第四章特种铸造

1、第四章第四章 特种铸造特种铸造山东科技大学材料科学与工程学院山东科技大学材料科学与工程学院 由于铸造是提供毛坯的主要工艺由于铸造是提供毛坯的主要工艺 ，精密铸造就意精密铸造就意味着毛坯组织致密、表面光洁，和尺寸精度高，可达味着毛坯组织致密、表面光洁，和尺寸精度高，可达到少、无切削加工和直接成形。到少、无切削加工和直接成形。成形加工方法成形加工方法产品耗能量产品耗能量106Jkg-1材料利用率材料利用率%铸铸 造造30-3890冷变形加工冷变形加工4185热变形加工热变形加工46-4975-80机械加工机械加工66-8245-50特种铸造特种铸造 为获得高质量、高精度的铸件，提高生产率，人为获得

2、高质量、高精度的铸件，提高生产率，人们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；们在砂型铸造的基础上，创造了多种其它的铸造方法；通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特通常把这些有别于砂型铸造的其他铸造方法通称为特种铸造。种铸造。 特种铸造属先进铸造，是铸造技术沿精密、洁净特种铸造属先进铸造，是铸造技术沿精密、洁净和高效方向的发展。和高效方向的发展。 其中最主要的发展是铸造过程数控自动化与铸造其中最主要的发展是铸造过程数控自动化与铸造工艺的绿色化。工艺的绿色化。特种铸造特种铸造金属型金属型铸造铸造熔模铸造熔模铸造消失模消失模铸造铸造连续铸造连续铸造离心铸造离心铸造低压铸造低压铸造压力

3、铸造压力铸造 1、定义、定义 2、工作原理、工作原理 3、特点及应用、特点及应用重点4.1 熔模铸造的工艺工程熔模铸造的工艺工程4.1 熔模铸造（熔模铸造（Investment casting）(1)(1)制造母模制造母模：母模是铸件的基本模型，用来制造压型。：母模是铸件的基本模型，用来制造压型。(2)(2)制造压型制造压型：压型是制造蜡模的模具，有很高的精度和：压型是制造蜡模的模具，有很高的精度和光洁度。制造压型要考虑蜡模及铸件的双重线收缩率。成光洁度。制造压型要考虑蜡模及铸件的双重线收缩率。成批、大量生产时，压型通常用金属材料制成；单件、小批批、大量生产时，压型通常用金属材料制成；单件、小

4、批时，常用石膏来制造。时，常用石膏来制造。(3)(3)制造熔模制造熔模：将糊状的蜡基材料（：将糊状的蜡基材料（50%50%石蜡和石蜡和50%50%硬脂酸硬脂酸组成），在压力下充满压型，冷凝后取出，经修整毛刺便组成），在压力下充满压型，冷凝后取出，经修整毛刺便获得一个熔模。为一次能浇出多个铸件，可将多个熔模焊获得一个熔模。为一次能浇出多个铸件，可将多个熔模焊成熔模组。成熔模组。4.1.1 熔模铸造的工艺工程熔模铸造的工艺工程(4) 型壳的制造型壳的制造 （a）结壳：先在熔模上涂挂耐火涂料（一般由水玻璃和石英粉制成或硅）结壳：先在熔模上涂挂耐火涂料（一般由水玻璃和石英粉制成或硅酸乙酯水解液和刚玉粉

5、制成的），然后撒上一层细石英砂，将其放入氯化酸乙酯水解液和刚玉粉制成的），然后撒上一层细石英砂，将其放入氯化铵水溶液中硬化或通氯气硬化铵水溶液中硬化或通氯气硬化,形成形成510mm厚的型壳为止。厚的型壳为止。（b）脱模）脱模（c）焙烧：将型壳在）焙烧：将型壳在8001000下加热，以清除型壳内的残余物和水份，下加热，以清除型壳内的残余物和水份，并进一步提高型壳的强度。并进一步提高型壳的强度。(5) 填砂填砂：为加固型壳以防它在浇注时变形或破裂，需在焙烧后的型壳周为加固型壳以防它在浇注时变形或破裂，需在焙烧后的型壳周围用干砂填紧。围用干砂填紧。(6) 金属液的浇注、落砂和清理金属液的浇注、落砂和

6、清理 型壳经焙烧后应马上浇注，以保证金属液有足够的充型能力。铸件凝固型壳经焙烧后应马上浇注，以保证金属液有足够的充型能力。铸件凝固后落砂，并对其进行清理和检验。后落砂，并对其进行清理和检验。4.1.1 熔模铸造的工艺工程熔模铸造的工艺工程4.1.2 熔模铸造的特点和应用范围熔模铸造的特点和应用范围 铸型没有分型面，不需要砂芯，型腔表面极为光洁。铸型没有分型面，不需要砂芯，型腔表面极为光洁。 熔模铸件的表面质量好于砂型铸件，尺寸精度达熔模铸件的表面质量好于砂型铸件，尺寸精度达IT1114，表，表面粗糙度达面粗糙度达Ra25Ra3.2，加工余量仅为，加工余量仅为0.20.7mm。 为保证尺寸精度，

7、熔模铸件一般不超过为保证尺寸精度，熔模铸件一般不超过25kg。 熔模铸造适于铸造各种合金，尤其在铸造高熔点合金和难切削加熔模铸造适于铸造各种合金，尤其在铸造高熔点合金和难切削加工合金时，可充分发挥其优越性。工合金时，可充分发挥其优越性。 熔模铸造时，液态金属充填热的铸型，因此，熔模铸造可以铸造熔模铸造时，液态金属充填热的铸型，因此，熔模铸造可以铸造薄壁、形状复杂的铸件，最小壁厚为薄壁、形状复杂的铸件，最小壁厚为0.7mm。 熔模铸造适于成批、大量生产，也可用于单件生产。它主要用于熔模铸造适于成批、大量生产，也可用于单件生产。它主要用于制造汽轮机、燃气轮机、涡轮发动机叶片和叶轮，切削刀具成型制造

8、汽轮机、燃气轮机、涡轮发动机叶片和叶轮，切削刀具成型铣刀和大直径钻头以及汽车、拖拉机上的一些小零件等。铣刀和大直径钻头以及汽车、拖拉机上的一些小零件等。 目前，熔模铸造的用途正在日益扩大。目前，熔模铸造的用途正在日益扩大。 航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，航空发动机叶片早期采用变形高温合金材料，随着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方随着合金材料强度要求的提高，人们采用合金化的方法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加法来提高强度，效果明显，但同时也增加了材料的加工难度。工难度。熔模熔模产品产品n生产汽轮机及燃气轮机的叶片，泵的叶轮，切削刀具，生产汽轮机及燃气轮机的叶片，泵

9、的叶轮，切削刀具，以及飞机、汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型以及飞机、汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型零件。零件。阀门类阀门类机械五金机械五金 泵类泵类 春秋时代的铜禁春秋时代的铜禁4.2 金属型铸造金属型铸造 Permanent Mold Casting 将液体金属在重力作用下浇入金属铸型，以获得铸件的一将液体金属在重力作用下浇入金属铸型，以获得铸件的一种方法。铸型用金属制成，可以反复使用几百次到几千次。种方法。铸型用金属制成，可以反复使用几百次到几千次。4.2.1 金属型铸造工艺过程金属型铸造工艺过程4.2.2 金属型的结构金属型的结构 一般的，金属型用铸铁和铸钢制成。铸件的内腔一

10、般的，金属型用铸铁和铸钢制成。铸件的内腔既可用金属芯、也可用砂芯。金属型的结构有多种，既可用金属芯、也可用砂芯。金属型的结构有多种，如水平分型、重直分型及复合分型。其中垂直分型便如水平分型、重直分型及复合分型。其中垂直分型便于开设内浇口和取出铸件；水平分型多用来生产薄壁于开设内浇口和取出铸件；水平分型多用来生产薄壁轮状铸件；复合分型的上半型是由垂直分型的两半型轮状铸件；复合分型的上半型是由垂直分型的两半型采用铰链连结而成，下半型为固定不动的水平底板，采用铰链连结而成，下半型为固定不动的水平底板，主要应用于较复杂铸件的铸造。主要应用于较复杂铸件的铸造。4.2.3 金属型铸造型的工艺特点金属型铸造

11、型的工艺特点 金属型的导热速度快和无退让性，使铸件易产生浇不足、金属型的导热速度快和无退让性，使铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。冷隔、裂纹及白口等缺陷。(1) 预热金属型预热金属型 浇注前预热金属型，可减缓铸型的冷却能力，有利于金浇注前预热金属型，可减缓铸型的冷却能力，有利于金属液的充型及铸铁的石墨化过程。生产铸铁件，金属型预热属液的充型及铸铁的石墨化过程。生产铸铁件，金属型预热至至250350；生产有色金属件预热至；生产有色金属件预热至100250。 (2) 刷涂料刷涂料 为保护金属型和方便排气，通常在金属型表面喷刷耐火为保护金属型和方便排气，通常在金属型表面喷刷耐火涂料层，以免金

12、属型直接受金属液冲蚀和热作用。因为调整涂料层，以免金属型直接受金属液冲蚀和热作用。因为调整涂料层厚度可以改变铸件各部分的冷却速度，并有利于金属涂料层厚度可以改变铸件各部分的冷却速度，并有利于金属型中的气体排出。浇注不同的合金，应喷刷不同的涂料。型中的气体排出。浇注不同的合金，应喷刷不同的涂料。(3) 浇注浇注 金属型的导热性强，因此采用金属铸型时，合金的浇金属型的导热性强，因此采用金属铸型时，合金的浇注温度应比采用砂型高出注温度应比采用砂型高出2030。一般的，铝合金为。一般的，铝合金为680740；铸铁为；铸铁为13001370；锡青铜为；锡青铜为11001150。薄壁件取上限，厚壁件取下限

13、。铸铁件。薄壁件取上限，厚壁件取下限。铸铁件的壁厚不小于的壁厚不小于15mm，以防白口组织。，以防白口组织。 (4) 开型开型 开型愈晚，铸件在金属型内收缩量愈大，取出采用困开型愈晚，铸件在金属型内收缩量愈大，取出采用困难，而且铸件易产生大的内应力和裂纹。通常铸铁件的难，而且铸件易产生大的内应力和裂纹。通常铸铁件的出型温度出型温度700950，开型时间为浇注后，开型时间为浇注后1060秒。秒。4.2.4 金属型铸造型的工艺特点金属型铸造型的工艺特点4.2.5金属型铸造的特点和应用范围金属型铸造的特点和应用范围 与砂型铸造相比，金属型铸造有如下优点：与砂型铸造相比，金属型铸造有如下优点：复用性好

14、，可复用性好，可“一型多铸一型多铸”，节省了造型材料和造型工，节省了造型材料和造型工时。时。由于金属型对铸件的冷却能力强，使铸件的组织致密、由于金属型对铸件的冷却能力强，使铸件的组织致密、机械性能高。机械性能高。铸件的尺寸精度高，公差等级为铸件的尺寸精度高，公差等级为IT12IT12IT14IT14；表面粗糙；表面粗糙度较低，度较低，RaRa为为6.3m6.3m。金属型铸造不用砂或用砂少，改善了劳动条件。金属型铸造不用砂或用砂少，改善了劳动条件。 4.3 压力铸造压力铸造 pressure die casting 压力铸造是将熔融合金在高压作用下，以高速充压力铸造是将熔融合金在高压作用下，以高

15、速充填铸型型腔，并在高压下结晶凝固而获得铸件的特种填铸型型腔，并在高压下结晶凝固而获得铸件的特种铸造工艺。铸造工艺。两个特点两个特点高压：比压高压：比压30-70MPa高速：充型时间高速：充型时间0.01-0.2秒秒4.3.1 压力铸造工艺过程压力铸造工艺过程4.3.2 压铸机分类压铸机分类按压室是否浸在熔融金按压室是否浸在熔融金属中，分属中，分n冷室压铸机冷室压铸机n热室压铸机热室压铸机按压室位置，分按压室位置，分n卧式压铸机卧式压铸机n立式压铸机立式压铸机主要构成：合型机构、压射机主要构成：合型机构、压射机构、机座、液压传动系统、控制构、机座、液压传动系统、控制系统、润滑冷却系统等。系统、

16、润滑冷却系统等。压铸的生产率高，可达压铸的生产率高，可达50500件件/h，便于实现自动化。，便于实现自动化。获得铸件的尺寸精度高，达获得铸件的尺寸精度高，达IT11IT13；表面粗糙度低；表面粗糙度低Ra为为3.20.8m。 使一些铸件无需机加工就直接使用，还压铸结使一些铸件无需机加工就直接使用，还压铸结构复杂的薄壁件。构复杂的薄壁件。由于金属铸型的冷却能力强，可获得细晶粒组织的铸件，其机由于金属铸型的冷却能力强，可获得细晶粒组织的铸件，其机械强度比砂型铸件的提高（械强度比砂型铸件的提高（2540）%。便于实现嵌铸，即将其它金属或非金属零件先嵌放在压铸型内，便于实现嵌铸，即将其它金属或非金属

17、零件先嵌放在压铸型内，再压铸另外一种金属与其合铸成一体。再压铸另外一种金属与其合铸成一体。 4.3.3 压力铸造的特点及应用压力铸造的特点及应用镶嵌件镶嵌件4.3.4 压力铸造缺点压力铸造缺点（1 1）压铸设备投资大，压铸型的制造成本高，只有在大量）压铸设备投资大，压铸型的制造成本高，只有在大量生产时才合算。生产时才合算。（2 2）可压铸的合金种类受到限制，很难适用于钢和铸铁等）可压铸的合金种类受到限制，很难适用于钢和铸铁等高熔点合金。高熔点合金。（3 3）由于压铸时的充型速度快，型腔中的空气很难完全排）由于压铸时的充型速度快，型腔中的空气很难完全排出，且厚壁处也很难补缩，使铸件内部不能避免气

18、孔和缩松出，且厚壁处也很难补缩，使铸件内部不能避免气孔和缩松缺陷。缺陷。（4 4）压铸件不宜进行热处理或在高温下使用，以免压铸件）压铸件不宜进行热处理或在高温下使用，以免压铸件的气孔中的气体膨胀，引起零件的变形和破坏。的气孔中的气体膨胀，引起零件的变形和破坏。压力铸造应用压力铸造应用汽车工业压铸应用分量例：汽车工业压铸应用分量例：镁合金镁合金70-80%铝合金铝合金60%锌合金锌合金50%4.4 低压铸造低压铸造 low pressure die-casting压力：压力：0.02-0.06 MPa0.02-0.06 MPa。1、定义、定义 2、工作原理、工作原理 3、低压铸造分类、低压铸造分

19、类 4、低压铸造低压铸造特点特点重点压缩气压缩气坩埚炉坩埚炉铸型铸型熔化黄铜水熔化黄铜水低压铸造工艺原理低压铸造工艺原理主要步骤主要步骤通气充型通气充型加压凝固加压凝固放气开模放气开模低压铸造特点及应用低压铸造特点及应用u浇注压力和速度可调，适应各种铸型、合金和铸件大小；浇注压力和速度可调，适应各种铸型、合金和铸件大小；u底注式平稳充型，无飞溅、气体卷入和型壁冲刷等弊病，底注式平稳充型，无飞溅、气体卷入和型壁冲刷等弊病，铸件合格率提高；铸件合格率提高；u压力下结晶，组织致密，轮廓清晰，表面光洁，少切削或压力下结晶，组织致密，轮廓清晰，表面光洁，少切削或零切削，机械性能高，对薄壁件铸造尤其有利；

20、零切削，机械性能高，对薄壁件铸造尤其有利；u节省补缩冒口，金属利用率高达节省补缩冒口，金属利用率高达90-98%90-98%；u劳动强度低，劳动条件好，容易数控自动化。劳动强度低，劳动条件好，容易数控自动化。应用：应用：用于质量要求较高的铝、镁合金铸件的大批量生产，用于质量要求较高的铝、镁合金铸件的大批量生产，如气缸、曲轴、高速内燃机活塞、纺织机零件等。如气缸、曲轴、高速内燃机活塞、纺织机零件等。 离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形的一种铸造方法。金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形的一种铸造方法。离

21、心铸造的类型：离心铸造的类型：铸型：金属型或砂型。铸型：金属型或砂型。分类：离心铸造机通分类：离心铸造机通常可分为立式和卧式两大类。常可分为立式和卧式两大类。4.5 离心铸造离心铸造4.5.1 立式离心铸造立式离心铸造 4.5.2 卧式离心铸造卧式离心铸造4.5.3 离心铸造的特点及应用范围离心铸造的特点及应用范围离心铸造的特点：离心铸造的特点：（1）液体金属能在铸型中形成中空的自由表面，不用液体金属能在铸型中形成中空的自由表面，不用型芯型芯即可铸出中空铸件，简化了套筒、管类铸件的生产过程。即可铸出中空铸件，简化了套筒、管类铸件的生产过程。（2）由于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造由

22、于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造可提高金属可提高金属充填铸型充填铸型的能力，因此一些流动性较差的合的能力，因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。（3）由于离心力的作用，改善了由于离心力的作用，改善了补缩条件补缩条件，气体和非金属，气体和非金属夹杂物也易于自金属液中排出，产生缩孔、缩松、气孔夹杂物也易于自金属液中排出，产生缩孔、缩松、气孔和夹杂等和夹杂等缺陷缺陷的几率较小。的几率较小。（4）无浇注系统和冒口，节约金属。无浇注系统和冒口，节约金属。不足：不足： 金属中的气体、熔渣等夹杂物，因密度较轻而集中金属中的气体、熔渣等夹杂物，因

23、密度较轻而集中在铸件的内表面上，所以内孔的尺寸不精确，质量也较在铸件的内表面上，所以内孔的尺寸不精确，质量也较差；铸件易产生成分偏析和密度偏析。差；铸件易产生成分偏析和密度偏析。应用：应用： 用于浇注各种金属的圆管状铸件，如各种套、环、用于浇注各种金属的圆管状铸件，如各种套、环、管等。以及可以铸造各种要求组织致密、强度要求较高管等。以及可以铸造各种要求组织致密、强度要求较高的成型铸件，如小叶轮、成型刃具等。的成型铸件，如小叶轮、成型刃具等。4.5.4 离心铸造的特点及应用范围离心铸造的特点及应用范围离心铸造产品离心铸造产品原理原理泡沫塑料模泡沫塑料模浇注时气化消失浇注时气化消失4.6 消失模铸

24、造消失模铸造(EPC) Evaporative PatternCasting 实型铸造实型铸造气化模铸造 实型铸造：实型铸造：采用采用聚苯乙烯发泡塑料聚苯乙烯发泡塑料模样模样代替普通模样，造好型后不取出模样就代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液浇入金属液，在金属液的作用下，塑料，在金属液的作用下，塑料模样模样燃烧、气化、消失燃烧、气化、消失，金属液取代原，金属液取代原来塑料模所占据的空间位置，来塑料模所占据的空间位置，冷却凝固冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。后获得所需铸件的铸造方法。定义定义(1) (1) 砂套造型砂套造型 先用水玻璃砂制出砂套。制造砂套先用水玻璃砂制出砂套。制造砂套

25、的模样的模样B B比铸件模样比铸件模样A A应大一个陶瓷料厚度（图应大一个陶瓷料厚度（图1-1-40a40a）。砂套的制造方法与砂型铸造相同（图）。砂套的制造方法与砂型铸造相同（图1-1-40b40b）。）。(2) (2) 灌浆与胶结灌浆与胶结 其过程是将铸件模样固定于模底其过程是将铸件模样固定于模底板上，刷上分型剂，扣上砂套，将配制好的陶瓷浆板上，刷上分型剂，扣上砂套，将配制好的陶瓷浆料从浇注口注满砂套（图料从浇注口注满砂套（图1-40c1-40c），经数分钟后，），经数分钟后，陶瓷浆料便开始结胶。陶瓷浆料便开始结胶。 陶瓷浆料由耐火材料（如刚玉粉、铝矾土等）、陶瓷浆料由耐火材料（如刚玉粉、

26、铝矾土等）、粘结剂（如硅酸乙酯水解液）等组成。粘结剂（如硅酸乙酯水解液）等组成。工艺过程工艺过程(3) 起模与喷烧起模与喷烧 浆料浇注浆料浇注515min后，趁浆料尚有后，趁浆料尚有一定弹性便可起出模样。为加速固化过程提高铸型一定弹性便可起出模样。为加速固化过程提高铸型强度，必须用明火喷烧整个型腔。强度，必须用明火喷烧整个型腔。(4) 焙烧与合型焙烧与合型 浇注前要加热到浇注前要加热到350550焙烧焙烧25h，烧去残存的水分、并使铸型的强度进一步提，烧去残存的水分、并使铸型的强度进一步提高。高。(5) 浇注浇注 浇注温度可略高，以便获得轮廓清晰的铸浇注温度可略高，以便获得轮廓清晰的铸件。件。

27、实型铸造示意图实型铸造示意图 实型铸造具有以下特点实型铸造具有以下特点（1） 由于采用了遇金属液即气化的泡沫塑料模样，无需起模，无分型由于采用了遇金属液即气化的泡沫塑料模样，无需起模，无分型面，无型芯，因而无飞边毛刺，铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔面，无型芯，因而无飞边毛刺，铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模铸造，但尺寸却可大于熔模铸造。模铸造，但尺寸却可大于熔模铸造。（2） 各种形状复杂铸件的模样均可采用泡沫塑料模粘合，成形为整体，各种形状复杂铸件的模样均可采用泡沫塑料模粘合，成形为整体，减少了加工装配时间，可降低铸件成本减少了加工装配时间，可降低铸件成本10%30%，也为铸件结构，也为铸

28、件结构设计提供充分的自由度。设计提供充分的自由度。（3） 简化了铸件生产工序，缩短了生产周期，使造型效率比砂型铸造简化了铸件生产工序，缩短了生产周期，使造型效率比砂型铸造提高提高25倍。倍。缺点：缺点：实型铸造的模样只能使用一次，且泡沫塑料的密度小、强度低，实型铸造的模样只能使用一次，且泡沫塑料的密度小、强度低，模样易变形模样易变形，影响铸件尺寸精度。浇铸时模样产生的气体污染环境。，影响铸件尺寸精度。浇铸时模样产生的气体污染环境。用途：用途：实型铸造主要用于不易起模等复杂铸件的批量及单件生产。实型铸造主要用于不易起模等复杂铸件的批量及单件生产。n工艺过程工艺过程 4.7 陶瓷型铸造陶瓷型铸造

29、Ceramic Mold Casting 陶瓷陶瓷型型铸造铸造的工艺过程的工艺过程 (1) 砂套造型砂套造型 先用水玻璃砂制出砂套。制造砂套的模样先用水玻璃砂制出砂套。制造砂套的模样B比比铸件模样铸件模样A应大一个陶瓷料厚度。砂套的制造方法与砂型铸应大一个陶瓷料厚度。砂套的制造方法与砂型铸造相同。造相同。(2) 灌浆与胶结灌浆与胶结 其过程是将铸件模样固定于模底板上，刷上其过程是将铸件模样固定于模底板上，刷上分型剂，扣上砂套，将配制好的陶瓷浆料从浇注口注满砂套，分型剂，扣上砂套，将配制好的陶瓷浆料从浇注口注满砂套，经数分钟后，陶瓷浆料便开始结胶。经数分钟后，陶瓷浆料便开始结胶。 陶瓷浆料由耐火材料（如刚玉粉、铝矾土等）、粘结剂陶瓷浆料由耐火材料（如刚玉粉、铝矾土等）、粘结剂（如硅酸乙酯水解液）等组成。（如硅酸乙酯水解液）等组成。工艺过程工艺过程(3) 起模与喷烧起模与喷烧 浆料浇注浆料浇注5