,分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。,g) 分模造型,活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出

13、部分、难以起模的铸件。,h) 活块造型,刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。,i) 刮板造型,（二）机器造型 机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小，但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。 1. 机器造型方法分类 常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。 2. 各种机器造型方法的主要特征及其适用范围,压实紧实方法单纯借助压力

14、紧实砂型，机器结构简单、噪声小，生产率高，消耗动力少，型砂的紧实度沿砂箱高度方向分布不均匀，上下紧实度相差很大。主要适用于成批生产高度小于200mm薄而小的铸件。,a) 压实紧实,高压紧实主要是用较高压实比压（一般在0.7MPa-1.5MPa）压实砂型。砂型紧实度高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度Ra值小，废品率低，生产率高、噪声低、灰尘小、易于机械化、自动化、但机器结构复杂、制造成本高。主要适用于需大量生产的中、小型铸件，如汽车、机械车辆、缝纫机等产品较为单一的制造业。,b) 高压紧实,震击紧实主要依靠震击力坚实砂型。该方法机器结构简单，制造成本低，但噪声大、生产率低、要求厂房基础好。砂型坚实度

15、沿砂箱高度方向愈往下愈大。主要适用于需成批生产的中，小型铸件。,c) 震击紧实,震压紧实是经过多次震击后再压实砂型。该方法生产率高，能量消耗少，机械磨损少，砂型坚实度较均匀，但噪声大。广泛用于成批生产中、小型铸件。,c) 震压紧实,微震紧实是在加压坚实型砂的同时，砂箱和模板作高频率、小振幅震动。此方法生产率较高、紧实度均匀、噪声小。广泛用于成批生产中、小型铸件。,e) 微震紧实,抛砂紧实是利用离心力抛出型砂，使型砂在惯性力下完成填砂和坚实。该方法生产率高，能量消耗少、噪声低、型砂坚实度均匀、适用性广。主要适用于单件、小批、成批、大量生产中、大型铸件或大型芯。,f) 抛砂紧实,射压紧实是使压缩空

16、气骤然膨胀，将型砂射人砂箱进行填砂和坚实，再进行压实。该方法生产率高，坚实度均匀，砂型型腔尺寸精确、表面光滑、工人劳动强度低、易于自动化、但造型机调整维修复杂。主要适用于大批、大量生产的形状简单的中、小型铸件。,g) 射压紧实,射砂紧实是用压缩空气将型（芯）砂高速射入砂箱或芯盒而进行紧实。因其将填砂、紧实两个工序同时完成，故生产率高，但用于造型，其坚实度不高、需进行辅助压实。广泛用于制芯、并开始用于造型。,一、熔模铸造 二、金属型铸造 三、压力铸造,第三节 特种铸造,一 金属型铸造,液态金属,金属型,铸件,（一)金属型的材料及结构,材料一般采用铸铁，要求较高时，可选用碳钢或低合金钢 。,金属型

17、的结构有水平分型式、垂直分型式和复合分型式等 。,（二）金属型的铸造工艺,1 加强金属型的排气,2 在金属型的工作表面上喷刷涂料,3 预热金属型并控制其温度,4 及时开型,（三）金属型铸造的特点及适用范围,1金属型铸件冷却速度快，组织致密，力学性能高。,2铸件的尺寸精度和表面质量均优于砂型铸造件。尺寸精 度达IT12IT14，Ra值平均可达6.312.5m。,3 生产率高，劳动条件得到改善。,4 金属型不透气、无退让性、铸件冷却速度快，易产生 气孔、应力、裂纹、浇不到、冷隔、白口等铸造缺陷。,应用：主要用于铜、铝、镁等有色合金铸件的大批量生产。,二、熔模铸造成形工艺,在易熔模样表面包覆若干层耐

18、火材料，待其硬化干燥 后，将模样熔去制成中空型壳，经浇注而获得铸件的一种成 形工艺方法。,（一）熔模铸造的工艺过程,（二）熔模铸造的特点和适用范围,1铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11IT13， 表面粗糙度Ra值达1.612.5m。,2合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合 金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。,3可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的 凹槽、直径大于2mm的小孔均可直接铸出。,4生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。,5工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成 本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，丧失原有 精度。,应用：它

19、最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金 铸件的成批大量生产。,三、压力铸造成形工艺,液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力 下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。,（一）压铸机和压铸工艺过程,（二）压力铸造的特点和适用范围,1铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为 IT11IT13级，Ra为3.20.8m。,2铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造 提高2530%，但伸长率有所下降。,3可压铸出形状复杂的薄壁件。,4生产率高。国产压铸机每小时可铸50150次，最高 可达500次。,5压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间 长，不适宜单件、小批生产。,6由于压铸型

20、寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢 等高熔点合金的铸造。,7压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。,（三）在压铸件的设计和使用中，应注意的问题,应使铸件壁厚均匀，并以34mm壁厚为宜，最大壁厚 应小于68mm，以防止缩孔、缩松等缺陷。,2 . 压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件 内气孔中的气体膨胀，导致铸件表面鼓泡或变形。,3 . 压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。,4 . 由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不 适宜制造承受冲击的制件。,应用：有色薄壁小件的大批量生产。,四、低压铸造成形工艺,低压铸造是在0.20.7大气压的低压下将金属液注入 型腔，

21、并在压力下凝固成形，以获得铸件的方法。,（一）低压铸造的工艺过程,（二）低压铸造的特点及应用范围,应用：目前广泛应用于铸造铝合金铸件，如汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等，也可用于球墨铸铁、铜合金等浇注较大的铸件，如球铁曲轴、铜合金螺旋桨等。,1浇注压力和速度便于调节，可适应不同材料的铸型。,2铸件的气孔、夹渣等缺陷较少。,3便于实现顺序凝固，使铸件组织致密、力学性能高。,4由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到9098%。,第四节 铸造工艺分析,一、铸件结构设计,（一）铸件壁厚的设计,1 合理设计铸件壁厚,1）铸件的最小壁厚,2）铸件的临界壁厚,在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。

22、,在砂型铸造条件下，临界壁厚3最小壁厚,3）铸件截面形状,在一定铸造工艺条件下，所能浇注出的铸件最小壁厚。,2 铸件壁厚应均匀、避免厚大截面,（二）铸件壁的连接,1 铸件的结构圆角,2 避免锐角连接,3 厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡,4 减缓筋、辐收缩的阻碍,（三）铸件外形的设计,1 避免外部侧凹、凸起；,2 分型面应尽量为平直面；,上,中,中,下,上,下,3 凸台、筋条的设计应便于起模。,（四）铸件内腔的设计,1 应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。,芯撑,2 便于型芯的固定、排气和清理。,（五）铸件结构设计应考虑的其它问题,1 铸造方法,2 组合铸件的设计,二、砂型铸造工艺设计,铸造工

23、艺图将工艺设计的内容（工艺方案）用工艺符号或文字在零件图上表示出来 所形成的图样。,（一）浇注位置的选择,浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。,1.铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面,上,下,下,上,3.铸件的大平面应朝下,2. 应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置,4.为防止铸件产生缩孔、缩松的缺陷，应使铸件的厚大部位朝上或侧放,上,下,下,上,（二）分型面的选择,1. 分型面应选在铸件的最大截面处。,2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件 的尺寸精度。,3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。,上,下,中,4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件

24、壁厚，应尽量使型 腔及主要型芯位于下箱。,上,下,上,下,上,下,上,下,（三）工艺参数的确定,1机械加工余量和铸孔,2起模斜度,3铸造圆角,4铸造收缩率,5 型芯及芯头,圆角半径一般约为相交两壁平均厚度的1/31/2。,通常灰铸铁为0.71.0%，铸造碳钢为1.32.0%，铝硅合金为0.81.2%，锡青铜为1.21.4%。,型芯的功用是形成铸件的内腔、孔洞和形状复杂阻碍起模部分的外形。,芯头的作用：,1）定位作用；,2）固定作用；,3）排气作用。,（四）浇、冒口系统,1. 浇注系统,1）浇注系统的组成及作用,2）浇注系统的常见类型, 封闭式浇注系统,F直F横F内,F直F横F内=1.151.11, 开放式浇注系统,F直F横F内,F直F横：F内=124,2. 冒口,冒口是在铸型中设置的一个储存金属液的空腔。,冒口,普通冒口,特种冒口,明冒口,暗冒口,保温冒口 发热冒口 大气压力冒口 易割冒口,三、液态成形工艺设计实例,上,下,材料：HT200,收缩率：1.0 %,上,下,下,上,A,77,A,78,1有一测试铸造