金属的液态成型.ppt

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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①合金的流动性②浇注温度③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。①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。②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，仍表现为型腔内液面降低。③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①化学成分②浇注温度③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。 ①缩孔形成过程 ②缩松形成过程③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。①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。②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。③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①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。②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。③灰口铸铁的铸造工艺特点 2.球墨铸铁(简称球铁)①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②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①铝合金铸造性能和工艺特点②铝合金的精炼和变质处理2.铸造铜合金①铜合金铸造性能和工艺特点②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。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①铸件的重要加工面或主要工作面应朝下或位于侧面。②铸件的宽大平面应朝下。③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。④应能减少型芯的数量，便于型芯的固定、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:①应使铸件的全部或大部处于同一砂箱内。②应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂箱中。③应尽量减少分型面的数量，最好只有一个分型面。④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。⑤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。⑥为保证从铸型中取出模样，而不损坏铸型，分型面应选在铸件的最大截面处。⑦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①机械加工余量②收缩率③拔模斜度(起模斜度)④芯头⑤浇注系统⑥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①加工余量②拔模斜度③线收缩率④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①铸件壁厚②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。③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①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，不超过相邻壁厚的1．5倍。②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。③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①母模②压型③蜡模④结壳⑤脱蜡⑥造型和焙烧⑦浇注 熔模铸造工艺过程 2.熔模铸造的特点及应用范围①能铸造各种合金铸件，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。②可生产形状复杂、轮廓清晰、薄壁(0．2～0.7mm)，且无分型面的铸件。③生产批量不受限制，可实现机械化流水生产。④工艺过程复杂，生产周期较长(4～15天),生产成本较高。⑤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25kg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，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：①金属型应保持合理的工作温度。②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0.2～1.0mm的耐火涂料，以使金属液和铸型隔开。③因金属型无退让性，故应掌握好适宜的开型时间。④为防止铸铁件产生白口组织，其壁厚一般应大于15mm，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：①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，改善了劳动条件。②金属型冷却快，铸件结晶组织细密，力学性能和致密度高。③铸件的公差等级可达IT14～ITl2，表面粗糙度Ra值为12.5～6.3μm，加工余量为0.8～1.6mm。④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、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：①生产率比其他铸造方法都高，并易于实现半自动化，自动化。②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。③可获得公差等级为IT13～IT11、表面粗糙度Ra值为3．2～0．8μm的铸件，可实现少、无切削加工。④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25～40％。⑤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。⑥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①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。②扩大应用，提高质量，使铸件向更优质，高性能、大型化，复杂化的方向发展重点。重点解决的问题是：尽量减少液态金属充型过程中空气的卷入(这也是造成铸件起泡的主要原因)。为此，一则要改进压射系统，尽量做到低速大流量全部壁横截面平稳充型；二是改进模具设计并采取真空、充氧等措施排除充型前型腔中的空气。尽量减少冲头挤压前挤压料缸(压室)中浇入的液态金属过早‘凝固结壳’给铸件带来的缺陷，为此，除改进工艺与模具设计外，近年来国外新发展的固体粉末润滑剂和采用升液管向挤压料缸供给金属液系统也有显著效果。③改造原有压力铸造设备，发展新的压力铸造机系列． 6.5.5低压铸造低压铸造是介于重力铸造(如砂型、金属型铸造)和压力铸造之间的一种铸造方法。它是使液态合金在压力下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶，以形成铸件的工艺过程。由于所用的压力较低(2～7N／cm2)，所以称低压铸造。 1.低压铸造的工艺过程升液、浇注通入干燥的压缩空气，合金液在较低压力下从升液管平稳的上升进入型腔。加压、凝固型内合金液在较高压力下结晶，只至全部凝固。减压、降液坩锅上部与大气连通，升液管与浇口内尚未凝固的合金液因重力作用而流回坩锅。开型、取出铸件。 低压铸造工作原理 2.低压铸造的特点和应用范围①底注充型，平稳且易控制，减少了金属液注入型腔时的冲击，飞溅现象，提高了产品的合格率。②金属液上升速度和结晶压力可人为控制。③不需另设冒口，而由浇口兼起补缩作用，故浇泣系统简单，金属利用率高。④与重力铸造(砂型、金属型)比较，铸件的轮廓清晰，组织致密，力学性能好，尤其是对大型薄壁件的铸造非常有利。⑤此外，设备较压铸简易，便于实现机械化和自动化生产。 6.5.6离心铸造金属液态合金浇入高速旋转(250～1500r／min)的铸型中，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶，这种铸造方法称离心铸造。 热室压铸机工作原理 卧式冷室压铸机工作原理 离心铸造原理 6.5.6连续铸造连续铸造是生产铸管和铸锭的一种铸造方法，其原理是将液态金属不断地浇入称为结晶器的特殊的金属型中，然后将冷凝的铸件连续不断地从结晶器的另一端拉出，按需要截取，可获得任意长度的铸件。1.连续铸造的工作原理2.连续铸造的特点及应用范围①连续铸造免去了浇口、冒口、降低了金属消耗。②冷却迅速，表层组织细密，且易实现机械化生产，生产率高。③铸件合金不受限制，钢、铁、铜、铝及其它合金均可铸造。 连续铸造原理图 6.5.7消失模(气化模)铸造技术1.生产原理及工艺流程2.消失模铸造工艺的优越性3.消失模铸造技术发展趋势 1.生产原理及工艺流程 2.消失模铸造工艺的优越性①它是一种近无余量的新型成型工艺②铸件内部质量提高③对环境无公害，易实现清洁生产④方便了铸件结构的设计⑤简化砂处理工序，减少设备占地面积，从而降低设备费用 3.消失模铸造技术发展趋势①随着严格的质量控制体系的建立和各关键工序监控仅表的完善，消失模铸件的质量将进一步提高，废品率将大为下降。②在模具设计和制造领域，将大量采用快速原形制造技术和并行环境下计算机模拟仿真，从而大大缩短模具的生产时间，实现铸件的快捷生产。③随着泡沫塑料尾气净化装置和旧砂处理设备的进一步改善，以及各工序间自动化程度的提高，将使消失模铸造工厂(车间)绿色化。④随着技术的进步，消失模铸造技术将与其他先进的铸造工艺相结合，开创出更新的复杂工艺，将使铸件质量和生产效率进一步提高． 6.5.8近代化学冷硬砂铸造工艺1.无机化学粘结剂型(芯)砂当前铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是水玻璃，其次为水泥，近年来又开发出磷酸盐聚合物的无机化学粘结剂。2.有机化学粘结剂型(芯)砂长期以来，铸造生产中就采用植物油作粘结剂配芯砂，然而随着科学技术的进步以及对铸件的产量和精度的要求越来越高，人工合成的有机高分子材料和化工副产品也就逐步地应用于铸造生产。开创出各种类型的有机化学（树脂）粘结剂型(芯)砂。 6.5.9金属液态成型工艺技术发展状况1.铸造工艺技术现状2.金属液态成型过程的计算机模拟技术研究有一定发展3.精密成形技术取得较大进展4.先进制造工艺技术发展趋势