第五章凝固成形工艺

材料成形技术基础 第五章凝固成形工艺

主要内容： 凝固成形概述凝固成形用金属材料液态金属的获得凝固成形方法凝固成形件的结构设计计算机在凝固成形中的应用

第一节凝固成形概述 凝固成形－－俗称铸造，将金属熔化成液态后浇注入与拟成形的零件形状及尺寸相适应的模型空腔中，带液态金属冷却凝固后将铸型打开（或破坏）取出所形成的铸件毛坯。具有极高的随意性和综合经济性，在机械产品中所占比例极大。

第二节凝固成形用金属材料 凝固成形金属材料称为铸造合金：铸铁铸钢铸造有色合金

2-1铸铁分类 铸铁(c%>2.11%): 1.按碳的存在形式分：白口铸铁：碳以Fe3C形式存在，断口银白色，有大量共晶Ld；灰口铸铁：碳多以石墨形式存在，断口灰色，应用最广，分四类(石墨形态不同）：普通灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁；麻口铸铁：碳部分为石墨，部分为Fe3C，断口黑白相间的麻点。

2.按化学成分分：普通铸铁、合金铸铁

2-2 灰口铸铁 一. 普通灰铸铁组织：金属基体(F或P)＋片状石墨性能：抗拉强度、弹性模量低于钢，塑性几为零，脆性材料；不可锻和冲压、焊接成形性能差，优良的铸造及机加工性能；减震性是钢的10倍左右；的减磨性能；缺口敏感性远低于钢；牌号：HT－××× ，三位数字为最低抗拉强度。

二.球墨铸铁 (球铁) 组织：金属基体＋球状石墨性能：力学性能优于普通灰铸铁，可承受不大的冲击载荷，良好的铸造性、减磨性和缺口敏感性。牌号：QT×××－××；例如： QT400-18 ，最低抗拉强度为400MPa，最低伸长率18％。

三.蠕墨铸铁 组织：石墨为短片状，类似蠕虫。性能：力学性能介于灰铸铁和球墨铸铁之间，导热性、抗高温生长及抗氧化性比其它铸铁好。牌号：RuT×××，三位数字表示最低抗拉强度。

四.可锻铸铁 组织：石墨呈团絮状性能：强度和韧性较灰铸铁高，伸长率最高可达12％牌号：KTH×××－××：黑心可锻铸铁 KTZ ×××－××：珠光体可锻铸铁 KTB ×××－××：白心可锻铸铁（三种铸铁退火方法不同）前三位数字为最低抗拉强度（MPa）；后二位数字为最低伸长率（％）

2-3 铸钢及有色合金 一.铸钢按化学成分分：铸造碳钢、铸造合金钢性能：综合力学性能好于各类铸铁，强度高、优良的塑性和韧性；良好的焊接性能，铸造性能差于铸铁，必须进行热处理。牌号：ZG×××－×××；前组数字为屈服强度，后组为抗拉强度

二.有色合金 常用的有铝合金、铜合金、镁合金、锌合金 1.铝合金：密度小，强度高，浇注温度低、熔化潜热大、流动性好牌号：ZL××× 2.铜合金：良好耐磨性及好的导热性、导电性、耐蚀性好

第三节液态金属的获得 合格、高质量液态金属的三要求：具有所需要的温度杂质含量低具有所要求的化学成分

一. 铸铁合金的熔炼 常用设备有：冲天炉、反射炉、电弧炉、工频炉等冲天炉熔炼：通过焦炭的燃烧放热使固体金属炉料熔化并过热后成为液态金属

二. 铸钢合金的熔炼 常用平炉、电弧炉、感应电炉熔炼

三. 有色合金的熔炼 对设备要求：－有利于金属炉料的快速熔化和升温，熔炼时间短，合金纯净；－电能消耗率低，热效率高，减少污染；－操作简单，炉温便于调节控制。常用“坩埚”加热、及感应电炉。

第四节凝固成形方法 将液态金属充填道与形状和尺寸相适应的铸型空腔中，待其冷却凝固，以获得所需形状的零件毛坯

常用方法： 砂型铸造金属铸造压力铸造低压铸造离心铸造熔模铸造

4－1砂型铸造 一种最基本的铸造方法，其工艺过程有制造模型和芯合、混砂、造型和造芯、烘干合箱、熔化几个步骤。一、工艺设计：确定铸造工艺方案：首要考虑：浇注位置的选择、铸型分型面的的选择还应注意：机械加工余量、拔模斜度、铸件收缩率、冒口位置及尺寸等等绘制铸造工艺图：(例如图)

砂型铸造工艺流程

二. 造型和制芯准备 型砂和芯砂由原砂、粘结剂、水及其它附加物混制分为：粘土砂、水玻璃砂、树脂砂

二氧化碳硬化法硬化水玻璃

三. 砂型铸造的特点 1. 适用面最广，几乎使用所有零部件 2. 分为手工铸造、和机器铸造，后者精度高、质量好、可批量生产 3.铸件组织晶粒粗大，易成分偏析 4.表面粗糙度较高

4－2 金属型铸造 将金属液浇注到金属铸型中，待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸造。

特点： 1.一型多铸，提高生产率，易于实现自动化 2.铸件尺寸精度高，表面光洁 3.改善劳动条件，节省造型材料 4.成本高、周期长、且不适宜于复杂铸件和薄铸件主要用于：铝、铜、镁等有色金属铸件

4－3 压力铸造 压力铸造是在专用设备—压铸机上进行的一种铸造。即在高速、高压下将熔融的金属液压入金属铸型，使它在压力下凝固获得铸件的方法。

压铸工艺过程

4－4 低压铸造 低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.03～0.07Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法

带保温炉 不带保温炉 1-坩埚；2-升液管；3-金属液；4-进气管；5-密封盖；6-浇道；7-型腔；8-铸型

4－5 熔模铸造 熔模铸造又名“失蜡法铸造”，是采用易熔的蜡质材料制成模型，然后用造型材料将其包覆若干层，待其干燥硬化后将蜡模熔化获得无分型面的壳型，经烘干后浇注金属液而获得铸件的铸造方法。

蜡模制造 结壳脱模焙烧浇注蜡模铸造工艺流程：

脱蜡和造型

4－6 离心铸造 离心铸造是将金属液浇入高速旋转（250～1500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。

4-7 几种常用凝固成形方法评价

第五节凝固成形件的结构设计 一.铸件工艺对铸件结构的要求 1.铸件外形应便于取出； (1)避免外部侧凹； (2)分型面尽量平直; (3)改进凸台、筋条结构. 2.铸件内腔结构应使型芯数量少，并有利于型芯的固定、排气; 3.铸件应有结构斜度

a)封闭式型芯设计， 需两个型芯 b)封闭式型芯设计，需两个型芯 c)开放式型芯设计，不同设计结构的轴承座

二.合金的铸造性能对铸件结构的要求 1.合理设计铸件壁厚 2.铸件壁厚应尽可能均匀 3.铸件的转角应采用圆角连接

4.设防裂筋

5.注意缓解收缩应力

第五节计算机在凝固成形中的应用 一.计算机辅助设计零件设计、模样制造、铸型设计结构参数设计→CAD制铸件图→转换为铸件模型→生成铸造工艺图→CAM技术、数控机床二.计算机数值模拟 1.金属充型过程的数值模拟 2.凝固过程数值模拟 3.应力场数值模拟 4.微观组织模拟

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