PDF《铸造技术》

1 铸造技术 1.

铸造技术的方法选择 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.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、有机粘结剂砂型、树脂自硬砂型、消失模等等,如下图: 铸造方法选择的原则:

2 1.优先采用砂型铸造 据统计,我国或是国际上,在全部铸件产量中,60~70%的铸件是用砂型生产的,而且其中 70%左右是用粘土砂型生 产的.主要原因是砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短.所以象汽车的发动机气缸体、气缸 盖、曲轴等铸件都是用粘土湿型砂工艺生产的.当湿型不能满足要求时再考虑使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型. 粘土湿型砂铸造的铸件重量可从几公斤直到几十公斤,而粘土干型生产的铸件可重达几十吨. 一般来讲,对于中、大型铸件,铸铁件可以用树脂自硬砂型、铸钢件可以用水玻璃砂型来生产,可以获得尺寸精确、 表面光洁的铸件,但成本较高. 当然,砂型铸造生产的铸件精度、表面光洁度、材质的密度和金相组织、机械性能等方面往往较差,所以当铸件的这 些性能要求更高时,应该采用其它铸造方法,例如熔模(失腊)铸造、压铸、低压铸造等等. 2.铸造方法应和生产批量相适应 例如砂型铸造,大量生产的工厂应创造条件采用技术先进的造型、造芯方法.老式的震击式或震压式造型机生产线生 产率不够高,工人劳动强度大,噪声大,不适应大量生产的要求,应逐步加以改造.对于小型铸件,可以采用水平分型 或垂直分型的无箱高压造型机生产线、实型造型生产效率又高,占地面积也少;

对于中件可选用各种有箱高压造型机生 产线、气冲造型线,以适应快速、高精度造型生产线的要求,造芯方法可选用:冷芯盒、热芯盒、壳芯等高效制芯方法. 中等批量的大型铸件可以考虑应用树脂自硬砂造型和造芯. 单件小批生产的重型铸件,手工造型仍是重要的方法,手工造型能适应各种复杂的要求比较灵活,不要求很多工艺装 备.可以应用水玻璃砂型、VRH 法水玻璃砂型、有机酯水玻璃自硬砂型、粘土干型、树脂自硬砂型及水泥砂型等;

对于 单件生产的重型铸件,采用地坑造型法成本低,投产快.批量生产或长期生产的定型产品采用多箱造型、劈箱造型法比 较适宜,虽然模具、砂箱等开始投资高,但可从节约造型工时、提高产品质量方面得到补偿. 低压铸造、压铸、离心铸造等铸造方法,因设备和模具的价格昂贵,所以只适合批量生产. 3.造型方法应适合工厂条件 例如同样是生产大型机床床身等铸件,一般采用组芯造型法,不制作模样和砂箱,在地坑中组芯;

而另外的工厂则采 用砂箱造型法,制作模样.不同的企业生产条件(包括设备、场地、员工素质等)、生产习惯、所积累的经验各不一样, 应该根据这些条件考虑适合做什么产品和不适合(或不能)做什么产品. 4.要兼顾铸件的精度要求和成本 各种铸造方法所获得的铸件精度不同,初投资和生产率也不一致,最终的经济效益也有差异.因此,要做到多、快、 好、省,就应当兼顾到各个方面.应对所选用的铸造方法进行初步的成本估算,以确定经济效益高又能保证铸件要求的 铸造方法. 铸造方法的特点和适用范围见下表:

3 铸造方法 铸件材质 铸件重 量 表面光 洁度 铸件复 杂程度 生产成本 适用范围 工艺特点 砂型铸造 各种材质 几十 克~很大差简单 低 最常用的铸造方法 手工造型:单件、 小批量和难 以使用造型机的形状复杂的大 型铸件 机械造型:适用于批量生产 的中、小铸件 手工:灵活、易行,但效 率低,劳动强度大,尺寸 精度和表面质量低 机械:尺寸精度和表面质 量高,但投资大 金属型铸造 有色合金 几十 克~20 公斤 好 复杂铸 件 金属模的 费用较高 小批量或大批量生产的非铁合 金铸件,也用于生产钢铁铸件 ( 铸件精度、表面质量高, 组织致密,力学性能好, 生产率高. 熔模铸造 铸钢及有 色合金 几克~ 几公斤 很好 任何复 杂程度 批量生产 时比完全 用机加工 生产便宜 各种批量的铸钢及高熔点合金 的小型复杂精密铸件,特别适 合铸造艺术品、精密机械零件 尺寸精度高、表面光洁, 但工序繁多,劳动强度大 陶瓷型铸造 铸钢及铸 铁 几公 斤~几 百公斤 很好 较复杂 昂贵 模具和精密铸件 尺寸精度高、表面光洁, 但生产率低 石膏型铸造 铝、 镁、 锌 合金 几十 克~几 十公斤 很好 较复杂 高 单件到小批量 低压铸造 有色合金 几十 克~几 十公斤 好 复杂 (可 用砂芯) 金属模的 制作费用 高 小批量,最好是大批量的大、 中型有色合金铸件, 可生产薄 壁铸件 铸件组织致密,工艺出品 率高,设备较简单,可采 用各种铸型,但生产效率 低 差压铸造 铝、 镁合金 几克~ 几十公 斤好复杂 (可 用砂芯) 高性能和形状复杂的有色合金 铸件 压力可控,铸件成型好, 组织致密,力学性能好, 但生产效率低 压力铸造 铝、 镁合金 几克~ 几十公 斤好复杂 (可 用砂芯) 金属模的 制作费用 很高 大量生产的各种有色合金中小 型铸件、薄壁铸件、耐压铸件 铸件尺寸精度高、表面光 洁,组织致密,生产率高, 成本低.但压铸机和铸型 成本高 离心铸造 灰铁、 球铁 几十公 斤~几吨较好 一般为 圆筒形 铸件 较低 小批量到大批量的旋转体形铸 件、 各种直径的管件 铸件尺寸精度高、表面光 洁,组织致密,生产率高 连续铸造 钢、有色 很大 较差 长形连 续铸件 低 固定截面的长形铸件, 如钢锭、 钢管等 组织致密,力学性能好, 生产率高 消失模铸造 各种 几克~ 几吨 较好 较复杂 较低 不同批量的较复杂的各种合金 铸件 铸件尺寸精度较高,铸件 设计自由度大,工艺简单, 但模样燃烧影响环境

4 2.铸件材料及其熔炼

5 2.1 铸钢 2.1.1 铸造碳钢 我国多年来沿用的是以钢的含碳量作为分级的标准.表1列出铸造碳钢的国家标准中,关于钢的牌号,化学成份和机 械性能的要求,牌号中的 ZG 表示铸钢,其后的数字表示钢中碳的重量分数的公称值,以万分之几表示.铸造碳钢依其 杂质元素磷和硫含量的高低而分为三级,磷和硫单项质量分数各低于 0.04%的特质(Ⅰ级)钢;

低于 0.05%的优质(Ⅱ级)钢. 低于 0.06%的为普通(Ⅲ级)钢. 表1铸造碳钢的牌号、化学成分及机械性能 化学成分 机械性能 钢号 Wc*100 WMn*100 WSi*100 σb/MPa σs/MPa σb/MPa ΨX100 aK(CVN)/(

10 5 J/m

2 ) ZG15 0.12-0.22 0.35-0.65 0.20-0.45

400 200

25 40 6.0 ZG25 0.22-0.32 0.50-0.80 0.20-0.45

450 240

20 32 4.5 ZG35 0.32-0.42 0.50-0.80 0.20-0.45

500 280

16 25 3.5 ZG45 0.42-0.52 0.50-0.80 0.20-0.45

580 320

12 20 3.0 ZG55 0.52-0.62 0.50-0.80 0.20-0.45

650 350

10 18 2.0 一般工程用铸造碳钢的标准(GB5676-85)将铸造碳钢按照室温下的机械性能分为

5 个牌号,即ZG200-

400、 ZG230-

450、ZG270-

500、ZG310-570 和ZG340-640.对钢中的基本化学成分只规定其质量分数的上限,对钢中残余合金 元素的限制比较宽. 2.1.2 铸造低合金钢

一、通用铸造低合金钢系列钢种 在机械制造中,通用的铸造低合金钢主要包括锰系、铬系和镍系三个系列.这些系列钢种是在铸造碳钢的成分基础上 进行合金化,并通过相就的热处理,以获得比铸造钢更高的常温机械性能的. 1)锰系低合金钢 以锰作为主要合金化元素,而以硅、钼等作为辅助强化元素,构成锰钢、锰硅钢、锰硅铬钢和锰钼钢. 2)铬系低合金钢 以铬作为主要合金化元素,而以钼、镍等作辅助强化元素,构成铬钢,铬镍钢. 3)镍系低合金钢 以镍作为主要合金化元素,而以铬或与作辅化元素构成镍钢、镍铬钢、镍铬钼系钢种.

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二、具有特殊性能和用途的低合金钢种 根据对铸件提出的特殊使用性能要求,进行钢的合金设计,即是有专门用途的铸造低合金钢种,其中包括用于厚大截 面而又不允许淬火处理的析出强化型低合金钢,耐热用低合金钢,低温用低合金钢以及抗磨用低合金钢等. 2.1.3 铸造高合金钢 在铸造高合金钢中,加入有合金元素总量在 10%(质量分数)以上,加入的合金元素可以是一种,两种,或更多种. 钢中含有大量合金元素后,组织发生了根本的变化.使得钢具有特殊的使用性能,例如 ωMn=13%的奥氏体高锰钢,具有 很高的抗冲击磨损的性能,又如 ωcr=18%、ωNi=的奥氏体不锈钢,具有很好的耐腐性能等,因此,高合金铸钢实际上是 特种铸钢. 与特种铸铁相比,高合金铸钢具有更高的性能,特别是机械性能,如高铬抗磨白口铸铁,虽有很高的抗磨性,但其韧 性则较差,不适于在高冲击力的作用下工作,而高锰钢则既有很高的抗磨性,又有很高的冲击韧性,能经受高冲击磨损. 又如高硅铸铁在酸类公质中有强而蚀性,但其强度很低,极易脆裂.而奥氏体不锈钢则既具有而蚀性,又有较高的强度 和很高的冲击韧性,适用于经受冲击或震动条件下的耐蚀铸件,如而酸泵的旰轮等.再如高铬铸铁虽有很高的耐热性, 但也是低强度、高脆性的材料,而高铬镍钢和铬锰氮钢则具有很高的强度和韧性.因此,高合金铸钢比特种铸铁更适合 于在重载荷、冲击和震动条件下工作的机器零件,比特种铸铁具有更大的可靠性和安全性. 由于高合金钢中含有大量合金元素,故在铸造性能、焊接性能以及切削加工性能方面均比碳钢和低合金钢差.在铸造 性能方面,每种高合金钢均有其特点,生产上需要根据其铸造性能特点来制定相应的铸造工艺.在焊接方面,一般需要 使用特定的合金焊条.有些钢种焊接时还需要采取惰性气体保护,必在时还需要在焊前进行铸件预热和在焊后进行的改 善焊接部位组织以及消除焊接应力的热处理等.在切削加工方面,由于高合金钢种硬度很高,有的钢种韧性很强,以至 于用加工一般碳钢及低合金所用的刀具和切削工具,不能进行加工,而必须采用特定的刀具切削工艺.

一、铸造抗磨钢(高锰钢) 在铸造抗磨钢中,高锰钢是最通用的一种.高锰钢中锰的公称含量为 13%(质量分数),牌号为 ZGMn13,钢经过热 处理后具有单一奥氏体组织,韧性很好,但硬度并不高,但这种奥氏体有加工硬性,铸件在工作中经受强................