铸造成形工艺理论基础
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1600 1640 680~720 700 1040 1100
100 200 700~800 400~600 420 1000
• 液态金属本身的流动能力。 • 流动性充型能力易薄壁复杂铸件气 孔、夹渣、缩孔
灰铸铁、硅黄铜的流动性较好; 铸钢较差; 铝合金居中。 不同成分合金的结晶特性示意图见图1-2
铸造用 工艺材料
质量很高,如日本硅砂都经水洗,含泥量小 于0.2%
质量很差,砂只作筛分,含泥量在2%以 上
•
•
• • •
与工业发达国家相比,我国大型铸钢件生产在产 品品种、工艺水平、质量等级以及制造装备等整体 水平方面均存在着较大差距。 在大型核电设备中。主泵、核电汽轮机缸体等大 型铸钢件多采用不锈钢材料,其质量要求极高,我 国尚未掌握自主生产技术,基本全部依赖进口。主 要差距表现为: ①我国企业没有掌握这类大型不锈钢铸件整体铸造 工艺及技术; ②对材料冶炼中化学成分控制,特别是有害微量元 素控制以及钢的纯度控制水平不高; ③在材料力学性能控制及铸件质量的稳定性控制等 方面均存在差距。
砂型sand mould铸造工艺流程图
型砂molding sand配制造型砂型干燥 工装准备炉料准备合金冶炼 芯砂core sand配制造芯core making型芯干燥
合型浇注凝固冷却
落砂shakeout 清理cleaning 铸件检验入库
工艺三大块:冶炼,造型(芯)和浇注
图1-5 铸件缩孔形成过程示意图
缩孔形成过程图解
源自文库
•②缩松的形成(见图1-6):假定合金在恒温下凝固 或凝固温度范围较宽
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
图1-6 铸件缩松的形成过程
缩松分为宏观缩松和显微缩松:
砂型铸造造型生产线动画
• 铸件的质量(品质):直接影响到机械产品的质量(品 质)。提高铸造生产工艺水平是机械产品更新换代、 新产品的开发的重要保证,是机械工业调整产品结构、 提高生产质量(品质)和经济效益、改变行业面貌的关 键之一。 我国铸造现状:铸造是材料成形工艺发展历史上最悠 久的一种工艺,在我国已有6000多年历史了,2009 我国铸件年产量已超过3530万t。 • 由于历史原因,长期以来,我国的铸造生产处于较落 后状态。与当前世界工业化国家先进水平相比,我国 的铸造生产的差距不是表现在规模和产量上,而是集 中在质量和效率上。国内外铸造生产技术水平的比较 见表1。
(1)充满型腔; (2)形成符合要求的优质铸 件。
这个定义突出地表明了流动性对金 属液态成型工艺的重要性。如果流 动性不好,就不能充满型腔,就不 能形成符合要求的优质铸件。也说 明不同的合金具有不同的流动性特 点。在进行铸件设计和铸造工艺制 定时,必须考虑合金流动性。那么, 我们怎样衡量合金的流动性呢?
表1 国内外铸造生产技术水平的比较
比较项目 尺寸精度 表面粗糙度 使用寿命 铸件废品率 耗能/吨铸件 劳动生产率 熔炼技术 国 外 国 内
汽缸体和汽缸盖:一般为IT8~IT9 汽缸体和汽缸盖:<25μm 汽缸套为6000~10000h 美、英、法、日约为2% 360~370kg标准煤(合格铸件) 65t/人年 富氧送风,铁水温度>1500℃
• 污染环境,工作环境较差。铸造生产会产生粉尘、有害气 体和噪声对环境的污染,比起其他机械制造工艺来更为严 重,需要采取措施进行控制。(特种铸造工艺)
• 二、铸件成形工艺分类 按照形成铸件的铸型可分为: • 砂型铸造、金属型铸造、熔模铸造、壳型铸造、陶 瓷型铸造、消失模铸造、磁型铸造等。 按充型条件的不同可分为: • 重力铸造、压力铸造、离心铸造等。 • 传统上,将有别于砂型铸造工艺的其他铸造方法统 称为“特种铸造”。 • 砂型铸造应用最为广泛,世界各国用砂型铸造生产 的铸件占铸件总产量的90%以上。砂型铸造可分为 手工造型和机器造型两种,其工艺流程如图1所示。
缩 孔
缩 松
集中
上部, 最后
特殊 区域
较大
倒锥状
近共晶
分散
细小
不规则
远共晶
⑵缩孔和缩松的防止 ①缩孔的防止 防止产生缩孔的有效措施: 定向凝固
冒口riser:铸型中特设的空腔,用于 储备多余金属液体以弥补收缩引起的金 属液体不足。冷铁Chill:型壁上外设 的铁块,用于加快该处的冷却速度。 定向凝固directional freezing:是通 过安放冒口和冷铁等工艺措施,实现人 为的顺序凝固。
(2)铸件的温度梯度
S
成分
表层 中心
在合金结晶温度范围已定的前提下,凝固区域的宽 窄取决与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,则其对应的凝固区由宽变 窄 。
二、合金的收缩性(constriction )
1. 合金的收缩
合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程 中体积或尺寸缩减的现象称为收缩。 合金的收缩(控制不好)缩孔、缩松、 变形、裂纹。 合金在浇注、凝固直至冷却到室温的收缩 过程有三个阶段:要经历液态收缩、凝固收 缩和固态收缩三个互相联系的收缩阶段。
第二节 合金的铸造性能
• 合金的铸造性能是指在铸造过程中获得尺寸精确、 结构完整的铸件的能力。 • 主要包括合金的流动性、收缩性、吸气性及其成 分偏析倾向性等性能。 一、合金的充型 液态合金填充铸型的过程简称充型; 液态金属充满铸型,获得尺寸精确、轮廓清晰的 铸件的能力,简称充型能力。
在液态合金充型过程中,一般伴随结晶现象,若 充型能力不足时,在型腔被填满之前,形成的晶粒 将充型的通道堵塞,金属液被迫停止流动,于是铸 件将产生浇不足或冷隔等缺陷。浇不足使铸件未能 获得完整的形状;冷隔时,铸件虽可获得完整的外 形,但因存有未完全熔合的垂直接缝,铸件的力学 性能严重受损。 影响充型能力的因素有:合金的流动性、合 金的收缩性、合金的吸气性以及铸型性质、浇注条 件及铸件结构等因素的影响。
宏观缩松用肉眼或放大镜即可看到;
显微缩松用显微镜才能观察到。
缩孔形成机理:逐层凝固方式下最后 凝固部位得不到补充而形成的空隙。
缩松形成机理:树枝状晶体 dendritic crystal 所分隔的晶间液体区得不到补缩形 成的小孔隙。
缩孔、縮松动画
分布 特征
存在 部位
容积 大小
形状 特征
发生 材料
定向凝固directional freezing图解
温度 缩孔shrinkage
cavity
浇注系统 Pouring system
型腔mould cavity
3
2
1 距离
冒口 Riser
定向凝固动画
冷铁的使用图解
冷铁Chill
3
2
1
Chills are metallic objects, which are placed in the mould to increase the cooling rate of castings to provide uniform or desired cooling rate.
液态金属的凝固 铸件凝固过程中铸 件断面上存在的三 个区域: 固相区、凝固区和 液相区。 其中凝固区对铸件 质量有较大影响。 铸件的凝固方式也 可根据凝固区的宽 窄来划分,如图1-2。
图1-2 不同成分合金的结晶特性
铸件的凝固方式
1. 逐层凝固 纯金属或共晶成分的合金的凝固,如图1-2a; 2. 糊状凝固 结晶温度范围很宽的合金的凝固,如图2-1c;
液态收缩液、凝固收缩凝、固态收缩固
液态收缩液 凝固收缩凝 固态收缩固
①液态收缩液 从浇注温度(T浇)到凝固开始温 度(即液相线温度T液)间的收缩。
T浇 T液 Liquid shrinkage ②凝固收缩凝 从凝固开始温度( T凝)到凝固 终止温度(即固相线温度T固)间的收缩。 T凝 T固 Solidification shrinkage ③固态收缩固 从凝固终止温度( T固)到室温T 室温间的收缩。 T固 T室温Solid shrinkage
• 1 . 流动性定义:flowability, 液态合金充满型 腔,形成轮廓清晰,形状和尺寸符合要求的 优质铸件的能力(CSS, configuration, shape and size)。
流动性通义是流体的流动能 力,但不同学科对流动性有 不同的定义,这里是材料成 形学的定义。它的定义说流 动性是这样的一种能力,这 种能力体现在2个方面:
IT10,与国外差2~4级 >50μm 3000~6000h 8~15% 650kg标准煤 8t/人年 1400℃
造型工艺
铸造工 艺装备
广泛采用流水线,采用高压造型、射压造型、 除汽车等行业中少数厂采用半自动、自 和气冲造型 动化流水线外,多数厂普遍采用40年代 造型技术 造型机精度和精度保持能力很高。造型线精 度可保持1~2年,设备综合开工率>80%,装 备全部标准化、系列化、商品化 精度低,精度保持能力差(<半年)。设 备综合开工率<50%。装备标准化、系列 化、商品化程度很低
在相同的浇注工艺条件下,将金属液浇入铸型 中,测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长 螺 ,合金的流动性愈好!
旋 形 流 动 性 试 样
图1-1 螺旋型试样
表1-1 常用合金的流动性 (砂型,试样截面8㎜×8㎜)
合金种类
铸型种类
浇注温度 /℃ 1300 1300 1300 1300
螺旋线长度 /㎜ 1800 1300 1000 600
• 3. 铸件中的缩孔shrinkage cavity与缩松
• 铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞, 大而集中的孔洞称为缩孔,细小而分散的孔 洞称为缩松。 • 影响:铸件力学性能、气密性和物理化学性 能大大降低,以至成为废品。 • ⑴缩孔与缩松的形成 • 由液、凝 体积(得不到补充)最后凝 固部分产生孔洞形成集中孔洞(缩孔)、 细小分散的孔洞(缩松)。 • ①缩孔的形成(见图1-5):假定合金在恒 温下凝固或凝固温度范围很窄。
浇注系统 gating system 型芯Core
下箱
实质: 液态金属(或合金)充填铸型型腔并在其
中凝固和冷却。
砂型铸造概略图
一、铸造工艺特点
(1)适应性广。适应铸铁,碳钢,有色金属等材料; 铸件大小,形状和重量几乎不受限制;壁厚1mm到1m , 质量零点几克到数百吨(三峡的水轮机叶轮重达430T)。 • (2)可复杂成形。适合形状复杂,尤其是有复杂内腔 的毛坯或零件。 • (3)成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑, 设备费用较低;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% • (4)存在不足。如组织疏松、晶粒粗大,铸件内部常 有缩孔、缩松、气孔等组织缺陷产生,导致铸件力学性 能,特别是冲击性能较低,质量不稳定。(发展了铸锻 联合工艺)因此,铸件多数做为毛坯用。
第一章 铸造成形工艺理 论基础
第一节 铸造成形工艺的特点和分类
定义:所谓金属液态成型,即铸造,casting, 是将液态金属借助外力充填到型腔中,使其 凝固冷却而获得所需形状和尺寸的毛坯或零 件的工艺。
注意2个过程: (1)充填型腔 (2)凝固冷却
手工造型的两箱造型图解
排气孔 分型面P/L 上箱flask 型腔 Cavatity
铸铁 wC+Si=6.2% wC+Si=5.9% wC+Si=5.2% wC+Si=4.2%
砂型 砂型 砂型 砂型
铸钢 wC=0.4% 铝硅合金(硅铝明) 镁合金(含Al和Zn) 锡青铜(wSn≈10%, wZn≈2%) 硅黄铜(wSi=1.5%~4.5%)
砂型 砂型 金属型( 300℃) 砂型 砂型 砂型
温度
a b c
温度
3. 中间凝固 介于逐层凝固 和糊状凝固之 间,大多数合 金为此凝固方 式,如图2-1b 所示。
液相线
液相线
固相线
S
成分
固
表层
液
中心
固
表层
液
中心
凝固区
表层 中心
a
b 图2-1
c
影响铸件凝固方式的主要因素 :
温度
(1)合金的结晶温度范围
温度
T2
S1
T1
合金的结晶温度范围愈小, 凝固区域愈窄,愈倾向于逐 层凝固 。
• 大型水电机组中铸钢件转轮的上冠、下环和叶片。 与国外差距主要表现在: • ①产品设计水平不高; • ②制造技术水平低,如在铸造技术、热处理技术等 方面存在较大差距; • ③铸件产品质量稳定性不高,尺寸检验、质量检测 技术水平低。 • 我国大型铸件行业在劳动生产率、热加工产值产 量和质量成本等综合指标、能力比先进国家落后约 5—10年。