铝合金笔筒的砂型铸造设计

发布时间:2021-10-23 15:30:41

Al-Si 合金笔筒设计

学院:材料科学与工程 专业:金属材料热处理 指导老师:朱治愿 组员:王杨、王小龙、薛仁杰、朱熹荣、唐开富、谢标、赵业敏、朱超

前言
本次实验主要是针对铝合金笔筒的浇注设计, 整个流程主要涉及 了选材并确定用量、砂型设计、浇注系统设计、熔炼浇注。由于特殊 原因, 硬度测试以及金相组织观察环节裁定被取消; 原本设计的 Zl106 材质,由于条件限制,最终以 Al-Si 合金代替。 本组成员共有 8 人。其中,我负责选材并确定用量;薛仁杰、朱 熹荣负责砂型设计;谢标、唐开富负责浇注系统设计;赵业敏、朱超 负责熔炼浇注。王杨担任此次专业实验的负责人,负责整个实验方案 的设计、开展、实施工作,协助本组成员顺利完成各项工作,总结实 验数据,完成实验报告。 由于本组成员学术有限,有不当之处还望见谅。 王小龙 2011 于江科大

铝合金笔筒设计
一、 实验目的
1、 2、 3、 了解铝合金的种类、成分及其性能 确定造型、设*阶⑾低 了解铝合金的熔炼、浇注以及性能检测

二、 实验原理
1、 铝合金
铝合金密度低,但强度比较高,接*或超过优质钢,塑性好, 可加工成各种型材,具有优良的导电性、导热性和抗蚀性,工业 上广泛使用,使用量仅次于钢。铝合金分两大类:铸造铝合金, 在铸态下使用;变形铝合金,能承受压力加工, 。可加工成各种形 态、规格的铝合金材。主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。 铝合金按加工方法可以分为形变铝合金和铸造铝合金。形变铝合 金又分为不可热处理强化型铝合金和可热处理强化型铝合金。

不可热处理强化型不能通过热处理来提高机械性能,只能通 过冷加工变形来实现强化,它主要包括高纯铝、工业高纯铝、工 业纯铝以及防锈铝等。可热处理强化型铝合金可以通过淬火和时 效等热处理手段来提高机械性能,它可分为硬铝、锻铝、超硬铝 和特殊铝合金等。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性 能,物理性能和抗腐蚀性能。铸造铝合金按化学成分可分为铝硅 合金,铝铜合金,铝镁合金,铝锌合金和铝稀土合金,其中铝硅 合金又有简单铝硅合金(不能热处理强化,力学性能较低,铸造 性能好) ,特殊铝硅合金(可热处理强化,力学性能较高,铸造性 能良好) 。 由于浇注时必须要考虑金属液的流动性,结合铝合金的种类 及其性能,本次实验选用 Al-Si 系合金。

Al-Si 合金(硅铝明) 型号 ZL101 铸造方法 主要采用砂型铸造和金属型铸造

ZL101A 多采用砂型和金属型铸造 ZL102 可用来铸造各种形状复杂、薄壁的压铸件和强度要求不 高的薄壁、大面积、形状复杂的金属或砂型铸件 ZL104 ZL106 ZL107 ZL108 ZL109 主要用压铸,也多采用砂型和金属型铸造 主要采用砂型和金属型铸造 多用砂型铸造 主要采用压铸和金属型铸造,也可采用砂型铸造 主要用金属型铸造和砂型铸造

ZL106 铝合金介绍 材料名称:ZAlSi8Cu1Mg 合金代号:ZL106

标准:GB/T 1173-1995 特性及适用范围: 铸造性能良好,流动性大、 线收缩小、 气密性高、 无热裂倾向、 产生缩孔及气孔的倾向较小;可经热处理强化,室温、高温具有较 高的力学性能;耐蚀性能接* ZL101 合金;焊接性和可切削加工性 良好。 化学成分 硅 Si :7.5-8.5 铜 Cu:1.0-1.5 锰 Mn:0.3-0.5 镁 Mg:0.3-0.5 钛 Ti:0.10-0.25 铝 Al :余量 铁(砂型铸造): 0.000~ 0.600 铁(金属型铸造): 0.000~ 0.800 锌 Zn:≤0.2(杂质) 锡 Sn :≤0.01(杂质) 铅 Pb:≤0.05(杂质) 注:杂质总和:(砂型铸造)≤0.9;(金属型铸造)≤1.0 力学性能 力学性能: 抗拉强度 σb (MPa):≥235 伸长率 δ5 (%):≥2 硬度 :

≥60(5/250/30)HB 热处理规范: 淬火:515±5℃,5~12h ,80~ 100℃水冷;退火、 时效或回火:150±5℃,8h 空冷。 铸造方法: 砂 型铸造加变质处理(T5 态.SB)

2、造型
砂型 制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸 造砂是硅质砂。硅砂的高温性能不能满足使用要求时则使用锆英 砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。为使制成的砂型和型芯具有一 定的强度,在搬运、合型及浇注液态金属时不致变形或损坏,一 般要在铸造中加入型砂粘结剂, 将松散的砂粒粘结起来成为型砂。 应用最广的型砂粘结剂是粘土, 也可采用各种干性油或半干性油、 水溶性硅酸盐或磷酸盐和各种合成树脂作型砂粘结剂。砂型铸造 中所用的外砂型按型砂所用的粘结剂及其建立强度的方式不同分 为粘土湿砂型、粘土干砂型和化学硬化砂型 3 种。 粘土湿砂型 以粘土和适量的水为型砂的主要粘结剂,制成砂型后直接在 湿态下合型和浇注。湿型铸造历史悠久,应用较广。湿型砂的强 度取决于粘土和水按一定比例混合而成的粘土浆。型砂一经混好 即具有一定的强度,经舂实制成砂型后,即可满足合型和浇注的 要求。因此型砂中的粘土量和水分是十分重要的工艺因素。 以型砂和芯砂为造型材料制成铸型,液态金属在重力下充填铸型 来生产铸件的铸造方法。钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂

型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得,铸型 制造简便,对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应, 长期以来,一直是铸造生产中的基本工艺。 粘土湿砂型特点 优点 缺点

①粘土的资源丰富、价格 ①混砂时要将粘稠的粘土浆涂布在砂 便宜。 粒表面上,需要使用有搓揉作用的高

②使用过的粘土湿砂经适 功率混砂设备,否则不可能得到质量 当的砂处理后,绝大部分 良好的型砂。 均可回收再用。③制造铸 ②由于型砂混好后即具有相当高的强 型的周期短、工效高。 度,造型时型砂不易流动,难以舂实,

④混好的型砂可使用的时 手工造型时既费力又需一定的技巧, 间长。 用机器造型时则设备复杂而庞大。③

⑤砂型舂实以后仍可容受 铸型的刚度不高,铸件的尺寸精度较 少量变形而不致破坏,对 差。 拔模和下芯都非常有利。 ④铸件易于产生冲砂、夹砂、气孔等 缺陷。 型芯 为了保证铸件的质量,砂型铸造中所用的型芯一般为干态型 芯。根据型芯所用的粘结剂不同,型芯分为粘土砂芯、油砂芯和 树脂砂芯几种。

3、 浇注系统

方案一

笔筒尺寸

方案二

方案三

方案 一

优点 浇注流速比较缓和, 铸件组织性能 耗量大 比较均匀

缺点



简单易行,用量少

对底部冲击大,很可能破 坏型腔



简单易行,用量少,对型腔的冲击 开浇冒口难度较大 不大

方案三理论用量计算: 笔筒体积 = = =173730 浇道冒口体积 = = =31023 总体积 V= =173730+31023=183605 =0.184 取 V=0.2 Zl106 密度为 2730Kg/ 故所需 ZL106 质量为 2730Kg/ =0.546Kg

底 部 注 入

4、 熔炼
原则:①炉料成分准确,清理干净,充分预热 ②熔炼工具,坩埚仔细清理,喷涂料后烘干,不许铁 器直接与铝液接触 ③所用覆盖剂、精炼剂、变质剂严格脱水 ④避免炉气与金属液接触,必要时用覆盖剂 ⑤快速熔化,避免合金过热 ⑥保持完整氧化膜,搅拌时注意不破坏表面氧化膜 ⑦精炼后,扒渣,静置 8~15 分钟浇注或进行变质处



5、 硬度测试
①洛氏硬度 HR(HRA,HRB,HRC) 是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。 0.002 毫米作为一 以 个硬度单位。当 HB>450 或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而 改用洛氏硬度计量。 根据试验材料硬度的不同,分三种不同的标度来表示: 标度方 法 HRA HRB 20~88 20~100 用于硬度极高的材料(如硬质合金等) 用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁 等) HRC 20~70 用于硬度很高的材料(如淬火钢等) 硬度区间 适用范围

②布氏硬度 HB 布氏硬度(HB)一般用于材料较软的时候,如有色金属、热处理之 前或退火后的钢铁。 布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2) 维氏硬度 HV 适用于显微镜分析。主要用于测试小型精密零件的硬度,表面 硬化层硬度和有效硬化层深度,镀层的表面硬度,薄片材料和细 线材的硬度,刀刃附*的硬度,牙科材料的硬度等。维氏硬度试

验在跨越有色金属、钢铁和硬质合金的宽广硬度范围内具有一个 统一的标尺,图中示出的维氏硬度测试范围是 50~1100HV。 其实维氏硬度计具有更宽的的测试范围,测试的硬度值可以 从几个 HV 到 3000HV。可以涵盖几乎全部的金属材料,从很软的 金属到很硬的淬火钢、硬质合金,以及玻璃、矿石、陶瓷、人造 金刚石等。

三、 实验工艺流程
选材并确定用量

设 造型设计 计 浇注系统设计

熔炼、浇注

精整

完结实验报告

四、 实验步骤

1、

联系生产实*基地老师进行笔筒

2、

造型结束后,将上、下砂箱搬运至材料楼 108 室烘干等待浇注

3、

打开井式炉开关,加热至 850℃。然后向坩埚中加入一定量的 纯铝块,等铝块几乎完全熔化前按加入 7.5-8.5%的量加入硅 等待完全熔化。

4、

合箱。完全溶化后,用钳子夹住坩埚将其从井式炉中取出, 迅速加入 NaCl 进行变质处理,然后将铝水从浇冒口浇入砂 箱。关闭井式炉开关。然后,等待冷却。

5、

拆箱,取出笔筒,然后进行表面处理。

6、清理实验室

五、实验设备及材料
型砂、木模、砂箱等造型工具、纯铝、硅、氯化钠(变质处理) 、熔 炼炉、砂轮机、钢锯。

六、 思考题
1、浇注后的笔筒壁厚不均匀? 原因:合箱时,由于操作不当,致使上下砂箱没有完全对齐,浇 注出来的笔筒壁厚不均 2、在锯笔筒浇冒口时,锯齿断裂? 原因:用力过大,锯子位置摆放不当。 3、熔炼过程中,加入 Si 和 NaCl 的目的? 加入 Si 能起到固溶强化的作用,使基体的强度硬度升高。加入

NaCl 是为了进行变质处理。变质前,铝合金组织呈针状;变质后, 其组织呈细小的颗粒状,从而大大提高了基体的韧性。 4、浇注出来的笔筒与理论设计出来的尺寸有一点出入? 造型时,由于没有木模,在尺寸定位这一块很难保证精确度,再 加上浇冒口大小没有按照理论设计的图纸来造型, 结果导致笔筒的尺 寸发生了微小的变化,同时对材料用量的估计有一定影响。

七、试验中遇到的问题
1、如何选取合适的铝合金材料保证一定的流动性 选择共晶成分点附*的合金 2、如何设*阶⑾低 根据笔筒的外部形状以及材料的用量,采用了顶部浇注 3、 怎样确定笔筒造型过程中各部分尺寸以及浇注用量

理论计算,大致确定浇注用量;然后在考虑实际浇注过程,最终 确定用量。 4、 笔筒的高度几乎与砂箱高度齐*,无法留出浇冒口

解决方案:在砂箱下方垫两根木块,增加砂箱的高度,从而为浇 冒口的造型留有一定的空间 5、 造砂芯时没有木模,用纸筒代替,结果致使砂芯无法取出

解决方案:造砂芯时,在纸筒内部放置一根铁丝,起到强化支撑 的作用,保证了取芯时不易发生折断 6、 位 砂芯无法固定,浇注时随铝液的渗入,砂芯容易浮动,无法定

解决方案:在下砂箱分型面开一定深度的圆槽,将造好的砂芯放 入直径相等的圆槽中,然后采用填补整*的方法固定了砂芯。

七、 实验心得
通过本次实验,我系统的了解了砂型铸造、熔炼浇注等工艺。参 与本次实验我不仅学到了一些书本上学不到的理论知识还学会了如 何去发现问题并解决问题。总之这次实验我收获颇丰,同时也发现了 自身的不足, 我要把这次实验所学的知识和经验应用到其它的学*生 活中去,在今后不断地学*提高。

参考文献: 【1】铸造成形手册【上】.柳百成,黄天佑主编.北京:化学工业出 版社,2009 【2】铸造工艺基础.魏华胜主编.北京:机械工业出版社,2002 【3】铸造工技能实战训练.机械工业职业研究中心组编.北京:机械 工业出版社,2004 【4】 铝合金熔炼与铸造技术.*V鞅.北京: 冶金工业出版社, 2009 【5】铝合金及应用.潘复生,张丁非等编.北京:化学工业出版社, 2006 【6】铝合金熔炼与铸造.罗启全主编.广东:广东科技出版社,2002 【7】铸造工艺设计.李弘英,赵成志主编.北京:机械工业出版社, 2005 【8】 铸造流变学.林伯年主编.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 1991

【9】铸造铝合金中的气体和非金属夹杂物.王肇经等编.北京:兵器 工业出版社,1989 王小龙 2011-7-5


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