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铸造工艺详细分析
来源:未知发布时间:2018-11-01 14:43

应用铸造有关理 论和系统知识生产铸件的技术和方法。包括造型材料制备、造型、制芯、金属熔炼、浇注和凝固控制等。

铸造是 将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内,经冷却 凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程。铸造是 常用的制造方法,
优点是:制造成本低,工艺灵活性大,可以获 得复杂形状和大型的铸件,在机械 制造中占有很大的比重,如机床占60~80%,汽车占25%,拖拉机占50~60%。
铸造是 一种古老的制造方法,在我国可以追溯到6000年前。随着工业技术的发展,铸大型 铸件的质量直接影响着产品的质量,因此,铸造在 机械制造业中占有重要的地位。铸造技 术的发展也很迅速,特别是19世纪末和20世纪上半叶,出现了 很多的新的铸造方法,如低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等,在20世纪下 半叶得到完善和实用化。
由于现今对铸造质量、铸造精度、铸造成 本和铸造自动化等要求的提高,铸造技术向着精密化、大型化、高质量、自动化 和清洁化的方向发展,例如我 国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自 动化和铸造成型模拟技术等方面发展迅速.
铸造主 要工艺过程包括:金属熔炼、模型制造、浇注凝 固和脱模清理等。铸造用 的主要材料是铸钢、铸铁、铸造有色合金(铜、铝、锌、铅等)等。
简介
铸造工 艺可分为重力铸造、压力铸造和砂型铸造。
铸造方 法常用的是砂型铸造,其次是特种铸造方法,如:金属型铸造、熔模铸造、石膏型铸造等。而砂型 铸造又可以分为粘土砂型铸造、有机粘结剂砂型铸造、树脂自硬砂型铸造、消失模铸造等等。
重力铸造
重力铸 造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺,也称浇铸。广义
压力铸造
压力铸 造是指金属液在其他外力(不含重力)的作用 下注入铸型的工艺。广义的 压力铸造包括压铸机的压力铸造和真空铸造、低压铸造、离心铸造等;窄义的 压力铸造专指压铸机的金属型压力铸造,简称压铸。这几种 铸造工艺是目前有色金属铸造中最常用的、也是相对价格最低的。
砂型铸造
砂型铸 造是一种以砂作为主要造型材料,制作铸 型的传统铸造工艺。
砂型一 般采用重力铸造,有特殊 要求时也可采用低压铸造、离心铸造等工艺。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。砂型铸造用的模具,以前多用木材制作,通称木模。木模缺点是易变形、易损坏;除单件 生产的砂型铸件外,可以使 用尺寸精度较高,并且使 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。此外,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。但是,砂型铸 造也有一些不足之处:因为每 个砂质铸型只能浇注一次,获得铸 件后铸型即损坏,必须重新造型,所以砂 型铸造的生产效率较低;又因为 砂的整体性质软而多孔,所以砂 型铸造的铸件尺寸精度较低,表面也较粗糙。的重力 铸造包括砂型浇铸、金属型浇铸、熔模铸造,泥模铸造等;窄义的 重力铸造专指金属型浇铸。
金属型铸造
金属型 铸造是用耐热合金钢制作铸造用中空铸型模具的现代工艺。
金属型 既可采用重力铸造,也可采用压力铸造。金属型 的铸型模具能反复多次使用,每浇注一次金属液,就获得一次铸件,寿命很长,生产效率很高。金属型 的铸件不但尺寸精度好,表面光洁,而且在 浇注相同金属液的情况下,其铸件 强度要比砂型的更高,更不容易损坏。因此,在大批 量生产有色金属的中、小铸件时,只要铸 件材料的熔点不过高,一般都 优先选用金属型铸造。但是,金属型 铸造也有一些不足之处:因为耐 热合金钢和在它上面做出中空型腔的加工都比较昂贵,所以金 属型的模具费用不菲,不过总 体和压铸模具费用比起来则便宜多了。对小批量生产而言,分摊到 每件产品上的模具费用明显过高,一般不易接受。又因为 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,所以对 特别大的铸件也显得无能为力。因而在小批 量及大件生产中,很少使用金属型铸造。此外,金属型 模具虽然采用了耐热合金钢,但耐热能力仍有限,一般多用于铝合金、锌合金、镁合金的铸造,在铜合 金铸造中已较少应用,而用于 黑色金属铸造就更少了。
压铸
压铸是 在压铸机上进行的金属型压力铸造,是目前 生产效率最高的铸造工艺。
压铸机 分为热室压铸机和冷室压铸机两类。热室压 铸机自动化程度高,材料损耗少,生产效 率比冷室压铸机更高,但受机 件耐热能力的制约,目前还 只能用于锌合金、镁合金 等低熔点材料的铸件生产。当今广 泛使用的铝合金压铸件,由于熔点较高,只能在 冷室压铸机上生产。压铸的 主要特点是金属液在高压、高速下充填型腔,并在高压下成形、凝固,压铸件的不足之处是: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 部气孔在做上述处理加热时,将遇热 膨胀而致使铸件变形或鼓泡。此外,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。
熔模铸造
失蜡法 铸造现称熔模精密铸造,是一种 少切削或无切削的铸造工艺,是铸造 行业中的一项优异的工艺技术,其应用非常广泛。它不仅 适用于各种类型、各种合金的铸造,而且生 产出的铸件尺寸精度、表面质 量比其它铸造方法要高,甚至其 它铸造方法难于铸得的复杂、耐高温、不易于加工的铸件,均可采 用熔模精密铸造铸得。
熔模精 密铸造是在古代蜡模铸造的基础上发展起来的。作为文明古国,中国是 使用这一技术较早的国家之一,远在公元前数百年,我国古 代劳动人民就创造了这种失蜡铸造技术,用来铸 造带有各种精细花纹和文字的钟鼎及器皿等制品,如春秋 时的曾侯乙墓尊盘等。曾侯乙 墓尊盘底座为多条相互缠绕的龙,它们首尾相连,上下交错,形成中 间镂空的多层云纹状图案,这些图 案用普通铸造工艺很难制造出来,而用失蜡法铸造工艺,可以利 用石蜡没有强度、易于雕刻的特点,用普通 工具就可以雕刻出与所要得到的曾侯乙墓尊盘一样的石蜡材质的工艺品,然后再附加浇注系统,涂料、脱蜡、浇注,就可以 得到精美的曾侯乙墓尊盘。
现代熔 模铸造方法在工业生产中得到实际应用是在二十世纪四十年代。当时航 空喷气发动机的发展,要求制造象叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂,尺寸精 确以及表面光洁的耐热合金零件。由于耐 热合金材料难于机械加工,零件形状复杂,以致不 能或难于用其它方法制造,因此,需要寻 找一种新的精密的成型工艺,于是借 鉴古代流传下来的失蜡铸造,经过对 材料和工艺的改进,现代熔 模铸造方法在古代工艺的基础上获得重要的发展。所以,航空工 业的发展推动了熔模铸造的应用,而熔模 铸造的不断改进和完善,也为航 空工业进一步提高性能创造了有利的条件。
我国是于上世纪五、六十年 代开始将熔模铸造应用于工业生产。其后这 种先进的铸造工艺得到巨大的发展,相继在航空、汽车、机床、船舶、内燃机、气轮机、电讯仪器、武器、医疗器 械以及刀具等制造工业中被广泛采用,同时也 用于工艺美术品的制造。
所谓熔模铸造工艺,简单说 就是用易熔材料(例如蜡料或塑料)制成可熔性模型(简称熔模或模型),在其上 涂覆若干层特制的耐火涂料,经过干 燥和硬化形成一个整体型壳后,再用蒸 汽或热水从型壳中熔掉模型,然后把 型壳置于砂箱中,在其四 周填充干砂造型,最后将 铸型放入焙烧炉中经过高温焙烧(如采用高强度型壳时,可不必 造型而将脱模后的型壳直接焙烧),铸型或型壳经焙烧后,于其中 浇注熔融金属而得到铸件。
熔模铸 件尺寸精度较高,一般可达CT4-6(砂型铸造为CT10~13,压铸为CT5~7),当然由 于熔模铸造的工艺过程复杂,影响铸 件尺寸精度的因素较多,例如模料的收缩、熔模的变形、型壳在 加热和冷却过程中的线量变化、合金的 收缩率以及在凝固过程中铸件的变形等,所以普 通熔模铸件的尺寸精度虽然较高,但其一致性仍需提高(采用中、高温蜡 料的铸件尺寸一致性要提高很多)。
压制熔模时,采用型 腔表面光洁度高的压型,因此,熔模的 表面光洁度也比较高。此外,型壳由 耐高温的特殊粘结剂和耐火材料配制成的耐火涂料涂挂在熔模上而制成,与熔融 金属直接接触的型腔内表面光洁度高。所以,熔模铸 件的表面光洁度比一般铸造件的高,一般可达Ra.1.6~3.2μm.
熔模铸 造最大的优点就是由于熔模铸件有着很高的尺寸精度和表面光洁度,所以可 减少机械加工工作,只是在 零件上要求较高的部位留少许加工余量即可,甚至某 些铸件只留打磨、抛光余量,不必机 械加工即可使用。由此可见,采用熔 模铸造方法可大量节省机床设备和加工工时,大幅度 节约金属原材料。
熔模铸 造方法的另一优点是,它可以 铸造各种合金的复杂的铸件,特别可 以铸造高温合金铸件。如喷气 式发动机的叶片,其流线 型外廓与冷却用内腔,用机械 加工工艺几乎无法形成。用熔模 铸造工艺生产不仅可以做到批量生产,保证了铸件的一致性,而且避 免了机械加工后残留刀纹的应力集中。
消失模铸造
消失模铸造技术(EPC或LFC)是用泡 沫塑料制作成与零件结构和尺寸完全一样的实型模具,经浸涂耐火粘结涂料,烘干后进行干砂造型,振动紧实,然后浇 入金属液使模样受热气化消失,而得到 与模样形状一致的金属零件的铸造方法。消失模 铸造是一种近无余量、精确成形的新技术,它不需要合箱取模,使用无 粘结剂的干砂造型,减少了污染,被认为是21世纪最 可能实现绿色铸造的工艺技术。
消失模 铸造技术主要有以下几种:
1、压力消失模铸造技术
压力消 失模铸造技术是消失模铸造技术与压力凝固结晶技术相结合的铸造新技术,它是在 带砂箱的压力灌中,浇注金 属液使泡沫塑料气化消失后,迅速密封压力灌,并通入 一定压力的气体,使金属 液在压力下凝固结晶成型的铸造方法。这种铸 造技术的特点是能够显著减少铸件中的缩孔、缩松、气孔等铸造缺陷,提高铸件致密度,改善铸件力学性能。
2、真空低 压消失模铸造技术
真空低 压消失模铸造技术是将负压消失模铸造方法和低压反重力浇注方法复合而发展的一种新铸造技术。真空低 压消失模铸造技术的特点是:综合了 低压铸造与真空消失模铸造的技术优势,在可控 的气压下完成充型过程,大大提 高了合金的铸造充型能力;与压铸相比,设备投资小、铸件成本低、铸件可热处理强化;而与砂型铸造相比,铸件的精度高、表面粗糙度小、生产率高、性能好;反重力作用下,直浇口 成为补缩短通道,浇注温度的损失小,液态合 金在可控的压力下进行补缩凝固,合金铸 件的浇注系统简单有效、成品率高、组织致密;真空低 压消失模铸造的浇注温度低,适合于多种有色合金。
3、振动消失模铸造技术
振动消 失模铸造技术是在消失模铸造过程中施加一定频率和振幅的振动,使铸件 在振动场的作用下凝固,由于消 失模铸造凝固过程中对金属溶液施加了一定时间振动,振动力 使液相与固相间产生相对运动,而使枝晶破碎,增加液相内结晶核心,使铸件 最终凝固组织细化、补缩提高,力学性能改善。该技术 利用消失模铸造中现成的紧实振动台,通过振 动电机产生的机械振动,使金属 液在动力激励下生核,达到细化组织的目的,是一种操作简便、成本低廉、无环境污染的方法。
4、半固态 消失模铸造技术
半固态 消失模铸造技术是消失模铸造技术与半固态技术相结合的新铸造技术,由于该 工艺的特点在于控制液固相的相对比例,也称转 变控制半固态成形。该技术 可以提高铸件致密度、减少偏析、提高尺 寸精度和铸件性能。
5、消失模壳型铸造技术
消失模 壳型铸造技术是熔模铸造技术与消失模铸造结合起来的新型铸造方法。该方法 是将用发泡模具制作的与零件形状一样的泡沫塑料模样表面涂上数层耐火材料,待其硬化干燥后,将其中 的泡沫塑料模样燃烧气化消失而制成型壳,经过焙烧,然后进行浇注,而获得 较高尺寸精度铸件的一种新型精密铸造方法。它具有 消失模铸造中的模样尺寸大、精密度高的特点,又有熔 模精密铸造中结壳精度、强度等优点。与普通熔模铸造相比,其特点 是泡沫塑料模料成本低廉,模样粘接组合方便,气化消失容易,克服了 熔模铸造模料容易软化而引起的熔模变形的问题,可以生 产较大尺寸的各种合金复杂铸件
6、消失模悬浮铸造技术。
消失模 悬浮铸造技术是消失模铸造工艺与悬浮铸造结合起来的一种新型实用铸造技术。该技术 工艺过程是金属液浇入铸型后,泡沫塑料模样气化,夹杂在 冒口模型的悬浮剂(或将悬 浮剂放置在模样某特定位置,或将悬浮剂与EPS一起制成泡沫模样)与金属 液发生物化反应从而提高铸件整体(或部分)组织性能。
由于消 失模铸造技术成本低、精度高、设计灵活、清洁环保、适合复杂铸件等特点,符合新 世纪铸造技术发展的总趋势,有着广阔的发展前景。
细晶铸造
细晶铸造技术或工艺(FGCP)的原理 是通过控制普通熔模铸造工艺,强化合金的形核机制,在铸造 过程中使合金形成大量结晶核心,并阻止晶粒长大,从而获 得平均晶粒尺寸小于1.6mm的均匀、细小、各向同 性的等轴晶铸件,较典型 的细晶铸件晶粒度为美国标准ASTM0~2级。细晶铸 造在使铸件晶粒细化的同时,还使高 温合金中的初生碳化物和强化相γ'尺寸减小,形态改善。因此,细晶铸 造的突出优点是大幅度地提高铸件在中低温(≤760℃)条件下 的低周疲劳寿命,并显著 减小铸件力学性能数据的分散度,从而提 高铸造零件的设计容限。同时该 技术还在一定程度上改善铸件抗拉性能和持久性能,并使铸 件具有良好的热处理性能。
细晶铸 造技术还可改善高温合金铸件的机加工性能,减小螺 孔和刀刃形锐利边缘等处产生加工裂纹的潜在危险。因此该 技术可使熔模铸件的应用范围扩大到原先使用锻件、厚板机 加工零件和锻铸组合件等领域。在航空 发动机零件的精铸生产中,使用细 晶铸件代替某些锻件或用细晶铸造的锭料来做锻坯已很常见。

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