《金属铸造加工实践指南(2025版)》

《金属铸造加工实践指南(2025版)》金属铸造加工是将熔融金属注入铸型，经冷却凝固获得具有一定形状、尺寸和性能金属制品的关键制造工艺。其核心在于通过系统控制各环节参数，实现铸件尺寸精度、内部质量与力学性能的协同优化。以下从实践操作角度，围绕工艺设计、材料控制、过程优化及质量保障等核心环节展开详细说明。一、工艺设计的核心参数与优化逻辑工艺设计是铸造成功的基础，需综合考虑铸件结构、合金特性及生产批量。首先需明确铸造方法的选择：砂型铸造适用于中大型、结构复杂的单件或小批量生产（如机床床身、发动机缸体）；压铸则适合薄壁、高精度的铝合金或锌合金零件（如汽车变速箱壳体）；熔模铸造（失蜡法）可实现复杂曲面与高尺寸精度（如航空发动机叶片）。关键工艺参数的确定需遵循“补缩优先、顺序凝固”原则。收缩率的选择直接影响模具尺寸，灰铸铁线收缩率通常为0.8%-1.2%，铸钢为1.5%-2.0%，铝合金为1.0%-1.3%，需根据铸件壁厚修正（厚壁件取上限，薄壁件取下限）。拔模斜度设计需兼顾起模便利性与尺寸精度，手工造型一般取2°-3°（内表面斜度大于外表面），机器造型可取0.5°-1°。冒口与冷铁的布置是控制缩孔缩松的核心：冒口应位于铸件最高、最厚处，体积需满足“冒口体积≥铸件热节体积×补缩效率”（铸钢补缩效率约15%-20%，灰铸铁因石墨化膨胀补缩效率可达30%）；冷铁（铸铁或铜质）需放置在热节附近，通过加速局部冷却实现顺序凝固，其厚度一般为对应热节处铸件壁厚的0.6-1.0倍。二、铸造合金的选择与熔炼控制常见铸造合金包括铸铁（灰铸铁、球墨铸铁）、铸钢（碳素钢、低合金钢）、铸造铝合金（Al-Si系、Al-Cu系）及铜合金（黄铜、青铜）。选择时需平衡性能需求与经济性：灰铸铁（HT200-HT350）因石墨片的减摩性与减震性，广泛用于机床、管道；球墨铸铁（QT400-QT800）通过球化处理（添加0.03%-0.05%稀土镁合金）使石墨呈球状，抗拉强度可达400MPa以上，适用于受力复杂的汽车曲轴；铸造铝合金（如A356）密度小（约2.7g/cm³）、耐蚀性好，是汽车轮毂、发动机缸盖的优选材料。熔炼过程需严格控制温度、成分与熔体纯净度。铸钢熔炼温度通常为1550-1620℃（过低易导致成分偏析，过高增加氧化烧损），需通过光谱仪实时监测C、Si、Mn等元素含量（如ZG270-500要求C≤0.40%，Si≤0.50%），脱氧时需依次加入锰铁（预脱氧）、硅铁（沉淀脱氧）、铝（终脱氧）。铝合金熔炼温度控制在700-750℃，超过760℃易发生严重氧化（生成Al₂O₃夹杂），熔炼时需通入氩气或六氯乙烷（C₂Cl₆）进行除气（氢含量需≤0.15mL/100gAl），并通过旋转除气设备将熔体氢含量降至0.1mL以下。球墨铸铁熔炼需特别注意残余镁量（0.03%-0.05%）与残余稀土量（0.01%-0.03%），不足会导致球化不良（石墨呈团絮状），过高则易产生夹渣（MgO夹杂）。三、造型与制芯的关键技术砂型（芯）的性能直接影响铸件表面质量与尺寸精度。型砂需具备“四性”：强度（湿压强度0.05-0.15MPa，干压强度1.5-3.0MPa）保证起模与浇注时不破损；透气性（一般需＞50，薄壁件需＞100）防止浇注时气体无法排出形成气孔；耐火度（硅砂＞1710℃，锆砂＞2300℃）避免高温金属熔蚀砂粒形成粘砂；退让性（高温下可压缩）减少铸件冷却收缩时的应力开裂。粘结剂的选择是型砂性能的核心：传统粘土砂（膨润土+水）成本低（约200元/吨），但溃散性差（铸件清理困难），适用于简单铸件；树脂砂（呋喃树脂+固化剂）强度高（干压强度＞6MPa）、尺寸精度好（公差等级CT7-CT9），但成本较高（约1500元/吨）且固化过程释放甲醛（需配备废气处理系统），适合高精度复杂件；水玻璃砂（水玻璃+CO₂硬化）环保（无有机挥发物），但溃散性差（需高温水爆清砂），多用于大型铸钢件。制芯工艺需重点关注复杂型芯的成型与排气。热芯盒工艺（芯砂在200-250℃模具内快速固化）适用于批量生产（如发动机缸体芯），型芯表面硬度高（≥90）、尺寸精度好（公差≤0.3mm）；冷芯盒工艺（三乙胺催化固化）可在室温下成型，适合大型型芯（如船用柴油机曲轴箱芯），但需严格控制胺类气体排放（浓度＜5ppm）。型芯需设计排气通道（直径1-3mm的通气针或蛇形槽），避免浇注时气体在型腔聚集形成气孔，排气面积一般为内浇道面积的1.5-2.0倍。四、浇注与冷却的过程控制浇注温度与速度是影响铸件质量的关键参数。浇注温度过高会导致铸件收缩增大（铸钢每升高50℃，线收缩增加0.1%-0.2%）、晶粒粗大（力学性能下降）；过低则易产生浇不足（薄壁处未充满）、冷隔（金属流汇合处未熔合）。灰铸铁适宜浇注温度为1380-1450℃（壁厚＜20mm取上限，＞50mm取下限），铝合金为680-730℃（薄壁件如手机外壳取720℃，厚壁件如电机壳取690℃）。浇注速度需均匀可控，避免金属液剧烈冲击砂型（导致冲砂）或卷入空气（形成气孔）。对于薄壁件（如缸体，壁厚3-5mm），需快速浇注（浇注时间≤铸件重量×0.3秒/kg），确保金属液在凝固前填满型腔；厚大件（如机床床身，壁厚＞50mm）需缓慢浇注（浇注时间≥铸件重量×0.8秒/kg），减少热冲击导致的砂型开裂。浇注时应保持浇口杯内金属液充满（液面高度≥50mm），防止熔渣与空气卷入，可通过过滤网（陶瓷纤维或泡沫陶瓷）过滤夹杂物（过滤效率＞80%）。铸件冷却过程需控制降温速率，避免热应力与相变应力导致的裂纹。砂型冷却时间需根据铸件重量与壁厚确定，一般铸件需冷却至＜500℃方可落砂（灰铸铁落砂温度＜400℃，铸钢＜300℃），过早落砂会因内外温差过大（＞200℃）产生热裂。对于球墨铸铁，需控制冷却速度在10-30℃/min（慢冷促进石墨化，快冷易形成白口组织），必要时可在砂型周围覆盖保温材料（如硅藻土）延长冷却时间。五、后处理与质量检测技术后处理是提升铸件性能的关键环节，包括落砂清理、热处理与表面处理。落砂后需去除浇冒口（铸钢用氧乙炔切割，铝合金用锯切），飞边毛刺可用砂轮机（铸钢）或抛丸机（铝合金）清理。抛丸处理（钢丸直径0.3-1.0mm，抛射速度60-80m/s）可去除表面氧化皮并提高表面粗糙度（Ra3.2-12.5μm），同时产生压应力（提高疲劳强度15%-30%）。热处理可消除内应力、改善组织性能。去应力退火（灰铸铁500-550℃保温4-6h，铸钢550-650℃保温2-4h）可降低残余应力（降幅＞80%）；正火（铸钢880-950℃空冷）可细化晶粒，提高强度（如ZG310-570正火后抗拉强度从570MPa提升至650MPa）；球墨铸铁等温淬火（850-900℃奥氏体化后300-350℃盐浴等温）可获得贝氏体+残余奥氏体组织（ADI材料），抗拉强度可达1200MPa以上，广泛用于重载齿轮。质量检测需覆盖尺寸、表面与内部缺陷。尺寸检测采用三坐标测量机（精度±0.02mm）或专用检具（如缸孔内径千分尺），关键尺寸（如安装面平行度）公差需控制在CT7级（±0.3mm/100mm）以内。表面缺陷（如粘砂、气孔）通过目视或磁粉检测（MT，检测表面0-2mm缺陷），内部缺陷（缩孔、裂纹）采用X射线（RT，检测厚度≤100mm）或超声波（UT，检测厚度＞50mm），缺陷评级需符合GB/T5618（铸铁）或GB/T7233（铸钢）标准。力学性能检测（拉伸、冲击）需从同炉次试块取样，球墨铸铁需保证伸长率≥10%（QT450-10），铸钢冲击功≥34J（室温）。六、智能化与绿色铸造的发展方向2025年铸造行业将加速向智能化、绿色化转型。工艺设计环节，数值模拟软件（如ProCAST、MAGMA）可实现充型、凝固过程的3D可视化（精度误差＜5%），通过虚拟试模减少实际试错成本（试模次数降低60%以上）。生产过程中，智能装备（如六轴浇注机器人、自动造型线）可实现参数自动调节（浇注温度波动≤±5℃），数据采集系统（PLC+传感器）实时监控型砂湿度（误差≤±0.2%）、熔炼温度（误差≤±3℃）等关键参数，异常时自动报警并调整工艺。绿色铸造技术重点关注材料循环与污染控制。再生砂技术（树脂砂热法再生、水玻璃砂湿法再生）使旧砂回用率达90%以上（传统工艺回用率＜50%），降低新砂消耗（吨铸件新砂消耗从1.2吨降至0.2吨）。环保型粘结剂（如酚醛-尿烷树脂替代呋喃树脂）可减少甲醛排放（排放浓度从5ppm降至1ppm以下），水基涂料（固体含量50%-60%）替代溶剂型涂料（VOCs排放降低90%）。熔炼环节推广中频感应炉（热效率＞70%，比冲天炉节能30%），配