铸造过程中涉及的步骤：前 4 个步骤 |制造科学
以下几点突出了铸造过程中涉及的四个主要步骤。步骤为：- 1. 模具的准备 2. 液态金属的熔化和浇注 3. 液态金属的冷却和凝固 4. 缺陷及检查。
铸造过程中涉及的步骤#1.的准备 图案和模具 ：
图案是要铸造的零件的复制品，用于准备模具型腔。图案由木头或金属制成。模具是由两个或多个金属块或由主腔组成的粘合耐火颗粒（砂）的组件。
模具型腔容纳液体材料，基本上充当所需产品的底片。模具还包含辅助腔，用于将液体材料倾倒和引导到主腔中，并在必要时用作储存器。
制作砂模的四边框架称为烧瓶。如果模具由多个部分制成，则顶部称为上模，底部称为下模。
为了生产空心型材，通过在模具型腔的相应部分设置型芯来防止液态金属进入。用于在模具中定位型芯的图案上的凸起称为型芯印迹。根据材料、工作和所需铸件的数量，有不同类型的图案和模具。
模式允许：
图案总是比要生产的最终作业大一些。这种多余的尺寸称为图案余量。花纹余量有收缩余量和机加工余量两大类。
提供收缩余量是为了照顾铸件的收缩。
铸件的完全收缩分三个阶段进行，包括：
(i) 液体从浇注温度到凝固温度的收缩，
(ii) 与从液体到固体的相变相关的收缩，
(iii) 固体铸件从凝固温度到室温的收缩。
然而，必须注意的是，收缩余量只是收缩的最后阶段。显然，收缩余量的大小取决于材料的线性热膨胀系数αl。该系数的值越大，收缩余量的值越大。
对于尺寸 l 的铸件，收缩余量由乘积 αll(θf– θ0) 给出，其中 θf 是材料的凝固点，θ0 是室温。对于给定的材料，这通常表示为每单位长度。表 2.1 给出了关于铸造不同材料的收缩余量的一些定量概念。
通常，铸件表面太粗糙而不能像最终产品的表面一样使用。因此，需要机加工操作来产生精加工表面。铸件的尺寸（以及模型的尺寸）超过用于加工的最终作业的尺寸称为加工余量。
总加工余量还取决于材料和工作的总体尺寸，但与收缩余量不是线性关系。表 2.1 还给出了各种材料的加工余量的概念。对于内表面，提供的余量显然应为负值，通常加工余量比表中所列的多1mm。
与原始工作维度的另一个偏差是在模式中有意提供的；这称为草稿。它是指在平行于模具从模具型腔中退出的方向放置在表面上的锥度。草稿有助于轻松撤回模式。拔模度的平均值在 1/2° 和 2° 之间。
模具准备：
如果要准备的模具数量很少，则模具是手工制作的。如果需要大量的简单模具，则使用成型机。
在本文中，我们将简要讨论模具制造的一些重要特征；此外，还将概述一些典型的成型机。
为了便于去除图案，在图案上撒上脱模剂，例如不润湿的滑石粉。细粒面砂用于在铸件上获得良好的表面。通常，在上砂箱上放置一个自重以防止上砂箱由于液态金属的流体动力而漂浮。
对于较大的模具，在抬起上瓶去除花纹时，应注意防止沙子从上瓶上掉下来。这可以通过在上瓶内提供称为 gaggers 的额外支撑来实现。对于具有凹入表面的铸件，例如轮辋处带有凹槽的轮子，模具可以分为三部分（图 2.3）。上颌和下颌之间的部分称为脸颊。为了便于气体逸出，上砂箱上设有通气孔。
成型机按照图 2.4 中说明的一种或多种原理运行。在冲击夯实中，模具被提升通过约 5 厘米的高度，并以每分钟 200 次的速度下降 50-100 次。这会导致一些不均匀的夯实，但非常适合水平表面。另一方面，发现挤压对于浅烧瓶是令人满意的。抛沙作业也非常快，夯实均匀。然而，这招致高初始成本。
铸造过程涉及的步骤 # 2.液化金属的熔化和浇注：
熔化 ：
熔炼过程中的适当护理对于良好、无缺陷的铸件至关重要。熔化过程中要考虑的因素包括金属中的气体、废料、熔剂、熔炉和温度的选择和控制。我们现在将对这些进行简短的讨论。
金属中的气体 ：
金属中的气体通常会导致铸件出现故障。然而，受控量的特定气体的存在可能有益于赋予铸件某些所需的品质。
在金属铸件中，气体-
(i) 可能会被机械困住（在这种情况下，模具中的适当排气安排可以防止它们发生），
(ii) 可能是由于它们在不同温度和相下溶解度的变化而产生的，以及
(iii) 可能由于化学反应产生。
最常见的气体是氢气和氮气。就氢的溶解度而言，金属分为两组。一组称为吸热的；这包括常见的金属，例如铝、镁、铜、铁和镍。
另一组称为放热的，包括钛和锆等。吸热金属比放热金属吸收更少的氢。此外，在吸热金属中，氢的溶解度随温度增加。对于放热金属，情况正好相反。
在这两种情况下，溶解度（5）可以表示为-
S =C exp [-Es/(k θ)], (2.1)
其中 Es（吸热为正）是 1 mol 氢的溶液热，6 是绝对温度，C 和 k 为常数。方程（2.1）清楚地表明，在 Es 为负的放热金属中，冷却过程中不会发生气体沉淀。
据信氢会在放热金属中以间隙方式溶解，从而导致晶格畸变。在吸热金属中，氢溶解在晶格缺陷中并且不会产生变形。表 2.2 显示了氢在固相线温度下各种金属在固相和液相中的溶解度。这些溶解度的差异是气体逸出的原因。
应该指出的是，氢溶解度是黑色金属铸造中的一个严重问题。在这里，虽然按重量计氢的量似乎可以忽略不计，但凝固过程中放出的体积相当大。西弗特定律指出，溶解在熔体中的氢气量变化为 -
熔体中氢的主要来源是熔炉中的湿气、空气、油和油脂。没有简单的脱氢添加来消除以渣形式存在的氢。因此，应注意将氢含量保持在最低水平。
大多数除氢技术都基于等式 (2.2)，即通过将一些其他干燥的不溶性气体鼓泡通过熔体来降低氢的分压。对于有色金属，使用氯、氮、氦或氩。氮不能用于铁基和镍基合金，因为它可溶于这些合金中，而且它可能形成影响晶粒尺寸的氮化物；因此，特别是在铁合金中，必须精确控制氮。在这种情况下，使用一氧化碳气泡。这不仅去除了氢气，还去除了氮气；碳含量通过后续的氧化和增碳来控制。
对于黑色金属，在相变过程中氮溶解度的显着降低可能会导致铸件中出现孔隙。熔体顶部的不可渗透熔渣阻止了氮气从空气中重新进入。
目前，真空熔炼越来越多地用于防止金属中的气体溶解和熔体中反应元素的结合。已经发现在钢包中而不是在熔体中添加对于控制气体和化学成分更有效。
熔炉：
用于熔化金属的熔炉彼此差异很大。熔炉的选择主要取决于金属的化学性质、所需的最高温度以及金属的输送速度和方式。进行选择的另一个重要因素是可用原材料的大小和形状。
金属化学不仅决定标准元素的控制，还决定一些重要的机械性能，例如可加工性。
熔化后的最佳温度取决于金属的一种称为流动性的特性。流动性是指液态金属在给定温度下填充模具的相对能力。通常，粘度越低，流动性越高。金属的流动性可以如下检查。
在不同温度下用液态金属浇注标准尺寸的螺旋。在凝固开始之前可以以这种方式进料的螺旋长度给出了流动性的量度。如果我们检查各种金属的温度-流动性曲线，我们会发现金属的流动性越高，浇注温度（炉温）和熔化温度之间所需的差异就越小。
为了完全填充模具的复杂、薄的部分，这种差异应该是最小的。大的差异意味着更高的成本和更多的气体溶解度。
液态金属输送的速率和方式在很大程度上取决于工艺——所使用的间歇熔炼还是连续熔炼。
浇注（浇口设计） ：
熔化后，将金属浇注或注入模具型腔。良好的浇口设计可确保金属在模具型腔中以适当的速率分布，而不会产生过多的温度损失、湍流以及夹带气体和熔渣。
如果液态金属的浇注速度非常慢，那么填充模具所需的时间会相当长，甚至在模具完全填充之前就可能开始凝固。这可以通过使用过多的过热来避免，但气体溶解度可能会导致问题。另一方面，如果液态金属以过高的速度撞击模具型腔，模具表面可能会被腐蚀。因此，必须在达到最佳速度方面做出妥协。
铸造过程涉及的步骤 # 3. 冷却固化 液态金属 ：
清楚了解液态金属和合金的凝固和冷却机制对于成功生产铸件至关重要。在凝固过程中，决定了铸件不同部位的晶体结构和合金成分等许多重要特性。此外，除非采取适当的措施，否则也会出现其他缺陷，例如缩孔、冷合、错位和热撕裂。
立管设计和放置：
凝固时间主要取决于比值 VIA，其中 V 是铸件的体积，A 是散热的表面积（即铸件的表面积）。这也是可以直观地预料到的，因为热量与体积成正比，而散热率取决于表面积。在设计冒口时利用此信息以确保冒口在铸造后凝固。
但是，有关冒口所需液态金属量的信息仅用于补偿从浇注温度到凝固所发生的收缩。根据金属的不同，这种收缩的百分比从 2.5 到 7.5 不等。因此，使用大的冒口容积（以确保大的凝固时间）是不经济的。因此，冒口应设计成尽可能小的体积，同时保持比铸件慢的冷却速度。
可以注意到，具有高表面积/体积比的铸件需要的冒口大于仅考虑冷却速度确定的冒口。下面的例子清楚地表明了这一点。
让我们考虑一块尺寸为 25 cm x 25 cm x 0.25 cm 的钢板。铸件的 A/V 比为 –
我们考虑过的立管的体积为 1.95 cm 3 只要。因此，需要更大的立管。
但是，对于给定形状的冒口，应选择冒口的尺寸以提供最小的 A/V 比，并且应从收缩考虑确保最小体积。必须记住，液态金属仅在凝固过程的早期从冒口流入模具。这需要冒口的最小体积大约是仅由收缩考虑所规定的体积的三倍。
为了检查铸钢件的冒口尺寸是否合适，通常使用 Caine 关系式。固化时间与体积/表面积之比的平方成正比。然而，Caine 的关系基于这样一个假设，即冷却速率与表面积/体积之比成线性比例。
这里，曲线上一点的纵坐标表示体积比，横坐标表示冻结比；此外，下标 c 和 r 分别表示铸件和冒口。对于给定的浇注冒口组合，如果图 2.31 中的点落在曲线的右侧，则可以确保冒口的充分性。上升环曲线方程的形式为
当a是金属的凝固常数时，b是从液体到固体的收缩比，c是一个常数，取决于冒口和铸件周围的不同介质。如果铸件和冒口周围的模具材料相同，则 c 的值是统一的。对于钢，典型值为 a =0.1 和 b =0.03。
复杂铸件 (A/V)c 的繁琐计算产生了另一种方法，其中使用了图 2.32 所示类型的上升环曲线。在此方法中，沿 x 轴绘制形状因子 (l + w)/h，而不是 (A/V)c，其中 l、w 和 h 分别表示最大长度、最大宽度，以及铸件的最大厚度。对于简单形状的铸件，这种方法和 Caine 的关系给出了几乎相同的结果。如果铸件主体（简单、规则形状）的附属物很薄，则凝固时间不会显着改变。
因此，立管的计算体积（基于主体）略有增加，可以令人满意地完成工作。随着附件变重，所需的冒口体积是根据修改后的铸件总体积计算的。铸件的总体积取主体体积加上附属体积的有效百分比，称为寄生体积。
有效百分比是根据图 2.33 所示类型的曲线估算的。根据横截面的宽度是大于还是小于深度的三倍，形状被称为板状或条状。
没有控制铸件或冒口的冷却速度（以及凝固时间）的特殊方法。然而，实际上，在铸件上使用冷却块或薄翅片以提高其冷却速度。对于热导率高于冷硬的金属，冷硬效果较差。类似地，为了增加冒口的凝固时间，在冒口中加入一些放热化合物以使其保持更长时间的熔融。
到目前为止，我们只从收缩率和冷却速度的角度讨论冒口尺寸是否合适。冒口环的另一个重要方面是确保冒口中可用的液态金属可以输送到铸件内的所需位置。
事实上，铸件内部的热梯度在冷却的最后阶段是最重要的因素。允许的最小梯度取决于横截面的形状和大小。通常，对于低 (A/V) 比的铸件（例如立方体和球体），一个中央冒口能够为整个铸件供料。另一方面，对于具有高 (A/V) 比的铸件（例如，对于棒材和板材），通常需要多个冒口。在这种情况下，必须确定立管的适当位置。
对于厚度不超过100mm的钢板，如果最大进料距离小于板厚的4.5倍，一个中央冒口就可以了。进料距离应从立管的边缘开始测量，如图 2.34a 所示。应该注意的是，在总距离 4.5t 中，上升管梯度占距离 2t，而端壁梯度占剩余距离 2.5t。因此，两个连续立管的边缘之间的最大距离是 4t 而不是 9t（见图 2.34b）。
一根边长为 50-200 mm 的方形横截面棒材可以从单个立管中令人满意地进料，最大距离为 30 √s，其中 s 是方形的边，以 mm 表示。发现两个连续立管边缘之间的最大距离为 1.2s（而不是 60√s）。
模具中冷气的存在增加了冒口的进料距离。这是通过提供急剧的热梯度，从而降低馈电阻力来实现的。很明显，如果使用单个立管，则应将冷却器放置在末端。对于不止一个冒口，冷气应放置在两个冒口之间的中间。图 2.35 示意性地说明了立管和冷却器的正确放置。该图中还指出了各种情况下的最大允许距离。
铸造过程涉及的步骤 # 4. 缺陷及其检查 ：
铸造缺陷：
该处理基本上仅限于砂型铸件。
铸件中的缺陷可能是由于以下一项或多项缺陷引起的：
(i) 铸件和图案的设计。
(ii) 型砂和型芯设计。
(iii) 金属成分。
(iv) 熔化和浇注。
(v) 门控和上升环。
砂型铸件最常遇到以下缺陷：
(i) Blow- 这是一个相当大的、圆形的空腔，由气体在铸件的上表面置换熔融金属而产生。打击通常发生在凸出的铸造表面上，可以通过适当的通风和足够的渗透性来避免。砂混合物中水分和挥发性成分的受控含量也有助于避免气孔。
(ii) 疤痕- 通常在平坦的铸件表面上发现的浅击，称为疤痕。
(iii) 水泡- 这是一个被金属薄层覆盖的疤痕。
(iv) 气孔- 这是指夹带的几乎呈球形的气泡，当过量的气体溶解在液态金属中时会出现。
(v) 针孔 - 这些只是微小的气孔，出现在铸件表面或刚好在铸件表面下方。通常，它们大量存在并且几乎均匀地分布在整个铸件表面。
(vi) 孔隙度- 这表示非常小的孔洞均匀分散在整个铸件中。当凝固过程中气体溶解度降低时，就会出现这种情况。
(vii) Drop- 在铸件的上表面上的不规则形状的突起称为水滴。这是由于砂子从上模或其他悬垂的突出部分落入模具中造成的。足够强度的沙子和使用 gagger 可以帮助避免掉落。
(viii) 夹杂物- 它指的是金属基体中的非金属颗粒。当隔离时，它变得非常不受欢迎。
(ix) 浮渣- 出现在铸件顶面的较轻的杂质称为浮渣。它可以在浇注阶段使用过滤器和撇渣器等物品进行处理。
(x) 污垢- 有时从顶部掉落的沙粒会嵌入铸件的顶部表面。移除后，它们会留下小而有角度的孔，称为污垢。跌落和污垢等缺陷表明，设计良好的图案应尽可能少地覆盖。此外，最关键的表面应放置在阻力中。
(xi) Wash- 在浇口附近开始的铸件拖曳表面上的低投影称为清洗。这是由于底部浇注中液态金属的高速射流对沙子的侵蚀造成的。
(xii) 带扣- 这是指在高温金属的扁平铸件表面上出现的一个长的、相当浅的、宽的、V 形凹陷。在这种高温下，模具表面的薄砂层在模具表面的液态金属凝固之前发生膨胀。由于这种膨胀受到砂箱的阻碍，模具表面往往会凸出，形成 V 形。因此，混合砂中适量的挥发性添加剂对于为这种膨胀留出空间并避免弯曲是必不可少的。
(xiii) 结痂- 这是指金属的粗糙薄层，突出在铸件表面之上，在一层薄砂之上。该层通过穿过沙子的金属纵梁固定在铸件上。当隆起的砂与模具表面分离并且液态金属流入模具和被置换的砂之间的空间时，就会产生结痂。
(xiv) 鼠尾- 这是一个长而浅的角状凹陷，通常在薄铸件中发现。其形成原因与带扣相同。在这里，压缩层不是膨胀的沙子隆起，而是一层失效，滑过另一层。
(xv) 渗透- 如果模具表面太软且多孔，液态金属可能会在砂粒之间流动一段距离，进入模具。这会导致粗糙的多孔突起，这种缺陷称为渗透。砂在铸件表面的融合产生粗糙、有光泽的外观。
(xvi) Swell- This defect is found on the vertical surfaces of a casting if the moulding sand is deformed by the hydrostatic pressure caused by the high moisture content in the sand.
(xvii) Misrun- Many a time, the liquid metal may, due to insufficient superheat, start freezing before reaching the farthest point of the mould cavity. The defect that thus results is termed as a misrun.
(xviii) Cold shut- For a casting with gates at its two sides, the misrun may show up at the centre of the casting. When this happens, the defect is called a cold shut.
(xix) Hot tear- A crack that develops in a casting due to high residual stresses is called a hot tear.
(xx) Shrinkage cavity- An improper riser may give rise to a defect called shrinkage cavity, as already detailed.
(xxi) Shift- A misalignment between two halves of a mould or of a core may give rise to a defective casting. Accordingly, this defect is called a mould shift or a core shift.
Inspection of Castings ：
Nondestructive inspection techniques are essential for creating a confidence when using a cast product. In this article, we shall briefly outline some of these techniques for testing the various kinds of defects.
1. Visual Inspection:
Common defects such as rough surfaces (fused sand), obvious shifts, omission of cores, and surface cracks can be detected by a visual inspection of the casting. Cracks may also be detected by hitting the casting with a mallet and listening to the quality of the tone.
2. Pressure Test:
The pressure test is conducted on a casting to be used as a pressure vessel. In this, first all the flanges and ports are blocked. Then, the casting is filled with water, oil, or compressed air. Thereafter, the casting is submerged in a soap solution when any leak will be evident by the bubbles that come out.
3. Magnetic Particle Inspection:
The magnetic particle test is conducted to check for very small voids and cracks at or just below the surface of a casting of a ferromagnetic material.This done, the powdered ferromagnetic material is spread out onto the surface.
The presence of voids or cracks in the section results in an abrupt change in the permeability of the surface; this, in turn, causes a leakage in the magnetic field. The powdered particles offer a low resistance path to the leakage. Thus, the particles accumulate on the disrupted magnetic field, outlining the boundary of a discontinuity.
4. Dye-Penetrant Inspection:
The dye-penetrant method is used to detect invisible surface defects in a nonmagnetic casting. The casting is brushed with, sprayed with, or dipped into a dye containing a fluorescent material. The surface to be inspected is then wiped, dried, and viewed in darkness. The discontinuities in the surface will then be readily discernible.
5. Radiographic Examination:
The radiographic method is expensive and is used only for subsurface exploration. In this, both X- and y-rays are used. With y-rays, more than one film can be exposed simultaneously; however, X-ray pictures are more distinct. Various defects, e.g., voids, non-metallic inclusions, porosity, cracks, and tears, can be detected by this method. On the exposed film, the defects, being less dense, appear darker in contrast to the surrounding.
6. Ultrasonic Inspection:
In the ultrasonic method, an oscillator is used to send an ultrasonic signal through the casting. Such a signal is readily transmitted through a homogeneous medium. However, on encountering a discontinuity, the signal is reflected back. This reflected signal is then detected by an ultrasonic detector. The time interval between sending the signal and receiving its reflection determines the location of the discontinuity.
The method is not very suitable for a material with a high damping capacity (e.g., cast iron) because in such a case the signal gets considerably weakened over some distance.
工业技术