金屬的液態(tài)成型

第一章金屬的液態(tài)成型1.1液態(tài)金屬成形工藝理論1.1.1液態(tài)金屬成形工藝的概念

液態(tài)金屬成型是指將液態(tài)金屬填充到鑄型的型腔中待其冷卻凝固后獲得所需形狀、尺寸和性能的鑄件毛坯（或零件）的成型方法，即：鑄造。1.1.2液態(tài)金屬成形工藝特點1．可生產(chǎn)形狀任意復雜的制件，特別是內腔形狀復雜的制件。如汽缸體、汽缸蓋、蝸輪葉片、床身件等。2．適應性強：（1）合金種類不受限制；

（2）鑄件大小幾乎不受限制。3．成本低：

（1）材料來源廣；

（2）廢品可重熔；

（3）設備投資低。4．廢品率高、表面質量較低、勞動條件差。1.1.3合金的鑄造性能概念:鑄造性能是指合金鑄造成形獲得優(yōu)質鑄件的能力。合金的鑄造性能指標:流動性、收縮性、偏析和吸氣性等一.合金的流動性流動性概念:合金的流動性是指熔融合金的流動能力。影響因素:流動性不僅與合金本身的性質有關，而且與澆注條件、鑄型材料和鑄型條件等有關。測定:螺旋試樣法·流動性對鑄件質量的影響1)流動性好，容易獲得尺寸準確，輪廓清晰的鑄件。

2)流動性好的合金，有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體的上浮和排除，從而使鑄件的內在質量得到保證。3)流動性好的合金，可使鑄件的凝固收縮部分及時得到液態(tài)合金的補充，從而可防止鑄件中產(chǎn)生縮孔、縮松等缺陷。二.合金的收縮(一)收縮的概念

金屬由液態(tài)向固態(tài)的冷卻過程中，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮。三個收縮階段:液態(tài)收縮,凝固收縮,固態(tài)收縮

應用:在常用的合金中，鑄鋼的收縮最大，灰鑄鐵的最小。

(二)影響收縮的因素

化學成分、澆注溫度、鑄件結構和鑄型條件等1)化學成分

碳素鋼隨含碳量增加，凝固收縮增加，而固態(tài)收縮稍減。灰鑄鐵中，碳是形成石墨化的元素，硅是促進石墨化的元素，所以碳硅含量越多，收縮越小。2)澆注溫度

澆注溫度越高，過熱度越大，合金的液態(tài)收縮也越大。3)鑄件結構與鑄型條件

阻礙收縮,產(chǎn)生內應力三.合金的偏析和吸氣性

(一)合金的偏析·鑄件內部化學成分不均勻的現(xiàn)象，稱為偏析?！び绊?降低力學性能,耐腐蝕性能,熱裂和疲勞·種類:晶內偏析,區(qū)域偏析和比重偏析(二)合金的吸氣性·合金在加熱過程中不斷吸收(溶解)與其相接觸的

氣體的性質，稱為合金的吸氣性?！び绊?導致氣孔

1.2鑄造合金及熔煉1.2.1常用鑄造合金材料1.鑄鐵2.鑄鋼3.非鐵鑄造合金1.鑄鐵鑄鐵：是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金；鑄鐵生產(chǎn)工藝簡單、成本低，是使用最早、應用最廣泛的材料之一?！耔T鐵的分類●常用鑄鐵的特點及應用●鑄鐵的分類白口鑄鐵：以Fe3C形式存在，無石墨，斷口呈銀白色；

硬而脆，少用；但可制作耐磨件或作為冶煉鋼鐵的原料灰口鑄鐵：主要以游離石墨的形式存在，斷口暗灰色；

應用廣泛，在我國鑄鐵與鋼應用比例為0.46：1麻口鑄鐵：以Fe3C＋石墨形式存在，斷口呈灰白色；

脆性大，少用按碳的存在形式普通鑄鐵合金鑄鐵（特殊性能鑄鐵）按化學成分

按石墨的形態(tài)(灰口鑄鐵分類)灰鑄鐵：石墨呈粗片狀可鍛鑄鐵：石墨呈團絮狀球墨鑄鐵：石墨呈球狀蠕墨鑄鐵：石墨蠕蟲狀白口灰口灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵常用鑄鐵的種類：灰口鑄鐵合金鑄鐵●常用鑄鐵的特點及應用1.灰鑄鐵

成分：2.5～4.0%C；1.0～3.0%Si；少量Mn、S、P等。

組織：F+片狀G；F+P+片狀G；P+片狀G；

性能：抗壓不抗拉，塑性差，鑄造性能和切削加工性能好；耐磨減摩、減震性好，壓力加工和焊接性能差。

用途：常利用灰鑄鐵的減震和抗壓性能，制作機床底座、床身、

工作臺、導軌、箱體等。F基體+片狀G(F+P)基體+片狀GP基體+片狀G指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。2.可鍛鑄鐵—瑪鋼牌號：如KTH300-06，表示抗拉強度≥300MPa，斷后伸長率≥6％。指石墨呈團絮狀的灰口鑄鐵，由亞共晶白口鑄鐵經(jīng)長時間石墨化退火（900～960℃）獲得。性能：抗拉強度比灰鑄鐵高，為碳鋼的40~70%，接近于鑄鋼；有一定塑性和韌性。但仍不可鍛造。鐵素體基體黑心可鍛鑄鐵珠光體基體可鍛鑄鐵斷口心部呈黑色3.球墨鑄鐵是石墨呈球狀分布的灰口鑄鐵，簡稱球鐵。組織：鋼基體+球狀G基體組織有F、P、（P+F）3種類型F基體＋球狀GP基體＋球狀G(P＋F)基體＋球狀G牌號：QT×××-××（如QT600-03）

指大部分石墨呈蠕蟲狀分布的灰口鑄鐵。

牌號：RuT×××成分：高C、Si，低Mn、P、S性能：力學性能介于基體相同的灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間；氣密性、耐磨性比灰鑄鐵好；減震性比球鐵好，但不如灰鑄鐵；鑄造工藝性與灰鑄鐵相近，切削加工性與球鐵相近。組織：鋼基體+蠕蟲狀G生產(chǎn)：蠕化處理→孕育處理用途：制造汽車的汽缸蓋、活塞環(huán)和制動盤，電機殼，重型機床和大型柴油機的機體。4.蠕墨鑄鐵

5.合金鑄鐵耐蝕合金鑄鐵：加入Si、Al、Cr、Cu、Ni等，在鑄鐵表面形成致密的保護膜，減少各相間的電位差；制造化工管道、閥門等。

耐磨合金鑄鐵：加入Cr、V、Mo、Ti、Re等；制造大型球磨機襯板等。

其它：激冷鑄鐵、高磷鑄鐵、高鉻耐磨鑄鐵等。高強度合金鑄鐵：加入Cr、Ni、Cu、Mo等，增加基體中珠光體數(shù)量并細化組織，從而顯著提高鑄鐵強度；制造曲軸、連桿等。耐熱合金鑄鐵：加入Si、Al、Cr等，使鑄件表面形成致密的SiO2、Al2O3、CrO3等氧化膜，制造加熱爐的爐底板、煙道擋板等。

合金鑄鐵應用1.鑄鋼分類

1）鑄造碳鋼：性能特點：強度和塑性、韌性高于鑄鐵，但鑄造工藝性差。（原因：熔點高，鋼液易氧化，流動性差，收縮率大。）熱處理：鑄鋼件必須經(jīng)過退火或正火處理，改善組織和性能，消除鑄造應力，才能使用，但不宜淬火處理。牌號：ZG+數(shù)字—數(shù)字例：ZG270-500鑄鋼代號屈服強度值抗拉強度值使用態(tài)組織：P＋F2.鑄鋼鑄造碳鋼的應用

對于形狀復雜、難以用鍛造成形、用鑄鐵又不能滿足其性能要求的零件，可采用鑄鋼件。例如：水壓機橫梁、軋鋼機機架、重載大齒輪等。5000噸水壓機橫梁

雙進雙出磨煤機大齒輪

2）鑄造合金鋼鑄造碳鋼+合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、V等）編號方法：在一般合金鋼牌號前加“ZG”表示鑄鋼主要牌號及用途

低合金鑄鋼：ZG40Mn、ZG30MnSi、ZG30CrMnSi，制造齒輪、水壓機工作缸、水輪機轉子等；ZG40Cr常用于制造高強度齒輪、軸等重要受力零件。

高合金鑄鋼：合金元素的質量分數(shù)超過10%以上，屬特殊性能鋼。例如，ZGMn13耐磨鋼主要用于制造挖掘機的斗齒、拖拉機和坦克的履帶板、火車輪等；不銹鋼主要用于化工、石油及醫(yī)藥設備的閥、泵及容器等。

常用有銅合金鑄件和鋁合金鑄件，具有良好的物理和化學性能。銅合金、鋁合金鑄造特點：熔化設備：坩堝爐。熔化時，金屬料與燃料不直接接觸，以減少金屬的損耗，并保證金屬的潔凈。液態(tài)下易氧化；凝固收縮率比灰鑄鐵高，需安放冒口使其順序凝固，以便補縮；砂型鑄造時，應選用細砂造型，以保證鑄件表面光潔。電阻坩堝爐3.非鐵鑄造合金鑄造黃銅：除含鋅外，還常含有硅、錳、鋁、鉛等。力學性能多比青銅高，而價格較青銅低。常用于一般用途的軸瓦、襯套、齒輪等耐磨件及閥門等耐蝕件。

常用牌號：ZCuZn38（38黃銅）、ZCuZn31Al2（31-2鋁黃銅）鑄造銅合金種類鑄造青銅

錫青銅：線收縮率低，不易產(chǎn)生縮孔，耐磨性和耐蝕性優(yōu)于黃銅，但流動性差易產(chǎn)生縮松，適用于致密性要求不高的耐磨、耐蝕件。

鋁青銅：具有優(yōu)良的力學性能和耐磨性、耐蝕性，但鑄造性能較差，僅用于重要的耐磨、耐蝕件。

常用牌號：ZCuSn10Pb1（10-1錫青銅）、ZCuAl9Mn2（9-2鋁青銅）鑄造銅合金鑄造鋁合金種類常用有：鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。

鋁硅合金：流動性好、線收縮率低、熱裂傾向小、氣密性好，強度高，應用最廣，約占鑄造鋁合金總產(chǎn)量的50%以上，用于形狀復雜的薄壁件或氣密性要求較高的鑄件，如內燃機氣缸體、化油器、儀表外殼等。

鋁銅合金：的鑄造性能較差，熱裂傾向大，氣密性和耐蝕性較差，但耐熱性較好，主要用于制造活塞、氣缸頭等。

一.鑄鐵的熔煉沖天爐的構造設備：沖天爐（圖示）或感應電爐原料：焦炭、生鐵、廢鋼、硅鐵、錳鐵等過程：

經(jīng)底焦的燃燒，金屬料預熱、熔化和過熱、冶金反應等過程獲得所需鐵液。鑄鐵的組織和性能通過調整硅量實現(xiàn)。煉鐵1.2.2

鑄造合金熔煉電弧爐煉鋼示意圖二.鑄鋼的熔煉主要有兩種：電弧爐煉鋼和感應電爐煉鋼

一般，大規(guī)模生產(chǎn)或澆注大型鑄件采用電弧爐煉鋼（圖示），與常規(guī)鋼材生產(chǎn)的冶金煉鋼不同，所用已是鋼料，這里“煉”只是對鋼的化學成分進行微調。

電弧爐是以三個石墨電極與金屬爐料之間引燃電弧產(chǎn)生的熱量來熔煉金屬，常用容量（每爐所煉鋼液量）為5～10噸。電弧爐可傾斜將鋼液倒入鋼包。1.3鑄造成型工藝1.3.1砂型鑄造

定義：以鑄造用型砂為主要原材料制成鑄型，且液態(tài)金屬完全靠重力充滿整個鑄型型腔形成鑄件的方法稱為砂型鑄造。鑄件的形狀和尺寸由鑄型型腔來形成

鑄型包括：外型（砂型）形成鑄件的外輪廓形狀和尺寸

型芯（砂芯）形成鑄件的內腔形狀和尺寸制造砂型簡稱為造型，制造砂芯簡稱為造芯，將砂芯裝配在砂型內組成鑄型的過程稱為配型砂型鑄造基本工藝過程程序框圖一、砂型鑄造的特點砂型鑄造分類：普通粘土砂造型化學造型法物理造型法砂型鑄造特點：

缺點：勞動條件差，鑄件質量欠佳，鑄型只能使用一次，生產(chǎn)效率低。

優(yōu)點：不受零件形狀、大小、復雜程度及合金種類的限制，原材料來源廣，生產(chǎn)準備周期短，成本低。砂型鑄造應用最廣泛按砂箱特征分類兩箱造型三箱造型二.常見的造型方法

在砂型鑄造中，造型和造芯是最基本的工序。根據(jù)造型生產(chǎn)方法的特點，通常分為手工造型和機器造型兩大類。（1）手工造型以手工造型為生產(chǎn)方法的砂型鑄造可按砂箱特征和模樣特征進行分類按模樣特征分類整模造型假箱造型刮板造型分模造型挖沙造型活塊造型（2）機器造型1.3.2砂型鑄造工藝方案的確定1

澆鑄位置的確定2

分型面的選擇3

鑄造工藝參數(shù)的確定4

型芯設計5

鑄造工藝圖的繪制砂型鑄造工藝方案的確定步驟：零件結構工藝分析選擇造型、造芯方法確定鑄件澆注位置及分型面確定鑄造工藝參數(shù)畫鑄造工藝圖1

澆鑄位置的確定重要加工表面應朝下或直立；鑄件的大平面應朝下；鑄件的薄壁部位應放在鑄型的下部或側面；鑄件的厚大部位應放在上面或側面。2

分型面的選擇鑄件全部或大部放在一個砂箱內；分型面盡量為平直面；盡量減少型芯數(shù)量；應便于下芯、合型及檢查型腔尺寸。3

鑄造工藝參數(shù)的確定（1）鑄造收縮率（2）要求的機械加工余量（3）起模斜度（4）最小鑄出孔和槽4

型芯設計垂直芯頭一般安裝芯頭撐

一般截面大，高度小的型芯只有一個芯頭。水平芯頭5

鑄造工藝圖的繪制支架鑄造工藝圖1.4特種鑄造特種鑄造金屬型鑄造熔模鑄造消失模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擠壓鑄造1.4.1熔模鑄造定義：在易熔材料（如蠟料）制成的模樣上包覆若干層耐火涂料，待其干燥硬化后熔出模樣而制成型殼，型殼經(jīng)高溫培燒后即可澆注的鑄造方法。熔模（失蠟）鑄造的工藝過程44主要用于生產(chǎn)汽輪機、水輪機上小型的葉片和葉輪、切削刀具及汽車、拖拉機、船舶、機床和風動工具上的小型零件等。（1）可生產(chǎn)形狀復雜、輪廓清晰、薄壁鑄件。（2）鑄件精度高，表面質量好。（3）能夠鑄造各種合金鑄件。（4）生產(chǎn)批量不受限制。但工序繁多，生產(chǎn)周期較長，鑄件不能太長、太大，鑄件成本比砂型鑄件高。特點應用實例451.4.2金屬型鑄造定義：在重力作用下將熔融金屬澆入金屬型而獲得鑄件的方法金屬型用鑄鐵和鑄鋼制成；鑄件的內腔既可用金屬型芯、也可用砂芯。1、金屬型的結構462、金屬型鑄造的工藝特點金屬型的導熱速度快和無退讓性，使鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、裂紋等缺陷。1）預熱金屬型：有利于金屬液的充型。生產(chǎn)鑄鐵件，金屬型預熱至250-350℃；生產(chǎn)有色金屬件預熱至100-250℃。47澆不足：指鑄件的形狀不完整。冷隔：指鑄件上某處由于兩股或兩股以上金屬液流未熔合而形成的接縫。482）型腔須噴刷耐火涂料：保護其免受金屬液直接沖蝕和熱擊，可調節(jié)鑄件各部分的冷卻速度。3）澆注溫度應比采用砂型高出20-30℃，鑄鐵件的壁厚不小于15mm，以防白口組織。白口鑄鐵：白口鑄鐵中的碳全部以滲透碳體（Fe3C）形式存在，因斷口呈亮白色。故稱白口鑄鐵，由于有大量硬而脆的Fe3C，白口鑄鐵硬度高、脆性大、很難加工。因此，在工業(yè)應用方面很少直接使用。1)不宜鑄造結構復雜、薄壁或大型鑄件；2)鑄型壽命短，灰鑄鐵件鑄造時還易于白口組織；3)成本高，周期長，需批量生產(chǎn)。3、金屬型鑄造的優(yōu)缺點(1)優(yōu)點：1)金屬型鑄造一型多鑄，生產(chǎn)率高，勞動條件好；2)鑄件的組織致密、晶粒細小，機械性能高；3)鑄件精度高、表面粗糙度值低。(2)缺點：4、金屬型鑄造的應用：

主要用于成批生產(chǎn)鋁、銅合金等的中、小型鑄件，如活塞、缸體、液壓泵殼體、軸瓦和軸套等。49501.4.3壓力鑄造

定義：壓力鑄造是指金屬液在高壓下高速充型，并在壓力下凝固的鑄造方法。51壓力鑄造的基本原理1、冷室壓鑄機壓室與保溫爐分開用于大型厚壁鑄件的生產(chǎn)（a）澆入液態(tài)金屬；（b）加壓；（c）頂出鑄件1-頂桿2-金屬鑄型3-加壓活塞4-鑄件2、壓力鑄造的特點1)鑄件質量好，尺寸精度高；2)壓鑄件的強度和表面硬度較高；3)生產(chǎn)效率高，操作簡便，易于實現(xiàn)自動化。1)充型速度快，型腔中的空氣很難完全排出，且厚壁處也很難補縮；

2）壓鑄件不宜進行熱處理或在高溫下使用；3）可壓鑄的合金種類受到限制；4）設備投資大，壓鑄型的制造成本高3、壓力鑄造的適用范圍：

航空航天、汽車、儀器儀表、醫(yī)療器械等，大批量生產(chǎn)有色合金鑄件；壓鑄件應盡量避免機加工，以防內部孔洞外露。

優(yōu)點：缺點：521.4.4低壓鑄造低壓鑄造是采用較壓力鑄造低的壓力（一般為0.02-0.06Mpa），將金屬液從鑄型的底部壓入，并在壓力下凝固獲得鑄件的方法。53低壓鑄造的特點及應用：1、澆注及凝固時的壓力容易調整、適應性強，可用于各種鑄型、各種合金及各種尺寸的鑄件。2、底注式澆注充型平穩(wěn)，減少了金屬液的飛濺和對鑄型的沖刷，可避免氣孔缺陷。3、鑄件在壓力下充型和凝固，其澆口能提供金屬液來補縮，因此鑄件輪廓清晰，組織致密。4、低壓鑄造的金屬利用率高，約90%以上。5、設備簡單，勞動條件較好，易于機械化和自動化。主要用來鑄造一些質量要求高的鋁合金和鎂合金鑄件，如氣缸體、缸蓋、和高速內燃機的鋁活塞等薄壁件。

1.4.5離心鑄造

定義：將金屬液澆入繞水平、傾斜或立軸高速旋轉的鑄型，在離心力作用下充型和凝固的鑄造方法。鑄件的各部分冷卻速度相同，壁厚均勻。主要用來生產(chǎn)長度大于直徑的套、管類鑄件。污水管55金屬液的自由表面在離心力作用下呈拋物面，主要生產(chǎn)高度小于直徑的盤、環(huán)類鑄件。56鑄鐵管的離心鑄造571、適用于旋轉體鑄件的生產(chǎn)，省去澆冒口，金屬利用率提高；不用造型、制芯，節(jié)省了相關材料及設備投入。2、金屬補縮效果好，鑄件致密，機械性能好；3、可以實現(xiàn)雙金屬鑄造，5、易產(chǎn)生偏析，內表面不易控制。

特點及適用范圍58雙金屬鑄造：為了滿足同一鑄件不同部件有截然不同的性能的要求，以及為了節(jié)約貴合金和降低成本而采用雙金屬鑄造。它是把兩種成分不同、性能各異的金屬熔鑄在一起的鑄造方法。把第一種成分的金屬液澆入鑄型后，待結成外殼，在預定時間內再把第二種成分的金屬液澆入，并把內部未凝的第一種金屬頂出來。在離心力作用下，密度大的金屬液被推往外壁。而密度小的氣體、熔渣向自由表面移動1.4.6擠壓鑄造一、擠壓鑄造原理把液態(tài)金屬直接澆入金屬模內，然后在一定時間內以一定的壓力作用于焙融或半熔融的金屬液體使之成形，并在此壓力下結晶和塑性流動，從而獲得毛坯或零件。是介于鑄、鍛之間的一種少無切削工藝技術。二、擠壓鑄造特點及實用范圍由于擠壓鑄造是使液態(tài)金屬在高的機械壓力下進行結晶，因而此工藝具有如下的特點：

（1）擠壓鑄造可以消除鑄件內部的氣孔、縮孔和縮松等缺陷，產(chǎn)生局部的塑性變形，使鑄件組織致密。（2）擠壓鑄件表面粗糙度低和尺寸精度高，其級別能達到壓鑄件的水平。（3）擠壓鑄件在凝固過程中，各部分處于壓應力狀態(tài)，有利于鑄件的補縮和防止鑄造裂紋的產(chǎn)生。（4）便于實現(xiàn)機械化、自動化，可大大減輕工人的勞動強度，改善鑄造車間勞動條件。（5）擠壓鑄造是通過壓力傳遞進行補縮的，工藝的應用會受到某些限制。按金屬的受力狀態(tài)和流動特性可將擠壓鑄造分為直接擠壓鑄造和間接擠壓鑄造。三.擠壓鑄造工藝的分類直接式擠壓鑄造原理

澆入到型腔中的液態(tài)金屬在壓頭力的作用下直接成型。適合生產(chǎn)那些壁厚較大，形狀不太復雜，性能要求較高的制件。制件有微量的塑性變形組織。間接式擠壓鑄造原理

澆入到壓室內液態(tài)或半固態(tài)金屬在壓(沖）頭力作用下經(jīng)內澆道充滿型腔（壓注成型）。它適合生產(chǎn)那些形狀更加復雜，壁厚差較均勻的零件，制件沒有塑性變形組織。垂直合型擠壓鑄造:在液壓機上，把內凹的半型（凹型）3置于液壓機的工作臺上，把外凸的半型（凸型）2作為金屬沖壓時的沖頭，固定在液壓機的活動橫梁上，在凹型內倒入定量的金屬液1，凸型垂直下移，凹型內金屬液在凸型機壓下充填性強，在壓力下凝固成形。此時，鑄型為金屬型，金屬液在合型后處于封閉狀，鑄件凝固時所受壓力較大。按擠壓鑄型的合型方向的不同，擠壓鑄造可分為垂直合型和旋轉合型兩大類。旋轉合型擠壓鑄造用于生產(chǎn)大型薄壁件:機翼、飛機的座艙底板，導彈彈翼等。1-活動板；2-動型；3-澆包；4-定型；5-金屬液；6-多余金屬液64消失模鑄造（又稱實型鑄造）：

將與鑄件尺寸形狀相似的石蠟或泡沫模型粘結組合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振動造型，在負壓下澆注，使模型氣化，液體金