第七章-金屬材料件液態(tài)成形

第七章金屬材料件液態(tài)成形一、什么是液態(tài)成型（鑄造生產(chǎn)）

將液態(tài)金屬澆注到與零件形狀相適應(yīng)的鑄型型腔中，待其冷卻凝固，以獲得毛坯或零件的生產(chǎn)方法。零件圖鑄造工藝圖鑄型型芯芯盒芯砂型砂模型熔化合箱落砂、清理檢驗鑄件二、砂型鑄造的工藝過程澆注冷卻凝固（1）材料來源廣；（2）廢品可重熔；（3）設(shè)備投資低。

三、鑄造生產(chǎn)的特點1．可生產(chǎn)形狀任意復(fù)雜的制件，特別是內(nèi)腔形狀復(fù)雜的制件。如汽缸體、汽缸蓋、蝸輪葉片、床身件等。（1）合金種類不受限制；（2）鑄件大小幾乎不受限制。2．適應(yīng)性強：

3．成本低：

4．廢品率高、表面質(zhì)量較低、勞動條件差。第一節(jié)金屬材料件液態(tài)成型工藝基礎(chǔ)充型能力不足時，會產(chǎn)生澆不足、冷隔、夾渣、氣孔等缺陷。（一）液態(tài)合金的流動性合金的流動性是：液態(tài)合金本身的流動能力。充型——液態(tài)合金填充鑄型的過程。充型能力——液體金屬充滿鑄型型腔，獲得尺寸精確、輪廓清晰的成形件的能力。一

液態(tài)金屬的充型能力與流動性0.45%C鑄鋼：200mm出氣口澆口杯4.3%C鑄鐵：1800mm出氣口澆口杯PbSb20406080204060800流動性（cm）100200300溫度（℃）0合金流動性主要取決于合金化學成分所決定的結(jié)晶特點

a）在恒溫下凝固b）在一定溫度范圍內(nèi)凝固PbSb20406080204060800流動性（cm）100200300溫度（℃）03.澆注系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu)

澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，流動阻力越大，充型能力越差。

（二）澆注條件（三）鑄型充填條件1.鑄型的蓄熱系數(shù)

鑄型的蓄熱系數(shù)表示鑄型從其中的金屬吸取熱量并儲存在本身的能力。1.澆注溫度

一般T澆越高，液態(tài)金屬的充型能力越強。2.充型壓力

液態(tài)金屬在流動方向上所受的壓力越大，充型能力越強。2.鑄型溫度

鑄型溫度越高，液態(tài)金屬與鑄型的溫差越小，充型能力越強。3.鑄型中的氣體（2）鑄件復(fù)雜程度

鑄件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流動阻力大，鑄型的充填就困難。

（四）鑄件結(jié)構(gòu)（1）折算厚度

折算厚度也叫當量厚度或模數(shù)，為鑄件體積與表面積之比。折算厚度大，熱量散失慢，充型能力就好。鑄件壁厚相同時，垂直壁比水平壁更容易充填。二、液態(tài)金屬的凝固與收縮（一）鑄件的凝固方式

1.逐層凝固2.糊狀凝固

3.中間凝固

影響鑄件凝固方式的主要因素：（1）合金的結(jié)晶溫度范圍合金的結(jié)晶溫度范圍愈小，凝固區(qū)域愈窄，愈傾向于逐層凝固

。表層中心t鑄件固相線液相線成分溫度表層中心t鑄件液固液表層中心St鑄件溫度液相線固凝固區(qū)（2）鑄件的溫度梯度

在合金結(jié)晶溫度范圍已定的前提下，凝固區(qū)域的寬窄取決與鑄件內(nèi)外層之間的溫度差。若鑄件內(nèi)外層之間的溫度差由小變，則其對應(yīng)的凝固區(qū)由寬變窄。表層中心St鑄件溫度成分溫度S1T1T2（二）合金的收縮1.收縮的概念T澆T液T固T室合金的收縮經(jīng)歷如下三個階段：（1）液態(tài)收縮

從澆注溫度到凝固開始溫度之間的收縮。T澆

—T液體收縮率是鑄件產(chǎn)生縮孔或縮松的根本原因。體收縮率：線收縮率：線收縮率是鑄件產(chǎn)生應(yīng)力、變形、裂紋的根本原因。（3）

固態(tài)收縮

從凝固終止溫度到室溫間的收縮。

T固

—T室（2）

凝固收縮

從凝固開始到凝固終止溫度間的收縮。

T液

—T固2.縮孔與縮松

液態(tài)合金在冷凝過程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補充，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。大而集中的稱為縮孔，細小而分散的稱為縮松。1)縮孔和縮松的形成2)縮孔和縮松的防止

防止縮孔和縮松常用的工藝措施就是控制鑄件的凝固次序，使鑄件實現(xiàn)“順序凝固”。

暗冒口冒口—儲存補縮用金屬液的空腔。順序凝固—鑄件按照一定的次序逐漸凝固。冷鐵熱節(jié)確定熱節(jié)的方法等溫線法內(nèi)切圓法冷鐵同時凝固—整個鑄件幾乎同時凝固。三、鑄造內(nèi)應(yīng)力、變形與裂紋

（一）鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄件在凝固以后的繼續(xù)冷卻過程中，其固態(tài)收縮受到阻礙，鑄件內(nèi)部即將產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

1.機械應(yīng)力（收縮應(yīng)力）

合金的線收縮受到鑄型、型芯、澆冒系統(tǒng)的機械阻礙而形成的內(nèi)應(yīng)力。機械應(yīng)力是暫時應(yīng)力。上型下型2．熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻，各部分冷卻速度不同，以致在同一時期內(nèi)鑄件各部分收縮不一致而引起的應(yīng)力。

tT12t0t1t2t3THT臨T室t0~t1:塑性狀態(tài)彈性狀態(tài)12+-12t1~t2：t2~t3：+-1212-+12

熱應(yīng)力：由于形狀復(fù)雜，厚薄不均，各部分的冷卻速度不同，以至在同一時刻，鑄件各部位收縮不一致而引起的內(nèi)應(yīng)力稱為熱應(yīng)力。熱應(yīng)力的形成過程如下圖框形梁鑄件所示。ⅠⅡⅡ

熱應(yīng)力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。

熱應(yīng)力是永久應(yīng)力。（二）鑄件的變形與防止

+-反變形法防止變形的方法：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時凝固的原則；3）采用反變形法。（三）鑄件的裂紋與防止

1．熱裂

熱裂的形狀特征是：裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色。熱裂的防止：①應(yīng)盡量選擇凝固溫度范圍小，熱裂傾向小的合金。②應(yīng)提高鑄型和型芯的退讓性，以減小機械應(yīng)力。③對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴格控制硫的含量，防止熱脆性。

2．冷裂

冷裂的特征是：裂紋細小，呈連續(xù)直線狀，縫內(nèi)有金屬光澤或輕微氧化色。

冷裂的防止：1）使鑄件壁厚盡可能均勻；2）采用同時凝固的原則；3）對于鑄鋼件和鑄鐵件，必須嚴格控制磷的含量，防止冷脆性。

四、液態(tài)成形件的質(zhì)量與控制

常見鑄件缺陷及特征

名稱特征名稱特征氣孔主要為梨形、圓形、橢圓形的孔洞，表面較光滑，一般不在鑄件表面露出，大孔獨立存在，小孔則成群出現(xiàn)?？s孔縮松1．縮孔：形狀為不規(guī)則的封閉或敞露的空洞，孔壁粗糙并帶有枝狀晶，常出現(xiàn)在鑄件最后凝固部位。2．所松：鑄件斷面上出現(xiàn)的分散而細小的縮孔。粘砂鑄件的部分或整個表面粘附著一層金屬和砂粒的機械混和物，多發(fā)生在鑄件厚壁和熱節(jié)處。裂紋1．熱裂：斷面嚴重氧化，無金屬光澤，斷口沿晶界產(chǎn)生和發(fā)展，外形曲折而不規(guī)則的裂紋。2．冷裂：穿過晶體而不沿晶界斷裂，斷口有金屬光澤或有輕微氧化色。夾砂鑄件表面上有凸起的金屬片狀物，表面粗糙，邊角銳利，有小部分與鑄件本體相連?；瘜W成分及力學性能不合格鑄件的化學成分和硬度、強度、伸長率、沖擊韌度、耐熱、耐蝕及耐磨等性能不符合技術(shù)條件要求。白口灰鑄鐵件斷面全部或表面出現(xiàn)亮白色組織，常在鑄件薄的斷面，棱角及邊緣部分。

鑄件缺陷的產(chǎn)生與鑄造工藝、造型材料、模具、合金的熔煉與澆注、鑄造合金的選擇、鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計、技術(shù)要求的設(shè)計是否合理等各個環(huán)節(jié)密切相關(guān)。因此，應(yīng)從以下幾個方面控制鑄件質(zhì)量：1．合理選定鑄造合金和鑄件結(jié)構(gòu)2．合理制定鑄件的技術(shù)要求具有缺陷的鑄件并不都是廢品，在合格鑄件中，允許存在那些缺陷及其存在的程度，應(yīng)在零件圖或有關(guān)的技術(shù)文件中做出具體規(guī)定，作為鑄件質(zhì)量要求的依據(jù)。3．鑄件質(zhì)量檢驗鑄件質(zhì)量檢驗是控制鑄件質(zhì)量的重要措施。鑄件檢驗的項目有：鑄件外觀質(zhì)量，包括鑄件表面缺陷、表面粗糙度、重量公差和尺寸公差等；鑄件內(nèi)在質(zhì)量，包括鑄件內(nèi)部缺陷、化學成分、金相組織和材質(zhì)性能等；鑄件使用性能，包括鑄件在強力、高速、耐蝕、耐熱、耐低溫等不同條件下的工作能力。鑄件質(zhì)量檢驗最常用的是宏觀法。它是通過肉眼觀察（或借助尖咀錘）找出鑄件的表面缺陷和皮下缺陷，如氣孔、砂眼、夾渣、粘砂、縮孔、澆不到、冷隔、尺寸誤差等。對于內(nèi)部缺陷則要用儀器檢驗，如著色滲透檢驗、超聲波探傷、射線探傷、磁粉探傷、熒光探傷、耐壓試驗等。此外，若有必要還應(yīng)對鑄件進行解剖檢驗、金相檢驗、力學性能檢驗和化學成分分析等。

用型砂緊實成型的鑄造方法稱為砂型鑄造。砂型鑄造是應(yīng)用最廣泛的一種鑄造方法，其主要工序包括：制造模樣，制備造型材料、造型、造芯、合型、熔煉、澆注、落砂、清理與檢驗等。

一、造型方法的選擇

二、鑄造工藝設(shè)計第二節(jié)砂型鑄造

用造型混合料及模樣等工藝裝備制造鑄型的過程稱為造型。造型是砂型鑄造的最基本工序，通常分為手工造型和機器造型兩大類。

（一）手工造型

手工造型主要用于單件小批生產(chǎn)，特別是重型和形狀復(fù)雜的鑄件。1.手工造型方法分類

根據(jù)砂型的不同特征，手工造型方法可分為：兩箱造型、三箱造型、脫箱造型、地坑造型、組芯造型；根據(jù)模樣的不同特征，手工造型方法可分為：整模造型、分模造型、挖砂造型、假箱造型、活塊造型、刮板造型。各種手工造型方法的示意圖如圖1-15所示。

2.各種手工造型方法的主要特征及其適用范圍一、造型方法的選擇兩箱造型是造型的最基本方法，鑄型由成對的上型和下型構(gòu)成，操作簡單。適用于各種生產(chǎn)批量和各種大小的鑄件。

a)兩箱造型三箱造型的鑄型由上、中、下三型構(gòu)成。中型高度需與鑄件兩個分型面的間距相適應(yīng)。三箱造型操作費工。主要適用于具有兩個分型面的單件、小批生產(chǎn)的鑄件。

b)三箱造型

c)地坑造型組芯造型是用若干塊砂芯組合成鑄型，而無需砂箱。它可提高鑄件的精度，但成本高。適用于大批量生產(chǎn)形狀復(fù)雜的鑄件。

d)組芯造型整模造型的模樣是整體的，分型面是平面，鑄型型腔全部在半個鑄型內(nèi)，其造型簡單，鑄件不會產(chǎn)生錯型缺陷。適用于鑄件最大截面在一端，且為平面的鑄件。

e)整模造型挖砂造型的模樣是整體的，但鑄件分型面為曲面。為便于起模，造型時用手工挖去阻礙起模的型砂、其造型費工、生產(chǎn)率低，工人技術(shù)水平要求高。用于分型面不是平面的單件、小批生產(chǎn)鑄件。

f)挖砂造型假箱造型是為克服挖砂造型的挖砂缺點，在造型前預(yù)先做個底胎（即假箱），然后在底胎上制下箱，因底胎不參予澆注，故稱假箱。比挖砂造型操作簡單，且分型面整齊。適用于成批生產(chǎn)中需要挖砂的鑄件。

j)假箱造型分模造型是將模樣沿最大截面處分成兩半，型腔位于上、下兩個砂箱內(nèi)，造型簡單省工。常用于最大截面在中部的鑄件。

g)分模造型活塊造型是在制模時將鑄件上的妨礙起模的小凸臺，肋條等這些部分作成活動的（即活塊）。起模時，先起出主體模樣，然后再從側(cè)面取出活塊。其造型費時，工人技術(shù)水平要求高。主要用于單件、小批生產(chǎn)帶有突出部分、難以起模的鑄件。

h)活塊造型刮板造型是用刮板代替實體模樣造型，它可降低模樣成本，節(jié)約木材，縮短生產(chǎn)周期。但生產(chǎn)率低，工人技術(shù)水平要求高。用于有等載面或回轉(zhuǎn)體的大、中型鑄件的單件、小批生產(chǎn)、如帶輪、鑄管、彎頭等。

i)刮板造型（二）機器造型

機器造型是指用機器全部完成或至少完成緊砂操作的造型工序。機器造型鑄件尺寸精確、表面質(zhì)量好、加工余量小，但需要專用設(shè)備，投資較大，適合大批量生產(chǎn)。

1.機器造型方法分類

常用的機器造型方法有：壓實緊實、高壓緊實、震擊緊實、震壓緊實、微震緊實、拋砂緊實、射壓緊實、射砂緊實。

2.各種機器造型方法的主要特征及其適用范圍壓實緊實方法單純借助壓力緊實砂型，機器結(jié)構(gòu)簡單、噪聲小，生產(chǎn)率高，消耗動力少，型砂的緊實度沿砂箱高度方向分布不均勻，上下緊實度相差很大。主要適用于成批生產(chǎn)高度小于200mm薄而小的鑄件。

a)壓實緊實

高壓緊實主要是用較高壓實比壓（一般在0.7MPa-1.5MPa）壓實砂型。砂型緊實度高，鑄件尺寸精度高，表面粗糙度Ra值小，廢品率低，生產(chǎn)率高、噪聲低、灰塵小、易于機械化、自動化、但機器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高。主要適用于需大量生產(chǎn)的中、小型鑄件，如汽車、機械車輛、縫紉機等產(chǎn)品較為單一的制造業(yè)。

b)高壓緊實震擊緊實主要依靠震擊力堅實砂型。該方法機器結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，但噪聲大、生產(chǎn)率低、要求廠房基礎(chǔ)好。砂型堅實度沿砂箱高度方向愈往下愈大。主要適用于需成批生產(chǎn)的中，小型鑄件。

c)震擊緊實震壓緊實是經(jīng)過多次震擊后再壓實砂型。該方法生產(chǎn)率高，能量消耗少，機械磨損少，砂型堅實度較均勻，但噪聲大。廣泛用于成批生產(chǎn)中、小型鑄件。

c)震壓緊實微震緊實是在加壓堅實型砂的同時，砂箱和模板作高頻率、小振幅震動。此方法生產(chǎn)率較高、緊實度均勻、噪聲小。廣泛用于成批生產(chǎn)中、小型鑄件。

e)微震緊實拋砂緊實是利用離心力拋出型砂，使型砂在慣性力下完成填砂和堅實。該方法生產(chǎn)率高，能量消耗少、噪聲低、型砂堅實度均勻、適用性廣。主要適用于單件、小批、成批、大量生產(chǎn)中、大型鑄件或大型芯。

f)拋砂緊實射壓緊實是使壓縮空氣驟然膨脹，將型砂射人砂箱進行填砂和堅實，再進行壓實。該方法生產(chǎn)率高，堅實度均勻，砂型型腔尺寸精確、表面光滑、工人勞動強度低、易于自動化、但造型機調(diào)整維修復(fù)雜。主要適用于大批、大量生產(chǎn)的形狀簡單的中、小型鑄件。

g)射壓緊實射砂緊實是用壓縮空氣將型（芯）砂高速射入砂箱或芯盒而進行緊實。因其將填砂、緊實兩個工序同時完成，故生產(chǎn)率高，但用于造型，其堅實度不高、需進行輔助壓實。廣泛用于制芯、并開始用于造型。

一、金屬型鑄造

二、熔模鑄造

三、壓力鑄造第三節(jié)特種鑄造

一金屬型鑄造液態(tài)金屬澆入金屬型鑄件獲得（一)金屬型的材料及結(jié)構(gòu)材料一般采用鑄鐵，要求較高時，可選用碳鋼或低合金鋼。金屬型的結(jié)構(gòu)有水平分型式、垂直分型式和復(fù)合分型式等。（二）金屬型的鑄造工藝

1．加強金屬型的排氣2．在金屬型的工作表面上噴刷涂料3．預(yù)熱金屬型并控制其溫度4．及時開型（三）金屬型鑄造的特點及適用范圍1．金屬型鑄件冷卻速度快，組織致密，力學性能高。

2．鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量均優(yōu)于砂型鑄造件。尺寸精度達IT12~IT14，Ra值平均可達6.3~12.5μm。

3．生產(chǎn)率高，勞動條件得到改善。4．金屬型不透氣、無退讓性、鑄件冷卻速度快，易產(chǎn)生

氣孔、應(yīng)力、裂紋、澆不到、冷隔、白口等鑄造缺陷。

應(yīng)用：主要用于銅、鋁、鎂等有色合金鑄件的大批量生產(chǎn)。二、熔模鑄造成形工藝

在易熔模樣表面包覆若干層耐火材料，待其硬化干燥后，將模樣熔去制成中空型殼，經(jīng)澆注而獲得鑄件的一種成形工藝方法。（一）熔模鑄造的工藝過程壓型蠟?zāi)＝M結(jié)殼脫蠟單個蠟?zāi)１簾?、澆注（二）熔模鑄造的特點和適用范圍1．鑄件的精度和表面質(zhì)量較高，公差等級可達IT11~IT13，表面粗糙度Ra值達1.6~12.5μm。2．合金種類不受限制，尤其適用于高熔點及難加工的高合金鋼，如耐熱合金、不銹鋼、磁鋼等。

3．可鑄出形狀較復(fù)雜的鑄件，如鑄件上寬度大于3mm的凹槽、直徑大于2mm的小孔均可直接鑄出。

4．生產(chǎn)批量不受限制，單件、成批、大量生產(chǎn)均可適用。

5．工藝過程較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長；原材料價格貴，鑄件成本高；鑄件不能太大、太長，否則熔模易變形，喪失原有精度。應(yīng)用：它最適合25kg以下的高熔點、難以切削加工合金鑄件的成批大量生產(chǎn)。三、壓力鑄造成形工藝液態(tài)金屬在高壓作用下快速壓入金屬鑄型中，并在壓力下結(jié)晶，以獲得鑄件的成形工藝方法。（一）壓鑄機和壓鑄工藝過程（二）壓力鑄造的特點和適用范圍

1．鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量最高。公差等級一般為

IT11~IT13級，Ra為3.2~0.8μm。2．鑄件的強度和表面硬度高?？估瓘姸瓤杀壬靶丸T造提高25~30%，但伸長率有所下降。

3．可壓鑄出形狀復(fù)雜的薄壁件。

4．生產(chǎn)率高。國產(chǎn)壓鑄機每小時可鑄50~150次，最高可達500次。

5．壓鑄設(shè)備投資大，壓鑄型制造成本高，工藝準備時間長，不適宜單件、小批生產(chǎn)。6．由于壓鑄型壽命的原因，目前壓鑄尚不適宜鑄鐵、鋼等高熔點合金的鑄造。7．壓鑄件內(nèi)部存在縮孔和縮松，表皮下形成許多氣孔。（三）在壓鑄件的設(shè)計和使用中，應(yīng)注意的問題應(yīng)使鑄件壁厚均勻，并以3~4mm壁厚為宜，最大壁厚應(yīng)小于6~8mm，以防止縮孔、縮松等缺陷。2.壓鑄件不能進行熱處理或在高溫下工作，以免壓鑄件內(nèi)氣孔中的氣體膨脹，導(dǎo)致鑄件表面鼓泡或變形。3.壓鑄件應(yīng)盡量避免切削加工，以防止內(nèi)部孔洞外露。4.由于壓鑄件內(nèi)部疏松，塑性、韌性相對較差，因此不適宜制造承受沖擊的制件。應(yīng)用：有色薄壁小件的大批量生產(chǎn)。四、低壓鑄造成形工藝

低壓鑄造是在0.2~0.7大氣壓的低壓下將金屬液注入型腔，并在壓力下凝固成形，以獲得鑄件的方法。（一）低壓鑄造的工藝過程（二）低壓鑄造的特點及應(yīng)用范圍應(yīng)用：目前廣泛應(yīng)用于鑄造鋁合金鑄件，如汽車發(fā)動機缸體、缸蓋、活塞、葉輪等，也可用于球墨鑄鐵、銅合金等澆注較大的鑄件，如球鐵曲軸、銅合金螺旋槳等。1．澆注壓力和速度便于調(diào)節(jié)，可適應(yīng)不同材料的鑄型。2．鑄件的氣孔、夾渣等缺陷較少。

3．便于實現(xiàn)順序凝固，使鑄件組織致密、力學性能高。

4．由于省去了補縮冒口，使金屬的利用率提高到90~98%。

第四節(jié)金屬件液態(tài)成形工藝設(shè)計一、鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計

（一）鑄件壁厚的設(shè)計1．合理設(shè)計鑄件壁厚

1）鑄件的最小壁厚鑄造方法鑄件尺寸（mm）合金種類鑄鋼灰口鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵鋁合金銅合金砂型鑄造<200×20085～66533～5200×20~500×50010～126～1012846～8>500×50015～2015～2015～2010～12610～122）鑄件的臨界壁厚在最小壁厚和臨界壁厚之間就是適宜的鑄件壁厚。在砂型鑄造條件下，臨界壁厚≈3×最小壁厚

3）鑄件截面形狀在一定鑄造工藝條件下，所能澆注出的鑄件最小壁厚。

2．鑄件壁厚應(yīng)均勻、避免厚大截面（二）鑄件壁的連接1．鑄件的結(jié)構(gòu)圓角2．避免銳角連接3．厚壁與薄壁間的聯(lián)接要逐步過渡4．減緩筋、輻收縮的阻礙（三）鑄件外形的設(shè)計

1．避免外部側(cè)凹、凸起；2．分型面應(yīng)盡量為平直面；上中中下上下3．凸臺、筋條的設(shè)計應(yīng)便于起模。（四）鑄件內(nèi)腔的設(shè)計1．應(yīng)盡量減少型芯的數(shù)量，避免不必要的型芯。芯撐2．便于型芯的固定、排氣和清理。（五）鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮的其它問題1．鑄造方法2．組合鑄件的設(shè)計二、砂型鑄造工藝設(shè)計鑄造工藝圖—將工藝設(shè)計的內(nèi)容（工藝方案）用工藝符號或文字在零件圖上表示出來所形成的圖樣。