金属工艺学铸造

3.挖砂造型
第二篇 铸造（2－19）
挖砂造型的特点及应用
• 特点： 模样为整体模，造型时需挖去阻碍起模 的型砂，故分型面是曲面。造型麻烦，生 产率低。 • 应用范围： 单件小批生产模样薄、分模后易损坏或 变形的铸件。
用较低；在金属切削机床中，铸件占机床总重量75%以上， 而生产成本仅占15~30%。
三 砂型铸造生产过程
砂型铸造生产过程包括以下步骤：
绘制零件铸造工艺图——制造模样和芯盒—— 造型和造芯——下芯、合箱——浇注——落砂—— 清理——质量检验——获得合格铸件。
§3.1 造型方法的选择
一、手工造型 较灵活、对摸样要求不高，但对工人技术水平 要求高。 ⒈单件、小批量生产 ⒉成批生产 二、机器造型（造芯） ⒈基本原理 图2-24 2-25 2-26 ⒉工艺特点 不能三箱造型，避免活块
砂型铸造
概述
砂型铸造是将液态金属浇入砂型经冷凝后获得铸件的方法 。
一


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铸造工艺图： 是在零件图上用各种工艺符号及参数表示出铸造工艺方 案的图形。 铸造工艺图的作用： 是指导模样（芯盒）设计、生产设备、铸型制造和铸件 检验的基本工艺文件 铸造工艺图所含内容（9项） 浇注位臵，铸型分型面，型芯的数量、形状、尺寸及其 固定方法，加工余量，收缩率，浇注系统，起模斜度， 冒口和冷铁的尺寸和布臵等。
二、浇注条件
1、浇注温度 浇注温度越低 则充型能力越差 （铸件容易产生 冷隔、浇不到） 浇注温度越高 则充型能力越强（铸件容易产生 缩孔、缩松、粘沙、析出性气孔、粗晶） 2、充型压力 压力↑→充型能力↑（提高直浇道高度）
§1.2 铸件的凝固与收缩
一、铸件的凝固方式 在铸件的凝固过程中，其断面上一般存在三个区域， 即固相区、凝固区和液相区，其中对铸件质量影响较 大的主要是液相和固相并存的凝固区的宽窄。
① 纯金属和共晶成分的合金是在恒温下结晶的。由 表层向中心逐层推进(称为逐层凝固)方式，固体 内层内表面比较光滑，流动阻力小，流动性好。 ② 其它成分合金是在一定温度范围内逐步凝固的 (糊状凝固)，固体内表面粗糙不平，液体本身有 晶体部分，流动性很差。 远离共晶点成分的合金，流动性差些。 • 铸钢(通常C<0.6%)熔点较高，钢液过热度比铸铁小 (浇注温度和液相线温度差称过热度)，维持流 动时间短，另外，钢液浇注后迅速结晶出树枝 品，使钢液很快失去流动性。
⒉冷裂 ● 是在低温下形成的裂纹。 ● 特征： 裂纹细小，呈连续直线状，有时有轻微的氧化色。 ● 出现部位： 形状复杂的受拉伸部份，特别是应力集中处，如尖角、孔洞处。 ●塑性好的合金通过塑性变形应力自行缓解，故冷裂 倾向小，塑性差，脆性大的合金易冷裂如：高锰钢、 高碳钢含磷高时易冷裂。控制钢中的含P量。
1、逐层凝固 纯金属或共晶成分合金凝固过程中不存在液、固并存 现象，液固界限清楚分开，称为逐层凝固。
2、糊状凝固 合金的结晶温度范围很宽，温度分布较平坦(内外 温度较小)，整个断面内均为液固并存，先呈糊状 而后固化，称为糊状凝固。 3、中间凝固 介于逐层凝固和糊状凝固之间。 4、铸件质量与凝固方式密切相关 逐层凝固，充型能力强，便于防治缩孔、缩松 灰铸铁和铝硅合金等倾向于逐层凝固 糊状凝固，难以获得结晶紧实的铸件 球铁倾向于糊状凝固
附归纳：铸件中的气孔气体来源： * 铸件中的气孔是最常见的缺陷，按气体来源可分为 ● 侵入气孔 是砂型表面聚集的气体侵入而成。常在铸件上表面。 增加铸型的排气能力可预防之。 ● 析出气孔 因温度下降，气体溶解度下降而析出气孔尺寸小， 分布广，有时可遍及整个截面。 ● 反应气孔 金属与铸型材料等之间发生化学反应而产生的气体。 大多分布在铸件表层下1~2mm处。
• 铸件的常见缺陷 ： • 砂型铸造铸件缺陷有：冷隔、浇不足、气孔、粘砂、夹砂、砂眼、胀砂等。 • 1．冷隔和浇不到 • 液态金属充型能力不足，或充型条件较差，在型腔被填满之前，金属液便停 止流动，将使铸件产生浇不足或冷隔缺陷。
• 浇不到时，会使铸件不能获得完整的形状； • 冷隔时，铸件虽可获得完整的外形，但因存有未完全融合的接缝，铸件的力 学性能严重受损。 • 防止浇不足和冷隔：提高浇注温度与浇注速度。 • 2．气孔 • 气体在金属液结壳之前未及时逸出，在铸件内生成的孔洞类缺陷。防止气孔 的产生：降低金属液中的含气量，增大砂型的透气性，以及在型腔的最高处 增设出气冒口等。 • 3．粘砂 • 铸件表面上粘附有一层难以清除的砂粒防止粘砂：在型砂中加入煤粉，以及 在铸型表面涂刷防粘砂涂料等。
一、合金的流动性
• 流动性：液态合金本身的流动能力，称为流动性. 合金的流动性能愈好，充型能力愈强。 1 是合金的主要铸造性能之一. 铸铁流动性较好，铸 钢较差。 2 影响合金的流动性的主要因素是合金的化学成分， 亚共晶铸铁随含碳量增加离共晶点越近，结晶温度范 围减小，流动性提高。
流动性差： 铸件易产生浇不到、冷隔、气孔和 夹杂等缺陷。 流动性好： 易于充满型腔，有利于气体和非金 属夹杂物上浮和对铸件进行补缩。
第二篇 铸造（2－6）
图 3.1-4
缩孔形成示意图
(2)缩松 条件：糊状凝固和结晶温度较宽的合金。 位臵：宏观缩松--铸件中心轴线处或缩孔下方。 微观缩松--枝晶间。 缩松分为宏观和显微两种，显微缩松分布 更为广泛。 形成过程与缩孔相似。如图 (3)缩松、孔与合金的关系 ⊙ 逐层凝固合金，缩孔倾向大，如纯金属、 共晶合金或结晶温度范围窄的合金。 ⊙ 糊状凝固合金，缩松倾向大。
二 铸造工艺特点及应用
可制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯，如箱体、
床身、气缸体等。
适应范围广。工业上常用的金属材料都可铸造；铸件大
小几乎不限（铸件外形尺寸可从几毫米到十几米，壁厚 可从1mm到1m ） ；生产的批量不限，既适用于单件小批 生产，又适用于大批量生产。
成本低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费
砂
芯：为获得铸件的内孔或局部外形，用芯砂 或其他材料制成的，安放在型腔内部的铸型组元。 芯 盒：制造砂芯所用的装备。
三 造型和制芯 （一）造型 1 ，手工造型
（1）整模造型：适合形状简单且横截面依次减小的铸件 （2）分模造型：适于最大截面在中间的铸件 （3）挖砂造型：分型面不是平面的铸件单件小批生产 （4）活块造型：适于带有难起模的凸起部分的铸件 （5）刮板造型：适于大中型回转体的铸件 （6）多箱造型：适于形状复杂中间截面小的铸件
二、铸造合金的收缩
• 收缩 ﹡合金从浇注、凝固直至冷却到室温，其体积或尺寸缩减 的现象，称收缩。 ﹡收缩是多种铸造缺陷的根源，如缩松(孔)，裂纹等。 • 收缩的三个阶段 (1)液态收缩 处于液态，温度下降，体积收缩。 (2)凝固收缩 分为状态改变和温度下降两部分组成，体积收缩，是 缩松(孔)的基本原因。 (3)固态收缩 由固相线温度到室温时收缩，尺寸收缩，是铸造应力和变 形、裂纹基本原因。
三、铸件的裂纹与防止 * 当铸造内应力超过金属的强度极限时，将产生裂纹。 ⒈热裂 ●热裂是在高温下形成的裂纹。 因为是高温，所以缝内呈氧化色，缝隙宽，形状曲折。 ●形成热裂的主要因素 ⑴合金性质 结晶温度范围宽、液、固两相绝对收缩量愈大， 热裂倾向也愈大。 另外，含硫（S）高，热裂倾向也大。 灰铸铁、球铸热裂倾向小。 铸钢、可锻铸铁热裂倾向大。 ⑵铸型阻力 铸型的退让性愈好，机械应力愈小，热裂倾向小。 砂土中加入少量锯木屑可增加退让性。
2、机械应力 形成：合金的固态收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的内应 力。 机械应力在铸件落砂后可自行消除。 但若机械应力与热应力共同作用，过大时，可能造成铸件的裂 纹。 二、铸件的变形与防止 当铸件内残留铸造应力超过材料屈服极限时，往往产生翘 曲变形。 即自发地通过变形来减缓其内应力。 防止措施： 1)工艺上采用同时凝固（冷铁），减小温差，均匀冷却； 2)设计时尽量使铸件壁厚均匀，形状对称； 3)时效处理。自然时效，将铸件臵于露天半年以上； 人工时效，550-650℃去应力退火。 4)严格控制 S, P 含量。
缩松的形成 ：主要出现在呈糊状凝固方式的合金中或断面较大 的铸件壁中，是被树枝状晶体分隔开的液体区难以得到补缩所致。 缩松大多分布在铸件中心轴线处、热节处、冒口根部、内浇口附 近或缩孔下方，如图1-7所示。
2、缩孔、缩松的防止 1 防止缩松、缩孔的措施：顺序凝固，实现顺序凝固， 就可实现“补缩”。 2 实现顺序凝固的方法：设冒口，加冷铁等。 3 倾向于糊状凝固的合金，整个截面上有树枝状晶架， 难以避免显微缩松。 思考：什么是顺序凝固？
基本造型方法
• 整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、三 箱造型
1.整模造型
整模造型的特点及应用
• 特点： 分型面为平面，铸型型腔全部在一个砂箱内，造 型简单，铸件不会产生错箱缺陷。 • 应用范围： 铸件最大截面在一端，且为平面。
2.分模造型
第二篇 铸造（2－17）
分模造型的特点及应用
• 特点： 模样沿最大截面分为两半，型腔位于上、 下两个砂箱内。造型方便，但制作模样较 麻烦。 • 应用范围： 最大截面在中部，一般为对称性铸 件。
特种铸造方法如:熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造 等。
第一章
铸造工艺基础
§1.1 液态合金的充型
• 合金的铸造性能:铸造成形时获得外形准确内部健全铸件 的能力.(包括流动性,凝固特性,收缩率,和吸气性) • 充型：液态合金填充铸型的过程，简称充型。 • 充型能力：液态合金充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓 清晰铸件的能力。 1.1.1影响充型能力的主要因素 * 合金的流动性 * 浇注条件 * 铸型填充条件
冒口
第二篇 铸造（2－8）
•
浇注系统
冷铁
图 3.1-6
冒口补缩示意图
§1.3铸造内应力、变形和裂纹
• 铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍， 铸件内部将产生内应力。有些内应力是暂存的。有的一直保 留到室温。后者称为残余内应力。 铸造内应力是铸件产生变形、裂纹的基本原因。 一、内应力的形成 按照内应力的产生原因，分为热应力和机械应力两种 1、热应力 *原因：是由于铸件壁厚不均匀，各部分的冷却速度不同， 以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起。 铸件的壁厚差别愈大，线收缩率愈大， 弹性模量愈大，热应力愈大 *预防热应力的途径： 减小个部分间的温差，均匀地冷却。
铸造
概述
一 定义： 将液态金属浇注到具有与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔 中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，称为铸 造。 二 特点： (1)可制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯。（如箱体、 气缸体） (2)适应范围广。 (3)铸造可直接利用成本低廉的废机件和切屑，设备费用较低。 (4)废品率较高， (5)劳动条件差，劳动强度大. 三 应用： 用于制造受力较简单，形状复杂的零件毛坯. 四 工艺方法:1砂型铸造 2特种铸造
铸件的实际收缩率与其化学成分、浇注温度、铸件结构和铸型 条件有关。
三、铸件中的缩孔与缩松 1、缩孔与缩松的形成 形成原因 液态合金在冷凝过程中，液态收缩和凝固收缩 的容积得不到补足而形成。(补缩) (1)缩孔 条件：结晶温度间隔窄的合金－逐层凝固。 位臵：通常在铸件上部，或最后凝固的部分。 大小：合金的液态收缩↑，凝固收缩↑ →缩孔容积↑ 浇注温度↑→缩孔容积↑ 铸件较厚→缩孔容积↑ 形成过程：如图
§附加： 砂型制作
一 ，造型材料（制造砂型和型芯的材料） 1 型（芯）砂的组成 1）原砂 （石英砂SiO2) 2）粘结剂 3）附加物 4）水 粘结剂分为： 普通－陶土（湿型）， 白泥（干型） 特殊－桐油，工业油脂 2 型砂应具备的性能 强度，透气性，耐久性，退让性，韧性。
二、基本术语
铸
型：用型砂、金属或其他耐火材料制成；包括 形成铸件形状的空腔、型芯和浇冒系统的组合整体。 型 腔：铸型中造型材料所包围的空腔部分。 铸 件：用铸造方法制成的金属件，一般作毛坯用。 分型面：铸型组元间的接合面。 分模面：模样（木模）组元间的接合面。 木模（模型）：由木材、金属或其他材料制成，用 来形成铸型型腔的工艺装备。