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1、材料成形工艺 第2版 教学课件 ppt 作者 夏巨谌 张启勋 主编 第四章 特 种 铸 造 材料成形工艺 第四章特种铸造第一节熔模铸造第二节消失模铸造第三节压力铸造第四节离心铸造第五节低压与差压铸造 第一节熔模铸造一、熔模铸造的原理及特点二、模料种类及性能要求三、制模工艺与制壳工艺四、制壳用粘结剂及型壳干燥五、缺陷及防止方法 一、熔模铸造的原理及特点熔模铸造又称精密铸造或失蜡铸造，它是用易熔材料 (蜡料及塑料等)制成精确的可熔性模样，在模样上涂以若干层耐火涂料，经过干燥、硬化成整体型壳；然后加热型壳熔失模样，再经高温焙烧而成为耐火型壳；将液体金属浇入型壳中，待冷却后即成铸件。其工艺流程如图4-

2、1所示。与其他铸造方法相比，熔模铸造的主要优点如下：1)铸件尺寸精度较高和表面粗糙度较低，可以浇注形状复杂的铸件，一般尺寸精度可达CT5CT7级，粗糙度达Ra256.3m。2)可以铸造薄壁铸件以及重量很小的铸件，熔模铸件的最小壁厚可达0.5mm，质量可以小到几克。 一、熔模铸造的原理及特点3)可以铸造花纹精细的图案、文字、带有细槽和弯曲细孔的铸件。4)熔模铸件的外形和内腔形状几乎不受限制，可以制造出用砂型铸造、锻压、切削加工等方法难以制造的形状复杂的零件，而且可以使有些组合件、焊接件在稍进行结构改进后直接铸造成整体零件，从而减轻零件重量、降低生产成本。5)铸造合金的类型几乎没有限制，常用来铸造

3、合金钢件、碳钢件和耐热合金铸件；生产批量没有限制，可以从单件到成批大量生产。 一、熔模铸造的原理及特点图4-1熔模铸造工艺流程图 二、模料种类及性能要求(1)模料的分类随着熔模铸造工艺的发展，模料的种类日益繁多，组成各不相同。通常按模料熔点的高低将其分为高温、中温和低温模料。(2)对模料性能的基本要求对熔模模料性能的基本要求概括为：热物理性能，主要指有合适的熔化温度和凝固区间、较小的热膨胀和收缩、较高的耐热性(软化点)，模料在液态时应无析出物，固态时无相变；力学性能，主要有强度、硬度、塑性、柔韧性等；工艺性能，主要有粘度(或流动性)、灰分、涂挂性等。 三、制模工艺与制壳工艺1.制模2.制壳 三

4、、制模工艺与制壳工艺图4-2制模与制壳工艺流程示意图 1.制模(1)压注成形压注成形的注蜡温度多在熔点以下，此时模料是液、固两相共存的浆状或糊状。(2)挤压成形挤压成形是把在低温塑性状态下的模料挤压入型腔，在高压下成形，以减少和防止熔模收缩。 2.制壳制壳包括涂挂和撒砂两道工序。涂挂涂料之前，熔模需经脱油脂处理。涂挂时要采用浸涂法。涂挂操作时应保持熔模表面均匀地涂挂上涂料，避免空白和局布堆积；焊合处、圆角、棱角和凹槽等，应用毛笔或特制工具涂刷均匀，避免气泡；涂挂每层加固层涂料前应清理前一层上的浮砂；涂挂过程中要定时搅拌涂料，掌握和调整涂料的粘度。 四、制壳用粘结剂及型壳干燥1.硅溶胶型壳干燥的

5、特点2.水玻璃型壳的干燥硬化3.硅酸乙酯型壳的干燥硬化 1.硅溶胶型壳干燥的特点硅溶胶型壳中的水大部分在干燥过程中排除，干燥过程实质上就是硅溶胶的胶凝过程。干燥过程可分为四个阶段：粘结剂胶凝前，型壳涂料层中的游离水在涂挂过程中和干燥阶段初期蒸发；硅溶胶胶凝后，被包在冻胶网格中的物理吸附水在干燥期间逐渐蒸发；硅溶胶胶粒吸附层中的化学吸附水在加热至100200时失去；胶粒表面残存的硅醇(SiOH)在400800范围内通过自缩聚而脱水。干燥的最终结果是不断发生硅醇聚缩反应，形成牢固的硅氧键而胶凝。 2.水玻璃型壳的干燥硬化水玻璃粘结剂是含有少量胶体SiO2粒子的硅酸盐离子溶液，需要通过干燥和化学硬化

6、两个环节才能完成水玻璃粘结剂型壳的干燥硬化。全过程顺序为：自然干燥化学硬化硬化后干燥。自然干燥是使水玻璃溶液不断脱水浓缩，以及使粘结剂通过扩散和渗透而在型壳层中均匀分布。水分的蒸发和脱水收缩会在型壳中留下微细通道和裂纹，有助于硬化剂能深入扩散，加之硬化反应在脱水后的硅酸钠中进行，故扩散速度快，硬化时间短。 3.硅酸乙酯型壳的干燥硬化硅酸乙酯粘结剂型壳的干燥硬化，实质上是涂料中的硅酸乙酯水解液继续水解缩聚，最终胶凝以及溶剂挥发的过程。前者主要是化学变化，后者是物理过程，但彼此有密切联系。型壳涂挂后，涂料层中的硅酸乙酯水解液继续水解，直至胶凝，该过程随型壳的硬化分为三个阶段，即回溶阶段、鼓胀阶段和

7、稳定阶段。 五、缺陷及防止方法熔模铸件的缺陷分为表面和内部缺陷以及尺寸和粗糙度超差。表面和内部缺陷，指欠铸、冷隔、缩松、气孔、夹渣、热裂、冷裂等；尺寸和粗糙度超差主要包括铸件的拉长和变形。产生表面和内部缺陷主要与合金液的浇注温度、型壳的焙烧温度与制备工艺、浇注系统与铸件结构的设计等因素有关。铸件尺寸和粗糙度超差，主要与压型的使用磨损、铸件结构、型壳的焙烧及其强度、铸件的清理等因素有关。应根据铸件的具体结构和涉及到的相关工艺，有针对性地解决问题，消除缺陷。 第二节消失模铸造一、消失模铸造成形原理、特点二、消失模铸造过程三、消失模铸造的特征及其铸件的缺陷防止 一、消失模铸造成形原理、特点消失模铸造

8、又称气化模铸造或实型铸造。它是采用泡沫塑料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，模样受热汽化、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。消失模铸造的工艺过程如图 4-3所示。与砂型铸造相比，消失模铸造方法具有如下主要特点： 1)因铸型紧实后不用起模、分型，没有铸造斜度和活块，取消了砂芯，因此避免了普通砂型铸件尺寸误差和错型等缺陷；同时，由于泡沫塑料模样的表面粗糙度较低，故消失模铸件的表面粗糙度也较低，铸件的尺寸精度可达CT5CT6级，表面粗糙度可达Ra6.312.5m。 一、消失模铸造成形原理、特点2)消失

9、模铸造由于没有分型面，也不存在下芯、起模等问题，许多在普通砂型铸造中难以铸造的铸件结构在消失铸造中不存在任何困难。3)简化铸件生产工序，提高劳动生产率，容易实现清洁生产。4)减少材料消耗，降低铸件成本。 一、消失模铸造成形原理、特点图4-3消失模铸造的工艺过程a)组装后的泡沫塑料模样b)紧实好的待浇铸型c)浇注充型过程d)去除浇、冒口后的铸件 二、消失模铸造过程1.泡沫塑料模样的成形加工及组装2.涂料3.造型、浇注及型砂处理 1.泡沫塑料模样的成形加工及组装图4-4泡沫塑料模样的成形方法a)泡沫塑料珠粒制成铸件模样过程b)成形后的泡沫塑料模样 1.泡沫塑料模样的成形加工及组装表4-1用于消失模

10、铸造工艺的泡沫塑料及其特性 2.涂料泡沫塑料模样及其浇注系统组装成形后应上涂料。涂料在消失模铸造工艺中具有十分重要的控制作用：涂层将金属液与干砂隔离，可防止冲砂、粘砂等缺陷；浇注充型时，涂层将模样的热解产物气体快速导出，可防止浇不足、气孔、夹渣、增碳等缺陷产生；涂层可提高模样的强度和刚度，使模样能经受住填砂、紧实、抽真空等过程中力的作用，避免模样变形。消失模铸造涂料与普通砂型的组成相似，主要由耐火填料、分散介质、粘结剂、悬浮剂及改善某些特殊性能的附加物组成。但消失模铸件的质量和表面粗糙度在很大程度上依赖于涂料的质量。 3.造型、浇注及型砂处理(1)消失模铸造用砂消失模铸造通常采用无粘结剂的硅砂

11、来充填、紧实模样，砂粒的平均粒度为AFS 25AFS 45。(2)雨淋式加砂在模样放入砂箱内紧实之前，砂箱的底部要填入一定厚度(约100mm)的型砂作为放置模样的砂床。(3)砂的振动紧实消失模铸造中干砂的加入、充填和紧实是得到优质铸件的重要工序。(4)真空下浇注(5)型砂的冷却消失模铸件落砂后的型砂温度很高，由于是干砂，其冷却速度相对较慢，对于规模较大的流水生产的消失模铸造车间，型砂的冷却是消失模铸造的关键，型砂的冷却设备是消失模铸造车间砂处理系统的主要设备。 3.造型、浇注及型砂处理图4-5消失模铸造中的真空抽气系统1真空泵2水浴罐3水位计4排水阀5球阀6逆流阀73in(1in=0.0254

12、m)管8真空表9滤网10滤砂与分配罐11止阀(若干个)12进气管(若干个)13挡尘罩14支托15排尘阀 三、消失模铸造的特征及其铸件的缺陷防止1.消失模铸造的浇注系统特征2.常见缺陷及防止措施 1.消失模铸造的浇注系统特征(1)封闭式浇注系统其特点是流量控制的最小截面处于浇注系统的末端，浇注时直浇道内的泡沫塑料迅速汽化，并在很短的时间内被液体金属充满，浇注系统内易建立起一定的静压力使金属液呈层流状充填，可以避免充型过程中金属液的搅动与喷溅。(2)底注式浇注系统由于底注式浇注系统的金属液流动具有充型平稳、不易氧化、无飞溅、有利于排气浮渣等特点，较符合消失模铸造的工艺特点，故底注式浇注系统在消失铸

13、造中应用较多。(3)快速浇注快速浇注是消失模铸造工艺的主要特征之一。 1.消失模铸造的浇注系统特征(4)较高的浇注温度由于汽化泡沫塑料模样需要热量，消失模铸造的浇注温度比普通砂型铸造的浇注温度通常要高 2050。 2.常见缺陷及防止措施(1)增碳消失模铸钢件中，铸件的表面乃至整个断面的含碳量明显高于钢液的含碳量，这种现象称为增碳。(2)皱皮皱皮是金属中夹进的氧化膜，即有机残余物薄层覆盖着一层较厚的氧化膜。(3)气孔和夹渣铸件上出现气孔和夹渣缺陷主要来源于浇注过程中泡沫塑料模样受热汽化生成的大量气体和一定残渣物。(4)粘砂粘砂是指铸件表面粘结型砂而不易清理的铸造缺陷，它是铸型与金属界面动压力、静

14、压力、摩擦力及毛细作用力平衡被破坏的结果。(5)塌箱塌箱是指浇注过程中铸型向下塌陷，金属液不能再从直浇口进入型腔，造成浇注失败。 2.常见缺陷及防止措施(6)冷隔铸件最后被填充的地方，金属不能完全填充铸型时便出现冷隔。 第三节压力铸造一、压铸及特点二、压铸模三、压铸工艺参数四、压铸新工艺 一、压铸及特点压力铸造(简称压铸)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铸造方法。在压铸中，一般作用于金属上的压力在 20200MPa，充型的初始速度为1570m/s，充型时间仅为0.010.2s。因此，高压和高速是压铸成形的重要特征，也是与其他铸造方法的根本

15、区别。压铸是所有铸造方法中生产速度最快的，在汽车、拖拉机、电器仪表、电信器材、医疗器械、日用五金以及航空航天工业等方面都有广泛的应用。 一、压铸及特点由于压力铸造过程的特殊充型及凝固方式，与其他铸造方法相比具有以下特点：1)可以制得薄壁、形状复杂且轮廓清晰的铸件。2)生产效率高。3)铸件具有较好的力学性能。4)铸件精度高，尺寸稳定，加工余量少，表面光洁。5)采用镶铸法可省去装配工序并简化制造工艺。6)铸件表面可进行涂覆处理，压铸出螺纹、线条、文字、图案等。 一、压铸及特点但是，压铸与其他铸造方法一样，也存在如下缺点：1)由于液体金属充型速度极快，型腔中的气体很难排除，便以气孔形式存留于铸件中，

16、因此普通压铸法压铸的铸件不能进行热处理或焊接(加热时气体膨胀将导致铸件鼓泡而报废)，也不适于比较深的机加工，以免铸件表面显出气孔。2)现有模具材料主要适用于低熔点的合金，如锌、铝、镁等合金。3)压铸设备投资高，压铸模制造复杂，周期长，费用高，一般不适用于小批量生产。4)由于充填型腔时金属液的冲击力大，一般压铸不能使用砂芯，因此不能压铸具有复杂内腔结构的铸件，如闭舵结构的铝合金发动机缸体或缸盖。 一、压铸及特点表4-2压铸工艺原理 二、压铸模1.压铸件设计2.压铸模的组成3.压铸模的设计原则 1.压铸件设计1)消除内部侧凹，便于抽芯，消除深陷，使铸件易脱模。2)改进壁厚，消除缩孔、气孔。3)改善

17、结构，消除不易压出的侧凹、尖角或棱角，便于抽芯，简化压铸模制造以及避免型芯交叉等。4)利用加强肋，防止铸件变形。 2.压铸模的组成(1)定模和动模从结构上看，压铸模主要由定模和动模两大主要部分组成(见图)。(2)成形零件模具内形成铸件形状的零件称为成形零件，是决定铸件几何形状和尺寸精度的部位。(3)模架部分模架是将压铸模各部分按一定规律和位置加以组合和固定后，使压铸模能安装在压铸机上的构架。(4)浇注系统和排溢系统浇注系统是沟通压铸模型腔和压铸机压室的部分，即金属液进入型腔的通道；排溢系统是排除压室、浇道和型腔中的气体以及前流冷金属和涂料燃烧的残渣的处所。 2.压铸模的组成(5)顶出机构顶出机

18、构是顶动铸件使其从压铸模的成形零件上脱出的机构。(6)导向零件导向零件是引导模具内各滑动(或移动、对插)部分的零件。(7)其他除前述各部分外，压铸模还有抽芯机构、安全装置、冷却系统、加热系统以及螺钉、销钉等紧固零件。 2.压铸模的组成图4-6压铸模的结构示意图1动模模板2定模套板3定模座板4、7、18、19螺钉5销钉6镶块8、9定模镶块10型芯11、22推杆12浇道镶块13浇口套14导套15导柱16浇口推杆17导钉20推杆固定板21挡块23复位杆 3.压铸模的设计原则(1)合理地选择压铸机设计压铸模时，必须熟悉压铸机的特性和技术规格，通过必要的设计计算，选用合适的压铸机。(2)满足铸件的基本要

19、求压铸模必须能够生产出符合几何形状、尺寸精度、力学性能和表面质量等技术要求的铸件。(3)具有良好的使用效果采用合理的模具结构，符合压铸生产的工艺要求，选择适宜的模具材料；配合适当的制造质量，使压铸模具有安全可靠、操作方便、使用寿命较长和生产效率较高等特点。(4)具有合理的经济性合理地提出模具的技术条件，根据零件的热处理方法及硬度、公差配合、尺寸精度和表面粗糙度等，尽可能考虑到有利于标准化、系列化和通用化的实施。 三、压铸工艺参数1.压铸压力2.压铸速度3.浇注温度及压铸模温度4.涂料5.持压时间和开模时间 1.压铸压力阶段：慢速封孔阶段。压射冲头以慢速向前移动，液体金属在较低压力p1作用下推向

20、内浇道。低的压射速度是为了防止液体金属在越过压室浇注孔时溅出和有利于压室中气体的排出，减少液体金属卷入气体。此时压力p1只用于克服压射缸内活塞移动和压射冲头与压室之间的摩擦阻力，液体金属被推至内浇道附近。阶段：充填阶段。二级压射时，压射活塞开始加速，并由于内浇道处的阻力而出现小的峰压，液体金属在压力 p2的作用下，以极高的速度在很短时间内充填型腔。 1.压铸压力阶段：增压阶段。充型结束时，液体金属停止流动，由动能转变为冲压力。压力急剧上升，并由于增压器开始工作，使压力p3上升至最高值。这段时间极短，一般为0.020.04s，称为增压建压时间。阶段：保压阶段，也称压实阶段。金属在最终静压力 p4

21、作用下进行凝固，以得到组织致密的铸件。 1.压铸压力图4-7压铸过程中压力和速度的变化情况 2.压铸速度1)包住空气而形成气泡。2)合金液流成喷雾状进入型腔并粘附于型壁上，后进入的合金液不能与它熔合，而形成表面缺陷，降低铸件表面质量。3)产生旋涡，包住空气和最先进入型腔的冷合金，使铸件产生气孔和氧化夹杂的缺陷。4)冲刷压铸模型壁，使压铸模磨损加速，减少压铸模寿命。 3.浇注温度及压铸模温度浇注温度是指金属液自压室进入型腔时的平均温度。由于压铸中金属液充填型腔主要靠压力和射压速度来保证，所以，合金的浇注温度在保证铸件质量的前提下，可采用较低的温度。大多数情况下，选择略高于液相线的温度，但具体的浇

22、注温度随铸件壁厚和复杂程度而有所变化。压铸模在浇注前需预热到一定温度，以免金属液压入后过度激冷而不成形，即使成形也容易引起铸件裂纹和表面产生“霜冻”流痕等缺陷。压铸模预热到一定温度还可以避免模具激烈膨胀，减少温度波动，有利于提高模具寿命。同时，压铸模的工作温度也不宜过高，否则会使金属产生粘模和铸件顶出时变形，影响生产效率。因此，在压铸生产过程中，压铸模应保持一定的温度范围，温度过高时就应进行冷却。压铸模的具体温度也与合金种类和模具结构的复杂程度有关。 4.涂料1)高温时具有良好的润滑性。2)挥发点低，100150时稀释剂能良好地挥发。3)对压铸模和铸件没有腐蚀作用。4)性能稳定，在空气中不因稀

23、释剂挥发而变稠。5)高温时不析出或分解出有害气体。 5.持压时间和开模时间金属液充满型腔到内浇口完全凝固的过程中，在压力作用下的持续时间称为持压时间。持压时间应根据铸件壁厚及合金的结晶温度范围确定。开模时间即从持压作用完开始，到开型顶出铸件为止的时间。开模时间不宜过长或过短，时间过长，会给抽芯和顶出铸件造成困难，甚至开裂，并降低生产效率；时间过短，易产生变形、热裂及表面起泡，影响到铸件精度。 四、压铸新工艺1.真空压铸2.超低速压铸3.局部加压压铸 1.真空压铸普通压铸件不能焊接和热处理，机加工面也不能太深，力学性能相对也比较差，使压铸在结构受力件的应用受到限制。真空压铸是将型腔中的气体抽出，

24、金属液在真空状态下充填成形，以消除或减少压铸件内部的卷气缺陷，提高铸件的力学性能。根据压铸模型腔内真空度的大小，真空压铸可分为普通真空压铸(型腔内气压为5080kPa)和高真空压铸(型腔内气压为510kPa)。真空压铸系统结构如图4-8所示。 1.真空压铸图4-8真空压铸系统结构1真空阀2抽气管3控制单元4真空罐5真空泵6抽气起动开关7自动吹气清理阀8压铸模 2.超低速压铸超低速压铸属于层流充填压铸法，它与普通压铸的区别在于采用厚大的内浇口和极低的冲头移动速度(0.1mm/s)，以确保金属液平稳地充填型腔而不卷入气体。 3.局部加压压铸如图4-9所示，对于壁厚差别比较大的压铸件，铸件的厚大部位

25、因补缩困难易形成缩孔(松)缺陷，影响铸件的力学性能。特别是对需要进行水压测试的铸件而言，该位置很容易出现渗漏而报废，或须进行浸渗补漏处理后才能使用。如果在凝固过程中，再在铸件的厚壁处施加一压力强化补缩就可消除缩孔 (松)缺陷。因此，此工艺被称为局部加压压铸。局部加压压铸在气密性压铸件(如空调压缩机壳体、ABS用油泵泵体压铸件)上得到了成功应用。 3.局部加压压铸图4-9局部加压压铸工艺示意图 第四节离心铸造一、概述二、离心铸造原理三、典型铸件的离心铸造 一、概述由于金属液是在旋转状态及离心力作用下完成充填、成形和凝固过程的，所以离心铸造具有如下一些特点：1)铸型中的金属液能形成中空圆柱形自由表

26、面，不用型芯就可形成中空的套筒和管类铸件，因而可简化这类铸件的生产工艺过程。2)显著提高金属液的充填能力，改善充型条件，可用于浇注流动性较差的合金和壁较薄的铸件。3)有利于铸件内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。 一、概述4)可减少甚至不用冒口系统，降低了金属消耗。5)对于某些合金(如铅青铜等)容易产生重度偏析。6)铸件内表面较粗糙，有氧化物和聚渣产生，且内孔尺寸难以准确控制。7)仅适合于外形简单且具有旋转轴线的铸件，如管、筒、套、辊、轮等的生产。 一、概述图4-10离心铸造示意图a)卧式离心铸造1浇包2扇形浇道3铸型4金属液5挡板6铸件b)立式离心铸造1浇包2挡板3金

27、属液4传动带5传动轴6铸件7电动机 二、离心铸造原理1.离心力场2.铸型的转速 1.离心力场离心铸造时，旋转着的金属液占有一定的空间，若在这个空间中取金属液的任一质点M，其质量为m，旋转半径为r，旋转角速度为，则在该质点上作用着离心力m2r。离心力的作用线通过旋转中心O，指向离开中心的方向。它使金属质点作远离旋转中心的径向运动。可借用地心引力场的某些概念来研究离心力场中铸件的成形特点。 2.铸型的转速铸型转速是离心铸造工艺的主要内容。铸型转速的选择主要应考虑如下三方面的问题：1)保证液体金属进入铸型后，能迅速充满成形。2)保证获得良好的铸件内部质量，避免出现缩孔、缩松、夹杂和气孔等。3)防止产

28、生偏析、裂纹等缺陷。 三、典型铸件的离心铸造1.离心铸造应用范围2.球墨铸铁管的离心铸造3.铸铁气缸套的离心铸造 1.离心铸造应用范围用离心铸造法生产产量很大的铸件有：1)铁管。2)柴油发动机和汽油发动机的气缸套。3)各种类型的钢套和钢管。4)双金属钢背铜套及各种合金的轴瓦。5)造纸机滚筒。 1.离心铸造应用范围用离心铸造法生产效益显著的铸件有：1)双金属铸铁轧辊。2)加热炉底耐热钢辊道。3)特殊钢无缝钢管。4)制动鼓、活塞环毛坯及铜合金蜗轮。5)异形铸件，如叶轮、金属假牙、金银戒子、小型阀门和铸铝电动机转子。 2.球墨铸铁管的离心铸造用离心铸造方法制造球墨铸铁管有三种方法，即涂料法、热模法和水冷金属型法。所谓涂料法和热模法，是在浇注金属液前于金属型的表面分别施涂一层耐火涂料和覆膜砂，以保护和减轻金属