铸造

材料加工之铸造知识总结，包括液态金属充型流动过程的水力学特性、浇注系统的典型结构、浇注系统的分类、金属熔体过滤器的分类等等。

铸造

• 液态金属充型流动过程的水力学特性
  • ⑴黏性流动
  • ⑶多孔管中流动
  • ⑵不稳定流动
  • ⑷湍流流动
• 浇注系统的典型结构
  • 直浇道：直浇道是将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔的腔体。
  • 内浇道：内浇道是浇铸系统中把液体金属引入型腔的一个单元。其作用是控制充型速度和方向、分配液流、调节铸件各部位的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。
  • 横浇道：横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道。
    • 横浇道的挡渣原理
      • ⑴杂质与合金的密度差越大，熔渣越容易上浮除去。⑵渣团半径越大，熔渣上浮速度越大，越容易除去。⑶金属液在横浇道中的流动速度小于临界悬浮速度，杂质才能浮起。⑷合金黏度越大，则渣团上浮越慢，越难除去。
    • 横浇道的设计中强化挡渣作用的措施
      • ⑴降低金属液在横浇道中的流动速度。⑵横浇道应呈充满状态。⑶内浇道的位置关系要正确。⑷在横浇道上设置过滤网来滤除渣团⑸在横浇道上设置集渣槽。
    • 横浇道的作用：
      • ⑴稳流作用 ⑵流量分配作用 ⑶挡渣作用
  • 浇口杯的分类
    • 漏斗型浇口杯：结构简单，挡渣作用差，金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣。适用于：挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。
    • 盆型浇口杯：有利于分离熔渣和气泡。
  • 浇口杯的作用：
    • ⑴承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇铸； ⑵减轻液流对型腔的冲击； ⑶分离熔渣和气泡，并阻止其进入型腔； ⑷增加充型压力头。
• 浇注系统的典型结构
  • 直浇道：直浇道是将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔的腔体。
  • 内浇道：内浇道是浇铸系统中把液体金属引入型腔的一个单元。其作用是控制充型速度和方向、分配液流、调节铸件各部位的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。
  • 横浇道：横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道。
    • 横浇道的挡渣原理
      • ⑴杂质与合金的密度差越大，熔渣越容易上浮除去。⑵渣团半径越大，熔渣上浮速度越大，越容易除去。⑶金属液在横浇道中的流动速度小于临界悬浮速度，杂质才能浮起。⑷合金黏度越大，则渣团上浮越慢，越难除去。
    • 横浇道的设计中强化挡渣作用的措施
      • ⑴降低金属液在横浇道中的流动速度。⑵横浇道应呈充满状态。⑶内浇道的位置关系要正确。⑷在横浇道上设置过滤网来滤除渣团⑸在横浇道上设置集渣槽。
    • 横浇道的作用：
      • ⑴稳流作用 ⑵流量分配作用 ⑶挡渣作用
  • 浇口杯的分类
    • 漏斗型浇口杯：结构简单，挡渣作用差，金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣。适用于：挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。
    • 盆型浇口杯：有利于分离熔渣和气泡。
  • 浇口杯的作用：
    • ⑴承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇铸； ⑵减轻液流对型腔的冲击； ⑶分离熔渣和气泡，并阻止其进入型腔； ⑷增加充型压力头。
• 浇注系统的典型结构
  • 直浇道：直浇道是将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔的腔体。
  • 内浇道：内浇道是浇铸系统中把液体金属引入型腔的一个单元。其作用是控制充型速度和方向、分配液流、调节铸件各部位的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。
  • 横浇道：横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道。
    • 横浇道的挡渣原理
      • ⑴杂质与合金的密度差越大，熔渣越容易上浮除去。⑵渣团半径越大，熔渣上浮速度越大，越容易除去。⑶金属液在横浇道中的流动速度小于临界悬浮速度，杂质才能浮起。⑷合金黏度越大，则渣团上浮越慢，越难除去。
    • 横浇道的设计中强化挡渣作用的措施
      • ⑴降低金属液在横浇道中的流动速度。⑵横浇道应呈充满状态。⑶内浇道的位置关系要正确。⑷在横浇道上设置过滤网来滤除渣团⑸在横浇道上设置集渣槽。
    • 横浇道的作用：
      • ⑴稳流作用 ⑵流量分配作用 ⑶挡渣作用
  • 浇口杯的分类
    • 漏斗型浇口杯：结构简单，挡渣作用差，金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣。适用于：挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。
    • 盆型浇口杯：有利于分离熔渣和气泡。
  • 浇口杯的作用：
    • ⑴承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇铸； ⑵减轻液流对型腔的冲击； ⑶分离熔渣和气泡，并阻止其进入型腔； ⑷增加充型压力头。
• 浇注系统的典型结构
  • 直浇道：直浇道是将来自浇口杯的液流引入横浇道、内浇道或直接进入型腔的腔体。
  • 内浇道：内浇道是浇铸系统中把液体金属引入型腔的一个单元。其作用是控制充型速度和方向、分配液流、调节铸件各部位的温度分布和凝固次序，并对铸件有一定的补缩作用。
  • 横浇道：横浇道是连接直浇道和内浇道的中间通道。
    • 横浇道的挡渣原理
      • ⑴杂质与合金的密度差越大，熔渣越容易上浮除去。⑵渣团半径越大，熔渣上浮速度越大，越容易除去。⑶金属液在横浇道中的流动速度小于临界悬浮速度，杂质才能浮起。⑷合金黏度越大，则渣团上浮越慢，越难除去。
    • 横浇道的设计中强化挡渣作用的措施
      • ⑴降低金属液在横浇道中的流动速度。⑵横浇道应呈充满状态。⑶内浇道的位置关系要正确。⑷在横浇道上设置过滤网来滤除渣团⑸在横浇道上设置集渣槽。
    • 横浇道的作用：
      • ⑴稳流作用 ⑵流量分配作用 ⑶挡渣作用
  • 浇口杯的分类
    • 漏斗型浇口杯：结构简单，挡渣作用差，金属液易产生绕垂直轴旋转的涡流，易于卷入气体和熔渣。适用于：挡渣要求不高的砂型铸造及金属型铸造的小型铸件。
    • 盆型浇口杯：有利于分离熔渣和气泡。
  • 浇口杯的作用：
    • ⑴承接来自浇包的金属液，防止金属液飞溅和溢出，便于浇铸； ⑵减轻液流对型腔的冲击； ⑶分离熔渣和气泡，并阻止其进入型腔； ⑷增加充型压力头。
• 浇注系统的分类
  • ⑴按浇铸系统各单元断面积比例分：
    • ①收缩式浇注系统 （A 直＞A 横＞A 内）
      • 液态金属流动时流动速度越来越大，从内浇道进入型腔的液流，流动速度很大，对型壁产生冲击，易引起喷溅和剧烈氧化。
      • 优点：但熔渣容易上浮，到横浇道上部，避免进入型腔。能减少合金的消耗。
      • 适用：不易氧化的铸铁件。
    • ②扩张式浇铸系统 （A 直＜A横＜A 内 ）
      • 金属液在横浇道和内浇道中流速较慢，进入型腔时流动平稳。开始阶段浮渣作用差。
      • 适用：易氧化的铝合金和镁合金，大中型铸件。
    • ③半扩张式浇注系统 （A直＜A横＞A内 ）
      • 特点：介于收缩式与扩张式之间。
      • 适用：一般小型，结构简单的铸件。
  • ⑵按液态金属液导入型腔的位置分 。
    • ①顶注式浇注系统
      • 金属液从铸件型腔顶部引入的浇注系统
      • 优点：Ⅰ 有利于铸件自下而上顺序凝固，能够有效地发挥顶部冒口的补缩作用。 Ⅱ 液流流量大，充型时间短，充型能力强。 Ⅲ 造型工艺简单，模具制造方便，浇注系统和冒口金属消耗少，浇注系统切割清理容易。
      • 缺点：液体金属对铸型冲击大，容易导致飞溅、氧化和卷入气体，形成氧化夹渣和气孔缺陷。
      • 适用：质量不大，高度不高，形状简单的中小型铸件。
    • ②底注式
      • 内浇道设在铸件底部的浇注系统。
      • 优点：Ⅰ 流动平稳 Ⅱ 有利于挡渣，型腔内的气体能顺利排除
      • 缺点：Ⅰ 不利于至下而上顺序凝固，削弱了顶部冒口的补缩作用 Ⅱ 内浇道附近易过热，易使铸件产生缩松，缩孔，晶粒粗大等缺陷 Ⅲ 充型能力较差，对大型薄壁铸件容易产生冷隔和浇不足 Ⅳ 造型工艺复杂，金属消耗大
      • 适用：广泛应用于铝镁合金铸件的生产，也适用于形状复杂，要求高的各种黑色金属件。
    • ④阶梯式浇注系统
      • 在铸件不同高度上开设多层内浇道的浇注系统。
      • 优点：金属液自下而上充型，充型平稳，型腔内气体排出顺利，有利于顺序凝固和冒口补缩作用，充型能力强，易避免冷隔和浇不足等缺陷。
      • 缺点：造型复杂，要求正确的计算结构设计。
      • 适用：高度大的大中型铸钢件，铸铁件。
    • ③中注式浇注系统
      • 金属液引入位置介于顶注式和底注式之间的浇注系统
      • 优缺点：也介于顶注式和底注式浇注系统之间。
      • 适用：高度不大，水平尺寸较大的中小型铸件。
• 金属熔体过滤器的分类
  • 位置：过滤器在浇注系统中的放置位置过滤网可放在直浇道的上部或下部，也可设在上下横浇道的搭接处，或设在横浇道与内浇道的搭接处，使熔渣留在浇口杯或过滤网上。
  • 过滤器对浇铸系统中金属液的阻力
    • ⑴高温金属液与过滤器温差造成的阻力——热阻
    • ⑵冲击流动阻力与金属液流过过滤器时产生的摩擦力——力阻
  • ⑴网型过滤器 ⑵网格型过滤器 ⑶泡沫陶瓷过滤器
• 缩孔和缩松
  • 体收缩和线收缩
    • 概念
      • 金属从浇铸温度到常温的体积收缩称为体收缩； 金属在固态时线尺寸的收缩称为线收缩。
    • 铸钢从液态到凝固完毕，体积的收缩分为两个阶段，即液态收缩和凝固收缩。 二者的收缩是直接引起铸件产生缩孔，缩松，气孔，偏析和热裂的根本原因。
  • 缩松
    • 缩松体积很小，对于铸钢来说，分布于铸件壁的轴线区域，通常称为轴线缩松。
  • 缩孔
    • 由于液态收缩和凝固收缩，在铸件最后凝固的部位如得不到外加钢液的补缩，则会出现孔洞，称为缩孔。
  • 缩孔和缩松的形成机理：都是铸钢的凝固体收缩得不到钢液的有利补缩而形成的。轴线缩松的形成条件，是在缩松区域内的金属几乎同时凝固。
  • 形成铸件缩松的原因是，在凝固期，铸件纵截面上各点没有或没有足够的温度差，以至于在凝固末期补缩通道消失。
  • 液相线和固相线对铸件壁轴线相交的区间称为“补缩困难区u”。补缩困难区越小，扩张角越大，补缩越容易。
  • 铸件的三个区域为：冒口区、末端区和轴线缩松区。
• 冒口
  • 要求
    • ⑴冒口的凝固时间应大于或等于铸件（被补缩部分）的凝固时间。
    • ⑵冒口应有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件的液态收缩和凝固收缩。
    • ⑶在整个铸件凝固的过程中，冒口与被补缩部分之间的补缩通道应该畅通，即时扩张角始终向着冒口。
  • 位置确定
    • 一般情况下，先确定热节位置，冒口设计在铸件热节的上方或侧旁，并尽量设在铸件最高，最厚的部位。
  • 冒口的有效补缩距离和有效补缩范围：冒口作用区长度和末端区长度之和称为冒口有效补缩距离。常用冒口补缩距离长度与铸件厚度之比来表示冒口的有效补缩范围。
  • 作用
    • ⑴补偿铸件凝固时的收缩。
    • ⑵调整铸件凝固时的温度分布，控制铸件的凝固顺序。
    • ⑶排气、集渣。
    • ⑷利用明冒口观察型腔内金属液的充型情况。
  • 基于均衡理论的冒口设计
    • 均衡凝固就是利用收缩和膨胀的动态叠加,采取工艺措施,使单位时间的收缩与补缩、收缩与膨胀按比例进行的一种凝固原则。
  • 种类和形状
• 冷铁
  • 分类
    • 外冷铁
      • ⑴直接外冷铁。与铸件表面接触，激冷作用强，分为有气隙和无气隙两种。
      • ⑵间接外冷铁，与被激冷铸件之间有10～15mm厚的砂层相隔，其激冷作用弱，可避免铸件表面产生白口层或过冷石墨层，还可避免因明冷铁激冷作用过强造成的裂纹 。
    • 内冷铁：将金属激冷物插入铸件型腔中需要激冷的部位，使合金激冷并同铸件融为一体的金属激冷物。
  • 放置位置
    • ⑴由于铸件需要按至下而上的顺序凝固，一般将冷铁放在铸型的下部。
    • ⑵对于铸件上的某些热节，为使其早凝固或与整个铸件同时凝固，冷铁应放在热节部位或热节附近。
    • ⑶在不易安放冒口的厚大部位，一般均应放冷铁。
    • ⑷冷铁位置应与冒口有一段距离，使铸件凝固时沿着冷铁部位向冒口方向顺序凝固。
    • ⑸采用底注式浇铸系统时，一般均在铸件底部放置冷铁。
  • 作用
    • ⑴控制铸件凝固次序
    • ⑵加速铸件的凝固速度
• 液态金属成形工艺设计
  • 浇铸位置的选择确定的主要原则
    • ⑴铸件上质量要求高的部分及重要工作面，重要加工面，加工基准面和大平面应尽量朝下或垂直安放。
    • ⑵铸件的厚大部分应放在上部，尽量满足自下而上的顺序凝固。
    • ⑶应保证铸件有良好的液态金属导入位置保证铸型充满。
    • ⑷应尽量少用或不用砂芯。
  • 分型面的选择
    • ⑴分型面应选在最大截面处，以保证顺利起出模样而不损坏铸型。
    • ⑵尽量将铸件全部或大部分放在同一个半型内。
    • ⑶尽量减少分型面的数量。
    • ⑷分型面应尽量选用平面。
    • ⑸应尽量把主要砂芯放在下半型中。
    • ⑹尽量使加工及操作工艺简单。
  • 芯头设计
    • 芯头是指砂芯中伸出铸件以外的不与金属接触的部分
    • 要求：定位和固定砂芯
    • 水平芯头和垂直芯头
  • 铸造工艺参数的确定P97-100
    • 铸件尺寸公差
    • 机械加工余量
    • 铸件工艺余量
    • 铸件工艺补正量
    • 起模斜度
    • 铸造收缩率
    • 最小铸出孔及槽
    • 反变形量
    • 分型负数
• 特种铸造
  • 生产上，通常将普通砂型铸造以外的铸造方法称为特种铸造。
  • 种类
    • 熔模铸造
      • 概念:通常是指在易熔材料制成模样,在模样表面覆若干层耐火材料,经干燥、硬化成整体型壳，加热后再高温焙烧成为耐火型壳，再将液体金属浇进型壳中，冷却后得到铸件。
        • 制模
          • 压注成形（液态或者半液态在低压成形）
          • 挤压成形（固态或者半固态在高压成形）
        • 制壳
          • 涂挂
          • 撒砂
            • 方法
              • 流态化撒砂
              • 雨淋式撒砂
          • 目的
            • 用砂粒固定涂料层
            • 增加型壳厚度，获得必要的强度
            • 透气性和退让性
            • 防止产生裂纹
      • 优点
        • ⑴铸件尺寸精度较高，表面粗糙度较低，可浇铸形状复杂的铸件。
        • ⑵可以铸造薄壁铸件及重量很小的铸件。
        • ⑶可以铸造花纹精细的图案，文字，带细槽和弯曲细孔的铸件。
        • ⑷熔模铸件的外形和内腔几乎不受限制，可以加工出其他工艺难以加工的形状复杂的铸件。
        • ⑸铸造合金几乎不受类型的影响，生产批量没有限制，可以从单件但大批量生产。
      • 缺点:工序繁杂,生长周期长，不适用生产轮廓尺寸很大的铸件。
      • 缺陷
        • 表面
          • 欠铸
          • 冷隔
          • 缩松
          • 气孔夹渣
        • 内部
          • 合金液的浇注温度
          • 型壳的焙烧温度与制备工艺
          • 铸件结构设计
        • 尺寸和粗糙度超差
          • 铸件的拉长
          • 铸件的变形
    • 消失模铸造
      • 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，模样受热气化，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。
      • 主要特点
        • ⑴能避免普通砂型铸件尺寸误差和错型等缺陷，铸件表面粗糙度较低。
        • ⑵能铸造普通砂型难以铸造的铸件。
        • ⑶简化生产工序，提高劳动生产率，容易实现清洁生产。节省工序，降低劳动强度，保护环境。
        • ⑷减少材料消耗，降低铸件成本。
      • 常见的缺陷
        • 皱皮，气孔，夹渣，粘砂，塌箱，冷隔，变形等。
    • 压力铸造
      • 压力铸造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主要方法。
      • 压铸机类型
        • 热室压铸机
        • 卧式冷室压铸机
        • 立式冷室压铸机P75
      • 压力铸造的特点
        • ⑴可以制得薄壁，形状复杂且轮廓清晰的铸件。。
        • ⑵生产效率高。
        • ⑶铸件具有较好的力学性能
        • ⑷铸件精度高，尺寸稳定，加工余量少，表面光洁。
        • ⑸采用镶铸法可省去装配工序简化制造工艺。
        • ⑹铸件表面可进行涂覆处理，压铸出螺纹，线条，文字，图案等。
      • 压力铸造的缺点
        • ⑴普通压铸法压铸的铸件不能进行热处理或焊接，也不适合比较深的机加工。
        • ⑵模具材料存在着较大的问题
        • ⑶设备投资高，压铸制造复杂，周期长，费用高，不适合小批量生产。
        • ⑷不能压铸具有复杂内腔结构的铸件。
    • 离心铸造
      • 离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，使金属液在离心力的作用下完成充型和凝固成形的一种铸造方法。
      • 离心铸造的特点
        • 优点
          • ⑴铸型中的金属液能形成中空圆柱形自由表面，不用型芯就可形成中空的套筒和管类铸件。
          • ⑵显著提升金属液的充型能力，改善充型条件，可用于浇铸流动性较差的合金和薄壁铸件。
          • ⑶有利于铸件内部金属液中的气体和夹杂物的排除，并能改善铸件凝固的补缩条件。
          • ⑷可减少甚至不用冒口系统，降低了金属消耗。
        • 缺点
          • (1)对于某些合金（如铅青铜等）容易产生重度偏析。
          • (2)铸件内表面较粗糙，有氧化物和聚渣产生，且孔内尺寸难以准确控制。
          • (3)仅适用于外形简单且具有旋转轴线的铸件。
    • 差压铸造
      • 差压铸造又称为反压铸造，它是在低压铸造工艺的基础上发展起来的，其实质是低压铸造和压力铸造两种工艺的结合，即充型成型是低压铸造过程，而铸件凝固是在较高压力下结晶过程。
      • 压差方式不同
        • 增压法
        • 减压法
    • 低压铸造
      • 低压铸造是金属液在压力的作用下，由下而上充型然后凝固以获得铸件的一种铸造方法。
      • 优点
        • ⑴金属液充型平稳，充型速度可控，能有效避免金属液的湍流，冲击和飞溅，减少卷气和氧化，提高铸件质量。
        • ⑵金属流动性好，有利于薄壁铸件形成轮廓清晰，表面光洁的铸件。
        • ⑶液体在压力下凝固，补缩效果好，铸件组织致密，力学性能高。
        • ⑷低压铸造系统简单，一般无需设置冒口，因此工艺出品率高。
      • 缺点
        • 生产周期比较长，生产效率低。
  • 特点
    • 成本高,生产周期长,在工艺上和应用上各有一定的局限性。
    • 不用砂或少用砂,改善了劳动条件,减轻了劳动强度。
    • 铸件度较高、性能较好。
    • 生产率高,工艺简单。
• 沙型铸造
  • 概念：将原砂或再生砂+粘结剂+其他附加物所混制成的混合物称为型砂或芯砂
  • 型砂和型芯的制造方法
    • 按型砂固结机理分
      • ⑴机械粘结造型（芯）
      • ⑵化学粘结造型（芯）
      • ⑶物理固结造型（芯）
    • 按造型（芯）机械化程度分
      • ⑴手工造型（芯）
      • ⑵机器造型（芯）
  • 湿型
    • 造好砂型不经烘干，直接浇入高温金属液的砂型称为湿型。
    • 湿型的优点
      • ⑴生产灵活性大，生产效率高，生产周期短。
      • ⑵材料成本低。
      • ⑶节省烘干设备，燃料，电力及车间生产面积。
      • ⑷延长砂箱使用寿命等。
    • 缺点：容易使铸件产生一些缺陷，如夹砂结疤，鼠尾，粘砂，气孔，砂眼，胀砂等。
    • 湿型的紧实工艺
      • ⑴震击紧实
      • ⑵震压紧实
      • ⑶压实、微震压实和高压紧实
      • ⑷气流冲击紧实。
  • 钠水玻璃砂型
    • 铸造中使用最多的无机化学粘接剂是钠水玻璃，这种砂型称为钠水玻璃砂型。
    • 优点
      • ⑴型砂流动性好，易于紧实，故造型劳动强度低。
      • ⑵硬化快，强度较高，可简化造型工艺，缩短生产周期，提高劳动生产效率。
      • ⑶可在型芯硬化后起模，型、芯尺寸精度高。
      • ⑷可取消或缩短烘烤时间，降低能耗，改善工作环境和工作条件。
    • 存在的主要问题
      • 溃散性差
      • 砂型芯表面易粉化
      • 浇注铸铁件易产生粘砂
      • 旧砂再生和回用困难
    • 硬化方法
      • ⑴吹CO2 硬化——CO2
      • ⑵真空置换硬化（VRH ）
      • ⑶液态有机酯硬化
    • 重要参数
      • 模数
        • 模数的大小仅表示钠水玻璃中Sio2、Na2O的物质的量之比
        • 模数越高，硬化速度也就越快
      • 密度
      • 含固量
      • 粘度
  • 树脂砂型（芯）
    • 覆膜砂
    • 热（温）盒法造型（芯）
    • 自硬冷芯盒法制芯
  • 铸造的基本过程
    • ⑴造型（芯）
    • ⑵砂型的烘干
      • ①表面烘干
      • ②体烘干
    • ⑶合型
    • ⑷浇铸
    • ⑸铸件的落砂、清理
      • 水力清砂除芯
      • 水爆清砂除芯
  • 特点
    • 铸件质量不稳定,易产生缺陷。
    • 劳动强度大,劳动条件较差;
    • 生产周期短,产品成本低;
    • 产品批量、大小不受制;