第6章 金屬液態(tài)成形技術

第6章

鑄造教學要求：

本章是材料成型的重要工藝，要求掌握：

1.

各種鑄造方法的成形原理；

2.

鑄件的工藝設計及結構設計；

3.

常用鑄造合金的工藝特點及應用教學時數：5

6.1金屬液態(tài)成型原理

6.1.1概述

1.鑄造

鑄造是把熔融金屬澆鑄到與鑄件形狀尺寸相適應的鑄型內，凝固后獲得鑄件的成形方法。

2.鑄造的分類砂型鑄造金屬型鑄造壓力鑄造離心鑄造熔模鑄造特種鑄造適于生產復雜外形，特別是復雜內腔的毛坯；鑄件大小幾乎不受限制；成本低，原材料來源廣泛，價格低廉,一般不需要昂貴的設備；對材料的適應性廣，是脆性材料制造其毛坯或零件的唯一成型工藝。液態(tài)成形優(yōu)點3、特點：鑄造生產優(yōu)缺點工藝過程比較復雜，一些工藝過程還難以控制；鑄件內部組織的均勻性、致密性一般較差；鑄件易出現缺陷，產品質量不夠穩(wěn)定；鑄件力學性能比同類材料的鍛件低。液態(tài)成形缺點3、特點：鑄造生產的優(yōu)缺點4.應用

形狀復雜、尤其是箱殼體零件，性能要求相對較低的零件。6.2.1砂型鑄造原理(P147)

6.2.1砂型鑄造典型工藝過程

模樣和芯盒的制作型砂和芯砂的配制造型制芯分模、合箱熔煉金屬，澆注落砂、清理及檢驗6.2.1

、模樣和芯盒的制作模樣是鑄造生產中必要的工藝裝備，對于具有內腔的鑄件，鑄造時內腔由砂芯形成，砂芯由芯盒來制備

a.

制造模樣和芯盒的材料：木材、塑料或金屬。

b.

制造模樣和芯盒的過程：設計鑄造工藝圖制造模樣和芯盒

c.

設計鑄造工藝圖應考慮：（1）分型面的選擇：取模方便，保證鑄件質量（2）拔模斜度：便于取模方便，凡垂直分型面的表面，都做出

0.5~4°的拔模斜度（3）加工余量：鑄件需要加工的表面，應考慮加工余量（4）收縮量：鑄件冷卻時會收縮，模樣的尺寸應考慮收縮量的影響（5）鑄造圓角：鑄件各表面的轉折處，都要做成過渡性的圓角，以利于造型和保證鑄件的質量（6）芯頭：有砂芯的砂型，必須在模樣上做出相應的芯頭鑄造工藝圖(用簡明的工藝符號，把鑄造工藝方案，工藝參數及各有關技術要求直接描繪到產品零件圖)參照P1636.2.1

模樣和芯盒的制作模樣的形狀與零件圖不完全相同6.2.1

、型砂的制備型砂的組成：原砂、粘土和水有時還加入少量的煤粉、植物油和木屑。6.2.1

、造型（1）造型分為手工造型和機器造型（2）手工造型一般可分為整模兩箱整模造型，兩箱分模造型，三箱造型，挖砂造型以及活塊造型。（3）造型的過程：造砂型扎通氣孔開箱起模與合型澆注后落砂鑄型裝配圖1.兩箱整模造型(P148)型腔在同一砂箱中，不會產生錯型缺陷，操作簡單；適宜于一端為最大截面且為平面的鑄件。聯軸節(jié)鑄件的兩箱整模造型過程2.兩箱分模造型模樣在最大截面處分開，型腔位于上、下型中，操作較簡單；適宜于最大截面在中部的鑄件。套管鑄件的分模兩箱造型過程

3.三箱造型模樣必須分開，便于從中型內起出模樣，中型上、下兩面都是分型面，且中箱的高度應與中型的模樣高度相近。適宜于兩端截面尺寸大于中間界面的鑄件。4

、挖砂造型當鑄件的最大截面不在端部，且模樣又不便于分成兩半時，常采用挖砂造型。5、活塊造型當鑄件的側面有局部凸起阻礙起模時，可將凸起部分做成能與模樣本體分開的活動塊，為活塊造型。6.2.1

、合型、合箱合型：將已制好的砂型和芯砂按照圖樣工藝要求裝配成鑄型的工藝過程：

①下芯

②

合型

③鑄型的緊固6.2.1

、熔煉金屬及澆注(P138)鋼的熔煉：轉爐、平爐、電弧爐、感應電爐等鑄鐵的熔煉：多采用沖天爐有色金屬的熔煉：坩堝爐沖天爐轉爐中頻感應坩堝爐鑄件的凝固方式4、合金的凝固特性

（1）逐層凝固（液固線界面平直，如共晶合金）

（2）糊狀凝固（液固界面不平直，樹枝晶長大）

（3）中間凝固6.1.2液態(tài)金屬的充型

1.液態(tài)金屬的充型能力

2、影響充型能力的因素（1）金屬的流動性

是指金屬液的流動能力或流動距離的長短。圖6.2.螺旋形試樣液態(tài)金屬的充型能力是指金屬液充滿鑄型型腔，獲得形狀完整、輪廓清晰鑄件的能力。

1）流動性的意義

2）影響流動性的因素（a）

金屬本性

金屬的熔點越高，流動性越好金屬的結晶溫差越小，流動性越好流動性不好，鑄件易產生澆不足,冷隔,氣孔,縮孔,縮松,夾雜.等缺陷●結晶溫差----結晶開始溫度與結晶結束溫度之差（b）澆注條件（c)鑄型條件澆注溫度：越高，流動性越好，充型能力越好，但收縮大，吸氣多；澆注壓力：越大，流動性越好造型材料：導熱性越好，充型能力越差型腔形狀：越復雜，阻力越大，充型能力越差壁厚度：越薄，散熱越快，充型能力越差設計鑄件必須注意最小允許壁厚（p164)4.提高充型能力的措施：

①選擇結晶溫區(qū)小，熔點低的合金（純金屬或共晶合金）。

②

提高澆注壓力，適當提高澆注溫度。

③改進鑄件結構設計，力求型腔形狀簡單、平直、壁厚適中。6.1.3合金的收縮

1、收縮及其影響因素

2、收縮過程及其鑄件缺陷

液態(tài)收縮—凝固收縮—固態(tài)收縮

金屬液體積減小,型腔內液面下降

縮孔、縮松內應力、變形裂紋合金從液態(tài)冷卻到室溫體積減小的現象?；瘜W成分：鑄鋼＞鑄鐵＞有色金屬；澆注溫度：澆注溫度越高，液態(tài)收縮越大鑄件結構和鑄型條件：鑄件壁厚要均勻（1）縮孔(大而集中的孔洞)形成原因:鑄件在凝固過程中，因合金的液態(tài)和凝固收縮，在鑄件最后凝固處形成的容積大而集中的孔洞。

縮孔的形成過程示意圖

b)c)圖6.4縮松的形成過程示意圖（2）縮松（細小而分散的孔洞）（3）防止縮孔和縮松措施：

1）

合理選擇合金生產中盡可能選擇共晶成分的合金或結晶溫度范圍窄的合金2）

控制凝固順序設計鑄件注意壁厚變化，實現厚實部分補縮薄壁部分，保證逐層凝固，使得補縮通道暢通。

3）

合理確定內澆道位置及澆注工藝內澆道應從鑄件厚實處引入，盡可能靠近冒口或由冒口引入

4）

設冒口進行補縮冒口的作用：補縮、浮渣（集渣）、排氣冒口鑄件型腔6.1.5鑄造應力鑄造應力分為熱應力和收縮應力（1）熱應力

鑄件各部位冷卻溫度不同時，以致出現不均勻的收縮所產生的應力

鑄件的壁薄部分（或外層）冷卻快殘留壓應力（-）鑄件的壁厚部分（或內層）冷卻慢殘留拉應力（+）鑄件固態(tài)收縮受阻產生的內應力（2）收縮應力

鑄件收縮受鑄型和型芯澆冒口等阻礙而產生的應力（收縮應力常表現為拉應力，且為臨時應力）

機械應力示意圖L收縮應力L收縮應力(3)鑄造應力對鑄件質量的影響

1）變形

結論：厚處散熱慢，受拉應力呈凹變形。薄處散熱快，受壓應力呈凸變形?？蛐舞T件的變形圖T形梁鑄鋼件的變形a)b)(3)鑄造應力對鑄件質量的影響(3)鑄造應力對鑄件質量的影響

2）開裂當鑄造應力超過金屬的抗拉強度時，鑄件便產生裂紋。

熱裂紋：凝固末期的高溫下形成的裂紋，特點是裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內呈氧化色。冷裂紋：在低溫下形成的裂紋，特點是裂紋細小、呈連續(xù)支線狀，縫內呈金屬光澤。（4）消除和減輕應力的措施

1）

力求同時凝固

工藝要點：熱節(jié)放冷鐵，澆口開在薄處缺點：鑄件中心區(qū)易疏松應用要點：

用于收縮小的灰鑄鐵,結晶溫度范圍大的、不易實現冒口補縮的合金。2）改善鑄件結構--力求對稱，壁厚均勻，避免熱節(jié)（鑄造圓角），合理利用冒口和冷鐵

3）及時落砂，清理

4）去應力退火--清理后550—600℃加熱保溫3—6小時。

金屬液態(tài)成形件（即鑄件）的工藝設計是根據鑄件結構特點、技術要求、生產批量、生產條件等，確定鑄造方案和工藝參數，并繪制鑄造工藝圖。其主要內容包括：選擇分型面和澆注位置、澆冒口設計、砂芯設計、確定加工余量、收縮率和拔模斜度等。6.3金屬鑄件的工藝設計(P158)鑄件工藝設計總原則：保證鑄件的質量1.上厚下薄原則

a.薄壁部分應在底面或下部---提高壓力避免澆不足。

b.厚大部分應放在頂部——便于收縮，以免縮孔。

圖6.21機床床身的澆注位置圖6.22吊車卷筒的澆注位置

a)不合理b)合理澆注位置選擇原則2.

重要表面向下原則（2）鑄件重要加工面放在型腔底面或側面上面：浮渣、氣孔、縮孔。下面：冷卻快，凝固快，晶粒細，組織致密。圖6.21機床床身的澆注位置圖6.22吊車卷筒的澆注位置

a)不合理b)合理2.

重要表面向下原則

（1）鑄件的大平面應朝下

——避免夾渣，夾砂，氣孔等缺陷。圖6.23大平面的澆注位置

a)拱起開裂b)夾砂結疤上面：燒烤嚴重，易產生浮渣、氣孔、縮孔。下面：冷卻快，凝固快，晶粒細，組織致密。a)b)

圖6.24箱蓋的澆注位置a)不合理

b)合理3.

鑄件的薄壁部分應置于鑄型的下部或垂直、傾斜位置

——避免薄壁部分置于鑄型上部，產生澆不足、冷隔等缺陷。6.3.2.分型面的選擇

分型面：上、下或左、右砂箱間的接觸表面。圖6.21機床床身的澆注位置圖6.22吊車卷筒的澆注位置a)不合理b)合理（1）分型面最少；（2）型芯最少；（3）活塊最少；（4）盡量使鑄件放在一個砂箱內；（5）盡量把主要型芯放在下半型；（6）盡量選平直分型面。分型面一般應取在鑄件的最大截面上，否則難以取出模樣。簡單地說，確定分型面應盡量做到：6.3.2.分型面的選擇總則：在保證鑄件質量前提下，便于造型操作。三個最少三個盡量確定分型面的原則

（1）力求減少分型面，尤其是力求整模造型確定分型面的原則（2）盡量減少型芯、活塊的數量支架的分型方案

確定分型面的原則

（3）

盡可能將鑄件放在一個砂箱內，或將重要加工面和加工的基準面放在同一砂箱中，以保證鑄件的尺寸精度；管子塞頭分型方案合理不合理起重壁的分型方案確定分型面的原則

4.盡量選平直分型面（便于造型操作和降低模樣制作成本）6.3.3確定工藝參數

1.鑄造收縮率

零件尺寸＜鑄件尺寸＜模樣尺寸——收縮

線收縮率=×100%。

影響因素:

a:鑄件大小：鑄件壁厚越大——收縮越大

b:材料收縮：鑄鋼＞有色金屬＞灰鑄鐵

2.加工余量機械加工面都要留有加工余量。

a.加工面越大，加工質量越高，加工余量要越大；缺陷多的面（鑄型朝上面）加工余量要更大。

b.材料不同，加工余量不同：

鑄鋼＞有色金屬＞灰鑄鐵

c.孔徑：3.拔模斜度（為了起模方便，平行為起模方向在模樣或芯盒壁上設置拔模斜度）

木模為1—3°;

塑料和金屬模為0.5—1°。4.鑄造圓角（防止在交角處產生縮孔、裂紋以及防止形成粘砂、澆不足等缺陷）5.型芯設計（芯頭設計應有利于型芯的定位、穩(wěn)固、排氣和從鑄件中的清理。）型芯的數量：盡量少用型芯的形狀：盡量簡單、方便造芯芯頭的結構：應有利于型芯的定位、穩(wěn)固、排氣和從鑄件中的清理。

6.澆注系統的設計（中注式最多）7.鑄造工藝圖規(guī)范畫法將上面確定的各項內容，用規(guī)定的顏色和符號描繪在零件的主要投影圖上，得到鑄造工藝圖一般分型線、加工余量、澆注系統用紅線來表示不鑄出的孔、槽用紅線打叉表示芯頭邊界用藍色線表示芯用藍色“×”標注實例見圖6.336.1.6基于合金鑄造性能的鑄件結構設計(P153)總要求：避免鑄造缺陷

縮孔縮松鑄造缺陷變形開裂夾渣氣孔等6.1.6、基于合金鑄造性能對鑄件結構的要求(P153)

總要求：避免鑄造缺陷

六項避免

1.太薄-----澆不足、冷隔（ P153)

2.太厚---晶粒粗大、縮孔縮松(P154)

3.大面積水平面----不易充滿(P155)避免

4.尖角和十字交叉---產生熱節(jié)和應力集中(P154)

5.阻礙收縮-----出現裂紋

6.突然過渡-----出現應力集中(P154)

三項注意

內壁厚＜外壁厚

a.符合順序凝固設計

倒錐狀壁厚注意b.應用加強筋結構(p154)c.應用對稱結構——減少變形.6.4特種鑄造(P152)特種鑄造金屬型鑄造熔模鑄造實型鑄造連續(xù)鑄造離心鑄造低壓鑄造壓力鑄造七種常見的特種鑄造方法1、金屬型鑄造

金屬型的結構金屬型鑄造的優(yōu)缺點優(yōu)點：金屬型可實現“一型多鑄”，提高生產效率，改善勞動條件鑄件的尺寸精度和表面質量比砂鑄顯著提高，加工余量小冷卻速度快，組織細密，鑄件力學性能高缺點：金屬型不透氣且無退讓性，鑄件易產生澆不足、裂紋和氣孔金屬型冷卻速度快，不宜制大型，形狀復雜和薄壁零件金屬型耐高溫能力有限，一般鑄造有色金屬

金屬型的結構

2.壓力鑄造

在高速高壓（比壓為5—150MPa)下將熔融金屬液壓入金屬型并在壓力下凝固獲得鑄件的方法。

冷壓室臥式壓鑄機壓鑄工藝過程示意圖壓力鑄造的優(yōu)缺點優(yōu)點：鑄件尺寸精度高，表面粗糙度低可鑄造薄壁精密件生產效率高，鑄件力學性能好缺點：壓射速度高，不易排氣，壓鑄件不易進行熱處理鑄件凝固快，不易補縮，易產生缺陷壓鑄設備投資大，只適用大批量生產

3.低壓鑄造

在較低壓力（0.02—0.06Mpa)…

低壓鑄造工作原理圖低壓鑄造火車車輪示意圖常見的壓鑄件4、熔模鑄造InvestmentCasting

開式葉輪精密鑄件

熔模鑄造的優(yōu)缺點優(yōu)點：無分型面，鑄件尺寸精度高，表面質量好可鑄造形狀復雜的零件能鑄造各種合金，特別是高熔點難加工的合金缺點：工序復雜，生產周期長，鑄件成本高鑄件的質量受限制，只能生產中小型零件鑄件冷卻速度慢，鑄件晶粒粗大5、離心鑄造

離心鑄造工作原理圖金屬液的自由表面在離心力作用下呈拋物面，主要生產高度小于直徑的盤、環(huán)類鑄件。鑄鐵管的離心鑄造6、實型鑄造（氣化模造型或消失模鑄造）采用聚苯乙烯發(fā)泡材料制得的模型代替木模造型，不用起模直接將金屬液澆注到氣化模上，使其燃燒、氣化并形成空腔來容納金屬液，從而獲得鑄件的方法。實型鑄造的優(yōu)缺點優(yōu)點：無分型面，鑄件尺寸精度高，表面質量好增大鑄件結構設計的自由度與熔模鑄造比，簡化工序，實現清潔生產六、常用鑄造方法的比較

6.5

常用合金鑄件的生產

6.5.1灰鑄鐵件的生產

1.考慮壁厚敏感性牌號的強度測定澆注成30mm

——拉伸例：HT200壁厚

2.5—10mmб>220MP10—20б≥220MP20—30б≥170MP30—50б≥160MP

根據性能要求及壁厚度選用牌號例如：鑄件壁厚25mm要求б>220MP選用HT250

2、孕育處理及工藝要求

①鐵水CE較低，C,2.8－3.2%,Si1.0～2.0%,控制石墨量

②孕育劑75%硅鐵（錳鐵）3－10mm塊0.2－0.5%鐵水量③澆注溫度高：1400—1420℃，保證流動性

④澆注時間短：處理后15—20mm，避免孕育衰退6.5.2.可鍛鑄鐵件的生產

組織：團絮狀石墨

+鋼的基體（F基/P基)1.先鑄造白口坯件：

①

成分：低碳2.4—2.8%C,

低硅﹤1.4%Si

亞共晶成分，避免結晶石墨化

②

組織：

Ld+P+Fe3CⅡ

③

鑄造工藝要點：

問題流動性差（亞共晶成分）沒有石墨補縮

-----縮孔、縮松、裂紋

措施：暗冒口補縮，加冷鐵——順序凝固2.

石墨化退火

3.

應用：

KT

特別適用于薄壁零件

——不怕出現白口組織壁厚可薄到5—6mm。如汽車后橋殼體1400mm長，12—15mm壁厚白口鐵可鍛鑄鐵的石墨化退火工藝可鍛鑄鐵的用途用于制造形狀復雜且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等?？慑戣T鐵管件黑心可鍛鑄鐵件6.5.3球鐵件的生產

1.組織與性能：

性能：球狀石墨割裂基體作用小，強度高，塑韌性大大改善，多沖抗力高。

珠光體QT,強度高，

QT600－3,QT700－2,QT800－2

鐵素體QT,韌性高，

QT400－18,QT400－15,QT450－10

2.生產過程：①

控制成分（成分特點）

高碳

3.6–4.0%C

高硅

2.0－3.0%Si

接近共晶成分保證流動性，

低硫

﹤0.06%

硫—

反球化元素，避免球化不良

（4.6－4.7%CE）②

球化處理球化劑：