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第 3 章 各种典型铸造方法. 主讲教授:李远才. 典型铸造方法. 砂型铸造 熔模铸造和消失模铸造 压力铸造 反重力铸造和离心铸造. 3.1.1 砂型铸造的基本过程 1 .砂型(芯)的制造 2 .砂型(芯)的烘干、合箱与浇注 3 .铸件的落砂、清理及后处理 4 .铸件质量检验与缺陷修补. 3.1 砂型铸造. 3.1.2 砂型(芯)种类及其制造. 1 .型(芯)砂粘结方式. ( 1 )机械粘结剂型芯 ---- 以粘土为粘结剂的粘土型芯砂所产生的粘结;
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第3章 各种典型铸造方法 主讲教授:李远才
典型铸造方法 砂型铸造 熔模铸造和消失模铸造 压力铸造 反重力铸造和离心铸造
3.1.1 砂型铸造的基本过程 1.砂型(芯)的制造 2.砂型(芯)的烘干、合箱与浇注 3.铸件的落砂、清理及后处理 4.铸件质量检验与缺陷修补 3.1 砂型铸造
1.型(芯)砂粘结方式 (1)机械粘结剂型芯----以粘土为粘结剂的粘土型芯砂所产生的粘结; (2)化学粘结剂型芯----型芯砂在造型、芯过程中,依靠其粘结剂本身发生物理、化学反应达到硬化,从而建立强度,使砂粒牢固地粘结为一个整体。有机、无机粘结剂,其中无机粘结剂为钠水玻璃及熔(溶)模铸型,而有机分别介绍热硬、自硬和气硬树脂砂型(芯); (3)物理固结----指用物理学原理产生的力将不含粘结剂的原砂固结在一起,磁型铸造法、负压造型法或真实密封造型法或薄膜负压造型法,以及消失模造型法。
(1)手工造型(芯) (2)机器造型(芯) 用机器完成全部或部分造型工序,称为机器造型。 2.砂型(芯)制造方式
湿型造型实例 卡车六缸缸体流水生产线 大型铸件的湿型造型(地坑造型)
3.1.4水玻璃型(芯)砂 作为铸造无机粘结剂,有水玻璃、水泥、磷酸盐及可溶性无机盐等。迄今为止,铸造生产中应用最广泛的无机化学粘结剂是钠水破璃。 无机化学粘结剂主要是通过发生物理-化学反应而达到硬化的。此类型(芯)砂与粘土砂比较有下列优点: a.型(芯)砂流动性好,易于紧实,故造型(芯)劳动强度低; b.硬化快,硬化强度较高,可简化造型(芯)工艺,缩短生产周期; c.可在型(芯)硬化后起模,型、芯尺寸精度较高; d.可取消或缩短烘烤时间,降低能耗,改善工作环境和工作条件等。
水玻璃是硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂和硅季铵盐在水中以离子、分子和硅酸胶粒并存的分散体系。它们处在特定模数和含量范围内,分别称为钠水玻璃、钾子玻璃、锂水玻璃和季铵盐水玻璃。在本书中除特别指明外,水玻璃一般指钠水玻璃。其化学通式为Na2O·mSiO2。SiO2/Na2O之摩尔数比值称为模数,用M表示: 水玻璃是硅酸钠、硅酸钾、硅酸锂和硅季铵盐在水中以离子、分子和硅酸胶粒并存的分散体系。它们处在特定模数和含量范围内,分别称为钠水玻璃、钾子玻璃、锂水玻璃和季铵盐水玻璃。在本书中除特别指明外,水玻璃一般指钠水玻璃。其化学通式为Na2O·mSiO2。SiO2/Na2O之摩尔数比值称为模数,用M表示:
水玻璃的硬化过程可分为硬化和强化两个阶段:水玻璃的硬化过程可分为硬化和强化两个阶段: (1)硬化阶段 水玻璃的粘度具有一个浓度一模数相结合的临界值,超过临界值的水玻璃便开始凝聚胶化,粘度急剧升高而失去流动性,并趋向硬化。 依靠失水而超越临界值,被称为物理硬化;依靠升高模数和失水而超越临界值,而被称为化学硬化,例如吹CO2和加有机酯等。 (2)强化阶段 硬化的水玻璃依赖进一步失水而增强,称作强化阶段。可以采取各种措施来提高水玻璃模数和去除水玻璃中水分,以促进水玻璃的硬化,如加热烘干法、微波烘干法、CO2气体硬化法、有机酯自硬砂、真空置换硬化(VRH)法等。 生产中广泛应用的是CO2气体硬化法和有机酯自硬砂法。
3.1.5 树脂砂型(芯) 按硬化方法分类: (1)覆膜砂(热硬); (2)热芯盒砂(热硬); (3)冷芯盒砂(气硬); (4)自硬砂(室温硬化)。
1.热硬树脂砂——覆膜砂壳芯(型) 1)壳芯(型)的制造 壳芯(型)----直接承受液体金属作用的表面一层厚度仅数毫米的砂壳;用酚醛树脂作粘结剂,配制的型(芯)砂叫覆膜砂(Resincoatedsand),像干砂一样松散。
2.热(温)芯盒法制芯 • 热芯盒法(hot-boxprocess)和温芯盒法(warm-boxprocess)造芯:将液态热固性树脂和催化剂配制成的芯砂——吹射入加热到一定温度的芯盒内,贴近芯盒表面的砂芯受热,其粘结剂在很短时间内缩聚而硬化的工艺。
3.气硬冷芯盒法---酚醛-脲烷/胺法 ThePhenolUrethaneAmineColdBoxProcess,简称PUCB法 PUCB法粘结剂包括两部分:组分Ⅰ为酚醛树脂,组分Ⅱ为聚异氰酸酯。催化剂为叔胺,有三乙胺(TEA),二甲基乙胺(DMEA),异丙基乙胺和三甲胺(TMA)。因三乙胺价格便宜,其应用较普遍,所以PUCB法又称三乙胺法。
4.自硬冷芯盒法制芯(型) 概述 将原砂、液态树脂及液态催(固)化剂混合均匀后,填充到芯盒(或砂箱)中,稍紧实即于室温下在芯盒(或砂箱)内硬化成形,叫自硬冷芯盒法造芯,简称自硬法造芯(型)。 基本配方(%,质量分数)如下: 原砂(再生砂):100 树脂粘结剂:0.8-2.5 催(固)化剂:占树脂的质量分数10 -60% 附加物:少量或微量 自硬法主要可分为: 1)酸催化呋喃树脂砂自硬法; 2)酚尿烷系树脂砂自硬法; 3)酯硬化碱性酚醛树脂砂自硬法。
自硬树脂砂的基本特点 a.提高了铸件的尺寸精度,改善了表面粗糙度; b.型(芯)砂的硬化无需烘干,可节省能源,还可以采用价廉的木质或塑料芯盒和模板; c.型砂易紧实,易溃散,铸件清理容易,旧砂可再生回用,大大减轻了造芯、造型、落砂、清理等环节的劳动强度,容易实现机械化或自动化; d.砂中树脂的质量分数仅0.8%-1.2%,原材料综合成本低。 自硬法的缺点是,对原砂的质量要求高,起模时间为数分钟至数十分钟,其生产效率低于热芯盒法和壳法,工艺过程受环境的温度、湿度的影响大;混砂造型时有刺激性的气味等。 由于自硬法具有上述许多独持优点,故目前不仅用于造芯,亦用于造型,特别适用于单件和小批量生产,可生产铸铁、铸钢及有色合金铸件。有些工厂已用它完全取代粘土干砂型、水泥砂型、部分取代水玻璃砂型等。
自硬树脂砂设备 连续式混砂机必须保证使砂子、树脂和固化剂得到最好的混制。
3.2 熔模铸造和消失模铸造 • 3.2.1 熔模铸造 • 原理及特点 • 制模工艺 • 制壳工艺 • 3.2.2 消失模铸造 • 原理及特点 • 关键技术 • 铸造过程 • 范例
3.2.1 熔模铸造 1.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型,在模型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型,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。
3.制模工艺 按照模料的规定成分和配比,将各种原料熔融成液态,混合并搅拌均匀,滤去杂质浇制成糊状模料,即可以压制熔模。压制熔模普遍采用压制成型的办法。该方法允许使用液态、半液态以及固态、半固态模料。 液态和半液态模料在低的压力下压制成型,称为压注成型;半固态或固态模料在高的压力下压制成型,称为挤压成型。
4.制壳工艺 制壳包括涂挂、撒砂和烘干三道工序。 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。
熔模铸造用粘结剂及型壳干燥 型壳粘结剂主要分为:硅溶胶、水玻璃、硅酸乙酯等。上述三种粘结剂制成的型壳的干燥和硬化 特性是不同的: 1)硅溶胶型壳的干燥过程实质上就是硅溶胶的胶凝过程。 2)水玻璃型壳的干燥硬化过程为:自然干燥-化学硬化-硬化后干燥。 3)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。
3.2.2 消失模铸造 1.失模铸造成形原理、特点 消失模铸造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,模样受热气化、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4-1所示。
图 消失模铸造工艺过程 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
消失模铸造的主要特点 (1)铸件的尺寸精度高、表面粗糙度低。 (2)增大了铸件结构设计的自由度。消失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)简化了铸件生产工序,提高了劳动生产率,容易实现清洁生产。 (4)减少了材料消耗,降低了铸件成本。因消失模铸造采用无粘结剂干砂造型,可节省大量型砂粘结剂,旧砂可以全部回用。型砂紧实及旧砂处理设备简单,所需的设备也较少。
2.消失模铸造工艺 1)泡沫塑料模样的成形加工及组装 泡沫塑料模样通常采用两种方法制成:一种是采用商品泡沫塑料板料切削加工、粘结成型;另一种是商品泡沫塑料珠粒预发后,经模具发泡成型。由泡沫塑料珠粒原材料制成铸件模样的工艺过程如图4-3所示。图4-4为一种采用蒸缸式发泡成型的模具及其成型后的泡沫塑料模样照片。
2)消失模铸造的涂料技术 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。 为了获得高质量铸件,涂料应具有如下性能:良好的透气性;较好的涂挂性;足够的强度;发气量小;低温干燥速度快。
3)造型、浇注、清理 (a)消失模铸造用砂 消失模铸造通常采用无粘结剂的石英散砂来充填、紧实模样,砂子粒度分布集中较好,以便保证型砂的高透气性。 (b)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。砂子的加入速度必须与砂子紧实过程相匹配。振动紧实应在加砂过程中进行,以便使砂子充入模型空腔,并保证砂子达到足够紧实而又不发生变形。 型砂紧实后的浇注通常在真空状态下进行(消失模铸造过程中抽真空)。
3.消失模铸造工业化应用 美国提出3L车计划 总经费:30亿+3亿 目标:将10L/100km降为3L/100km 措施:将轿车重量降低40% 1982年美国公开第一条消失模铸造生产线,铸造进入消失模时代。
美国GMPowertrain公司DifianceCastingPlant生产的3.5L卡车铝合金5缸缸体。 美国GMPowertrain公司DifianceCastingPlant生产的3.5L卡车铝合金5缸缸体。
3.3 压力铸造 3.3.1 压力铸造特点及应用范围 3.3.2 压铸设备 3.3.3 压铸过程原理 3.3.4 压铸件设计 3.3.5 压铸合金 3.3.6 压铸模 3.3.7 压铸工艺
3.3.1 压力铸造特点及应用范围 1.概述:压力铸造—— 使熔融状态或半溶融状态合金浇入压铸机的压室,随后在高压的作用下.以极高的速度充填在压铸模的型腔内,并在高压力下使熔融合金冷却凝固成形的高效益、高效率的精密铸造方法。 高压力和高速度是压铸时液体金属充填成型过程的两大特点,也是压铸与其他铸造方法最根本区别之所在。 压射比压在几兆怕至几十兆帕范国内,甚至高达500MPa; 充填速度为0.5—120m/s,充时间很短,一般为0.01-0.2s,最短只有干分之几秒。
2.压铸的优缺点 (1)铸件的尺寸精度和表面光洁度很高。 尺寸精度为IT12—IT11级;表面粗糙度:Ra为3.2—0.8μm,最低达0.8μm。 (2)铸件的强度和表面硬度较高。压铸件表面层晶较较细,组织致密。压铸件的抗拉强度一般比砂型铸件高25%-30%。 (3)可以压出形状复杂的薄壁铸件: 最小壁厚:锌合金:0.3mm;铝合金:0.5mm; 铸出孔最小直径为0.7mm;铸出螺纹最小螺距0.75mm。 (4)生产效率极高。在所有的铸造方法中,生产率最高。压铸过程的机械化、自动化程度高。
压铸的缺点 (1)由于液体合金充型速度极快,型腔中的气体很难完全排除,常以气孔形式存留在铸件中,因此,一般压铸件不能进行热处理,也不宜在高温条件下工作。这是由于加热温度高时,气孔内的气体膨胀,导致压铸件表面鼓包,影响质量与外观。同样,也不希望进行机械加工,以免铸件表面显露气孔。 (2)压铸的合金类别和牌号有所限制。模具材料目前只适用于锌、铝、镁合金的压铸,而铜合金压铸时,模具使用寿命短的问题已突出,对于黑色金属压铸,由于黑色金属熔点高,压铸模使用寿命短,故目前黑色金属压铸难用于实际生产。 (3)压铸的生产准备费用较高。这是由于压铸机的成本高,压铸模加工周期长、成本高。故压铸只适用于大批量生产。
3.压铸的应用范围 • 压铸零件的形状大体可以分为六类: • (1)圆盘类——号盘座等; • (2)圆盖类——表盖、机盖、底盘等; • (3)圆环类——接插件、轴承保持器、方向盘等; • (4)筒体类——凸缘外套、导管、壳体形状的罩壳盖、上盖、仪表盖、探控仪表罩、照像机壳与化油器等; • (5)多孔缸体、壳体类——汽缸体、汽缸盖及油泵体等多腔的结构较为复杂的壳体(这类零件对机械性能和气密性均有较高的要求,材料一般为铝合金)。例如汽车与摩托车的汽缸体、汽缸盖; • (6)特殊形状类——叶轮,喇叭、字体由筋条组成的装饰性压铸件等。
3.3.2 压铸设备 常用压铸机为卧式,有冷室和热室之分; 热室压铸机中,通过活塞将金属液由炉中直接送到机器的压射单元,主要用于生产锌合金和镁合金。 冷室压铸机中,用浇勺装置从炉子中舀取金属液,适合生产铝合金和铜合金。