材料成形技术 课件全套 第1-8章：铸造技术-材料表面工程技术

材料成形技术课程内容第一章铸造技术金属焊接成形金属塑性成形的理论基础金属塑性成形工艺第二章第三章第四章第五章非金属材料的成形陶瓷与粉末冶金成形复合材料及成形工艺材料表面工程技术第六章第七章第八章课程学习要求掌握液态金属成形方法及原理；掌握焊接成形方法和原理3.掌握塑性成形方法和原理；4.了解和掌握粉末冶金成形、典型的复合材料成形技术5.掌握典型的材料表面处理工艺0绪论材料是人类文明的基石人类活动的物质基础材料是人类文明进程中至关重要的角色，是一切生产活动和社会生活的基础载体，支撑着人类社会的运行。文明演进的动力从石器时代到信息时代，材料的每一次革新都推动了社会生产力的飞跃，引发了生产和生活方式的革命性变化。国家实力的重要标志一个国家所拥有的材料种类、数量和质量，直接反映了其科技水平与现代化程度，是综合国力的关键体现。0绪论材料的分类金属材料如钢铁、铝合金，具有良好的导电性、导热性和塑性，是工业应用最广泛的基础材料。无机非金属材料如陶瓷、玻璃、水泥，通常具有耐高温、耐腐蚀、硬度高的特点，广泛用于建筑与电子领域。有机非金属材料如塑料、橡胶、纤维，质轻且绝缘性好，加工性能优异，在日常生活和工业中应用极广。复合材料如碳纤维复合材料，结合了多种材料的优异性能，具有高比强度和比模量，是航空航天的关键材料。什么是材料成形？材料成形是指将原材料通过各种成形技术加工成具备特定形状、尺寸和性能的零件或产品的过程。它不仅赋予零件特定的几何形状，更通过控制加工过程决定了零件最终的组织结构和使用性能。材料成形的历史：古代的辉煌秦陵铜车马展现了两千多年前高超的冶铸和焊接技术，结构复杂，工艺精湛，是古代金属成形的巅峰之作。五代陶瓷艺术达到了“青如天、明如镜、薄如纸、声如磬”的艺术与技术巅峰，代表了古代陶瓷成形的最高美学。《天工开物》明朝宋应星所著，世界上最早系统记录金属加工工艺的科学著作之一，总结了古代材料加工的智慧。材料成形的历史：工业革命的推动钢铁的大规模生产突破了材料限制，为机械制造提供了坚实的物质基础，使大型构件成为可能。机床的发明与应用金属切削加工成为可能，加工精度和生产效率大幅提升，开启了精密制造时代。从手工到机械的跨越生产方式发生根本性变革，推动社会从农业文明向工业文明转型，确立了机械化大生产模式。材料成形：现代工业的基石材料成形技术是现代工业不可或缺的组成部分，广泛应用于汽车、航空航天、电力及化工等支柱产业，是连接设计与制造的关键桥梁。高附加值核心环节在飞机结构件和发动机部件等关键领域，成形工艺的附加值占比超过90%，直接决定产品成本与性能。国家高端制造竞争力材料成形技术水平直接体现了一个国家在高端装备制造领域的硬实力，是衡量工业现代化程度的重要标志。材料成形的主要方法1.除去加工方法，常用切削、磨削、电火花、电解、束流、腐蚀等。2.液态及粉末成形方法。铸造、注射成形、粉末冶金等。3.连接加工方法，如焊接、粘结、电镀、电铸等。4.变形加工方法，金属塑性加工，如热锻、冷轧。5.表面工程技术，如电镀、热/冷喷涂、物理/化学气相沉积等。材料成形的基本特点特点一：卓越的产品性能加工硬化(WorkHardening)金属在塑性变形过程中，晶粒被拉长、破碎，位错密度增加，导致材料的强度和硬度显著提高。半固态成形(Semi-solidForming)金属在固液共存状态下成形，可有效避免缩孔、疏松等内部缺陷，获得组织均匀、综合性能优异的零件。特点二：复杂形状的生产能力铸造：复杂内腔成型以发动机缸体为例，通过铸造技术可一次性成型出内部复杂的水道与油道结构，这是机械加工难以企及的。锻造：复杂曲面成型如汽车曲轴，利用模具锻打技术，能够高效制造出具有流线型复杂曲面的零件，保证了金属纤维的连续性。冲压：复杂外形成型以汽车门板等覆盖件为例，冲压技术能够快速获得大面积、高精度的复杂车身外形，是汽车制造的关键工艺。特点三：高材料利用率按需分配，废料极少成形过程中，材料严格按照零件的形状进行分配，仅产生少量飞边或废料，从源头减少了资源浪费。成本节约，效益显著尤其对于贵重金属，高材料利用率直接转化为巨大的成本节约，提升了生产的整体经济效益。特点四：高生产效率模具的长效复用性一副优质模具可重复使用成千上万次，确保了产品的高度一致性，大幅降低单件成本，是大批量生产的效率基石。自动化24小时不间断生产结合机械手与自动化设备，生产线可实现全天候运行。例如高速冲床生产小型零件，班产量可达20000件以上，展现惊人产能。特点五：广泛的应用范围机械制造齿轮、轴类、箱体等基础零件的核心加工领域，是工业制造的基石。汽车工业覆盖车身覆盖件、发动机及底盘等关键部件，支撑现代交通出行。航空航天用于飞机结构件、发动机涡轮及火箭燃料箱，代表高精尖制造水平。电子电器生产手机外壳、电脑机箱、连接器等精密零件，是消费电子产业的重要支撑。日常用品涉及塑料餐具、金属厨具、玻璃瓶罐等消费品，渗透到生活的方方面面。材料成形的发展趋势趋势一：精密化从近净成形到净成形追求零件成形后无需或仅需少量机械加工即可满足装配要求，实现“零余量”制造，大幅提升生产效率。微纳尺度成形技术向微型化、纳米尺度发展，满足微机电系统（MEMS）及高端精密仪器对超小型、高精度零件的制造需求。趋势二：优质化过程仿真与优化(CAE)利用计算机辅助工程技术，在生产前模拟成形过程，精准预测并消除潜在缺陷，从源头确保设计的可制造性。在线监测与无损检测引入工业CT、超声波等先进技术，对零件内部质量进行实时“透视”监控，确保每件产品内部结构零缺陷。趋势三：高效化快速原型与模具制造快速原型(RP)：利用3D打印技术将设计方案快速转化为物理模型，缩短开发周期。快速模具：结合RP技术与传统工艺，实现低成本、短周期的模具制造。工艺模拟与优化数值模拟：利用计算机仿真技术优化成形工艺参数。效率提升：减少物理试错次数，显著提高生产效率与良品率。趋势四：信息化智能制造融合深度融合物联网、大数据与AI技术，实现生产过程的自动化、智能化与自主决策。数字孪生监控构建物理设备的虚拟模型，通过实时数据交互，实现全生命周期的仿真、监控与优化。工业软件集成集成CAD/CAM/CAE/PLM等核心软件，夯实现代制造体系的信息化基础。趋势五：复合化工艺复合(ProcessHybridization)将激光、电子束、等离子体等多种高能束加工工艺集成于单一设备，实现复杂零件的一站式精密加工与表面改性，大幅提升加工效率。材料复合(MaterialHybridization)开发碳纤维增强塑料(CFRP)、金属基复合材料等高性能新材料，满足工业对高比强度、高比模量及多功能性的严苛需求。趋势六：绿色化节能减排开发低能耗、低排放的成形工艺，如近净成形、半固态成形等，降低生产对能源的依赖。循环经济推动材料的回收与再利用，实现废金属、废塑料等的循环生产，变废为宝，构建闭环产业链。清洁生产采用环保型工艺和材料，减少生产过程对环境的污染，实现经济效益与环境效益的双赢。中国制造2025与材料成形课堂讨论263D打印技术，第三次工业革命？课程内容第一章铸造技术金属焊接成形金属塑性成形的理论基础金属塑性成形工艺第二章第三章第四章第五章非金属材料的成形陶瓷与粉末冶金成形复合材料及成形工艺材料表面工程技术第六章第七章第八章第一章：

铸造技术课程前言学科地位与价值铸造是金属液态成形的主要方法，在制造业中具有不可替代的地位，广泛应用于机械、汽车及航空航天等领域。课程核心内容系统介绍铸造的基本理论、工艺方法、质量控制及最新发展，构建从理论到实践的完整知识体系。课程学习目标掌握铸造基本原理，理解不同工艺特点，培养分析和解决简单铸造工艺问题的能力。1铸造技术

目录第二节铸造成形理论基础第三节液态金属成形过程中的缺陷第四节砂型铸造第五节特种铸造第六节铸造成形新技术第一节铸造技术概述基本概念与原理铸造是将金属液浇注到与零件形状、尺寸相适应的铸型型腔中，待其冷却凝固后，获得一定形状的毛坯或零件的方法。

该工艺也被称为金属的液态成形，其核心在于利用液态金属的流动性来填充型腔，从而获得复杂形状的构件。图示：铸造工艺流程示意图铸造技术

1.1.1铸造的定义1.1▎铸造技术概述铸造件是构成现代机械设备的基础，在各类关键机械装备中占据极高比重。机床/内燃机/重型机械70%~90%铸件是此类设备的主体构成部分，决定了设备的基础性能。风机/压缩机60%~80%核心零部件如叶轮、缸体等多采用铸造工艺，保证结构强度。汽车制造领域20%~30%尽管冲压件普及，发动机缸体等核心部件仍依赖精密铸造技术。典型铸件示例：汽车发动机缸体铸造技术

1.1.2铸造的应用领域1.1▎铸造技术概述适用于复杂零件成形铸造技术最显著的优势在于能够制造形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯件。

典型应用：各类箱体、阀体、缸体机床床身、底座和支座

相比其他加工方式，铸造可实现一次成形，显著降低了复杂结构件的制造成本与难度。图示：结构复杂的工业阀体铸件展示了铸造工艺在复杂内腔成形方面的独特优势1.1.3铸造技术的优势铸造技术

1.1▎铸造技术概述适应性广(WideAdaptability)无尺寸与重量限制铸件大小范围极广，可从几克的微型精密零件到几百吨的重型机械部件，跨度极大。材料选择丰富几乎适用于所有金属材料，包括铸铁、铸钢以及铝、铜等非铁合金，满足不同性能需求。微型精密铸件重量仅几克，结构复杂，展示了铸造技术在微观尺度的精细加工能力。巨型船用螺旋桨重达数百吨，体积庞大，体现了铸造技术在宏观重型装备制造中的不可替代性。成本低廉原材料来源广泛，价格低廉，铸件成本低且不需要昂贵的设备，适合大规模生产。生产效率高采用特殊铸造方法生产的铸件，部分可直接成为零件，节省金属并提高整体生产效率。铸造技术

1.1▎铸造技术概述1.1.4铸造技术的缺点组织疏松与晶粒粗大由于液态成形特性，金属在凝固过程中易形成疏松组织，且晶粒相对粗大，这是铸造工艺的固有特征。内部缺陷与性能影响工艺控制不当易产生缩孔、缩松、气孔等缺陷，这些内部隐患会显著降低铸件的力学性能，如强度和韧性。金相显微照片：铸件内部缩孔缺陷微观形貌(300μm标尺)铸造技术

1.1▎铸造技术概述1.1.4铸造技术的缺点工序复杂，质量不稳定涉及制模、造型、熔炼等多个环节，任一环节控制不当均可能导致质量缺陷，废品率相对较高。劳动条件较差，强度较大传统砂型铸造环境粉尘大，自动化程度低，工人需在恶劣环境下进行重体力作业，劳动强度高。铸造技术

1.1▎铸造技术概述1.1.5铸造技术的发展趋势驱动与态势现代技术推动铸造生产向机械化、自动化、信息化发展，新工艺、新技术、新材料不断涌现，形成优质、高效、低能耗的生产态势。专业化(Specialization)细分领域深耕，提升生产效率与产品质量一致性。智能化(Intelligentization)引入AI与大数据分析，实现生产过程的自动控制与优化。精密化工艺示例图示：精密铸造工艺中，不同浇口杯设计对金属液流速及型腔填充效果的影响，体现了工艺控制的精密化要求。铸造技术

1.1▎铸造技术概述目录第二节铸造成形理论基础第三节液态金属成形过程中的缺陷第四节砂型铸造第五节特种铸造第六节铸造成形新技术第一节铸造技术概述1.2.1液态金属的充型能力流动性的衡量与影响因素定义指液态金属充满铸型型腔，形成轮廓清晰、形状完整铸件的能力，是成形的基础。衡量标准通常采用螺旋形试样或真空试样的流动长度来定量表征液态金属的流动性优劣。关键因素主要受金属本身的物理性质（如成分、温度）以及铸型条件（如温度、结构）影响。铸造技术

1.2▎铸造成形理论基础充型能力的定义液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为液态合金的流动性，也叫做充型能力。它是铸造性能的重要指标之一。流动性良好(优势)易于铸造形状复杂的铸件有助于凝固过程中的补缩有利于气体和夹杂物的排出流动性不足(缺陷)易产生浇不足缺陷(铸件轮廓不完整)易形成冷隔(金属液未熔合)可能导致气孔、夹渣等次生缺陷铸造技术

1.2▎铸造成形理论基础流动性的衡量方法螺旋流动性实验法工业中最常用的定量衡量方法是利用标准的螺旋形铸型进行实验。指标：螺旋线长度在相同工艺条件下，测得的螺旋线长度越长，表明液态合金的充填能力越强，即流动性越好。图示：螺旋流动性试样铸型结构示意图常用合金的流动性数据不同合金的流动性存在显著差异，螺旋线长度是衡量流动性的重要指标。合金种类造型材料浇注温度（℃）螺旋线长（mm）铸铁（C＋Si=6.2%）砂型13001800铸钢（C=0.4%）砂型1600100硅黄铜（Si=1.5~4.5%）砂型11001000铝合金砂型700400~600结论：灰铸铁和硅黄铜的流动性最佳（>1000mm），铸钢流动性最差（仅100mm）。流动性直接影响铸件的成型能力，铸钢件生产需更高的工艺控制。影响充型能力的因素金属性质(MetalProperties)物理参数：密度、比热、导热系数、结晶潜热流变特性：动力黏度、表面张力凝固特征：结晶温度区间及结晶特点铸型特性(MoldCharacteristics)热物理性能：导热系数、蓄热系数界面性质：涂料层的隔热性与润滑性工艺特性：铸型的发气性和透气性浇注条件(PouringConditions)温度压力：浇注温度、静压头高度系统设计：浇注系统的结构形式与尺寸辅助措施：外力场（如压力、真空、离心）铸件结构(CastingStructure)几何尺寸：折算厚度（模数）大小复杂程度：型腔结构的复杂程度流动阻力：铸件壁厚变化及转折情况影响因素一：金属性质核心因素：结晶特点金属在凝固过程中的结晶形态（如树枝晶发达程度）直接决定了液流通道的通畅性，是影响流动性的最关键内在因素。物理热学性质密度：影响液态金属的惯性与流动阻力比热与导热系数：决定热量散失速度结晶潜热：凝固时释放的热量影响流动性流体与表面性质动力黏度：黏度越大，流动阻力越大表面张力：影响液态金属的润湿性与流动形态（1）结晶特点的影响纯金属/共晶合金凝固特性：在固定温度下凝固，固液界面平滑。流动效果：流动阻力小，流动性好。宽结晶温度范围合金凝固特性：形成发达的树枝晶，固液界面粗糙。流动效果：增加流动阻力，流动性差。（2）合金成分与流动性的关系规律与原理成分决定流动性：合金成分越接近共晶成分，其结晶温度范围越窄，流动性越好。Fe-C合金实例：灰铸铁因含碳量接近共晶点，具有优异的铸造流动性；而铸钢因结晶温度范围宽，流动性相对较差。图：Fe-C合金流动性与含碳量(C%)的关系曲线影响因素二：铸型特性热物理参数铸型的蓄热系数与温度直接决定了金属液在型腔中的冷却速度，是影响充型能力的关键热学因素。发气性与透气性铸型受热产生的气体若无法通过透气性排出，会在型腔内形成反压力，阻碍金属液的正常流动。流动阻力特性型腔的表面粗糙度以及几何形状的复杂度，会构成金属液流动的物理阻力，影响充型效果。（1）铸型预热的作用原理与机制降低温度梯度减小金属液与铸型之间的温差，降低热交换速率，减缓金属液冷却速度。延长流动时间推迟凝固壳的形成，增加液态金属的保持时间，使其有更充足的时间充满型腔。提升充型能力有效改善复杂薄壁铸件的成型质量，减少浇不足、冷隔等铸造缺陷。冷铸型vs热铸型对比图示：冷铸型形成厚凝固层阻碍流动；热铸型凝固层薄，流动性好。（2）铸型的透气性与发气性气阻形成机制当铸型透气性差或发气性过大时，型腔内气体压力升高，在金属液前沿形成气阻，阻碍金属液流动。含水量的影响湿砂型含水量过高会加剧发气过程，增加气体生成量，进一步恶化气阻问题，可能导致浇不足或气孔缺陷。图示：气阻阻碍金属液流动示意图金属液前沿形成气阻，导致铸件轮廓不完整影响因素三：浇注条件浇注温度(PouringTemperature)最关键的工艺参数。温度升高可显著降低金属液粘度，提高流动性，改善充型能力。但过高的温度会导致晶粒粗大、缩孔缩松等缺陷。静压头(StaticHead)指浇口杯液面至铸件型腔最低点的高度。增加静压头可提高金属液的流动压力，改善其充型能力。浇注系统结构(GatingSystem)包括浇道的截面形状、尺寸及布置方式。合理的设计可减少流动阻力，平稳导入金属液，避免飞溅和氧化。（1）浇注温度的影响充型能力与缺陷平衡温度与充型能力的正相关性在一定范围内，浇注温度越高，金属液粘度越低，充型能力越强。高温带来的缺陷风险温度过高会导致吸气严重、氧化加剧，进而引发缩孔、粘砂及气孔等铸造缺陷。推荐工艺窗口不同合金材料存在特定的最佳浇注温度范围，需在充型与缺陷间寻找平衡。浇注温度影响趋势图蓝色曲线代表充型能力，红色曲线代表缺陷倾向。阴影区域为推荐的最佳工艺窗口。（2）静压头与浇注系统静压头：提升充型动力原理：静压头指金属液面到内浇道的高度差。高度越大，金属液流速越快，充型能力越强。

设计建议：采用高浇口杯设计，确保在型腔高处仍有足够压力。浇注系统：降低流动阻力原理：浇注系统结构越复杂，流动阻力越大，充型能力越差。

设计建议：保持流道简单流畅，避免过多拐弯和截面突变，防止流速衰减。影响因素四：铸件结构关键因素一：折算厚度铸件壁越薄，折算厚度越小，散热越快。金属液易在充满型腔前凝固，导致充型困难。关键因素二：结构复杂度铸件结构越复杂，型腔的流动阻力越大。金属液需绕过更多障碍，增加了充型难度。1.2.2液态金属的凝固与收缩凝固方式、收缩阶段与铸造缺陷分析凝固方式掌握逐层凝固、中间凝固和体积凝固三种基本模式，理解温度梯度对凝固的影响。收缩阶段分析液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段的特征，量化体积变化规律。铸造缺陷关联探究缩孔、缩松及裂纹等缺陷的形成机理，建立工艺优化的理论基础。铸造技术

1.2▎铸造成形理论基础液态金属的凝固结晶过程机制铸造合金的结晶通过两个基本过程实现：首先是晶核的形成，随后是晶体的生长。实际生产中的非均质形核实际生产中多为非均质形核，金属液中的外来质点（微小固体颗粒）作为晶核，促进结晶。孕育（变质）处理通过加入孕育剂人为增加非均质晶核数量，从而细化晶粒，显著改善铸件的力学性能。1.2.2液态金属的凝固与收缩铸造技术

1.2▎铸造成形理论基础（1）铸件的典型晶区表层细晶区金属液与冷型壁接触激冷，过冷度大，形成大量细小的等轴晶。柱状晶区晶体生长方向与热流方向相反的晶粒优先生长，形成垂直于型壁的柱状晶。中心等轴晶区心部温度均匀，晶体各向同性生长，形成粗大等轴晶。（2）铸件的凝固方式逐层凝固特征：固液界面分明，两相区窄。

适用对象：纯金属或共晶合金。糊状凝固特征：存在宽的液固两相区，凝固区像糨糊一样。

适用对象：宽结晶温度范围的合金。中间凝固特征：凝固区域宽度介于逐层凝固与糊状凝固之间。

适用对象：大多数实际应用的合金。凝固方式一：逐层凝固基本定义与特征适用对象：纯金属或共晶成分合金凝固过程：固液两相之间存在明确的分界面，固体层从表面逐渐向内增厚。主要工艺特点易形成集中缩孔，补缩效果好。铸件内部致密性较好，力学性能优良。图合金凝固方式示意图凝固方式二：糊状凝固形成机理与特征适用于结晶温度范围宽的合金，凝固时铸件断面上存在较宽的液固两相共存区。无明显的固液分界面，凝固组织呈糊状。工艺特点与缺陷树枝晶骨架发达，液体补缩通道受阻，难以进行有效补缩。易形成缩松，导致铸件致密性较差。凝固方式三：中间凝固基本定义介于逐层凝固和糊状凝固之间的凝固方式，大多数工业用合金（如亚共晶铸铁、碳钢）属于此类。凝固特点凝固区域宽度中等，兼具前两种方式的特征。铸件中可能同时出现集中缩孔和分散缩松。图：凝固方式示意图（3）影响凝固方式的因素合金的结晶温度范围范围越小→凝固区域越窄→逐层凝固合金成分决定了结晶温度区间的大小。纯金属和共晶合金的结晶温度范围为零，倾向于逐层凝固；而亚共晶或过共晶合金随着成分偏离共晶点，结晶温度范围变宽，逐渐向体积凝固过渡。铸件的温度梯度梯度越大→凝固区域越窄→逐层凝固温度梯度指铸件内部的温度变化率。受冷却条件影响，温度梯度越大意味着铸件内外温差越大，热量散失越快，固液两相区变窄，从而倾向于逐层凝固。合金性质主要取决于合金的热导率和结晶潜热。热导率越高，温度越易均匀化，梯度越小。铸型蓄热能力铸型蓄热系数越大，激冷作用越强，铸件表面温度下降越快，导致内部形成更大的温度梯度。浇注温度浇注温度越高，铸件整体温度偏高，内外温差相对减小，凝固时的温度梯度也随之变小。图示：温度梯度对凝固区域的影响（3）影响凝固方式的因素液态金属的收缩基本定义收缩是指合金在浇注、凝固直至冷却到室温的过程中体积或尺寸缩减的现象，是合金固有的物理特性。主要危害若控制不当，会导致铸件产生缩孔、缩松、变形和裂纹等缺陷，严重影响铸件质量。（1）收缩的三个阶段01液态收缩从浇注温度冷却到液相线温度的收缩。此时金属完全处于液态，体积变化较大。02凝固收缩从液相线温度到固相线温度的收缩。此时金属处于液固共存状态，易产生缩孔缩松。03固态收缩从固相线温度冷却到室温的收缩。此时金属完全处于固态，主要引起铸件尺寸变化。收缩过程全流程图示合金收缩率为三个阶段收缩总和（2）收缩的衡量指标体积收缩率(VolumeShrinkage)衡量金属体积的相对变化量。它直接决定了铸件内部缩孔、缩松等宏观与微观缺陷的形成和分布。计算公式：εv=(V₀-V₁)/V₀×100%线收缩率(LinearShrinkage)衡量尺寸的相对变化量。主要决定铸件的最终尺寸精度，同时也是导致铸件产生变形和裂纹的主要原因。计算公式：εl=(L₀-L₁)/L₀×100%（3）常见铸造合金的收缩率合金种类液态收缩率(%)凝固收缩率(%)固态线收缩率(%)铸钢1.6~2.53.0~4.01.8~2.5灰铸铁3.5~4.50.5~1.00.8~1.2球墨铸铁4.0~5.03.0~4.01.0~1.5铝合金4.5~6.53.5~5.00.8~1.5注：数据仅供参考，实际收缩率受化学成分、浇注温度及铸型条件影响。目录第二节铸造成形理论基础第三节液态金属成形过程中的缺陷第四节砂型铸造第五节特种铸造第六节铸造成形新技术第一节铸造技术概述铸造技术

1.3▎液态金属成形过程中的缺陷1.3.1缩孔与缩松液态金属在凝固过程中发生体积收缩，若收缩得不到液态金属的及时补充，会在铸件最后凝固的部位形成一个集中的、较大的孔洞，即称为缩孔。形成过程示意图详解缩孔的特征宏观形貌特征缩孔通常表现为集中的、形状不规则的大孔洞，多呈倒锥形，内壁粗糙。常见于铸件上部、厚大部位或冒口根部，即最后凝固区域。形成机理与倾向纯金属或共晶合金由于在恒温下凝固，液固共存区窄，凝固层推进迅速，极易在中心形成封闭的液相区，收缩后无法得到补缩，从而形成集中缩孔。缩松的特征定义与特征缩松是铸件中形成的许多分散、细小的缩孔。它主要出现在具有宽结晶温度范围的合金中，表现为疏松的微观结构。形成机理凝固时液固两相共存，液态金属被固态枝晶分割成孤立小液池。这些小液池凝固收缩时无法得到有效补充，最终形成大量微小孔洞。缩孔与缩松的危害力学性能显著降低破坏铸件的致密性与连续性，减少有效承载面积。受力时易引发应力集中，成为裂纹源，导致强度、塑性和韧性大幅下降。使用性能严重受损严重影响铸件的气密性和耐压性，可能导致漏气、漏水等问题。对于有特殊物理化学性能要求的铸件而言，此类缺陷往往是致命的。影响缩孔与缩松的因素金属的性质金属的液态收缩和凝固收缩率越大，形成缩孔和缩松的倾向就越大。收缩特性是产生缺陷的内在原因。铸型的冷却能力铸型冷却能力越强，铸件越容易形成逐层凝固，有利于液态金属的补缩，从而有效减少缩孔缩松的形成。浇注温度与速度浇注温度越高，液态收缩量越大，缩孔容积也越大；浇注速度过慢可能导致提前凝固，增加缩孔倾向。铸件尺寸铸件壁厚越大，内部金属液温度越高，液态收缩时间越长，热量难以散失，越容易形成大的缩孔或缩松。防止措施：顺序凝固原则工艺措施通过合理设置浇口、冒口及安放冷铁，控制铸件的凝固方向。核心目标是建立从铸件末端到浇冒口的温度梯度。凝固顺序机制使铸件远离浇口的部位最先凝固，随后朝着浇口和冒口方向由远及近依次凝固，最后凝固的是冒口。补缩效果与目的利用后续凝固的金属液补充先凝固区域的收缩，将缩孔集中到冒口中，获得致密铸件。图顺序凝固方式示意图：温度分布与凝固区域防止措施：同时凝固原则原理：均衡凝固通过工艺措施减小铸件各部分温差，使其几乎同时开始和结束凝固，从根本上降低热应力。主要优势：防裂高效显著减小铸造应力，有效防止变形和裂纹；对冒口依赖小，金属利用率高，工艺成本较低。适用范围：特定铸件适用于对致密性（气密性）要求不高，但对变形和裂纹控制严格的铸件。中心易产生缩松。图同时凝固方式示意图（温度分布与结构示意）铸造技术

1.3▎液态金属成形过程中的缺陷1.3.2气孔与夹杂气孔的定义与危害什么是气孔？气孔是指在液态金属中溶解或卷入的气体，在金属凝固前未能及时逸出，最终在铸件内部或表面形成的孔洞。主要危害有哪些？破坏金属连续性，减小有效承载面积，引起应力集中，降低铸件的强度、塑性和疲劳寿命。对于承受交变载荷的零件，气孔可能成为疲劳裂纹源点，导致早期失效。气孔的分类一：析出性与侵入性气孔析出性气孔(PrecipitationPorosity)成因：金属液冷却时，气体（如氢气、氮气）溶解度下降而析出。特征：通常细小，分布在铸件整个截面或局部区域。侵入性气孔(InvasivePorosity)成因：铸型或砂芯受热气化产生气体（如水蒸气）侵入金属液。特征：通常较大，多分布在铸件表层或靠近砂芯的部位。气孔的分类二：反应性气孔形成机理：化学反应产气由液态金属内部元素之间，或金属与铸型材料发生化学反应生成气体。典型案例是铝、镁等活性元素与铸型水分反应生成氢气。形态特征：皮下气孔通常位于铸件表面以下不深处，呈现小针状或蜂窝状分布，是铸造生产中常见的表面缺陷之一。图示：反应性气孔形成过程示意图夹杂物夹杂物是指存在于铸件内部或表面的、与基体金属成分不同的非金属相或金属相颗粒。主要来源分类原材料带入：金属炉料本身含有的杂质。熔炼反应：脱氧、脱硫等化学反应产生的产物。二次氧化：浇注过程中金属液与炉衬、浇包反应或被空气氧化形成。分类体系：化学成分与形态特征化学成分：主要包括氧化物、硫化物、氮化物等。几何形状：可分为球形、棱角形、片状等不同形态。主要危害：结构破坏与性能劣化应力集中：棱角形夹杂物破坏基体连续性，显著降低韧性与疲劳强度。热裂倾向：低熔点夹杂物（如硫化铁）分布于晶界，易引发高温热裂。防止气孔与夹杂的措施01.消除来源严格控制原材料质量，去除炉料表面的锈迹和油污确保铸型和砂芯的干燥，减少发气物质02.熔体精炼熔炼过程中进行充分的除气和除渣处理使用除气剂、过滤器等设备净化金属液03.规范操作设计合理浇注系统，保证平稳充型，避免卷气设置过滤网，有效阻挡熔渣进入型腔铸造技术

1.3▎液态金属成形过程中的缺陷1.3.3应力、变形及裂纹铸造应力的定义与分类什么是铸造应力？铸件在凝固冷却过程中，因温度变化不一致导致收缩不均，或收缩受到铸型/型芯机械阻碍，从而在内部产生的内应力。这是导致铸件变形和开裂的根本原因。主要分类1.热应力：由铸件各部分冷却速度不同、收缩不一致而产生。2.机械应力：由铸件的固态收缩受到铸型或型芯的机械阻碍而产生。图1-10热应力的形成示意图：展示了应力框在冷却过程中，由于各部分冷却速度差异导致的应力分布变化。铸件的变形与开裂变形机理：应力释放当内部残余应力超过材料屈服强度时，铸件发生塑性变形以释放应力，达到相对稳定状态。主要危害：尺寸超差形状和尺寸偏离设计要求，常导致加工余量不足或无法装配，最终造成铸件报废。常见形式铸件常见的变形形式包括弯曲、扭曲、翘曲等。图示：典型的铸件弯曲变形缺陷防止变形的措施01优化结构设计设计铸件时应尽量使其壁厚均匀、形状对称，从根源上减少各部分的温差和应力集中。02采用反变形法根据变形规律，在模具制作时预先做出一个与变形方向相反的“反变形量”，以抵消最终变形。03进行时效处理通过自然放置或人工加热保温，使铸件内应力得到充分释放，从而稳定铸件尺寸。铸件的裂纹：热裂形成机理与条件热裂发生于凝固末期的高温阶段。此时铸件大部分已凝固，但晶界间仍有少量液态金属，强度极低。当收缩应力超过其强度极限时，便沿晶界开裂。宏观特征识别裂纹短而粗，形状曲折不规则，裂口较宽。由于高温氧化，裂纹内部通常呈现暗褐色或黑色的氧化色，且表面无金属光泽。图示：铸件热裂纹微观形貌（曲折不规则，沿晶分布）热裂的形成原因与防止措施形成原因分析合金性质影响结晶温度范围宽导致液膜存在时间长；硫、磷等低熔点杂质形成共晶，加剧热裂倾向。工艺与结构缺陷铸件壁厚不均或尖角造成应力集中；铸型/型芯退让性差，增加机械阻碍，引发裂纹。关键防止措施优化合金成分严控硫磷含量，添加稀土元素细化晶粒，提升高温强度。改进铸件结构设计避免壁厚突变和尖角，增加铸造圆角以分散应力。改善工艺条件提高铸型退让性，合理设置浇冒口实现顺序凝固。铸件的裂纹（二）：冷裂形成机制与条件冷裂发生在铸件完全凝固后的低温阶段。当内部残余热应力与机械应力之和超过材料低温强度极限时产生。宏观形貌特征裂纹细小，呈连续直线状或锯齿状，通常穿晶扩展。断口表面干净，具有金属光泽或轻微氧化色。常见产生部位多发生在铸件受拉伸的部位，或存在尖角、壁厚突变等应力集中的区域。图示：铸件冷裂纹微观形貌，可见直线状穿晶裂纹特征铸造技术

1.3▎液态金属成形过程中的缺陷1.3.4其他缺陷粘砂与夹砂粘砂(Scab)定义：铸件表面黏附一层难以清除的砂粒，影响外观与加工。成因：砂型耐火度不足、金属液温度过高或涂料失效。措施：选用高耐火度型砂，严控浇注温度，确保涂料均匀涂刷。夹砂(SandInclusion)定义：铸件表面形成沟槽和疤痕状缺陷，破坏表面完整性。成因：砂型表面受热拱起翘曲，随后被金属液冲刷断裂并卷入。措施：提高型砂热稳定性与湿强度，改善结构设计，合理设置浇冒口。砂眼与胀砂砂眼定义：铸件内部或表面充满型砂的小孔洞，破坏金属连续性。成因：造型或浇注时砂粒脱落进入金属液并被包裹。影响：降低有效承载面积，显著削弱力学性能。措施：提高型砂强度，改善造型工艺，加强挡渣，确保砂芯稳固。胀砂定义：铸型型壁受金属液压力移动，导致铸件局部尺寸增大、形状不规则。成因：砂型湿态强度或紧实度不足，无法抵抗金属液压力。影响：尺寸超差、形状畸变，严重时可能引起跑火。措施：提高紧实度和强度，合理设计结构，控制浇注速度。浇不足与冷隔浇不足(Misrun)定义：充型能力不足，未能充满型腔，导致形状不完整。成因：流动性差、浇注温度低、浇口太小或壁厚过薄。措施：提高浇注温度，优化成分设计以增强流动性，合理设计浇注系统。冷隔(ColdShut)定义：金属液流汇合时温度过低，未完全熔合，形成接缝或薄弱面。成因：流动过程温降过快，前沿形成氧化膜阻碍熔合。措施：保证足够的浇注温度，确保金属液充满并充分熔合。目录第二节铸造成形理论基础第三节液态金属成形过程中的缺陷第四节砂型铸造第五节特种铸造第六节铸造成形新技术第一节铸造技术概述铸造技术

1.4▎砂型铸造1.4.1砂型铸造的基本工艺过程什么是砂型铸造？一种将液态金属浇铸至砂型中，形成铸件的方法，是目前应用最广泛、最基本的铸造技术之一。主要优点(Advantages)材料来源广泛，价格低廉，成本可控设备简单，操作灵活，生产准备周期短不受合金种类、铸件尺寸及重量的限制适用范围极广，可生产形状复杂的铸件主要缺点(Disadvantages)铸件尺寸精度较低，表面粗糙度值较高单件小批量生产时，生产周期相对较长需进行落砂清理，劳动条件相对较差工艺流程概览涵盖七个核心步骤：设计模样和芯盒→配制型砂和芯砂→制造砂型和型芯→装配铸型→浇注金属液体→冷却凝固→落砂清理。步骤1：设计模样和芯盒模样(Pattern)用于形成铸件的外形，相当于铸件的“外模”。其形状直接决定了铸件的外部轮廓。芯盒(CoreBox)用于制造型芯，形成铸件的内部孔洞或空腔，相当于铸件的“内模”。设计与制造要求必须根据铸件的形状、尺寸精度和技术要求进行精确设计，确保尺寸公差符合标准。步骤2：配制型砂和芯砂基本概念：型砂vs芯砂型砂：用于制造砂型（铸型的外形部分）芯砂：用于制造型芯（铸型的内部部分）组成成分与性能要求主要成分：原砂、粘结剂（黏土）、水及附加物关键性能：需具备合适的强度、透气性和耐火性步骤3：制造砂型和型芯手工造型工艺制造砂型：将型砂填入砂箱，利用模样紧实成型，形成铸型的外腔。制造型芯：将芯砂填入芯盒，紧实后取出，形成铸型的内腔。机器造型生产线自动化生产：通过专业造型机和机械臂，实现高效率、高精度的砂型制备。优势：生产效率高，铸件尺寸精度高，表面质量好，适合大批量生产。步骤4：装配铸型01.型芯定位将制造好的型芯准确地安放在砂型的预定位置上，确保位置精准无误。02.合箱组装合上上砂箱和下砂箱，形成一个完整的铸型，准备进行浇注工序。03.紧固与排气检查合箱后需确保铸型紧固，并检查排气通道畅通，防止浇注时跑火或产生气孔。工艺过程将熔炼好的金属液体（如铁水、钢水、铝液）通过浇口杯浇入铸型，是铸造成型的关键步骤。关键控制要求需严格控制浇注温度、速度和时间，确保金属液平稳、连续地充满型腔，避免产生夹渣、气孔等缺陷。目标：平稳连续充型，防止飞溅与卷气，保证铸件内部质量。步骤5：浇注金属液体步骤6：冷却凝固相变过程金属液在铸型内失去热量，温度逐渐降低，从液态转变为固态，形成完整的铸件轮廓。时间影响因素冷却时间主要取决于金属种类（如铝、铁）、铸件尺寸大小以及铸型材料的导热性能。关键质量决定凝固过程直接决定了铸件内部的晶粒组织形态，进而影响其最终的力学性能。图示：金属液从液态向固态转变的凝固界面示意步骤7：落砂清理机械清理：抛丸作业利用抛丸机高速抛出的弹丸流，强力冲击铸件表面，高效去除粘砂和氧化皮。常用于大批量、结构复杂铸件的初步清理。精细修整：人工打磨通过手工操作砂轮机或角磨机，去除浇冒口残留、飞边毛刺，修整铸件表面。确保铸件达到最终的尺寸精度和表面光洁度要求。湿砂型（湿型）特征：黏土粘结，不经烘干直接浇注特点：效率高、成本低、易自动化；但强度低、易发气。适用：单件/批量生产，尤其大批量生产铝/镁合金及铸铁件。干砂型（干型）特征：高粘土含量，经烘干处理特点：强度高、缺陷少；但周期长、能耗高、难自动化。适用：单件/小批生产，质量要求高、结构复杂的中大型铸件。表面烘干型特征：仅干燥型腔表层(15-20mm)特点：综合了湿砂型和干砂型的优点，兼顾效率与质量。适用：单件/小批量生产中大型铝合金和铸铁件。自硬砂型特征：水玻璃/树脂粘结，化学反应硬化，无需烘烤特点：强度高、效率高、低粉尘；但成本较高，易粘砂。适用：单件或批量生产各类铸件，尤其是大、中型铸件。常用砂型的主要特点和适用范围铸造技术

1.4▎砂型铸造1.4.2造型与造芯手工造型主要依靠手工完成填砂、紧实、起模、修型等造型工序，是最基础的铸造方法。工艺特点优点：操作灵活、适应性强、设备简单、成本低。缺点：生产效率低、劳动强度大、质量不稳定，对工人技术要求高。适用范围适用于单件、小批量生产，特别适合大型、复杂铸件的生产场景。图示：传统手工造型车间作业场景手工造型方法分类按砂箱特征分类两箱造型三箱造型脱箱造型地坑造型组芯造型按模样特征分类整模造型分模造型挖砂造型假箱造型活块造型刮板造型手工造型（按砂箱特征分类）两箱造型最基本的造型方法，铸型由上箱和下箱组成，操作方便，应用最广。三箱造型用于铸件两端截面尺寸大于中间截面的情况，需要三个砂箱，造型复杂。地坑造型直接在地面的砂坑中造型，不需要砂箱或只用上箱，适用于大型铸件。组芯造型用若干个砂芯组合成铸型，适用于形状复杂、难以用整体砂型成型的铸件。手工造型（按模样特征分类）整模造型模样是整体的，分型面是平面，造型简单，铸件精度高。分模造型模样沿最大截面分为两半，造型方便，应用广泛。挖砂造型当模样的分型面不是平面时，需要手工挖去阻碍起模的型砂，造型复杂。假箱造型为克服挖砂造型的缺点，先做一个假箱作为底胎，再在上面造下箱。手工造型（按模样特征分类）活块造型当铸件上有小的凸台或肋板等妨碍起模的部分时，将这些部分做成可以活动的“活块”，起模时先取出主体模样，再取出活块。刮板造型对于等截面或回转体的大、中型铸件，用刮板代替整体模样，绕轴线旋转刮出砂型形状，能大大节省木材。常用手工造型方法对比造型方法名称主要特点适用范围整模造型模样为整体，分型面是平面，造型简单，铸件精度高。最大截面在一端且为平面的简单铸件，单件、小批生产。分模造型模样沿最大截面分为两半，造型简便，节省工时。最大截面在中部的对称或非对称铸件（如套类、管类）。挖砂造型分型面非平面，需手工挖砂，费工时，技术要求高。分型面为曲面的铸件，单件、小批生产。假箱造型利用假箱代替挖砂，造型简便，分型面整齐。成批生产需挖砂的铸件。活块造型带有活动部分，起模困难，生产率低，技术要求高。带有凸出部分难以起模的铸件，单件、小批生产。刮板造型用刮板代替模样，节约木材，生产率低，精度差。等截面或回转体的大、中型铸件（如带轮、铸管）。两箱造型铸型由上、下箱组成，操作方便。最基本的方法，适用于各种铸件和批量。三箱造型需三个砂箱，造型复杂，生产率低。具有两个分型面的中、小型铸件，手工造型。机器造型利用机械设备完成紧砂和起模这两个关键工序的造型方法，是铸造生产机械化的核心环节。主要特点优势：生产效率高、铸件精度高、表面质量好、劳动条件优越。局限：设备投资大，对产品变换的适应性较差。适用范围适用于成批、大量生产各类铸件，是现代铸造生产的主流方式。常见的机器造型方法震压造型(Jolt-squeezeMolding)利用振动和压实紧砂，应用广泛，噪音较大微震压实造型(MicroseismicMolding)先微震后压实，紧实度高且均匀，噪音较小高压造型(High-pressureMolding)高比压压实，砂型硬度高，适合自动化流水线抛砂造型(SandSlingingMolding)利用离心力抛出型砂，紧实度分布合理气冲造型(AirImpactMolding)压缩空气冲击紧实，速度快，噪音低典型造型机结构示意图气冲造型原理工作原理：压力波紧实机制01.初实层下压阶段气压差迅速提升表层型砂紧实度，形成初步紧实层并向下推进。02.逐层滞止阶段型砂前沿与模具剧烈冲击，紧实度骤增，从下至上逐层增强紧实度。技术特点与优势高质量铸件砂型紧实度高且均匀，精度高设备优势结构简单易维修，能耗低环境友好散落砂少，工作噪声小负压造型（真空密封造型）工艺过程工艺原理：利用负压（真空）使无粘结剂的干砂紧实成形，实现快速造型与溃散。01.覆膜准备将塑料薄膜加热软化后，通过真空吸附使其紧密贴合在模样表面，为后续造型做准备。02.造型紧实填充干砂并微震紧实，刮平表面后覆盖背膜，再次抽真空，使干砂在负压下固定成形。03.合箱浇注保持负压状态下起模、下芯、合箱并浇注。铸件凝固后恢复常压，型砂自行溃散。常用机器造型方法对比造型方法工作原理主要特点与适用范围震压造型先机械震击，再用低压(0.15~0.4MPa)压实。结构简单造价低，效率较高；但噪声大。适用于成批大量生产中、小型铸件。微振压实造型高频微振利用惯性压实，同时或随后加压。紧实度高且均匀，适应性强；但微振部件易磨损。适用于成批大量生产各类铸件。高压造型使用较高比压(0.7~1.5MPa)紧实型砂。铸件精度高、光洁，易自动化；但设备昂贵。适用于成批大量生产中、小型铸件。抛砂造型利用离心力抛出型砂，惯性力紧实。无需专用砂箱，噪声小；但效率低、技术要求高。适用于单件小批生产中、大型铸件。气冲造型燃气或压缩空气瞬间膨胀产生压力波紧实。精度高，结构简单能耗低；尤其适合复杂件。适用于成批大量生产中、小型铸件。负压造型无粘结剂型砂密封后抽真空，使干砂紧实。铸件光洁，旧砂易处理，污染小；但效率低。适用于单件小批生产形状简单的铸件。造芯工艺目的形成铸件的内腔、孔洞，或者铸件外形的一部分，相当于铸件的“内部模具”。质量重要性砂芯的强度、透气性及尺寸精度直接决定了铸件的内部质量，是避免气孔、冲砂等缺陷的关键。工艺要求需具备足够的强度以抵抗金属液冲击，良好的透气性排气，以及一定的退让性防止铸件开裂。图：砂芯实物展示工艺概述制芯方法芯盒制芯（最常用）整体式芯盒：适用于形状简单、有较大平面的砂芯。分开式芯盒：适用于短粗圆柱形或形状较复杂的砂芯。可拆式芯盒：适用于形状非常复杂的砂芯。机器制芯（大批量生产）广泛应用于大批量生产场景，相比手工制芯，具有生产效率高、产品质量稳定、一致性好等显著优势，是现代化铸造车间的主流选择。整体式芯盒示例分开式芯盒示例砂芯的处理放置芯骨在砂芯中埋入铁丝或铸铁制成的芯骨，以提高砂芯的强度，便于吊运和下芯。扎通气孔用通气针扎出许多小孔，提高砂芯的透气性，防止铸件产生气孔缺陷。烘干处理将砂芯放入烘干炉中烘干，去除水分，进一步提高其强度和透气性。表面刷涂料在砂芯表面涂刷一层涂料，提高其耐火度，防止铸件内表面产生粘砂缺陷。铸造技术

1.4▎砂型铸造1.4.3刷涂料与开设浇注系统刷涂料的作用和要求主要作用：表面保护在铸型和型芯表面形成保护层，防止高温金属液烧蚀砂型，避免粘砂、夹砂、砂眼等缺陷，从而提高铸件表面质量。性能要求高耐火度：高温下不熔化、不烧结，保持结构稳定。化学稳定性：不与金属液发生化学反应，避免产生气孔。小发气量：浇注过程中产生气体极少，防止铸件气孔。良好黏附性：牢固附着砂型表面，烘干后不脱落、不开裂。涂料的组成与选择涂料的主要组成成分耐火材料：涂料主体，决定耐火度（如石墨粉、石英粉）。粘结剂：使涂料牢固附着在砂型表面（如粘土、树脂）。悬浮剂：防止固体颗粒沉淀，保证涂料均匀性。溶剂：调节涂料黏度，便于涂刷或喷涂（如水、酒精）。涂料选择原则（按金属种类）•铸铁件：常用石墨粉涂料（形成碳膜，铸件光洁）•铸钢件：常用石英粉/锆英粉涂料（耐高温）•有色金属：常用滑石粉涂料图：铸造涂料样品（BMT-20金属基铸造涂料）开设浇注系统-引导金属液的“高速公路”浇注系统是铸型中引导金属液进入型腔的通道总称，其设计合理性直接决定铸件的质量与成品率。平稳连续充型保证金属液均匀流入，避免冲击砂型和砂芯，确保型腔完整。有效挡渣过滤拦截熔渣、砂粒等杂质，防止其进入型腔形成夹渣缺陷。调节温度分布控制铸件凝固顺序，合理分配热量，防止缩孔、缩松等缺陷。控制充型速度确保充型时间适当，避免产生浇不足、冷隔等铸造缺陷。浇注系统的组成1.浇口杯(外浇口)位于最上端，承接金属液，起缓冲作用并初步挡渣，防止杂质进入型腔。2.直浇道连接浇口杯与横浇道的垂直通道，利用重力产生静压力，控制流速并提高充型能力。3.横浇道分配金属液至各内浇道的水平通道，利用结构设计（如高宽比）进行二次挡渣。4.内浇道金属液进入型腔的“入口”，其位置和形状直接决定流入方向与速度，影响铸件质量。浇注系统的类型（按截面比例）01封闭式浇注系统特征：阻流在内浇道，金属液充满流态，挡渣好，充型快。应用：主要用于铸铁件。02开放式浇注系统特征：阻流在直/横浇道，内浇道最大，非充满流态，充型平稳。应用：主要用于有色金属和铸钢件。03半封闭式浇注系统特征：介于两者之间，兼顾挡渣与平稳，应用广泛。应用：灰铸铁和小型铝合金件。浇注系统的类型（按内浇道位置）01顶注式(TopGating)特点：充型快，易排气，但冲击大、易氧化飞溅。适用：高度不大、形状简单的铸件。02底注式(BottomGating)特点：充型平稳，利于浮渣，但易产生冷隔，不利于顺序凝固。适用：易氧化有色合金及高质量铸钢件。03中间注入式(MiddleGating)特点：内浇道开设在中部，兼顾顶注与底注优点，充型较平稳。适用：应用最为广泛，适应性强。04阶梯式(StepGating)特点：多层内浇道逐层引入，充型平稳，利于顺序凝固。适用：高大、结构复杂的重型铸件。铸造技术

1.4▎砂型铸造1.4.4合型要求合型是将铸型各部分（上型、下型、砂芯等）组合成完整铸型的关键工序。定位准确：防止偏芯错箱配合紧密：防止金属液泄漏锁紧牢固：抵抗金属液浮力标准操作流程1下芯(CoreSetting)将砂芯准确安放在芯座上，检查定位与通气是否顺畅。2合箱(Closing)平稳覆盖上型，确保分型面密合，防止错箱。3压箱/紧固(Clamping)使用压铁或夹具锁紧铸型，抵抗金属液压力。常见缺陷与问题错型(Mismatch)分型面未对准，铸件出现错台。偏芯(CoreShift)砂芯位置偏移，壁厚不均。抬型/跑火(Run-out)锁紧不牢，金属液从分型面溢出。熔炼目标获得化学成分准确、温度合适、纯净度高的金属液。关键控制精确控制炉料配比与熔炼时间；通过造渣、精炼去除气体和夹杂物。浇注目标将合格金属液平稳、连续地充满铸型型腔，避免氧化。浇注温度(最关键参数)温度过高易缩孔裂纹，过低则冷隔浇不足，需严格把控。浇注速度与操作速度需匹配结构，平稳充型；操作应避免断流和直冲。铸造技术

1.4▎砂型铸造1.4.5熔炼与浇注落砂定义与关键从铸型中取出冷却后的铸件。

时间控制过早：易变形、开裂过晚：效率低、应力大清理去除杂质粘砂、氧化皮、浇冒口残留及毛刺。

法与检验机械/化学/手工清理，随后进行外观尺寸检验。后处理目的改善合格铸件的内部组织和机械性能。

主要工序去应力退火时效处理矫正变形铸造技术

1.4▎砂型铸造1.4.6落砂与清理1.4.7总结与展望课程总结：工艺核心砂型铸造工艺复杂，每个环节都对铸件质量有重要影响。其中，浇注系统的设计是核心技术之一，直接关系到铸件的内在质量与成品率。未来展望：数字化转型随着CAE模拟和自动化控制技术的发展，铸造工艺正向更精准、高效、绿色的方向发展。未来工程师将更多利用数字化工具进行优化。铸造技术

1.4▎砂型铸造目录第二节铸造成形理论基础第三节液态金属成形过程中的缺陷第四节砂型铸造第五节特种铸造第六节铸造成形新技术第一节铸造技术概述铸造技术

1.5▎特种铸造1.5.1特种铸造的种类除砂型铸造以外的先进工艺总称，如金属型、压力、熔模铸造等。它是将液态金属浇注成形，获得高精度毛坯的核心工艺。优势与价值相比传统砂型铸造，具有铸件精度高、表面质量好、力学性能优异、生产效率高及材料利用率高等显著特点。行业发展趋势随着工业技术进步，对铸件性能要求日益提高，特种铸造已成为现代制造业不可或缺的基础工艺。01金属型铸造02压力铸造03低压铸造04离心铸造05熔模铸造06消失模铸造07其他特种铸造方法铸造技术

1.5▎特种铸造1.5.2金属型铸造金属型铸造的定义与原理工艺定义又称硬模铸造，是在重力作用下将熔融金属浇入金属材料制成的铸型中，以获得铸件的铸造方法。原理利用金属模具的耐高温和高导热性能，使液态金属在型腔中快速、均匀地冷却凝固，最终成形。与砂型铸造的区别根本区别在于铸型材料：金属型使用铸铁/钢等金属材料，而砂型铸造使用型砂。这决定了两者性能的巨大差异。图示：垂直分型式金属型铸造原理金属型的材料选择主要材料：灰铸铁应用现状：应用最为广泛，占金属型模具的绝大部分。

选择原因：成本较低，易于铸造加工；具备良好的耐高温性、耐磨性和一定的强度。其他高性能材料合金铸铁：加入Cr、Ni、Mo等元素，显著提高高温强度与耐磨性，用于高端铸件。

碳钢/低合金钢：强度韧性高，导热好但成本高，用于关键部位或高寿命模具。材料选择依据铸件材质（铸铁/铝合金/铜合金）生产批量（大批量需高寿命材料）铸件尺寸大小与精度要求原则：在满足铸件质量要求的前提下，应优先考虑材料的性价比和加工工艺性。对于大批量生产或特殊材质铸件，需权衡成本与模具寿命，选择高性能合金材料。金属型的分型方式(a)整体型结构简单无分型面，但仅适用于形状极简单、无型芯的铸件，实际应用极少。(b)水平分型沿水平方向分开，操作方便。但不利于开设浇注系统和排气，尺寸精度相对较低。(c)垂直分型应用最广。便于浇注排气，尺寸精度高，易于实现机械化生产，适用于大多数铸件。(d)综合分型结合水平与垂直特点，用于形状复杂铸件。结构复杂，制造和操作难度较大。垂直分型的优势分析便于开设浇注系统和安放金属芯开合方向与重力垂直，使得浇注系统设计和金属芯安装固定更方便、稳定，是保证铸件形状和内部质量的基础。易于排气，减少气孔缺陷型腔气体可沿分型面或排气槽顺畅排出，有效避免气体在铸件内部形成气孔，显著提升铸件表面质量。便于实现机械化和自动化生产结构适合与机械手、自动浇注机配合，实现自动取件与合模，大幅提升生产效率，适应现代高效制造需求。模具寿命长，铸件尺寸稳定受力分布合理，工作状态稳定，不仅延长了模具使用寿命，更保证了批量生产中铸件尺寸精度的一致性。金属型铸造工艺特点-金属型预热预热目的：防止激冷缺陷金属型导热快，若不预热直接浇注，高温金属液会迅速冷却，导致铸件产生浇不足、冷隔及裂纹等缺陷。预热温度：按材质区分铸铁件：250~350℃(需较高温度)非铁合金(铝/铜)：100~250℃(相对较低)常用预热方法火焰加热（喷灯、煤气）、电加热（电阻丝、电热管）等。金属型铸造工艺特点-涂料使用作用：模具的“保护衣”保护铸型：避免高温金属液直接冲刷侵蚀，显著延长模具寿命。调节冷却：控制铸件各部分冷却速度，实现均匀凝固，减少应力裂纹。改善质量：使铸件表面光洁，有效防止粘砂、夹砂等缺陷。技术参数：成分与涂覆涂料成分：由粉状耐火材料（氧化锌、石墨、硅石粉）、黏结剂（水玻璃）和水混合制成。涂覆方法：主要采用喷涂（效率高）和刷涂（局部修补）两种工艺。金属型铸造工艺特点-浇注温度控制工艺控制原理控制原因：高导热性需求金属型导热速度快，需提高浇注温度以补偿热量损失，确保金属液有足够流动性充满型腔。温度增量要求相比砂型铸造，通常需高出20~30℃铝合金铸件：约680~740℃铸铁件：约1300~1370℃工艺方法温度对比(℃)铸造方法铝合金浇注温度铸铁浇注温度砂型铸造660~7101270~1340金属型铸造680~7401300~1370关键提示：温度不足易导致浇不足、冷隔等缺陷；温度过高则可能引起晶粒粗大、粘模或缩孔。需严格控制在上述范围内。金属型铸造工艺特点-及时开型为何需要及时开型？模具特性：金属型无退让性，铸件凝固收缩受阻，产生较大铸造应力。风险后果：停留过久易导致铸件裂纹，甚至卡死在模具中无法取出。开型温度与时间控制铸铁件：出型温度780~950℃，时间10~60秒（视壁厚调整）。非铁合金：出型时间要求更短，需严格把控。金属型铸造的生产特点-优点铸件质量好，力学性能优异冷却速度快，铸件组织致密，晶粒细小，显著提高了强度和硬度等力学性能。尺寸精度高，表面质量好公差等级可达IT6~IT9，表面粗糙度Ra6.3~12.5μm，大幅减少了后续机械加工工作量。生产效率高，适合大批量生产实现“一型多铸”，模具可反复使用，大幅提升生产效率，尤其适用于大批量流水线生产。材料利用率高，环境友好无需大量型砂，节约造型材料；减少废砂排放，改善劳动条件，符合绿色制造理念。金属型铸造的生产特点-局限性模具成本高，周期长模具设计与加工制造成本高昂，且生产准备周期较长，因此不适合单件、小批量生产。铸件形状和尺寸受限受模具材料强度及分型抽芯工艺限制，不适宜生产大型、形状复杂（尤其是复杂内腔）和薄壁铸件。铸铁件易产生白口组织快速冷却易导致铸件表面产生硬脆的白口组织，增加切削加工难度，通常需要额外的高温退火处理。金属型铸造的应用范围应用领域主要适用于大批量生产的非铁合金铸件，特别是铝合金和镁合金。这类铸件对尺寸精度和表面质量有较高要求。钢铁材料的应用局限一般仅用于生产形状简单的中小型铸件，如铸铁管、电机外壳等。由于冷却速度快，复杂件易产生裂纹。典型铝合金铸件典型铜合金铸件将液态或半液态金属在高压（30~150MPa）和高速（5~100m/s）下，快速压入金属铸型型腔，并在压力下凝固成形的铸造方法。工艺特征与本质显著特征：高压、高速是区别于其他铸造方法的根本特征。工艺本质：精密、高效的少/无切削加工工艺，可直接生产形状复杂、精度高的零件。图：压力铸造原理示意图（高压高速充型过程）铸造技术

1.5▎特种铸造1.5.3压力铸造压力铸造的工艺流程01.合模压铸机的动模和定模紧密闭合，为后续的金属液浇注做好密封准备。02.压射将液态金属浇入压室，压射冲头以高压高速将金属液压入模具型腔，充满型腔。03.保压金属液凝固过程中持续保压，补充凝固收缩，防止产生缩孔、缩松缺陷。04.开模待铸件完全凝固后，模具动模与定模分离打开，准备取出铸件。05.顶出铸件通过模具的顶出机构，将铸件从动模中推出，完成一个完整的生产循环。压铸机分类-热压室式结构特点压室与保温炉连成一体，压射机构（冲头/压室）始终浸泡在液态金属中。工作原理压射时冲头向下运动，直接从保温炉中将金属液压射入模具型腔。适用范围主要用于压铸锌、锡、铅等低熔点合金，不适用于铝合金等高熔点金属。优势工序简单，金属液消耗少，生产效率高，易于实现自动化连续生产。压铸机分类-冷压室式结构特点与工作原理压室与保温炉分离，压室本身不加热，需人工或机械舀取金属液。分为立式和卧式，其中卧式结构更紧凑，应用最为广泛。适用范围与核心优势适用于铝、镁、铜等高熔点合金，是目前应用最广泛的类型。能提供更高压射压力，可压铸大型、复杂铸件（如发动机缸体）。压力铸造的特点-优点尺寸精度高&表面质量优尺寸公差等级：IT8至IT4表面粗糙度：Ra3.2~0.8μm多数铸件无需机加工即可直接装配可压铸复杂薄壁结构铝合金最小壁厚：0.5mm最小孔径：0.7mm可直接铸出螺纹、齿形及精细花纹组织致密，力学性能优异铸件组织致密，晶粒细化强度优势：比砂型铸件高出25%~40%整体机械性能均衡可靠生产效率极高，易于自动化冷压室压铸机：75~85次/小时热压室压铸机：300~800次/小时全自动化程度高，适合大批量生产压力铸造的特点-局限性铸件内在质量存在缺陷易产生气孔与缩松充型速度极快导致气体难以排出，快速凝固也造成补缩困难，形成内部缺陷。无法进行热处理内部气孔在热处理时会受热膨胀，导致铸件变形甚至报废，限制了性能提升手段。设备和模具成本高昂高投入与长周期压铸机及模具制造费用极高，生产准备周期长，前期资金压力大。仅适用于大批量生产单件或小批量生产无法分摊高昂的模具成本，经济效益差，不具备竞争力。压力铸造的应用范围汽车工业(最大应用领域)占压铸总产量一半以上。典型应用包括发动机缸体、缸盖、变速箱壳体、进气歧管及轮毂等关键零部件。电子电器工业广泛用于生产各类壳体、框架及散热器。如手机金属中框、笔记本电脑外壳、电视机边框等轻薄精密部件。其他领域延伸除上述领域外，还广泛应用于仪表仪器、航空航天、国防军工及医疗器械等高端制造领域。压力铸造新技术真空压铸技术原理：压铸前将模具型腔内气体抽出形成真空环境。

优势：显著减少气孔缺陷，提升铸件内在质量，使铸件具备热处理条件。加氧压铸技术原理：压射前向型腔充入氧气，与金属液反应生成固态氧化物。

优势：有效消耗型腔内气体，从源头减少气孔产生，工艺相对简单。半固态压铸技术原理：利用金属在固液共存状态下的特殊流变性能进行充型。

优势：充型平稳，减少气孔缩松；降低模具热冲击，延长模具寿命。技术特点与工艺本质特点：低压、平稳充型、底注式充型（区别于压铸的高压高速）。工艺本质：介于重力铸造与压力铸造之间，兼具两者优点。低压铸造原理示意图图示：1.进气加压→2.液面下降→3.升液充型→4.保压凝固→5.泄压回液→6.开模取件铸造技术

1.5▎特种铸造1.5.4低压铸造

低压铸造的技术原理与特点低压铸造是向密封坩埚内通入干燥压缩空气或惰性气体，在金属液表面形成60~150KPa的低压，迫使金属液通过升液管自下而上平稳充填铸型，并在压力下凝固成形的铸造方法。低压铸造的工艺流程01.炉料熔化与铸型准备金属材料在坩埚中熔化，准备好金属铸型。02.加压充型通入压缩空气，金属液在压力下自下而上平稳充填铸型。03.保压凝固保持压力直至铸件完全凝固，确保组织致密。04.放气卸压停止供气，升液管内未凝固金属液在重力作用下流回坩埚。05.开箱落砂打开铸型，取出铸件，完成整个铸造过程。低压铸造工艺过程(a)合型准备模具闭合，升液管下端插入金属液，上端连通型腔。整个系统处于密封状态，等待浇注指令。(b)充型与保压通入压缩空气，金属液受压力沿升液管平稳上升，充满型腔并排空空气。保持压力使铸件在压力下结晶凝固，防止缩孔。(c)卸压取件铸件凝固后停止供气卸压，未凝固金属液回流坩埚。随后开模，通过顶出机构将成品铸件取出。低压铸造的特点-优点铸件质量高充型平稳无飞溅，减少夹渣、砂眼等缺陷压力下凝固，组织致密，气密性好，适合耐压防渗漏件金属利用率高浇注系统简单，升液管兼作浇口与冒口几乎无浇道冒口消耗，利用率通常高达90%以上工艺灵活性强充型压力与速度可调，适应不同形状壁厚铸件适用范围广，可用于金属型、砂型、石膏型等多种铸型易于机械化与自动化工艺过程稳定可控，劳动条件好便于实现机械化流水作业，提高生产效率低压铸造的特点-局限性生产效率相对较低与压力铸造相比周期较长，效率较低。不太适合大批量生产结构简单的小型铸件。设备和工艺相对复杂需要密封坩埚、升液管及精密压力控制系统，导致设备投资和后期维护成本较高。铸件尺寸受限受限于设备开合模力及工艺特性，低压铸造主要适用于生产中小型铸件。铸件成本较高综合设备折旧和相对较低的生产效率，其单件成本通常高于砂型铸造和金属型铸造。低压铸造的应用范围应用材料主要用于生产对耐压、防渗漏要求极高的铸件，首选材料为铝、镁合金。关键工业领域汽车工业：发动机缸体、缸盖、活塞、轮毂等核心部件。航空航天：高精度铝合金结构件。大型铸件制造能力突破尺寸限制，成功铸造200kg铝活塞、30吨级铜合金螺旋桨及大型球墨铸铁曲轴。典型应用：大型球墨铸铁曲轴典型应用：30吨级铜合金螺旋桨低压铸造技术发展开发高效低压铸造机研发侧铸式、组合式等新型设备，显著提升生产效率与自动化水平，满足现代工业的高效制造需求。应用定向凝固技术通过控制凝固方向优化铸件微观组织，显著提升高温性能，主要应用于航空航天等高端领域的高性能零件制造。扩大大型铸件生产能力持续改进设备与工艺参数，不断探索制造更大、结构更复杂铸件的可能性，拓展技术的应用边界。多技术融合创新结合真空技术等其他先进工艺，如真空低压铸造，有效去除气体杂质，进一步提高铸件的纯净度和整体质量。离心铸造的原理与技术特点原理：利用离心力（可达重力的百倍）替代或增强重力作用，实现充型与凝固。主要工艺特点适用范围：主要生产空心回转体（管、套圈等），无需型芯即可形成内孔。自净化效果：杂质和气体向自由表面集中，铸件组织致密，质量优异。离心铸造原理示意图铸造技术

1.5▎特种铸造1.5.5离心铸造离心铸造机分类-立式图1-20(a)立式离心铸造机结构示意图结构特点铸型绕垂直轴旋转，金属液在离心力作用下贴附于铸型内壁成型。工作特点受重力影响，铸件壁厚呈上薄下厚的不均匀分布，高度越高，壁厚差越大。适用范围适用于生产高度小于直径的圆环类铸件，如火车车轮、齿圈、轴承座等。离心铸造机分类-卧式图1-20(b)卧式离心铸造机结构示意图结构特点铸型绕水平轴旋转，是应用最广泛的离心铸造机类型。工作特点重力与旋转轴垂直，不影响壁厚，铸件长度方向壁厚均匀。适用范围生产长径比大的套筒类和管类铸件，如铸铁管、气缸套等。离心铸造的特点-优点金属利用率高(90%~95%)无需型芯及浇注系统，金属液直接浇入旋转铸型，有效减少了金属液的浪费，材料利用率极高。铸件质量优异，组织致密离心力实现自净化，气体与夹杂物被抛向内表面，铸件无缩孔、气孔等缺陷，力学性能显著提升。充型能力强，适应性广离心力显著提高金属液流动性，能够生产薄壁铸件以及流动性较差的合金铸件，扩大了铸造范围。可生产复合双金属铸件可便捷制造钢背铜套等双金属件，