液态金属铸造成形
液态金属铸造成形
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液态金属铸造成形
简介
将液态金属浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固，以获得毛坯或零件的生产方法，通常称为金属液态成形或铸造。
工艺特点
1．可生产形状任意复杂的制件，特别是内腔形状复杂的制件。
2．适应性强，合金种类不受限制，铸件大小几乎不受限制。
3.材料来源广，废品可重熔，设备投资低。
4．废品率高、表面质量较低、劳动条件差。
工艺基础-充型能力
液态合金填充铸型的过程。充型能力是液体金属充满铸型型腔，获得尺寸精确、轮廓清晰的成形件的能力。充型能力不足时，会产生浇不足、冷隔、夹渣、气孔等缺陷。[2]
充型能力首先取决于金属本身的流动性（流动能力），同时又受铸型性质、浇注条件和铸件结构等因素的影响。
一、液态合金的流动性
合金的流动性是：液态合金本身的流动能力。
二、浇注条件
1.浇注温度一般T浇越高，液态金属的充型能力越强。
2.充型压力液态金属在流动方向上所受的压力越大，充型能力越强。
3.浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。
三、铸型充填条件
1.铸型的蓄热系数铸型的蓄热系数表示铸型从其中的金属吸取热量并储
存在本身的能力。
2.铸型温度铸型温度越高，液态金属与铸型的温差越小，充型能力越强。
3.铸型中的气体
四、铸件结构
1.折算厚度折算厚度也叫当量厚度或模数，为铸件体积与表面积之比。折算厚度大，热量散失慢，充型能力就好。铸件壁厚相同时，垂直壁比水平壁更容易充填。
2.铸件复杂程度铸件结构复杂，流动阻力大，铸型的充填就困难。
工艺基础-凝固与收缩
一、铸件的凝固方式
1. 逐层凝固
2. 糊状凝固
3. 中间凝固
影响铸件凝固方式的主要因素：
1.合金的结晶温度范围，合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固。
2.铸件的温度梯度，在合金结晶温度范围已定的前提下，凝固区域的宽窄取决与铸件内外层之间的温度差。若铸件内外层之间的温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。
二、合金的收缩
合金的收缩经历如下三个阶段：
1.液态收缩从浇注温度到凝固开始温度之间的收缩。
2.凝固收缩从凝固开始到凝固终止温度间的收缩。
3.固态收缩从凝固终止温度到室温间的收缩。
体收缩率是铸件产生缩孔或缩松的根本原因。线收缩率是铸件产生应力、变形、裂纹的根本原因。
缩孔与缩松: 液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补充，则在铸件最后凝
固的部位形成一些孔洞。大而集中的称为缩孔，细小而分散的称为缩松。
缩孔和缩松的防止: 防止缩孔和缩松常用的工艺措施就是控制铸件的凝固次序，使铸件实现“顺序凝固”。
冒口：储存补缩用金属液的空腔。
顺序凝固：铸件按照一定的次序逐渐凝固。
同时凝固：整个铸件几乎同时凝固
工艺基础-应力、变形与裂纹
一、液态成形内应力
铸件在凝固以后的继续冷却过程中，其固态收缩受到阻碍，铸件内部即将产生内应力。机械应力（收缩应力）是合金的线收缩受到铸型、型芯、浇冒系统的机械阻碍而形成的内应力。机械应力是暂时应力。热应力是由于铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的应力。热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩，是永久应力。[3]
二、铸件的变形与防止
防止变形的方法：1.使铸件壁厚尽可能均匀；2.采用同时凝固的原则；3.采用反变形法。
三、铸件的裂纹与防止
热裂的形状特征是：裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色。
热裂的防止：1. 应尽量选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金。
2. 应提高铸型和型芯的退让性，以减小机械应力。
3. 对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制硫的含量，防止热脆性。
冷裂的特征是：裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色。
冷裂的防止：1.使铸件壁厚尽可能均匀；
2.采用同时凝固的原则；
3.对于铸钢件和铸铁件，必须严格控制磷的含量，防止冷脆性。
铸钢的熔铸工艺特点
1. 铸钢的铸造性能差，流动性差、收缩大。铸件要安放冒口和冷铁，必须
严格控制浇注温度；铸件壁不能太
薄。
2. 铸钢的热处理，退火：C ³0.35%；正火：C £0.35%。
3. 铸钢的熔炼
铸造有色合金
铸造铜合金
铸造黄铜 (Cu-Zn)：铸造黄铜有相当高的力学性能，如σb=250~450Mpa，δ=7~30%，HBS=60~120。因其含铜
量低，价格低于铸造青铜，而且它的凝固温度范围小，有优良的铸造性能。
所以铸造黄铜常用于生产重载低速下或一般用途下的轴承、衬套、齿轮等耐磨件和阀门及大型螺旋桨等耐蚀件等。
铸造青铜：青铜是指除了铜锌合金以外的其它铜合金。铸造锡青铜的力学性能虽低于黄铜，但其耐磨、耐蚀性优于黄铜，锡青铜特别适合制造高速滑动轴承和衬套。除锡青铜外，还有铝青铜、铅青铜、铍青铜等，其中铝青铜有优良的力学性能和耐磨、耐蚀性，但铸造性能较差，仅用于重要用途的耐磨、耐蚀件。
铸造铝合金
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。
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。
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。
铝锌合金（Al-Zn）
2成形工艺
砂型铸造
一、手工造型
适用于单件、小批量生产
二、机器造型
1)生产效率高;
2)铸型质量好（紧实度高而均匀、型腔轮廓清晰）;
3)设备和工艺装备费用高，生产准备时间较长。适用于中、小型铸件的成批、大批量生产。
1 ．机器造型的造型方法：
1）振击压实
2）汽动微振压实
3）高压造型
4）抛砂紧实
2 ．机器造型的造芯方法：
1）射芯机
2）壳芯机
特种铸造
特种铸造师指与普通砂型铸造有显著区别的一些铸造方法，如压力铸造、熔模铸造等。这些铸造方法能够提高铸件精度和质量，提高生产率，改善劳动条件，降低成本等，是铸造技术的发展方向之一。
特种铸造-熔模铸造
熔模铸造成形在易熔模样表面包覆若干层耐火材料，待其硬化干燥后，将模样熔去制成中空型壳，经浇
注而获得铸件的一种成形工艺方法。
熔模铸造的特点和适用范围：
1．铸件的精度和表面质量较高，公差等级可达IT11~IT13，表面粗糙度Ra 值达1.6~12.5μm。
2．合金种类不受限制，尤其适用于高熔点及难加工的高合金钢，如耐热合金、不锈钢、磁钢等。
3．可铸出形状较复杂的铸件，如铸件上宽度大于3mm的凹槽、直径大于2mm 的小孔均可直接铸出。
4．生产批量不受限制，单件、成批、大量生产均可适用。
5．工艺过程较复杂，生产周期长；原材料价格贵，铸件成本高；铸件不能太大、太长，否则熔模易变形，
丧失原有精度。
特种铸造-压力铸造
压力铸造成形是液态金属在高压作用下快速压入金属铸型中，并在压力下结晶，以获得铸件的成形工艺方法。
压力铸造的特点和适用范围：
1．铸件的尺寸精度和表面质量最高。公差等级一般为IT11~IT13级，Ra为
3.2~0.8μm。
2．铸件的强度和表面硬度高。抗拉强度可比砂型铸造提高25~30%，但伸长率有所下降。
3．可压铸出形状复杂的薄壁件。
4．生产率高。国产压铸机每小时可铸50~150次，最高可达500次。
5．便于采用镶嵌法。
6．压铸设备投资大，压铸型制造成本高，工艺准备时间长，不适宜单件、小批生产。
7．由于压铸型寿命的原因，目前压铸尚不适宜铸铁、钢等高熔点合金的铸造。
8．压铸件内部存在缩孔和缩松，表皮下形成许多气孔。
在压铸件的设计和使用中，应注意的问题
1.应使铸件壁厚均匀，并以3~4mm壁厚为宜，最大壁厚应小于6~8mm，以防
止缩孔、缩松等缺陷。
2.压铸件不能进行热处理或在高温下工作，以免压铸件内气孔中的气体膨
胀，导致铸件表面鼓泡或变形。
3 . 压铸件应尽量避免切削加工，以防止内部孔洞外露。
4.由于压铸件内部疏松，塑性、韧性相对较差，因此不适宜制造承受冲击的
制件。
3工艺设计
铸件结构设计
一、铸件壁厚的设计
1 ．合理设计铸件壁厚
1）铸件的临界壁厚
在砂型铸造条件下，临界壁厚≈3×最小壁厚在最小壁厚和临界壁厚之间就是适宜的铸件壁厚。
2）铸件截面形状,铸件壁厚应均匀、避免厚大截面
二、铸件壁的连接
1 ．铸件的结构圆角
2 ．避免锐角连接
3 ．厚壁与薄壁间的联接要逐步过渡
4 ．减缓筋、辐收缩的阻碍
三、铸件外形的设计
1 ．避免外部侧凹、凸起；
2 ．分型面应尽量为平直面；
3 ．凸台、筋条的设计应便于起模。
四、铸件内腔的设计
1 ．应尽量减少型芯的数量，避免不必要的型芯。
2 ．便于型芯的固定、排气和清理。
五、铸件结构设计应考虑的其它问题
1 ．铸造方法
2 ．组合铸件的设计
砂型铸造工艺设计
一、浇注位置的选择
浇注时铸件在铸型中所处的空间位置。
1.铸件的重要加工面和受力面应朝下或位于侧面
2.应将面积较大的薄壁部位置于铸型下部，或使其倾斜位置
3.铸件的大平面应朝下
4.为防止铸件产生缩孔、缩松的缺陷，应使铸件的厚大部位朝上或侧放
二、分型面的选择
1.分型面应选在铸件的最大截面处。
2. 应尽量使铸件的全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件的尺寸精度。
3. 应尽量减少分型面的数量，并尽可能选择平面分型。
4. 为便于造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。