材料成形工艺-液态金属铸造成形工艺基础

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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
3.1、机械作用： 金属液对铸型的冲刷作用 冲砂——铸件多肉、包砂 金属液对型面的压力作用 型壁移动——铸件披缝、鼓胀
铸型对金属凝固收缩的阻碍 拉伸应力——铸件变形、裂纹
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁件中的石墨化程度控制：
石墨化程度主要受控于合金化学成分和冷却速度这两个因素。
冷却速度的影响： • 铸件缓慢冷却，有利于石墨化； • 同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不 同，在铸件不同部位采用不同的铸型材料，可以在局部形成 不同的组织和性能； • 壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也 随之而变，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。
•耐磨性好，适于制造润滑状态下工作的导轨、衬套和活塞环 等。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁牌号区分：
分别代表抗拉强度和抗弯强度
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁的生产特点：
• 主要在冲天炉内熔化，高质量的可用电炉熔炼。
应当注意气孔缺陷与疏松缺陷的差别和关联。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
铸件中气孔的形成：
卷入气孔的形成
气孔的一般分布区域
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
4、常用铸造合金及其熔炼：
黑色金属——
不同的石墨形态对铸铁性能产生不同影响。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
4.1、铸铁及其熔炼：
不同的石墨形态对 铸铁性能产生不同 影响；
通过优化熔炼及铸 造工艺，改善铸铁 中的石墨形态，对 于提升铸件性能和 品质十分重要。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
夹砂缺陷 (a)夹砂结疤/包砂 (b)鼠尾
夹砂形成示意图
夹砂结疤缺陷通常发生于铸件上表面，鼠尾缺陷通常发生于铸件下表面。
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一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
3.3、化学作用： 构成铸件的金属与铸型之间可能发生化学反应。
•尤其是金属氧化物与铸型中的氧化物发生化学反应， 形成低共熔点的产物，将铸件与铸型相互粘结。
铸型材料对铸件的表面质量及内部性能均产生显著影响。
某些情况下需使用涂料对型腔表面进行处理。 13
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ制
2、铸型应满足的要求
2.3、铸型的温度：
常温：铸型在室温条件下直接进行浇注 金属液与铸型的热作用剧烈，冷却强度大，热冲击显著
预热：将铸型预热到一定温度后再进行浇注 可在一定程度上降低冷却强度，缓解热冲击，延长铸型 寿命
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁性能特点：
•σb约为100~350MPa，抗压强度与钢接近，一般可达600~ 1200MPa，塑性和韧度近于零，属于脆性材料；
•不能锻造和冲压，焊接时产生裂纹的倾向大，焊接性差；
•铸造性能优良，切削加工性能好，减振能力为钢的5~10倍， 是制造机床床身、机座的主要材料；
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁： 显微组织为金属基体（F、P、F+P）+片状石墨（G）
基体连续性只有60%左右，石墨对基体的割裂作用和尖端效 应较大，降低材料性能。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁件中的石墨化程度控制：
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用：
机械作用： 金属液在进入型腔时对铸型的冲刷作用； 金属液充入型腔后对铸型壁面的压力作用； 铸型对金属凝固收缩而产生的阻碍作用。
热 作 用： 金属热量向铸型的换热传输作用。
化学作用： 金属与铸型型壁元素的化学反应作用。
•若产生化学粘砂，将导致难以完成铸件表面清理。 金属与气氛相互作用，可能导致严重氧化、甚至燃烧。
如：2Mg + O2 = 2MgO + Q
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
铸件中气孔的形成：
气体的卷入、产生、析出或侵入： •金属液进入铸型时裹入气体——卷入气孔； •金属液中的气体析出——析出气孔； •金属液与铸型反应形成气孔——反应气孔； •铸型内气体膨胀而进入金属液——侵入气孔。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
2、铸型应满足的要求
2.1、铸型的结构：
➢铸型种类 ➢浇注位置 ➢分型面位置及数量 ➢开合型方式 ➢浇注系统结构
砂型的结构
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
2、铸型应满足的要求
2.1、铸型的结构：
➢铸型种类 ➢浇注位置 ➢分型面位置及数量 ➢开合型方式 ➢浇注系统结构
石墨化程度主要受控于合金化学成分和冷却速度这两个因素。
化学成分的影响： • 碳是形成石墨和促进石墨化的元素； • 硅是强烈促进石墨化的元素； • 硫是严重阻碍石墨化的元素； • 锰能抵消硫的有害作用，属于有益元素,但过多则阻碍石墨
化,一般控制为0.6%~1.2%； • 磷的影响不显著。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
• 铸造性能优良，工艺简单，便于制造出薄而复杂的铸件，多 采用同时凝固原则，不需要加补缩冒口和冷铁；
• 只有高牌号铸铁采用顺序凝固原则；
• 主要用砂型铸造，浇注温度较低，对型砂的要求较低，中小 件大多采用经济简便的湿型铸造。
合金液成分对铸件性能起决定性的作用。
温度符合要求——合金液应具备适当的温度条件 合金液温度对充型过程、凝固过程均产生显著影响。
某些情况下还需要对合金液进行精炼、除气等处理。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
1、金属液应满足的要求
1.2、合金成分的控制：
1、根据铸件性能要求选定合金牌号及铸造方法； 2、根据合金牌号及成分计算配料； 3、根据合金牌号制定合金熔炼工艺。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
4.1、铸铁及其熔炼：
铸铁的一般成分范围：C(2.5-4.0)%、Si(1.0-3.0)%、 Mn(0.5-1.4)%、P(0.01-0.5)%、S(0.02-0.20)%等，还可以 加入一定量的合金元素以改善和提高其力学及物理化学性 能。
铸造的基本工艺要素是：熔融金属液 预先制备的铸型
铸造的基本工艺过程是：充型过程 凝固过程
铸造的基本考核指标是：形状精确性
性能及其稳定性
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
概述
概述
• 本章的重点内容
1、哪些基本工艺要素会对铸造考核指标产生影响？ 2、哪些基本工艺过程会对铸造考核指标产生影响？ 3、如何控制铸造成形的基本工艺要素？ 4、如何控制铸造成形的基本工艺过程？
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
★ 铸造的基本工艺要素：
成分
温度
熔融金属液
结构
材质
温度
预先制备的铸型
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
1、金属液应满足以下要求：
成分符合要求——各元素含量在标称范围内 合金液含气量、杂质含量在允许范围内
一、基本工艺要素及其控制
4、常用铸造合金及其熔炼：
有色金属——
铸造铝合金：以铝为主要成分，其合金化元素可包括硅、铜、 镁、锌，铸造铝合金密度低，熔点低，比强度较高，耐蚀性 优良；
铸造镁合金：以镁为主要成分，加入铝、锌等合金化元素， 可得到与铸造铝合金相近的抗拉强度，并得到较铝合金更高 的比强度及比刚度特性。
铸铁：含碳量大于2.11%的 铁碳合金，以铁、碳和硅为 主要元素的多元合金，硬而 脆，因成本低廉，铸造合金 中应用最广；
铸钢：以含碳不超过2.11%， 同时含有少量其它元素的Fe 基合金，凝固过程中不经历 共晶转变，塑性和韧性较铸 铁更高。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
通常使用可控功率的熔炼炉来实现合金温度的控制
坩埚炉
电炉
感应炉
可能需要将金属液静置一定时间以实现渣、气、金属液分离
变质处理工序则要求合金液在一定时间内完成浇注 9
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
2、铸型应满足以下要求：
具备适当的结构 铸型的结构影响充型过程和凝固过程，影响铸造的效率。 具备适当的材质 铸型的材质影响铸件的冷却速度、表面质量和内部性能。 具备适当的温度 铸型的温度影响铸件的冷却速度，同时对铸件缺陷产生和 铸型寿命有显著影响
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
灰口铸铁件中的石墨化程度控制：
石墨化程度主要受控于合金化学成分和冷却速度这两个因素。
冷却速度的影响： • 铸件缓慢冷却，有利于石墨化； • 同化学成分的铸铁，若冷却速度不同，其组织和性能也不同， 在铸件不同部位采用不同的铸型材料，可以在局部形成不同的 组织和性能； • 壁厚不同的铸件因冷却速度的差异，铸铁的组织和性能也随 之而变，必须按照铸件的壁厚选定铸铁的化学成分和牌号。
3、铸型与金属之间的相互作用
3.2、热作用： 冷却速度超出适当的工艺窗口 导致亚稳相的形成
型壁表面变形开裂 铸件表面质量差、夹砂结疤
金属液热量迅速导入铸型表层 热击——铸型破裂或表面龟裂
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
3、铸型与金属之间的相互作用
3.2、热作用不良导致的缺陷：
压铸型的结构
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一、基本工艺要素及其控制
2、铸型应满足的要求
2.2、铸型的材质：
一次型
永久型
➢ 砂 —— 石英砂、刚玉砂、锆砂、铬铁矿砂 ➢粘结剂 —— 粘土、水玻璃、硅溶胶、植物油、树脂 ➢金 属 —— 铸铁、铸钢、锻钢、铜合金、铝合金 ➢其 它 —— 石墨、石膏、陶瓷、……
应注意配料的加入顺序 对于易烧损元素应适量增加其配比 为避免元素过度损耗，应对熔炼气氛进行控制或进行覆盖 通过精炼处理除气，降低合金含气量 通过变质处理，形成丰富的形核核心以细化晶粒
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
1、金属液应满足的要求
1.2、合金温度的控制：
1、根据合金牌号及铸造方法确定适当的浇注温度范围； 2、精炼、变质等工序可能需要特殊的处理温度； 3、精炼、变质完毕后应将合金液调整到浇注温度。
铸铁的分类：
①按碳的存在形式分: 白口铸铁、灰口铸铁和麻口铸铁；
②按石墨存在形式分：灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、 蠕墨铸铁；
③按成分区分：普通铸铁、合金铸铁。 24
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
4.1、铸铁及其熔炼：
铸铁特点： • 生产设备和工艺简单、价格便宜； • 有良好的铸造性、切削加工性及减震性等优良的使 用性能和工艺性能。
材料成形工艺
第一部分 液态金属铸造成形工艺
第一部分 液态金属铸造成形工艺
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
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液态金属铸造成形工艺
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
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液态金属铸造成形工艺
第一章 液态金属铸造成形工艺基础
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
概述
概述
☺ 铸造：使熔融的金属液流入并凝固在预先制备的铸型中， 获得特定形状和性能的毛坯或零件(铸件)的方法或技术。
铸铁的主要应用范围： • 农业机械中占40～60％； • 汽车拖拉机中约占50～70％； • 机床制造中约占60～90％。
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第一章 液态金属铸造成形工艺基础
一、基本工艺要素及其控制
一、基本工艺要素及其控制
4.1、铸铁及其熔炼：
随碳含量及凝固条件的不同，铸铁中的碳以片状、球状、 絮状的石墨形态为存在形式。 石墨的力学特性σb=20MPa、HB3~5、δ= 0 • 割裂作用——减振、机械性能降低，断屑性能好； • 尖端效应：应力集中； • 润滑作用(自润滑和储油)：减摩和耐磨、切削性能好。