机械制造基础-铸造(本)

2020/9/6,1,第二篇 铸造,第二篇 铸造,2020/9/6,2,一、概述,第二篇 铸造,铸造(Casting)：将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相 适 应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得一定形状、尺寸毛坯或零件的生产方法，称为铸造。,历史悠久(4000年以上) 水平高超：永乐大钟（46.5t，23万字，含金18.6Kg，含银38Kg） 应用广泛：在机器设备中铸件所占比例很大。,零件,木模,砂箱,分模面,两箱造型,4,第二篇 铸造,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,2020/9/6,5,二、铸造特点,第二篇 铸造,铸造的优点：,（1）材料来源广； （2）废品可重熔； （3）设备投资低。,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。 （3）生产批量不受限制,2适应性强：,3成本低：,4对于某些塑性很差的材料，如铸铁等，液态成形是制造其毛坯或零件的唯一成型工艺。,飞机叶轮,2020/9/6,6,第二篇 铸造,铸造的缺点：,金属液态成形工艺过程比较复杂，一些工艺过程还难以控制； 产品质量不够稳定。液态成形零件缺陷较多，易出现缩孔、缩松、气孔、砂眼、夹渣、夹砂、裂纹等缺陷； 产品的力学性能不是很高。由于铸件内部晶粒粗大，组织不均匀，且常伴有缺陷，其力学性能比同类材料的塑性成形低。 劳动条件差，三高两弯。,2020/9/6,7,第二篇 铸造,2、特种铸造,特点：铸件性能较好，精度低，效率高,熔模铸造(investment casting) 消失模铸造 金属型铸造(permanent mold casting) 压力铸造(die casting) 离心铸造(centrifugal casting),三、铸造方法的分类,1、型砂铸造(sand casting),2020/9/6,8,第一章 铸造工艺基础,第二篇 铸造,合金在铸造时的难易程度称为液态合金的铸造性能,熔化时：不易氧化、吸气 浇注时：易充满型腔 凝固时：不易产生缩孔，化学成分均匀 冷却时：不易变形、开裂,合金铸造性能是选择铸造金属材料，确定铸件的铸造工艺方案及进行铸件结构设计的依据,2020/9/6,9,第一节 液态合金的充型,第二篇 铸造,充型：液态合金填充铸型的过程，简称充型。 充型能力： 液态金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成型件的能力。,充型能力不足,浇不足,冷 隔,夹 砂,气 孔,夹 渣,充型能力的决定因数,合金的流动性 浇注条件 铸型填充条件,一、合金的流动性,2020/9/6,10,第二篇 铸造,合金的流动性是： 液态合金本身的流动能力。,通常用螺旋试样来测试合金流动性的优、劣。将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的试样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好。,合金的流动性好,2020/9/6,11,形成轮廓清晰的薄壁复杂件 易于夹杂、气体上浮 易于补缩,散热伴随结晶现象 铸型对金属液的阻力 型腔中气体的作用,浇不足,但是,2020/9/6,12,影响流动性的因素,第二篇 铸造,化学成分：C、Si含量；流动性,Why？,成分 共晶成分：恒温下结晶，流动性； 其它成分：两相区内结晶，流动性. 含C量：远离4.3%，流动性. 合金元素：Si、 Mn、 S、 P 流 流去SMnS流 熔点流,2020/9/6,13,工艺条件 凡流动阻力，V流、V冷流动性 1.铸型条件： 表面粗糙度：表面粗糙度， 流动阻力流动性 散热条件V冷不同： 导热率流动性（金属、砂型铸造） 铸型中气体： 气体， 流动阻力流动性,浇注温度 T,t液 流动性，but收缩，缺陷 直浇口高度 高度，静压力 流动性,2020/9/6,14,2、浇注条件,第二篇 铸造,高温出炉，低温浇注,铸件壁 ，V冷,t流动性 浇不足、冷隔规定最小壁厚,3、铸件结构,合理选择化学成分（共晶成分） 制定合理的熔炼工艺（T熔） 制定合理的造型工艺（排气，烘干，直浇口高度，内浇口截面积） 制定合理的浇注工艺（高温出炉，低温浇注）,提高流动性方法,2020/9/6,15,2020/9/6,16,第二节 铸件的凝固与收缩,铸件的凝固过程：液相区、凝固区、固相区。 对铸件质量影响较大是液相和固相并存的凝固区的宽窄。,一、铸件的凝固方式,逐层凝固,糊状凝固,液,第二篇 铸造,中间凝固,二.合金的收缩,合金的收缩经历三个阶段：,T浇 T始晶 T全晶 T室,化学成分 化学成分不同，C存在形式不同。,影响收缩因素,2020/9/6,18,C、Si,石墨析出量收缩,Why?,19,缩孔大而集中的孔洞,收缩对铸件质量的影响,特点：,形成：逐层凝固,原因：,液态收缩和凝固收缩,逐层凝固易产生缩孔最后凝固区（热节） 液态收缩，凝固收缩缩孔,凝固等温线法 内切圆法 计算机凝固模拟法,缩孔位置的确定,2020/9/6,20,措施：,设置冒口，实行顺序凝固,控制浇注温度： T浇，流动性，but收缩，缩孔,2020/9/6,22,解决缩孔的方法演示： 冒口和冷铁,第二篇 铸造,缩松分散细小的孔洞,特点：,形成：糊状凝固（发生在最后凝固区）,原因：,措施：,凝固收缩,糊状凝固（凝固区域宽的合金）易产生缩松， 凝固区域，缩松,合理控制凝固过程（顺序凝固）,缩松,来自外界：铸型、型芯（机械应力）,铸造内应力、变形和裂纹,定义：铸件的固态收缩受到阻碍而引起的应力（铸件内部产生的应力）。,来自内部：V冷不同引起的收缩不一致（热应力） 相变产生体积变化（相变应力）,上型,下型,第三节 液态成形内应力、变形与裂纹,热应力的形成过程分析,+拉应力 -压应力,T0-T1 均处于塑性状态,T1-T2 处于弹性状态， 处于塑性状态,T2-T3 、均处于弹性状态,内应力：薄压厚拉,2020/9/6,26,第二篇 铸造,热应力的消除方法,铸件的结构：铸件各部分能自由收缩 工艺方面：采用同时凝固原则 时效处理：人工时效(退火) 550650；自然时效,铸件的结构尽可能对称 铸件的壁厚尽可能均匀,产生原因：内应力铸件屈服强度 措施：加裕量法、反变形法,铸造内应力、变形和裂纹,2020/9/6,28,第二篇 铸造,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。,产生原因：,内应力铸件抗拉强度,铸造内应力、变形和裂纹,热裂的防止：, 温差，热裂倾向小的合金。 铸型和型芯的退让性，收缩阻碍，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。,2020/9/6,29,2 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。,30,第二章 常用合金铸件的生产,第二篇 铸造,第一节 铸铁件生产,铸铁是含碳量大于2.11%（通常为2.5%-3.5%）的铁碳合金。 （C、Si、Mn、P、S）,2020/9/6,31,3. 麻口铸铁：组织中既存在石墨、又有莱氏体，是白口和灰口之间的过渡组织，因断口处有黑白相间的麻点，故而得名。,1.白口铸铁：碳全部以Fe3C的形式存在，断口呈银色。 特点：脆而硬 应用：炼钢原料 ；可锻铸铁毛坯（经长时间高温退火 可锻铸铁 ）；耐磨件：农具、磨球、轧辊,2. 灰口铸铁：碳大部或全部以粗片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。,2020/9/6,32,4蠕墨铸铁： 其石墨呈蠕虫状。如图d所示。,a,b,c,d,根据铸铁中石墨形态的不同，铸铁又可分为：,1普通灰口铸铁： 简称灰口铸铁，其石墨呈片状。如图a所示。,2可锻铸铁： 其石墨呈团絮状。如图b所示。,3球墨铸铁： 其石墨呈球状。如图c所示。,第二篇 铸造,2020/9/6,33,铸铁的石墨化,碳以石墨的形式析出的过程。 通常视石墨化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。,2020/9/6,34,影响石墨化的因素,1、化学成分,C、Si强化石墨元素（综合影响，改善铸铁的铸造性能）,第二篇 铸造,2020/9/6,35,2冷却速度,1.组织与性能：,2020/9/6,36,LA+L,快冷,中冷,慢冷,基体组织,石墨形态,性能,牌号,二、灰口铸铁,但：机械性能，不宜锻造，焊接困难,2020/9/6,37,普通灰口铸铁牌号与应用,基体：F、P、F+P 生产：铁水熔炼好后直接浇铸 牌号：HTXXX HT: 表示灰口铸铁中文拼音的代号 XXX: 三位数字表示最抵抗拉强度(MPa) 石墨形态：片状 应用：受力不大，冲击载荷很小，抗震、耐磨场合（床身，箱体，机架等） 热处理：不需，可去应力退火,第二篇 铸造,2020/9/6,38,第二篇 铸造,2020/9/6,39,灰口铸铁的孕育处理,孕育处理 熔炼出相当于白口或麻口组织的低碳、低硅的高温铁水，向铁水中冲入细颗粒的孕育剂，孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心，使石墨化作用骤然提高，从而得到在细晶粒珠光体上均匀的分布着细片状石墨的组织。,孕育铸铁：P细+G细片,b=250-350MpaHT，HB=170-270， 0,冷却速度对其组织和性能的影响很小断面性能均匀,孕育剂为含硅75%的硅铁，加入量为铁水重量的0.25-0.6%。,第二篇 铸造,应用 承受冲击载荷或交变载荷不大，要求较高强度、硬度、耐磨性的重要件、复杂件，特别是厚大截面铸件（床身，汽缸体、缸套及液压件等）。,熔铸特点 冲天炉熔炼，出炉温度较高（不应低于1400） ，孕育处理后立即浇注，对型砂退让性要求高。（铸造性能HT）,组织：,性能,2020/9/6,40,三、可锻铸铁(韧性铸铁、玛铁或玛钢),KT30006,牌号,组织：,2020/9/6,41,2020/9/6,42,熔融特点：,性能：,应用：,机械性能HT(C石团，强度、硬度高，具有一定的韧性材料),耐冲击、耐振动件（汽车后桥壳，机床扳手）；耐磨、耐蚀件、薄壁复杂小铸件,T浇：1300 （白口，流动性）；设置冒口（ 收缩 ）；耐火性，退让性,2020/9/6,43,四、球墨铸铁,球化处理工艺有冲入法 和型内球化法。,组织：,工艺特点：,在高C、Si的铁水中加入球化剂和孕育剂,稀土镁合金,Si、Fe块,分类：,铁素体球铁（塑性、韧性好）+ 珠光体球铁（强度、硬度高）,性能特点：抗拉强度和屈服强度很高；疲劳强度较高；硬度和耐磨比其他铸铁都高。,2020/9/6,44,力学性能最高 以铁代钢,球墨铸铁热处理特点：改变基体组织 退火：使铸态组织中的Fe3C或P中的Fe3C分解高塑性的铁素体基体组织。 正火：使具有F+P+Fe3C的铸态基体组织高强度的珠光体基体组织。 调质处理：获得综合机械性能较高的组织(S回+G球)。 等温淬火：获得高强、高韧、高硬、耐磨的组织(B下+G球) 。,2020/9/6,45,2020/9/6,46,性能：强度其他铸铁和铸钢；韧性、塑性、焊接性能HT 应用：代替KT、HT制造性能要求高的零件，在一定程度上可代替铸钢 熔铸特点： T浇1450 收缩HT冒口，补缩作用，内浇口截面积，防止缩孔、夹杂等缺陷,2020/9/6,47,2020/9/6,48,五、蠕墨铸铁：蠕虫状，刚强度,蠕墨铸铁的性能特点：,（1）力学性能介于灰铸铁球墨铸 铁之间。,（2）壁厚敏感性比灰铸铁小。,（3）导热性和耐疲劳性比球墨铸铁高得多，与灰口铸铁相近。,（4）耐磨性优于灰口铸铁球墨铸铁。,（6）工艺性能良好，铸造性能近于灰口铸铁，切削加工性能近于球墨铸铁。,（5）减振性比球墨铸铁和灰口铸铁高。,工艺特点：高Si、C的铁水进行蠕化处理+孕育处理 蠕化剂：稀土硅铁或稀土硅钙合金,牌号：RuT420,2020/9/6,49,第三章砂型铸造,一、砂型铸造是传统的铸造方法，适用于各种形状、大小及各种合金铸件的生产。 二、学习要点： 铸造工艺图：是在零件图上用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形。最主要的几个组成因素是：分型面、型芯、铸造圆角、加工余量、拔模斜度，另外还有收缩率等。 选择造型方法、浇注位置和分型面是关键。,2020/9/6,50,造型方法,主要特点,适用范围,整模造型,整体模，平面分型面，型腔在一个砂箱内；造型简单，铸件精度表面质量较好,分模造型,模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、下两个砂箱，造型简便,挖砂造型,假箱造型,最大截面位于一端并为平面的简单铸件的单件、小批生产,最大截面在中部，一般为对称性铸件，如套、管、阀类零件单件、小批生产,模样为整体，但分型面不是平面，造型时手工挖去阻碍取模的型砂，生产率低，技术水平高,分型面不是平面的铸件的单件、小批生产,分型面不是平面的铸件的成批生产,活块造型,将铸件上妨碍起模的小部分做成活动部分。起模时先取出主体部分，再取出活动部分,用于妨碍起模部分的铸件的单件、小批生产,、手工造型,第一节造型方法的选择,2020/9/6,51,整模造型,挖砂造型,假箱造型,活块造型,刮板造型,三箱造型,2020/9/6,58,震压紧实,抛砂紧实,中、小型铸件,大、中型铸件,高压紧实,复杂铸件,射砂紧实,大量生产小型简单铸件,、机器造型（紧砂、起模由机械完成）：,2020/9/6,59,机器造芯,2020/9/6,60,2020/9/6,61,第二节 砂型铸造工艺设计,第二篇 铸造,铸造工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。,铸造工艺图的绘制,分型面的选择,浇注位置的确定,工艺参数的确定,设计要点,2020/9/6,62,一、浇注位置的选择,浇注位置浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。,基本原则“三朝下，两便于”,重要面、受力面朝下 薄而大的平面朝下 宽大平面朝下,便于补缩，厚大部位朝上 便于安放型芯,2020/9/6,63,二、分型面的选择,分型面的数量,尽量使分型面是一个平直的面；,尽量使铸件的全部或大部分置入下箱；,活块的数量,分型面指铸型中相互结合的表面,基本原则：“三最少，两尽量”；,型芯,a) 不正确 b) 正确,分型面的选取最大截面处,2020/9/6,65,1、应尽量减少分型面的数量（一）,三通铸件的分型方案,2020/9/6,66,1、应尽量减少分型面的数量（二）,上,下,中,用型芯减少绳轮铸件分型面,2020/9/6,67,不合理,合理,以砂垛代替型芯,2、应尽量减少型芯和型芯的数量,2020/9/6,68,3、应尽量使分型面是一个平直的面,不合理,合理,若分型面是一曲面，则必须用挖砂造型,起重臂铸件,2020/9/6,69,4、应使铸件的全部或者大部分位于同一砂箱,完全满足上面所有原则是困难的 结论： 当质量要求很高时，应首先满足浇注位置的 要求 而一般铸件，则以简化工艺、降低成本为主。,2020/9/6,70,2020/9/6,71,三、工艺参数的确定,1机械加工余量和铸孔,加工余量：在铸件的加工表面上留出的准备切除的金属层的厚度。,孔的铸出：一般大孔用下芯的方式铸出，而小孔则用机加工完成。,2拔模斜度,拔模斜度：为了在造型和制芯时便于起模，以免损坏砂型和型芯，在模样、芯和的起模方向留有一定的斜度。,影响因素： 立壁高度、造型方法、模型材料等；一般外壁：153，内壁：310。,HT铸最小尺寸：3050mm，成批：1530mm，大量：1215mm，不必加工的孔无论大小都铸出。ZG：60-80,2020/9/6,72,3铸造收缩率,合金收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构、尺寸等因素。,L模样-L铸件 K= 100% L模样,2020/9/6,73,4.型芯头,型芯头的作用:是型芯的定位、支撑和排气的部分， 设计时需考虑：保证定位准确、能承受砂芯自身重量和液态合金的冲击、浮力等外力的作用，浇注时砂芯内部产生的气体能顺畅引出铸型等。,2020/9/6,74,2020/9/6,74,支座,支座的铸造工艺图,综合分析举例,原则：外形设计应便于起模，简化造型工艺,2020/9/6,75,第四章 型砂铸件的结构设计,第二篇 铸造,第一节 铸件结构与铸造工艺的关系,实例分析：,1.铸件的外形设计,a避免外部侧凹、凸起，不妨碍起模；,2020/9/6,76,No,2020/9/6,77,b尽量使分型面为平面；,c凸台和筋条结构便于起模；,2020/9/6,78,d垂直分型面上的不加工表面最好有结构斜度；,a尽量不用和少用型芯；,2.铸件的内腔设计,2020/9/6,79,芯撑,b便于型芯的固定、排气和清理。,2020/9/6,80,在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。,在砂型铸造条件下，临界壁厚3最小壁厚,2 铸件壁厚应均匀、避免厚大截面,第二节 铸件结构与合金铸造性能的关系,一、铸件壁厚的设计,1 合理设计铸件壁厚,2020/9/6,81,不合理,合理,二、铸件壁的连接,2020/9/6,82,1 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,2020/9/6,83,实例分析：改进后的交错接头或环状接头，其热节均较改进的小，且可通过微量变形来缓解内应力，抗裂性能均较好。,2020/9/6,84,不合理,合理,为防止某些细长或平板类易产生变形的铸件产生翘曲，应将其截面设计为对称结构。,2020/9/6,85,第二篇 铸造,特种铸造,金属型铸造,离心铸造,压力铸造,熔模铸造,消失模铸造,为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。,常见的特种铸造方法,第五章 特种铸造,86,模样材料：蜡基模料 树脂（松香）材料 铸型材料：起粘附作用的涂料 起支撑作用的撒砂材料,将蜡料制成模样，在上面涂以若干层耐火涂料制成型壳，然后加热型壳，使模样熔化、流出，并焙烧成有一定强度的型壳，再经浇注，去壳而得到铸件的一种铸造方法。,第一节 熔模铸造,87,蜡模制造,生产工艺过程,结壳,脱蜡,焙烧、造型和浇注,落砂和清理,压型,蜡模压制,浸涂料,撒砂,硬化,热水法 高压蒸汽法,加热8001000C 焙烧,600700C 浇注,打碎型壳 落砂,去浇口、毛刺 清理,蜡模组装,88,熔模铸造,2020/9/6,89,与砂型铸造方法对比，熔模精密铸造具有： 1.铸件尺寸精度高，表面粗糙度值低，减少切削加工量，甚至无须切削加工。,2.可以铸造薄壁件及外形复杂重量很小的铸件，带有精细的图案、文字、细槽和弯曲细孔的铸件 。,3.可铸造高熔点及难切削的合金,4.既可成批生产，也可单件生产,5.成本高，生产周期长,2020/9/6,90,第二节 金属型铸造,又称硬模铸造，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。,金属型铸造：,组合金属型垂直分型结构（铸造铝活塞）,典型结构： 铸铁、铸钢,2020/9/6,91,金属型铸造,2020/9/6,92,金属型铸造工艺 1.喷刷涂料 作用：避免金属液和型腔直接接触 减缓铸件冷却速度 有一定排气能力,2.预热 铸铁 250-350 有色 100-250,3.出型 需在110-60s出型（小铸铁件） 防止收缩裂纹,2020/9/6,93,第三节 压力铸造,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。,压力铸造：,1、热压室压铸,工艺稳定铸件质量好，压型寿命低,坩埚,2020/9/6,94,2、冷压室压铸,压室与金属液接触时间短，铸造熔点较高的有色金属和黑色金属,2020/9/6,95,卧式冷室压力铸造,2020/9/6,96,压力铸造的特点和适用范围,应用：有色薄壁小件的大批量生产。（汽缸体，箱体外壳，嵌铸件）,97,压铸件,压铸模,2020/9/6,98,第四节 离心铸造,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。铸型转速（250-1500r/min ）,离心铸造：,立式,卧式,99,离心铸造,2020/9/6,100,利用自由表面生产圆筒形铸件，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，而气体和熔渣因比重轻向 内腔移动而排除，铸件组织致密，极少有缩孔、气孔、夹渣等缺陷 合金的充型能力强，便于流动性差的合金及薄件的生产。 便于制造双金属铸件,优点：,铸件易产生偏析，铸件内表面较粗糙。内表面尺寸不易控制。,缺点：,2020/9/6,101,第五节 消失模铸造,气化模铸造，国际上称EPC工艺。真空实型铸造， 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。,消失模铸造：,预发泡,模型成型,模型簇组合,浸涂,浇注,2020/9/6,102,优点：,1、铸件尺寸精度高， 2、铸件表面光洁，3、消失模铸造不用下芯子，没有分型面，可以采用灵活的设计，生产出各种形状复杂、薄壁、多孔槽的铸件。4、铸件加工量小5、铸件无飞边毛刺，落砂清理容易，清理工时少，劳动环境好6、环境污染少， “绿色铸造工程”。,2020/9/6,103,定义：液态金属在低压下，自下而上地充填型腔并结晶的工艺方法 工艺过程： 安放铸型安放升液管通压缩空气保压减压取出铸件 2-7104Pa5-15MPa,2020/9/6,104,低压铸造,2020/9/6,105,特点： 充型压力与速度易控制，适合各种铸型 组织致密，力学性能好 气孔、夹杂少 轮廓清晰，表面光洁度好 设备投资少,2020/9/6,106,挤压铸造,2020/9/6,107,