特种铸造82577

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第四章特种铸造第一节熔模铸造第二节金属型铸造第三节压力铸造第四节低压铸造第五节离心铸造第六节其它特种铸造方法第七节常用铸造方法的比较 第一节熔模铸造一、熔模铸造的工艺工程二、熔模铸造的特点和适用范围 一、熔模铸造的工艺过程1.熔模铸造工艺图2．蜡模制造3．型壳制造4．焙烧和浇注熔模铸造的工艺过程包括：蜡模制造、型壳制造、焙烧和浇注等步骤 1.熔模铸造工艺图 2．蜡模制造(1)压型制造(2)蜡模的压制(3)蜡模组装 (1)压型制造压型是用来制造单个蜡模的专用模具。压型一般用钢、铜或铝经切削加工制成，这种压型的使用寿命长，制出的蜡模精度高，但压型的制造成本高，生产准备时间长，主要用于大批量生产。对于小批量生产，压型还可采用易熔合金(Sn、Pb、Bi等组成的合金)、塑料或石膏直接向模样上浇注而成。 (2)蜡模的压制将蜡料加热到糊状后，在2～3个大气压力下，将蜡料压人到压型内(图中b)，待蜡料冷却凝固便可从压型内取出，然后修去分型面上的毛刺，即得单个蜡模(图中c)。 (3)蜡模组装熔模铸件一般均较小，为提高生产率、降低成本，通常将若干个蜡模焊在一个预先制好的浇口棒上构成蜡模组(图中d)，从而可实现一型多铸。 3．型壳制造它是在蜡模组上涂挂耐火材料，以制成具有一定强度的耐火型壳的过程。由于型壳的质量对铸件的精度和表面粗糙度有着决定性的影响，因此结壳是熔模铸造的关键环节。 (1)浸涂料将蜡模组置于涂料中浸渍，使涂料均匀地覆盖在蜡模组的表层。涂料是由耐火材料、粘结剂组成的糊状混合物。这种涂料可使型腔获得光洁的面层。(2)撒砂它是使浸渍涂料后的蜡模组均匀地粘附一层石英砂，以增厚型壳。(3)硬化为了使耐火材料层结成坚固的型壳，撒砂之后应进行化学硬化和干燥。 如以水玻璃为粘结剂时，将蜡模组浸于N1bCl溶液中，于是发生化学反应，析出来的凝胶将石英砂粘得十分牢固。由于上述过程仅能结成1～2mm薄壳，为使型壳具有较高的强度，故结壳过程要重复进行4—6次，最终制成5～12mm的耐火型壳(图中e)。为了从型壳中取出蜡模以形成铸型空腔，还必须进行脱蜡。通常是将型壳浸泡于85～95℃的热水中，使蜡料熔化，并经朝上的浇口上浮而脱除(图中g)。脱出的蜡料经回收处理后可重复使用。 4．焙烧和浇注(1)焙烧为了进一步去除型壳中的水分、残蜡及其它杂质，在金属浇注之前，必须将型壳送人加热炉内加热到800—1000℃进行焙烧。通过焙烧，型壳强度增高，型腔更为干净。为防止浇注时型壳发生变形或破裂，常在焙烧之前将型壳置于铁箱之中，周围填砂(图中g)。若型壳强度已够，则可不必填砂。(2)浇注为提高合金的充型能力，防止浇不足和冷隔缺陷，要在焙烧出炉后趁热(600～700℃)进行浇注。 二、熔模铸造的特点和适用范围(1)由于铸型精密、型腔表面极为光洁，故铸件的精度及表面质量均优(尺寸精度IT11～14，表面粗糙度值Ra25～3.2μm)。同时，铸型是在预热后浇注，故可生产出形状复杂的薄壁小件(最小壁厚0.7mm)。(2)由于型壳用高级耐火材料制成，故能用于生产高熔点的黑色金属铸件。(3)生产批量不受限制，除适于成批、大量生产外，也可用于单件生产。 熔模铸造的主要缺点是原材料价格昂贵、工艺过程复杂，生产周期长，铸件成本高。此外，铸件不宜过大(或太长)，最大不超过45kg。综上所述，熔模铸造最适于高熔点合金精密铸件的成批、大量生产，主要用于形状复杂、难以切削加工的小零件。目前熔模铸造已在汽车、拖拉机、机床、刀具、汽轮机、仪表、航空、兵器等制造业得到了广泛的应用，成为少、无屑加工中最重要的工艺方法。 熔模1 熔模2 熔模3 熔模4 熔模5 第二节金属型铸造一、金属型构造二、金属型的铸造工艺三、金属型铸造的特点和适用范围 一、金属型构造金属型的结构主要取决于铸件的形状、尺寸，合金的种类及生产批量等。按照分型面的不同，金属型可分为整体式、垂直分型式、水平分型式和复合分型式。其中，垂直分型式应用最广。金属型的排气依靠出气口及分布在分型面上的许多通气槽。多数金属型设有推杆机构。铸件的内腔可用金属型芯或砂芯来形成。为使金属型芯能在铸件凝固后迅速从内腔中抽出，金属型还常设有抽芯机构。对于有侧凹的内腔，为使型芯得以取出，金属型芯可由几块组合而成。 图2-44铸造铝活塞简图1，2—左右半型；3—底型；4，5，6—分块金属型芯；7，8—销孔金属型芯 图2—44为铸造铝活塞金属型典型结构简图，由图可见，它是垂直分型和水平分型相结合的复合结构，其左、右两半型用铰链相联接，以开、合铸型。由于铝活塞内腔存有销孔内凸台，整体型芯无法抽出，故采用组合金属型芯。浇注之后，先抽出5，然后再取出4和6。 二、金属型的铸造工艺1．喷刷涂料2．金属型应保持一定的工作温度3．适合的出型时间 1．喷刷涂料金属型的型腔和金属型芯表面必须喷刷涂料。涂料可分衬料和表面涂料两种，前者以耐火材料为主，厚度为0．2—1．0mm；后者为可燃物质(如灯烟、油类)，每次浇注喷涂一次，以产生隔热气膜。 2．金属型应保持一定的工作温度通常铸铁件为250～350℃，非铁金属件100～250℃。其目的是减缓铸型对浇人金属的激冷作用，减少铸件缺陷。同时，因减小铸型和浇人金属的温差，提高了铸型寿命。 3．适合的出型时间浇注之后，铸件在金属型内停留的时间愈长，铸件的出型及抽芯愈困难，铸件的裂纹倾向加大。同时，铸铁件的白口倾向增加，金属型铸造的生产率降低。为此，应使铸件凝固后尽早出型。通常小型铸铁件出型时间为10—60s，铸件温度约为780—950℃。 三、金属型铸造的特点和适用范围金属型铸造可“一型多铸”，便于实现机械化和自动化生产，从而可大大提高生产率。同时，铸件的精度和表面质量比砂型铸造显著提高。由于结晶组织致密，铸件的力学性能得到显著提高。此外，金属型铸造还使铸造车间面貌大为改观，劳动条件得到显著改善。它的主要缺点是金属型的制造成本高、生产周期长。同时，铸造工艺要求严格，否则容易出现浇不足、冷隔、裂纹等铸造缺陷，而灰铸铁件又难以避免白口缺陷。此外，金属型铸件的形状和尺寸还有着一定的限制。 第三节压力铸造一、压力铸造的工艺过程二、压力铸造的特点和适用范围压力铸造简称压铸。它是在高压下将液态或半液态合金快速地压人金属铸型中，并在压力下凝固，以获得铸件的方法。 一、压力铸造的工艺过程压铸是在压铸机上进行的，它所用的铸型称为压型。压型与垂直分型的金属型相似，其半个铸型是固定的，称为静型；另半个可水平移动，称为动型。压铸机上装有抽芯机构和顶出铸件机构。压铸机主要由压射机构和合型机构所组成。压射机构的作用是将金属液压人型腔；合型机构用于开合压型，并在压射金属时顶住动型，以防金属液自分型面喷出。压铸机的规格通常以合型力的大小来表示。 图2-45卧式压铸机的工作过程(1)注入金属先闭合压型，将勺内金属液通过压室上的注液孔向压室内注入(图a)。(2)压铸压射冲头向前推进，金属液被压人压型中(图b)(3)取出铸件铸件凝固之后，抽芯机构将型腔两侧型芯同时抽出，动型左移开型，铸件则借冲头的前伸动作离开压室(图c)。此后，在动型继续打开过程中，由于顶杆停止了左移、铸件在顶杆的作用下被顶出动型(图d)。 为了制出高质量铸件，压型的型腔精度必须甚高、表面粗糙度值要低。压型要采用专门的合金工具钢(如3Cr2W8V)来制造，并需进行严格的热处理。压铸时，压型应保持120～280℃的工作温度，并喷刷涂料。在压铸件生产中有时采用镶嵌法。它是将预先制好的嵌件放人压型中，通过压铸使嵌件与压铸合金结合成整体。镶嵌法可制出通常难以制出的复杂件，还可采用其它金属或非金属材料制成的嵌件(图2—46)，以改善铸件某些部位的性能，如强度、耐磨性、绝缘性、导电性等，并使装配工艺大为简化。 图2-46镶嵌件的使用 热压铸 二、压力铸造的特点和适用范围(1)铸件的精度及表面质量较其它铸造方法均高。通常，不经机械加工即可使用。(2)可压铸形状复杂的薄壁件，或直接铸出小孔、螺纹、齿轮等(参见表2—10)。(3)铸件的强度和硬度都较高。因为铸件的冷却速度快，又是在压力下结晶，其表层结晶细密，如抗拉强度比砂型铸造提高25％～30％。(4)压铸的生产率较其它铸造方法均高。 压铸虽是实现少、无屑加工非常有效的途径，但也存有许多不足。主要是：(1)压铸设备投资大，制造压型费用高、周期长，只有在大量生产条件下经济上才合算。(2)压铸高熔点合金时，压型寿命很低，难以适应。(3)由于压铸的速度极高，型腔内气体很难排除，厚壁处的收缩也很难补缩，致使铸件内部常有气孔和缩松。(4)由于上述气孔是在高压下形成的，热处理加热时孔内气体膨胀将导致铸件表面起泡，所以压铸件不能用热处理方法来提高性能。 第四节低压铸造一、低压铸造的基本原理二、低压铸造的特点和适用范围低压铸造是介于重力铸造和压力铸造之间的一种铸造方法。它是使液态合金在压力下，自下而上地充填型腔，并在压力下结晶、以形成铸件的工艺过程。由于所施加的压力较低，所以称为低压铸造。 一、低压铸造的基本原理1—铸型；2—密封盖；3—坩埚；4—金属液；5—升液管 它是将熔炼好的金属液注入密封的电阻坩埚炉内保温。铸型安置在密封盖上，垂直的升液管使金属液与朝下的浇口相通。铸型为水平分型，金属型在浇注前必须预热，并喷刷涂料。压铸时，先锁紧上半型，向坩埚室缓慢地通人压缩空气，于是金属液经升液管压人铸型。待铸型被填满后，才使气压上升到规定的工作压力，并保持适当的时间，使合金在压力下结晶。然后，撤除液面上的压力，使尚未凝固的金属液在重力作用下流回坩埚。最后，开启铸型、取出铸件。由于低压铸造时浇口兼起补缩作用，浇口应开在铸件厚壁处，而浇口的截面积也必须足够大。 二、低压铸造的特点和适用范围(1)充型压力和充型速度便于控制，故可适应各种铸型，如金属型、砂型、熔模型壳、树脂型壳等。由于充型平稳，冲刷力小，且液流和气流的方向一致，故气孔、夹渣等缺陷减少。(2)铸件组织较砂型铸造致密，对于铝合金铸件针孔缺陷的防止效果尤为明显。(3)由于省去了补缩冒口，使金属的利用率提高到90％～98％。(4)由于提高了充型能力，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件。此外，设备较压铸简单、投资较少。 低压铸造是20世纪60年代发展起来的新工艺，尽管其历史不长，但已受到国内外的普遍重视，并取得较快的发展。低压铸造目前主要用来生产质量要求高的铝、镁合金铸件，如气缸体、缸盖、曲轴箱、高速内燃机活塞、纺织机零件等，并已成功地制出重达30t的铜螺旋桨及球墨铸铁曲轴等。 第五节离心铸造一、离心铸造的基本方式二、离心铸造的特点和适用范围将液态合金浇人高速旋转(250—1500r／min)的铸型，使金属液在离心力作用下充填铸型并结晶，这种铸造方法称作离心铸造。 一、离心铸造的基本方式离心铸造必须在离心铸造机上进行。根据铸型旋转轴空间位置的不同，离心铸造机可分为立式和卧式两大类。立式卧式 立式图2-48圆筒型铸件的离心铸造机 在立式离心铸造机上的铸型是绕垂直轴旋转的。当其浇注圆筒形铸件时(图2—48a)，金属液并不填满型腔，这样便于自动形成内腔，而铸件的壁厚则取决于浇人的金属量。在立式离心铸造机上进行离心铸造的优点是便于铸型的固定和金属的浇注，但其自由表面(即内表面)呈抛物线状，使铸件上薄下厚。显然，在其它条件不变的前提下，铸件的高度愈大，立壁的壁厚差别也愈大。因此，主要用于高度小于直径的圆环类铸件。 卧式图2-48圆筒型铸件的离心铸造 在卧式离心铸造机上铸型是绕水平轴旋转的。由于铸件各部分的冷却条件相近，故铸出的圆筒形铸件无论在轴向和径向的壁厚都是均匀的(图b)，因此适于浇注长度较大的套筒、管类铸件，是最常用的离心铸造方法。离心铸造也可用于生产成形铸件。成形铸件的离心铸造通常在立式离心铸造机上进行，但浇注时金属液填满铸型型腔，故不存在自由表面。此时，离心力的作用主要是提高金属液的充型能力，并有利于补缩、使铸件组织致密。 二、离心铸造的特点和适用范围离心铸造具有如下优点：(1)利用自由表面生产圆筒形或环形铸件时，可省去型芯和浇注系统，因而省工、省料，降低了铸件成本。(2)在离心力的作用下，铸件呈由外向内的定向凝固，而气体和熔渣因密度较金属小、则向铸件内腔移动而排除，故铸件极少有缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷。(3)便于制造双金属铸件降低了成本。 离心铸造的不足之处是：(1)依靠自由表面所形成的内孔尺寸偏差大，而且内表面粗糙，若需切削加工，必须加大余量；(2)不适于密度偏析大的合金及轻合金铸件，如铅青铜、铝合金、镁合金等。此外，因需要专用设备的投资，故不适于单件、小批生产。离心铸造是大口径铸铁管、气缸套、铜套、双金属轴承的主要生产方法，铸件的最大重量可达十多吨。在耐热钢辊道、特殊钢的无缝管坯、造纸烘缸等铸件生产中，离心铸造已被采用。 离心铸造 第六节其它特种铸造方法一、陶瓷型铸造二、实型铸造 一、陶瓷型铸造1．基本工艺过程2．陶瓷型铸造的特点及适用范围 1．基本工艺过程 (1)砂套造型为节省昂贵的陶瓷材料和提高铸型的透气性，通常先用水玻璃砂制出砂套(相当于砂型铸造的背砂)。制造砂套的木模月比铸件的木模A应增大一个陶瓷料的厚度(图a)。砂套的制造方法与砂型铸造雷同(图b)。(2)灌浆与胶结即制造陶瓷面层。其过程是将铸件木模固定于平板上，刷上分型剂，扣上砂套。将配制好的陶瓷浆通过浇口注入型腔(图c)，经数分钟后，陶瓷浆便开始胶结。 图2-49陶瓷型铸造工艺过程 (3)起模与喷烧灌浆5～15min后，趁浆料尚有一定弹性便可起出模样。为加速固化过程，必须用明火均匀地喷烧整个型腔(图d)。(4)焙烧与合箱陶瓷型要在浇注前加热到350～550℃焙烧3～5h，以烧去残存的乙醇、水分等，并使铸型的强度进一步提高。(5)浇注。浇注温度可略高，获得轮廓清晰的铸件。 2．陶瓷型铸造的特点及适用范围(1)陶瓷型铸造具有熔模铸造的许多优点。因为起模是在陶瓷层处于弹性状态下进行的，同时，陶瓷型高温时变形小，故铸件的尺寸精度和表面粗糙度与熔模铸造相近。(2)陶瓷型铸件的大小几乎不受限制，而熔模铸件最大仅几十千克。(3)在单件、小批生产条件下，需要的投资少、生产周期短，在一般铸造车间较易实现。陶瓷型铸造的不足之处是：不适于批量大、重量轻或形状复杂铸件，且在生产过程难以实现机械化和自动化。 二、实型铸造一、定义二、工艺过程图三、泡沫塑料模四、铸造工艺五、特点 一、定义实型铸造又称气化模铸造。它是用泡沫塑料模样(包括浇注系统)替代木模(或金属模)进行砂型铸造的。由于浇注时模样迅速气化、燃烧而消失，使金属液充填了模样的位置、冷却凝固形成铸件。由于这种铸型呈实体，不存有空腔，故名。 二、工艺过程图 三、泡沫塑料模泡沫塑料模制造方法如下：(1)发泡成形法将预发泡并熟化好的聚苯乙烯珠粒置于专用的发泡模内，通人热空气或蒸气加热短时，使珠粒进一步膨胀形成附浇冒口的模样。这种模样制造方法主要用于大批量生产。(2)加工成形法通常以厚度为100mm的泡沫塑料板为原材料，先用机械加工或电热丝切割等方法制成形状简单的部件，然后用粘结剂将这些部件粘合成模样。显然，这种方法不需制造模具，适于单件、小批生产。 四、铸造工艺在单件、小批生产中，实型铸造多采用自硬砂(如水玻璃砂、水泥砂等)造型。舂砂时，要自下而上分层均匀舂实。在大批量生产中，可采用干砂造型，此时，填砂之后采用机械将干砂震实。金属浇注时，应先慢后快，使金属液上升速度低于模样的气化速度，以减少气化模分解产物与金属液的作用，防止铸件的表面缺陷。同时，浇注场地要有良好的通风与排烟设施，以保护环境。 五、特点(1)由于铸型没有分型面，省去起模和修型工序，便于制出凸台、法兰、肋条、吊钩等在普通砂型铸造中需要活块(或型芯)的结构，从而可简化造型工艺，降低劳动强度。(2)加大了铸件结构的自由度，简化了铸件结构和工艺设计。(3)铸件尺寸精度优于普通砂型铸造。铸件无飞翅，减轻了铸件清理工作量。 第七节常用铸造方法的比较 本章完制作人：张鹏