《金属的液态成形》PPT课件

第七章 金属的液态成形,什么是金属的液态成形: 即将液态金属浇入与零件形状相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的工艺方法,亦称铸造.,金属的液态成形的作用: 金属的液态成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按铸型材料的不同，金属液态成形可分为砂型铸造和特种铸造（包括压力铸造、金属型铸造等）。 其中砂型铸造产品成本最低，应用最普遍，所生产的铸件要占铸件总量的80%以上。但工艺过程较复杂不易控制，铸件内部常有缩孔、夹渣、气孔、裂纹等缺陷产生，导致铸件力学性能，特别是冲击性能较低。,第一节金属的液态成形原理 一、液态金属的流动性 1、流动性的基本概念 金属的流动性是指液态金属充满铸型的能力。流动性强，有利于金属液中气体和杂质的上浮排出；有利于凝固收缩时补缩。,2、衡量流动性的标准以螺旋型式样的长度来衡量,如右图,将合金液浇入铸型中，冷凝后测出充满型腔的式样长度。浇出的试样越长，合金的流动性越好,合金充型能力越好. 常见合金的流动性见表7-1。,2. 影响金属流动性的因素 （1）合金种类 由表7-1知，灰铁和硅黄铜流动性最好，铸钢最差。在铸铁中，亚共晶铸铁随着碳、硅含量的增加，流动性提高；磷能降低铁液的黏度、表面张力及熔点温度，也能增加铁液的流动性。 此外，不同成分的合金结晶不同，其流动性也不同。共晶成分合金的凝固温度最低，可获得较大的过热度，推迟了合金的凝固，故流动性最好；其它成分的合金由于初生树枝状晶体与液体金属两相共存，粗糙的固液界面使合金的流动阻力加大，合金的流动性大大下降，合金的结晶温度区间越宽，流动性越差。,（2） 浇注温度 浇注温度越高，液态合金的流动性越好，若过高，铸件易产生缩松、粘沙等缺陷。一般浇注温度控制在：铸钢15201620；铸铁12301450；铝合金680780。 （3）铸型填充条件 内浇道横截面小、型腔表面粗糙、型砂透气性差都会增加液态合金的流动阻力；铸型材料的导热性过大，使液体金属凝固快，同样会降低流动性。,二、液态合金的收缩性 （一）收缩的概念 液态合金在凝固和冷却过程中，体积和尺寸减小的现象称为合金的收缩。收缩能使铸件产生缩松、裂纹、变形和内应力等缺陷。,合金的收缩经历如下三个阶段，如图所示。 （1） 液态收缩：从浇注温度冷却到凝固开始温度之间的收缩。收缩现象为型腔内液面降低。浇注温度越高，液态收缩越大。 （2） 凝固收缩：从凝固开始温度到凝固终止温度间的收缩。收缩现象仍为型腔内液面继续降低。凝固温度范围越大，凝固收缩越严重，越容易产生缩孔等缺陷。,（3） 固态收缩：从凝固终止到室温的收缩，收缩现象与上两种不同，表现为体积缩小，用线收缩率来表示。此阶段收缩越大，内应力越大，铸件的开裂、变形的可能性就越大。,2、影响收缩的因素 (1)合金种类 合金种类不同，收缩率不同，铸钢最大，并随含碳量的增加而增加。灰铸铁收缩率最小，原因是在结晶时析出的石墨比容较大，使体积膨胀，抵消了部分收缩。收缩率与含碳量成反比。 几种合金的收缩率见表7-2 。 （2）浇注温度 浇注温度越高，过热度越大，合金的收缩率越大。 （3）铸型条件与铸型结构 由于铸型和型心的阻碍，铸件的实际收缩率小于自由收缩率。因此，在制作模样时要根据合金的种类，给与合理的考虑。,三、缩孔和缩松的形成及防止,若液态收缩和凝固收缩所缩减的体积得不到补足，则在铸件的最后凝固部位会形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为缩孔和缩松两类。 缩孔：铸件壁逐层凝固时，在铸件上部或最后凝固部位，由于凝固收缩，液面下降，正在凝固的金属得不到液态金属及时地补充，在铸件的上部，就形成了缩孔。其形状和特点是孔洞集中、容积较大呈倒圆锥形，内表面粗糙。如图所示。,合金的液态收缩和凝固收缩率越大，浇注温度越高，铸件的壁越厚，缩孔的容积就越大。,缩松：分散在铸件内部分散而细小的缩孔，大多分布在铸件中心轴线处、冒口根部、内浇口附近或缩孔下方。形成的原因与缩孔基本相同。 缩孔及缩松使铸件力学性能下降，防止其发生的主要措施是“定向凝固”，通过增设冒口、冷铁等一些工艺措施，使凝固顺序形成向着冒口方向进行，如下图。远离冒口的部位先凝固，冒口最后凝固，使缩松和缩孔产生在冒口处。或在铸件厚大部位增设冷铁，以加快该处的凝固速度。,增设冒口,增设冷铁,四、铸造应力引起的变形和裂纹 铸件在凝固后的固态收缩受到阻碍时，将产生内应力，它是铸件产生变形和裂纹的基本原因。减少变形和开裂的措施有：力求铸件壁厚均匀、合理设计浇冒口、合理使用冷铁、采用退让性好的型砂和型芯、尽量晚落砂。 五、常用合金的铸造性能 1、铸铁 （1）灰铸铁：流动性好，收缩率小，可浇注薄而复杂的铸件。 （2）球墨铸铁：因流动性比灰铁差，需提高铁液出炉温度、加大浇注系统截面以增大充型速度；因其液态和固态收缩率大，应采取顺序凝固法防止缩孔和缩松的产生；铸造应力较大，有变形和冷裂的倾向。,（3）可锻铸铁 流动性差、收缩率大，缩孔和裂纹倾向大，工艺措施与球墨铸铁基本相同。 2、铸钢 铸钢因浇注温度高，凝固温度范围宽，且为糊状结晶，所以极易产生铸造缺陷，故应采取以下措施。 措施有三，详见P192 注： 冷隔：因浇注时冷却过快，在未充满模腔前就因凝固而停止流动。,3、铸铝 （1）铝硅合金： 铸造性能良好，应用广泛，如活塞、缸体等。 （2）铝铜、铝镁合金 铸造性差，应适当提高浇注温度和速度，增设冒口，提高型砂和芯砂的退让性。因铝合金溶液易吸气和氧化，因此应合理派安浇注系统，多开内浇口，减少涡流和冲击现象，以免铝合金液体氧化和充气。 4、铸铜 铸造铜合金熔点低，流动性好，可浇注壁厚较薄的铸件。采用细砂造型，以使铸件表面光滑。多数铜合金收缩性较大，应多设冒口和冷铁，采取顺序凝固原则防止缩松。,第二节 砂型铸造,砂型铸造是以型砂作为造型材料，用人工或机械方法在砂型内造出型腔积浇注系统的铸造方法，如图,一手、工造型 手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。手工造型操作灵活、适应性广、工艺装备简单、成本低，但其铸件质量差、生产率低、劳动强度大、技术水平要求高，所以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,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,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。适用于各种生产批量和各种大小的铸件。,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,活块造型,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、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。,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。,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. 机器造型的紧砂方法常用的机器造型方法有：压实紧实、震压紧实、抛砂紧实、射压紧实等。,a) 压实紧实,压实紧实方法单纯借助压力紧实砂型，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。,c) 震压紧实,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。,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。 2、机器造型的起模方式 有三 见P194,金属型铸造又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型，在重力作用下充填铸型，以获得铸件的铸方法。（一）金属型为保证使用寿命，制造金属型的材料具备如下的性能：高的耐热性和导热性，反复受热不变形，不破坏；一定的强度、韧性及耐磨性；好的切削加工性能。金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。（二）金属型铸造的工艺特点1. 金属型预热 金属型预热温度主要通过试验来确定，一般不低于150。2. 刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料（厚度为0.3mm0.4mm），以保护型壁表面，免受金属液的直接冲蚀和热击。,第三节 特种铸造一、金属型铸造,3.浇注 由于金属型的导热能力强，因此浇注温度应比砂型铸造高2030。铝合金为680740，铸铁为13001370，锡青铜为11001150，对薄壁小件取上限，对厚壁大件取下限。4.开型时间 对于金属型铸造，要根据不同的铸件选用合适的开型时间，具体数值需通过试验来确定。 （三）金属型铸造的特点和应用范围1）金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高。2）铸件的精度和表面质量较高3）浇冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可节约15%30%。4）不用砂或少用砂。金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性，铸件冷却速度大，容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。,压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。常用压射压力为51500MPa，充填速度约55m/s，充填时间很短，约0.010.2s。 压铸过程主要由压铸机来实现。压铸机工作原理见图。,压铸机工作原理,二、压力铸造,（二）压铸的特点和应用1. 压铸优点：1）铸件的尺寸精度最高，表面粗糙度Ra值最小。2）铸件强度和表面硬度都较高。3）生产效率很高，生产过程易于机械化和自动化。2. 压铸缺点：1）压铸时，高速液流会包住大量空气，凝固后在铸件表皮下形成许多气孔，故压铸件不宜进行较多余量的切削加工，以免气孔外露。2）压铸黑色金属时，压铸型寿命很低，困难较大。3）设备投资大，生产准备周期长。 三、离心铸造 详见P196,熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。 (一)熔模铸造的工艺过程熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和浇注等，其流程图及铸造过程示意图如下：,四、熔模铸造,熔模铸造过程示意图,（二）熔模铸造的主要特点及适用范围1）铸件的精度和表面质量较高，尺寸公差等级可达IT14-IT11，表面粗糙度Ra值可达12.5m-1.6 m。2）适用于各种合金铸件。3）可制造形状较复杂的铸件，铸出孔的最小直径为0.5mm，最小壁厚可达0.3mm。4）工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费用较高，多用于小型零件（从几十克到几千克），一般不超过25kg。 各种方法的比较见P198 表7-3 第四节 铸造工艺新技术（自修）,