材料的液态成形工艺.ppt

1、第四章 材料的液态成形工艺,本章内容： 铸造基础部分； 铸造方法； 铸件结构工艺性。 本章重点： 铸造基础知识，即合金的铸造性能。,第四章 材料的液态成形工艺,金属的铸造工艺 陶瓷的注浆成形 塑料的注射成形,材料的液态成形，与材料的固态塑性变形、连接成形以及粉末冶金成形是制造业获得毛坯件的主要手段。,4-1 金属铸造工艺简介,金属铸造（foundry,casting） 1. 定义：将熔炼好的液态金属浇注到与零件形状尺寸相适应的铸型型腔（mold cavity）内,待其冷却凝固后,获得毛坯或零件的方法。 2. 优点：适应性强，金属种类、铸件尺寸、形状不受限制；成本低；尤其适于制造内腔复杂的大型箱

2、体件。 缺点：铸造工艺复杂；铸件缺陷多，废品率高；铸件力学性能一般较同类锻件差；劳动环境差等。 3.铸造方法：砂型铸造（sand casting process） 特种铸造（special casting process）,用于核反应堆的大型铸件，重量达60多吨。,模样：pattern 型砂：moulding sand 砂箱：flask 型芯：core,4-2 铸造工艺基础知识,合金的铸造性能包括： 流动性、收缩性、氧化性、吸气性、偏析性等。,一、液态金属的充型能力,定义：指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。 充型能力差浇不足（short run）、冷隔（cold shu

3、ts） 影响因素：包括金属液的流动性、性质、浇注条件及铸型条件等。,金属流动性试样,指液态合金自身的流动能力。流动性好，则充型能力强。 流动性的测试通常用螺旋形试样来衡量， l ，流动性,金属液的流动性,合金种类：灰口铸铁，硅黄铜，流动性最好，l 1000 mm 。铸钢的流动性最差， l 200 mm； 成分：共晶合金的流动性最好； 结晶特征：结晶间隔越小，则流动性越好； 粘度：粘度越大，流动性越差； 结晶潜热：结晶潜热越小，流动性越差。,影响流动性因素：,2. 浇注（pouring）条件,T浇 粘度 充型能力；但T浇 粘砂（sand adherence）、缩孔（shrinkage cavit

4、y）、气孔（blow hole）、粗晶（grain coarsening）等缺陷 充型压力 充型能力。,3. 铸型特性,铸型的导热能力 ，T液 ，充型能力； 铸型的温度 ，充型能力 ，所以金属型要预热；铸型的排气能力，流动阻力，充型能力； 铸型结构不宜太复杂。 最小壁厚（wall thickness）,二、合金的凝固（solidification）特性,合金从液态变为固态，称为凝固或一次结晶（crystallization）。在此过程，易产生缺陷：缩孔、缩松（porosity）、气孔、夹杂（inclusion）、热裂（hot tear）、偏析等。,1.铸件的凝固方式 铸件断面上有三个区域：固相

5、区、液相区、凝固区。 逐层凝固：不存在凝固区（纯金属或共晶成分合金）； 体积凝固（糊状凝固）：凝固区很宽（结晶温度范围宽或铸件截面温度梯度小）； 中间凝固：介于二者之间。,合金的凝固方式影响铸件质量。逐层凝固的合金产生缺陷的倾向小。,影响铸件凝固方式的因素有： 合金的结晶温度范围：越窄逐层凝固 铸件的温度梯度：梯度越大逐层凝固,温度梯度对凝固区域的影响,三、合金的收缩性,1. 收缩及其影响因素,合金的收缩：铸件在凝固和冷却过程中，其体积或尺寸减少的现象称为收缩。包括： 液态收缩（体收缩率）浇注温度液相线 凝固收缩（体收缩率）液相线固相线 固态收缩（线收缩率）固相线室温,缩孔，缩松,应力，变形，

6、裂纹,影响铸件收缩的主要因素：,化学成分：铸钢和白口铸铁收缩率大，灰铸铁、球铁小； 浇注温度：T 收缩率大； 铸件结构：壁厚不均匀收缩受阻收缩率小； 铸型条件：铸型、型芯阻碍收缩收缩率小,2. 收缩导致的铸件缺陷,（1）缩孔与缩松（体积缩减得不到补充） 缩孔：出现在铸件上部或最后凝固部位,倒锥形,容积较大. 缩松：铸件最后凝固区未得到补缩形成分散细小的孔洞. 逐层凝固合金易形成缩孔，糊状凝固合金易产生缩松。 缩松严重影响铸件的气密性。,缩松形成示意图,顺序凝固： 在厚大部位安放冒口、冷铁和补贴，使薄壁厚壁冒口顺序凝固，让缩孔移入冒口。 热节：“内切圆法”和“凝固等温线法”。 顺序凝固用于收缩率

7、较大必须补缩的场合(铝青铜、铸钢)，不能预防显微缩松。,选用共晶成分的合金：可消除缩松。,缩孔和缩松防止:,（2）铸造应力、变形和开裂,铸造应力：热应力和机械应力 1)热应力：铸件壁厚不均或各处冷速不同，导致各处收缩不同步引起的应力。残余应力,铸造内应力在固态收缩阶段产生，是铸件变形、开裂的根本原因。,铸件厚壁或心部受拉应力，薄壁或表层受压应力。,框形铸件热应力形成过程,2)机械应力： 铸件的固态收缩受铸型或型芯的机械阻碍而形成的应力。落砂后自行消失。,预防热应力措施： a.铸件壁厚均匀； b.同时凝固：内浇口开在薄壁处，厚壁处放冷铁。适用于普通灰铸铁和锡青铜以及壁厚均匀的薄壁件。 消除：去应

8、力退火,预防机械应力措施：,改善铸型和砂芯的退让性。,受拉部位趋于缩短，受压部位趋于伸长。,内应力超过材料的屈服点时，将造成铸件变形。,铸件的变形,预防变形措施： 使铸件壁厚均匀或截面形状对称；同时凝固原则；反变形法等。,铸件裂纹： 裂纹产生的原因：内应力 b 热裂(高温下产生) ：裂纹短而宽，内呈氧化色。外形曲折，沿晶裂。主要由机械应力引起。 冷裂(低温下产生)：裂纹直而细，表面有金属光泽，穿晶裂。主要由热应力引起。 裂纹的预防措施：降低内应力，适时落砂可减轻机械应力的作用。降低钢铁中杂质S的含量可减轻热裂纹倾向，降低杂质P的含量可减轻冷裂纹倾向。,四、合金的吸气性及气孔,析出性气孔 当金属

9、液冷却时，由于对气体的溶解度下降而析出的气体来不及跑出时，会在铸件中形成析出气孔。 特点：裸眼可见的小圆孔，分布面大，热节处密集，多见于铝合金和铸钢件。 防止：清理炉料油污，烘干炉料，真空熔炼，除气处理等。,各种铸造合金尤其是有色金属和合金，在液态时都有吸气（H2为主）的特性。 气孔,2. 侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液中形成的气孔。 特点：体积较大，圆形或椭圆形，分布在铸件表面。 防止：控制型砂中的含水量，提高铸型排气能力等。 3. 反应性气孔 金属液与铸型之间发生化学反应产生的气孔。 特点：多见于黑色金属铸件，分布在表皮下面，又称皮下气孔。 防止：型腔表面喷涂料，烘干炉料，减少型砂

10、水分等。,五、常用铸造合金的铸造性能特点,铸铁 （1）灰铸铁 铸造性能良好。 接近共晶成分，流动性好；收缩率小。 孕育铸铁：高强度灰铸铁（硅铁孕育） 流动性差，收缩率高；提高浇注温度，设置冒口。 （2）球墨铸铁 铸造性能比铸钢好，比灰铸铁差。 铁水出炉温度 流动性 浇不足、冷隔； 铸型刚度，开冒口 缩孔、缩松； 型砂透气性，控制型砂水分； Mg% 皮下气孔,包括铸铁、铸钢、铸造有色合金等。,（3）可锻铸铁 白口铸坯 石墨化退火 团絮状石墨 流动性差 提高铁水温度 收缩率大 顺序凝固,球铁缩孔、缩松形成,2. 铸钢 铸造性能差 流动性差，熔点高 干砂型，石英砂，提高浇注温度； 收缩率大 顺序凝固

11、，改善铸件结构，降低硫、磷含量等。 3. 铸造有色金属（铝合金、铜合金） 流动性好，收缩率大， 容易吸气、氧化气孔、夹渣 坩埚炉熔炼，炉料、工具预热，去除杂质，浇注前要处理等。,六、新型材料金属间化合物及其铸造性能特点,IMC( intermetallics compounds)，如Fe-Al, Ni-Al, Ti-Al,Fe3Al铸造工艺特性： 装料熔化精炼合金化浇注，均在真空感应炉内进行。,4-3 砂型铸造,型（芯）砂组成：石英砂+粘土+水。 型（芯）砂性能：强度、透气性（permeability）、耐火性（refractoriness）、退让性（collapsibility）。 造型方法

12、：手工造型和机器造型。,砂型铸造是传统的铸造方法，适用于各种形状、大小以及各种合金铸件的生产。,一、造型方法的选择,手工造型 按模样分： 整模、分模、刮板、活块、挖砂、假箱等； 按砂箱分： 两箱、三箱、地坑、脱箱等。,手工造型操作灵活，大小铸件均适应；用于单件、小批量生产。,手工(紧实)造型,造型时填砂,2. 机器造型 填砂、紧实、起模等操作由机器来完成。 特点：生产率高，铸型质量好； 但投资大，生产周期长， 主要用于成批大量生产。 分类： 震压造型、 抛砂造型、 射砂造型。,震压造型,砂团,填砂、紧实,叶片,二、砂型铸造常见缺陷,孔洞：气孔、缩孔、缩松、砂眼、渣眼； 表面缺陷：粘砂、夹砂；

13、裂纹：热裂、冷裂等； 其他：浇不足、冷隔、错箱等。,了解常见缺陷的特征以及预防措施。 P.146表4-3,4-4 特种铸造,特种铸造是指除砂型铸造以外的铸造方法。从铸造工艺角度来看，铸件的尺寸精度及表面粗糙度主要取决于铸型的质量。因此，为了提高铸件的表面质量，应以改进铸型材料或造型工艺入手。而为了提高铸件的内部质量，则主要依靠改善液态金属充填及随后的冷却条件。当然，改善液态金属的充填条件，提高液态金属的充型能力，也有利于改善铸件的表面粗糙度及精度。为了克服砂型铸造的缺点，人们在生产实践中，不断探求新的铸造方法。,一、金属型铸造（permanent mould casting）,又称永久型铸造，

14、将液体金属浇入金属铸型，获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次。,组合金属型,铸造工艺：,金属型的预热 涂料 出气口 控制开型时间,生产特点： 可承受多次浇注，便于实现机械化； 铸件精度和表面质量高，节约材料； 铸件的结晶组织致密，力学性能高。,金属型成本高，生产周期长； 铸造工艺严格，易出现浇不足、冷隔、裂纹； 铸件的形状和尺寸受一定的限制。,金属型铸造,金属型铸造适用于大批量生产形状简单的有色合金铸件。如飞机、汽车、拖拉机、内燃机的铝活塞、气缸体、缸盖、油泵壳体以及铜合金轴瓦、轴套等。,二、熔模铸造（investment casting）,熔模铸造的生产工艺,1. 铸件

15、尺寸精度高，表面粗糙度值低，减少切削加工量，甚至无须切削加工； 2.可以制造各种合金材质的铸件，尤其适用于高熔点合金的小型复杂铸件； 3.主要用于成批制造精度要求高或难以切削加工的形状复杂件。,母模,压型,熔蜡,充满压型,一个蜡模,蜡模组,结壳、倒出熔蜡,填砂浇注,三、压力铸造（die casting）,将熔融的金属在高压下，快速压入金属型，并在压力下 凝固，以获得铸件的方法。,卧式压铸机,压力铸造的特点和适用范围,主要用于大批生产低熔点合金的中小型铸件。,四、低压铸造（low press die casting）,特点：充型平稳，适用于不同的铸型；铸件力学性能好；投资少，易操作，自动化程度高

16、。 应用：大批量生产铝合金和镁合金铸件。如发动机的气缸盖、曲轴、叶轮、 活塞等。,介于金属型和压力铸造之间的一种铸造方法。,五、离心铸造（centrifugal casting）,将液态合金浇入高速旋转的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶。用于大批量生产管、套类铸件。,省去型芯和浇注系统，降低铸件成本； 离心力的作用，铸件由外向内的顺序凝固，铸件组织致密； 便于制造双金属铸件； 铸件易产生偏析，内表面较粗糙，尺寸不易控制。,工艺特点：,应用：,用泡沫模型代替金属或木模，造型后模样不取出，呈实体型腔，模样气化得到铸件。,六、气化模铸造，真空实型铸造,消失模铸造不用下芯子，没有分型面，可

17、以采用灵活的设计，生产出各种形状复杂、薄壁、多孔槽的铸件。,七、铸造方法的选择,铸件的结构，如果不能满足合金铸造性能的要求，将可能产生浇不足、冷隔、缩松、气孔、裂纹和变形等缺陷。,4-5 铸件结构工艺性,进行铸件结构设计，不仅要保证其力学性能要求，还必需考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构的要求，使铸件的结构与这些要求相适应。使这些铸件具有良好的工艺性，以便保证铸件质量，降低生产成本，提高生产率。,一、铸件结构应利于避免或减少铸件缺陷,1. 壁厚合理,“最小壁厚值”：铸件壁厚应大于最小壁厚，否则易产生浇不足、冷隔缺陷；但壁厚太大，金属液冷速降低，晶粒粗大，力学性能下降。,铸件壁较厚，容易产生缩

18、孔。将壁厚减薄，采用加强筋，可防止以上的缺陷。,2. 铸件壁厚力求均匀,3. 铸件壁的连接,结构圆角：可使铸件壁间的转角处避免热节、减轻应力集中、改善结晶方向，从而提高转角处的力学性能。外圆角还可美化铸件外形；内圆角还可防止金属液冲坏型腔尖角。,避免锐角连接 减小热节和内应力,厚薄壁间的连接要逐步过渡 减少应力集中,4. 避免较大水平面,浇注时铸件朝上的水平面易产生气孔、砂眼、夹渣等缺陷。因此，设计铸件时应尽量减小过大的水平面或采用倾斜的表面。,不合理,合理,合理的铸件结构设计，除了满足零件的使用性能要求外，还应使其铸造工艺过程尽量简单。以提高生产效率，降低废品率，为生产过程的机械化创造条件。,二、铸件结构应利于简化铸造工艺,1. 铸件外形尽量简单,（1）避免外部的侧凹，减少分型面或外部型芯： （2）分型面应平直： （3）凸台和筋的设计应便于造型和起模： （4）铸件的垂直壁上应考虑给出结构斜度：,减少分型面数目,分型面要平直,避免活块,2. 铸件内腔结构应符合铸造工艺要求,不用或少用型芯,型芯稳固、排气清理方便,3. 铸件的结构斜度,垂直于分型面的非加工面上设计出结构斜度，斜度较大。与拔模斜度不同，结构斜度是在设计时设计上去的，不再被加工掉。,4. 组合铸件的应用,大型