金属的液态成型.ppt

第一章金属的液态成型（铸造),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形方法，称为铸造,结晶：金属溶液在凝固后一般都以晶质状态存在。金属的结晶过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程，即由晶核的产生和长大两个基本过程组成的。,11,动画：金属的结晶,优点：1）可以生产出形状复杂，特别是具有复杂内腔的零件毛坯，如各种箱体、床身、机架等。2）铸造生产的适应性广，工艺灵活性大。工业上常用的金属材料均可用来进行铸造，铸件的重量可由几克到几百吨，壁厚可由0.5mm到1m左右3）铸造用原材料大都来源广泛，价格低廉，并可直接利用废机件，故铸件成本较低。,缺点：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，因此，铸件的力学性能，特别是冲击韧度低于同种材料的锻件。2）铸件质量不够稳定。,铸造的优缺点：,铸造的分类,铸造（造型方法）,砂型铸造,特种铸造（造型材料）,化学硬化砂型,湿砂型,干砂型,以天然矿产砂石为主要造型材料,熔模铸造、壳型铸造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等,以金属作为主要造型材料,金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等,砂型铸造工艺过程制造模样、芯盒配制型砂、芯砂造型和造芯烘干、合箱熔炼金属、浇注落砂、清理与检验等,第一节 砂型铸造工艺,一、造型材料制做铸型和型芯所用的材料成为造型材料。主要分型砂与芯砂，由原砂、粘接剂、水和附加物配制而成。（一）型（芯）砂的性能1、强度：应保证铸型（或型芯）受外力作用时，不易被损坏。型砂强度不 足会造成塌箱、冲砂与砂眼等缺陷。2、透气性：铸型（或型芯）能允许气体通过，因为浇注时，型腔内的空 气及铸型产生的挥发气体要通过砂型逸出。3、可塑性：型砂受力易成型且获得清晰轮廓。可塑性好，作兴方便，造 型的轮廓清晰，可铸出形状尺寸精确的铸件。4、耐火性：型（芯）砂在高温液态金属作用下，不软化、不熔融和不粘 结的能力、耐火性差的型（芯）砂，砂粒易粘附在铸件表面，使清砂和切削加工困难。5、退让性：铸件凝固收缩时，型（芯）砂不阻碍铸件收缩。退让性差的 型芯砂，将阻碍铸件的收缩，会使铸件产生应力，引起变形，甚至开裂。型芯在浇注时，四周被液态金属包围，故要求芯砂性能比型砂高。,(二)型（芯）砂的组成及配制过程1、型（芯）砂的组成原砂 是型砂和砂芯的主要组成部分，其主要成分是由SiO2及其他氧化物。砂粒均匀且呈圆形的好，一般采自山地、沙漠、河滩和海滨。粘结剂 其作用是江砂粒互相粘结在一起，使型（芯）砂具有一定的强度和可塑性。种类很多，常用的有陶（高岭）土、膨润土、油类、合脂、树脂与水玻璃等。附加物 为了改善型（芯）砂某些性能而附加的物质。例如，加入煤粉可提高耐火性，加入水玻璃可提高强度，加入木屑可改善透气性和退让性等。型砂和芯砂的组成物决定于铸造合金的种类，铸件的大小及结构特征等。2、型（芯）砂的制备过程烘干-筛分-混砂（先干混后湿混）-松砂-停放（闷砂）。,二、模样与芯盒的制造模样与芯盒是铸造生产的工艺装备之一，模样是用来形成铸型型腔的工艺装备,按组合形式，可分为整体模和分开模。芯盒是制造砂芯或其他种类耐火材料芯所用的装备。模样和芯盒由木材、金属或其他材料制成。,（一）模样的制造 一般情况，模样的外形与铸件的外形相似，其尺寸要大于铸件，这是因为金属有冷却收缩。模样应有足够的强度和刚度，以及与逐渐向适应的表面粗糙度和尺寸精度。根据制造模样所用的材料不同，分为木模样、金属模样和塑料模样等，可根据铸件的要求、造型方法和生产批量等，经济合理的选用。木模样 是模样中应用最广泛的一种，具有质轻、价廉和容易加工等优点。但强度低，容易变形和损坏，一班用于单件和中小批量生产。常用木材有，红木、杉木、银杏等。金属模样用铸铁、铜合金和铝合金等金属材料制造的模样。铝模最为多见。金属模样的强度高，尺寸精确，表面光洁，寿命长。但制造时生产周期长、成本高，用于大批量生产。,（二）芯盒的制造 芯盒的型腔与铸件的内腔孔洞相似。其尺寸应考虑铸件内腔的加工余量和收缩量。根据制造芯盒的材质不同，也可以分为木芯盒和金属芯盒，金属芯盒的材料一般是铸造铝合金。,三、造型与制芯工艺,造型是指用型砂、模样、砂箱等工艺装备制造砂型的过程。制芯是将芯砂制成符合芯盒形状的砂芯的过程。,（一）手工造型手工造型是全部用手工或手动工具完成的造型工序。,1、整模造型的模样是整体的，分型面是平面，铸型型腔全部在半个铸型内，其造型简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于铸件最大截面在一端，且为平面的铸件。,整模造型,2、分模造型是将模样沿最大截面处分成两半，型腔位于上、下两个砂箱内，造型简单省工。常用于最大截面在中部的铸件。,三箱造型,3、挖砂造型的模样是整体的，但铸件分型面为曲面。为便于起模，造型时用手工挖去阻碍起模的型砂、其造型费工、生产率低，工人技术水平要求高。用于分型面不是平面的单件、小批生产铸件。,挖砂造型,4、活块造型是在制模时将铸件上的妨碍起模的小凸台，肋条等这些部分作成活动的（即活块）。起模时，先起出主体模样，然后再从侧面取出活块。其造型费时，工人技术水平要求高。主要用于单件、小批生产带有突出部分、难以起模的铸件。,活块造型,5、刮板造型是用刮板代替实体模样造型，它可降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，工人技术水平要求高。用于有等载面或回转体的大、中型铸件的单件、小批生产、如带轮、铸管、弯头等。,刮板造型,6、组芯造型是用若干块砂芯组合成铸型，而无需砂箱。它可提高铸件的精度，但成本高。适用于大批量生产形状复杂的铸件。,7、地坑造型在地平面以下的沙坑中或特制的地坑中制造下型的造型方法，特点是省掉了下砂箱，但造型操作麻烦。用于中型、大型铸件单件或小批量生产。,8、假箱造型是为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不参予浇注，故称假箱。比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。适用于成批生产中需要挖砂的铸件。,假箱造型,（二）机器造型 机器造型是指用机器全部完成或至少完成紧砂操作的造型工序。机器造型铸件尺寸精确、表面质量好、加工余量小，但需要专用设备，投资较大，适合大批量生产。常用的机器造型方法有：压实紧实、高压紧实、震击紧实、震压紧实、微震紧实、抛砂紧实、射压紧实、射砂紧实。,（三）造芯芯的主要作用是形成铸件的内腔或局部外形。单件、小批生产时采用手工制芯，大批生产时采用机器制芯。手工制芯常采用芯盒制芯。,（四）浇铸系统与冒孔 在造型过程中，开设浇铸系统与冒口是非常重要的操作。浇铸系统 将液态金属平稳的导入、填充型腔与冒口的通道，称为浇注系统。通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成。除导入液态金属外，浇注系统还起到挡渣、补缩与调节铸件的冷却顺序等作用。,冒口在铸型中，储存和供补缩铸件用熔融金属的空腔，也指该空腔中充填的金属。其作用是补缩、排气和除渣。冒口设置于铸件的顶部或“热节”处。,（五）铸型、型芯的烘干及合箱铸型、型芯的烘干目的是提高铸型与型芯的强度、透气性，以及减少其挥发性气体。通常，型芯都要进行烘干，而铸型实在不能保证铸件质量时，才进行烘干。合箱把铸型的各部分以及型芯装配在一起的操作，称为合箱。其工艺要点是要保证铸型型腔的尺寸与形状，以及型芯相对位置的稳固。,四、铸造工艺图铸造工艺图是表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸、控制凝固措施（冷铁、保温衬板）等的图样。图中应表示出：铸件的浇注位置、分型面、型芯的数量、形状、尺寸及固定方法、加工余量、起模斜度、浇口、冒口、冷铁的尺寸和位置。,（一）浇注位置及分型面的选择浇注位置是指浇注时铸件所处的位置。分型面是指两半个铸型相互接触的表面。一般先从保证铸件的质量出发来确定浇注位置，然后从工艺操作方便出发确定分型面。1、浇注位置的选择浇注位置的选择应考虑以下原则：1）一般情况，铸件浇注位置的上面比下面铸造缺陷多，所以重要加工面、耐磨表面等质量要求较高部位应置于下面或侧面。,图11-17 机床床身浇注时的位置,2）浇注位置的选择应有利于铸型的充填和型腔中气体的排出，所以具有大面积的薄壁铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部，同时要尽量使薄壁部分处于垂直位置或倾斜位置，以防止出现浇不足和冷隔等缺陷。见,图11-20 箱盖浇注时的位置,平板浇注时的位置,3）体积收缩大的合金及壁厚差较大的铸件，应按顺序凝固的原则，将壁厚较大的部位和铸件的热节部置于上部或侧部，以便设置冒口进行补缩。,4）尽量减少型芯的数目，最好使型芯位于下型以便下芯和检查，同时应保证型芯在铸型中安放牢靠、排气通畅。,2、分型面的确定选择 1）分型面应尽量采用平面分型，避免曲面分型，并应尽量选在最大截面上，以简化模具制造和造型工艺。,不正确,分型面应选在最大截面处,正确,动画：分型面选择原则5,20,目录,2）应使铸件的加工面和加工基准面处于同一砂型中，而且尽可能放在下型，以便保证铸件尺寸的精确。,3）尽量减少分型面的数目，最好只有一个分型面，减少活块的数目。,不合理 合理,图11-24 绳轮采用砂芯使三箱造型变为两箱造型,4）尽量将铸件全部或大部放在同一砂箱以防止错型、飞翅、毛刺等缺陷，保证铸件尺寸的精确。见图95。,不合理 合理,分型面的位置应能减少错型、飞翅,5）应尽量减少砂芯的数目,6）分型面的选择应尽量与铸型浇注时位置一致。,（二）铸造工艺参数的选择铸造工艺参数通常是指铸型工艺设计时需要确定的某些工艺数据。,（1）收缩余量为了补偿件收缩，模样比铸件图样尺 寸增大的数值。,（2）起模斜度（拔模斜度）为使模样容易从铸型中取出或型芯自芯盒中脱出，平行于起模方向在模样或芯盒壁上的斜度称为起模斜度。凡垂直于分型面（分盒面）的没有结构斜度的壁均应设起模斜度。起模斜度的大小，应根据模壁测量面高度、模样材料及造型方法确定。,（3）加工余量为保证铸件加工面尺寸和零件精度，在铸件工艺设计时预先增加而在机械加工时切去的金属层厚度。零件上需要加工的表面，应需有适当的加工余量。铸件加工余量的大小取决于铸件的材料、铸造方法、铸件尺寸与复杂程度、生产批量、加工面与基准面的距离及加工面在铸型中的位置、加工精度要求等。灰铸铁件较铸钢件线收缩率小、熔点低，铸件表面较光洁、平整，故其加工余量小；非铁合金铸件表面光洁、且材料昂贵、加工余量应比铸铁件小 铸件的尺寸愈大或加工面与基准面的距离愈大，铁件的尺寸误 差也愈大，故余量也应随之加大；大量生产时，因采用机器造型，铸件精度高，故余量可减小；反之，手工造型误差大，余量应加大；浇注时朝上的表面，因产生缺陷的机率大，其加工余量应比底 面和侧面大。加工余量的具体数值应根据加工余量国家标准和铸件尺寸公差标准配套使用选取。,（4）最小铸出孔及槽零件上的孔、槽、台阶等应从铸件质量及经济方面考虑。较大的孔、槽等应铸出来，以便节约金属和机构加工工时，同时还避免铸件局部过厚所造成的热节，提高铸件的质量，较小的孔槽，则不宜铸出，直接加工反而方便；如有特殊要求，且无法实行机加工的孔如弯曲孔，则一定要铸出。,（5）型芯头芯头是指伸出铸件以外不与金属液接触的砂芯部分，其功用是定位、支撑和排气。为了承受砂芯本身重力及浇注时液体金属对砂芯的浮力，芯头的尺寸应足够大才不致破坏；浇注后，砂芯所产生的气体，应能通过芯头排至铸型以外，在设计芯头时，处理要满足上面的要求，还应做到下芯、合型方便，应留有适当斜度，芯头与芯座之间要留有间隙,铸造工艺图实例,第二节 铸造工艺基础,（一）合金的流动性及影响因素1、流动性是指液态金属本身的流动能力。合金流动性的好坏，通常以“螺旋形流动性试样”的长度来衡量，将金属液体浇入螺旋形试样铸型中，在相同的浇注条件下，合金的流动性愈好，所浇出的试样愈长。,浇不足缺陷,2、流动性的影响因素（1）合金的成分 1）合金的种类 不同种类的合金，具有不同的螺旋线长度，即具有不同的流动性。其中灰铸铁的流动性最好，硅黄铜、铝硅合金次之，而铸钢的流动性最差。,2）化学成分和结晶特征 纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶，是由铸件壁表面向中心逐渐推进，凝固后的表面比较光滑，对未凝固液体的流动阻力较小，所以流动性好。其它成分的合金是在一定温度范围内进行结晶，凝固时铸件内存在一个较宽的既有液体又有树枝状晶体的两相区。凝固温度范围越宽，则枝状晶越发达，对金属流动的阻力越大，金属的流动性就越差。,纯铁和共晶铸铁的流动性最好，亚共晶铸铁和碳素钢随凝固温度范围的增加，其流动性变差。,（2）浇注条件,浇注条件,浇注温度,充型压力,浇注系统,浇注温度越高，液态金属的粘度越小，合金液的流动性越好。但温度过高，氧化严重，流动性降低,液态金属在流动方向上所受的压力称为充型压力。充型压力越大,流动性越好。,浇注系统的结构越复杂，则流动阻力越大，流动性越低。,（3）铸型,铸型,铸型的蓄热能力,铸型温度,铸型中的气体,铸型从金属液中吸收和储存热量的能力。铸型的热导率和质量热容越大，对液态合金的激冷作用越强，合金液的流动性就越差。,提高铸型温度，可以降低铸型和金属液之间的温差，进而减缓了冷却速度，可提高合金液的流动能力。,铸型中气体越多，合金液的流动能力就越差。,（4）铸件结构,1）折算厚度铸件体积与铸件表面积之比。折算厚度越大，热量散失越慢，流动性就越好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。(大平面铸件不易成形),2）复杂程度铸件结构越复杂，流动阻力就越大，流动性就越差。,铸件的凝固过程：在铸件的凝固过程中，其截面一般存在三个区域，即液相区、凝固区、固相区。对铸件质量影响较大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。铸件的凝固方式就是依据凝固区的宽窄来划分的。凝固方式有：逐层凝固,糊状凝固,中间凝固.,铸件的凝固方式及影响因素铸件的凝固方式,（1）逐层凝固方式合金在凝固过程中其断面上固相和液相由一条界线清楚地分开，这种凝固方式称为逐层凝固。常见合金如灰铸铁、低碳钢、工业纯铜、工业纯铝、共晶铝硅合金及某些黄铜都属于逐层凝固的合金。（2）糊状凝固方式 合金在凝固过程中先呈糊状而后凝固，这种凝固方式称为糊状凝固。球墨铸铁、高碳钢、锡青铜和某些黄铜等都是糊状凝固的合金。（3）中间凝固方式 大多数合金的凝固介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固方式。中碳钢、高锰钢、白口铸铁等具有中间凝固方式。,影响凝固的主要因素,*合金的结晶温度范围：合金的结晶温度范围越小，凝固区域越 窄，越趋向于逐层凝固。在铁碳合金中普通 灰铸铁为逐层凝固，高碳钢为糊状凝固。*铸件的温度梯度：在合金结晶温度范围已定的前提下，凝 固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其 凝固区相应由宽变窄。,合金收缩的三个阶段,（二）合金的收缩合金从液态冷却至室温的过程中，其 体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。,1.液态收缩 金属在液态时由于温度降低而发生的体积收缩。2.凝固收缩 熔融金属在凝固阶段的体积收缩。液态收缩和凝固收缩是铸件产生缩孔和缩松的基本原因。3.固态收缩 金属在固态时由于温度降低而发生的体积收缩。固态收缩对铸件的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。,合金收缩,固态收缩,液态收缩,凝固收缩,缩孔:恒温下结晶,缩松:两相区结晶,裂纹,变形,应力,线形收缩,影响合金收缩的因素,化学成分 不同成分的合金其收缩率一般也不相同。在常用铸造合金中铸刚的收缩最大，灰铸铁最小。浇注温度 合金浇注温度越高，过热度越大，液体收缩越大。铸件结构与铸型条件 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍，又加之铸型和型芯对铸件收缩的阻力，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率。这种阻力越大，铸件的实际收缩率就越小。,二、铸造缺陷分析与铸件质量控制（一）缩孔和缩松铸件在凝固过程中，由于合金的液态收缩和凝固收缩，往往在铸件最后凝固的部位出现空洞，容积大而集中的孔洞为缩孔，细小而分散的孔洞为缩松。,1、缩孔的形成:纯金属、共晶成分和凝固温度范围窄的合金，浇注后在型腔内是由表及里的逐层凝固。在凝固过程中，如得不到合金液的补充，在铸件最后凝固的地方就会产生缩孔.,2、缩松的形成原因:铸件最后凝固的收缩未能得到补足，或者结晶温度范围宽的合金呈糊状凝固，凝固区域较宽，液、固两相共存，树枝晶发达，枝晶骨架将合金液分割开的小液体区难以得到补缩所致。,3、影响缩孔、缩松形成的因素（1）合金的成分缩孔:结晶温度范围越小的合金，产生缩孔的倾向越大缩松:结晶温度范围越大的合金，产生缩松的倾向越大（2）浇注过程浇注温度、浇注速度等均影响合金的总体积收缩。浇注温度高，形成缩孔的倾向大；浇注慢，缩孔的容积小。（3）铸型条件 表现在铸型对铸件冷却速度的影响。铸型的激冷能力大，缩孔的容积越小。湿型比干型的冷却能力强，金属型比砂型的冷却能力强。（4）铸件结构,1、原理顺序凝固原则 即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道，如下图所示。,动画：定向凝固,18,4、消除缩孔和缩松的方法,2、方法1）合理布置内浇道及确定浇铸工艺。浇注系统的不同引入位置即内浇道，与铸件各部分的温度分布有直接关系。浇注位置的选择应服从顺序凝固原则；内浇道应开设在铸件的厚壁处或靠近冒口；要应根据铸件结构、浇注系统类型来选择浇注温度和浇注速度。用高的浇注温度缓慢地浇注，有利于“顺序凝固”；通过多个内浇到低温快浇，有利于实现同时凝固原则。,2）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。冒口的尺寸应保证冒口比铸件被补缩部位凝固的晚，并有足够的金属液供给。冷铁：由金属材料制成的激冷物称激铁，包括铸铁、钢材、铜等金属材料。将冷铁放入铸型某一特定部位，用以加速铸件某局部热节的冷却，是消除铸件中缩孔和缩松的有效措施。,补贴：对于板件和壁后均匀的薄壁件，由于冒口的有效补缩距离所限，往往在铸铁的内部仍产生缩孔和缩松。若在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度，使铸件壁厚变成朝冒口铸件增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度。所增加的楔形部分，称为“补贴”。,（二）铸造应力、变形和裂纹铸件在凝固之后的继续冷却过程中，随温度的不断降低，收缩不断发生，如果这种收缩受到阻碍，就会在铸件内产生应力，称为铸造应力，引起变形或开裂，这种缺陷的产生，将严重影响铸件的质量。,铸造应力,热应力,收缩应力,铸件在凝固和冷却的过程中，由于铸件的壁厚不均匀，导致不同部位不均衡的收缩而引起的应力。,铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、砂箱等外力阻碍而产生的应力。,铸件铸出后存在于铸件不同部位的内应力称为残留应力。,相变应力,铸件在冷却过程中会产生固态相变，由于铸件各部分冷却速度不同，导致相变不同时发生，则会产生相变应力。,热应力的形成过程,热应力是铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大，合金的线收缩率越高，热应力越大。热应力的预防是尽量减少铸件各部位间的温度差，使其均匀地冷却，如在厚大处防止冷铁、提高浇注温度、铸件的壁厚均匀等。,收缩应力的形成过程,2、铸件的变形与防止变形残余应力的存在，使铸件处在一种非稳定状态，将自发地通过铸件的变形来缓解其应力，以回到稳定的平衡状态。,结论：厚部、心部受拉应力，出现内凹变形。薄部、表面受压应力，出现外凸变形。,铸件的结构：铸件各部分能自由收缩 工艺方面：采用同时凝固原则（同时凝固是指通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件温差尽量变小，基本实现铸件各部分在同一时间凝固）时效处理：人工时效；自然时效,铸件的结构尽可能对称铸件的壁厚尽可能均匀,铸件变形的消除方法,3、铸件的裂纹与防止裂纹当铸造应力大到一定程度，超过金属的强度极限时，铸件便将产生裂纹。是严重的铸造缺陷，必须防止。按裂纹形成的温度范围分为热裂和冷裂。（1）热裂铸件在合金凝固末期的高温下形成的。外观形状曲折而不规则，裂口表面呈氧化色，裂口沿晶粒边界通过。,防止：铸件结构合理，改善铸型和型芯的退让性，减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇道设置应符合同时凝固原则；此外，减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度，特别是硫是合金的热脆性增加，导致热裂倾向增大。,防止：铸件结构合理，改善铸型和型芯的退让性，减小浇冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇道设置应符合同时凝固原则；此外，减少合金中有害杂质硫、磷含量，可提高合金高温强度，特别是硫是合金的热脆性增加，导致热裂倾向增大。,（2）冷裂铸件在低温下形成的裂纹。外观形状呈连续直线状或圆滑曲线，而且常是穿过晶粒；裂口干静，具有金属的光泽或呈轻微氧化色。冷裂常出现在形状复杂大工件的受拉伸部位，特别是具有应力集中处（如尖角、缩孔、气孔、夹渣等附近）。有些冷裂纹实在铸件清理、搬运或机械加工时，受到震击才出现。脆性大、塑性差的合金，如白口铸铁、高碳钢及某些合金钢最易产生冷裂纹。,带轮的轮缘、轮辐比轮毂薄，因此冷却速度快，比轮毂先收缩，轮辐中产生拉应力，使轮辐发生断裂。同样的原因，飞轮的轮缘中产生的拉应力也易使轮缘发生断裂。,一、偏析铸件中出现化学成分不均匀的现象称为偏析。铸件的偏析可分为晶内偏析、区域偏析和体积质量偏析三类。(1)晶内偏析（又称枝晶偏析）晶粒内各部分化学成分不均匀的现象，这种偏析出现在具有一定凝固温度范围的合金铸件中。为防止和减少晶内偏析的产生，在生产中常采取缓慢冷却或孕育处理的方法。(2)区域偏析铸件截面的整体上化学成分和组织的不均匀。避免区域偏析的发生，主要应该采取预防措施，如控制浇注温度不要太高，采取快速冷却使偏析来不及发生，或采取工艺措施造成铸件断面较低的温度梯度，使表层和中心部分接近同时凝固。(3)比重偏析铸件上、下部分化学成分不均匀的现象。为防止比重偏析，在浇注时应充分搅拌金属液或加速合金液的冷却，使液相和固相来不及分离，凝固即告结束。,铸造合金的偏析和吸气性,二、铸件中的气孔和合金的吸气（1）侵入性气孔 由于铸型表面聚集的气体侵入金属液中而形成的孔洞。多位于铸件的上表面附近，尺寸较大，呈椭圆形或梨形，孔壁光滑，表面有光泽或有轻微氧化色。（2）析出性气孔 溶解在金属液中的气体，在凝固时由金属液中析出而未能逸出铸件所产生的气孔。其特征是尺寸细小，多而分散，形状多为圆形、椭圆形或针状，往往分布于整个铸件断面内。（3）反应性气孔浇入铸型中的金属液与铸型材料、型芯撑、冷铁或溶渣之间，因化学反应产生气体而形成的气孔，统称反应性气孔。这种气孔经常出现在铸件表面层下1mm-2mm处，孔内表面光滑，孔径1mm-3mm。,一、铸件质量对铸件结构的要求,1、铸件应有合理的壁厚（铸件壁厚介于临界壁厚和最小壁厚之间）,第三节 铸造的结构工艺性,最小壁厚：在各种工艺条下，铸造合金能充满型腔的最小厚度。主要取决于合金的种类、铸件的大小及形状等因素。临界壁厚：各种铸造合金都存在一个临界壁厚，在砂型铸造条件下，各种铸造合金临界壁厚约等于其最小壁厚的3倍。,缺陷：如果所设计铸件的壁厚小于允许的“最小壁厚”，铸件就易产生浇不足、冷隔等缺陷。在铸造厚壁铸件时，容易产生缩孔、缩松、结晶组织粗大等缺陷，从而使铸件的力学性能下降。,2、铸件壁的联接形式要合理1）铸件如果因为结构需要不能做到壁厚均匀，则不同壁厚的联接应采用逐渐过渡的形式。,2）对于铸件结构中有两个或三个甚至更多个壁相连的情况，可采用交错接头或环形接头的形式。,铸件壁联结应尽量避免金属积聚,3、铸件壁厚应力求均匀壁厚均匀，是指铸件的各部分具有冷却速度相近的壁厚，。铸件的内壁厚度应略小于外壁厚度。,铸件的壁厚应均匀,4、防止产生变形某些壁厚均匀的细长铸件，较大面积的平板铸件，以及壁厚不均匀的长形箱体都会由于应力而产生翘曲变形，采用合理的结构设计予以解决。,5、尽量避免过大的水平面过大的平面不利于金属液的填充，容易产生浇不到等缺陷，在进行铸件的结构设计时，应尽量将水平面设计成倾斜形状。,避免大水平壁的结构,6、铸件结构应避免冷却收缩受阻和有利于减小变形铸件在结构设计时，应尽量使其能自由收缩，以减小应力，避免裂纹。如图所示的弯曲轮辐和奇数轮辐的设计，可使铸件能较好地自由收缩。,轮辐的设计,二、铸件工艺对零件结构的要求,（一）铸件的外形设计 1、改进妨碍起模的凸台、凸缘和肋条的结构设计铸件上的凸台、凸缘和肋条结构时，应考虑便于造型起模，尽量避免使用活块或外壁型芯。,2、避免外部侧凹铸件在起模方向上若有侧凹，见图a，就必须再造型时增加较大的外壁型芯才能起模，若将其改成图b所示结构，则可省去外壁型芯，显然后一种结构是合理的。,铸件两种结构比较,3、应使铸件具有最少的分型面减少铸件分型面的数量，不仅可以减少砂箱的用量，降低造型工时，而且可以减少错箱、偏芯等缺陷，从而提高铸件的精度。,端盖的设计,a存在法兰凸缘，不能采用简单的两箱造型。b所示的结构，取消上部的凸缘，使铸件仅有一个分型面，则将大大简化造型操作。,4 应尽量使分型面平直平直的分型面可避免操作费时的挖砂造型或假箱造型；同时，铸件的毛边少，便于清理。,5.铸件要有结构斜度铸件上垂直于分型面的不加工表面应设计出一定的斜度，称为结构斜度。结构斜度便于起模，并可延长模具的使用寿命。铸件结构斜度的大小和许多因素有关，如铸件的高度、造型的方法等，高度越低，斜度应越大。凸台的结构斜度可达30-50。,铸件结构斜度,（二）铸件内腔的设计 1、有利于砂芯的固定和排气型芯的固定主要依靠芯头来保证，若采用图a的结构，则需要两个型芯，而且其中大的型芯呈悬臂状态，装配时必须采用芯撑作辅助支撑，若改成图b所示的形状，采用一个整体型芯来形成铸件的空腔，则既可增加型芯的稳固性，又改善了型芯排气和清理条件，显然后者的设计是合理的。,轴承架铸件,对于因芯头不足而难于固定型芯的铸件，在不影响使用功能的前提下，可设计出适当大小和数量的工艺孔，用以增加芯头的数量，稳固型芯，如图b所示。,增设工艺孔结构,2、应使铸件尽可能不用或少用型芯图a采用方形中空截面，为形成其内腔，必须采用型芯；图b所示工字形开式截面，则可避免型芯的使用，这样在简化造型的同时，也可保证铸件的质量，故后者的设计是合理的。,悬臂支架,3.铸件结构设计中应避免封闭空腔。图a所示铸件为封闭空腔结构，其型芯安放困难、排气不畅、难于清砂，可改成图b所示的结构。,铸件结构避免封闭内腔,第四节 特种铸造简介,所谓特种铸造，是指有别于砂型铸造方法的其他铸造工艺。特种铸造一般能至少实现以下一种性能：,提高铸件的尺寸精度和表面质量提高铸件的物理及力学性能提高金属的利用率(工艺出品率)减少原砂消耗量适宜高熔点、低流动性、易氧化合金铸造改善劳动条件，便于实现机械化和自动化,26,目录,特种铸造,特种铸造,金属型铸造,离心铸造,压力铸造,熔模铸造,低压铸造,挤压铸造,陶瓷型铸造,熔模铸造是用易熔材料制成模样，然后在模样上涂挂若干层耐火涂料制成型壳，经硬化后再将模样熔化，排出型外，从而获得无分型面的铸型。铸型经高温焙烧后即可进行浇注。(一)熔模铸造的工艺过程熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、结壳、脱蜡、焙烧和浇注等，其流程图及铸造过程示意图如下：,一、熔模铸造,熔模铸造,（二）熔模铸造的主要特点及适用范围1）铸件的精度和表面质量较高，尺寸公差等级可达IT14-IT11，表面粗糙度Ra值可达。2）适用于各种合金铸件。3）可制造形状较复杂的铸件，铸出孔的最小直径为0.5mm，最小壁厚可达0.3mm。4）工艺过程较复杂，生产同期长，制造费用和消耗的材料费用较高，多用于小型零件（从几十克到几千克），一般不超过25kg。,金属型铸造又称硬模铸造，是将液体金属浇入金属铸型，在重力作用下充填铸型，以获得铸件的铸方法。（一）金属型为保证使用寿命，制造金属型的材料具备如下的性能：高的耐热性和导热性，反复受热不变形，不破坏；一定的强度、韧性及耐磨性；好的切削加工性能。金属型材料一般选用铸铁、碳素钢或低合金钢。,二、金属型铸造,金属型铸造,（二）金属型铸造的工艺特点金属型预热 金属型预热温度主要通过试验来确定，一般不低于150。刷涂料 金属型表面应喷刷一层耐火涂料（厚度为0.3mm0.4mm），以保护型壁表面，免受金属液的直接冲蚀和热击。浇注 由于金属型的导热能力强，因此浇注温度应比砂型铸造高2030。铝合金为680740，铸铁为13001370，锡青铜为11001150，对薄壁小件取上限，对厚壁大件取下限。开型时间 对于金属型铸造，要根据不同的铸件选用合适的开型时间，具体数值需通过试验来确定。,（三）金属型铸造的特点和应用范围1、金属型铸件冷却快，组织致密，力学性能高。2、铸件的精度和表面质量较高3、浇冒口尺寸较小，液体金属耗量减少，一般可节约15%30%。4、不用砂或少用砂。金属型铸造的主要缺点是金属型无透气和退让性，铸件冷却速度大，容易产生浇不到、冷隔、裂纹等缺陷。适用的铸件形状和尺寸有一定的限制，主要适用于有色合金铸件的大批量的生产。,压力铸造（简称压铸）的实质是在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。常用压射压力为51500MPa，充填速度约55m/s，充填时间很短，约0.0102s。,三、压力铸造,压力铸造,（二）压铸的特点和应用1、压铸优点：1）铸件的尺寸精度最高，表面粗糙度Ra值最小。2）铸件强度和表面硬度都较高。3）生产效率很高，生产过程易于机械化和自动化。2、压铸缺点：1）压铸时，高速液流会包住大量空气，凝固后在铸件表皮下形成许多气孔，故压铸件不宜进行较多余量的切削加工，以免气孔外露。2）压铸黑色金属时，压铸型寿命很低，困难较大。3）设备投资大，生产准备周期长。,四、离心铸造是将液体金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下成型并凝固的铸造方法。,各种铸造方法的比较,表2-7常用铸造方法与砂型铸造方法的比较,常用铸造方法与砂型铸造方法的比较见表2-7。,35,