金属铸造工艺过程、及实际应用

材料科学基础课程论文 金属铸造工艺过程及实际应用 学院名称：    材料科学与工程学院      专业班级：        复合材料1102          学生姓名：            赵明            学    号：          3110706049        指导教师：          张振亚          2014 年 6 月 一、简介 金属铸造（metal casting）是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时间．铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。 2、分类 金属铸造种类造型方法习惯上分为： ① 普通砂型铸造，包括湿砂型、干砂型和化学硬化砂型3类。   ② 特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特种铸造（如熔模铸造、泥型铸造、铸造车间壳型铸造、负压铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等）和以金属为主要铸型材料的特种铸造（如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造、离心铸造等）两类。   金属铸造工艺通常包括：   ① 铸型（使液态金属成为固态铸件的容器）准备，铸型按所用材料可分为砂型、金属型、陶瓷型、泥型、石墨型等，按使用次数可分为一次性型、半永久型和永久型，铸型准备的优劣是影响铸件质量的主要因素；   ② 铸造金属的熔化与浇注，铸造金属（铸造合金）主要有铸铁、铸钢和铸造有色合金；   ③ 铸件处理和检验，铸件处理包括清除型芯和铸件表面异物、切除浇冒口、铲磨毛刺和披缝等凸出物以及热处理、整形、防锈处理和粗加工等。 3、工艺过程 铸造生产时，首先要根据铸件的结构特征、技术要求、生产批量、生产条件等因素，确定铸造工艺。其主要内容包括浇注位置、分型面、铸造工艺参数（机械加工余量、起模斜度、铸造圆角、收缩率、芯头等）的确定，然后用规定的工艺符号或文字绘制成铸造工艺图。铸造工艺图是指导铸造生产的技术文件，也是验收铸件的主要依据。 一、浇注位置的确定 浇注时铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置。铸件的浇注位置对铸件的质量、尺寸精度、造型工艺的难易程度都有很大的影响。通常按下列基本原则确定浇注位置。 (1) 铸件的重要工作面或主要加工面朝下或位于侧面。浇注时金属液中的气体、熔渣及铸型中的砂粒会上浮，有可能使铸件的上部出现气孔、夹渣、砂眼等缺陷，而铸件下部出现缺陷的可能性小，组织较致密。如图所示机床床身的浇注位置，应将导轨面朝下，以保证该重要工作面的质量。如图所示的卷扬筒，其圆周面的质量要求较高，采用立浇方案，可使圆周面处于侧面，保证质量均匀一致。           (2)铸件的大平面朝下或倾斜浇注。由于浇注时炽热的金属液对铸型的上部有强烈的热辐射，引起顶面型砂膨胀拱起甚至开裂，使大平面出现夹砂、砂眼等缺陷。大平面朝下或采用倾斜浇注的方法可避免大平面产生铸造缺陷。下图为平板铸件的浇注位置。 大平面朝下 （3）铸件的薄壁朝下、侧立或倾斜。 为防止铸件的薄壁部位产生冷隔、浇不到缺陷，应将面积较大的薄壁置于铸件的下部，或使其处于侧壁或倾斜位置。 （4）铸件的厚大部分应放在顶部或在分型面的侧面。主要目的是便于在厚处安放冒口进行补缩,如图阀体的冒口补缩和图卷扬筒的重要面位于侧面所示。 二、分型面的选择 【分型面】是铸型组元间的接合面。为便于起模，一般分型面选择在铸件的最大截面处。分型面的选定应保证起模方便、简化铸造工艺、保证铸件的质量。确定分型面应遵循如下原则。 （1） 分型面应选择在模样最大截面处，以便于起模。如图所示。 分型面选在最大直径处 （2） 尽量减少分型面。分型面少则容易保证铸件的精度，并可简化造型工艺。对机器造型来说，一般只能有一个分型面，下图所示的绳轮铸件，大批量生产时，为便于机器造型，可按a分型方案，采用环状型芯，将二个分型面减少为一个分型面。当然在单件生产时，采用手工造型时，为减少工装的制造，采用b方案，三箱造型，二个分型面也是合理的。 （3） 尽量使分型面平直。 （4） 尽量使铸件的全部或大部分位于同一砂箱中。铸件处于同一砂箱中，既便于合型，又可避免错型，以保证铸件的精度。 （5） 尽量使型芯位于下箱，并注意减低砂箱的高度。这样可简化造型工艺、方便下芯和合型、便于起模和修型。如图缩示机床立柱的分型方案，采用Ⅱ方案比较合理，可使型腔和型芯大部分处于下箱中，便于起模、下芯、合型。 三、工艺参数的选定 （1）机械加工余量和公差 【机械加工余量】是指铸件加工面上预留的、准备切除的金属层厚度。加工余量取决于铸件的精度等级，与铸件材料、铸造方法、生产批量、铸件尺寸、浇注位置等因素有关。 铸件的尺寸公差 CT，其精度等级从高到低有1、2、3.．．．．．16共16个等级；加工余量等级MA，从精到粗可分为A、B、C、D、E、F、G、H、J共9个级别。下表为砂型铸造常用铸造合金单件和小批生产时公差等级及与之配套的加工余量等级。 单件和小批生产时铸件公差等级及与之配套的加工余量等级（摘自GB/T1350-89） 造型材料 CT/MA 铸钢 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 铜合金 轻金属合金 干、湿砂型 13-15/J 13-15/H 13-15/H 13-15/H 13-15/H 12-14/H 自硬砂 12-14/J 11-13/H 11-13/H 11-13/H 10-12/H 9-11/H               铸件的公差等级和加工余量等级确定后，加工余量数值可根据 GB/T11350-1989选取；公差的数值可按 GB6414—86 选取。 为简化铸造工艺，铸件上的小孔和槽可以不铸出，而采用机械加工。一般铸铁件上直径 <30mm、铸钢件上直径<40mm的孔可以不铸出。 （2）起模斜度 【起模斜度】为使模样（或型芯）易从铸型（或芯盒）中取出，在模样（或芯盒）上与起模方向平行的壁的斜度称为起模斜度，可用角度 α 或宽度 a表示，提倡使用宽度a。模样的起模斜度可采用增加壁厚、加减壁厚、减小壁厚三种取法，如图所示。 对于需要机械加工的壁必须采用增加壁厚法。 起模斜度需要增减的数值可按有关标准选取，采用粘土砂造型时的起模斜度可按 JB/T5105—1991确定。一般木模的斜度 α =0.3°~3°，a=0.6~3.0mm；金属模的斜度α=0.2°~2°，a=0.4~2.4mm。模样越高，斜度越小。当铸件上的孔高度与直径之比小于1（H/D<1）时，可用自带芯子的方法铸孔，用自带芯子的起模斜度一般应大于外壁斜度。 起模斜度的取法 (a) 增加铸件厚度   （b）加减铸件厚度 　(c)减小铸件厚度 （壁厚<8mm）   （壁厚：8mm~12mm）   （壁厚>12mm） （3）收缩率 为补偿铸件在冷却过程中产生的收缩，使冷却后的铸件符合图样的要求，需要放大模样的尺寸，放大量取决于铸件的尺寸和该合金的线收缩率。一般中小型灰铸铁件的线收缩率约取 1%；非铁金属的铸造收缩率约取1.5%；铸钢件的铸造收缩率约取2%。 （4）铸造圆角 【铸造圆角】模样壁与壁的连接和转角处要做成圆弧过渡，称为铸造圆角。铸造圆角可减少或避免砂型尖角损坏，防止产生粘砂、缩孔、裂纹。但铸件分型面的转角处不能有圆角。铸造内圆角的大小可按相邻两壁平均壁厚的 1/3~1/5选取，外圆角的半径取内圆角的一半。 （5）芯头 【芯头】是指砂芯的外伸部分，用来定位和支承砂芯。如图所示。芯头有垂直和水平芯头两种。芯座是指铸型中专为放置芯头的空腔。芯头和芯座尺寸主要有芯头长度 L（高度H）、芯头斜度 α 、芯头与芯座装配隙s等，其数值与型芯的长度（高度）和直径有关，应查阅相关资料后确定（本书略）。 四、浇注系统 【浇注系统】是为填充型腔和冒口而开设于铸型中的一系列通道。 （1）浇注系统的组成与作用 　通常有浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道和冒口等组成。合理地设计浇注系统，可使金属液平稳地充满铸型型腔；控制金属液的流动方向和速度；调节铸件上各部分的温度，控制冷却凝固顺序；阻挡夹杂物进入铸型型腔。冒口起补缩、排气和集渣作用。 （2）浇注系统的类型 　按金属液导入型腔的位置，浇注系统可分为底注式、顶注式、中注式、阶梯式等。   五、铸造工艺图绘制举例 【铸造工艺图】是表示分型面、浇注位置、型芯结构和尺寸、浇注系统、工艺参数等的图样，可按规定工艺符号或文字标注在铸件图上或另绘工艺图。 例：下图为衬套零件图，材料为HT200，采用砂型铸造，年生产量200件，试绘出铸造工艺图。 (1)结构分析、确定造型方法、浇注位置和分型面。零件上φ 48mm的孔要铸出，但内孔的小台阶不铸出，故采用简单的圆棒型芯；为简化铸造工艺，φ8mm的小孔和铸件侧壁的小台阶和小凹槽均不铸出。铸件高度不大，可采用两箱整体模造型、垂直浇注。分型面选在φ160mm的端面处，采用二箱整体模造型。 (2)工艺参数确定。 加工余量 　铸件各个面都要加工，故都应有余量。砂型铸造灰铸铁件的公差及配套的加工余量等级为14/H。顶面和孔的加工余量等级降一级（取J级），加工余量数值可查GB/T11350-1989选取，φ160mm和φ104mm圆周面双侧加工，每侧余量为6.0mm，底面的加工余量为6.0mm，顶面的加工余量为7.0mm，内孔的每侧的加工余量为6.0mm。 起模斜度 　在垂直于分型面处（平行于起模方面），按增厚法确定起模斜度。取宽度a=1.0mm。图9-21b中“7/6”表示考虑了加工余量和起模斜度后，上端与下端的余量。 线收缩率 　由于是小批生产，铸件各尺寸方向的铸造收缩率可取相同的数值，取铸造收缩率为1%。 芯  头  该芯头为垂直芯头。查有关手册（本书略）得芯头尺寸，如铸造工艺图所示。 铸造圆角 　铸造圆角按（1/3~1/5）壁厚的方法，取R内为8mm；R外为4mm。 (3)绘出铸造工艺图。如下图所示（不含浇注系统）。 六、铸件图 【铸件图】是反映铸件实际尺寸、形状和技术要求的图形，是铸造生产验收和检验的主要依据。铸件图应在完成铸造工艺图的基础上绘制，下图为衬套的铸件图。 四、特点 1 优点 金属型冷却速度较快，铸件组织较致密，可进行热处理强化，力学性能比砂型铸造高15%左右。 金属型铸造，铸件质量稳定，表面粗糙度优于砂型铸造，废品率低。 劳动条件好，生产率高，工人易于掌握。 2 缺点 金属型导热系数大，充型能力差。 金属型本身无透气性。必须采取相应措施才能有效排气。 金属型无退让性，易在凝固时产生裂纹和变形。 5、应用 1、砂型铸造 砂型铸造的适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用。砂型比金属型耐火度更高，因而如铜合金和黑色金属等熔点较高的材料也多采用这种工艺。 砂型铸造用的模具，一般木材制作，通称木模。为了提高尺寸精度较高，也常使用寿命较长的铝合金模具或树脂模具。虽然价格有所提高，但仍比金属型铸造用的模具便宜得多，在小批量及大件生产中，价格优势尤为突出。 2、金属型铸造 采用金属型铸造时，必须综合考虑下列各因素： 制造周期长、成本高，不适合单件、小批生产；不适宜铸造形状复杂（尤其是内腔）、薄壁和大型铸件（金属型的模具受模具材料尺寸和型腔加工设备、铸造设备能力的限制，所以金属型不适合于特别大的铸件生产）模具费比砂型贵，比压铸便宜 3、重力铸造 广泛用于各种有色铸件的生产，但金属型铸造也存在金属利用率低、薄壁复杂铸件浇注困难、铸件组织密度相对压力铸造较低等缺点。 4、高压铸造 因为金属液在高压、高速下充填型腔的过程中，不可避免地把型腔中的空气夹裹在铸件内部，形成皮下气孔，所以铝合金压铸件不宜热处理，锌合金压铸件不宜表面喷塑（但可喷漆）。否则，铸件内部气孔在作上述处理加热时，将遇热膨胀而致使铸件变形或鼓泡。 压铸件的机械切削加工余量也应取得小一些，一般在0.5mm左右，既可减轻铸件重量、减少切削加工量以降低成本，又可避免穿透表面致密层，露出皮下气孔，造成工件报废。 由于压铸件件内部疏松，塑性、韧性差，不适合于制造承受冲击载荷件。铸件壁厚均匀，并以3~4mm薄壁铸件为宜，最大壁厚应小于6~8mm，以防止缩孔等缺陷。避免机加，以防止内部孔洞外露。 5、低压铸造 金属液在压力作用下充型，可以提高金属液的流动性，铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形更为有利； 铸件在压力作用下结晶凝固，并能得到充分地补缩，故铸件组织致密，机械性能高； 提高了金属液的工艺收得率，一般情况下不需要冒口，使金属液的收得率大大提高，收得率一般可达90％。 劳动条件好；生产效率高，易实现机械化和自动化，也是低压铸造的突出优点。 低压铸造对合金牌号的适用范围较宽，基本上可用于各种铸造合金。不仅用于铸造有色合金，而且可用于铸铁、铸钢。特别是对于易氧化的有色合金，更显示它的优越性能，即能有效地防止金属液在浇注过程中产生氧化夹渣。 低压铸造对铸型材料没有特殊要求 参考文献 [1] 张保林. 金属型铸造研究. 2009.04.28 [2] 崔青然. 金属型铸造及其耐磨、耐蚀性能. 2007.06.17 [3] 刘江，彭晓东等. 金属型铸造研究现状. 重庆大学学报. 2003.10. 第26卷第10期 [4] 张保林. 金属型铸造工艺研究. 2009.04.28 [5] 钟蓉，从洪涛，成会明等. 单壁纳米碳管增强纳米铝基复合材料的制备，材料研究学报. 2002,16（4）：344-348 [6] An J W,You D H，Lim D S. Tribological properties of hot—pressedalumina--CNT composites. Wear,2003，255(1)：677-681 [7] Kuzumaki T,Miyazawa K，Ichinose H，et a1．Processing of carbon nanotube reinforced aluminum composite，J．Mater．Res．1 998，13(9)：2445-2449 [8] Xu C L，Wei B Q，Ma R Z，et a1．Fabrication of aluminum．carbon nanotube composites and their electrical properties，Carbon，1999，37(5)：855-858 [9] Zhou S M，Zhang XB，Ding Z只et a1．Fabrication and tribological properties of carbon nanotubes reinforced AI composites prepared by pressureless infiltration technique，Compos．Part A，2007，38(2)：301-306 [10]George R，Kashyap K T’Rahul R，et a1. Strengthing in carbon nanotube/aluminium(CNTs/A1)composites，Scri．Mater．2005，53(1 0)：1159一1163 [11] Ruoff R S ,Lorents D C,Meehanical and thermal properties of carbon nanotube reinforced aluminum composite,J.Mater.Res. 1998,13(9):2445-2449 [12] 陈洪美，于化顺，张静，等．原位反应法制备A1203一TiC／Al复合材料[J]．特种铸造及有色合金，2006，26(10)：674．676． [13] 朱和国，王恒志，党熊生，等.XD反应合成A13Ti，a．A1203和TiB2／Al复合材料的界面结构[J].中国有色金属学报，2006，1 6(4)：586．591 [14] 张发云，闫洪，周天瑞，等. 金属复合材料制备工艺的研究进展[J]. 锻压技术，2006，32(6)：100-105 [15] H．Arik et a1．DU slider wear behaVior of in situ Al-A14C3 metal max composite produced by mechanical alloying tecllllique[J]．Materialsd Desi 2006，27：799． [16] Q．D．Qin et a1．Dsliding wear behaVior of M＆S l composites against automobile ction material[j]. wear(2007), DOI: 10．101．We．2007．05．008(in press)． [17] Chu H S, Liu K S. An in situ composite of Al produced by reciprocating extrusion[J]. Mater Sci Eng．，2000，A277：25—32． [18] 袁运站，朱和国. 内生型铝基复合材料合成工艺的发展现状[J]. 上海有色金属，2006，27(3)：37—42． [19] 陈东，乐永康，白亮，等.  TiB2原位／7055铝基复合材料的力学性能与阻尼性能[J]. 功能材料，2001，15(3)：1599-1602． [20] 孙旭炜，曾苏民，陈志谦等. 制备工艺对铝基复合材料增强体颗粒分布均匀性的影响53[J]. 材料工程，2006，27(9)：27-31． [21] 郑梦，赵玉涛等. 超声化学原位合成纳米Al2O3增强铝基复合材料的微观组织与力学行为. 2011.09. 《热加工工艺》2011年第40卷第18期 [22] 袁运站. A1一Zr02、Al—Zr02-C系铝基复合材料的制备、反应机理及性能[D]：[工学硕士学位论文]. 南京：南京理工大学，2007 [23] 黄平，孟永钢，徐华．摩擦学教程[M]. 北京：高等教育出版社，2008 [24] 金云学，Lee J M，Kang S B．热处理工艺A356／SiCq性能及干滑动摩擦磨损特性的影响[J]. 中国有色金属学报，2008，18(8)：1458．1465 [25] Das S，Siddhartha D，Karabi D．Abrasive wear of zircon sand and alumina reinforced-4.5wt％ClI alloymatrix composites-A eomparative study[J]．Sci and Technol，2007，67：746-751 [26] Ozdemir O，Zeytin S，Bindal C．Tribologieal properties of NiAl produced by pressure-assited combustion synthesis[J]．Wear,2008，265：979-985 [27] Zhang S Y，Wang F P．Comparison of friction and weal"performances ofbrake material dry sliding against two aluminum matrix composites reinforced with different SiC particles[J]．Mater Processing Technol，2007，182：122—127 [28] 刘正林．摩擦学原理[M]．北京：高等教育出版社，2009 [29] Hesabi Z R,Simchi A,Reihani S M S,Structural evolution during mechanical milling of nanometric and micrometric A12O3 reinforced A1 matrix composites,Mater.Sci.Eng.A,2006,428(1-2):159-168. [30]  Morteza E,Joel R,Nasser A,Preparation of aluminum/silicon carbide metal Matrix composites using centrifugal atomization,Powder Tech. 2008,184(1):11~20 [31] 李海鹏. 金属型铸造的组织与性能. 2008.09.01