机械制造基础-铸造成形

第2章铸造成形2.1液态成形理论基础2.2砂型铸造方法2.3特种铸造方法2.4铸造工艺设计2.5铸件结构工艺性2.6铸造成形新发展返回铸造：将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。铸造是生产机器零件毛坯的主要方法之一，其实质是液态金属逐步冷却凝固成形。铸造的优点：1）可以铸出内腔、外形很复杂的毛坯；2）工艺灵活性大。几乎各种合金，各种尺寸、形状、重量和数量的铸件都能生产；3）成本较低。原材料来源广泛，价格低廉。铸造的缺点：2）铸件的机械性能较低。3）铸造工序多，难以精确控制，使铸件质量不够稳定。4）劳动条件较差,劳动强度较大。1）铸造组织疏松、晶粒粗大，内部易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷。机床、内燃机、重型机器机械类别风机、压缩机拖拉机农业机械汽车%70~9060~8050~7040~7020~30表2-1各类机械工业中铸件重量比铸造在机械制造业中应用十分广泛，在各种类型的机器设备中铸件占很大比重。如表2-1所示。第1节液态成形理论基础2.1.1金属的凝固2.1.2金属与合金的铸造性能2.1.3铸造性能对铸件质量的影响2.1.1金属的凝固1.液态金属的结构与性质1）液态金属的结构：固态金属经加热变为熔融状态即得液态金属，是由呈有序排列的游动原子集团组成，其结构与原有固体结构相似，但热运动剧烈，温度越高，热运动越剧烈，原子集团越小，游动越快。2）液态金属的性质：具有粘度和表面张力。2.液态金属的凝固液态金属由液态转变为固态的过程，包括形核和长大两个过程。得到的凝固组织（铸态晶粒形态、大小、分布、缺陷等）取决于成分、冷却速度、形核条件等。3.铸件的凝固方式在铸件凝固过程中，铸件断面上存在三个区域，即固相区、凝固区和液相区。其中凝固区对铸件质量有较大影响。铸件的凝固方式也可根据凝固区的宽窄来划分，如图2-1。a)逐层凝固b)中间凝固c)糊状凝固图2-1铸件的凝固方式1）逐层凝固：纯金属或共晶成分的合金的凝固，如图2-1a；2）糊状凝固：结晶温度范围很宽的合金的凝固，如图2-1c；3）中间凝固：介于逐层凝固和糊状凝固之间，大多数合金为此凝固方式，如图2-1b所示。铸件质量与凝固方式有关，逐层凝固时，合金充型能力强（流动性好），便于防止缩孔、缩松。而糊状凝固时，充型能力差，易产生缩松。4.影响铸件凝固方式的因素1）合金的结晶温度范围:结晶温度范围越小，凝固区域越窄，越倾向于逐层凝固。低碳钢，近共晶成分铸铁倾向于逐层凝固，高碳钢、远共晶成分铸铁倾向于糊状凝固。2）铸件的温度梯度：在合金的结晶温度范围已定时，若铸件的温度梯度由小变大，则凝固区由宽变窄，倾向于逐层凝固。如图2-2所示。图2-2温度梯度对凝固区域的影响铸件温度梯度主要取决于：a)合金的性质。合金的凝固温度越低、热导率越高、结晶潜热越大，温度梯度越小，如多数铝合金。b)铸型的蓄热能力越强，激冷能力越强，温度梯度越大，如金属型铸造易得致密组织。c)浇注温度越高，温度梯度减小。2.1.2金属与合金的铸造性能铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力；用充型能力、收缩性等来衡量。2.1.2.1充型能力充型能力：熔融金属或合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。主要影响因素有：图2-3螺旋形标准试样1.金属或合金的流动性流动性是熔融金属的流动能力，合金的流动性用浇注流动性试样的方法来衡量，一般采用如图2-3所示的螺旋形试样。流动距离越长，表明流动性越好。决定合金流动性的主要因素有：1）合金的种类。2）合金的成分。同种合金，成分不同，其结晶特点不同，流动性也不同。如图2-4所示铅锡合金的流动性与相图的关系；纯金属和共晶合金在恒温下结晶，为逐层凝固方式，如图2-5a所示，凝固层表面光滑，阻力小，故流动性好，同时共晶合金熔点最低，故流动性最好。而亚共晶合金，为中间凝固方式，复杂枝晶阻碍流动，故流动性差，如图2-5b所示。图2-4铅锡合金的流动性与相图的关系3）杂质和含气量。固态夹杂物使粘度增加，流动性下降；如灰铁中的MnS；含气量越少，流动性越好。2.浇注条件1）浇注温度越高，保持液态的时间越长，流动性越好；温度越高，合金粘度越低，阻力越小，充型能力越强。故提高浇注温度能有效提高充型能力；但过高吸气量和总收缩大，易产生铸造缺陷。故在保证充型能力的前提下温度应尽量低。生产中薄壁件常采用较高温度，厚壁件采用较低浇注温度。2）充型压力。压力越大，充型能力越强。3.铸型条件1）铸型的蓄热能力越强，充型能力越差；2）铸型温度越高，充型能力越好；3）铸型中的气体阻碍充型；4）铸件结构，壁厚过小、壁厚变化剧烈、结构复杂、大平面都影响充型。2.1.2.2合金的收缩1、收缩。合金从液态冷却至常温的过程中，体积或尺寸缩小的现象。通常用体收缩率或线收缩率来表示：体收缩率%100%10010010ttVVVVV线收缩率%100%10010010ttlllll式中、——合金在、时的体积（）；、——合金在、时的长度（）；、——合金在至温度范围内的体收缩系数0V1V0t1t3m和线收缩系数（）0l1l0t0t1t1tmlVC01合金的收缩过程可分为三个阶段：如图2-6所示。1）液态收缩。指合金从浇注温度冷却到液相线温度过程中的收缩。2）凝固收缩。指合金在液相线和固相线之间凝固阶段的收缩。结晶温度范围越大，收缩率越大。液态和凝固收缩时金属液体积缩小，是形成缩孔和缩松的基本原因。3）固态收缩。指合金从固相线温度冷却到室温时的收缩。用线收缩率表示。它对铸件形状和尺寸精度影响很大，是铸造应力、变形和裂纹等缺陷产生的基本原因。图2-6铸造合金收缩过程示意图I—液态收缩II—凝固收缩III—固态收缩a)合金状态图b)一定温度范围合金c)共晶合金a)b)c)2.影响收缩的因素1）化学成分;2）浇注温度越高，过热度越大，收缩越大;3）铸件结构和铸型条件，铸件结构造成各部分冷却速度不同，产生内部应力阻碍收缩；铸型和型芯产生机械阻力。收缩是造成缩孔、缩松、应力、变形和裂纹的基本原因;充型能力不好，铸件易产生浇不到、冷隔、气孔、夹杂、缩孔、热裂等缺陷。2.1.3铸造性能对铸件质量的影响2.1.3.1缩孔和缩松凝固结束后在铸件某些部位出现的孔洞。大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称缩松。缩孔缩松可使铸件力学性能大大降低，以致成为废品。缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值大于固态收缩值，且得不到补偿。缩孔产生的部位在铸件最后凝固区域，此区域也称热节。（1）缩孔的形成形成条件，金属在恒温或很窄的温度范围内结晶，铸件壁以逐层凝固方式凝固。形成过程如图2-7所示：1.缩孔和缩松的形成图2-7缩孔形成过程示意图（2）缩松的形成其基本原因也是液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。但主要出现在糊状凝固的合金中，或断面较大的铸件壁中。形成过程如图2-8所示。一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。图2-8缩松形成过程示意图（3）缩孔缩松的形成规律1）合金的液态收缩和凝固收缩越大（如铸钢、白口铁等），铸件越易形成缩孔。2）合金的浇注温度越高，液态收缩越大，越易形成缩孔。3）结晶温度范围宽的合金，倾向于糊状凝固，易形成缩松。纯金属和共晶成分合金倾向于逐层凝固，易形成缩孔。2.缩孔和缩松的防止一定成分的合金，缩孔、缩松的数量可以相互转化，但其总容积基本一定，如图2-9所示。图2-9铁碳合金成分与体积收缩率的关系防止缩孔和缩松的基本原则是：采用合理的工艺条件，使缩松转化为缩孔，并使缩孔移至冒口中。（1）按照顺序凝固原则进行凝固是指采用各种工艺措施，使铸件上从远离冒口的部分到冒口之间建立一个逐渐递增的温度梯度，从而实现由远离冒口的部分向冒口的方向顺序地凝固，如图2-10所示，使缩孔转移到冒口中。（2）合理确定内浇道位置及浇注工艺内浇道的引入位置应按照顺序凝固原则确定；浇注温度和浇注速度应根据铸件结构、浇注系统类型确定，慢浇有利于顺序凝固，有利于补缩，消除缩孔。适用于收缩大或壁厚差别大，易产生缩孔的合金铸件，如铸钢、高强度灰铸铁、可锻铸铁等。图2-10顺序凝固原则示意图（3）合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施冒口，在铸件厚壁处和热节部位设置冒口，是防止缩孔、缩松最有效的措施。冷铁，用铸铁、钢、铜等材料制成的激冷物。加大冷却速度，调节凝固顺序。补贴，在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔型厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度，增大补缩距离。三者综合应用是消除缩孔缩松的有效措施，如图2-11所示。图2-11冒口冷铁的作用2.1.3.2铸造应力铸造应力:铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力。可分为热应力和收缩应力；热阻碍：铸件各部分由于冷却速度不同，收缩量不同而引起的阻碍,由其引起的应力称热应力。机械阻碍：铸型、型芯对铸件收缩的阻碍,由其引起的应力称机械应力（收缩应力）。1.热应力第一阶段，两者都塑性变形，无热应力；第二阶段，一塑性，一弹性，仍无热应力；第三阶段，两者均弹性变形，冷却慢的受拉，快的受压。残留热应力和合金的弹性模量、线收缩系数、铸件各部分壁厚差别及温度差成正比。图2-12热应力的形成由热阻碍引起，落砂后热应力仍存在于铸件内，是一种残留铸造应力，以框架铸件为例，说明残留热应力的形成过程，如图2-12所示，其热应力形成过程分三阶段。2.收缩应力由机械阻碍产生，一般都是拉应力，在形成应力的原因消除时，应力也随之消除。但如果临时拉应力和残留热应力同时作用在某瞬间超过铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。如图2-13所示。3.减小和消除铸造应力的措施1）合理设计铸件结构。尽量避免牵制收缩的结构，如壁厚均匀，壁之间连接均匀等。2）尽量选用线收缩率小、弹性模量小的合金。3）采用同时凝固的工艺。如图2-14所示，各部分温差小，不易产生热应力。主要用于收缩较小的普通灰铸铁、结晶范围大，不易实现冒口补缩，对气密性要求不高的锡青铜铸件等。4）设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口。5）对铸件进行时效处理。自然时效、热时效（去应力退火）和共振时效。2.1.3.3铸件的变形与裂纹1.铸件的变形残留铸造应力超过铸件材料的屈服极限时产生的翘曲变形。如图2-15所示的框架铸件，图2-16的T形梁，当刚度不够时，将产生如图所示的变形。再如图2-17所示的车床床身的变形。图2-15框架铸件的变形图2-16T形梁的变形防止铸造应力的方法也是防止变形的根本方法；同时在工艺上还可以采用反变形法，提早落砂去应力退火消除机械应力。2.铸件的裂纹：当铸造应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。可分为热裂和冷裂。1）热裂在凝固末期高温下形成的裂纹。裂纹表面被氧化而呈氧化色，裂纹沿晶粒边界产生和发展，外形曲折而不规则；裂纹短，缝隙宽。产生原因：凝固末期，合金绝大部分已成固体，但强度和塑性很低，当铸件受到机械阻碍产生很小的铸造应力就能引起热裂。分布在应力集中处或热节处。防止热裂的措施：应尽量选用凝固温度范围小、热裂倾向小的合金；提高铸型、型芯的退让性，减小机械应力；合理设计浇道、冒口；对于铸钢、铸铁件，严格控制硫含量，防止热脆性。2）冷裂是铸件处于弹性状态即在低温时形成的裂纹。其表面光滑，具有金属光泽或呈微氧化色，裂纹穿过晶粒而发生，外形规则，常是圆滑曲线或直线。防止方法是尽量减少铸造应力。思考题：1.何谓合金的铸造性能？它可以用哪些性能来衡量？铸造性能不好，会引起哪些缺陷？2.试分析图2-18所示铸件：1）哪些是自由收缩，哪些是受阻收缩？2）受阻收缩的铸件形成哪一类铸造应力？3）图示各点应力属于什么性质（拉应力、压应力）？图2-18铸件砂型铸造是应用最广的铸造方法，约占总产量的80%以上，其基本工艺过程如下：第2节砂型铸造方法零件图铸造工艺图模样图、芯盒图、铸型装配图制造模样及芯盒混制芯砂预处理造型材料混制型砂造型制芯准备炉料熔炼金属浇注化验落砂、清理检验热处理合格铸件合型烘干铸型烘干芯子