材料成形工藝02.21

1、材料成形工藝寧波工程學院周志斌2012.02.2112.2 澆注系統(tǒng)的設計澆注系統(tǒng)的典型結構澆注系統(tǒng)的分類按澆注系統(tǒng)各單元斷面積比例分類按液態(tài)金屬導入鑄件型腔的位置分類2 1.按澆注系統(tǒng)各單元斷面積比例分類（1）收縮式澆注系統(tǒng)A直A橫A內 特點:流速大，沖擊，噴濺，劇烈氧化，保持充滿狀態(tài)，熔渣上浮避免進入型腔，所占體積小，減少合金的消耗。應用：不易氧化的鑄鐵件（2）擴張式澆注系統(tǒng)A直A橫A內特點:流速慢，流動平穩(wěn)，橫澆道初期不易填滿，浮渣差。應用：大、中型鑄件（3）半擴張式澆注系統(tǒng)A直 A橫A內， A內 A直特點：介于上述二者之間應用：小型、結構簡單的鑄件3 2.按液態(tài)金屬導入鑄件型腔的位置分

2、類頂注式、底注式、中注式、階梯式、縫隙式、復合式等（1）頂注式澆注系統(tǒng)特點： 優(yōu)點：1.能有效發(fā)揮冒口的補縮作用 2.流量大、時間短、能力強。 3.造型工藝簡單，模具制造方便， 消耗小，易清理 缺點：沖擊大，飛濺和氧化，氧化夾渣 和氣孔缺陷應用：簡單的中小鑄件4常見的頂注式澆注系統(tǒng)5（2）底注式澆注系統(tǒng)（下注式）特點： 優(yōu)點：1.合金液從下部充滿型腔，流動平穩(wěn) 2. 橫澆道處于充滿狀態(tài)，利于擋渣 和氣體排出。 缺點：1. 削弱了冒口的補縮作用 2.鑄件底部內澆道附件易出現(xiàn)縮松、 縮孔、晶粒粗大等缺陷。 3.充型能力差 4.造型工藝復雜、消耗大。應用：鋁鎂合金鑄件，復雜的黑色金屬鑄件。6常見的底

3、注式澆注系統(tǒng)7（3）中注式澆注系統(tǒng) 優(yōu)缺點介于頂注式和底注式之間。 普遍應用于壁厚均勻，高度不大的中小型鑄件。 采用機器造型生產鑄件時，應用較多。8（4）階梯式澆注系統(tǒng)在鑄件不同高度上開設多層內澆道的澆注系統(tǒng)。優(yōu)點：1.金屬液自下而上充型； 2.充型平穩(wěn)； 3.型腔內氣體排出順利； 4.順序凝固，冒口補縮； 5.充型能力強，避免冷隔和澆不足； 6.減輕內澆道附近局部過熱現(xiàn)象。缺點：1.造型復雜，有時要求幾個分型面； 2.正確計算和結構設計。應用：高度大的大中型鑄件。9常見的階梯式澆注系統(tǒng)102.3液態(tài)金屬的凝固收縮過程高溫液態(tài)金屬冷卻常溫固態(tài)收縮固態(tài)合金冷卻固態(tài)合金冷卻液態(tài)收縮液態(tài)收縮凝固收縮

4、凝固收縮固態(tài)收縮固態(tài)收縮縮孔縮孔縮松縮松裂紋裂紋變形變形應力應力合金收縮合金收縮液態(tài)合金冷卻液態(tài)合金冷卻措施冒口冷鐵11 2.3.1鑄件的收縮鑄件的收縮收縮是指合金從澆注、凝固到冷卻至收縮是指合金從澆注、凝固到冷卻至室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。室溫的過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象。分為三類，液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。分為三類，液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮。澆注溫度澆注溫度室溫室溫凝固終止溫度凝固終止溫度開始凝固溫度開始凝固溫度液態(tài)收縮液態(tài)收縮凝固收縮凝固收縮固態(tài)收縮固態(tài)收縮 體積收縮體積收縮線收縮線收縮12是指單位體積的收縮量（表示由液態(tài)到常溫的收縮）。是指單位體積的收縮量（表示

5、由液態(tài)到常溫的收縮）。是指單位長度上的收縮量（可以表示固態(tài)時的收縮）。是指單位長度上的收縮量（可以表示固態(tài)時的收縮）。 %100110VVVV%100110LLLL 其中其中 V V0 0，L L0 0表示鑄件在高溫表示鑄件在高溫T T0 0時的體積和一維方向的長度；時的體積和一維方向的長度； V V1 1，L L1 1表示鑄件在高溫表示鑄件在高溫T T1 1時的體積和一維方向的長度。時的體積和一維方向的長度。 13 2.3.2鑄件的凝固過程鑄件的凝固過程： 在鑄件的凝固過程中，其截面一般存在三個區(qū)域，在鑄件的凝固過程中，其截面一般存在三個區(qū)域，即即液相區(qū)液相區(qū)、凝固區(qū)凝固區(qū)、固相區(qū)固相區(qū)。對

6、鑄件質量影響較大。對鑄件質量影響較大的主要是的主要是液相和固相并存液相和固相并存的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的的凝固區(qū)的寬窄。鑄件的凝固方式就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的。凝固方式就是依據(jù)凝固區(qū)的寬窄來劃分的。 2.3.3鑄件鑄件的凝固方的凝固方式：式：逐層凝固逐層凝固中間凝固中間凝固 糊狀凝固糊狀凝固 14 純金屬和共晶成分的合純金屬和共晶成分的合金在凝固中金在凝固中因為不存在固液因為不存在固液兩相并存的凝固區(qū)兩相并存的凝固區(qū)，所以固，所以固體與液體分界面清晰可見，體與液體分界面清晰可見，一直向鑄件中心移動。一直向鑄件中心移動。15 鑄件在結晶過程中，當結鑄件在結晶過程中，當結晶溫度范圍很寬，且鑄件截

7、面晶溫度范圍很寬，且鑄件截面上的溫度梯度較小，則不存在上的溫度梯度較小，則不存在固相層，固相層，固液兩相共存的凝固固液兩相共存的凝固區(qū)貫穿整個區(qū)域。區(qū)貫穿整個區(qū)域。 大多數(shù)合金的凝固是介于逐大多數(shù)合金的凝固是介于逐層凝固和糊狀凝固之間，稱為中層凝固和糊狀凝固之間，稱為中間凝固。間凝固。16 2.3.4縮孔與縮松的形成純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金純金屬、共晶成分和凝固溫度范圍窄的合金,澆注后在型腔澆注后在型腔內是由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金內是由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金液的補充，在鑄件最后凝固的地方就會產生縮孔液的補充，在鑄件最后凝固的地方就會產生

8、縮孔.大而集中的叫縮孔，細小分散的叫縮松。17縮松的形成原因 鑄件最后凝固的收縮未能得到補足，或者結晶鑄件最后凝固的收縮未能得到補足，或者結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區(qū)域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割固兩相共存，樹枝晶發(fā)達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區(qū)難以得到補縮所致。開的小液體區(qū)難以得到補縮所致。182.3.5消除縮孔和縮松的方法定向凝固原則定向凝固原則是鑄件讓遠離冒口的地方先是鑄件讓遠離冒口的地方先凝固，靠近冒口的地方次凝凝固，靠近冒口的地方次凝固，最后才是冒口本身凝固。固，最后才是冒口本身凝固。實現(xiàn)以厚補薄

9、，將縮孔轉移實現(xiàn)以厚補薄，將縮孔轉移到冒口中去。到冒口中去。原理原理合理布置內澆道及確定澆鑄工藝。合理布置內澆道及確定澆鑄工藝。方法方法合理應用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。合理應用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施。19順序凝固原則：順序凝固原則：使鑄件按規(guī)定方向從一使鑄件按規(guī)定方向從一部分到另一部分逐漸凝固的過程。部分到另一部分逐漸凝固的過程。20解決縮孔的方法演示解決縮孔的方法演示： 冒口和冷鐵冒口和冷鐵212.4冒口設計澆注系統(tǒng)冒口直澆道橫澆道內澆道澆口杯22 2.4.1冒口的作用冒口是鑄型內用以存儲金屬液的空腔1.補償鑄件凝固時的收縮；2.調整鑄件凝固時的溫度分布，控制凝固順序；3.排氣集渣；

10、4.利用明冒口觀察型腔內金屬液的充型情況。2.4.2 對冒口的要求1.冒口的凝固時間要大于等于鑄件的凝固時間；2.冒口應有足夠的體積；3.擴張角始終向著冒口。23 2.4.3冒口的種類和形狀頂 冒 口依 位 置 分側 冒 口貼 邊 冒 口普 通 冒 口明 冒 口依 頂 部 覆 蓋 分暗 冒 口大 氣 壓 力 冒 口依 加 壓 方 式 分壓 縮 空 氣 冒 口通 用 冒 口 （ 傳 統(tǒng) ）發(fā) 氣 壓 力 冒 口保 溫 冒 口發(fā) 熱 冒 口特 種 冒 口依 加 熱 方 式 分加 氧 冒 口電 弧 加 熱 冒 口 ， 煤 氣 加 熱 冒 口易 割 冒 口直 接 實 用 冒 口 （ 澆 注 系 統(tǒng) 當

11、鑄 鐵 件 的 實 用 冒 口 （ 均 衡 凝 固 ）冒 口 ）控 制 壓 力 冒 口冒 口 無 補 縮24a）球形 b)球頂圓柱形 c）圓柱形 d）腰圓柱形（明） e）腰圓柱形（暗）常用的冒口形狀25 2.4.4冒口的補縮原理 1）冒口與鑄件間的補縮通道 在鑄件凝固過程中，要使冒口中的金屬液能夠不斷地補償鑄件的體收縮，冒口與鑄件被補縮部位之間應始終保持著暢通的補縮通道。否則，冒口再大也起不到補縮作用。2）冒口的有效補縮距離 冒口作用區(qū)長度和末端區(qū)長度之和稱為冒口有效補縮距離。正確確定冒口的有效補縮距離是很重要的工藝間題。 冒口的有效補縮距離與合金種類、鑄件結構、幾何形狀以及鑄件凝固方向上的溫

12、度梯度有關，也和凝固時析出氣體的反壓力及冒口的補縮壓力有關。 2627 3）工藝補貼的應用 在實際生產中往往有些鑄件需補縮的高度超過冒口的有效補縮距離。由于鑄件結構或鑄造工藝上不便，難以在中部設置暗冒口，此時單靠增加冒口直徑和高度，補縮效果很不明顯，況且增大冒口會使大量液流經過內澆道，使鑄件在內澆道附近和冒口根部因過熱而產生疏松。在這種情況下，一般采用在鑄件壁板的一側增加工藝補貼的方法，來增加冒口的有效補縮距離，提高冒口的補縮效率 2829 4）. 冒口位置的確定 冒口位置的選擇對獲得優(yōu)質鑄件有著重要的意義。冒口位置選擇不當，不僅不能消除鑄件的縮孔和疏松，反而會使鑄件產生裂紋，加重冒口附近的疏

13、松，還會給清理、切割等工序帶來不便。30 4.1）、冒口位置選擇的原則：（1）冒口應就近設在鑄件熱節(jié)的上方或側旁。（2）冒口應盡量設在鑄件最高、最后的部位。（3）冒口不應設在鑄件重要的、受力大的部位，以防止組織粗大降低強度。（4）冒口位置不要選在鑄造應力集中處，應注意減輕對鑄件的收縮阻礙，以免引起裂紋。 (5) 盡量用一個冒口同時補縮幾個熱節(jié)或鑄件。（6）冒口布置在加工面上，可節(jié)約鑄件精整工時，零件外觀好。（7）不同高度上的冒口，應用冷鐵使各個冒口的補縮范圍隔開。31 4.2）、冒口數(shù)量的確定 關于冒口數(shù)量,一般是按照冒口有效補縮距離、冒口延續(xù)度和工藝出品率進行確定與校核的。合理施放冷鐵,延長

14、有效補縮距離,可以減少冒口個數(shù)。 5）. 冒口尺寸的確定 合理地確定冒口尺寸，在鑄造生產中是一個很重要的工藝問題。目前還缺少一種適合各種合金、各種結構鑄件、被大家所公認的確定冒口尺寸的辦法，往往都采用在特定條件下根據(jù)生產經驗總結出來的近似計算法。因此在應用這些方法時，要注意結合生產的具體情況，才能得到較好的結果。32 6）.提高冒口補縮效率的方法 在鑄造生產中，冒口的重量約為鑄件重量的50%100%，在鋁合金和鎂合金砂型鑄造中有的冒口重量甚至是鑄件重量的二倍以上，鑄件實收率很低，冒口的補縮效率不高、去除冒口的勞動量大。因此，采取措施努力提高冒口的補縮效率，對于節(jié)約能量、勞力和降低鑄件生產成本具

15、有重要意義。要提高冒口的補縮效率，最有效的途徑是增加冒口的補縮壓力和廷長冒口的凝固時間，在工藝上經常采用的措施有: 1）大氣壓力冒口 2）保溫冒口 3）發(fā)熱冒口 4）易割冒口332.4.5冒口設計的常用方法冒口設計的常用方法常用冒口設計方法有以下六種：1）模數(shù)法廣泛應用于鑄鋼件冒口設計中，也適用于鑄鐵件，非鐵合金鑄件的冒口設計。2）周界商法基于模數(shù)理論的鑄鋼件冒口設計方法。3）收縮模數(shù)法用于灰鑄鐵件和球墨鑄鐵件冒口設計。4）熱節(jié)圓法種經驗性方法，以熱節(jié)圓和補縮液量為依據(jù)，適用于各種類型的中小鑄鋼件冒口設計，也用于鑄鐵件冒口設計。5）K值法它是模數(shù)法中比較實用的方法之一，用于鑄鋼件，鑄鐵件等鑄件

16、冒口設計。6）比例法確定冒口尺寸最常用的方法，尤其是在鋁、鎂合金鑄件的生產中得到廣泛的應用。3435362.5冷鐵設計 冷鐵的概念 為增加鑄件局部冷卻速度，在型腔內部及工件表面安放的激冷物。 冷鐵可分為外冷鐵和內冷鐵。 在鑄造生產中常將冷鐵、澆注系統(tǒng)和冒口配合使用，控制鑄件的凝固過程。37382.5.1冷鐵的作用1）與澆注系統(tǒng)和冒口配合控制鑄件的凝固次序。形成順序凝固的凝固次序；改變鑄件的凝固次序，形成順序凝固；增大凝固過程的穩(wěn)定梯度，使凝固次序更加明顯；加速鑄件局部厚大部位的凝固速度，與周圍部分同時凝固。2）加速鑄件的凝固速度，細化晶粒組織，提高鑄件的力學性能。 另外：冷鐵還可以用來劃分冒口

17、的補縮區(qū)域，控制和擴大冒口的補縮范圍，提高冒口的補縮效率。39 2.5.2冷鐵材料的選擇 生產中常用的冷鐵材料有鑄鐵、鋁合金、石墨和銅合金等 。 可以制作冷鐵的材料很多，凡是比砂型材料的熱導率、蓄熱系數(shù)大的金屬和非金屬材料均可選用 。常用冷鐵材料的熱力學性能40 2.5.3外冷鐵外冷鐵的分類外冷鐵直接冷鐵（明冷鐵）間接冷鐵（暗冷鐵）有氣隙無氣隙4142 外冷鐵厚度的確定 根據(jù)經驗，外冷鐵的厚度見下表2序號適用條件外冷鐵的厚度序號適用條件外冷鐵的厚度1灰鐵鑄件=（0.250.5）T4鑄鋼件=（0.30.8）T2球墨鑄鐵件=（0.30.8）T5銅合金件=（0.61.0）T3可鍛鑄鐵件=1.0T6輕合金件=（0.81.0）T注：T 鑄件熱節(jié)圓直徑。對輕合金件，當T大于2.5倍鑄件壁厚時，需配合冒口使用。43 外冷鐵工作表面積的確定 設在鑄件底面和內側面的外冷鐵，在重力和鑄件收縮力作用下同鑄件表面緊密接觸，稱為無氣隙外冷鐵; 設在鑄件頂部和外側的冷鐵屬于氣隙外冷鐵。44 外冷鐵的重量 為防止外冷鐵被鑄件熔接，應計算或校核外冷鐵的重量。 原理：鑄件（熱節(jié)部分）的質量為Wo，用外冷鐵激冷后，鑄件模數(shù)Mo減少為等效模數(shù)M1，對應M1的鑄件質量為W1，則質量差（Wo-W1）所含的過熱熱量和結晶潛熱應為外冷鐵吸收并使之升溫。設CL,Cs為金屬液，固體的比熱容，鑄件凝固結束時允許外