工程材料及成形工藝基礎(chǔ)-鑄造成形

項(xiàng)目6鑄造成形

§6.1鑄造工藝基礎(chǔ)

§6.2砂型鑄造§6.3鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

§6.4特種鑄造

§6.5鑄造新技術(shù)與發(fā)展技能目標(biāo)

1．熟悉整模造型和分模造型典型工藝過(guò)程，鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性。具有選擇典型鑄造方法的能力。會(huì)畫簡(jiǎn)單鑄件的鑄造工藝簡(jiǎn)圖。2．熟悉挖砂造型工藝過(guò)程，鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性。具有選擇典型鑄件鑄造方法的能力。思政目標(biāo)

1．以青銅器作品為切入點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生國(guó)情觀念、文化自信，尊重中華民族的優(yōu)秀文明成果，傳播弘揚(yáng)中華優(yōu)秀傳統(tǒng)科技文化。2.以綠色鑄造為切入點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生樹立綠色環(huán)保理念。一、什么是鑄造生產(chǎn)（液態(tài)成形）

將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法。鑄造（金屬液態(tài)成形）零件圖鑄造工藝圖鑄型型芯芯盒

芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理檢驗(yàn)鑄件二、砂型鑄造的工藝過(guò)程澆注冷卻凝固三、鑄造生產(chǎn)的特點(diǎn)1．可生產(chǎn)形狀任意復(fù)雜的制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的制件。如汽缸體、汽缸蓋、蝸輪葉片、床身件等。（1）材料來(lái)源廣；（2）廢品可重熔；（3）設(shè)備投資低。（1）合金種類不受限制；（2）鑄件大小幾乎不受限制。2．適應(yīng)性強(qiáng)：3．成本低：4．廢品率高、表面質(zhì)量較低、勞動(dòng)條件差。充型能力不足時(shí)，會(huì)產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾渣、氣孔等缺陷。1.合金的流動(dòng)性合金的流動(dòng)性是：液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力。充型——液態(tài)合金填充鑄型的過(guò)程。充型能力——液體金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰的鑄件（成形件）的能力。6.1.1液態(tài)合金的充型6.1鑄造工藝基礎(chǔ)0.45%C鑄鋼：200出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：1800合金流動(dòng)性主要取決于合金化學(xué)成分所決定的結(jié)晶特點(diǎn)

2.影響充型能力的主要因素：a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動(dòng)性（cm）100200300溫度（℃）0（1）合金的成分（4）澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)

澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動(dòng)阻力越大，充型能力越差。（2）澆注溫度

一般T澆越高，液態(tài)金屬的充型能力越強(qiáng)。液態(tài)金屬在流動(dòng)方向上所受的壓力越大，充型能力越強(qiáng)。鑄型溫度越高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差越小，充型能力越強(qiáng)。鑄型材料的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容越大，合金的充型能力就越差。鑄型中的氣體會(huì)阻礙液態(tài)合金的充型。（3）鑄型充填條件1.鑄件的凝固方式逐層凝固糊狀凝固中間凝固影響鑄件凝固方式的主要因素：（1）合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)6.1.2鑄件的凝固與收縮（2）鑄件的溫度梯度

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變大，則其對(duì)應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。表層中心St鑄件溫度成分溫度S1T1T22.合金的收縮

合金從澆注、凝固直至冷卻到室溫，其體積和尺寸減小的現(xiàn)象叫做收縮。T澆T液T固T室合金的收縮經(jīng)歷如下三個(gè)階段：（1）液態(tài)收縮從澆注溫度到凝固開始溫度之間

的收縮。T澆

—T液體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因。體收縮率：線收縮率：線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因。（3）

固態(tài)收縮從凝固終止溫度到室溫間的收縮。

T固

—T室（2）

凝固收縮從凝固開始到凝固終止溫度間的收縮。

T液

—T固

液態(tài)合金在冷凝過(guò)程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補(bǔ)充，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的稱為縮孔，細(xì)小而分散的稱為縮松。（1）縮孔和縮松的形成

逐層凝固合金縮孔傾向大，縮松傾向小；糊狀凝固合金縮松傾向大，縮孔傾向小。3.鑄件中的縮孔和縮松（2）縮孔和縮松的防止

防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)“順序凝固”。

鑄件在凝固以后的繼續(xù)冷卻過(guò)程中，其固態(tài)收縮受到阻礙，鑄件內(nèi)部即將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。（1）機(jī)械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）

合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的機(jī)械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機(jī)械應(yīng)力是暫時(shí)應(yīng)力。上型下型4.鑄造應(yīng)力及鑄件的變形

熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時(shí)期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的應(yīng)力。（2）熱應(yīng)力

熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。

熱應(yīng)力是永久應(yīng)力。（3）鑄件的變形與防止

+-反變形法防止變形的方法：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時(shí)凝固的原則；3）采用反變形法。（4）鑄件的裂紋與防止

熱裂的形狀特征是：裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。熱裂的防止：①應(yīng)盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。②應(yīng)提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機(jī)械應(yīng)力。③對(duì)于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制硫的含量，防止熱脆性。冷裂的特征是：裂紋細(xì)小，呈連續(xù)直線狀，縫內(nèi)有金屬光澤或輕微氧化色。冷裂的防止：①使鑄件壁厚盡可能均勻。②采用同時(shí)凝固的原則。③對(duì)于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴(yán)格控制磷的含量，防止冷脆性。

砂型鑄造是指用砂粒制備鑄型來(lái)生產(chǎn)鑄件的鑄造方法?？勺匪莸焦?000～4000年，用石頭和金屬型做出銅器。砂型鑄造又稱一次性鑄造，俗稱翻砂。

6.2砂型鑄造特點(diǎn)及應(yīng)用：1.不受鑄件材質(zhì)、尺寸、質(zhì)量和生產(chǎn)批量的限制；2.屬于一次性鑄造成形，造型工作量大；3.鑄件精度和表面質(zhì)量差；4.砂型鑄造缺陷多，廢品率高，機(jī)械性能較差；5.設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少，價(jià)格低廉，應(yīng)用廣泛。1.造型材料6.2.1造型方法的選擇

用來(lái)制造砂型和砂芯的材料統(tǒng)稱為造型材料。用于制造砂型的材料稱為型砂；用于制造型芯的材料稱為芯砂。型（芯）砂的質(zhì)量直接影響著鑄件的質(zhì)量，其質(zhì)量不好會(huì)使鑄件產(chǎn)生氣孔、砂眼、粘砂和夾砂等缺陷。2.手工砂型造型適用于單件、小批量生產(chǎn)鑄件零件模樣型（芯）砂鑄型型芯合箱、澆注芯盒手工造型過(guò)程示意圖整模造型分模造型活塊造型挖砂造型假箱造型刮板造型型砂落砂捅箱機(jī)壓鐵傳送機(jī)鑄件輸送機(jī)下箱造型機(jī)鑄型輸送機(jī)下箱翻箱、落箱機(jī)下芯合箱機(jī)合箱冷卻箱冷卻澆注壓鐵加砂機(jī)加砂機(jī)上箱造型機(jī)3.機(jī)器造型（1）生產(chǎn)效率高;（2）鑄型質(zhì)量好（緊實(shí)度高而均勻、型腔輪廓清晰）;（3）設(shè)備和工藝裝備費(fèi)用高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。適用于中、小型鑄件的成批、大批量生產(chǎn)。機(jī)器造型過(guò)程示意圖機(jī)器造型的造型方法（1）振擊壓實(shí)（2）汽動(dòng)微振壓實(shí)（3）高壓造型（4）拋砂緊實(shí)（1）射芯機(jī)（2）殼芯機(jī)機(jī)器造型的造芯方法上下澆注時(shí)鑄件在鑄型中所處的空間位置。（1）鑄件的重要表面應(yīng)朝下或側(cè)面1.澆注位置的選擇②①（2）鑄件的大平面應(yīng)朝下。

鑄造工藝圖—將工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容（工藝方案）用工藝符號(hào)或文字在零件圖上表示出來(lái)所形成的圖樣。

6.2.2鑄造工藝設(shè)計(jì)上下②①下上（3）鑄件上壁薄而大的平面應(yīng)朝下或垂直、傾斜，有利于金屬液充滿型腔，以防止產(chǎn)生冷隔、澆不足缺陷。（4）容易產(chǎn)生縮孔的鑄件或鑄件的厚大部分應(yīng)放在上面，以保證鑄件自下而上的順序凝固，保證液態(tài)金屬的補(bǔ)縮。上下下上①②2.分型面的選擇

（1）盡量使鑄件全部或大部分放在同一砂箱中。分型面是指上、下鑄型相互接觸的表面（分界面），在確定鑄件分型面的同時(shí)，實(shí)際上就確定了鑄件在砂箱中的位置（即澆注位置）。①②（2）應(yīng)使鑄件的加工基準(zhǔn)面處于同一砂型中。（3）應(yīng)盡量使分型面平直，數(shù)量少，避免不必要的活塊和型芯等，以便于起模，使造型工藝簡(jiǎn)化。①②上下中（4）盡量使型腔及主要型芯位于下型，以便造型、下芯、合型、檢驗(yàn)鑄件壁厚。下上上下①②（1）鑄造收縮率通?；诣T鐵為0.7~1.0%，鑄造碳鋼為1.3~2.0%，鋁硅合金為0.8~1.2%，錫青銅為1.2~1.4%。3.工藝參數(shù)的確定生產(chǎn)批量最小鑄出孔直徑灰口鑄鐵件鑄鋼件大量生產(chǎn)成批生產(chǎn)單件、小批生產(chǎn)12～1515～3030～5030～5050（2）機(jī)械加工余量和鑄孔（3）起模斜度（4）型芯及芯頭型芯的功用是形成鑄件的內(nèi)腔、孔洞和形狀復(fù)雜阻礙起模部分的外形。

芯頭的作用：1）定位作用；2）固定作用；3）排氣作用。（5）最小鑄出孔及槽產(chǎn)生批量最小鑄出孔直徑∕mm灰鑄鐵件鑄鋼件大量生產(chǎn)成批生產(chǎn)單件、小批量生產(chǎn)12~1515~3030~50

30~5050

較小孔、槽，或者鑄件壁很厚，則不宜鑄孔，直接依靠加工反而方便。有些特殊要求的孔，如彎曲孔，無(wú)法實(shí)行機(jī)械加工，則一定要鑄出?？捎勉@頭加工的受制孔（有中心線位置精度要求）最好不鑄，鑄出后很難保證鑄孔中心位置準(zhǔn)確，再用鉆頭擴(kuò)孔無(wú)法糾正中心位置。6.3.1砂型鑄造工藝對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

6.3鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）減少和簡(jiǎn)化分型面。

在設(shè)計(jì)一個(gè)鑄件的外形和內(nèi)腔時(shí)，應(yīng)盡量使制模、造型、造芯、合箱和清理等過(guò)程簡(jiǎn)化，節(jié)省工時(shí)，防止缺陷，應(yīng)注意以下幾個(gè)原則。（2）鑄件外形應(yīng)力求簡(jiǎn)單。（3）應(yīng)有一定的結(jié)構(gòu)斜度。（4）鑄件結(jié)構(gòu)必須考慮型芯裝配的穩(wěn)定性，排氣的可能性和鑄件的清理，以避免偏芯，氣孔等缺陷。6.3.2合金鑄造性能對(duì)鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求

1．鑄件壁厚要合理鑄造方法鑄件尺寸（mm）合金種類鑄鋼灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金砂型鑄造<200×20085～66533～5200×20~500×50010～126～1012846～8>500×50015～2015～2015～2010～12610～122．鑄件壁厚應(yīng)均勻。

3.鑄件壁的連接應(yīng)合理。（1）鑄件壁的連接處或轉(zhuǎn)角處應(yīng)有結(jié)構(gòu)圓角。（2）避免交叉和銳角連接。不合理合理（3）厚壁與薄壁的連接要逐步過(guò)渡。（4）避免收縮受阻。4.鑄件應(yīng)盡量避免過(guò)大的平面6.4.1熔模鑄造在易熔模樣表面包覆若干層耐火材料，待其硬化干燥后，將模樣熔去制成中空型殼，經(jīng)澆注而獲得鑄件的一種成形工藝方法。

1.熔模鑄造的工藝過(guò)程6.4特種鑄造母模壓型蠟?zāi)＝M結(jié)殼脫蠟單個(gè)蠟?zāi)１簾?、澆注除砂型鑄造外，其后所有的鑄造方法統(tǒng)稱特種鑄造。鑄件的精度和表面質(zhì)量較高，公差等級(jí)可達(dá)IT11~IT13，表面粗糙度Ra值達(dá)1.6~12.5μm。合金種類不受限制，尤其適用于高熔點(diǎn)及難加工的高合金鋼，如耐熱合金、不銹鋼、磁鋼等?？设T出形狀較復(fù)雜的鑄件，如鑄件上寬度大于3mm的凹槽、直徑大于2mm的小孔均可直接鑄出。生產(chǎn)批量不受限制，單件、成批、大量生產(chǎn)均可適用。工藝過(guò)程較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)；原材料價(jià)格貴，鑄件成本高；鑄件不能太大、太長(zhǎng)，否則熔模易變形，喪失原有精度。2.熔模鑄造的特點(diǎn)和適用范圍應(yīng)用：它最適合25kg以下的高熔點(diǎn)、難以切削加工合金鑄件的成批大量生產(chǎn)。液態(tài)金屬澆入金屬型鑄件獲得1.金屬型的材料及結(jié)構(gòu)材料一般采用鑄鐵，要求較高時(shí)，可選用碳鋼或低合金鋼。金屬型的結(jié)構(gòu)有水平分型式、垂直分型式和復(fù)合分型式等。6.4.2金屬型鑄造加強(qiáng)金屬型的排氣在金屬型的工作表面上噴刷涂料預(yù)熱金屬型并控制其溫度及時(shí)開型3.金屬型鑄造的特點(diǎn)及適用范圍金屬型鑄件冷卻速度快，組織致密，力學(xué)性能高。鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量均優(yōu)于砂型鑄造件。尺寸精度達(dá)IT12~IT14，Ra值平均可達(dá)6.3~12.5μm。生產(chǎn)率高，勞動(dòng)條件得到改善。2.金屬型的鑄造工藝金屬型不透氣、無(wú)退讓性、鑄件冷卻速度快，易產(chǎn)生

氣孔、應(yīng)力、裂紋、澆不足、冷隔、白口等鑄造缺陷。應(yīng)用：主要用于銅、鋁、鎂等有色合金鑄件的大批量生產(chǎn)。6.4.3壓力鑄造液態(tài)金屬在高壓作用下快速壓入金屬鑄型中，并在壓力下結(jié)晶，以獲得鑄件的成形工藝方法。1.壓鑄機(jī)和壓鑄工藝過(guò)程2.壓力鑄造的特點(diǎn)和適用范圍鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量最高。公差等級(jí)一般為IT11~IT13級(jí)，Ra為3.2~0.8μm。鑄件的強(qiáng)度和表面硬度高。抗拉強(qiáng)度可比砂型鑄造提高25~30%，但伸長(zhǎng)率有所下降。可壓鑄出形狀復(fù)雜的薄壁件。

生產(chǎn)率高。國(guó)產(chǎn)壓鑄機(jī)每小時(shí)可鑄

50~150次，最高可達(dá)500次。

便于采用鑲嵌法。

壓鑄設(shè)備投資大，壓鑄型制造成本高，工藝準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，不適宜單件、小批生產(chǎn)。由于壓鑄型壽命的原因，目前壓鑄尚不適宜鑄鐵、鋼等高熔點(diǎn)合金的鑄造。壓鑄件內(nèi)部存在縮孔和縮松，表皮下形成許多氣孔。三、在壓鑄件的設(shè)計(jì)和使用中，應(yīng)注意的問(wèn)題應(yīng)使鑄件壁厚均勻，并以3~4mm壁厚為宜，最大壁

厚應(yīng)小于6~8mm，以防止縮孔、縮松等缺陷。壓鑄件不能進(jìn)行熱處理或在高溫下工作，以免壓鑄件內(nèi)氣孔中的氣體膨脹，導(dǎo)致鑄件表面鼓泡或變形。壓鑄件應(yīng)盡量避免切削加工，以防止內(nèi)部孔洞外露。由于壓鑄件內(nèi)部疏松，塑性、韌性相對(duì)較差，因此不適宜制造承受沖擊的制件。應(yīng)用：有色薄壁小件的大批量生產(chǎn)。6.4.4低壓鑄造

低壓鑄造是在0.2~0.7大氣壓的低壓下將金屬液注入型腔，并在壓力下凝固成形，以獲得鑄件的方法。1.低壓鑄造的工藝過(guò)程2.低壓鑄造的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍應(yīng)用：目前廣泛應(yīng)用于鑄造鋁合金鑄件，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸蓋、活塞、葉輪等，也可用于球墨鑄鐵、銅合金等澆注較大的鑄件，如球鐵曲軸、銅合金螺旋槳等。澆注壓力和速度便于調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同材料的鑄型。鑄件的氣孔、夾渣等缺陷較少。便于實(shí)現(xiàn)順序凝固，使鑄件組織致密、力學(xué)性能高。由于省去了補(bǔ)縮冒口，使金屬的利用率提高到90~98%。6.5.5離心鑄造將液態(tài)金屬注入高速旋轉(zhuǎn)（250~1500r/min)的鑄型中，使其在離心力作用下充填鑄型并結(jié)晶，以獲得鑄件的生產(chǎn)方法。1.離心鑄造的基本方式立式離心鑄造機(jī)臥式離心鑄造機(jī)2.離心鑄造的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍應(yīng)用：目前是鑄鐵管、氣缸套、銅套、雙金屬軸承的主要生產(chǎn)方法?？墒∪バ托竞蜐沧⑾到y(tǒng)，降低了鑄件成本。鑄件組織致密，極少存在縮孔、氣孔、夾渣等缺陷。

合金充型能力強(qiáng)，便于薄件的生產(chǎn)。由于省去澆、冒口，使金屬的利用率達(dá)98%。便于制造雙金屬鑄件。6.5.1鑄造新技術(shù)6.5鑄造新技術(shù)與發(fā)展1.半固態(tài)金屬鑄造20世紀(jì)70年代麻省理工學(xué)院（MIT）弗萊明斯（Flemings）教授發(fā)現(xiàn)金屬在凝固過(guò)程中進(jìn)行強(qiáng)烈攪拌或通過(guò)控制凝固條件，抑制樹枝晶的生成或破碎所生成的樹枝晶，形成具有等軸、均勻、細(xì)小的初生相均勻分布于液相中的懸浮半固態(tài)漿料。這種漿料在