1、绪论和铸造工艺（一）,华中科技大学船舶与海洋工程学院 联系方式： 15827463691,机械制造技术基础,李海艳,主要内容,绪论 铸造成形工艺理论基础 常用铸造合金及其熔炼,绪论,机械制造技术基础是研究将常用工程材料制成零件或机器的一门综合性技术基础课。,机械制造过程： 分为毛坯制造、零件切削加工、产品装配三个阶段。,一、课程任务通过学习了解制造毛坯及零件的基本理论和工艺知 识，掌握工艺分析和工艺设计的基本方法，能够分析零 件结构工艺性，培养工程素质和工程实践的能力。,二、学习方法 （1）以工艺原理为基础，以工艺过程为主线，抓住各种制造方法的特点及工艺参数变化对零件质量影响的规律，分析零件结
2、构的工艺性。,绪论,金工实习 金工实验 工艺设计,（2）理论联系实际,（3）以自学为主 ，通过课堂教学、讨论与答疑、课后练习与实验等方式辅助学习。,以教材为主，根据需要参看有关书籍。 主要参考资料： 材料成形工艺基础 沈其文 主编 华中科技大学出版社 机械制造技术基础 张福润 主编 华中科技大学出版社 3. 工程实践(实习教材) 周世权 主编 华中科技大学出版社 4. 工程训练(制造技术实习部分) 刘世平/贝恩海主编 华中科技大学出版社,三、学习安排本课程共计40学时。,绪论,第5章 形面加工方法 ( 6 学时),第4章 材料切削加工基础 ( 4 学时),第3章 焊接工艺 ( 6 学时),第2
3、章 锻压工艺 ( 6 学时),第1章 铸造工艺 ( 6 学时),第6章 材料成形新工艺与特种加工 ( 2 学时),第7章 机械加工工艺规程 ( 6 学时),实验 4 学时,成绩评定办法：,考试成绩占70 ,作业及表现占20 ,实验报告占10 ,考试方式： 开卷。,作业要求,作业最好采用交电子文档(PPT)方式。可以两人合作分章节来做。 以班级为单位交作业，每一个同学的作业需注明班级学号和姓名，否则视为未交。 题目本身也必须输入进电子文档。 图形使用开目或者AutoCAD绘制，在PPT中可修改，粗细线宽度分明，不同类型线使用不同颜色。 交作业邮箱 C,大型雕塑/首饰/工艺品/玻璃制品等艺术性产品
4、的制造方法 特种铸造工艺与设备 极大产品的制造方法 极小产品的制造方法 钟表的制造过程 自行车的制造过程 汽车的制造过程 切削加工技术/刀具技术前沿 本课程某一章的课件(每班只限10人选择此类题目,要求有动画视频, 插图清晰),参考小论文题目(任选或另选与制造技术与制造业相关的题目)：,分数为5-15分，第14周交，交电子文档，有图片视频加分，相同的，两人的分数均为0分。,塑性成形技术前沿 飞机的制造过程 船舶的制造过程 枪支的制造方法 计算机的制造过程 快速原型制造的最新进展 新型工程材料的发明与应用 典型轻工产品的制造过程 焊接技术前沿 家具等消费品的制造过程 特种加工技术前沿(最后由各班
5、课代表检查刻盘,确保都可用,可播放.),使用ppt作为主文档,视频放在当前目录下,通过超级连接播放 每人一个文件夹,文件夹命名规则: 张三 抽油烟机的制造过程,主要内容,绪论 铸造成形工艺理论基础 常用铸造合金及其熔炼,1. 适合于制造形状复杂的零件。,2. 铸件的大小几乎不受限制。,3. 使用的材料广泛。,一、铸造成形的特点和分类,铸造成形工艺理论基础(Fundamentals of metal casting),端坐于香港石砌耗资2000万港币建造的天坛大佛，高34米，重250吨，由200块青铜铸件砌成，占地面积约6567m2，堪称当今世界上最大的露天 青铜佛像。,这是铸造成形的蚂蚁照片。
6、蚂蚁尺寸小，外形复杂，用其它方法难以成形。从照片可见，该铸件轮廓清晰，表面光滑。,铸造成形工艺理论基础(Fundamentals of metal casting),1. 砂型铸造,2. 特种铸造,铸造方法依铸型材料、造型工艺和浇注方式不同，可分为砂型铸造和特种铸造两大类。,铸造成形工艺理论基础(Fundamentals of metal casting),二、合金的充型能力,液态合金填充铸型的过程称为充型。充型能力不足，易产生浇不足、冷隔等缺陷。影响充型能力的因素：合金的流动性：浇注条件；铸型充填条件等等。1.合金的流动性是指液态金属的流动能力，在铸造时是指液态合金充填铸型型腔的能力。,合金
7、流动性的测定是采用螺旋形标准试样。,常用铸造合金中灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铝合金次之，铸钢最差。,铸造成形工艺理论基础(Fundamentals of metal casting),铸造成形工艺理论基础(Fundamentals of metal casting),不同化学成分的合金，因结晶特性、粘度不同，流动性不同。,1） 共晶成分合金的流动性最好：逐层凝固，结晶前沿较平滑；其过热度最大。,2）非共晶成分合金的流动性较差：结晶特性是经过液、固两相共存区；树枝晶，凝固前沿界面粗糙；表面积大，热传导快。凝固温度范围越大的合金，树枝晶越发达，其流动性也越差。,2、浇注条件： 浇注温度：浇注温度
8、对合金流动性的影响很显著。浇注温度越高，越有利提高合金的流动性。但浇注温度过高，会导致铸件产生缩孔、缩松、气孔和粘砂等缺陷，薄壁复杂铸件或流动性较差的合金适当提高浇注温度来提高流动性。灰铸铁12001380 ，铸造碳钢15201620 ，铝合金680780 。 浇注压力：增大浇注压力显然可改善流动性。,铸造成形工艺理论基础,3、铸型充填条件 铸型导热能力：金属型导热能力强，容易降低合金的流动性。而干砂型，特别是将铸型在加热状态下浇注金属液时，其合金的流动性将显著增加。 铸型的阻力：铸型内反压力增大，将导致铸型对金属液流动的阻力增加，从而降低合金流动性。,铸造成形工艺理论基础,a)逐层凝固 b）
9、中间凝固 c）糊状凝固,三、铸件的凝固方式,铸造成形工艺理论基础,合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩经历如下三个阶段：,(1)液态收缩液 (2)凝固收缩凝 以体收缩率表示，是缩孔及缩松的基本原因。 (3)固态收缩固：以线收缩率表示，是应力、变形及裂纹的基本原因。铸钢收缩率最高，而灰铸铁最小。,四、合金的收缩性,铸造成形工艺理论基础,铸造成形工艺理论基础,四、铸件中的缩孔和缩松(播放FLASH),(1)缩孔和缩松的形成 缩孔的形成：纯金属和共晶成分的合金，易形成集中的缩孔。 缩松的形成：凝固温度范围大的合金，缩松倾向大。缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。
10、,铸造成形工艺理论基础,(2)缩孔和缩松的防止：, 缩孔的防止：其具体办法是：采用冒口和冷铁，控制铸件定向凝固。, 缩松的防止：采用在热节处安放冷铁或在局部砂型表面涂激冷涂料，加大铸件的冷却速度；或用加大结晶压力，以破碎枝晶，减少其对金属液流动的阻力，从而达到部分防止缩松的效果。,铸造成形工艺理论基础,五、铸造内应力、变形和裂纹,1 内应力的形成：热应力：由于铸件各部分冷却速度不同，以致在同一时间内铸件各部分收缩不一致，导致相互约束而引起的内应力。,铸造成形工艺理论基础,结论：a）热应力的性质是：铸件缓冷处（厚壁或心部）受拉伸；快冷处（薄壁或表层）受压缩。b）铸件冷却时各处的温差越大，定向凝固
11、愈明显，合金的固态收缩率越大，弹性模量愈大，则热应力愈大。,预防应力的基本途径：减少铸件各处的温差，使其均匀冷却。具体措施有：尽量选择弹性模量小的合金；设计壁厚均匀的铸件；在铸造工艺上，控制铸件各部位同时凝固。,铸造成形工艺理论基础, 机械应力：它是铸件的固态收缩受到铸型或型芯等机械阻碍而形成的内应力。,结论：1、应力性质：使铸件受剪切或拉伸应力。2、高温时易使铸件产生裂纹（热裂）。3、铸件落砂清理后可部分或全部消失。,2 铸件的变形及其防止：,变形的原因：由于铸件厚的部位（冷却慢的部位）受拉应力，薄的部位（冷却快的部位）受压应力，残余应力使铸件产生变形。,结论：受拉应力的部分产生收缩变形，受
12、压应力的部分产生拉伸变形。,铸造成形工艺理论基础,变形的防止：铸件的壁厚应均匀，形状应对称。采用同时凝固方式、增大加工余量、反变形法、设防变形筋及时效处理或去应力退火。,铸造成形工艺理论基础,3 铸件的裂纹及其防止： （当铸造内应力超过合金的强度极限时，铸件便会产生裂纹。）, 热裂：形状特征：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。形成原因：热裂是在铸件凝固末期，接近固相线的高温下形成的。 在铸钢和铸造铝合金中较常见。防止措施：应尽量选择凝固温度范围小、热裂倾向小的合金和改善铸件结构；提高型砂和芯砂的退让性 ；此外，应严格控制含硫量（硫能增加热裂，降低合金的高温强度）。,铸造成形工艺理论基础,
13、 冷裂：形状特征：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。形成原因：较低温度下，由于热应力和收缩应力的综合作用，铸件的内应力超过合金的强度极限而产生的。出现部位：铸件受拉应力，特别是应力集中处。凡是减少铸件内应力或降低合金脆性的因素均能防止冷裂。控制含P量（P能显著降低合金的冲击韧度，增加脆性）。此外，设置防裂筋亦可有效地防止铸件裂纹。,铸造成形工艺理论基础,液态合金中吸入了气体，若在其冷凝过程中不能逸出，或滞流在金属中，则在冷凝后将使铸件内形成气孔缺陷。 按照气体的来源，分为侵入性气孔、析出性气孔、反应性气孔。,1、侵入性气孔：主要是砂型和型芯中的气体侵入金属液中而形成的气孔。防
14、止途径：降低型砂及芯砂的发气量，增强铸型的排气能力。,铸造成形工艺理论基础,五、合金的吸气性,2、析出气孔：形成原因：气体在液态合金中的溶解度较固态大得多，且随温度升高而加大。溶解的气体在冷凝过程中析出。特征：尺寸较小，分布面积广。在铝合金中最多见，“针孔”缺陷。防止措施：保证炉料洁净、干燥，严格遵守熔炼及浇注操作工艺。,铸造成形工艺理论基础,3、反应气孔：反应气孔是液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或熔渣之间发生化学反应产生气体而形成的。冷铁气孔：Fe3O4 + 4C =3Fe + 4CO,铸造成形工艺理论基础,主要内容,绪论 铸造成形工艺理论基础 常用铸造合金及其熔炼,一、铸铁及其熔炼：,铸铁
15、通常是指含C 2.5%4.0% 、Si 1.0%2.5% 接近共晶成分的铁碳合金。它具有良好的铸造性能，又易于切削加工，最适宜制造形状复杂的铸件。是工业中应用较广的材料，铸铁约占机器重量的50%以上。,铸铁的分类：,此外，还有合金铸铁。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),1、灰口铸铁：,（1）石墨对灰铸铁性能的影响：灰口铸铁的显微组织由金属基体与石墨片所组成，相当于在钢的基体中嵌入了大量石墨片。机械性能：b=120250MPa，压钢 塑性、韧性近于零，属于脆
16、性材料。石墨强度极低，塑性近于零，3%的石墨占10%的体积，所以灰口铸铁可视为充满裂纹的钢。基体强度利用率仅3050%。,吸震性：吸震能力为钢的510倍，是制造机床床身、机座的好材料。 耐磨性：石墨凹坑可以储存润滑油，石墨本身也是良好的润滑剂。 缺口敏感性低：零件工作可靠。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),（2）、灰铸铁件的生产特点及牌号选用, 灰铸铁件的生产特点： 一般在冲天炉中熔炼，成本低廉。 一般不需冒口补缩，也较少应用冷铁，通常采用同时凝固。一般不
17、通过热处理来提高其机械性能。 灰铸铁牌号的选用：用“HT“表示，其数值表示其最低抗拉强度。HT250350是经过孕育处理后的的孕育铸铁，用于要求更高的重要件。选择牌号时要考虑壁厚。,2、可锻铸铁：,定义：白口铁经石墨化退火、得到团絮状石墨铸铁，因其有一定的塑性，故称可锻铸铁。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),低碳、硅量的铁水，通常为C2.4%2.8%、Si0.4%1.4%,以获得完全的白口组织。 壁厚不得太厚，尺寸不宜太大。 可锻铸铁件的石墨化退火工艺是，缓慢加热到920980 ，保温1020小时，再按规范冷到室温。 石墨化退火的总周期一般
18、为4070小时，生产过程复杂且周期长、能耗大、铸件的成本高。,（1）可锻铸铁的生产特点：,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),（2）可锻铸铁的性能、牌号及应用：,使用性能： 耐热性：可锻铸铁的耐热性优于灰铸铁和碳钢。 耐蚀性：耐蚀性优于碳钢。黑心可锻铸铁的耐蚀性优于珠光体可锻铸铁。 铸造性能： 流动性：流动性差，宜增大浇道尺寸，薄件宜适当提高浇注温度。 收缩大：铸件易产生应力和开裂，应改善砂型及型芯的退让性。铸件易产生缩孔、缩松。在铸造工艺上多采用冒口和冷铁等措施来防治。,机械性能：b=300400MPa,12%。,常用铸造合金及其熔炼(Cas
19、ting alloys & their melting),可锻铸铁可分为黑心可锻铸铁、珠光体可锻铸铁及白心可锻铸铁，牌号分别用汉语拼音“KTH”、“KTZ”及“KTB”表示。KTHxxx-xx,前面的大写字母代表黑心可锻铸铁，后面的两组数字代表最低抗拉强度和延伸率。可锻铸铁在生产形状复杂、承受冲击载荷的薄壁小件时，目前仍有不可替代的位置。今后发展方向，主要是探求快速退火新工艺，发展可锻铸铁新品种。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),铁水中加入一定数量的球化剂和孕育剂，直接得到球状石墨的铸铁。球铁对原铁水的要求及制备：铁水成分：控制S0.07%
20、、P0.1%，并要求适当提高含碳量（C 3.6%4.0%） 铁水温度：出炉温度应高于1400。 球化和孕育处理：球化剂的作用是使石墨呈球状析出。孕育剂的主要作用是促进石墨化，防止球化元素所造成的白口倾向。球化剂：稀土镁合金。球化处理工艺有：冲入法和型内球化法。,4、球墨铸铁（简称球铁）：,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),球墨铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等缺陷。 缩孔、缩松倾向大（石墨化膨胀），应采用如下工艺措施： 增加铸型刚度。 安放冒口、冷铁，对铸件进行补缩 皮下气孔：Mg+H2OMgO+H2MgS+H2OMgO+H2S工艺措施：
21、降低S含量和残余Mg量，限制型砂水分或采用干型。,球铁的铸造工艺：,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),球铁的牌号、性能及应用：,球铁的力学性能有显著提高：屈强比（0.2/b0.70.8）高于碳钢（0.2/b0.6）；用球铁代替钢是完全可靠的。有良好的抗疲劳性能。 球铁还可用热处理进一步提高其性能。 以铁代钢，以铸代锻。,QTxxx-xx前面的字母代表球铁，后面的两组数字代表最低抗拉强度和延伸率。如QT400-17,QT800-2。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),5、蠕墨铸铁,1. 熔制原
22、理,高C低S、P高温铁水 + 蠕化剂 + 孕育剂 = 蠕墨铸铁,ReMg-Ti， ReMg-Ca,75%Si-Fe,2. 机械性能 b=300 400MPa； =1.5 4.5 ; 介于球铁和灰铁之间。 突出性能: （1）断面敏感性 HT； （2）导热性和耐热性 QT； 抗生长、抗氧化性 其它铸铁； （3）耐磨性 高磷耐磨铸铁；（4）铸造性能 HT,3. 牌号及选用 例如RuT340 （1）较高温度或温度梯度下工作的零件； （2）大型床身及形状复杂的大铸件。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),在铸铁中加入一定量的合金元素，使其具有特殊性能的铸
23、铁。常见的有耐磨铸铁 、耐热铸铁、耐蚀铸铁。,汽车发动机的缸套,6、合金铸铁,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),二、铸钢及其熔炼：,1铸钢的分类、性能及应用：性能：综合力学性能好，强度高，且塑、韧性好；焊接性能好，可采用铸-焊联合结构制造重型机器。 分类：,2铸钢件的熔铸工艺:,(1)铸钢件熔炼: 最常用的是工频感应电炉炼钢，因这种炼钢炉开炉和停炉方便，钢水质量又高，可炼的钢种多。 (2) 钢件的铸造工艺:钢水的浇注温度高（1500），收缩大（比铸铁大三倍）
24、，流动性差，易氧化、吸气，因此铸造困难，易产生浇不到、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等缺陷。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),为了获得健全铸钢件应采用的工艺措施： 铸钢用砂具有高耐火性，良好的透气性和退让性，低的发气性等。 铸钢件要安置冒口和冷铁，以实现定向凝固。防止铸件产生缩孔和缩松。,在两壁交接处设置防裂筋（割筋）。 铸钢件的热处理：是生产铸钢件的必要工序。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),三、铸造非
25、铁合金及熔铸：,1铸造铜合金： (1) 铸造黄铜：黄铜是指铜和锌为主组成的合金，有优良的铸造性能。 铸造黄铜常用于重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和形状复杂的阀门及大型螺旋桨等耐蚀件。,(2) 铸造青铜：青铜是指除锌外，铜与其他元素形成的合金。铜与锡形成的合金称为锡青铜。锡青铜容易产生显微缩松，这些缩松可作为储油槽，使锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。青铜的耐蚀性一般优于黄铜，更适合海水中工作的零件。,2铸造铝合金：铝合金密度小，比强度(b/ ）高，导电、导热和耐蚀性优良，是本世纪研究和发展的热点之一。 铸造铝合金分为铝硅、铝铜、铝镁及铝锌合金四类。铝硅合金因流动性好、线收
26、缩率低、热裂倾向小、气密性好，又有足够的强度，所以应用最广，常用于制造形状复杂的薄壁件或气密性要求较高的铸件，如内燃机缸体、化油器、仪表外壳等。,发动机缸体,排气管,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),3铸造铜、铝合金的熔铸工艺：,铸造铜、铝合金在液态下均具有易氧化和吸气的特性。铜合金氧化后生成Cu2O，铝合金易氧化生成Al2O3，呈非金属夹渣。 铝液还极易吸收氢气，使铸件产生针孔缺陷。 为了防止上述缺陷产生，在熔铸工艺上需采取下列措施：采用坩埚炉熔炼。用熔剂覆盖金属液隔绝空气。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting), 脱氧、去气精炼。 铸造工艺。尽量使其平稳快浇、快凝， 多采用底注式或某些特殊的浇注系统，防止金属液飞溅，使其连续平稳地导入型腔。,常用铸造合金及其熔炼(Casting alloys & their melting),
