材料制备与加工铸造

第一节概述第二节铸造工艺基础第三节砂型铸造第四节特种铸造第五节应用举例铸造

金属的成形方法可分为铸造、塑性成形（或称压力加工）、切削加工、焊接和粉末冶金五大类。

铸造是生产金属零件毛坯的主要工艺方法之一，与其它工艺方法相比，它具有成本低，工艺灵活性大，适合生产不同材料、形状和重量的铸件，并适合于批量生产。

第一节概述

但它的缺点是公差较大，易产生内部缺陷。

第二节铸造的工艺基础

定义：铸造是指将熔融态的金属（或合金）浇注于特定型腔的铸型中凝固成形的金属材料成形方法。

铸造的基本过程：液态金属充型铸件凝固收缩

实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷却。砂型铸造概略图Cope上砂箱Drag下砂箱Openriser冒口vent通气口Core型芯Moldcavity模槽Runner横浇道Choke节流口Sprue

竖浇道Pouringbasin浇注槽

Flask型盒

Partingline分型线

主要影响因素

铸造的主要影响因素主要体现在二个方面：一是影响充型的主要因素和影响凝固收缩的主要因素。

阶段主要影响因素

铸造

充型

金属的流动性

铸型的结构和性质

浇铸条件

凝固收缩

凝固方式

冷却速度

金属的流动性：改善金属的流动性加快凝固中液体的补缩排除内部夹杂物和气体形成薄壁复杂的铸件有利于金属流动性测试实验

实验如右图所示：Pb-Sn合金流动性与成份的关系合金成份对流动性的影响Fe－C合金流动性

铸型的结构和性质：1.铸件结构复杂程度2.铸型材料3.铸型温度4.铸型中的气体浇铸条件1.浇铸温度2.充型压力3.浇铸系统T浇注↑t凝固↑流动性↑δ粘度↓充填路径↑充型能力↑

在铸件凝固过程中，对铸件质量影响较大的主要是固液两相并存的凝固区的宽窄。铸件的“凝固方式”就是依据凝固区的宽窄来划分的。凝固方式糊状凝固

铸件在结晶过程中，当结晶温度范围很宽，且铸件截面上的温度梯度较小，则不存在固相层，固液两相共存的凝固区贯穿整个区域。中间凝固

大多数合金的凝固是介于逐层凝固和糊状凝固之间，称为中间凝固。逐层凝固

纯金属和共晶成分的合金在凝固中因为不存在固液两相并存的凝固区，所以固体与液体分界面清晰可见，一直向铸件中心移动。定义：收缩是指合金从浇注、凝固到冷却至室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。分类：分为三类，液态收缩、凝固收缩和固态收缩。铸件温度降低浇注温度室温凝固终止温度开始凝固温度液态收缩凝固收缩固态收缩

体积收缩线收缩

铸件的收缩收缩率：体积收缩是指单位体积的收缩量（体积收缩率）。线收缩是指单位长度上的收缩量（线收缩率）。体积收缩率：线收缩率：

其中V0，L0表示铸件在高温T0时的体积和一维方向的长度；

V1，L1表示铸件在高温T1时的体积和一维方向的长度。注意：在铸模尺寸设计时必须考虑铸件的收缩因素。即利用每种材料特定的收缩率和实际铸件的尺寸，来换算成铸模型腔的尺寸。

合金的收缩给铸模的设计和铸件的精密成形等带来较大困难，是多数铸造缺陷产生的根源。3.3～4.20.13.614003.50灰口铸铁5.4～6.34.22.414003.00白口铸铁7.863.01.616100.35碳钢固态收缩（％）凝固收缩（％）液态收缩（％）浇注温度（℃）碳含量（％）

合金种类

表2-1典型合金的收缩率εV

缩孔：

缩松与缩孔定义：缩孔是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些容积较大的孔洞。产生原因：先凝固区域堵住液体流动的通道，后凝固区域收缩所缩减的容积得不到补充。

缩孔形成过程示意图

缩松：定义：缩松是指金属液在铸模中冷却和凝固时，在铸件的厚大部位及最后凝固部位形成一些分散性的小孔洞。产生原因：

当合金的结晶温度范围很宽或铸件断面温度梯度较小时，凝固过程中有较宽的糊状凝固两相并存的区域。随着树枝晶长大，该区域被分割成许多孤立的小熔池，各部分熔池内剩余液态合金的收缩得不到补充，最后形成了形状不一的分散性孔洞即缩松。

另外，缩松还可能由凝固时被截留在铸件内的气体无法排除所致。不过，缩松内表面应该是光滑，近似球状。危害：显著降低铸件的机械性能，造成铸件渗漏等。防止措施：采取顺序凝固的办法避免缩孔、缩松的出现。顺序凝固示意图安装冒口或放置冷铁等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固（图中Ⅰ），尔后在靠近冒口的部位凝固（图中Ⅱ、Ⅲ），最后是冒口本身凝固。顺序凝固：是指通过在铸件上可能出现缩松的厚大部位

冷铁的应用

冒口、冷铁共用法

在铸件的固态收缩阶段会引起铸造应力。铸造应力相变应力热应力机械应力铸件收缩受阻铸件因V冷却、温度不同，各部位收缩不一致产生铸件组织发生相变时，因温度差异出现体积变化不一致铸造应力：

裂纹与变形机械应力热应力的形成过程减小应力的措施同时凝固示意图铸件的变形T型粱铸钢件变形示意图

铸件特殊位置的裂纹示意图裂纹的常见部位：裂纹和变形的防止：以有利于释放铸造应力为原则；1、采用正确的铸造工艺（正确设计浇注系统、补缩系统等）；2、铸件形状设计要求简单、对称和厚薄均匀；3、对铸件进行热处理。

冷隔

未注满1、冷隔和浇不足2、气孔3、粘砂4、夹砂5、砂眼粘砂

常见铸造缺陷第三节砂型铸造

砂型铸造是指用砂粒制备铸型来生产铸件的铸造方法。可追溯到公元前3000～4000年，用石头和金属型做出铜器。砂型铸造概略图1-分型面2-上型3-出气孔4-浇注系统5-型腔6-下型7-型芯8-芯头芯座

铸型一般由上型、下型、型芯、型腔和浇注系统组成，如右图所示。铸型组元间的接合面称为分型面。铸型中造型材料所包围的空腔部分，即形成铸件本体的空腔称为型腔。液态金属通过浇注系统流入并充满型腔，产生的气体从出气口等处排出砂型。砂型铸造工艺流程

铸模设计：

确定浇注位置和分型面：浇注位置：

指浇注时铸件在铸型中所处的位置。分型面：指铸型的分割或装配面。

正确设置浇注位置和分型面是完成造型、取模、设置浇冒系统和安装砂芯的需要。浇注位置的选择重要加工面应处于型腔低面或位于侧面大平面应朝下面积较大的薄壁部分置于铸型下部或使其处于垂直或倾斜位置容易产生缩孔的铸件，应将厚大部分放在分型面附近的上部或侧面分型面的选择应尽量选在铸件的最大截面处，并力求采用平直面应尽量使铸型只有一个分型面，以便采用工艺简便的两箱造型尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱内

确定主要工艺参数：

正确选择收缩量、机械加工余量和拔模斜度等。

浇注系统的设计：

浇注系统是铸型中液态金属流入型腔的通道；通常由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道等组成。设计原则：确保液态金属能够平稳而合理地充满型腔。

补缩系统的设计：

为消除缩孔和缩松，必须设置冒口、冷铁等补缩系统。浇注系统示意图设计原则：1、冒口的凝固时间必须大于或等于铸件被补缩部分的凝固时间。2、冒口应具有足够大的体积，以保证有足够的金属液补充铸件内部的体收缩。3、在铸件凝固时，冒口与被补缩部位之间应有通畅的补缩通道。4、为增加铸件局部冷却速度，在铸型局部区域设置激冷能力强的材料（如铸铁、石墨或铸钢等）作为冷铁。

生产准备：

模型和芯盒的设计：

模型的内轮廓应该与铸件的外轮廓的形状相一致，并且在尺寸上比铸件大出一个收缩量。

对于有孔或中空的铸件，需在模腔中放置型芯来获得。型芯的尺寸设计也要考虑到收缩量的问题。

型（芯）砂的制备：技术要求：型（芯）砂具有足够的强度、良好的可塑性、高的耐火性、一定的透气性、退让性等。造型材料：常包括原砂、黏结剂、水及其他附加物(如煤粉、木屑、重油等)按一定比例混制而成。1.黏土砂以黏土作黏结剂的型(芯)砂称为黏土砂。

常用的黏土为膨润土和高岭土。2.以合成树脂做黏结剂的型(芯)砂称为树脂砂。常用的树脂黏结剂主要有酚醛树脂、尿醛树脂和糠醇树脂三类。3.水玻璃砂用水玻璃做黏结剂的型(芯)砂称为水玻璃砂。造型方法：手工造型与机器造型常用手工造型方法的特点和应用范围假箱造型

特点及应用：1、不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量的限制；2、属于一次性铸造成形，造型工作量大；3、铸件精度和表面质量差；4、砂型铸造缺陷多，废品率高，机械性能较差；5、设备简单、投资少，价格低廉，应用广泛。第四节特种铸造

为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。特种铸造金属型铸造熔模铸造消失模铸造连续铸造离心铸造低压铸造压力铸造七种常见的特种铸造方法

金属型铸造：

定义：金属型铸造是指利用金属材料制成铸型，在重力作用下将熔融金属浇注到铸型中制造铸件的一种铸造方法，也称永久型铸造。

工艺过程：

特点和应用：

1、可重复使用，生产效率高，劳动条件好，但成本高；

2、铸件精度高，表面粗糙度较低；

3、金属散热性能好，晶粒细化，机械性能好；

4、不透气且无退让性，易造成铸件浇不足或开裂。

5、适于生产大批量有色金属铸件。

熔模铸造：

定义：是指利用易熔材料制成模型，并在模型表面粘结一定厚度的耐火材料，然后将模型熔化而使金属液充满型腔的一种铸造方法。

工艺过程：

特点和应用：

1、铸件尺寸精度高，表面光洁；

2、可铸造形状复杂零件；

3、工艺过程复杂，生产周期长，成本高；

4、适于铸造小尺寸的各类合金铸件，特别是少切削或无切削精密铸件。

应用实例：航空发动机等轴晶叶片的制备

航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加工难度。

目前，世界各国等轴晶叶片的生产通常利用真空环境下的熔模铸造来解决这一技术难题。

尊、盘上的镂空花纹

压力铸造：

定义：是指将液态或半液态合金浇入压铸机的压室中，使之在高压和高速下充填型腔，并在高压下成形结晶而获得铸件的一种铸造方法。

工艺过程：

特点和应用：

1、浇注时间短，易于机械化、自动化作业；

2、铸型散热快，晶粒细化，耐磨、耐蚀性好；

3、铸件尺寸精度高，表面光洁；

4、凝固速度快，排气困难，易形成缩松和缩孔；

5、模具成本高，铸件尺寸受限；

6、适于有色金属薄壁复杂铸件的大批量生产。

低压铸造：

定义：是指液态金属在低的气体压力作用下从坩埚中自下而上地充填型腔并凝固而获得铸件的一种铸造方法。

工艺过程：

低压铸造火车车轮示意图

特点和应用：

1、充型压力和充型速度易于控制，气孔、夹渣较少；

2、铸型散热快，组织致密，机械性能好；

3、无需冒口设置，金属利用率高；

4、铸件尺寸精度高，表面光洁；

5、适于生产质量要求高的铝镁等有色金属铸件。

离心铸造：

定义：是指将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填型腔并凝固成形的铸造方法。

离心铸造机原理：2、改善金属的流动性，提高了充型能力；

3、简化了中空圆柱形铸件的生产过程；

4、成分偏析严重，尺寸难以控制；

5、