《材料及其成形技术》-第七章 金属的液态成形

金属及其合金在铸造成形过程中，其工艺性能遵从金属液态成形理论。研究液态成形理论的目的，是为了了解合金的流动性，并解决铸造过程中产生的收缩、偏析、氧化和吸气等成形缺陷。一、液态金属的流动性与充型能力

1.合金的流动性熔融合金自身的流动能力，称为该合金的流动性。合金的流动性是金属铸造成形的物理基础，是影响铸造成形质量的最重要参数之一。液态合金的流动性通常用浇注流动性试样的方法来衡量，所谓浇注流动性试样的种类很多，主要有螺旋形、球形、真空试样等。进行流动长度测量实验时，将金属液浇入到带形状试样铸型中，在相同的浇注条件下，铸出的螺旋形试样越长，表示该合金的流动性越好。第一节金属液态成形的工艺基础下一页液态合金本身的流动性主要取决于合金的化学成分，图7-1所示为Pb一Sn合金的流动性与合金成分之间的关系。与纯金属、共晶点和形成金属间化合物的成分，显示出流动性的最大值，而具有结晶温度范围的合金，流动性明显降低。产生这种现象的主要原因，可由图7-2所示结晶特点对合金流动性的影响得到解释。如图7-2(a)所示，纯金属和共晶成分的合金结晶是在恒温下完成的，已凝固层表面相对光滑，对尚未凝固的金属液流动阻力小，因此，流动性好。而图7-2(b)所示其他成分的合金的结晶是在一定温度范围内进行的，在结晶区内的初生树枝状晶形成粗糙的凝固内层表面，对尚未凝固的金属液形成较大的流动阻力，使流动性变差。第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础另外，流动的金属液碰到这些枝晶后加快了冷却速度，进一步导致合金流动性降低。在常用铸造合金中，灰铸铁、硅黄铜的流动性最好，铸钢的流动性最差。2.充型能力浇注时，液体金属充满铸型，获得尺寸准确轮廓清晰铸件的能力称为充型能力。在铸造生产中，液态合金的充型能力与流动性是两个不同的概念。流动性是指金属在熔融状态下自身的流动能力，而充型能力则是考虑具体铸造工艺条件影响，如铸型或流道的具体形状尺寸等情况下熔融金属的流动能力。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础因此，合金的流动性是影响其充型能力的最主要因素之一。一般来说，合金的流动性好，在相同工艺条件下的充型能力就强，否则充型能力就差。比如，同一种合金，其铸造时的充型能力还受到铸型条件以及浇注温度等影响而不同。因此，充型能力既受合金流动性的影响，同时还受铸造工艺条件的影响。

3.影响液态合金充型能力的因素金属的液态流动性是决定铸造时充型能力的重要因素之一，它直接影响到铸件的成形质量和成形效率。合金的流动性好，铸造时充型能力强，易于获得轮廓清晰的复杂薄壁铸件;易于补缩，防止产生缩孔或缩松;有利于气体与夹杂物的上浮和排除，可防止气孔和渣眼等缺陷形成。下一页上一页流动性较差的合金在铸造时填充铸型的能力弱，使铸件产生轮廓不清晰、冷隔、浇不足等缺陷。

(1)浇注条件。

1)浇注温度。提高浇注温度可使液态金属的热容量增大，合金保持液态时间长，停止流动之前传给铸型的热量多，降低了液态合金的冷却速度;赫度随温升而降低，有利于提高充型能力。因此，当浇注薄壁复杂铸件时，浇注温度应比厚壁件高。但浇注温度过高，总收缩量增加，氧化严重，吸气量增多，易产生缩孔、缩松、气孔、赫砂等缺陷。因此，生产中常采用“高温出炉、低温浇注”来保证铸件质量。

2)压力的影响。提高流动压力可使流动性增强，有利于充填铸型。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础因此，在铸型设计和制定工艺时，对于合金或铸型结构导致流动性较差的浇注，通常采用增加直浇道高度或人工加压的方式，如采用离心铸造、压力铸造、低压铸造、真空吸铸等工艺来改善合金的流动性。

(2)铸型结构条件。液态金属浇注成形时，铸型型腔的阻力影响合金的流动速度，而铸型与合金之间产生的热交换影响合金持续流动状态的时间，因此，铸型的结构条件是影响液态合金充型能力的重要因素。

1)铸件的形状结构。①铸件的当量厚度。所谓当量厚度是指铸件体积与表面积之比，铸件的当量厚度越大，散热慢，有利于增强液态合金的充型能力。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础②铸件的壁厚。壁厚过薄、壁厚急剧变化或水平面较大时，造成金属流动困难，降低流动性。③铸件的复杂程度。铸件结构越复杂，液态合金流动方向变化越大，所受线流动阻力增大，导致充型能力降低。

2)铸型的充填条件。铸型中凡能增加金属流动阻力、降低流速和加快金属冷却速度的因素，均会降低合金的流动性。①铸型的蓄热系数是指铸型从熔融金属吸收热量的能力。显然，铸型的蓄热系数越大，相对于液态合金的激冷作用增强，导致液态金属保持流动能力的时间缩短，降低充型能力，且容易产生浇不足、冷隔等缺陷。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础②铸型的预热温度。浇注时，铸型保有温度越高，其与液态金属之间的热交换就减少，因此，可相应增强充型能力。③铸型中的气体。液态合金浇注时发气，能在金属液与型腔表面之间形成气膜，可减小摩擦阻力，提高充型能力。但铸型发气过多、型砂中水分过多或透气不足、铸型排气不畅等会增大型腔内压力，阻碍金属流动，降低充型能力。④型腔结构。铸型中型腔过窄、直浇道过低、浇注系统截面积太小或布置不合理等，均会导致液态金属流动阻力增大，降低充型能力。硅和磷可使铁液的流动性提高，而硫会降低铁液的流动性。如果选择适当的化学成分，控制冶炼工艺，减少合金中的气体和熔渣，都可以改善合金的流动性。二、液态金属的凝固与收缩

1.合金在铸型中的凝固方式合金在铸造过程中的流动性取决于合金的凝固方式，而凝固过程中的铸件断面上存在固相区、凝固区和液相区，其中起决定作用的主要是固、液相并存的凝固区的宽窄。合金的凝固方式是指凝固区的宽窄及其向铸件中心迁移的状况，通常分为逐层凝固、模糊凝固和中间凝固三种方式。图7-3是三种不同成分的合金在一定温度条件下凝固方式的示意简图。

(1)逐层凝固。共晶成分的合金I的凝固方式如图7-3(a)所示，铸件整个断面上并不存在液、固两相共存的凝固区域。第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页固相区不断扩大，而液相区不断缩小，随着固体层增厚至中心，完成凝固。一般恒温下结晶的合金，如接近共晶成分的灰铸铁、低碳钢、铝硅合金和工业用铜等，凝固方式都接近于逐层凝固，合金劲度小，固体层内表面的结晶前沿几乎是平滑的，对尚未凝固的合金液在其间的流动阻力小，有利于充填型腔。另外，在相同的浇注温度下，由于共晶成分合金的凝固温度最低，合金的相对过热度较大，推迟了合金的凝固，因此，共晶成分的合金流动性最好。

(2)糊状凝固。化学成分远离共晶成分的合金IQ的凝固状态如图7-3(b)所示，凝固温度范围很宽，液、固并存的凝固区宽度、几乎贯穿整个断面，铸件表面不存在固体层。当温度下降到某一数值时，整个铸件几乎同时凝固完毕。第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页凝固时在铸件断面上存在一个很宽的凝固区域，此区域内合金劲稠，液、固两相共存，由于初生的树枝状晶体使已结晶固体层内表面参差不齐，流动阻力大，因此流动性差。合金成分越远离共晶，结晶温度范围越宽，流动性越差。如球墨铸铁、高碳钢、铝铜合金和锡青铜等都倾向于糊状凝固，流动性较差。

(3)中间凝固。合金II的化学成分介于I和Ⅲ之间，其凝固方式如图7-3(c)所示，即介于逐层凝固与糊状凝固方式之间，称之为中间凝固。在铸件断面上，固相区、凝固区和液相区共存，凝固温度范围较窄，凝固区域宽度、较小，流动性较好。根据图7-4所示铁一碳合金的流动性和相图的关系可以看出，下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础结晶温度范围宽的合金流动性差，结晶温度范围窄的合金流动性好，共晶成分合金的流动性最好。另外，铸造成形过程中，铸件的温度梯度也是影响流动方式的主要因素之一。在结晶温度范围一定的情况下，凝固区的宽窄取决于铸件内外层之间的温度差，如果这个温度差由小变大，则其对应的凝固区由宽变窄。铸铁的凝固温度范围比铸钢宽，但钢的熔点高，不易过热，另外其在铸型中容易散热，使液体更快失去流动能力，因此，铸铁的流动性比铸钢好。

2.合金的收缩过程及其影响因素下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础合金从液态冷却到室温的过程中，其体积及形状尺寸减小的现象称为收缩。收缩时合金的物理本性，也是造成铸件缩孔、缩松、内应力、变形和裂纹等金属液态成形缺陷的主要原因。

(1)收缩的过程。液态合金由许多原子团和空穴组成，其原子间距比固态要大得多。在冷却凝固过程中，其原子间距和空穴均减小，因此合金液的体积减小。当液态合金转变为固态、在固态下继续冷却时，空穴消失，原子间距还要减小，进一步造成合金体积收缩。也就是说，合金从浇注到完全冷却，要经历液态收缩、凝固收缩及固态收缩三个收缩阶段。

1)液态收缩。从浇注温度到凝固开始温度(即液相线温度)范围内，下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础液态合金产生体积收缩，表现为铸型内合金液面的降低。

2)凝固收缩。从凝固开始温度到凝固终止温度(即固相线温度)范围内，金属凝固时产生体积收缩。合金的凝固温度范围越宽，产生的体积收缩越大。

3)固态收缩。从凝固终止温度到室温范围内，固态金属因温度降低而发生的体积收缩。合金的液态收缩和凝固收缩使铸件的体积缩小，它是铸件产生缩孔、缩松的根本原因。通常采用体收缩率表示，它们影响铸件缩孔的形式和大小。固态收缩虽然也导致体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的缩减，因此常用线收缩率表示，它是导致铸件尺寸减小、产生铸造应力、变形和裂纹的根本原因。第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页不同合金的收缩率不同，在常用合金中铸钢的收缩率最大，灰铸铁的收缩率最小。表7-1给出了几种合金的收缩率。

(2)影响收缩的因素。铸件收缩的大小主要取决于合金种类、化学成分、浇注温度及铸型结构等。碳钢的总收缩量随含碳量增加而增大，灰铸铁的收缩率最小，其原因是由于其中大部分碳是以石墨状态存在，而石墨的比体积大，液态灰铸铁在结晶过程中析出的石墨所产生的体积膨胀抵消了合金的部分收缩。因此，对于铸铁来说，促进石墨化的元素碳、硅的含量越多，收缩量越小，而阻碍石墨化的元素硫越多，则收缩量增大。合金的浇注温度越高，过热度越大，液态收缩量增大，会导致铸件总的收缩量增加。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础另外，铸件在铸型中是受阻收缩而不是自由收缩，阻力来自铸型和型芯，因此，铸件的收缩率要小于合金的自由收缩率。铸件壁厚不同，各处的冷却速度不同，冷凝时，铸件各部分相互制约也会产生阻力。一般，铸件形状越复杂，其收缩率相对越小。

3.缩孔和缩松铸件在冷凝过程中，由于液态收缩和凝固收缩的结果，在最后凝固的地方形成孔洞。通常将容积大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。

(1)缩孔的形成。凝固温度范围比较窄的合金被浇注于铸型后，由外向内逐层凝固。由于液态收缩和凝固收缩造成体积减小，如得不到相应的合金液补充，就将形成缩孔。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础图7-5是圆柱体铸件在凝固过程中产生的缩孔。如图7-5(a)所示，伴随着充型合金液温度降低，由于浇注系统尚未关闭，此时产生的液态收缩可以得到来自浇注系统合金液的补充。图7-5(b)所示为浇道已被冻结，铸型内表层率先凝固结壳。继续冷却如图7-5(c)所示，最外层已凝固合金因温度降低开始产生固态收缩的同时，由外向内又产生新的凝固层，内部液体在逐渐凝固的过程中，同时发生液态收缩和凝固收缩，使液面降低。在此阶段，由于内部合金的液态收缩和凝固收缩远远大于外壳的固态收缩，造成内、外收缩不平衡导致内部液面脱离外壳。随着温度降低，凝固层不断增厚，心部液面收缩降低，逐渐形成一个倒锥形缩孔。当温度降至图7-5(e)所第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页示室温状态时，铸件整体产生固态收缩，心部缩孔的绝对体积略有减小。如果根据经验能够判定缩孔的产生位置，在铸件条件允许的情况下可在相应部位设置冒口，使缩孔转移至冒口，如图7-5(f)所示，最后从铸件中清除掉。缩孔产生的根本原因是合金液的物理本性所致，但由上述分析可知，合金的液态收缩值和凝固收缩值大于固态收缩值，即收缩不平衡也是产生铸造缩孔的重要原因。对于壁厚变化不均匀的铸件，局部温度较周围高、因而凝固滞后的所谓热节处，或铸件的上部均容易产生缩孔。如图7-6，生产中，通常采用在铸件纵断面上画内切圆来确定缩孔可能发生的位置。第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页

(2)缩松的形成。通常将较小的分散性缩孔称作缩松，缩松的形成原因也是由于铸件最后凝固区的液态收缩和凝固收缩得不到补充。具有凝固温度范围的合金，结晶是在铸件截面较大的区机的域内同时进行的，先生成的树枝状晶体彼此相互交错，将液体金属分割成许多小而分散的封闭区域，当封闭区内的金属液凝固时得不到补充，便形成分散的小缩孔，即所谓缩松。除去最后凝固区的收缩得不到补偿外，糊状凝固区较宽、固液相并存导致枝晶骨架将合金液分隔成小液体区域难以补缩也是形成缩松的原因之一。铸件中的缩松分为宏观缩松和微观缩松两种。宏观缩松是用肉眼可见的小孔洞，多分布在铸件中心轴线区域、热节、冒口根部和内浇道附近，有时，分布在集中缩孔的下方。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础第一节金属液态成形的工艺基础显微缩松需用显微镜才能看到，有时会遍及整个铸件截面，这种缩松难以避免，对于一般铸件，通常不作为铸造缺陷处理。

(3)影响缩孔、缩松形成的因素。

1)合金的成分。凝固温度范围窄的合金、纯金属、共晶成分的合金容易产生缩孔;而凝固温度范围宽的合金、远离共晶成分的合金容易形成缩松。图7-7显示了金属液态成形中缩孔、缩松的形成倾向与合金成分的密切相关性，随着合金含量增加，总收缩量逐渐减小。但纯金属和共晶成分的合金，都显示出容易产生集中性缩孔的趋势，如果浇冒口设置适当，缩孔可全部转移到浇冒口中，而获得精密铸件。

2)铸型。铸型材料对铸件冷却速度影响很大，湿型比干型的冷却能力大，使凝固区域变窄，缩松减少。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础金属型冷却能力大，故缩松显著减少。

3)浇注条件。浇注速度很慢或明冒口中不断补浇高温合金液，使铸件液态收缩和凝固收缩及时得到补偿，铸件总体积收缩减小，缩孔容积也减小。

4)铸件结构与形成缩孔、缩松的关系很大，设计时应充分注意。

(4)缩孔和缩松的防止方法。缩孔和缩松的存在使铸件有效承载面积减小，相应的力学性能下降，缩松还可能导致铸件因产生渗漏而报废。因此，在铸造生产中，必须采取相应措施消除或减轻这两种缺陷对铸件质量的影响。

1)合理选用铸造合金。结晶温度范围宽的合金，由于倾向于糊状下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础凝固，结晶开始后，发达的树枝状骨架布满了整个截面，使冒目的补缩通道受阻，易形成分布面较广的缩松，难以消除。因此，在条件允许的情况下，尽可能选择共晶成分或结晶温度较窄的合金生产铸件。

2)按照凝固原则进行凝固。所谓顺序凝固(定向凝固)，是保证合金凝固按照薄壁、厚壁、冒目的顺序进行的工艺措施，如图7-8(a)所示，即使铸件按照I→Ⅱ→Ⅲ→冒目的顺序凝固。这样使先凝固的收缩可以得到稍后凝固部分合金液的补充，以填满收缩部分的体积。按此原则，人为地使缩孔集中产生在最后凝固的冒口内，清砂时将冒口切除。有时，可将浇口开在铸件薄壁处，如图7-8(b)所示，为了加速厚壁部分的冷却，在最后凝固的厚壁处加设冷铁。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础但注意各部分冷却速度不一致，易产生铸造应力、变形和裂纹等缺陷。

3)合理设计内浇道及确定浇注工艺。内浇道应从铸件壁厚处引入，尽可能靠近冒口或由冒口引入。浇注速度慢，合金液流经铸型时间越长，远离浇口处的液体温度越低，靠近浇口处温度较高，则有利于定向凝固。慢浇也有利于补缩、消除缩孔。

4)合理应用冒口、冷铁和补贴等工艺措施。①冒口是指铸型中储存补缩合金液的空腔，采用冒口补缩是防止铸件产生缩孔的有效措施(冒目的形状多采用圆柱形，因其散热表面积小，补缩效果好，取模方便)。铸件结构一般都比较复杂，可能会多处出现缩孔，为此，可设置多个冒口方能消除缩孔。如图7-9所示阀体铸件，下一页上一页下一页第一节金属液态成形的工艺基础图示在其左半部画出了热节位置，即可能产生缩孔或缩松的位置。因此在右半部的铸型结构中加设了明冒口和暗冒口，以使缩孔产生在明、暗冒口中，并相应地实现了顺序凝固。②冷铁是用铸铁、钢等金属材料制成的激冷物，放入铸型内，用以加大铸件某一部分的冷却速度，调节铸件的凝固顺序。图7-9中阀体铸件壳顶部壁厚较厚，是一个明显的热节，在该处安放冷铁后可起到激冷作用，防止产生缩孔。③补贴。如果在铸件壁上部靠近冒口处增加一个楔形厚度，使铸件壁厚变成朝冒口逐渐增厚的形状，即造成一个向冒口逐渐递增的温度梯度。这种为增加冒目的补缩效果，向着冒口、铸件断面逐渐增厚的多余金属即为补贴，如图7-10所示。上一页第一节金属液态成形的工艺基础应该引起注意的是，设置冒口、补贴和安放冷铁的工艺措施，可以促进顺序凝固、防止产生缩孔的铸造缺陷，但相应也产生了一些耗费，使铸件成本增加。另外，顺序凝固可能导致铸件各部分温差增大，容易引起铸件变形和裂纹的产生。一般，这类工艺措施主要用于必须补缩的场合，如铸钢或铝青铜铸造等。三、液态成形内应力及变形金属液态成形后，从凝固冷却到室温状态，如果收缩受阻，在制件内会产生应力，这种凝固后的内应力是导致制件产生变形和裂纹的根本原因。

1.液态成形内应力下一页上一页液态成形内应力产生的主要原因是成形制件各部分冷却不一致和收缩受到阻碍的结果，这种内应力可分为热应力和收缩应力。

(1)热应力。金属液态成形的热应力是指成形制件在凝固和冷却过程中，由于不同部位产生的不均衡收缩而引起的应力。如图7-11所示，一根大直径圆杆I和两根小直径圆杆II与上、下板组成一体，且从同一变形温度TH开始冷却。在较高温度区域t0~t1，两杆均处于塑性状态，由于粗、细杆冷却速度不同、收缩不一致而产生的瞬时应力可通过塑性变形而平衡。随着温度降低，细杆II率先进入弹性区t1~t2，冷却快，收缩也比仍处于塑性区的杆I大，因此导致杆II轴向受拉，而杆I轴向受压，第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础如图7-11(c)所示，在杆件内部产生了瞬时内应力。但很快这个内应力便因粗杆I产生轴向压缩变形和细杆II产生轴向拉伸变形而得到平衡，如图7-11(d)所示。进一步冷却到粗杆I也进入弹性区t2~t3时，由于粗杆I的温度较高，将产生较大的轴向收缩变形，而细杆II降温较快，轴向收缩已趋完成。因此，粗杆I的继续收缩将受到细杆II的阻碍，结果导致细杆II产生轴向压缩，粗杆I则产生了轴向拉伸，如图7-11(e)所示。持续到室温，形成了双向残余内应力。上述分析可见，金属液态成形热应力的产生原因是制件壁厚不均匀、各处的冷却速度不同造成的。热应力使铸件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表层受压缩。铸件的壁厚差别越大，合金的线收缩率越高，弹性模量越大，热应力越大。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础

(2)收缩应力。铸件在固态收缩时，因受到铸型、型芯、浇冒口、箱档等外力阻碍而产生的应力称为收缩应力，如图7-12所示。在落砂、打断浇、冒口后，这种应力也能随之消失。收缩应力可能导致铸件产生拉伸或剪切应力，其大小取决于铸型和型芯的退让性。如果在某一瞬间收缩应力和热应力同时作用超过了铸件的强度极限时，铸件将产生裂纹。在存放、加工乃至使用过程中铸件内的残余应力将重新分布，使铸件发生翘曲变形或裂纹，另外，它还降低铸件的耐蚀性。选用退让性较好的型砂和芯砂，正确控制落砂时间，适当减小芯骨，可以减小收缩应力。

(3)相变应力。铸件由于相变，各部分体积收缩不一致而引起的应力称为相变应力，这种应力与热应力方向相反。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础由于合金铸造时产生的相变应力与热应力和收缩应力相比较小，因此，通常忽略它对铸件质量的影响。

(4)减少和消除铸造应力的措施。铸造应力使铸件的精度和使用寿命大为降低，在成形后的加工和使用中其残余应力还将重新分配，降低铸件的耐腐蚀性能，导致产生翘曲或开裂。因此，需要从各个角度去减小和消除铸造应力。

1)铸件结构。设计铸件时应避免牵制收缩的结构，使铸件各部分能自由收缩。为了防止热应力，应尽可能使铸件壁厚均匀，避免金属局部积聚。壁与壁之间及薄、厚壁之间连接要均匀过渡，采用热节小而分散的结构等。下一页上一页

2)合理的铸造工艺。尽可能使铸件的凝固过程符合同时凝固的原则—浇口开在薄壁处，厚壁处安放冷铁以加速冷却，使铸件各部分温度尽量相等。制定合理的造型工艺，如改善造型、型芯的退让性(型芯内加入木屑、焦炭末等附加物，控制春砂松紧度);选择合理的浇注系统，尽量减小铸件各部分的温度差，使之能够均匀冷却。合理设置浇冒口等;在较高温度下落砂，并将铸件放在保温坑中缓冷等。

3)时效处理。自然时效—将铸件置于露大场地半年以上。人工时效(又名应力退火)—如对灰铸铁中、小件加热到550℃~660℃，保温后缓冷，以消除铸造应力(人工时效通常是在粗加工以后进行，这样可将原有的铸造应力和粗加工产生的应力一并消除)。

2.铸件的变形与防止第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础液态金属在铸型型腔内由液态到凝固以至冷却到常温状态，所形成的制件与铸型型腔的形状尺寸不可能完全一致，而且在其后的存放和使用过程中还将发生一定量的非均衡性变形，给铸件的生产质量和使用性能造成不良影响，因此，必须采取相应措施减小或消除。

(1)变形与防止。

1)变形。铸件变形通常是指铸造完成后所产生的形状尺寸变化，这种变化多数起因于铸件本身存在的残余应力和残余变形的释放。前面已经分析过，由于铸件本身结构使得铸造成形后各部分存在不同方向、不同大小的残余应力，使得铸件的形状和尺寸都处于非稳定状态。在存放、进一步加工或使用过程中，这些残余应力自发地、或是受外界因素影响，将要通过铸件本身的变形释放出来。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础如图7-13所示车床床身铸件，由于上部导轨面较厚，冷却缓慢，内部存在拉应力，下部侧壁较薄冷却快，产生压应力，最后的平衡结果使导轨面形成下凹的翘曲变形。铸件变形还因热应力及本身重力所引起，特别是细长、壁厚不均的铸件很容易产生变形。图7-14所示T字梁，浇注后较厚板1受拉，较薄板2受压，由于两块板都具有力图恢复原状的趋势，即厚板1具有缩短的倾向，而薄板2产生伸长的倾向。如图7-14(a)所示，最后综合结果使厚板1下凹，薄板2下凸。对于两块板厚相反的情况，其变形结果如图7-14(b)所示，产生了方向相反的变形。带有残余应力的铸件是不稳定的，会自发地变形力图使残余应力减少而趋于稳定。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础如对于厚薄不均匀，截面不对称及具有细长特点的杆类、板类及轮类等零件，当残留铸造应力超过铸件材料的屈服点时，往往产生翘曲变形。

2)变形的防止。前述防止铸造应力的方法也是防止变形的基本方法，即在制件设计时，力求壁厚均匀，形状简单对称等。还可以采用反变形法，对于细长、覆盖面积较大且壁厚较薄的铸件，在模样上做出与翘曲量相当、但方向相反的预变形量来抵消变形。另外，在制定铸造工艺时，可采取相应措施使铸件产生同时凝固，或在铸件上增设工艺筋以约束局部变形等。经过变形后的铸件内部，虽然残余应力有所减小，但很难彻底去除。有时会在进一步加工或使用中，因内部残余应力失去平衡而产生二次变形。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础因此，对于要求形位精度较高且稳定的铸件，必须进行去除应力的时效处理。常用时效处理方法有自然时效和人工时效，自然时效是将铸件置于露大场地数月或半年，使其在空气压力和温度作用下，缓慢地释放残余应力和残余应变。而人工时效则是将铸件加热到550℃~650℃进行去应力退火，由于这种方法去除应力较为彻底，因此，被广泛应用。另外，近年来发展了共振去应力法，将铸件置于共振频率下10~50min，即可较彻底地去除残余应力。另外，对于具有一定塑性的铸件，变形后还可采用机械方法进行适当校正。

(2)裂纹与防止。液态成形过程中，熔融金属在模具型腔约束下下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础经历了热、冷环境下的复杂变形，必然在其内部产生与变形相对应的内应力。这种内应力达到一定临界值时，会造成制件产生破坏性变形，即生成裂纹。按照裂纹形成的温度范围，通常可分为热裂纹和冷裂纹两种。

1)热裂纹。①热裂纹的形成。热裂纹通常是在合金凝固末期，接近固相线的高温下形成的裂纹，是铸钢件、可锻铸铁和某些铝合金常见的缺陷之一。在液态金属凝固后期，已结晶的固态金属基本形成完整的骨架，这部分金属率先开始产生线收缩。但尚未结晶的部分金属仍呈液态与晶粒之间，此时金属的高温强度很低。有实验证明，含碳量0.3%的碳下一页上一页钢，室温强度σb>480MPa，而在1300℃~1410℃时的高温强度σb<0.75MPa。因此，高温下的铸件在线收缩时受到铸型、型芯或浇注系统的阻碍所产生的应力很容易超过材料的高温强度，这时，将可能产生热裂纹。这种裂纹的特征主要是表面呈氧化色，裂纹沿晶粒边界发生和扩展，外形曲折而不规则。②影响热裂纹产生的因素。通常认为，导致热裂纹产生的主要因素是合金性质和铸型阻力。

a)合金性质。合金的凝固温度范围较宽时，液、固两相区金属的绝对收缩量增大，因而将使产生热裂纹的倾向增强。铸钢、可锻铸铁(白口铸铁)、铸铝的热裂倾向大;而灰铸铁和球墨铸铁由于凝固收缩量极小，故热裂倾向也小。第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页钢铁中的硫、磷，因可形成低熔点的共晶体，扩大了凝固温度范围，故含量越多，使热脆性明显，热裂倾向趋于强烈。

b)铸型阻力。铸型内腔和型芯是阻碍合金收缩的外界条件，因此，铸型和型芯的退让性越差，产生的收缩应力增大，将导致热裂纹产生的可能性越大。此外，砂箱的箱带与铸件过近，芯骨的尺寸过大，浇注系统设置不合理等，均可增大铸型阻力，导致热裂纹产生。③热裂纹的防止措施。根据热裂纹的产生原因及其影响因素，为了防止产生热裂纹:a)应尽可能选择凝固温度范围小，热裂倾向弱的合金进行液态成形;b)使铸件结构合理，如改善铸型和型芯的退让性，可在混合料中掺入少量木屑，采用有机赫结剂(如植物油、合成树脂、糊精等)第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础配制型芯砂等;c)设计铸型时，应尽量减少浇、冒口对铸件收缩的机械阻碍，内浇道设置应符合同时凝固的原则;d)减少合金中，特别是铸钢件中有害杂质硫、磷的含量，避免热脆性，可提高合金的高温强度。

2)冷裂纹。①冷裂纹的形成。铸件中的冷裂纹是在低温状态下形成的裂纹，是由于热应力和收缩应力的综合作用，铸件的内应力超过合金的强度极限而引起的变形破坏现象。其特征是裂纹细小，表面光滑，具有金属光泽或呈轻微的氧化色。裂纹穿过晶粒而发生，外形规则，常呈圆滑曲线或直线状。下一页上一页冷裂纹通常产生在铸件受拉伸的部位，特别是应力集中的地方(如内尖角处、缩孔、气孔和夹渣等缺陷附近)。铸件壁厚悬殊、大型复杂件易产生冷裂。有的冷裂纹是在铸件落砂时受冷空气的激冷而出现的，有的则在清理、搬运或机械加工时，受到震击才会出现。铸件的冷裂倾向与热应力的大小有关，铸件的壁厚差越大，形状越复杂，特别是薄壁大型铸件越容易产生冷裂纹。不同合金的冷裂倾向不同，灰铸铁、白口铸铁、高锰钢等塑性较差的合金较易产生冷裂;塑性好的合金因内应力通过其塑性变形可自行缓解，因此，可相应减弱冷裂倾向。铸钢中含磷量越高，其冷裂倾向越严重。②冷裂纹的防止措施。凡是能够减小铸件内应力或降低合金脆性第一节金属液态成形的工艺基础下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础的因素均能防止冷裂纹的产生，因而除应设法减小铸造内应力外，还应控制钢铸铁的含磷量，如铸钢的含磷量wp应小于0.1%，铸铁的含磷量wP应小于0.5%，若超过限制量，冷裂倾向将明显增加，此外，浇注之后应避免过早打箱。总之，当铸造应力大于合金的屈服强度时，就会产生变形;当铸造应力大于合金的抗拉强度时，就会产生冷裂。四、其他液态成形缺陷及其控制金属液态成形经历了加热、熔化、结晶和冷却的复杂过程，其间所形成的成形缺陷几乎是难以避免的。特别是这些缺陷隐藏在制件内部，通常是在再加工或使用过程中才暴露出来的。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础除去上述介绍的变形、开裂外，还可能发生气孔、偏析、赫砂、夹砂及砂眼等很多成形缺陷。因此，掌握和控制金属液态成形所产生的质量缺陷，对于生产具有非常重要的意义。

1.气孔气孔是铸件中最常见的缺陷，是气体在铸件中形成的孔洞。由于气孔的存在，使得铸件有效承载能力下降，并且容易在气孔附近形成应力集中，使铸件本身的力学性能、抗冲击韧性和抗疲劳强度显著降低。按照气孔的产生原因，通常可将铸件中的气孔分为析出性、浸入性和反应性三种气孔。

(1)析出性气孔。金属材料在加热或浇注时，随着温度升高，其吸收气体(吸气性)的能力增强。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础

(3)反应性气孔。由于合金液和型砂中都难免含有一定水分，当浇注时，这些水分发生化学反应生成气体又溶入合金液中，冷凝时析出在铸件中形成反应性气孔。这种气孔通常产生在铸件表层以下1~3mm处，一旦进行切削加工便暴露出来。排除反应性气孔的方法是尽可能提高浇注温度，控制型砂和芯砂的发气量，增加透气性。如果使用冷铁，应防止潮湿和蚀锈，保证浇注平稳，以免合金液产生氧化。

2.偏析如第四章第五节所述，金属液态成形后，在制件的各部分可出现晶内偏析和比重偏析等化学成分不均匀的现象。对于结晶温度范围较大的合金，晶内偏析很难避免，其可用扩散退火消除。比重偏析直接影响到铸件的性能，使铸件性能恶化。其形成后无法消除。下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础对于重要铸件应采取相应的工艺措施来预防。生产中，通常在浇注前搅拌合金液或加快冷却速度，使先结晶的元素来不及上浮或下沉，避免产生比重偏析现象。

3.其他成形缺陷

(1)表面缺陷。

1)劲砂:铸件的部分或整个表面劲附着一层金属和砂粒组成的机械混合物，使铸件表面粗糙，难以清理，不易加工。劲砂多产生在铸件厚壁或热节处，一般是由型砂耐火性不足和浇注温度过高所引起，砂粒粒度太大也可能造成粘砂。因此，为了防止产生粘砂现象，采用的型砂粒度不宜太大，提高型砂和芯砂的耐火性，浇注温度不宜太高。下一页上一页下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础

2)夹砂:又称起皮或结疤，在铸件表面有一层金属片状物或砂粒，表面粗糙、边角锐利，在金属片和铸件之间夹有一层型砂。夹砂通常是由于铸型表面砂层受热发生开裂翘起，铁水渗入开裂的砂层而造成的。适当控制浇注温度，加快浇注速度，型砂不宜太湿，并减少混砂时的劲土量，可消除或减轻铸件夹砂现象。

3)冷隔:铸件上有未完全融合的接缝，交接处多呈圆形的疤痕。冷隔的产生是由于液体金属的浇注温度太低，两股金属流汇合时，表面层受氧化而不能熔融成一体所致。防止措施是浇注速度不能太慢，浇注不可中断，适当提高浇注温度和设置合理的浇注系统。

(2)其他成形缺陷。其他成形缺陷，如浇注时金属液体中的熔渣进入下一页上一页第一节金属液态成形的工艺基础型腔形成渣孔;浇注过猛或型砂、芯砂劲结不牢，导致砂型和型芯被冲坏，砂粒卷入液体金属造成砂眼;浇注时金属液体飞溅，在铸件中生成铁豆等。为了避免因铸造工艺造成的成形缺陷产生，应提高砂型和型芯的紧实度，以加强型砂和芯砂的强度，起模和合箱时防止砂粒落入型腔，合理设置浇注系统，并控制浇注速度不要太快。另外，在铸造生产中发生的铸件形状、尺寸不合格现象，如果铸型型腔形状尺寸正确，则常常可能是因抬箱、错箱、偏芯等造成的。而铸件成分、组织、性能不合格时，就需要检查炉料配料比例、熔化操作或热处理工艺是否符合规范。第一节金属液态成形的工艺基础的通道，一般由钢带、皮带、滚筒等组成滑道，使商品从主输送装置滑向集货站台，在那里由工作人员将该道目的所有商品集中后或是入库储存，或是组配装车并进行配送作业。2.自动分拣系统的工作过程自动分拣系统四部分装置通过计算机网络联结在一起，配合人工控制及相应的人工处理环节构成一个完整的自动分拣系统。大致可分为合流、分拣信号输入、分拣和分流、分运四个分段。（1）合流商品进入分拣系统，有用人工搬运方式或机械化、自动化搬运方式，也可以通过多条输送线进入分拣系统。返回上一页第二节砂型铸造铸造生产种类较多，根据生产工艺方法不同，通常可分为砂型铸造和特种铸造两大类。其中，砂型铸造是应用最广泛的铸造方法，工业中所用铸件大多数都是由砂型铸造成型加工的。砂型铸造的特点及其基本工艺过程

1.砂型铸造的工艺特点砂型铸造是利用具有一定性能的原砂作为主要造型材料的应用最普遍的一种铸造方法。砂型铸造具有如下优点。

(1)利用砂型铸造可以制造各种大小尺寸和形状复杂的铸件，特别适用于制造具有复杂内腔的毛坯制件;(2)砂型铸造可以将低塑性、不能进行压力加工的材料制成具有一定功能的制件或毛坯;下一页第二节砂型铸造(3)生产成本低，原材料来源广，铸件废品、浇冒口等可以重新熔炼;(4)手工造型所需设备和工艺装备比较简单，容易组织生产。砂型铸造同样具有缺点，比如人工劳动条件差，铸件表面粗糙，后续加工余量大，机械性能较低等。

2.砂型铸造的基本工艺过程砂型铸造的基本工艺过程如图7-15所示。首先根据零件图绘制铸造工艺图，然后以铸造工艺图为依据再绘制铸件图、模样图和铸型装配图。然后着手制造模样和芯盒，同时配置型砂和芯砂。将熔化的金属液浇注到已合箱的铸型中，待金属溶液完全凝固后，从砂型中取出铸件，清理铸件上的附着物，经检验后获得合格铸件。下一页上一页第二节砂型铸造图7-16是齿轮毛坯件砂型铸造的工艺过程举例。二、造型材料制造铸型和型芯的材料称为造型材料，其中，造型用材料是型砂，造芯材料称芯砂。型砂和芯砂的好坏对生产的铸件质量有很大影响，因此，合理选用型砂和芯砂是砂型铸造的一个重要工艺步骤。

1.砂型铸造工艺对型砂和芯砂的性能要求在铸造生产中，型砂材料不仅应满足制成铸型型腔的要求，还将直接承受熔融金属液的冲击作用。铸件的一些主要质量缺陷都与型砂或芯砂材料有直接关系，因此，要求型砂和芯砂应具备一定的基本性能。

(1)可塑性。所谓可塑性是指型砂成形的能力，要求型砂在外力作用下一页上一页第二节砂型铸造下能作相应的变形，去除外力后仍能保持变形后的形状，即可形成轮廓清晰的铸型型腔，可塑性好的型砂或芯砂容易制成形状复杂的砂型或型芯。型砂或芯砂的可塑性与赫土性质、水分含量以及砂粒的均匀度有关。

(2)强度。在外力作用下，能保持砂型或型芯的形状尺寸不被破坏的能力，称作型砂的强度。型砂的强度不足，容易造成塌箱、赫砂、冲砂和砂眼等铸造成形缺陷。一般来说，赫土含量多、砂粒细小、赫土与砂粒混合均匀且紧砂程度高时，型砂的强度较高。

(3)透气性。型砂造型后，气体能从砂型中逸出的能力，称为型砂的透气性。浇注时在高温下砂型中的水分汽化，附加燃烧物产生大量下一页上一页第二节砂型铸造气体，同时，液态金属的冷却、凝固也将析出气体，这些气体必须从砂型中逸出。如果型砂透气性不好，这些气体留在铸件中将造成气孔等缺陷。砂粒均匀、粒度较大、赫土含量少、水分适当、搅拌均匀，都可相应的提高型砂的透气性。

(4)耐火性。耐火性是指型砂在高温金属液冲击作用下不软化、不熔融且不赫附在铸件表面上的性能。若耐火性差，砂粒将赫结在铸件表面形成一层硬皮，即产生赫砂现象，造成清理、加工困难。耐火性主要与原砂的化学成分、颗粒大小和形状有关，砂中SiO2含量越高，耐火性越好。

(5)退让性。是指铸件在冷却、凝固时产生收缩力的作用下，砂型和型芯的体积可被压缩的性能。下一页上一页砂型及型芯退让性差，将阻碍铸件的收缩，产生内应力，甚至发生变形或裂纹。造型材料中赫土量多，退让性就差。由于型芯是放在砂型的型腔内，浇注后被高温液体金属所包围，因此，对型芯的耐火性、强度、透气性和退让性的要求都比型砂要高。另外，还要求型芯发气量少和具有很好的溃散性，即浇注后芯砂易松散，便于清理。通常，在配制芯砂时，须加入特殊赫结剂。

2.型砂和芯砂的组成及分类配制型砂和芯砂的原材料有很多，按照成分配比不同配制的型砂和芯砂也有很多种类。

(1)型砂和芯砂的原材料组成。第二节砂型铸造下一页上一页第二节砂型铸造

1)原砂。有时也称之为新砂，它是一种石英砂，主要成分是Si02。铸造用型砂要求SiO2含量要高，颗粒圆而粗大，以增强其耐火性能。

2)赫结剂。赫结剂的作用是赫结砂粒，并使型砂或芯砂具有一定的强度和可塑性。型砂中常用的赫结剂主要有陶土、白泥和水玻璃等。而芯砂用赫结剂除去上述几种外，还有油类(桐油、合脂)赫结剂、纸浆废液等，这些赫结剂可使型芯干强度大，退让性好且便于清理。

3)附加物。在型砂和芯砂中掺入附加物的目的是为了提高造型材料的某些性能，如为了提高型砂的退让性和透气性，可加入一定量的木屑。为了防止赫砂，可加入煤粉，在铁水的高温作用下燃烧形成气膜，将铸件与型砂隔开。下一页上一页

4)辅助材料。常用的辅助材料主要有造型涂料和分型砂，其中造型涂料的作用是防止铸件表面赫砂，因而应具有较高的耐火性。造型涂料涂刷在铸型型腔和型芯表面，以弥补型砂或芯砂因耐火性不足而造成铸件表面赫砂等缺陷。为了增强型砂的耐火性，还可在型腔和型芯表面涂刷石墨粉和赫结剂调和而成的“炭灰水”。对于铸钢件，为了避免钢水渗碳，不能用石墨粉而用石英粉加赫结剂作涂料。使用时，一般将涂料加水搅和后涂在铸型型腔的内壁上，使型腔与液态金属隔离。有色金属铸造因浇注温度不高，一般不用涂料。分型砂是干燥、颗粒均匀且较细的原砂，为了防止在造型过程中砂箱鱼底板之间、砂箱与砂箱之间的型砂层赫附，损坏砂型，可预先撒上一层分型砂将其分隔开。第二节砂型铸造下一页上一页第二节砂型铸造

(2)型砂和芯砂的分类。

1)赫土砂。可分为湿型砂和干型砂两类，主要是以陶土、白泥等赫土作原料。湿型砂多用于中小型铸件，以陶土作赫结剂，湿强度好，但受热后体积会缩小，烘干易开裂。干型砂以白泥作赫结剂，主要用于铸钢件或质量要求较高的大型铸铁件。在单件小批量铸造生产中，有时可以将型砂分为面砂和背砂两种类型区分使用。在型腔内表面深约15~30mm层间使用较高型砂，而其余则使用质量较差的填充砂。赫土砂可用于手工造型也可用于机械造型，储量丰富、价格低廉、旧砂可以重复多次使用，因此，赫土砂应用最广。下一页上一页第二节砂型铸造

2)水玻璃砂。水玻璃砂是以水玻璃为赫结剂，利用其与CO2进行化学反应而赫结硬化。具有不需烘干、硬化速度快、型砂强度高、易于实现机械化、生产周期短等优点。但不足之处是铸铁件易赫砂，使得铸件的落砂清理较困难。

3)油砂。利用桐油等作赫结剂的油砂，可用来制作形状复杂的型芯。这种砂具有较高的干强度、透气性、耐火性、退让性和良好的出砂性。有时为了节省油料，可以采用制皂副产品合脂作赫结剂，组成所谓的合脂砂。

4)树脂砂。以合成树脂(如吠喃树脂等)作赫结剂组成的型砂称作树脂砂。与油砂相比，采用树脂砂制备的砂型或型芯，不需烘干、硬化速度下一页上一页第二节砂型铸造较快，且强度也较高，另外退让性和出砂性也较好，同时便于实现机械化和自动化。

3.型砂和芯砂的配制简介型砂是由新砂、旧砂、赫土、附加物和水搅拌碾压配制而成。型砂成分随铸件材料和生产条件而异。芯砂由新砂、赫土或特殊赫结剂配制而成。赫土用于制造型芯，特殊赫结剂用于制造复杂型芯。型砂或型芯砂大都在混砂机内配制。配制时将各组成物按一定比例放入混砂机，先干混，然后加水或其他液体赫结剂湿混。最后，放出堆存一定时间，将其打松即可使用。按用途不同，型砂分面砂、填砂和单一砂三种。面砂是在铸型中直下一页上一页第二节砂型铸造接与模型接触的一层型砂，要求有较高的耐火性、高强度和良好的可塑性。填砂又称背砂，是用来填满砂箱其余部分的砂，一般用旧砂过筛后作填砂，要求有高的透气性。在用机器造型时，通常只用一种性能符合要求的砂，称为单一砂(即部分面砂和背砂)。三、造型与造芯方法概述造型是砂型铸造中最主要的工序之一，是使用模型和型砂制成与铸件轮廓和尺寸相对应的铸型的方法。该工序的关键是如何将模样从铸型中顺利取出(起模)而不破坏型腔。造型通常可分为手工造型和机器造型，生产中应根据铸件的尺寸、形状、生产批量、铸件的技术要求以及生产条件等因素，合理地选择造型方法。下一页上一页第二节砂型铸造模型和芯盒是造型和造芯时的模具。模型的外形相似于铸件的外部形状。用芯盒制出的型芯，其外形相似于铸件的内腔形状。常用的有木模和金属模两种，木模用于单件小批生产，金属模常用于成批、大量生产。

1.制造模型和芯盒的注意事项

(1)选择分型面。

1)铸件上精度要求高或需要加工的表面，应朝下或朝向侧面放置;大平面、薄壁和形状复杂的部分应朝下放置(因铸造时，上表面容易出现气孔、夹渣等缺陷)。

2)砂型有突出部分时，应考虑放在下面，要尽量避免上箱有吊砂。

3)整个铸件最好在同一砂箱内，以免因错箱而造成废品。下一页上一页第二节砂型铸造

(2)拔模斜度。为了使模型容易从砂型中取出，在垂直于分型面的模壁上应作出斜度。同样，为使型芯容易从芯盒中取出，在芯盒的内壁也应有斜度，一般木模斜度为1°~30°(3)收缩量。常用铸造合金的收缩量为:灰铸铁0.5%~1%;铸钢1.5%~2%;铜合金1.0%~1.6%;铝硅合金1.0%~1.2%。铸件所有加工表面上的加工余量，必须在模型上作出。模型的实际尺寸，应该是零件的尺寸加上加工余量和收缩量。

(4)铸造圆角。为了减少铸件壁的连接和转弯处产生裂纹和造型方便等，应将铸件两个相邻表面的交角做成圆角。

(5)型芯头。为了造型时能在铸型中作出安置型芯的凹坑(型芯座)，在模型上应作出相应的凸出部分，称作型芯头。下一页上一页第二节砂型铸造

2.手工造型手工造型是指造型的两道工序紧砂和起模是由手工来完成的，这种造型方法要求工人技术水平较高且劳动强度大，生产的铸件尺寸精度较低、缺陷多、生产效率低，主要用于单件、小批量生产。(1)手工造型分类。常用手工造型方法见表7-2。(2)造型的基本方法。上述各种造型方法基本都一样，现以两箱造型为例简单介绍造型的基本方法。1)造下箱。把下半个模型放在底板上，安放下砂箱并撒分型砂;填厚度约20mm的面砂，再加填砂;每添加一层型砂要均匀捣实，然后撒面砂、填砂捣实，刮去多余型砂;用通气针扎通气孔，增加透气性，但不能扎到模型。下一页上一页第二节砂型铸造

2)造上箱。把下箱翻转180°放在底板上，将分型面修整并撒上型砂，合上上半个模型，再放上砂箱，并安放直浇口棒，然后撒面砂、填砂捣实。

3)开外浇口。刮平多余型砂，扎通气孔，拔出浇口棒，把直浇口上部修成外浇口。

4)起模。取下上箱，翻转180°，挖出内浇口，用毛笔把模型边缘湿润，用拔模针分别拔出上下两个砂型中的模型，修整型腔，吹去砂粒，撒上石墨粉，放置型芯，开排气道。

5)合型。合箱后紧固上下砂箱，或放上压铁，即可进行浇注。

3.机器造型下一页上一页下一页上一页第二节砂型铸造机器造型主要有震压造型、高压造型和抛砂造型等方法，其中最常用的是震压造型。机器造型不能用于干砂型铸造，不适于大型铸件，不能用于三箱造型和活块造型(不易取分块)。

(1)震压造型。震压造型使用造型机实现紧实型砂和起模两项操作，可以全部或部分实现机械化。

1)紧砂。目前震压造型中最常用的主要是以压缩空气为驱动力，靠震动和挤压把型砂紧实，即震压式造型机。其紧砂过程大致如图7-17所示，可分为三个阶段。①填砂。将砂箱放在造型机震击活塞上方的模底板上，由输送机运来的型砂通过料斗(图中未画出)填满砂箱，如图7-17(a)所示。第二节砂型铸造②震击紧砂。打开气阀，使压缩空气经震击活塞、压实活塞中的孔道进入震击活塞底部，向上顶起震击活塞、模底板和砂箱。当活塞上升到排气孔位置时，关闭进气阀、开启排气阀，震击活塞连同模底板、砂箱因自重一起下落，使砂箱中的松散型砂产生冲击振动，如图7-17(b)所示。反复进行上述进、排气动作，型砂受到连续冲击振动而逐渐被紧实。③压实上部型砂。砂箱内型砂经上述冲击振动后，靠近模底板的下侧型砂基本被紧实，但上部型砂因受到无阻力振动，并未被紧实。因此，需将造型及压头对准砂箱，使压缩空气由造型机下部进入，向上顶起压实活塞及其以上部分，在压头的压力和压实活塞压力的共同作用下，将砂箱内的型砂彻底紧实，如图7-17(c)所示。然后排出压实缸中的压缩空气，使压实活塞等落回原位，即完成紧砂过程。下一页上一页第二节砂型铸造在制造大、中型铸件时，还常用抛砂机进行抛砂紧实。2)起模。造型机的起模方法较多，其中主要有图7-18所示的顶箱、落模、漏模和翻转落模等。图7-18(a)所示为顶箱法，砂箱内的型砂被紧实后，利用造型机的下顶出缸将砂箱向上顶起，模底板和模样留在工作台面上，完成起模。图7-18(b)是落模法，紧砂完毕后，移开下托板，使模底板连同模样一起下落，而砂箱及其中的砂型留在工作台面上。这两种起模方法常用于铸件形状简单、起模高度较小的场合。当铸件形状复杂或起模高度较高时，可采用图7-18(c)所示漏模法。这种起模方法中的模型由漏模和托模组成。起模时，砂箱不动，将漏模抽下后，再取漏板和托模，吊砂被漏板托住不致损坏。下一页上一页第二节砂型铸造图7-18(d)所示翻转落箱法常用来造下箱，型砂被紧实后，将砂箱与模板牢牢紧固，然后翻转1800，停稳后松开使砂箱落下完成起模。(2)高压造型。高压造型方法主要是用于压实比超过0.7MPa的机器造型，压实机构以液压为动力。高压造型的砂型紧实度、铸件的尺寸精度和表面质量都比较高。另外，工作时噪声较小，生产效率高。但高压造型使用的设备结构复杂，造价高，常用于中、小型铸件的批量生产。

(3)抛砂造型。所谓抛砂造型是利用抛砂机将输送带传来的型砂压实成砂团，然后直接抛到砂型中紧实的造型方法。图7-19所示为抛砂造型的基本工作原理，利用高速旋状叶片的离心力将松散型砂在抛砂机内压实后以30~60m/s的高速抛入砂箱内，同时完成填砂和紧实两道工序。下一页上一页第二节砂型铸造抛砂机本身可在水平和垂直两个方向上移动，因此，可完成较大铸件的造型，使劳动强度大为改善。抛砂造型常用于中、小批量铸造生产。

5.造芯砂芯主要用于形成铸件的内腔及尺寸较大的孔，也可以用来成形铸件的外形。制造型芯，一般采用芯盒造芯和刮板造芯两种方法。

(1)芯盒造芯。采用内腔与型芯外形相同的芯盒(通常沿轴线分成两块)进行造芯，如图7-20所示。为了增加型芯的强度和透气性，常在造芯时插入型芯骨和扎出通气孔。为了提高型芯表面的粗糙度和耐火性，应在表面涂上涂料，以免铸件产生赫砂，不易清理。

2.刮板造芯下一页上一页第二节砂型铸造先在底板上放置芯骨和芯砂，捣实后用漫刀切出大致的形状，然后用带有与型芯外形相同内凹刮板沿底板边缘往复运动，刮削出型芯的形状，烘干后再把两半个泥芯赫合成一整体，如图7-21所示弯管的刮板造芯。在大批量生产中，应采用机器造芯，比如，通常采用射芯机或吹芯机等。四、铸造工艺设计及铸造工艺图的绘制铸造生产必须根据铸件的结构特点、技术要求、生产批量生产条件等进行相应的铸造工艺分析，确定铸造工艺方案后，需要绘制铸造工艺图。

1.铸造工艺方案的确定制定铸造工艺方案是组织铸造生产的重要步骤，需要确定浇铸位置、铸型分型面以及相应的各项工艺参数。下一页上一页第二节砂型铸造

(1)正确确定铸件的浇注位置。浇注时铸件在铸型中所处的空间位置，称为铸件的浇铸位置。铸件浇注位置的确定关系到金属流动、浇口处理等铸件质量问题，并且通常需要考虑多方面因素。

1)铸件的重要加工面和主要工作面应朝下或位于侧面。液态金属浇注时，上表面出现砂眼、气孔、夹渣、缩孔等缺陷的可能性比下部要大，另外，组织的致密程度也较差。图7-22为车床床身铸件的确定方案，由于床身导轨面比较重要，要求组织致密、耐磨损，不允许出现明显的表面缺陷，因此，浇注应将导轨面朝下。如果工艺上难以实现重要表面朝下的浇注方案时，可以考虑将其下一页上一页第二节砂型铸造置于侧面进行浇注，因为侧面可能产生的浇注缺陷通常比上面要小些。

2)铸件的宽大平面应朝下，以防止大平面上形成气孔、砂眼等缺陷。另外，浇注过程中金属液对型腔上表面产生较强烈的热辐射，容易导致型腔因急剧膨胀和强度下降而开裂或拱起，并进入液体内部，造成夹砂和结疤等缺陷。如图7-23所示大型覆盖件冲模底座，由于工作时上表面需要较高的强度，另外表面需经切削加工，应避免气孔、夹砂等铸造缺陷。因此，确定浇注位置时，应将较大平面朝下。

3)为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔等缺陷，面积较大的薄壁部分应处于铸型的下部或垂直、倾斜的位置。下一页上一页第二节砂型铸造这样，既可以增强浇注时金属液的流动性，又可避免产生上述铸造缺陷，如图7-24所示油盘铸件的浇注位置。

4)铸件壁厚较厚部分应放在分型面附近的上部或侧面，便于在厚实处安放冒口进行补缩，防止产生缩孔。

(2)确定分型面。铸造分型面是指铸型组元间相互接合的表面，即分开铸型便于起模的接合面，分型面通常与砂箱之间的接触面相同。分型面的选择合理与否，对造型工艺、铸件成形质量、工装设计及制造有着重要影响。分型面的选择应在保证铸件质量的前提下，尽可能简化铸造工艺过程。确定分型面时，通常需要考虑以下原则。下一页上一页第二节砂型铸造

1)应保证将模样从砂型中取出，这是确定分型面的最基本原则。因此，需将分型面选在铸件的最大截面处。

2)尽可能将分型面设计为平面，以避免挖砂或假箱造型，尽可能使造型工艺简化。如图7-25所示起重臂铸件的分型面，按上图取在横截面中心上，可用分模造型，起模无障碍。但如果如下图，取在铸件形状面中心层上，由于分型面是曲面，可能需要挖砂或假箱造型，使工艺复杂化。

3)应尽可能减少分型面数量，既可以简化造型，又可减少因错模造成的铸件误差。图7-26所示为槽轮铸件分型面的选择方案，图7-26(a)以槽轮中切面为分型面，采用分离模两箱造型，中部环形槽利用活砂块。下一页上一页第二节砂型铸造虽然制定一个分型面，但需用手工造型，侧抽芯较麻烦，生产效率较低。图7-26(b)分型面的选择必须采用三箱造型，既不能机器造型，手操作也较麻烦，只适用于小批量生产。图7-26(c)所示分型方法，取一个分型面，可用两箱机器造型，轮槽部分利用环状型芯形成。这种分型面取法，既简化了造型过程，又有利于提高铸件成形质量，适用于大批量生产。

4)为了保证铸件的成形精度，应尽量使铸件全部或大部分在同一个砂箱内，既可以减少因错模造成的误差，而且可使铸件的基准面与加工面在同一个砂箱内，保证铸件的位置精度。如图7-27所示的汽车轮壳铸件的分型面，如果按照图7-27(a)所示分型方法，即以φ350圆周下一页上一页第二节砂型铸造顶面为分型面，可以实现单分型面两箱造型，且可节省型芯。但铸造时在分型面上容易形成劈缝，铸件质量不易保证。考虑到铸件φ350外圆为加工基准面，改为图7-27(b)所示分型面，在φ350圆周顶面加设型芯，使铸件全部置于砂箱内铸造成形。之后的机械加工时，可夹住φ350外圆加工内孔，避免因分型面选择不当所造成的铸件质量问题。

5)为方便造型、下芯、合箱及检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。如图7-28所示为机床床身支柱的分型方案，采用方案I或方案II都不影响下芯时检验型腔壁厚，但由于方案II的分型方法可使型腔和型芯大部分位于下箱，有利于起模及合箱，因此，与方案I相比，方案II有利于简化工艺。下一页上一页第二节砂型铸造铸造分型面的确定方案通常不是唯一的，因此，需要根据生产条件具体分析确定。一般应以保证铸件质量为主，兼顾造型、下芯、合箱检验及清理操作方便。另外，还需考虑铸件的产量以及现有生产条件。

(3)主要工艺参数的确定。

1)机械加工余量和铸孔。在铸件加工表面上留出切削去除的金属层厚度，称为铸件加工余量，如图7-29中。c1,c2,c3所示。加工余量应根据铸造合金的种类、铸造方法、铸件的形状尺寸及其精度要求等来具体确定。铸钢件表面较粗糙，加工余量应比铸铁件要大;非铁合金铸件表面较光洁，加工余量应比铸铁件要小;铸件越大，加工余量应越大;机器下一页上一页第二节砂型铸造造型比手工造型铸件加工余量小;浇注位置朝上的铸件表面的加工余量要比侧面和下表面大。铸件所带孔是否铸出，需要考虑铸孔的可能性、必要性和经济性。一般手工造型时，灰通常，机械加工余量在加工部位用红实线画出轮廓线，注明数值。不铸出的孔、槽应打上红叉。

2)铸造收缩率(线收缩率)。铸造收缩率或称线收缩率是指铸件从线收缩温度开始，冷却至室温的收缩率，通常表示如下式中，L模样为模样的线尺寸;L铸件为铸件的线尺寸。考虑到铸件冷却后的收缩，模样的尺寸必须比铸件的对应尺寸加大一个收缩量。下一页上一页第二节砂型铸造收缩率的大小取决于铸造合金的种类及铸件的结构尺寸等因素，灰铸铁的收缩率常取0.7%~1.0%，铸钢取0.3%~2.0%，铝硅合金0.8%~1.2%，锡青铜为1.2%~1.4%。

3)起模斜度起模斜度是指为了较容易地从铸型中取出模样或从芯盒中脱出型芯，在模样和型芯的起模方向上留出一定的斜度，如图7-29中a1,a2所示。起模斜度应根据铸件垂直立壁的高度、造型方法以及模样材料等影响因素具体确定。一般模样立壁越高，起模斜度应越小;木模样斜度比金属模斜度要大些;手工造型比机器造型的模样斜度要大些。一般，铸件外壁的起模斜度为1°~3°，内壁的起模斜度应比外壁大些，约为3°~10°。上一页下一页第二节砂型铸造另外，对于形状简单，无起模困难的模样可不加起模斜度。

4)型芯头。将型芯安放在铸型的型芯座内，除型芯本身外，型芯模样比铸型突出一部分称为型芯头。型芯头是型芯的重要组成部分，应保证定位准确、能承受砂芯自身重量和金属液的冲击、浮力等外力作用，并且能使浇注时砂芯内部气体顺畅引出铸型等。按照型芯在铸型中的安放形式，常可分为垂直型芯头和水平型芯头两类，如图7-30所示。图7-30(a)所示上、下型芯头可用于细长铸件的型芯定位，是最常用的形式。当铸件内形横截面较大，但不是很高时，可以采用图7-30(b)所示只带下型芯头的型芯。图7-30(c)适用于铸件内形横截面尺寸很大，且安放容易稳定的大型铸件型芯固定。下一页上一页第二节砂型铸造图7-30(d)为水平型芯头，常用水平型芯都是两端带有型芯头的形式，当足以使型芯安放平稳时，也可采用单侧型芯头。为防止型芯定位不稳固而容易产生倾斜或转动，还可以采用联合型芯头或安放型芯撑来支撑型芯。垂直型芯头的高度h一般取15~150mm,型芯越高，型芯头高度h随之增大。下型芯头的高度较大，斜度小些，可取5°左右，可增加型芯安放的稳固性。上型芯头高度较小，一般取100左右，便于合箱。水平型芯头的长度L，通常随型芯长度增大而增大。为了便于下芯装配，型芯头与型芯座之间应留有间隙、，手工造型、造芯时，、取1~4mm，并随型芯尺寸增大而增加。如果采用机器造型和造芯，可使间隙、略小。通常，型芯头边界用蓝实线表示。下一页上一页第二节砂型铸造

5)铸造圆角。设计制作模样时，为防止铸件壁的交接处因材料聚积和应力集中而产生缩孔和裂纹，应将铸件相交壁处做成圆弧过渡，称之为铸造圆角。设置铸造圆角，便于液体金属在型腔中流动，减轻液体对铸型的冲击，还可以防止交角处产生粘砂、缩孔和裂纹等缺陷。铸造圆角半径常取两相交壁平均厚度的1/3~1/20。

(4)浇注系统。为填充型腔而开设于铸型中的一系列引入金属液的通道的总称为浇注系统。

1)浇注方式。铸造成形时的浇注方式通常根据铸件的具体形状尺寸确定，因此，浇注方式也有多种。如图7-31所示，图7-31(a)所示顶浇方式，将内浇道设于型腔顶部进行浇注。顶浇式浇注系统易于充满下一页上一页第二节砂型铸造薄壁铸件，有利于补缩，但金属液对铸型的冲击较大，因此适用于形状简单且高度较小的铸件。而对于形状复杂的较高铸件，通常采用图7-31(b)的底注式浇注，即将内浇道开设在型腔底部。底浇式浇注方法可使金属液流动平稳，不易产生冲砂和氧化，但补缩效果较差，不适于薄壁铸件浇注。而对于普通铸件，多采用图7-31(c)所示的中注式浇注，是将内浇道由分型面引入型腔，适用于上、下箱都有型腔的铸件浇注。对于金属液在型腔内流程过长的高度较大铸件，还可以采用多内浇目的分段式浇注。此外，根据铸件具体形状尺寸，还可采用阶梯式浇注系统和缝隙式浇注系统等。采用哪种浇注形式，可根据铸件具体条件或参考相关资料手册来确定。下一页上一页第二节砂型铸造2)浇注系统的组成及作用。浇注系统一般由浇口杯、直浇道、横浇道和内浇道组成，如图7-32所示。①浇口杯也常称作外浇口，是浇注时金属液与铸型相接触的第一个零部件。浇口杯的作用是承受金属液的冲击和分离熔渣，并避免金属液对铸型的直接冲击。一般中、大型铸件采用盆形外浇口，而小型铸件采用漏斗形外浇口。②直浇道。可以利用它的高度所产生的静压力，提高金属液进入铸型的流动速度和流动压力。直浇道通常设成上粗下细的圆锥体形。③横浇道。横截道的作用主要是用来阻挡熔渣，又可通过直浇道使具有较高流速的金属液在横浇道内流速减缓，其中所含熔渣或气体有所上浮而不致进入型腔，横浇道通常设在上半型。下一页上一页第二节砂型铸造④内浇道。内浇道将浇注金属液直接引入铸型型腔。正确的内浇道数量、位置及大小，可以控制金属液流入型腔的速度和方向。内浇道一般设在分型面上，与型腔直接相连。浇注系统的主要作用是:a)使金属液平稳地充满型腔，避免冲坏型壁和型芯;b)挡住熔渣进入型腔;c)调节铸件的凝固顺序。

3)冒口。冒口是在铸型内储存供补缩铸件用金属液的空腔，冒目的设置就是补充铸件凝固时所需要的金属液，使缩孔进入冒口中。清理铸件时，再将冒口切除。冒目的种类及分类方法很多，如明冒口、暗冒口、顶冒口、侧冒口等。明冒口通常设置在铸件顶部，由于与外界大气相通，可以获得较好的排气及浮渣效果。下一页上一页第二节砂型铸造中、小型铸钢件多采用明冒口，有时在冒口上部开设出气孔，以排除型腔气体，使熔渣上浮，另外，还可用来观察浇注情况。如铸件中明显需要补缩的部位距离铸件顶面较远或受其他结构阻碍时，可采用暗冒口，暗冒口可设置在铸件的任何位置。暗冒口顶部应开出气孔，以使冒口空腔中的气体逸出。顶冒口一般为明冒口，通常设在铸件的最高位置或热节的上方。这种冒口补缩压力大、效果好。如果铸件的热节位于铸件的侧面或下部时，可采用侧冒口。冒目的形状尺寸通常根据经验确定，也可进行近似计算或参考有关资料。

2.砂型的合箱、浇注及落砂清理下一页上一页第二节砂型铸造

(1)砂型合箱。铸型和型芯的装配工序简称为合箱。合箱是浇注成形之前的一道重要工序，直接关系到铸件的成形质量。装配型芯时，应仔细检验型芯安放的稳固性，如果仅靠型芯头座还不能使型芯承受金属液冲击，有可能发生位移或倾斜时，应考虑增设型芯撑。浇注后，型芯撑被金属液熔焊在铸件内部，通常型芯撑采用铁片等金属片制成，为了防止表面氧化生锈，有时需要表面镀锡。当型芯位置及其稳固检查合格后，可以进行砂型合箱，如图7-33所示。合箱后，上、下箱要用夹子或螺钉定位、紧固，或在铸型顶部放置压铁，以避免浇注时由于金属液冲击使向上浮起，造成跑火、抬箱等事故。下一页上一页第二节砂型铸造

(2)金属的熔炼。熔炼是指使金属由固态转变为液态的过程，熔炼的任务是提供化学成分和温度都合格的熔融金属。为了获得所需成分和性能的铁液，熔炼之前，需要进行严格的配料。熔炼金属所用设备主要是冲大炉、工频感应电炉和电弧炉等。对于熔炼铸铁而言，最常用的是冲大炉。

(3)浇注。将熔融金属浇入铸型的过程称为浇注。浇注时，为了保证铸造质量，金属液应在一定的温度范围内按规定的速度注入铸型。铁水出炉温度应尽可能高一点，有利于熔渣上浮。但温度过高，液