金属液态成形总结 增改版

材料成型技术，第二章金属液态成形。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。

材料成形

• 第二章
  • 充型（液态金属填充铸型的过程）
    • 合金流动性
      • 熔融金属本身的额流动性，金属自身性质
        • 子主题
      • 影响因素
        • 化学成分：纯金属、共晶成分合金好（凝固层平滑 、阻力小、熔点低、过热度大）；非共晶成分金属：初生树枝状晶阻碍金属液
      • 测定方法：螺旋形试样法（测螺旋形试件的长度）
      • 影响：防止冷隔、浇不足、气孔、夹杂、缩孔等缺陷
    • 浇注条件
      • 浇注温度：温度越高，充型能力越高；过高产生缩孔、疏松、黏砂、气孔等缺陷
      • 充型压力：压力+，充型能力+
    • 铸型条件
      • 铸型的导热能力：导热+，金属降温快，充型-
      • 铸型温度:t+,充型+（如金属型铸造预热）
      • 铸型中的气体：排气+充型+
    • 铸件结构条件
      • 铸件的折算厚度：铸件体积/表面积。折算厚度+,散热-,充型+（所以壁厚必须大于最小壁厚）
      • 铸件的复杂程度：结构越复杂，流动阻力越大，填充越困难
  • 凝固
    • 逐层凝固（恒温结晶）
      • 纯金属、共晶合金及结晶温度范围小或凝固区很窄（没有凝固区）
      • 优：充型能力和补缩条件好
    • 糊状凝固（体积凝固）
      • 合金结晶间隔很宽、铸件温度梯度小，表面到心部都是固液混存
      • 充型能力和补缩条件差
    • 中间凝固
      • 绝大多数合金的凝固方式
    • 采用何种凝固方式取决于合金的结晶温度范围和铸件断面的温度场
      • 影响温度梯度/温度场的分布的因素
        • 温度梯度小或平坦，凝固区越宽；温度梯度大或陡，凝固区越窄
        • 如：铸件内外温差大, 冷却快,凝固区窄
      • 结晶温度范围
        • 范围-，凝固区-，趋于逐层凝固
        • （砂型铸造：低碳钢、铸铁）
        • （砂型铸造：高碳钢）
  • 合金收缩：体积和尺寸减少的现象，是铸件缺陷产生的基本原因
    • 液态收缩;缩孔的基本原因
    • 凝固收缩;缩孔、缩松的原因
    • 固态收缩：产生铸造内应力、变形、裂纹基本原因
    • 体积收缩
      • 外部表现均为体积减小，一般表现为液面降低，形成是缩孔、缩松的基本原因
      • 液态收缩（金属处于液体状态时）
      • 凝固收缩（金属处于凝固过程时）
    • 尺寸收缩
      • 固态收缩（金属处于固态时）会引起铸件外部尺寸变化，对铸件形状和尺寸精度影响很大，铸造应力、变形、裂纹的基本原因
    • 影响收缩原因
      • 化学成分，不同合金，不同化学成分，收缩率不同
        • eg：铸钢、碳钢：Wc增加，收缩率增大 灰铸铁，c和Wsi+，石墨+，收缩率下降
          • 灰铸铁缩小是石墨析出体积膨胀，抵消了部分收缩
      • 浇铸温度：温度升高，过热度（浇注温度与液相线温度之差）大，液态收缩量增加
      • 铸件结构和铸型条件
        • 在铸型中受阻收缩，阻力来自铸型和型芯：铸件壁厚不同，各处冷却速度不同，铸件各部分相互产生阻力
    • 缩孔----由收缩引起的大而集中的孔洞（倒锥形）缩松----由收缩引起的小而分散的孔洞（分布在轴线区、厚大部分、浇口附近）
      • 解决方法：1、顺序凝固、冒口（储存补缩用金属液的水库）补缩，合理设置浇口、冒口、冷铁。用于大收缩，壁厚差别大
      • 2、同时凝固（整个铸件同时凝固）：厚比放冷铁，薄壁开浇口。优：无冒口，节约金属、-热应力，不易变形、有裂纹。缺：芯部缩松难以避免。用于小收缩薄壁
  • 铸造应力（凝固后继续冷却，固态收缩受阻，产生内应力）及变形
    • 热应力(残余应力)
      • 铸件壁厚不均匀，造成冷速不一致，引起相互阻碍。厚壁和中心受拉，薄壁和表面受压
        • 厚壁、心部受拉，薄壁表层受压缩（厚拉薄压）
    • 机械应力（收缩应力）
      • 铸型、型芯、浇冒口、箱挡等阻碍铸件产生的应力
        • 临时，清砂后消失
  • 缩孔、缩松、应力和变形、热裂、冷裂的防止方法
    • 防止缩孔、缩松的基本原则
      • 针对合金的收缩、凝固特点制定正确的铸造工艺
    • 使缩松转化为缩孔
      • （根本）选择凝固区域窄的合金，趋向于逐层凝固
      • 增大凝固温度梯度，尽可能趋于逐层凝固
    • 防止缩孔的方法
      • 建立良好的补缩条件，控制凝固方向，使之符合定向凝固原则
        • 原则
          • 按照远离冒口的地方先凝固，朝有冒口的方向凝固，冒口最后凝固
        • 优点
          • 冒口补缩作用好，防止缩孔、缩松，铸件致密
            • 针对于凝固收缩大，结晶温度范围小的合金
        • 缺点
          • 因为温差，凝固时容易产生热裂，凝固后易产生应力和变形
    • 减小应力和变形（厚壁散热慢内凹，薄壁散热快外凸）的方法
      • 同时凝固原则：创造凝固条件，使铸件结构和温度一致
        • 1、适用于Si含量高的灰铸铁2、壁厚均匀铸件3、球墨铸铁通过球墨化膨胀实现自身补缩时
        • 优点
          • 省冒口、省工、省料
        • 缺点
          • 中心区域会有缩松，不致密
      • 时效处理：自然时效或去应力退火
      • 反变形法：模型制成与变形相反的形状（长件、易变形件）
      • 壁厚尽量均匀、形状对称
      • 改善铸型、型芯退让性
    • 热裂（凝固末期退让性不好，高温产生的裂纹，裂纹短、缝隙宽、形状曲折、缝内氧化色）多在拐角、厚度变化缩孔缩松：
      • 方法：选凝固温度范围小，控制S含量，壁厚均匀，+型芯退让性
    • 冷裂（低温下出现的裂纹细小、连续直线型、缝内无氧化色）多在收拉部位，应力集中处
      • 原因（办法）：塑性差，P太高，壁厚均匀
  • 砂型（铸型由砂型和砂芯组成的造型方法）铸造工艺分析
    • 浇注位置与分型面的确定
      • 浇注位置选定原则
        • ①重要的加工面、主要的工作面应朝下或侧立（回转加工面应侧立）【质量：下 > 侧 > 上】②大平面朝下或倾斜，防止气孔、砂眼等③大面积的薄壁部分应放在铸型下部或垂直、倾斜放置④厚大部分放在铸型上部或分型面附近便于加冒口⑤减少型芯数量，有利于型芯的固定和排气
      • 分型面（两半铸型相互接触的表面）选定原则
        • 1、分型面在铸件最大截面处（保证模样能从型腔中取出）2、铸件应该有最少的分型面3、型芯和活块的数量尽量少4、考虑内浇口的引入位置，合箱位置与浇注位置一致5、加工基准面与大部分加工面在同一砂箱里6、是型腔及主要型芯位于下型，便于造型、下芯、合型和检验7、尽量使用平直分型面，简化模具制造8、尽量降低铸型总高度
    • 工艺参数
      • 1铸件加工余量：预先留出的，加工时切除的金属层厚度。
      • 2拔模斜度（3度~10度）
        • 垂直于分型面的加工表面留有的斜度为拔模斜度（便于起模或从芯盒中取出型芯，外壁小于内壁），便于起模，垂直于分型面的不加工表面留有的斜度为结构斜度
      • 3铸件收缩率
        • K=(L模-L件)/L模*100%
      • 4铸件圆角：拐角和连接处用圆弧过渡。
      • 5型芯头：用于形成铸件的内腔和孔。分为垂直和水平芯头
      • 6最小铸出孔（不铸孔）和槽
        • 单件小批：直径或边长< 30不铸； 大批：直径或边长< 15不铸；H/D>4的深孔均不铸
    • 铸造工艺图的确定
      • 分型面、分模面
      • 浇注位置，浇冒口位置、形状、尺寸、数量
      • 工艺参数
      • 型芯的形状、位置、数目，型芯头的定位方法和安装方法
      • 冷铁的形状、位置、尺寸和数量
      • 1、浇注系统2、分型面3、分模面4、加工余量5、型芯6、起模斜度7、不铸出孔
  • 砂型铸造
    • 1、气动微震压实造型2、高压造型 多触头高压造型，垂直分型无箱造型3、消失模造型
  • 特种铸造
    • 1、离心铸造 铸造回转体铸件，可镶嵌金属，大批管类铸件2、压力铸造 铸造薄壁大批生产铸件，可镶嵌金属3、低压铸造（通气充型、加压凝固、放气开模)铸造致密性好的铸件 发动机缸体、活塞等4、熔模铸造 精密铸造 刀具、叶片、高熔点金属的零件5、陶瓷型铸造 精密铸造 模具为主6、壳型铸造 常用于制芯
    • 金属型铸造：特点及应用：1、生产率高便于自动化2、铸件组织细密，力学性能好3、加工余量小，节省材料4、节省场地，改善生产条件缺点：1、金属型不透气，无退让性，易浇不足2、冷却过快，不能形状复杂大型薄壁件3、金属型造价贵，工艺成本高（有色合金铸件，大批量如：活塞、气缸盖、壳体、轴瓦、轴套）
    • 熔模铸造（精密铸造）特点及应用：1、铸件尺寸精度高（铸件无分型面）2、可铸造形状复杂薄壁零件（浇注时温度高600-700）3、耐火度高（可铸造高熔点合金）4、生产批量不限制，可大可小缺点：工艺复杂，生产成本高，（用于形状复杂小零件如：刀具、叶片、高熔点金属的零件）
• 防止浇不足和冷隔的措施
  • 存在没有完全融合的缝隙或凹坑，机械性能下降
  • 金属液未完整充满型腔
  • 1、适当提高铸件温度和压力
  • 2、改善浇铸系统和铸型条件
  • 3.尽可能采用共晶合金或结晶间隔小的合金
  • 4、改变铸件结构（如加大壁厚）