《特种铸造》课件.ppt
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1、特种铸造 最好的沉淀,本课程学习的主要目的和要求,本课程学习的主要目的: 以砂型铸造对铸件成型的规律为基础,运用所学过的基础课和技术基础课的知识,对各种特种铸造方法中由于铸型材料、浇注方法、金属充填铸型情况或铸件凝固条件的变化所引起的铸件成型特点进行系统的分析,并对每种铸造方法中的工艺原理进行详尽的阐述。本课程还对一些重要工艺装备的设计原则,主要设备的工作原理以及某些铸件的典型工艺作了必要的叙述。 本课程学习的主要要求: 学生通过本课程的学习,应基本掌握每种铸造方法的实质,了解每种铸造工艺的全过程和每一工序的作用;充分理解促使每种铸造方法之所以成为特种铸造工艺的起决定作用的工艺因素;并学会从它
2、起决定性作用的因素出发,分析和理解铸件的成型特点,对铸件成型过程中所出现的问题进行研究并提出合理的解决途径。能基本正确地对各种类型的铸件选择合理的铸造方法和制定出相应的工艺方案。,本课程教学内容,本课程的学习提示! 学时安排 总计 40 课堂教学38 实验教学2 学习方法 课堂教学与实验教学相结合,辅之以自学。 推荐参考教材 教材: 曾昭昭特 种 铸 造(第一版) 浙江大学出版社1990 教学参考书: 特种铸造工艺 机械工业出版社 林柏年特种铸造.浙江大学出版社.2004,绪论,一、特种铸造方法 铸造是指将液态材料注入与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中,冷却凝固后获得毛坯或零件的方法。,砂型铸
3、造 :就是将液态金属浇入砂型的铸造法 。,以型砂为材料制备铸型的铸造方法叫砂型铸造。砂型铸造是铸造生产中应用最广泛的一种方法,世界各国用砂型铸造生产的铸件约占铸件总产量的80-90%。,砂型铸造工艺特点,(1)适应性广。适应铸铁,碳钢,有色金属等材料;铸件大小,形状和重量几乎不受限制;壁厚1mm到1m ,质量零点几克到数百吨(三峡的水轮机叶轮重达430T)。 (2)可复杂成形。适合形状复杂,尤其是有复杂内腔的毛坯或零件。 (3)成本较低。可直接利用成本低廉的废机件和切屑,设备费用较低;在金属切削机床中,铸件占机床总重量75%以上,而生产成本仅占15-30% (4)但也存在一些不足,如组织缺陷,
4、力学性能偏低,质量不稳定,工作环境较差。因此,铸件多数做为毛坯用。组织疏松、晶粒粗大,铸件内部常有缩孔、缩松、气孔等缺陷产生,导致铸件力学性能,特别是冲击性能较低.(发展了铸锻联合工艺) 污染环境。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染,比起其他机械制造工艺来更为严重,需要采取措施进行控制。(特种铸造工艺),在铸型材料、制型方法、金属液充型形式和金属在型中凝固条件等方面与砂型铸造有显著差别的铸造方法,人们统称为特种铸造方法。即有别于砂型铸造的其他铸造方法,称为特种铸造。 常见的铸造方法有:,特种铸造,为获得高质量、高精度的铸件,提高生产率,人们在砂型铸造的基础上,创造了多种其它的铸造方
5、法;通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。,1、熔模铸造(Fusible Pattern Molding ),熔模铸造:是用易熔材料制成模样,造型之后将模样熔化,排出型外,从而获得无分型面的型腔,又称“失蜡铸造” 。 其主要工艺过程:为制熔模用涂挂涂料、撒砂法在熔模组件表面上制造型壳加热,将包在型壳中的熔模熔解、流走对空心型壳进行高温焙烧往型壳中浇注金属液将铸件外面的型壳除去后,对铸件进行后处理。 此法的工艺特点为: (1)制型时用粉状耐火颗粒与耐高温粘结剂配成的涂料形成型腔表面,故铸件表面光洁,线条清晰; (2)制型时熔去模样,形成型腔,故型腔尺寸精确; (3)热型浇注,故金
6、属能较好复制型腔形状。,图1 熔模铸造流程图,图2 熔模铸造过程示意图,金属型铸造又称硬模铸造,是将液体金属浇入金属铸型,在重力作用下充填铸型,以获得铸件的铸方法。,2、金属型铸造(Permanent Mold Casting ),压力铸造(简称压铸)的实质是在高压作用下,使液态或半液态金属以较高的速度充填金属型型腔,并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。高压和高速充填压铸型是压铸的两大特点。它常用的压射比压是从几千至几万kPa,甚至高达2105kPa。充填速度约在1050ms,有些时候甚至 可达100ms以上。充填时间很短,一般在0.010.2s范围。 压铸过程主要由压铸机来实现。 压铸机分
7、热压室式和冷压室式两类。,3、压力铸造(Pressure Die Casting ),4、低压铸造(Low Pressure Die Casting),低压铸造是介于重力铸造(如砂型铸造,金属型铸造)和压力铸造之间的一种铸造方法.在低的压力驱赶下,金属液从型腔下部顺序向上充填铸型,并在下部压力和周围大气条件下进行铸件凝固的。,5、离心铸造(Centrifugal Casting),离心铸造是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中,使其在离心力作用下填充铸型并结晶,从而获得铸件的方法。,离心铸造工艺过程:,续上页,6、陶瓷型铸造(Ceramic Mold Casting),陶瓷型铸造是以陶瓷作为铸型材料
8、的一种铸造方法. 1,基本工艺过程 (1) 砂套造型 (2) 灌浆与胶结 (3) 起模与喷烧 (4) 烘烧与合箱 (5) 浇注,7、真空吸铸(Vacuum Suction),在结晶器或铸型内建立真空,把金属液由下而上地吸入型腔进行凝固的铸造法。,8、连续铸造(Continuous Casting),在水冷薄壁金属型(结晶器)的一端连续地注入金属液,在结晶器的另一端连续地拉出铸件的铸造方法。,9、挤压铸造(Squeeze Casting),把液态(或液! 固态)金属注入开启的铸型中,当两个半型相合时,对型内金属液施加较高的压力充填型腔,使铸件凝固成形的铸造方法。,挤压铸造,10、石膏型铸造(Pl
9、aster Mold Casting),用以石膏成分为主的浆料替代陶瓷型所用涂料造型,造型过程与陶瓷型铸造相似。有时用熔模造石膏型,此种方法称石膏型熔模铸造。,11、消失模铸造(Evaporative Pattern Casting -EPC),用聚苯乙烯泡沫塑料制成模样,模样外面涂覆耐火涂料层,将涂覆好的模样埋入砂中后,往模样上浇注金属液,模样受热气化逸走,留下空间由金属液充填,最后凝固成形。如把涂覆好的模样埋入铁(钢)丸中,并用磁场固定铁(钢)丸,进行浇注,则称磁型铸造。也可将泡沫塑料模埋入砂型中造型浇注,又称实型铸造。故又可把凡用泡沫塑料模造型,不起模直接浇注的方法统称消失模铸造。,19
10、58年,美国的H.F.shroyer发明了用可发性泡沫塑料模样制造金属铸件的专利技术并取得了专利(专利号USP2830343)。最初所用的模样是采用聚苯乙烯(EPS)板材加工制成的.采用粘土砂造型,用来生产艺术品铸件。采用这种方法,造型后泡沫塑料模样不必起出,而是在浇入液态金属后聚苯乙烯在高温下分子裂解而让出空间充满金属液,凝固后形成铸件。 1961年德国的Grunzweig和Harrtmann公司购买了这一专利技术加以开发,并在1962年在工业上得到应用。采用无粘结剂干砂生产铸件的技术由德国的H.Nellen和美国的T.R.Smith于1964年申请了专利。由于无粘结剂的干砂在浇注过程中经常
11、发生坍塌的现象,所以1967年德国的A.Wittemoser采用了可以被磁化的铁丸来代替硅砂作为造型材料,用磁力场作为“粘结剂”。这就是所谓“磁型铸造”。 1971年,日本的Nagano发明了V法(真空铸造法),受此启发,今天的消失模铸造在很多地方也采用抽真空的办法来固定型砂。在1980年以前使用无粘结剂的干砂工艺必须得到美国实型铸造工艺公司(Full Mold Process,Inc)的批准。在此以后,该专利就无效了。因此,近20年来消失模铸造技术在全世界范围内得到了迅速的发展。,6.实型(磁性)铸造,聚笨乙烯泡沫塑料模,12、石墨型铸造(Graphite Mold Casting),用石墨
12、作为铸型材料,在单纯重力作用下进行浇注和铸件静态凝固的铸造方法。,13、流变铸造(Rheocasting),半固态的金属经搅拌破碎枝晶后用压力铸造成形的铸造方法。,14、触变铸造(Thixomolding),半固态的金属经搅拌破碎枝晶后浇成小的铸锭,然后将铸锭加热至固、液相线间温度,进行压力铸造的方法。,常用铸造方法的比较,表,采用上述特种铸造方法成形的铸件与砂型铸造比较,具有如下优点: 1.普遍具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度。 2.铸件的机械性能、内部质量较好。 3.降低了金属消耗和铸件的废品率。 4.在生产一些结构特殊的铸件时,具有较好的技术经济效果。 5.制型时不用砂或少用砂,降低
13、了材料消耗,简化工艺,便于实现生产过程的机械化、自动化。 6.改善劳动条件,提高劳动生产率。 铸造界常把熔模铸造称为精密铸造,近年来不少文献又把压力铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、石膏型铸造也归入精密铸造法。,存在的缺点:,每种铸造方法都有自身的特点,如:压铸生产有色铸件效果好,而在生产黑色金属时,压铸型寿命很低,困难较大;连续铸造法只适于生产断面形状简单,且断面形状在铸件长度方向不变化的铸件,如铸锭、管子等。 生产准备工作量大,需要做复杂的工艺装备,需采用专用的机械设备。 只适于成批或大量生产。,二、铸造方法的发展特点,铸造方法发展的共同性规律: 1.每种铸造方法都是在原有铸造方法的基础上,通
14、过改变某一工艺因素或突出某一工艺因素的作用下而形成的。 2.每种新铸造方法的发展也是应用其它学科技术的新成就的结果。 3.每种新铸造方法都只有适应工业生产和社会建设的需要的情况下才能获得发展。,概述,第一章 熔模铸造,1.1熔模的制造 1.2型壳的制造 1.3熔模铸件的浇注和清理 1.4熔模铸件的工艺设计 1.5压型的结构与制造,概述:,1.定义 熔模铸造又称失蜡铸造,用易熔材料如蜡料制成模样,在模样上包覆若干层耐火涂料,制成型壳,熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法。,材料与人类文明,人类的文明进程是依据什么而划分的?,材料应用的发展是人类发展的里程碑: 石器时代、铜器时代、铁器时代。 发
15、展得越来越快。,中国古代三大铸造技术,在我国古代金属加工工艺中,铸造占着突出的地位,具有广泛的社会影响,像“模范”、“陶冶”、“熔铸”、“就范”等习语,就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践,创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模铸造最重要,称古代三大铸造技术。 泥范铸造我国自新石器晚期,就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器,有锻打成形的,也有熔铸成形的,说明范铸技术在我国源远流长,很早就发展起来。 熔模铸造传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造,无论在所用蜡料、制模、造型材料、工
16、艺方法等方面,都有很大不同。但是,它们的工艺原理是一致的,并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。,4,500 BC1,000 BC青铜时代(Bronze Age),从矿石中提炼铜冶金业的黎明,这张埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一,to ti,司母戊鼎,湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑,现代熔模铸造的应用,2.特点: 1.铸件的精度高,表面粗糙度低(IT1210、Ra12.51.6m) 2.可铸出形状复杂的薄壁铸件,如铸件上的凹槽(宽0.3mm),小孔( 0.5mm)均可直接铸出。 3.铸件合金种类不受限制,钢、铸铁和有色合金均可。 4.生产工序复杂,生产周期长。 5.原材料价格贵,
17、铸件成本高。 6.铸件不能太大、太长,否则蜡模易变形。,熔模铸造是一种少无切削的先进的精密铸造工艺。它最适合25kg以下的高熔点、难以切削加工合金铸件的成批大量生产,广泛应用于航天、飞机、汽轮机、燃汽轮机叶片、泵轮、复杂刀具、汽车、拖拉机和机床上的小型铸件生产。已成为少或无切削加工中最重要的工艺方法。,3. 应用,4.熔模铸造的工艺过程,脱模,制造母模,制造压型,压制蜡模,焙烧,结壳,组成蜡模组,铸件清理,浇注,1.1熔模的制造,熔模是用来形成耐火型壳中型腔的模型,它的尺寸精度和表面光洁度直接影响铸件的尺寸精度和表面光洁度。因此,必须制得高质量的熔模,这就设计到选择合适的模料、好的压型、合理的
18、制模工艺。,一、模料,1.对模料性能的要求 (1)熔点要适中,一般60100。 (2)流动性要好。 (3)软化点要高。 (4)收缩率小且稳定。 (5)强度和表面硬度要高。 (6)可焊性好且焊接强度高。 (7)涂挂性要好。 (8)灼烧后灰分小。 此外,还要求模料的密度小,回收方便,复用性好,无公害,来源丰富,价格低廉。,二、模料的种类、组成和性能,根据模料的熔点分为: 高温模料 熔点120 中温模料 60熔点120 低温模料 熔点60 根据模料主要组成分为: 蜡基模料 松香基模料 其它模料,一.模料原材料的分类,通常按化学结构分为: 石蜡:n1736 烷烃:CnH2n2 地蜡:n3753 硬脂酸
19、(C17H35COOH) 脂肪族化合物 脂肪酸:RCOOH 精制褐煤蜡 川蜡:C25H51COOC26H53 酯:RCOOR蜂蜡:C15H31COOC30H61 棕榈蜡:C25H31COOC30H61 松香:C20H30O 脂环族化合物 聚合松香 改性松香 424树脂 聚乙烯: -CH2CH2-n低分子聚乙烯n=3000-5000 高分子聚乙烯n600000 热塑性高聚物 EVA乙烯-醋酸乙烯酯共聚物 聚苯乙烯(CH2CHC6H5)n 本体聚合 乳液聚合,松香:C20H30O的结构式为,EVA乙烯-醋酸乙烯酯共聚物,二.模料原材料的化学结构与性能,蜡的组成 蜡的物态变化及其膨胀和收缩的特点 原
20、材料的熔点、热稳定性、强度、收缩率、粘度 原材料的结晶性 原材料的互溶性 原材料的化学性能,蜡的组成,蜡:是一种由直链碳氢化合物和含氧碳氢化合物组成的复杂混合物。 一般来说,蜡由十几个至七十个碳氢单元的分子链组成,蜡的物态变化及其膨胀和收缩的特点,原材料的熔点、热稳定性、强度、收缩率、粘度,原材料的物理性能主要与分子链的长短、形式及分子极性有关。 1.分子链越长,分子间的引力愈大。 原材料的熔点、软化点、强度、硬度、粘度、收缩率增高。 2.直链分子中有支链时,降低分子间的作用力。 原材料的熔点、软化点、强度、硬度、收缩率降低,粘度增大 。 环链结构分子间作用力比直链的强 。 原材料的熔点、强度
21、高,收缩率较小,粘度大,性硬脆。 3.分子中存在极性基团时,增强分子间作用力。 原材料的熔点、软化点、强度、硬度、粘度增大、收缩率减小。,原材料的结晶性,定义:指它在凝固时是否呈晶形排列,是否有晶粒长大的可能性。 蜡的结晶能力取决于其分子结构和化学组成 1)分子结构越简单、越规则,蜡越易结晶。 2)具有极性基团的分子易于结晶。 3)分子链链节的柔顺性越好,蜡酸结晶能力越强。 4)蜡的化学组成愈纯,其结晶性越强,晶粒较粗大。,原材料的互溶性,定义:指熔融状态的两种或两种以上组元之间,固体组元在熔体中能互相溶解的性质。 有相似相溶的原则,互溶性与分子结构有关 1.分子结构相似的材料之间互溶性良好。
22、 2.分子结构相似而分子量差别大的两种材料可一定程度互溶。 3.分子结构和分子量差异大的物质不互相溶解 4.具有支链的高聚物比无支链的高聚物与其它物质间的互溶性好。,原材料的化学性能,直链饱和碳氢化合物,化学性质稳定。 具有极性基团和双键的有机化合物的化学活性大。 1.烷烃蜡化学性质稳定。 2.酸蜡液态时有明显的酸性,易发生置换反应、中和反应。 3.酯蜡的分子极性较小,其化学性质在常温下较稳定。 4.松香分子结构中存在双键,可进行氧化、加成和聚合反应 模料的老化或变质(树脂化):模料在长时间过热条件下,都会不同程度的发生氧化或热解,即分子中的碳链发生分裂,生成分子量较小的烃类化合物和分子链较长
23、的不饱和化合物,这种化合物不稳定,能互相聚合成更大的分子,大分子又能分裂和聚合,最后形成含碳量很高的化合物。,三.模料中主要原材料的性能特点,1.蜡类的性能特点: 烷烃蜡:熔点较低,化学稳定性好,流动性好,具有良好的塑性;热稳定性不高,强度和硬度较低,收缩率较大,涂挂性较差,容易结晶。 酸蜡:热稳定性,强度和硬度都比烷烃蜡高,收缩率较小。由于酸蜡分子中带有极性基,故对涂料的润湿性好,而化学稳定性差,比烷烃蜡更易结晶。模料中添加酸蜡可提高模料的热稳定性、强度和硬度,改善涂挂性。 酯蜡:热稳定性、强度和硬度较高,收缩率较小。由于酯蜡分子带有极性基,故对涂料的润湿性较好,而化学稳定性差,比酸蜡更易裂
24、解。另一方面,分子链的柔顺性使酯蜡具有较强的结晶能力以及良好的熔融流动性。在蜡基模料中添加一定量的酯蜡能显著改善模料的性能。,2.松香类的性能特点: 普通松香、聚合松香和改性松香的 共同优点:是它们都是非晶型物质,收缩率极小,强度和硬度高,涂挂性好。 共同缺点:是粘度大,流动性很差,性脆。普通松香热稳定性和化学稳定性差,而聚合松香和改性松香在这两方面都较好,但改性松香和蜡的互溶性不好。添加这三种松香可降低模料的收缩率,增高强度和硬度。,3.热塑性高聚物的性能特点: 高分子聚乙烯用作模料时强度极高,热稳定性很好,韧性也好,但其熔点太高,流动性极差,收缩率很大。在较高温度下可溶于石蜡及地蜡,但与松
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