金属工艺第二章特种铸造素材

上次课内容的回顾,铸铁件生产 碳在铁碳合金中的存在形式有：渗碳体和石墨 白口铸铁、灰口铸铁、麻口铸铁 铸铁的优点 石墨形态对铸铁性能的影响 铸铁的石墨化：影响石墨化因素 灰口铸铁件的生产；球墨铸铁件的生产；可锻铸铁件的生产；蠕墨铸铁件的生产 铸钢件的生产,2.2.3铜铝合金铸件的生产,由于铜、铝合金具有优良的物理、化学性能，以及良好的工艺性能和独特的力学性能，所以，它们也是铸造生产中常用的合金材料。,1.铜合金铸件 纯铜外观呈紫红色，导电、导热性能很好，塑性高，强度低，低温下塑性、韧性好。主要用于导电材料、电真空器件、仪器、仪表等。,铜合金的分类铸造铜合金分为铸造黄铜和铸造青铜两大类,1 铸造铜合金的牌号、成分、性能和应用,铸造青铜铜和锌以外的元素所组成的合金统称青铜，其中CuSn合金称锡青铜，CuAl合金称铝青铜，CuPb合金称铅青铜，为区别起见，不含锡的青铜统称为无锡青铜。,铸造黄铜铜和锌组成的合金统称为黄铜。其中CuZn二元合金称为普通黄铜,普通黄铜中再加入Mn、Al、Fe、Si、Pb、Sn等元素所组成的多元黄铜称特殊黄铜。,2 铸造铜合金的铸造工艺特点,锡青铜 锡青铜的结晶温度范围很大,同时凝固区域很宽,流动性较差，易 产生缩松。但氧化倾向不大，因所含Sn、Pb等元素不易氧化。对壁厚较大的重要铸件(蜗轮、阀体等)必须采取强烈的顺序凝固，对形状复杂的薄壁件和一般壁厚件，若致密性允许降低，可采用同时凝固。,铝青铜、铝黄铜等含铝较高的铜合金结晶温度范围很小，呈逐层凝固 特征，故流动性较好，易形成集中缩孔，但极易氧化。铸造时要解决的主要问题是防止氧化夹杂和消除缩孔。为消除缩孔，必须使铸件顺序凝固。,铸造铝合金,铝的密度小、熔点低、导电、导热性优良、无磁性。纯铝的强度很低，但塑性很好，便于塑性加工成形。 工业纯铝主要用作配制铝合金，制作电线、电缆及日用器皿等。 铝合金根据加工方法分为铸造铝合金与变形铝合金两大类。 铸造铝合金中加入合金元素的量较多，按照主要合金元素的不同，铸造铝合金分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、铝锌合金四个大类，其中铝硅合金应用最广,1 )铝硅合金（Al-Si）,铝硅合金流动性好、线收缩率低、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。,2 )铝铜合金（Al-Cu）,铝铜合金的铸造性能差，热裂倾向大、气密性和耐蚀性较差，但耐热性较好，主要用于制造活塞、汽缸头等。,3 )铝镁合金（Al-Mg）,铝镁合金是所有铝合金中比强度最高的，主要用于航天、航空或长期在大气、海水中工作的零件等 。,4) 铝锌合金（Al-Zn）,能自动淬火,可以避免淬火变形和开裂，宜于压铸，抗腐蚀性和铸造性能差。,工艺处理：,熔炼设备有坩埚炉、反射炉、电弧炉和感应炉。 为减缓铝合金的氧化和吸气,必须采用熔剂保护,如熔化时加入KCl、NaCl等盐类作为熔剂，将铝液覆盖,与炉气隔离进行熔炼；为了排出吸入的气体,在熔炼后期要进行去气精炼；为了改善铝硅合金的力学性 能,需要进行变质处理,以细化共晶硅或过共晶硅。,工艺特点:,铸造铝合金熔点低，流动性好，故可铸形状复杂的薄壁铸件。铝合金导热快、易氧化和吸气，对浇注系统的要求是：充填时间短、铝液流动平稳，撇渣能力强，常采用开放式浇注系统，并多开内浇口，直浇口常用蛇形或鹅颈形等特殊形状。,变形铝合金 变形铝合金按性能特点分为四类:防锈铝,硬铝，超硬铝,锻铝。,2.4近净成形精密铸造,一.熔模铸造 二.金属型铸造 三.压力铸造 四.低压铸造 五.离心铸造 六.其它特种铸造方法,本节没有重点要求,一.熔模铸造,用易熔材料制成模型，然后用造型材料将其包住，经过硬化，再将模型熔 失，从而获得无分型面的铸型。,熔模工艺过程,熔模铸造特点及应用：,1 铸件精度较高、表面粗糙度低 其精度可达IT11 IT14，粗糙度达Ra 12.51.6m。减少机械加工工作量，提高金属材料的利用率。且可浇铸形状复杂件。,2 能够铸造各种合金铸件 从铜、铝等有色合金到各种合金钢均可 铸造，尤其适用于那些高熔点合金及难切削加工合金的铸造，如耐 热合金、磁钢等。,3 生产批量不受限制 适合单件、小批量到大量生产。但这种方法工 序繁杂，生产周期较长(45天)，而且铸件不能太大和太长。熔模铸造件一般不超过25kg。,熔模铸造是少切削、无切削加工工艺的重要方法，主要用于制造汽轮机、燃气轮机、涡轮发动机叶片和叶轮。,中国式生产-熔模制造,二.金属型铸造,金属型铸造是指在重力作用下，让金属液充填金属铸型 而获得铸件的一种铸造方法。,水平分型式,1.型芯;2.上型;3.下型,垂直分型式,金属铸造的工艺要点,金属铸型导热速度快、无退让性、无透气性，易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。金属铸型反复受灼热金属液的冲刷，寿命会降 低，应采用相应的工艺措施。,（1）喷刷涂料,隔绝液态金属与金属型型腔的直接接触，方便铸件出型。 延长铸型的使用寿命。 减缓铸件的冷却速度，防止铸件产生裂纹等缺陷。,（2）金属铸型应保持合适的工作温度 对金属铸型要预热才能使用，有色金属件100250，铸铁件预热温度为250350 。目的是减缓铸型的激冷作用。,（3）控制出型时间 浇注后出型太晚，铸型会阻碍铸件收缩而使其产生裂纹，增大取件和抽出型芯的难度,但出型过早会使铸件变形过大。,（4）浇注温度 浇注温度比砂型铸造高2030，铝合金为680740，铸铁为13001370,金属型铸造的特点,复用性好，可“一型多铸”。 由于金属型对铸件的冷却能力强，使铸件的组织致密、机械性能高。 铸件尺寸精度高，能获得较高尺寸精度IT6IT9级和较低表粗糙度Ra 12.56.3m的铸件。 金属型铸造不用砂或用砂少，改善了劳动条件。,5.节省造型材料、设备及工时，生产效率高，便于自动化生产。,不足：,1.铸型制造周期长、成本高。,2.金属型无透气性，且无退让性，易造成铸件浇不到、开裂和铸件白口现象,必须采取措施导出型腔中的气体。,3.工艺要求严格，不适用于单件小批量铸件的生产,金属型铸造适用于熔点较低的有色金属的大批量生产铸件，特别在铝、镁合金成批或大量生产中应用最广泛。,3.压力铸造,它是将熔融的金属在高压(3070MPa) 下，快速(充型时间为0.10.2s)地压入金属型(压型)中，并在压力下凝固， 以获得铸件的方法。特点：高压、高速,压铸设备,两大类：热室压铸机和冷室压铸机,热室压铸机的工作原理,1.浇口；2.动模；3.定模；4.浇注缸；5.压射活塞;6.压室;7.保压浇壶;8.坩埚;9.加热炉;10.通道;11.压铸机;12.喷嘴,压射活塞5上升时,液态金属通过进口进入压室内.动模2和定模3合型后,在压射活塞5下压时,液态金属沿通道经喷嘴12充填压铸型,冷却凝固成形,开型取出铸件,冷室压铸机,冷室压铸机的压室与保温炉是分开的,压铸时,要从保温炉中将金属液倒入压室后进行压铸。立式和卧式两种。,卧式冷室压铸机的工作原理,(a )浇入液态金属；（b )加压；(c )顶出铸件 1.顶杆；2.金属铸型；3.高加压活塞；4.铸件,金属铸型2由定型和动型两部分组成，定型是固定在压铸机的定模板上，动型固定在压铸机的动模板上，并可作水平移动；高加压活塞3将液态金属高速压入铸型2的型腔内，液态金属凝固后成为铸件。推杆由压铸机上的相应机构控制，可自由顶出铸件。,压力铸造的特点,1 生产率极高 压铸生产易实现机械化和自动化操作，效率高， 适用于大批量生产。压铸是生产率最高的一种方法。例如，一般冷 压室压铸机平均每班可压铸600700次，小型热室压铸机平均每班可压铸30007000次。,2 铸件的精度高，表面粗糙度低 尺寸精度可达IT11 IT13，Ra值可达3.20.8m，有时达0.4m。产品互换性好， 并可直接铸出极薄件或带有小孔、螺纹的铸件。,3 压铸件组织致密，具有较高的强度和硬度 并具有良好 的耐磨性和耐蚀性。压铸件抗拉强度一般比砂型铸件提高2530 ，但延伸率有所下降。,4 材料利用率高 其材料利用率约为60%80%，毛坯利用率达90。,5 可以制造形状复杂、薄壁深腔的金属零件 目前锌合金压铸件最小壁厚可达0.3mm,可铸出的螺纹最小螺距为0.75mm。,6 压铸机费用高 压型铸造成本高昂、工艺准备时间长，因此 不适宜单件、小批量生产。,7 目前压铸尚不适用于钢、铸铁等高熔点合金的铸造,8 压铸件内部存有气孔、缩孔和缩松等缺陷,四.低压铸造,低压铸造是介于金属型铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。,低压铸造的特点及适用范围,（1）浇注时的压力和速度便于调节，故可适应各种不同的铸型(如金属型、砂型、熔模型壳等)。同时，其充型平稳，对铸型的冲刷力小，气体较易排除。,（2）便于实现顺序凝固，以防止缩孔和缩松，尤能有效地克服铝合金的针孔缺陷。,（3）铸件的表面质量高于金属型(IT12IT14，Ra值12.5 3.2m)，可生产出壁厚为1.52mm的薄壁铸件。,（4）由于不用冒口，金属的利用率可提高到90%98%。此外，其设备费用远较压铸低。,低压铸造主要用于铝合金铸件的大批量生产，如轮毂、汽缸体、缸盖、活塞、曲轴箱、曲轴等铸件的生产。,五.离心铸造,将液体金属浇入高速旋转的铸型中， 使金属在离心力作用下填充铸型和结 晶，这种铸造方法称为离心铸造。,离心铸造特点及应用,（1）离心铸造可以用金属型，也可以用砂型。它既适合浇铸中空铸件，又能铸造实形铸件。 （2）铸件结晶细密，无缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷，力学性能好。 （3）当铸造具有圆形内腔的铸件时，可省去型芯和浇注系统，这比普通砂型铸造既省工，又省料。 （4）离心铸造还便于铸造“双金属”铸件，如钢套镶铜轴承等，其结合面牢固，耐磨，又节约许多贵重金属材料。 离心铸造广泛用于制造铸铁管、缸套及滑动轴承等铸件。,（5）离心铸造铸出的内孔不准确，内表面质量比较差，对于内孔待加工的机器零件，则可采用加大内孔加工余量的方法来解决。,离心铸造广泛用于制造铸铁管、缸套及滑动轴承等铸件。,六.其它特种铸造方法,1.挤压铸造,挤压铸造又称液态金属模锻，是一种铸、锻结合的少切屑或无切屑工艺。,挤压铸造具有如下特点：,1 品质优良 挤压铸造件一般无铸件中常见的气孔、疏松、缩孔等缺陷；内 部组织紧密、均匀、晶粒细小；其力学性能可以和锻件相媲美；表面粗糙度低、尺寸精度高，能生产出一般模锻方法无法生产的形状复杂的零件；对壁厚较大、性能要求较高、有耐渗漏要求的零件，采用挤压铸造工艺生产是最理想的方法。,2 生产效率高 挤压铸造工艺生产过程简单，操作容易，便于组织机械化、 自动化生产；,3 材料消耗少，节能显著直接挤压铸造加压冲头直接作用在正在成形 的液态金属上，没有浇、冒口系统，可节省大约10%以上的合金液。,4 间接挤压铸造浇口短，截面积大，金属液充填速度低，流程阻力小，减少了气体带入量，所以间接挤压铸件通常也能进行固溶热处理，可进一步提高零件的综合力学性能。,挤压铸造工艺在模具材料、机理研究及专用设备等方面，还存在着不少问题， 但它已在机电、汽车、船舶、五金工具、轻工、化工机械、航空、航天、军工等 行业中得到了广泛的应用。,2.实型铸造,消失模铸造特点和应用,不分型，不起模，工艺简化，精度提高； 能制造形状复杂的铸件和工艺品； 冒口设置可自由设置，不易产生缩孔、疏松等； 易产生有害气体，铸件易渗碳，降低铸件表面质量； 适于生产起模困难，形状复杂的铸件。,快速成形技术,快速成型技术又称快速原型制造(Rapid Prototyping Manufacturing，简称RPM)技术，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一个重大成果。快速成形技术就是利用三维CAD的数据，通过快速成型机，将一层层的材料堆积成实体原型。,快速成形的