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铸造技术的方法选择 铸造是将通过熔炼的金属液体浇注入铸型内，经冷却凝固获得所需形状和性能的零件的制作过程。铸造是常用的制造方法，优点是：制造成本低，工艺灵活性大，可以获得复杂形状和大型的铸件，在机械制造中占有很大的比重，如机床占6080%，汽车占25%拖拉机占5060%。铸件的质量直接影响着产品的质量，因此，铸造在机械制造业中占有重要的地位。 铸造是一种古老的制造方法，在我国可以追溯到6000年前。随着工业技术的发展，铸造技术的发展也很迅速，特别是19世纪末和20世纪上半叶，出现了很多的新的铸造方法，如低压铸造、陶瓷铸造、连续铸造等，在20世纪下半叶得到完善和实用化。由于现今对铸造质量、铸造精度、铸造成本和铸造自动化等要求的提高，铸造技术向着精密化、大型化、高质量、自动化和清洁化的方向发展，例如我国这几年在精密铸造技术、连续铸造技术、特种铸造技术、铸造自动化和铸造成型模拟技术等方面发展迅速 铸造主要工艺过程包括：金属熔炼、模型制造、浇注凝固和脱模清理等。铸造用的主要材料是铸钢、铸铁、铸造有色合金(铜、铝、锌、铅等)等。铸造方法常用的是砂型铸造，其次是特种铸造方法，如：金属型铸造、熔模铸造、石膏型铸造.等。而砂型铸造又可以分为粘土砂型、有机粘结剂砂型、树脂自硬砂型、消失模等等,如下图：铸造方法选择的原则：1优先采用砂型铸造 据统计，我国或是国际上，在全部铸件产量中，6070的铸件是用砂型生产的，而且其中70左右是用粘土砂型生产的。主要原因是砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短。所以象汽车的发动机气缸体、气缸盖、曲轴等铸件都是用粘土湿型砂工艺生产的。当湿型不能满足要求时再考虑使用粘土砂表干砂型、干砂型或其它砂型。粘土湿型砂铸造的铸件重量可从几公斤直到几十公斤，而粘土干型生产的铸件可重达几十吨。 一般来讲，对于中、大型铸件，铸铁件可以用树脂自硬砂型、铸钢件可以用水玻璃砂型来生产，可以获得尺寸精确、表面光洁的铸件，但成本较高。 当然，砂型铸造生产的铸件精度、表面光洁度、材质的密度和金相组织、机械性能等方面往往较差，所以当铸件的这些性能要求更高时，应该采用其它铸造方法，例如熔模（失腊）铸造、压铸、低压铸造等等。2铸造方法应和生产批量相适应 例如砂型铸造，大量生产的工厂应创造条件采用技术先进的造型、造芯方法。老式的震击式或震压式造型机生产线生产率不够高，工人劳动强度大，噪声大，不适应大量生产的要求，应逐步加以改造。对于小型铸件，可以采用水平分型或垂直分型的无箱高压造型机生产线、实型造型生产效率又高，占地面积也少；对于中件可选用各种有箱高压造型机生产线、气冲造型线，以适应快速、高精度造型生产线的要求，造芯方法可选用：冷芯盒、热芯盒、壳芯等高效制芯方法。中等批量的大型铸件可以考虑应用树脂自硬砂造型和造芯。 单件小批生产的重型铸件，手工造型仍是重要的方法，手工造型能适应各种复杂的要求比较灵活，不要求很多工艺装备。可以应用水玻璃砂型、VRH法水玻璃砂型、有机酯水玻璃自硬砂型、粘土干型、树脂自硬砂型及水泥砂型等；对于单件生产的重型铸件，采用地坑造型法成本低，投产快。批量生产或长期生产的定型产品采用多箱造型、劈箱造型法比较适宜，虽然模具、砂箱等开始投资高，但可从节约造型工时、提高产品质量方面得到补偿。 低压铸造、压铸、离心铸造等铸造方法，因设备和模具的价格昂贵，所以只适合批量生产。3造型方法应适合工厂条件 例如同样是生产大型机床床身等铸件，一般采用组芯造型法，不制作模样和砂箱，在地坑中组芯；而另外的工厂则采用砂箱造型法，制作模样。不同的企业生产条件（包括设备、场地、员工素质等）、生产习惯、所积累的经验各不一样，应该根据这些条件考虑适合做什么产品和不适合（或不能）做什么产品。4要兼顾铸件的精度要求和成本 各种铸造方法所获得的铸件精度不同，初投资和生产率也不一致，最终的经济效益也有差异。因此，要做到多、快、好、省，就应当兼顾到各个方面。应对所选用的铸造方法进行初步的成本估算，以确定经济效益高又能保证铸件要求的铸造方法。 铸造方法的特点和适用范围见下表：铸造方法铸件材质铸件重量表面光洁度铸件复杂程度生产成本适用范围工艺特点砂型铸造各种材质几十克很大差简单低 最常用的铸造方法 手工造型:单件、小批量和难以使用造型机的形状复杂的大型铸件 机械造型：适用于批量生产的中、小铸件手工：灵活、易行，但效率低，劳动强度大，尺寸精度和表面质量低机械：尺寸精度和表面质量高，但投资大金属型铸造有色合金几十克20公斤好复杂铸件金属模的费用较高小批量或大批量生产的非铁合金铸件，也用于生产钢铁铸件。 铸件精度、表面质量高，组织致密，力学性能好，生产率高。熔模铸造铸钢及有色合金几克几公斤很好任何复杂程度批量生产时比完全用机加工生产便宜各种批量的铸钢及高熔点合金的小型复杂精密铸件，特别适合铸造艺术品、精密机械零件尺寸精度高、表面光洁，但工序繁多，劳动强度大陶瓷型铸造铸钢及铸铁几公斤几百公斤很好较复杂昂贵模具和精密铸件尺寸精度高、表面光洁，但生产率低石膏型铸造铝、镁、锌合金几十克几十公斤很好较复杂高单件到小批量低压铸造有色合金 几十克几十公斤好复杂（可用砂芯）金属模的制作费用高小批量，最好是大批量的大、中型有色合金铸件， 可生产薄壁铸件铸件组织致密，工艺出品率高，设备较简单，可采用各种铸型，但生产效率低差压铸造铝、镁合金几克几十公斤好复杂（可用砂芯）高性能和形状复杂的有色合金铸件压力可控，铸件成型好，组织致密，力学性能好，但生产效率低压力铸造铝、镁合金几克几十公斤好复杂（可用砂芯）金属模的制作费用很高大量生产的各种有色合金中小型铸件、薄壁铸件、耐压铸件铸件尺寸精度高、表面光洁，组织致密，生产率高，成本低。但压铸机和铸型成本高离心铸造灰铁、球铁几十公斤几吨较好一般为圆筒形铸件较低小批量到大批量的旋转体形铸件、 各种直径的管件铸件尺寸精度高、表面光洁，组织致密，生产率高连续铸造钢、有色很大较差长形连续铸件低固定截面的长形铸件，如钢锭、钢管等组织致密，力学性能好，生产率高消失模铸造各种几克几吨较好较复杂较低不同批量的较复杂的各种合金铸件铸件尺寸精度较高，铸件设计自由度大，工艺简单，但模样燃烧影响环境现代炼钢是将高含碳量铁水加氧脱碳而成。常见有平炉和转炉吹氧炼钢法。 转炉炼钢将铁水倒入转炉，加入一定量的废钢、炼钢生铁起调整成分、降温作用，并加入一定量的生石灰脱硫，吹氧脱碳后，出炉加增碳剂、合金料调整成分，必要时进行精炼，经连铸机浇铸后成钢坯。 平炉炼钢将废钢、炼钢生铁、铁矿石、石灰石造渣剂配料后放入平炉，通入经预热的高温煤气加热，通过铁矿石中氧化铁来氧化生铁中的碳，达到脱碳炼钢的目的。 灌钢又称苏钢，是将海绵铁盘条放置炉中，以铸铁在其上烧熔，铸铁流入海绵铁间隙，使海绵铁强烈渗碳，铸铁脱碳而制成的钢，最早出现在宋朝苏州，又称苏铁。 百炼钢使用铸铁经高温折叠锻打脱碳而成。 熟铁含碳量已经很低，再脱碳只有成为工业纯铁或豆腐渣铁！ 含碳量在0。05%以下的叫熟铁，含碳量在0。052%的称为钢，含碳量大于2%称为生铁，炼钢就是把生、熟铁中的含碳量调整在0。05-2%的范围。古代主要有炒钢、灌钢、百炼钢三种方法。炒钢是把生铁加热成液状，加铁矿粉，同时不断搅拌，工艺复杂，技术不容易掌握。灌钢是选高品位矿石加热成液态，直接浇注在熟铁上，经过几度熔炼而成，操作简便，产量高，纯度高。百煤钢是把熟铁多次折叠锻打而成，费时长，但质量高，多用来制造宝剑。现代炼钢不知其详，猜想原理差不多。造渣：调整钢、铁生产中熔渣成分、碱度和粘度及其反应能力的操作。目的是通过渣金属反应炼出具有所要求成分和温度的金属。例如氧气顶吹转炉造渣和吹氧操作是为了生成有足够流动性和碱度的熔渣，以便把硫、磷降到计划钢种的上限以下，并使吹氧时喷溅和溢渣的量减至最小。 出渣：电弧炉炼钢时根据不同冶炼条件和目的在冶炼过程中所采取的放渣或扒渣操作。如用单渣法冶炼时，氧化末期须扒氧化渣；用双渣法造还原渣时，原来的氧化渣必须彻底放出，以防回磷等。 熔池搅拌：向金属熔池供应能量，使金属液和熔渣产生运动，以改善冶金反应的动力学条件。熔池搅拌可藉助于气体、机械、电磁感应等方法来实现。 电炉底吹：通过置于炉底的喷嘴将N2、Ar、CO2、CO、CH4、O2等气体根据工艺要求吹入炉内熔池以达到加速熔化，促进冶金反应过程的目的。采用底吹工艺可缩短冶炼时间，降低电耗，改善脱磷、脱硫操作，提高钢中残锰量，提高金属和合金收得率。并能使钢水成分、温度更均匀，从而改善钢质量，降低成本，提高生产率。 熔化期：炼钢的熔化期主要是对平炉和电炉炼钢而言。电弧炉炼钢从通电开始到炉料全部熔清为止、平炉炼钢从兑完铁水到炉料全部化完为止都称熔化期。熔化期的任务是尽快将炉料熔化及升温，并造好熔化期的炉渣。 氧化期和脱炭期：普通功率电弧炉炼钢的氧化期，通常指炉料溶清、取样分析到扒完氧化渣这一工艺阶段。也有认为是从吹氧或加矿脱碳开始的。氧化期的主要任务是氧化钢液中的碳、磷；去除气体及夹杂物；使钢液均匀加热升温。脱碳是氧化期的一项重要操作工艺。为了保证钢的纯净度，要求脱碳量大于0.2左右。随着炉外精炼技术的发展，电弧炉的氧化精炼大多移到钢包或精炼炉中进行。 精炼期：炼钢过程通过造渣和其他方法把对钢的质量有害的一些元素和化合物，经化学反应选入气相或排、浮入渣中，使之从钢液中排除的工艺操作期。 还原期：普通功率电弧炉炼钢操作中，通常把氧化末期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。其主要任务是造还原渣进行扩散、脱氧、脱硫、控制化学成分和调整温度。目前高功率和超功率电弧炉炼钢操作已取消还原期。 炉外精炼：将炼钢炉（转炉、电炉等）中初炼过的钢液移到另一个容器中进行精炼的炼钢过程，也叫二次冶金。炼钢过程因此分为初炼和精炼两步进行。初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。将炼钢分两步进行的好处是：可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼两类。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。 钢液搅拌：炉外精炼过程中对钢液进行的搅拌。它使钢液成分和温度均匀化，并能促进冶金反应。多数冶金反应过程是相界面反应，反应物和生成物的扩散速度是这些反应的限制性环节。钢液在静止状态下，其冶金反应速度很慢，如电炉中静止的钢液脱硫需3060分钟；而在炉精炼中采取搅拌钢液的办法脱硫只需35分钟。钢液在静止状态下，夹杂物*上浮除去，排除速度较慢；搅拌钢液时，夹杂物的除去速度按指数规律递增，并与搅拌强度、类型和夹杂物的特性、浓度有关。 钢包喂丝：通过喂丝机向钢包内喂入用铁皮包裹的脱氧、脱硫及微调成分的粉剂，如Ca-Si粉、或直接喂入铝线、碳线等对钢水进行深脱硫、钙处理以及微调钢中碳和铝等成分的方法。它还具有清洁钢水、改善非金属夹杂物形态的功能。 钢包处理：钢包处理型炉外精炼的简称。其特点是精炼时间短（约1030分钟），精炼任务单一，没有补偿钢水温度降低的加热装置，工艺操作简单，设备投资少。它有钢水脱气、脱硫、成分控制和改变夹杂物形态等装置。如真空循环脱气法（RH、DH），钢包真空吹氩法（Gazid），钢包喷粉处理法（IJ、TN、SL）等均属此类。 钢包精炼：钢包精炼型炉外精炼的简称。其特点是比钢包处理的精炼时间长（约60180分钟），具有多种精炼功能，有补偿钢水温度降低的加热装置，适于各类高合金钢和特殊性能钢种（如超纯钢种）的精炼。真空吹氧脱碳法（VOD）、真空电弧加热脱气法（VAD）、钢包精炼法（ASEA-SKF）、封闭式吹氩成分微调法（CAS）等，均属此类；与此类似的还有氩氧脱碳法（AOD）。 惰性气体处理：向钢液中吹入惰性气体，这种气体本身不参与冶金反应，但从钢水中上升的每个小气泡都相当于一个“小真空室”（气泡中H2、N2、CO的分压接近于零），具有“气洗”作用。炉外精炼法生产不锈钢的原理，就是应用不同的CO分压下碳铬和温度之间的平衡关系。用惰性气体加氧进行精炼脱碳，可以降低碳氧反应中CO分压，在较低温度的条件下，碳含量降低而铬不被氧化。 预合金化：向钢液加入一种或几种合金元素，使其达到成品钢成分规格要求的操作过程称为合金化。多数情况下脱氧和合金化是同时进行的，加入钢中的脱氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物排出；另一部则为钢水所吸收，起合金化作用。在脱氧操作未全部完成前，与脱氧剂同时加入的合金被钢水吸收所起到的合金化作用称为预合金化。 成分控制：保证成品钢成分全部符合标准要求的操作。成分控制贯穿于从配料到出钢的各个环节，但重点是合金化时对合金元素成分的控制。对优质钢往往要求把成分精确地控制在一个狭窄的范围内；一般在不影响钢性能的前提下，按中、下限控制。 增硅：吹炼终点时，钢液中含硅量极低。为达到各钢号对硅含量的要求，必须以合金料形式加入一定量的硅。它除了用作脱氧剂消耗部分外，还使钢液中的硅增加。增硅量要经过准确计算，不可超过吹炼钢种所允许的范围。 终点控制：氧气转炉炼钢吹炼终点（吹氧结束）时使金属的化学成分和温度同时达到计划钢种出钢要求而进行的控制。终点控制有增碳法和拉碳法两种方法。 出钢：钢液的温度和成分达到所炼钢种的规定要求时将钢水放出的操作。出钢时要注意防止熔渣流入钢包。用于调整钢水温度、成分和脱氧用的添加剂在出钢过程中加入钢包或出钢流中。铸件缺陷修复铸件上的某些缺陷，如气孔、夹渣、夹砂、裂纹、冷隔、渗漏等，如果超过有关标准、验收文件或订货协议中所允许的范围，可以按其规定进行修复。经修复、检验，确认合格的铸件，不应列入废品。焊补法应用最广，最可靠；渗补法经济而有效；其它修复方法还有熔补、环氧树脂粘补、塞补、腻补、金属喷镀等。1.1 铸钢件的焊补焊补是铸钢件的基本生产工序之一。铸钢件上的铸造缺陷几乎都可以用焊补法修复。电弧焊被广泛采用。（1）铸钢的焊接性 铸钢的含碳量对焊接性影响极大，合金元素的影响亦相当复杂。碳钢或低合金钢的焊接性通常用碳当量CE估计，近似计算公式颇多，大同小异，常用公式如下：碳当量CE0.4%，焊接性良好；碳当量愈高，焊接性愈差。常见合金元素对钢焊接性的影响，其见表28。表28 若干元素对钢焊接性的影响元素影响规律及说明CC0.25%，焊接性良好，C增加，焊接性显著下降MnC0.20%，Mn0.8%1.0，影响不大；Mn增加，焊接性变坏CuCu0.5%，影响可不计；Cu0.5%0.6%影响亦不大Al加入大量Al，焊接性变坏Ti，Nb改善焊接性PP0.05%，影响可不计；P增加，降低焊接性S降低焊接性碳钢和低合金钢的焊接性，见表29。（2）焊补要点 为了保证焊补品质（质量），应认真清理缺陷处的粘砂、氧化皮、夹杂物等；开出坡口；并根据钢的焊接性做好焊前预热和焊后热处理。表29 一些常用铸钢的焊接性钢种主要化学成分（%）焊接性焊前预热温度（）焊后于560650退火碳钢C0.3良不需不需C 0.30.4可100150最好退火C 0.40.5尚可150300应进行锰钢Mn1.21.6，C0.20.3可100150最好退火Mn1.21.6，C0.30.4尚可150300应进行铬钢Cr1.0，C0.2良不需不需Cr1.51.6，C0.3可150200最好退火镍钢Ni2.0，C0.2良不需不需Ni2.03.0，C0.150.30可100150最好退火Ni3.0，C0.30.4尚可150300应进行钼钢Mo0.40.6，C0.25可100最好退火Mo0.40.6，C0.250.35可100150最好退火铜钢Cu2.0，C0.2良不需不需注：V和Ti在其正常含量范围内对焊接性的影响可不考虑，Si含量在1.0%以下无明显影响。 形状简单的中小件可不预热。1.2 铸铁件的焊补铸铁件上的气孔、砂眼、夹渣、裂纹、渗漏等缺陷，若不超过焊补的允许范围，可以进焊补修复。但是，铸铁的焊接性能差，焊后常用气孔、变形，易断裂，难加工，因此焊补铸铁时，应非常慎重。（1）焊补方法 铸铁的焊补方法通常按工件的预热温度分类：焊前不预热或仅预热到250以下，称为冷焊；焊前预热到250450，称为半热焊；焊前预热到500700，称为热焊。铸铁常用焊补方法的特点及适用范围见表30。表30 铸铁的焊补方法及其适用范围焊补方法铸件预热焊补特点适用范围焊条电弧焊不预热冷焊 通常采用非铸铁焊条。若用镍基焊条，焊后可加工；若用其它种类焊条，焊后加工性差，且焊缝强度和颜色各不相同，有的与母材接近 采用大直径铸铁芯焊条和大电流时，若能严格执行冷焊工艺要点，则焊后可加工，硬度、强度、颜色与母材基本相同。但若缺陷四周刚度大时，焊后易开裂冷焊、半热焊主要用于非加工面上焊补，有时也用于加工面上焊补400左右半热焊 一般采用钢芯石墨化型铸铁焊条，焊后加工性不稳定，强度与母材相近500700左右热焊 一般采用铸铁芯焊条。焊后需保温缓冷。可加工，硬度，强度、颜色与母材基本相同，即使缺陷四周刚度大，焊后亦不易开裂氧-乙炔气焊不预热 焊后可加工，硬度、强度、颜色与母材基本相同。但焊后常易开裂主要用于非加工面600左右热焊 预热后快速焊。焊后在650700左右保温缓冷。可加工，硬度、强度、颜色与母材基本相同多用于加工面钎焊钎料与铸件一同加热 钎料熔化，流布铸件的缝隙或空洞中。焊后，铸件变形小，易加工，但不宜高温工作主要用于修补孔洞，裂缝等缺陷（2）焊条的选用 焊补铸铁缺陷应根据母材选 用适当焊条，见表31。表31 根据铸铁材质选用焊条（日本焊接协会）母材 焊条种类焊接种类镍焊条DFC Ni镍铁焊条DFC NiFe镍铜焊条DFCNi Cu铜焊条DFC Cu铁焊条DFC Fe灰铸铁补洞优优优优优焊接优优一般差差焊补裂缝优优稍差差差球墨铸铁补洞良优一般稍差稍差焊接一般优差差差焊补裂缝一般优差差差可锻铸铁黑心与白心补洞优优良稍差良焊接良优稍差差差焊补裂缝一般优差差差珠光体补洞优优一般稍差良焊接优优稍差差差焊补裂缝优优差差差注：日本JISZ3252铸铁焊条（下列成分是焊缝金属成分%）：焊条名称CMnSiPSNiFeCuDFC Ni1.81.02.50.040.0492DFC NiFe2.02.52.50.040.044060余量DFC NiCu1.72.51.00.040.04602.52.53.5DFC Cu1.05.01.02.59.50.040.04余量DFC Fe0.150.81.00.030.04余量1.3 铸铝件的焊补常用焊补方法及其应用见表32。表32 铸铝件常用焊补方法及应用方法焊补要点应用气焊1.焊条与补焊铸件相同2.熔剂（焊药）；氯化钾30%50%，氯化锂0%23%，氯化钠0%45%，氯化钡0%40%，氯化钠0%9%，氟化钾0%15%，冰晶石0%20%。3.铸件预热到300400，保温23h广泛应用金属极电弧焊1.焊条常用铝硅合金焊条（Si4%6%）也可用纯铝焊条（Al99.5%）2.工件预热温度：壁厚6mm，100150；壁厚68mm，200左右；壁厚812mm，3504003.焊后300350回火适于大铸件，重要铸件，如缸体，缸盖等。应用较广氩弧焊1.焊条位于钨极下方，端头伸入熔池，在氩气保护中，钨极熔化金属2.铸件预热150200；焊后缓冷适于重要铸件，如缸体、缸盖等。质量好，成本高 指质量分数。1.4 浸渗修补将液态材料（浸渗剂）渗透进疏松等缺陷里，硬化，堵塞孔洞，修复铸件的方法，称为渗浸修补。浸渗是铸件防渗漏的有效途径，广泛用于各种耐气压或液压的铸件，如发动机缸体、缸盖、进气管，压缩机铸件，阀类铸件，泵类铸件等。（1）浸渗方法 浸渗分为局部浸渗和整体浸渗两大类，每类又根据浸渗条件分为若干浸渗方法。分类如下：内压浸渗是待补铸件只留一个开口，其余开口均封闭，然后在铸件内腔装满浸渗剂，从开口处加压，浸补。真空浸渗是将铸件装入耐压罐内，密封，抽真空，在真空条件下注入浸渗剂浸渗；压力浸渗是使浸渗剂在压力条件下浸渗铸件；真空压力浸渗是铸件装入耐压罐内先真空浸渗，再进一步压力浸渗。真空浸渗是国内外公认的最有成效的浸渗方法，应用最多。（2）浸渗剂 浸渗剂是在浸渗处理中用以密封铸件微孔缺陷的液态化学物质。浸渗剂分为无机浸渗剂和有机浸渗剂两大类，种类繁多，分类如下；其中效果最佳者是硅酸盐、聚酯类、厌氧型三种浸渗剂。1）硅酸盐浸渗剂 以水玻璃（硅酸钠溶液Na2OmSiO2）为主要成分，以多种金属氧化物超细粉为固化剂等，调制而成。水玻璃模数一般2.73.0，密度稀释到1.291.35g/cm3；氧化物一般超细到270400目。典型配比如下：水玻璃溶液73.796.7%，超细无机金属盐2%10%多种超细金属氧化物（如ZnO，MgO，CaO，Al2O3，Fe2O3等）0.1%3%。稳定剂0.5%5%，有机增韧剂0.5%5%，表面活性剂0.1%1%，