1、机械设计制造及其自动化专业课程,主讲教师：叶大萌,材料成形技术基础,第五章 凝固成形技术,凝固成形（铸造）,第一节 凝固成形概述一、凝固成形材料 （1）铸铁 铸铁是碳质量分数大于2.11%、含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。 铸铁生产设备和工艺简单，价格便宜，具有许多优良的使用性能和工艺性能，应用广泛。,1. 铸铁的石墨化过程 在铁碳合金中，碳可以以三种形式存在： 固溶在F、A中， 化合物态的渗碳体(Fe3C)， 游离态石墨（G）。,石墨的晶体结构,石墨(G) 稳定相，简单六方晶格。底面上原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10 m），结合力很强；底面间的间距较大（3.04
2、10-10 m），结合力较弱。石墨的强度、硬度和塑性很差。,渗碳体 亚稳相，具有复杂的晶体结构，硬而脆。在一定条件下能分解为铁和石墨 Fe3C3Fe+C 即 Fe3CF+G,Fe3C,石墨的作用： （1）石墨提高铸铁的切削加工性能。,（2）铸件凝固时石墨膨胀，减少铸件体积收缩，降低内应力。铸铁铸造性能良好。,（3）石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸件有很好的耐磨性能。,（4）石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能。,（5）石墨强度、韧性极低，相当于裂纹或空洞。石墨越多，越大，对基体的割裂作用越严重，铸铁抗拉强度越低。,灰铁、球铁及钢振动衰减图,铸铁分类,2.灰口铸铁的组织特
3、征和分类 铸铁组织由基体和石墨组成。 基体：铁素体、珠光体或铁素体加珠光体 石墨：片状、球状、蠕虫状、团絮状,灰口铸铁的分类,灰口铸铁根据石墨形态不同又可分为：,普通灰铸铁（片状G）；可锻铸铁（团絮状G）； 球墨铸铁（球状G）； 蠕墨铸铁（蠕虫状G）,常用铸铁： 1. 灰铸铁 价格便宜、应用最广。（1）灰铸铁的牌号 HT150、HT250、HT400 “HT”表示“灰铁”，数字表示最低抗拉强度。灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。 灰铸铁中的碳、硅质量分数一般控制在以下范围：2.5%4.0%C; 1.0%2.0%Si。,灰铸铁的显微组织,F+G片 F+P+G片 P+G片,灰铸铁的应
4、用,叶轮 发动机飞轮,箱体 启动阀,灰铸铁铸造性能优良、价格便宜，但强度较低、韧性差。制造机床床身、床头箱、阀体、叶轮、飞轮等。,2. 球墨铸铁 球墨铸铁的石墨呈球状。具有很高的强度，良好的塑性和韧性。综合机械性能接近于钢，铸造性能好，成本较低，生产方便，得到广泛应用。,F+G球 F+P+G球 P+G球,(1) 球墨铸铁的成分和球化处理 成分：要求比较严格。3.6%3.9%C, 2.2%2.8%Si, 0.6%0.8%Mn, 0.07%S, 0.1%P。,球化处理：在铁水中加入一定量的球化剂和孕育剂，获得细小、均匀分布的球状石墨。 使用稀土镁球化剂。,镁强烈阻碍石墨化。为了避免白口，并使石墨球
5、细小、均匀分布、一定要加入孕育剂。常用的孕育剂为硅铁和硅钙合金等。,(2) 球墨铸铁的牌号、组织和性能QT400-15、QT600-3、QT800-2 球墨铸铁牌号用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度极限和延伸率。,不同基体的球墨铸铁，性能差别很大。珠光体球墨铸铁的抗拉强度比铁素体基体高50%以上。铁素体球墨铸铁的延伸率为珠光体基的3-5倍。,球墨铸铁的应用：用球墨铸铁来代替钢制造某些重要零件。如曲轴、连杆、凸轮轴等。,曲轴 管道接口,3. 蠕墨铸铁 RuT300、RuT420 蠕墨铸铁以“RuT”表示，数字表示最低抗拉强度。,蠕墨铸铁组织,蠕墨铸铁是新型高强铸铁。强度接近于球墨铸铁，
6、有一定的韧性、较高的耐磨性；又有和灰铸铁一样良好的铸造性能和导热性。,蠕墨铸铁的石墨在光学显微镜下为蠕虫状，长厚比小，端部较钝。,蠕墨铸铁的生产：在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂形成。蠕化剂主要采用镁钛合金、稀土镁钛合金或稀土镁钙合金等。,4. 可锻铸铁 可锻铸铁是由白口铸铁通过退火处理得到的一种高强铸铁。 有较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可锻铸铁依靠石墨化退火获得。可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。,(1) 可锻铸铁的牌号 KT350-10、KTZ600-3 铁素体可锻铸铁以“KT”表示。珠光体可锻铸铁以“KTZ”表示。两组数字表示最低抗拉强度和延伸率。,铁素体可锻铸铁 珠
7、光体可锻铸铁,可锻铸铁应用：制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件，如汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等。这些零件用铸钢生产时，因铸造性不好，工艺困难；用灰铸铁时，性能不能满足要求。,与球墨铸铁比，可锻铸铁成本低、质量稳定、铁水处理简单、容易组织流水生产。尤其对于薄壁件，若采用球墨铸铁易生成白口，需要进行高温退火，采用可锻铸铁更为适宜。,5. 特殊性能铸铁 铸铁中加入合金元素，得到具有特殊性能的合金铸铁。(1) 耐磨铸铁 激冷铸铁 白口铸铁耐磨。采用激冷的办法使铸件表面获得白口铸铁。 用金属型铸造铸件的耐磨表面，其它部位采用砂型。调整铁水化学成分（高碳、低硅），保证白口层的深度。表面为白
8、口铸铁，心部为灰口铸铁组织，有一定的强度。应用：制造轧辊、车轮等。,高磷铸铁 磷的质量分数提高到0.4%0.6%，生成磷共晶，呈断续网状的形态分布在珠光体基体上。磷共晶硬度高，改善珠光体灰口铸铁的耐磨性。,(2) 耐热铸铁 制造高温下工作的炉底板、换热器、坩埚、热处理炉内的运输链条。加入Al、Si、Cr，铸件表面形成致密的氧化膜，阻碍继续氧化改善铸铁的耐热性。球墨铸铁中，石墨为孤立分布，互不相连，不形成气体渗入通道，耐热性更好。,扇形扩散器 托架,(3)耐蚀铸铁 耐蚀铸铁主要用于化工部件，如阀门、管道、泵、容器等。 普通铸铁的耐蚀性差。加入Si、Cr、Al、Mo、Cu、Ni等合金元素形成保护膜
9、，或使基体电极电位升高，可以提高铸铁的耐蚀性能。 常用耐蚀铸铁有高硅、高硅钼、高铝、高铬等耐蚀铸铁。,(2) 铸钢 用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件，如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳等。,重型机械齿轮 轧辊 外壳,1、碳素铸钢的化学成分及机械性能 Fe、C、Si、Mn、S、P碳是影响铸钢件性能的主要元素。碳含量增加，屈服强度和抗拉强度增加。碳质量分数超过0.45%时，屈服强度很少增加，而塑性、韧性显著下降。,硫、磷应控制，硫会增大钢的热裂倾向，磷使钢的脆性增加。,硅、锰可以提高强度。,碳素铸钢牌号：在生产中使用最多的三种是ZG230-450(ZG
10、25)ZG270-500(ZG35)ZG310-570(ZG45)ZG表示铸钢，数字分别表示屈服强度和抗拉强度。,碳素铸钢屈服强度为200MPa340MPa，抗拉强度为400MPa640MPa。,低合金铸钢牌号：ZG45MnZG40CrZG35CrMo,低合金铸钢屈服强度为330MPa460MPa， 抗拉强度为600MPa680MPa。,碳素铸钢与铸铁相比，强度和塑性、韧性较高。但铸钢钢水的流动性差，收缩率较大。铸钢在浇注时应采取较高的浇注温度，采用大的浇冒口。,铸钢特点,常用铸铁HT150、HT250KT350-10、KT450-5QT420-10、QT800-2 常用铸钢ZG230-450
11、ZG270-500ZG310-570,第二节 液态金属的获得1、铸铁的熔炼熔炼工艺是获得优质铸铁的基本因素。对铸铁熔炼工艺的基本要求是：铁液质量好；化学成分合格，浇注温度高，纯净度高；熔化速度快；各类耗损(燃料、能源、金属烧损等)低；操作方便。,冲天炉熔炼铸铁具有结构简单、操作方便、可连续熔炼、生产率高、能耗低、成本低等优点，但不足之处是铁液出炉温度不够高(最高1460左右)、化学成分和温度不够均匀。感应电炉(包括工频、中频)的应用正日益广泛，其熔炼温度可高达1650，加热速度快，铁液成分和温度均匀，元素烧损少，吸气少，铁液质量好，但是耗电量大。现在出现了冲天炉与感应电炉双联熔炼法，即将冲天炉
12、熔炼的铁液进一步在电炉内熔炼，这样可充分发挥冲天炉和感应电炉的长处， 以较低的能耗获得高温优质的铁液。这种方法正得到迅速发展。,2、铸钢和有色金属的熔炼冶炼铸钢的设备有电弧炉和感应电炉等，其中电弧炉用得最多。电弧炉是利用电极与金属炉料间的电弧产生的热量来熔炼金属的一种设备(见下图)，电弧炉通常采用三相电源，炉子容量(每次熔炼的钢水量)从5t到30t， 目前最大已达到100300t。电弧炉炼出的钢液质量较高，熔炼速度快，温度容易控制，适合于浇注各种类型的铸钢件。,炼钢的金属炉料主要是废钢、生铁、铁合金等，其他还有造渣材料、氧化剂、还原剂和增碳剂等。铸钢熔炼的任务是把固体炉料(废钢、生铁)熔化成钢
13、液，并通过一系列物理、化学反应使钢液的化学成分、纯净度和温度达到要求。 感应电炉炼钢速度快、钢液质量好、工艺较简单、生产较灵活，近年来发展很快，主要用于中小型铸钢件的生产。目前应电炉的最大容量已达90t。,第三节 凝固成形方法1、砂型铸造掌握砂型铸造是合理选用铸造方法，正确设计铸件的基础和关键。,砂型铸造是一种最基本的铸造方法，其工艺过程有制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干合箱、熔化几个步骤。,铸造工艺图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。 单件、小批生产时，铸造工艺图用红蓝色线条画在零件图上。下图所示为滑动轴承座的零件图和铸造工艺图。,铸造工艺图是指导模样设计、生产准
14、备、铸型铸造和铸件检验的基本工艺文件。且由它绘制模样图和合箱图。,2、造型方法的选择(一) 造型用砂 又称：形（芯）砂型(芯)砂组成： 型砂及芯砂是制造铸型和型芯的造型材料，它主要由原砂、粘结剂、附加物和水混制而成。,型(芯)砂按粘结剂的种类可分为： （1）粘土砂 粘土砂是以粘土为粘结剂配制而成的型砂。 由原砂(应用最广泛的是硅砂，主要成分SiO2)、粘土、水及附加物按一定比例配制而成粘土砂是迄今为止铸造生产中应用最广泛的型砂。可用于制造铸铁件、铸钢件及非铁合金的铸型和不重要的型芯。 空隙粘结剂膜附加物砂子粘土砂结构见示意图。,（2）水玻璃砂 水玻璃砂是以水玻璃（硅酸钠Na2OmSiO2的水溶
15、液）为粘结剂配制成的化学硬化砂。它除粘土砂外用得最广型砂。水玻璃砂铸型或型芯无需烘干、硬化速度快、生产周期短、易于实现机械化、工人劳动条件好。,3、砂型铸造工艺工程砂型铸造工艺工程如下图所示：,（一）手工造型1.常见手工造型1）整模造型整模造型的特点是：模样是整体的，铸型的型腔一般只在下箱。造型时，整个模样能从分型面方便地取出。整模造型操作简便，型腔不受上下砂箱错位的影响，所得型腔的形状和尺寸精度较好，故适用于外形轮廓上有一个平面可作分型面的简单铸件，如齿轮坯、轴承、轮罩等。,2）分模造型分模造型的特点是：铸件的最大截面不在端部而在中部，因而木模沿最大截面分成两半。分模操作较简便，适用于形状较
16、复杂的铸件，广泛用于有孔或带有型芯的铸件，如套筒、水管、阀体、箱体、曲轴、立柱等。,3）挖砂造型 当铸件最大截面在中部，且模样又不便分成两半时，只能将模样做成整模，造型时挖掉防碍起模的砂子，称为挖砂造型。挖砂造型操作麻烦，生产率低，要求操作技术水平高，仅适用于单件小批量生产。,4）地坑造型大型铸件单件生产时，为节省下砂箱，降低铸型高度，便于浇铸，多采用地坑造型。造型时先在地坑中填入型砂，制好砂床，再将模样安卧好，再填砂舂实、刮平，造上箱。,（二）机器造型机器造型是将手工造型中的紧砂和起模工步实现了机械化的方法。与手工造型相比，不仅提高了生产率、改善劳动条件而且提高了铸件精度和表面质量。但是机器
17、造型所用的造型设备和工艺装备的费用高、生产准备时间长，只适用于中、小铸件成批或大量的生产。根据紧砂原理的不同，机器造型分为震压造型、微震压实造型 、高压造型 、射砂造型 、抛砂紧实造型等。,震压造型,高压造型,压力油,射砂造型,抛砂紧实造型,（三）起模方法： 型砂紧实以后就要进行起模，以获得完整的型腔。大部分机器造型机均带有起模机构。大体有顶箱起模、漏模和翻箱起模三类。,c）,（四）浇注位置与分型面的选择 浇注位置： 指浇注时铸型分型面所处的空间位置。选择浇注位置的原则是要控制铸件的凝固和充型效果，保证质量为上。 一、浇注位置选择原则1.重要的加工面应朝下，避免砂眼气孔和夹渣。,2.平板圆盘大
18、面应朝下，减少辐射防开裂夹渣。,将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷。因为在金属液的充型过程中，灼热的金属液会对砂型上表面有强烈的热辐射作用，使该表面的型砂拱起或开裂，导致金属液钻进裂缝处，这将使铸件的该表面产生夹砂缺陷，如图所示，方案（b）则可以防止这种缺陷。,3. 薄壁大面朝下或垂直，防止产生浇不足冷隔。,具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生浇不足和冷隔等缺陷。如图所示。,4.厚大部分在上或侧面；考虑安放冒口利补缩。,铸型分型面： 指铸型组元间的结合面则分型面选择原则是：简化工艺求经济。1.尽量平直数量少, 减少活块和型芯。,选择分型面应
19、方便起模和简化造型工序。尽可能减少分型面和活块的数目，如图为不合理的三通分型面方案。,芯头,2. 全部大部同一箱 保证精度利加工,3. 芯子数量力求少， 砂垛代芯省又好。,4.便于下芯与合型， 利查壁厚保均匀。,分型面的选择，应便于下芯、扣箱（合型）及检查型腔尺寸。如图方案a）无法检查铸件厚壁是否均匀；而方案b）通过增设一中箱，可在扣箱前检查壁厚以保证铸件壁厚均匀。,3、铸造参数的确定 影响铸件、模样的形状与尺寸的某些工艺数据称为铸造工艺参数，其值与铸件大小、合金种类及生产条件有关。 一、主要的铸造工艺参数1. 加工余量； 指铸件上预先增加为机械加工时切去的金属层厚度。单件、小批生产的小铸铁件
20、的加工余量为4.55.5 mm。2. 不铸出的孔和槽； 对过小的孔、槽，由于铸造困难，一般不予铸出。单件、小批生产的小铸铁件上直径小于30 mm的孔一般不铸出。3. 起模斜度； 指平行于起模方向的模样壁的斜度。起模斜度常以壁的倾斜角a表示，其值与模样壁的高度及模样材质有关，壁矮时取大值，壁高时取小值。例，采用木模样时，壁的高度H10 mm时，a3；H1040 mm时，a125。H更高时，a值应更小。4. 铸造收缩率； 指铸件自高温冷却至室温时，尺寸的缩小值与铸件名义尺寸的百分比，灰铸铁件为0.81，铸钢件为1.82.2，铸造铝合金为1.01.6。,一、熔模铸造,熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采
21、用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法。,二、金属型铸造,将金属液浇注到金属铸型中，待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸造。,三、压力铸造,压力铸造是在专用设备压铸机上进行的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固获得铸件的方法。常用的压力为几个至几十个兆帕，充型时间为0.010.2秒，充型速度为0.550m/s。,四、低压铸造 低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.020.06Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在
22、压力下凝固获得铸件的方法，如图所示。,带保温炉,不带保温炉,1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管； 5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型,五、离心铸造,离心铸造是将金属液浇入高速旋转（2501500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。,卧式离心铸造机,六、真空吸铸,真空吸铸是利用真空系统装置，在结晶器内造成负压，将熔融金属从坩埚吸入圆筒形石墨铸型或金属型中，并保持一定时间而获得铸件的方法。如下图所示。,抽真空,七、陶瓷型铸造,陶瓷型铸造是将金属液浇注到陶瓷铸型中获得铸件的方法，是在砂
23、型铸造和熔模铸造基础上发展起来的一种精密铸造。,八、连续铸造,连续铸造是将金属液不断地浇入被称为结晶器的铸型的一端，并另一端将凝固了的铸件连续不断地拉出，从而获得任意长度或特定长度的等截面铸件的方法。,连续铸造示意图,九、实型铸造,实型铸造又称“气化模造型”或“消失模铸造“，其实质是采用聚苯乙烯发泡材料制得的模型（气化模）代替木模造型，不用起模直接将金属液浇注到气化模上，使其燃烧、气化并形成空腔来容纳金属液，从而获得铸件的方法。如下图所示,实型铸造示意图,实型铸造实型铸造又称气化膜铸造、消失模铸造。,第一类: 重力作用下的液态成型工艺壳型成型工艺金属型成型工艺熔模成型工艺气化模成型工艺 第二类
24、: 外力作用下的液态成型工艺离心铸造压力铸造低压铸造,铸造工艺及方法（特种铸造）,各种铸造方法的比较,思考 见下图示，为一铸铝小连杆，请问： 试制样机时宜采用什么铸造方法？ 年产量为1万件时，应选用什么铸造方法？ 当年产量超过10万件时，应选用什么铸造方法？,铸件结构设计1、铸件结构于铸造工艺的关系1.结构应使工艺简化 具体对铸件而言：简化外形，分形少；,凸肋设计避活块,直分型防挖砂,2.内腔设计少用芯，安芯排气与清理,3.“结构斜度”为起模； 设计图上画清晰。,4. 组合铸件 化繁为简，大切小，简化工艺再组合。,2铸件结构与合金铸造性能的关系 一、合理设计铸件的壁厚 过厚过薄不合理，添筋设肋
25、降壁厚， 细化组织省金属，减少热节防缺陷。,铸件壁厚求均匀，减少应力避缺陷。,正确连接铸件壁， 拐弯之处大弧渡， 厚薄不同缓慢过， 过渡结构代锐角。,避免较大水平面， 适当倾斜易成形。,二、避免变形和裂纹的结构对称截面消翘曲 为求细长变形小,合理设计加强筋 平板有刚曲翘少。,小结：一、结构应使工艺简化 1.简化外形，分形少 ，凸肋设计避活块 。2.内腔设计少用芯，安芯排气与清理，事先考 虑想仔细3.结构斜度为起模， 设计图上画清晰。拔模斜度模样留， 工艺设计想周细。 4.组合铸件 化繁为简，大切小， 简化工艺再组合。,二、结构力求避免缺陷 1. 壁厚 过厚过薄不合理， 添筋设肋降壁厚，细化组织省金属， 减少热节防缺陷。 2. 铸件壁厚求均匀， 减少应力避缺陷。 3. 正确连接铸件壁， 拐弯之处大弧渡，厚薄不同缓慢过， 过渡结构代锐角。 4. 避免较大水平面 适当倾斜易成形 5. 工艺台阶利加工 6. 避免变形和裂纹的结构 铸钢、铝件易裂处， 薄壁筋条防裂好。 对称截面消翘曲， 为求细长变形小 合理设计加强筋， 平板有刚曲翘少。 轮辐奇数或弯曲， 自缓应力防开裂。,本次课结束！,
