金属的铸造成形工艺

1、第一篇 金属的铸造成形工艺第一章 铸造成形工艺理论基础§1-1 概述金属液态成形工艺铸造、液态冲压、液态模锻等铸造（最广泛）将液态合金浇注到与零件的形状、尺寸相适应的铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件的成形工艺（生产方法）。一、特点1能制成形状复杂、特别是具有复杂内腔的毛坯：如：阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等2铸件的大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨3常用的原材料来源广泛，价格低廉，成本较低，其应用及其广泛（如：机床、内燃机中铸件7080%，农业机械4070%）但铸造生产过程较复杂，废品率一般较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺陷。二、分类铸造砂型铸造90%以上，成本低

2、特种铸造熔模、金属型、压力、低压、离心 质量、生产率高，成本也高§1-2 铸造的工艺性能工艺性能符合某种生产工艺要求所需要的性能铸造性能合金的流动性、收缩性、吸气性、偏析等一、合金的流动性1概念指液态合金本身的流动能力，它是合金主要的铸造性能，流动性愈强，愈便于浇铸出轮廓清晰、薄而复杂的铸件。同时，有利于非金属夹杂物和气体的上浮与排除，还有利于对合金冷凝过程所产生的收缩进行补缩。流动性不好浇不足、冷隔注：流动性的测定“螺旋形试样”（图1-1）流动性愈好，浇出的试样愈长灰铸铁、硅黄铜最好，铝合金次之，铸钢最差2影响合金流动性的因素化学成分共晶成分合金的结晶是在恒温下进行的，此时，液态合

3、金从表层逐层向中心凝固，由于已结晶的固体层内表面比较光滑（图1-3a）对金属液的阻力较小。同时，共晶成分合金的凝固温度最低（铁碳合金状态图）。相对说来，合金的过热度（浇注温度与合金熔点之温差）大，推迟了合金的凝固，故共晶成分合金的流动性最好。除纯金属外，其它成分合金是在一定温度范围的逐步凝固，即经过液、固并存的两相区。此时，结晶是在截面上的一定宽度的凝固区内同时进行的，由于初生的“树枝状”晶体，使已结晶固体层的表面粗糙（图1-3b）所以，合金的流动性变差。共晶生铁，流动性好。注：降低金属液粘度提高流动性如加P铸铁凝固温度、粘度流动性好但引起冷脆性（性能要求不高的小件）SMnS内摩擦（粘度）流动

4、性浇注条件浇注温度温度粘度过热度，保持液态时间长流动性好，但过高收缩增大，吸气增多，氧化严重缩孔、缩松、气孔、粘砂等控制浇注温度：灰铸铁：12001380 铸铜：15201620铝合金：680780浇注压力压力愈大，流动性愈好增加直浇口高度或采用压力铸造、离心铸造铸型充填条件铸型的蓄热能力铸型材料的导热系数和比热愈大，对液态合金的“激冷”能力愈强，流动性差。如：金属型比砂型铸造更容易产生浇不足等缺陷。铸型中气体在金属液的热作用下，型腔中气体膨胀，腔中气体压力增大流动性差（阻力大）改善措施：使型砂具有良好的透气性，远离浇口最高部位开设气口。二、合金的收缩性1合金收缩的概念合金从浇注、凝固直至冷却

5、到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象收缩。控制不好，易产生缩孔、缩松、应力、变形和裂纹收缩过程（图1-4）P6液态收缩液从浇注温度（T浇）到凝固开始温度（T液）间收缩凝固收缩凝凝固开始到凝固终了温度间收缩固态收缩固凝固终了室温总=液+凝+固体收缩产生缩孔、缩松线收缩产生内应力、变形、裂纹注：常用铸造合金中铸钢收缩率最高灰铸铁最小（石墨析出，体积膨胀）2影响合金收缩的因素化学成分浇注温度铸件结构和铸型条件3铸件中的缩孔和缩松（1）缩孔和缩松的形成液态合金在冷凝过程中，若其液态收缩和凝固收缩所缩减的容积得不到补足，则在铸件最后凝固的部位形成一些孔洞。按照孔洞的大小和分布，可将其分为：缩孔和缩松缩

6、孔集中在铸件上部或最后凝固的部位容积较大的孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件的内层，但在某些情况下，可暴露在铸件的上表面，呈明显凹坑。（纯金属、共晶成分合金易形成）（图1-5）缩孔的形成过程缩松分散在铸件某区域内的细小缩孔。当容积相同时，缩松的分布面积比缩孔大得多。（图1-6）缩松的形成过程宏观缩松肉眼或放大镜可见显微缩松显微镜观察到（2）缩孔和缩松的防止缩孔的防止采用冒口和冷铁，控制铸件顺序凝固即在铸件上可能出现缩孔的厚大部位（图1-7），通过安放冒口等工艺措施，使远离冒口部位先凝固，靠近冒口部位次凝固，冒口本身最后凝固。这样，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后

7、凝固部位的收缩，由冒口的金属液来补充使铸件各部位收缩均能得到补充，缩孔冒口中（多余部分，清除）注：形状复杂有多个热节冒口+冷铁外冷铁重复使用；（图1-8）内冷铁不重要铸件（熔合于铸件）（图1-9）缩松的防止热节处要放冷铁或在局部砂型表面涂“激冷”涂料，加大冷却速度，或加大结晶压力，破碎枝晶，流动性好4铸造内应力、变形和裂纹铸件在凝固之后的继续冷却过程中，其固态收缩若受到阻碍，铸件内部产生内应力，这些内应力有时是在冷却过程中暂存的，有时则一直保留到室温，后者称残余内应力。铸造内应力是铸件产生变形和裂纹的基本原因。（1）内应力的形成按内应力产生的原因，可分为热应力和机械应力热应力由于铸件的壁厚不均

8、匀，各部分冷却速度不同，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引起的。分析：金属自高温室温（冷却）时应力状态的改变，在再结晶温度（钢、铸铁为620650）以上塑性状态（在应力下）塑性变形（永久变形），变形后应力可消除；在再结晶温度以下弹性状态弹性变形，变形后应力继续存在。（图1-10）热应力形成过程三个阶段 （图1-11）应力框的冷却曲线注a. 热应力的性质铸件缓冷处（厚壁或心部）受拉伸，快冷处（薄壁或表层）受压缩 b. 铸件冷却时各处的温差越大，顺序凝固愈明显，合金的固态收缩率越大，弹性模量愈大热应力大 c. 预防热应力的基本途径减少铸件各部分的温度差，使其均匀冷却。如：E小、壁厚均匀、控制

9、各部位同时凝固（图1-12）机械应力（收缩应力）合金的线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成的应力。（图1-13）使铸件产生拉伸或剪切应力（暂时的），落砂后，内应力便消除。在铸型中可与热应力共同起作用，增大某些各部位的拉伸应力，产生裂纹。（2）铸件的变形与防止残余内应力（厚的部分受拉伸，薄的部分压缩不稳定状态，自发地通过变形，减缓内应力稳定状态即，原受拉产生压缩变形 原受压产生拉伸变形（图114）、（图115）、（图116）注：防止变形壁厚均匀，形状对称工艺上：同时凝固，冷却均匀 反变形法（长而易变形）“反变形法”统计铸件变形规律基础上，在模型上预先作出相当于铸件变形量的反变形量，以抵消铸件的变形

10、。（3）铸件的裂纹与防止当铸件的内应力超过金属的强度极限时，铸件便产生裂纹。严重缺陷导致报废。热裂在高温下产生的裂纹（裂纹短，缝隙宽、形状曲折、缝内呈氧化色）冷裂在低温下形成的裂纹（裂纹细小，呈连续直线状，缝内有金属光泽或轻微氧化色）防止热裂选择凝固温度范围小，热裂倾向小的合金，提高型砂和芯砂的退让性，控制含S 防热脆防止冷裂减小内应力，控制含P量，浇注之后，勿过早打箱。三、合金的吸气性液态合金吸入了气体，若不能逸出气孔缺陷，破坏了金属的连续性，减少了承载的有效面积，应力集中，降低机械性能（冲击韧性，疲劳强度），弥散性气孔还可使显微缩松的形成，降低铸件的气密性。按气体来源，气孔可分为：侵入气孔

11、砂型和型芯中气体侵入金属液中而形成的气孔（图119）析出气孔双原子气体随温度降低溶解度下降，呈过饱和状态以气泡形式从金属液中析出（铝合金中最多见）；如（图120）反应气孔液态金属与铸型材料、芯撑、冷铁或溶渣之间发生化学反应产生气体而形成气孔。第二章 常用铸造合金及其熔炼§2-1 钢铁的冶炼铁矿石生铁钢水钢锭（图2-1）一、炼铁在高炉中进行铁矿石+焦碳+石灰石 炉料 高炉预热9001200 焦碳燃烧，产生CO加热炉料，发生反应还原反应：C、CO将FeO中氧分离还原Fe造渣反应：CaO+SiO2=CaSiO3（炉渣）渗碳反应：Fe吸收焦碳中C含C高，熔点低的生铁水注：铁水中溶解有Si，M

12、n，S，P等（表2-1）炼钢生铁用于炼钢（大多数）铸造生铁熔炼铸钢（少量）二、炼钢钢与生铁在化学成分上主要区别：钢含C量低（<1.4%）Si, Mn S, P杂质低主要任务生铁多余的C、杂质氧化物1炼钢的冶炼反应碳、硅、锰的氧化脱碳是最重要过程P、S的脱除脱氧炼钢后期（FeO中脱氧）2钢的冶炼分类炼钢设备不同，分为转炉炼钢冶炼普通低碳钢平炉炼钢普通优质碳素结构钢、低合金钢电炉炼钢优质钢（成本高）（感应电炉或电弧炉）3镇静钢与沸腾钢镇静钢锰铁、硅铁、纯铝、完全脱氧的钢优质钢，合金钢的钢锭 沸腾钢仅用锰铁部分脱氧的钢（低碳钢）冲压件§2-2 常用铸造合金及其熔炼铸造合金用于生产铸件

13、的那一部分金属材料常用：铸铁、铸钢、铸造有色合金一、铸铁及其熔炼铸铁含C大于2.11%的铁碳合金具有良好的铸造性能、易切削适合形状复杂的铸件应用最广泛（占50%以上）根据碳在铸铁中存在形式不同，可分为白口铸铁C除微量溶于铁素体外，全部以Fe3C形式存在，断口银白色硬脆，难加工。灰口铸铁C除微量溶于铁素体外，全部或大部以石墨形式存在，断口灰色。麻口铸铁即有石墨，又有莱氏体，过渡组织。断口黑白相间的麻点，硬脆，难加工（少用）灰口铸铁（按石墨形态）普通灰口铸铁简称灰口铸铁（呈片状） 可锻铸铁石墨呈团絮状 球墨铸铁呈球状 蠕墨铸铁蠕虫状根据铸铁的化学成分，分为：普通铸铁 合金铸铁含Si>4%、M

14、n>2%，或Ti,V, Mo, Cr, Cu等1灰铸铁 显微组织由金属基体（铁素体和珠光体）与片状石墨组成钢的基体上嵌入大量石墨片。性能特征机械性能抗拉强度、弹性模量较低MPa塑性、韧性近于零脆性材料但抗压强度与钢相近（600800MPa）石墨愈多、愈粗大机械性能愈差工艺性能脆性材料，不能锻造和冲压，可焊性较差，但铸造性能优良，切削加工性能好（崩碎切屑）减震性减震能力为钢的510倍机床床身、机座耐磨性石墨润滑作用，比钢好导轨、衬套，活塞环等缺口敏感性低，疲劳强度影响小。注：影响铸铁组织和性能的因素1）化学成分C和Si石墨化 （图2-2）P20 S和Mn阻碍石墨化 P冷脆性2）冷却速度灰口

15、很慢（石墨顺利析出）；白口很快3）孕育处理提高灰铸铁机械性能的有效方法。（向铁水中冲入孕育剂进行孕育处理，然后浇注）孕育铸铁（表2-2）灰铸铁的抗拉强度、特性及应用HT100、HT150、HT200普通灰铸铁，广泛用于一般机件HT250HT350孕育铸铁（要求高）2可锻铸铁玛钢或玛铁，将白口铸铁经石墨化退火而成的一种铸铁石墨呈团絮状，对基体割裂作用抗拉强度（）相当高塑性、韧性（但并不能真的用于锻造），球铁问世前，曾是机械性能最高的铸铁（表2-3）特性和用途举例牌号 KTH黑心可锻铸铁 KTZ珠光体可锻铸铁 KTB白心可锻铸铁（少用）3球墨铸铁（简称球铁）上世纪40年代末发展起来的一种铸造合金。

16、向出炉的铁水中加入球化剂和孕育剂球状石墨铸铁1）球铁对原铁水要求控制含S0.07%，P0.1%温度>1400球化 孕育处理冲入法和型内球化法2）球铁的铸造工艺比灰铸铁易产生缩孔、缩松、皮下气孔、夹渣等3）牌号性能及应用（表2-4）QT400-18400：最低抗拉强度、18：延伸率 （表2-5）热处理后机械性能4蠕墨铸铁铁水经蠕化处理，石墨呈蠕虫状（介于片状和球状间）的铸铁其铸造性能接近灰铸铁，金属造工艺简便，牌号及性能（5个牌号）RuT420 RuT380 RuT340 RuT300 RnT260应用形状复杂大铸件（如重型机床、大型柴油机机体）5合金铸铁（特殊要求）耐磨铸铁、耐热铸铁、耐

17、蚀铸铁6铸铁的熔炼应满足的要求熔炼出预定化学成分、有足够温度的铁水、生产率高，成本低设备冲天炉、反射炉、电弧炉、工频炉等冲天炉应用最广。1）冲天炉的熔炼过程2）铁水化学成分的控制Si, Mn, C, S, P二、铸钢及其熔铸1铸钢的分类、性能及应用接化学成分： 铸造碳钢应用广（80%以上）（表2-6） 铸造合金钢重型机械制造2铸钢件的熔铸工艺1）铸钢件熔炼平炉 转炉 电弧炉 （常用三相电弧炉）2）铸造工艺钢的浇注温度高（1500）、收缩大（比铸铁大3倍）流动性差，易吸气和氧化，铸造困难易产生浇不足、气孔、缩孔、缩松、热裂、粘砂等工艺措施：铸钢用型砂应有高的耐火性、抗粘砂性；高强度、透气性和退让

18、性大而均匀石英砂安置冒口和冷铁顺序凝固在壁厚交接处设防裂筋热处理正火或退火三、铸造非铁合金及熔铸常用铸造铜合金、铸造铝合金要求：掌握常用的牌号、用途（表2-7）、（表2-8）第三章 金属的铸造成形工艺铸造：制造铸型型腔浇注冷凝获得零件§3-1 重力作用下的铸造成形靠自重充填型腔一、砂型铸造型腔型砂制作将一个形状与铸件相应，并考虑加工余量及收缩余量的模样，埋入型砂紧实，打开砂型，拨模型腔模样分块，与砂型分型面可不同1各种造型方法（图3-1）图a 整体模造型 （砂型分成两块）图b 分模造型 （模样分两块）图c 挖砂造型 （分型面是阶梯面）费时，生产率低 图d 三箱造型 （两个分型面，三砂

19、箱）图e 活块造型 （90°旋转，中心线分型、分模）最大截面（外形轮廓）2铸件内腔形状的影响内腔形状靠型芯来形成（图3-2）带空腔铸件的造型方法型芯的固定靠芯头（垂直芯头、水平芯头）注：外形轮廓相同的实心铸件与有空腔的铸件，造型方法基本相同。3型芯对分型面及造型方法的影响 （图3-3）、（图3-4）4机器造型紧砂、起模主要工序实现机械化大批量生产，机械化，流水线生产（1）紧砂方式压实式、 震实式、震压式、抛砂式、射压式（图3-5）震压式（中小型铸件）（图3-6）抛砂式（重大件）（2）起模方式顶箱式四根顶杆顶住砂箱四角，徐徐上升（图3-7）漏模式有筋条或较深凹、凸形状，起模困难砂型（图

20、7-8）翻转式180°翻转（图3-9）（3）工艺特点采用模板造型（图3-10）a）、b）定位销精度高不适合三箱造型及活块造型，（可通过外型芯改善）5机器造芯震压式造芯机（参见图3-5）射芯机（图3-11） 小型芯（不到1秒钟）注砂型成形的特点应用最广泛、最灵活单件、小批量手工造型、成批大量机器造型可浇注低熔点非铁金属，也可浇注高熔气铁水、钢水成型件尺寸、形状均可但型只能浇注一次，生产率低冷却速度慢，铸件晶粒不细密影响机械性能二、壳型铸造三、金属型铸造亦称“硬模铸造”可重复使用，“永久型铸造”1材料及结构材料金属型材质熔点高于浇入液态合金的温度如：浇注Sn、Zn、Mg低溶气合金灰铸铁浇

21、注Al、Cu用合金铸铁或钢 金属型结构保证铸件（连同浇、冒口）能从金属型中顺利取出整体式，水平分型式，垂直分型式，复合分型式（图3-14）注：浇注系统多采用底注或侧注式型芯金属型芯 砂芯2铸造工艺为保护铸件质量，提高使用寿命，采取下列措施（1）加强排气（图3-16）（2）喷刷涂料 耐火材料+粘结剂（3）预热，并控制温度（120350）（4）及时开型（无退让性，内应力较大开裂）减少内应力3特点及适用范围“一型多铸”，铸件质量好，机械性能，劳动条件好但成本高，周期长，不适合单件、小批生产，不宜形状复杂、薄型、大型铸件，使用范围受限制适用于Cu、Al、Mg等非铁合金大批生产四、熔模铸造熔模铸造，或“

22、失蟆铸造”浇入由蜡模熔失后形成的中空型腔成型。1基本工艺过程（图3-17）蜡模制造结壳脱蜡熔化浇注制造压型压制装配蜡模组2特点及适用范围精密成型工艺五、气化模铸造用聚苯乙烯发泡的气化模代替木模，用干砂（树脂砂、水玻璃）代替普通型砂造型，浇注气化模燃烧、气化、消失而形成铸件六、陶瓷型铸造精密铸造（砂型、熔模基础）1基本工艺过程（图3-19）2特点及适用范围厚大的精密铸件§3-2 外力作用下的铸造成形离心力作用压力作用一、离心铸造铸型高速回转，靠离心力充型，凝固1离心铸造的基本类型立式离心铸造（图3-20）卧式离心铸造（图3-21）成型件的离心铸造（图3-22）2特点及适用范围二、压力作

23、用下的铸造成形压力铸造（压铸） 高压作用（300700大气压）低压铸造介于金属型与压力之间（低压作用0.20.7大气压）挤压铸造（挤铸）注：几种铸造方法的比较铸造方法比较项目砂型金属型熔模压力低压陶瓷型适用金属任意不限制非铁合金为主不限制以铸钢为主铝、锌、镁等低熔合金非铁合金为主，黑色金属也可不限制以铸钢为主适用铸件大小任意中、小铸件为主以小铸件为主（<25kg）一般<10 kg中型也可中、小铸件为主大、中铸件为主批量不限制大批大量一般成批大量小批量也可大批、大量成批大量单件、小批铸件尺寸公差mm100±1.0100±0.4100±0.3100

24、7;0.3100±0.4100±0.35表面粗糙度粗糙Ra25Ra12.5Ra25Ra3.2Ra6.3Ra1.6Ra256.3Ra25Ra6.3内部质量结晶粗结晶细结晶粗表层结晶细内部多有气孔结晶细结晶粗加工余量大小小或不加工小或不加工较小小或不加工生产率低、中中、高低、中最高中低最小壁厚3.0铝合金23铸铁4.0通常0.70.51.0一般2.01.0第四章 铸造工艺设计砂型铸造工艺设计为获得好的铸件，减少工作量，降低成本合理制订铸造工艺方案，绘制铸造工艺图。§4-1 铸造工艺方案的确定铸造工艺方案选择铸件的浇注位置及分型面型芯的数量、形状及其固定方法确定工艺参数

25、（加工余量、起模斜度、圆角、收缩率）浇冒口、冷铁形状、尺寸及其布置铸造工艺图在零件图上用各种工艺符号表示出铸造工艺方案的图形它是制造模样和铸型，进行生产准备和铸件检验的依据基本工艺文件。（图4-1） 圆锥齿轮的零件图，铸造工艺图及模样图一、工艺符号及其表示方法（表4-1）二、浇注位置及分型面的选择浇注位置浇注时铸件在砂型中所处的空间位置分型面砂箱间的接触表面影响铸件质量、工艺的难易1浇注位置的选择原则1）铸件的重要加工面应朝下因为铸件的上表面易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，组织不如下表面致密。若难以朝下，则应尽力使其位于侧面。若重要加工面有数个，则将较大的平面朝下（如图4-2）c）由于车床床身导

26、轨面是关键表面，将导轨面朝下（选（1）。2）铸件的大平面应朝下型腔的上表面除了易产生气孔、夹渣等缺陷外，大平面还常产生夹砂缺陷，故对平板、圆盘类铸件，大平面应朝下（如图4-2，a）选方案（1）。3）为防止铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔缺陷，应将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如（图4-2）b）油盘，选（1）。4）对于容易产生缩孔的铸件，应使厚的部分放在分型面的上部或侧面厚处直接安放冒口，实现自下而上的顺序凝固。如图（4-2）d，选（1）。2分型面的选择原则在保证铸件质量的前提下，尽量简化工艺，节省人力物力。（1）应便于起模，使造型工艺简化。如尽量使分型面平直、数量少，避免

27、不必要的活块和型芯等。如（图4-3）三通铸件的分型面选择，（d）最优（2）应尽量使铸件全部或大部置于同一砂箱，以保证铸件精度，如图（4-5），摇臂铸件，选（a）虽分型面为曲面（挖砂或成型底板），但大部分轮廓位于一箱之中，尺寸精度较好。（3）为便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚，应尽量使型腔及主要型芯位于下箱。但下箱型腔也不宜过深，尽量避免使用吊芯和大的吊砂。注以上两种选择有密切关系从工艺设计步骤先定浇注位置，再选分型面，在定分型面时，应尽可能与浇注位置相一致。三、砂芯形状，个数及分块砂芯作用形成铸件内腔或便于外形起模。（图4-6）、（图4-7）砂芯分块 （图4-8），（图4-9）§4

28、-2 工艺参数的确定工艺方案确定后工艺参数一、机械加工余量和铸孔机械加工余量在铸件上为切削加工而加大的尺寸，称余量过大切削加工费工，且浪费材料；余量过小，制品会因残留黑皮而报废，或因铸件表层过硬而加速刀具磨损。加工余量应根据铸件生产批量、合金种类、造型方法、加工要求、铸件的形状、尺寸及浇注位置等来确定。大量生产机器造型，精度高，余量小铸钢件表面粗糙，余量比铸铁大非铁合金价贵，表面光滑，余量小（表4-2） （表4-3）说明另：铸件的孔、槽是否铸出，不仅取决于工艺上的可能性，还须考虑其必要性。一般，较大的孔、槽应铸出减小加工工时，减小热节，较小的孔、槽不必铸出留待加工更经济。不加工的特形孔、价格较贵的非铁金属铸孔尽量铸出 （表4-4）铸件的最小铸出孔二、起模斜度（拔模斜度）为了使模型样（或型芯）易于从砂型（或芯盒）中取出，应在模样或芯盒的起模方向带有一定的斜度，此倾斜度称拔模斜度或铸造斜度。（图4-10）起模斜度的形式（图4-11）自带型芯的起模斜度注：标注用角度或宽度a表示 （表4-5）三、铸造图角防止在夹角处产生冲砂及裂纹圆角半径约为相交两壁平均厚度的1/31/2.四、铸造收缩率由于合金的线收缩，铸件冷却后的尺寸将比型腔的尺寸小