材料成形工艺 第2版 教学课件 ppt 作者 夏巨諶 张启勋 主编 第四章　特 种 铸 造

材料成形工艺,第四章 特 种 铸 造,第一节 熔 模 铸 造 第二节 消失模铸造 第三节 压 力 铸 造 第四节 离 心 铸 造 第五节 低压与差压铸造,第一节 熔 模 铸 造,一、熔模铸造的原理及特点 二、模料种类及性能要求 三、制模工艺与制壳工艺 四、制壳用粘结剂及型壳干燥 五、缺陷及防止方法,一、熔模铸造的原理及特点,熔模铸造又称精密铸造或失蜡铸造，它是用易熔材料(蜡料及塑料等)制成精确的可熔性模样，在模样上涂以若干层耐火涂料，经过干燥、硬化成整体型壳；然后加热型壳熔失模样，再经高温焙烧而成为耐火型壳；将液体金属浇入型壳中，待冷却后即成铸件。其工艺流程如图4-1所示。与其他铸造方法相比，熔模铸造的主要优点如下： 1)铸件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可以浇注形状复杂的铸件，一般尺寸精度可达CT5CT7级，粗糙度达Ra256.3m。 2)可以铸造薄壁铸件以及重量很小的铸件，熔模铸件的最小壁厚可达0.5mm，质量可以小到几克。,一、熔模铸造的原理及特点,3)可以铸造花纹精细的图案、文字、带有细槽和弯曲细孔的铸件。 4)熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制，可以制造出用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂的零件，而且可以使有些组合件、焊接件在稍进行结构改进后直接铸造成整体零件，从而减轻零件重量、降低生产成本。 5)铸造合金的类型几乎没有限制，常用来铸造合金钢件、碳钢件和耐热合金铸件；生产批量没有限制，可以从单件到成批大量生产。,一、熔模铸造的原理及特点,图4-1 熔模铸造工艺流程图,二、模料种类及性能要求,(1)模料的分类 随着熔模铸造工艺的发展，模料的种类日益繁多，组成各不相同。通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。 (2)对模料性能的基本要求 对熔模模料性能的基本要求概括为：热物理性能，主要指有合适的熔化温度和凝固区间、较小的热膨胀和收缩、较高的耐热性(软化点)，模料在液态时应无析出物，固态时无相变；力学性能，主要有强度、硬度、塑性、柔韧性等；工艺性能，主要有粘度(或流动性)、灰分、涂挂性等。,三、制模工艺与制壳工艺,1.制模 2.制壳,三、制模工艺与制壳工艺,图4-2 制模与制壳工艺流程示意图,1.制模,(1)压注成形 压注成形的注蜡温度多在熔点以下，此时模料是液、固两相共存的浆状或糊状。 (2)挤压成形 挤压成形是把在低温塑性状态下的模料挤压入型腔，在高压下成形，以减少和防止熔模收缩。,2.制壳,制壳包括涂挂和撒砂两道工序。涂挂涂料之前，熔模需经脱油脂处理。涂挂时要采用浸涂法。涂挂操作时应保持熔模表面均匀地涂挂上涂料，避免空白和局布堆积；焊合处、圆角、棱角和凹槽等，应用毛笔或特制工具涂刷均匀，避免气泡；涂挂每层加固层涂料前应清理前一层上的浮砂；涂挂过程中要定时搅拌涂料，掌握和调整涂料的粘度。,四、制壳用粘结剂及型壳干燥,1.硅溶胶型壳干燥的特点 2.水玻璃型壳的干燥硬化 3.硅酸乙酯型壳的干燥硬化,1.硅溶胶型壳干燥的特点,硅溶胶型壳中的水大部分在干燥过程中排除，干燥过程实质上就是硅溶胶的胶凝过程。干燥过程可分为四个阶段：粘结剂胶凝前，型壳涂料层中的游离水在涂挂过程中和干燥阶段初期蒸发；硅溶胶胶凝后，被包在冻胶网格中的物理吸附水在干燥期间逐渐蒸发；硅溶胶胶粒吸附层中的化学吸附水在加热至100200时失去；胶粒表面残存的硅醇(SiOH)在400800范围内通过自缩聚而脱水。干燥的最终结果是不断发生硅醇聚缩反应，形成牢固的硅氧键而胶凝。,2.水玻璃型壳的干燥硬化,水玻璃粘结剂是含有少量胶体SiO2粒子的硅酸盐离子溶液，需要通过干燥和化学硬化两个环节才能完成水玻璃粘结剂型壳的干燥硬化。全过程顺序为：自然干燥化学硬化硬化后干燥。 自然干燥是使水玻璃溶液不断脱水浓缩，以及使粘结剂通过扩散和渗透而在型壳层中均匀分布。水分的蒸发和脱水收缩会在型壳中留下微细通道和裂纹，有助于硬化剂能深入扩散，加之硬化反应在脱水后的硅酸钠中进行，故扩散速度快，硬化时间短。,3.硅酸乙酯型壳的干燥硬化,硅酸乙酯粘结剂型壳的干燥硬化，实质上是涂料中的硅酸乙酯水解液继续水解缩聚，最终胶凝以及溶剂挥发的过程。前者主要是化学变化，后者是物理过程，但彼此有密切联系。 型壳涂挂后，涂料层中的硅酸乙酯水解液继续水解，直至胶凝，该过程随型壳的硬化分为三个阶段，即回溶阶段、鼓胀阶段和稳定阶段。,五、缺陷及防止方法,熔模铸件的缺陷分为表面和内部缺陷以及尺寸和粗糙度超差。表面和内部缺陷，指欠铸、冷隔、缩松、气孔、夹渣、热裂、冷裂等；尺寸和粗糙度超差主要包括铸件的拉长和变形。 产生表面和内部缺陷主要与合金液的浇注温度、型壳的焙烧温度与制备工艺、浇注系统与铸件结构的设计等因素有关。铸件尺寸和粗糙度超差，主要与压型的使用磨损、铸件结构、型壳的焙烧及其强度、铸件的清理等因素有关。应根据铸件的具体结构和涉及到的相关工艺，有针对性地解决问题，消除缺陷。,第二节 消失模铸造,一、消失模铸造成形原理、特点 二、消失模铸造过程 三、消失模铸造的特征及其铸件的缺陷防止,一、消失模铸造成形原理、特点,消失模铸造又称气化模铸造或实型铸造。它是采用泡沫塑料模样代替普通模样紧实造型，造好铸型后不取出模样，直接浇入金属液，在高温金属液的作用下，模样受热汽化、燃烧而消失，金属液取代原来泡沫塑料模样占据的空间位置，冷却凝固后即获得所需的铸件。消失模铸造的工艺过程如图4-3所示。与砂型铸造相比，消失模铸造方法具有如下主要特点：1)因铸型紧实后不用起模、分型，没有铸造斜度和活块，取消了砂芯，因此避免了普通砂型铸件尺寸误差和错型等缺陷；同时，由于泡沫塑料模样的表面粗糙度较低，故消失模铸件的表面粗糙度也较低，铸件的尺寸精度可达CT5CT6级，表面粗糙度可达Ra6.312.5m。,一、消失模铸造成形原理、特点,2)消失模铸造由于没有分型面，也不存在下芯、起模等问题，许多在普通砂型铸造中难以铸造的铸件结构在消失铸造中不存在任何困难。 3)简化铸件生产工序，提高劳动生产率，容易实现清洁生产。 4)减少材料消耗，降低铸件成本。,一、消失模铸造成形原理、特点,图4-3 消失模铸造的工艺过程 a)组装后的泡沫塑料模样 b)紧实好的待浇铸型 c)浇注充型过程 d)去除浇、冒口后的铸件,二、消失模铸造过程,1.泡沫塑料模样的成形加工及组装 2.涂料 3.造型、浇注及型砂处理,1.泡沫塑料模样的成形加工及组装,图4-4 泡沫塑料模样的成形方法 a)泡沫塑料珠粒制成铸件模样过程 b)成形后的泡沫塑料模样,1.泡沫塑料模样的成形加工及组装,表4-1 用于消失模铸造工艺的泡沫塑料及其特性,2.涂料,泡沫塑料模样及其浇注系统组装成形后应上涂料。涂料在消失模铸造工艺中具有十分重要的控制作用：涂层将金属液与干砂隔离，可防止冲砂、粘砂等缺陷；浇注充型时，涂层将模样的热解产物气体快速导出，可防止浇不足、气孔、夹渣、增碳等缺陷产生；涂层可提高模样的强度和刚度，使模样能经受住填砂、紧实、抽真空等过程中力的作用，避免模样变形。 消失模铸造涂料与普通砂型的组成相似，主要由耐火填料、分散介质、粘结剂、悬浮剂及改善某些特殊性能的附加物组成。但消失模铸件的质量和表面粗糙度在很大程度上依赖于涂料的质量。,3.造型、浇注及型砂处理,(1)消失模铸造用砂 消失模铸造通常采用无粘结剂的硅砂来充填、紧实模样，砂粒的平均粒度为AFS 25AFS 45。 (2)雨淋式加砂 在模样放入砂箱内紧实之前，砂箱的底部要填入一定厚度(约100mm)的型砂作为放置模样的砂床。 (3)砂的振动紧实 消失模铸造中干砂的加入、充填和紧实是得到优质铸件的重要工序。 (4)真空下浇注 (5)型砂的冷却 消失模铸件落砂后的型砂温度很高，由于是干砂，其冷却速度相对较慢，对于规模较大的流水生产的消失模铸造车间，型砂的冷却是消失模铸造的关键，型砂的冷却设备是消失模铸造车间砂处理系统的主要设备。,图4-5 消失模铸造中的真空抽气系统 1真空泵 2水浴罐 3水位计 4排水阀 5球阀 6逆流阀 73in(1in=0.0254m)管 8真空表 9滤网 10滤砂与分配罐 11止阀(若干个) 12进气管(若干个) 13挡尘罩 14支托 15排尘阀,3.造型、浇注及型砂处理,三、消失模铸造的特征及其铸件的缺陷防止,1.消失模铸造的浇注系统特征 2.常见缺陷及防止措施,1.消失模铸造的浇注系统特征,(1)封闭式浇注系统 其特点是流量控制的最小截面处于浇注系统的末端，浇注时直浇道内的泡沫塑料迅速汽化，并在很短的时间内被液体金属充满，浇注系统内易建立起一定的静压力使金属液呈层流状充填，可以避免充型过程中金属液的搅动与喷溅。 (2)底注式浇注系统 由于底注式浇注系统的金属液流动具有充型平稳、不易氧化、无飞溅、有利于排气浮渣等特点，较符合消失模铸造的工艺特点，故底注式浇注系统在消失铸造中应用较多。 (3)快速浇注 快速浇注是消失模铸造工艺的主要特征之一。,1.消失模铸造的浇注系统特征,(4)较高的浇注温度 由于汽化泡沫塑料模样需要热量，消失模铸造的浇注温度比普通砂型铸造的浇注温度通常要高2050。,2.常见缺陷及防止措施,(1)增碳 消失模铸钢件中，铸件的表面乃至整个断面的含碳量明显高于钢液的含碳量，这种现象称为增碳。 (2)皱皮 皱皮是金属中夹进的氧化膜，即有机残余物薄层覆盖着一层较厚的氧化膜。 (3)气孔和夹渣 铸件上出现气孔和夹渣缺陷主要来源于浇注过程中泡沫塑料模样受热汽化生成的大量气体和一定残渣物。 (4)粘砂 粘砂是指铸件表面粘结型砂而不易清理的铸造缺陷，它是铸型与金属界面动压力、静压力、摩擦力及毛细作用力平衡被破坏的结果。 (5)塌箱 塌箱是指浇注过程中铸型向下塌陷，金属液不能再从直浇口进入型腔，造成浇注失败。,2.常见缺陷及防止措施,(6)冷隔 铸件最后被填充的地方，金属不能完全填充铸型时便出现冷隔。,第三节 压 力 铸 造,一、压铸及特点 二、压铸模 三、压铸工艺参数 四、压铸新工艺,一、压铸及特点,压力铸造(简称压铸)是将液态金属或半液态金属在高压下快速充填金属型的型腔，并在高压下快速凝固而获得铸件的一种铸造方法。在压铸中，一般作用于金属上的压力在20200MPa，充型的初始速度为1570m/s，充型时间仅为0.010.2s。因此，高压和高速是压铸成形的重要特征，也是与其他铸造方法的根本区别。压铸是所有铸造方法中生产速度最快的，在汽车、拖拉机、电器仪表、电信器材、医疗器械、日用五金以及航空航天工业等方面都有广泛的应用。,一、压铸及特点,由于压力铸造过程的特殊充型及凝固方式，与其他铸造方法相比具有以下特点： 1)可以制得薄壁、形状复杂且轮廓清晰的铸件。 2)生产效率高。 3)铸件具有较好的力学性能。 4)铸件精度高，尺寸稳定，加工余量少，表面光洁。 5)采用镶铸法可省去装配工序并简化制造工艺。 6)铸件表面可进行涂覆处理，压铸出螺纹、线条、文字、图案等。,一、压铸及特点,但是，压铸与其他铸造方法一样，也存在如下缺点： 1)由于液体金属充型速度极快，型腔中的气体很难排除，便以气孔形式存留于铸件中，因此普通压铸法压铸的铸件不能进行热处理或焊接(加热时气体膨胀将导致铸件鼓泡而报废)，也不适于比较深的机加工，以免铸件表面显出气孔。 2)现有模具材料主要适用于低熔点的合金，如锌、铝、镁等合金。 3)压铸设备投资高，压铸模制造复杂，周期长，费用高，一般不适用于小批量生产。 4)由于充填型腔时金属液的冲击力大，一般压铸不能使用砂芯，因此不能压铸具有复杂内腔结构的铸件，如闭舵结构的铝合金发动机缸体或缸盖。,一、压铸及特点,表4-2 压铸工艺原理,二、压铸模,1.压铸件设计 2.压铸模的组成 3.压铸模的设计原则,1.压铸件设计,1)消除内部侧凹，便于抽芯，消除深陷，使铸件易脱模。 2)改进壁厚，消除缩孔、气孔。 3)改善结构，消除不易压出的侧凹、尖角或棱角，便于抽芯，简化压铸模制造以及避免型芯交叉等。 4)利用加强