第6章金属的液态成型

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1、第6章 金属的液态成型,金属的液态成型是指熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成型方法。金属的液体成型也称为铸造。 金属液态成型具有下列优点： (1)能制造各种尺寸和形状复杂的铸件，尤其是内腔复杂的铸件。 (2)铸件的形状和尺寸与零件很接近，因而节省了金属材料和加工工时。 (3)绝大多数金属均能用液态成型方法制成铸件。 (4) 液态成型生产适用于各种生产类型。 (5) 液态成型所用的原材料来源广泛，价格低廉，并可回收使用，还可利用金属废料和废机件。,6.1 合金的液态成型工艺理论基础,6.1.1 合金的充型能力 6.1.2合金的收缩性能 6.1.3 合金的偏

2、析和吸气性,6.1.1 合金的充型能力,1.合金的充型能力概念 液态合金充满铸型型腔，并获得形状完整、轮廓清晰、尺寸准确的铸件的能力，称为合金的充型能力。 2.影响合金充型能力的因素 合金的流动性 浇注温度 铸型特点,6.1.2合金的收缩性能,1.合金收缩的概念 高温合金液从浇入铸型到冷凝至室温的整个过程中，其体积和尺寸减小的现象，称为收缩。 整个收缩过程，可划分为三个互相联系的阶段。 液态收缩 是指合金液从浇注温度冷却到凝固开始温度(液相线温度) 之间的体积收缩。这个阶段合金处于液态的收缩，它使型腔内液面降低。 凝固收缩 合金从凝固开始温度冷却到凝固终止温度(固相线温度)之间的体积收缩，仍表

3、现为型腔内液面降低。 固态收缩 是指合金从凝固终止温度冷却到室温之间的体积收缩。,2. 影响合金收缩的因素 化学成分 浇注温度 铸件结构与铸型条件,3.缩孔、缩松、内应力的形成和控制 (1)缩孔、缩松的形成及控制 合金液在铸型内冷凝过程中，若其体积收缩得不到补充时，将在铸件最后凝固的部位形成孔洞，这种孔洞称为缩孔。缩孔分为集中缩孔和分散缩孔两类。通常所说的缩孔，主要是指集中缩孔，分散缩孔一般称为缩松。,缩孔形成过程,缩松形成过程 缩孔与缩松的控制 任何形态的缩孔都会使铸件力学性能显著下降，缩松还能影响铸件的致密性和物理、化学性能。因此，缩孔和缩松是铸件的重大缺陷，必须根据铸件技术要求，采取适当

4、工艺措施，予以控制。 缩松分布面广，难以发现，难以消除。集中缩孔易于检查与修补，并可采取工艺措施加以防止。因此，生产中应尽量避免产生缩松或尽量使缩松转化为缩孔。防止缩孔与缩松的主要措施是： 合理选择铸造合金 合理选用凝固原则,显微缩松,顺序凝固原则,阀体铸造方案,同时凝固原则,(2)铸造内应力、变形和裂纹的形成和控制 铸件在凝固后继续冷却时，若在固态收缩阶段受到阻碍,则将产生应力，此应力称为 铸造内应力。它是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。 铸造内应力形成过程 铸造内应力按其产生原因，可分为热应力和机械应力两种。 热应力 铸件在凝固和冷却过程中，由于不同部位不均衡的收缩而引起的应力称为热应

5、力。 机械应力 铸件在固态收缩时因受到机械阻碍而形成的应力，称为机械应力，也称收缩应力。 铸件的变形与裂纹 当铸件中存有内应力时，会使其处于不稳定状态。 铸件变形、裂纹的控制 所有减少铸造内应力的措施都有肋于控制铸件的变形和裂纹。,6.1.3 合金的偏析和吸气性,1.偏析 在铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析使铸件性能不均匀，严重时会造成废品。偏析分为晶内偏析和区域偏析两类。 晶内偏析(又称枝晶偏析)是指晶粒内各部分化学成分不均匀的现象。采用扩散退火可消除晶内偏析。 区域偏析是指铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为防止区域偏析，在浇注时应充分搅拌或加速合金液冷却。 2.吸气性 合金

6、在熔炼和浇注时吸收气体的性能称为合金的吸气性。,平板变形,结构对变形的影响,热应力的形成过程,6.2 常用液态成型合金及其熔铸,6.2.1常用铸铁件及其熔铸工艺 6.2.2.铸钢件 6.2.3 有色合金铸件生产,6.2.1常用铸铁件及其熔铸工艺,1.灰口铸铁 灰口铸铁的育孕处理 孕育处理就是在浇注前往铁水中加入孕育剂，以产生大量人工晶核，细化珠光体基体。 灰口铸铁的铸造性能 灰口铸铁有良好的铸造性能，主要表现在流动性好和收缩性小两个方面。 灰口铸铁的铸造工艺特点,2. 球墨铸铁(简称球铁) 球墨铸铁球化、孕育处理 球铁是用灰口铸铁成份的铁水经球化、孕育处理后制成的。为保证球铁质量,生产中应注意

7、下列几点: 球墨铸铁的化学成分选择 原铁水成分与灰口铸铁原则上相同，但要求严格。 球化剂和孕育剂 球墨铸铁的铸造性能和工艺特点 3.可锻铸铁 可锻铸铁件的生产过程是，首先获得白口铸铁件，然后经高温石墨化退火。,a） 堤坝式包底冲入法 b) 型内球化法,6.2.2.铸钢件,1.铸钢件的熔炼 2. 铸钢的铸造性能和工艺特点,6.2.3 有色合金铸件生产,1.铸造铝合金 铝合金铸造性能和工艺特点 铝合金的精炼和变质处理 2.铸造铜合金 铜合金铸造性能和工艺特点 铜合金铸造熔炼特点,6.3砂型铸造方法,6.3.1各种造型方法的特点和应用,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。

8、1. 手工造型方法的特点和应用 目前手工造型方法在铸造生产中应用很广。手工造型时最主要的紧砂和起模两工序是用手工进行的。手工造型具有操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短、成本低等优点。但铸件质量较差、生产率低、劳动强度大、要求工人技术水平较高。因此主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件生产。,2. 机器造型的特点和应用,震压式造型机的工作过程,6.3.2铸造工艺设计,1.铸造工艺方案的确定 (1) 浇注位置的选择 铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或位于侧面。 铸件的宽大平面应朝下。 易形成缩孔的铸件应将截面较厚的部分放在分型面附近的上部或侧面。 应能减少型芯的数量， 便

9、于型芯的固定、排气和检验。,床身的浇注位置,吊车卷筒的浇注位置,平板的浇注位置,箱盖的浇注位置,缸头,减少型芯的数量来确定浇注位置,(2) 铸型分型面的选择 两半个铸型相互接触的表面，称为分型面。它对于铸件质量、制模、制芯、合箱和切削加工等工艺的复杂程度有很大影响。选择时应在保证铸件质量的前提下，考虑下列原则: 应使铸件的全部或大部处于同一砂箱内。 应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。 应尽量减少分型面的数量，最好只有一个分型面。 应尽量减少型芯和活块的数量，以简化制模、造型、合箱等工序。 为便于造型、下芯、合箱及检验型腔尺寸，应尽量使型腔和主要型芯处于下箱。 为保证从铸型中取出模样，

10、而不损坏铸型，分型面应选在铸件的最大截面处。 应尽量选用平直面作分型面，少用曲面，以简化模具制造和造型工艺。,支架的浇注位置,铸件的分型面,螺栓塞头的分型面,轮毂的分型面,绳轮铸件,机床支柱,起重臂的分型面,(3)工艺参数的确定 机械加工余量 收缩率 拔模斜度(起模斜度) 芯头 浇注系统 冒口,拨模斜度图,芯头的构造,浇注系统,3. 铸造工艺图示例 (1)选择分型面 (2)确定浇注位置 (3)确定工艺参数 加工余量 拔模斜度 线收缩率 型芯头,支承台零件图,支承台铸造工艺图,支承台毛坯图,6.4 合金液态成型件的结构工艺设计,6.4.1 砂型铸造工艺对铸件结构的要求 1. 铸件外形应力求简单

11、2.减少与简化分型面 3.避免不必要的型芯和活块 4.有利于型芯的定位、固定、排气和清理 5.应有结构斜度,托架外形设计,减少分型面数量,两种结构设计,内腔设计,轴承支架铸件,增设工艺孔,结构斜度,6.4.2合金铸造性能对铸件结构的要求,铸件壁的设计 (1) 铸件壁厚应适当 铸件壁厚 合理截面形状设计结构时，应根据载荷性质和大小，合理选择截面形状(如空心、工字形、丁字形、槽形和箱形)，并在脆弱处增设加强筋。 铸件外壁、内壁和筋的临界厚度,铸件壁厚的设计,铸件转角的设计,(2) 铸件壁的连接应合理 铸件内圆角的大小应与其壁厚相适应，过大会造成金属局部积聚，增加形成缩孔的倾向。一般圆角处内接圆直径

12、，不超过相邻壁厚的15倍。 筋或壁的连接应避免交叉和锐角，主要目的是为了减少热节，防止产生缩孔、缩松等缺陷。 厚壁与薄壁间的连接要逐步过渡。,几种不同铸件壁厚的过渡形式及尺寸,(3)铸件应尽量避免有过大的水平面,防止大平面的设计,(4)铸件结构应有利于自由收缩,轮辐的设计,(5)应防止铸体翘曲变形,平板设计,（6）合理选择铸件的凝固原则,铸件的凝固原则,3.组合铸件,铸钢组合铸件,浇合铸件的结构,6.5 特种铸造及铸造新工艺技术简介,6.5.1 熔模铸造 1.熔模铸造的工艺过程 母模 压型 蜡模 结壳 脱蜡 造型和焙烧 浇注,熔模铸造工艺过程,2. 熔模铸造的特点及应用范围 能铸造各种合金铸件

13、，尤其适于铸造高熔点、难切削加工和用别的加工方法难以成形的合金，如耐热合金、磁钢等。 可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁(020.7 mm)，且无分型面的铸件。 生产批量不受限制，可实现机械化流水生产。 工艺过程复杂，生产周期较长(415天),生产成本较高。 因蜡模容易变形，型壳强度不高等原因，铸件的重量一般限制在25 kg以内。,6.5.2 金属型铸造,金属液靠重力浇入用金属制成的铸型中，以获得铸件的方法，称为金属型铸造。金属型可重复使用，故又称永久型铸造。 1. 金属型的构造,垂直分型式金属型,2. 金属型铸造的工艺特点 金属型导热比砂型快，没有退让性，所以铸件易产生冷隔、浇不足、裂纹等缺陷，

14、灰铸铁件常产生白口组织。此外，在高温金属液的冲刷下，易损坏铸型，影响了金属型的寿命和铸件的表面质量，造成取出铸件困难。为减少和避免这些缺点，生产时需采用下列工艺措施： 金属型应保持合理的工作温度。 为保护型腔和减缓铸型的传热速度，型腔表面和浇冒口中要涂以厚度为0.21.0 mm的耐火涂料，以使金属液和铸型隔开。 因金属型无退让性，故应掌握好适宜的开型时间。 为防止铸铁件产生白口组织，其壁厚一般应大于15 mm，并控制铁水中碳、硅的质量分数不小于6。,3.金属型铸造的特点和应用范围 与砂型铸造相比，金属型铸造有以下特点： 实现了“一型多铸”，节约了大量造型材料、工时和占地面积，提高了生产率，改善

15、了劳动条件。 金属型冷却快，铸件结晶组织细密，力学性能和致密度高。 铸件的公差等级可达IT14ITl2，表面粗糙度Ra值为12.56.3 m，加工余量为0.81.6 mm。 金属型制造成本高、周期长，不适于小批量生产，不宜铸造形状复杂、大型薄壁件，铸铁件易产生白口组织。此外，必须采用机械化、自动化装置进行生产，才能改善劳动条件。 金属型铸造主要适于大批量生产形状简单的有色合金铸件和灰铸铁件。,6.5.3 压力铸造,在高压下，将液态或半液态金属高速压入金属铸型，并在高压下凝固成形的铸造方法，称为压力铸造（亦称挤压铸造，简称压铸）。 1.压铸工艺过程 2.压铸的特点和应用范围 由于液态金属的充填、

16、成形和凝固都是在压力作用下完成的。因此，该工艺具有如下优点： 生产率比其他铸造方法都高，并易于实现半自动化，自动化。 可铸出结构复杂、轮廓清晰的薄壁、深腔、精密铸件，可直接铸出各种孔眼、螺纹、齿形、花纹和图案等，也可压铸镶嵌件。 可获得公差等级为IT13IT11、表面粗糙度Ra值为3208m的铸件，可实现少、无切削加工。 铸件强度和表面硬度高，组织细密，其抗拉强度比砂型铸件提高约2540。 压铸设备和压铸型费用高，压铸型制造周期长，只适于大批量生产。 因金属液充型速度高，又在压力下成形，所以铸件内常有小气孔，并常存在于表皮下面。,3.压力铸造工艺的发展趋势 用压力铸造法将液态金属压渗到陶瓷纤维增强材料中，制成局部增强金属基复合材料，将成为廉价，便捷的批量生产先进金属基复合材料的良好方法。 扩大应用，提高质量