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第一篇 金属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）将液态合金浇注到和零件形状、尺寸相适应铸型空腔中，使其冷却凝固，得到毛坯或零件成形工艺（生产方法）。一、特点1能制成形状复杂、尤其是含有复杂内腔毛坯：如：阀体、泵体、叶轮、螺旋浆等2铸件大小几乎不受限制，重量从几克到几百吨3常见原材料起源广泛，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，废品率通常较高，易出现浇不足，缩孔，夹渣、气孔、裂纹等缺点。二、分类铸造砂型铸造90%以上，成本低特种铸造熔模、金属型、压力、低压、离心 质量、生产率高，成本也高1-2 铸造工艺性能工艺性能符合某种生产工艺要求所需要性能铸造性能合金流动性、收缩性、吸气性、偏析等一、合金流动性1概念指液态合金本身流动能力，它是合金关键铸造性能，流动性愈强，愈便于浇铸出轮廓清楚、薄而复杂铸件。同时，有利于非金属夹杂物和气体上浮和排除，还有利于对合金冷凝过程所产生收缩进行补缩。流动性不好浇不足、冷隔注：流动性测定“螺旋形试样”（图1-1）流动性愈好，浇出试样愈长灰铸铁、硅黄铜最好，铝合金次之，铸钢最差2影响合金流动性原因化学成份共晶成份合金结晶是在恒温下进行，此时，液态合金从表层逐层向中心凝固，因为已结晶固体层内表面比较光滑（图1-3a）对金属液阻力较小。同时，共晶成份合金凝固温度最低（铁碳合金状态图）。相对说来，合金过热度（浇注温度和合金熔点之温差）大，推迟了合金凝固，故共晶成份合金流动性最好。除纯金属外，其它成份合金是在一定温度范围逐步凝固，即经过液、固并存两相区。此时，结晶是在截面上一定宽度凝固区内同时进行，因为初生“树枝状”晶体，使已结晶固体层表面粗糙（图1-3b）所以，合金流动性变差。共晶生铁，流动性好。注：降低金属液粘度提升流动性如加P铸铁凝固温度、粘度流动性好但引发冷脆性（性能要求不高小件）SMnS内摩擦（粘度）流动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取压力铸造、离心铸造铸型充填条件铸型蓄热能力铸型材料导热系数和比热愈大，对液态合金“激冷”能力愈强，流动性差。如：金属型比砂型铸造更轻易产生浇不足等缺点。铸型中气体在金属液热作用下，型腔中气体膨胀，腔中气体压力增大流动性差（阻力大）改善方法：使型砂含有良好透气性，远离浇口最高部位开设气口。二、合金收缩性1合金收缩概念合金从浇注、凝固直至冷却到室温过程中，其体积或尺寸缩减现象收缩。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：常见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影响合金收缩原因化学成份浇注温度铸件结构和铸型条件3铸件中缩孔和缩松（1）缩孔和缩松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容积得不到补足，则在铸件最终凝固部位形成部分孔洞。根据孔洞大小和分布，可将其分为：缩孔和缩松缩孔集中在铸件上部或最终凝固部位容积较大孔洞。缩孔多呈倒圆锥形，内表面粗糙，通常隐藏在铸件内层，但在一些情况下，可暴露在铸件上表面，呈显著凹坑。（纯金属、共晶成份合金易形成）（图1-5）缩孔形成过程缩松分散在铸件某区域内细小缩孔。当容积相同时，缩松分布面积比缩孔大得多。（图1-6）缩松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）缩孔和缩松预防缩孔预防采取冒口和冷铁，控制铸件次序凝固即在铸件上可能出现缩孔厚大部位（图1-7），经过安放冒口等工艺方法，使远离冒口部位先凝固，靠近冒口部位次凝固，冒口本身最终凝固。这么，先凝固部位收缩，由后凝固部位金属液来补充；后凝固部位收缩，由冒口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（多出部分，清除）注：形状复杂有多个热节冒口+冷铁外冷铁反复使用；（图1-8）内冷铁不关键铸件（熔合于铸件）（图1-9）缩松预防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以后继续冷却过程中，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，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基础原因。（1）内应力形成按内应力产生原因，可分为热应力和机械应力热应力因为铸件壁厚不均匀，各部分冷却速度不一样，以致在同一时期内铸件各部分收缩不一致而引发。分析：金属自高温室温（冷却）时应力状态改变，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）应力框冷却曲线注a. 热应力性质铸件缓冷处（厚壁或心部）受拉伸，快冷处（薄壁或表层）受压缩 b. 铸件冷却时各处温差越大，次序凝固愈显著，合金固态收缩率越大，弹性模量愈大热应力大 c. 预防热应力基础路径降低铸件各部分温度差，使其均匀冷却。如：E小、壁厚均匀、控制各部位同时凝固（图1-12）机械应力（收缩应力）合金线收缩受到铸型或型芯机械阻碍而形成应力。（图1-13）使铸件产生拉伸或剪切应力（临时），落砂后，内应力便消除。在铸型中可和热应力共同起作用，增大一些各部位拉伸应力，产生裂纹。（2）铸件变形和预防残余内应力（厚部分受拉伸，薄部分压缩不稳定状态，自发地经过变形，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：预防变形壁厚均匀，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反变形量，以抵消铸件变形。（3）铸件裂纹和预防当铸件内应力超出金属强度极限时，铸件便产生裂纹。严重缺点造成报废。热裂在高温下产生裂纹（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）预防热裂选择凝固温度范围小，热裂倾向小合金，提升型砂和芯砂退让性，控制含S 防热脆预防冷裂减小内应力，控制含P量，浇注以后，勿过早打箱。三、合金吸气性液态合金吸入了气体，若不能逸出气孔缺点，破坏了金属连续性，降低了承载有效面积，应力集中，降低机械性能（冲击韧性，疲惫强度），弥散性气孔还可使显微缩松形成，降低铸件气密性。按气体起源，气孔可分为：侵入气孔砂型和型芯中气体侵入金属液中而形成气孔（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）反应气孔液态金属和铸型材料、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 常见铸造合金及其熔炼2-1 钢铁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，熔点低生铁水注：铁水中溶解有Si，Mn，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（少许）二、炼钢钢和生铁在化学成份上关键区分：钢含C量低（4%、Mn2%，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）和片状石墨组成钢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和钢相近（600800MPa）石墨愈多、愈粗大机械性能愈差工艺性能脆性材料，不能铸造和冲压，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，疲惫强度影响小。注：影响铸铁组织和性能原因1）化学成份C和Si石墨化 （图2-2）P20 S和Mn阻碍石墨化 P冷脆性2）冷却速度灰口很慢（石墨顺利析出）；白口很快3）孕育处理提升灰铸铁机械性能有效方法。（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）灰铸铁抗拉强度、特征及应用HT100、HT150、HT200一般灰铸铁，广泛用于通常机件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一个铸铁石墨呈团絮状，对基体割裂作用抗拉强度（）相当高塑性、韧性（但并不能真用于铸造），球铁问世前，曾是机械性能最高铸铁（表2-3）特征和用途举例牌号 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年代末发展起来一个铸造合金。向出炉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）铸铁其铸造性能靠近灰铸铁，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、耐蚀铸铁6铸铁熔炼应满足要求熔炼出预定化学成份、有足够温度铁水、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）冲天炉熔炼过程2）铁水化学成份控制Si, Mn, C, S, P二、铸钢及其熔铸1铸钢分类、性能及应用接化学成份： 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铸钢件熔铸工艺1）铸钢件熔炼平炉 转炉 电弧炉 （常见三相电弧炉）2）铸造工艺钢浇注温度高（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、粘砂等工艺方法：铸钢用型砂应有高耐火性、抗粘砂性；高强度、透气性和退让性大而均匀石英砂安置冒口和冷铁次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见铸造铜合金、铸造铝合金要求：掌握常见牌号、用途（表2-7）、（表2-8）第三章 金属铸造成形工艺铸造：制造铸型型腔浇注冷凝取得零件3-1 重力作用下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和铸件对应，并考虑加工余量及收缩余量模样，埋入型砂紧实，打开砂型，拨模型腔模样分块，和砂型分型面可不一样1多种造型方法（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铸件内腔形状影响内腔形状靠型芯来形成（图3-2）带空腔铸件造型方法型芯固定靠芯头（垂直芯头、水平芯头）注：外形轮廓相同实心铸件和有空腔铸件，造型方法基础相同。3型芯对分型面及造型方法影响 （图3-3）、（图3-4）4机器造型紧砂、起模关键工序实现机械化大批量生产，机械化，流水线生产（1）紧砂方法压实式、 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）起模方法顶箱式四根顶杆顶住砂箱四角，渐渐上升（图3-7）漏模式有筋条或较深凹、凸形状，起模困难砂型（图7-8）翻转式180翻转（图3-9）（3）工艺特点采取模板造型（图3-10）a）、b）定位销精度高不适合三箱造型及活块造型，（可经过外型芯改善）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”可反复使用，“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温度如：浇注Sn、Zn、Mg低溶气合金灰铸铁浇注Al、Cu用合金铸铁或钢 金属型结构确保铸件（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：浇注系统多采取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，提升使用寿命，采取下列方法（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）立即开型（无退让性，内应力较大开裂）降低内应力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“失蟆铸造”浇入由蜡模熔失后形成中空型腔成型。1基础工艺过程（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气化模替换木模，用干砂（树脂砂、水玻璃）替换一般型砂造型，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基础工艺过程（图3-19）2特点及适用范围厚大精密铸件3-2 外力作用下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离心铸造基础类型立式离心铸造（图3-20）卧式离心铸造（图3-21）成型件离心铸造（图3-22）2特点及适用范围二、压力作用下铸造成形压力铸造（压铸） 高压作用（300700大气压）低压铸造介于金属型和压力之间（低压作用0.20.7大气压）挤压铸造（挤铸）注：多个铸造方法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）通常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通常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mm1001.01000.41000.31000.31000.41000.35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通常2.01.0第四章 铸造工艺设计砂型铸造工艺设计为取得好铸件，降低工作量，降低成本合理制订铸造工艺方案，绘制铸造工艺图。4-1 铸造工艺方案确实定铸造工艺方案选择铸件浇注位置及分型面型芯数量、形状及其固定方法确定工艺参数（加工余量、起模斜度、圆角、收缩率）浇冒口、冷铁形状、尺寸及其部署铸造工艺图在零件图上用多种工艺符号表示出铸造工艺方案图形它是制造模样和铸型，进行生产准备和铸件检验依据基础工艺文件。（图4-1） 圆锥齿轮零件图，铸造工艺图及模样图一、工艺符号及其表示方法（表4-1）二、浇注位置及分型面选择浇注位置浇注时铸件在砂型中所处空间位置分型面砂箱间接触表面影响铸件质量、工艺难易1浇注位置选择标准1）铸件关键加工面应朝下因为铸件上表面易产生砂眼、气孔、夹渣等缺点，组织不以下表面致密。若难以朝下，则应尽力使其在侧面。若关键加工面有数个，则将较大平面朝下（图4-2）c）因为车床床身导轨面是关键表面，将导轨面朝下（选（1）。2）铸件大平面应朝下型腔上表面除了易产生气孔、夹渣等缺点外，大平面还常产生夹砂缺点，故对平板、圆盘类铸件，大平面应朝下（图4-2，a）选方案（1）。3）为预防铸件薄壁部分产生浇不足或冷隔缺点，应将面积较大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）对于轻易产生缩孔铸件，应使厚部分放在分型面上部或侧面厚处直接安放冒口，实现自下而上次序凝固。图（4-2）d，选（1）。2分型面选择标准在确保铸件质量前提下，尽可能简化工艺，节省人力物力。（1）应便于起模，使造型工艺简化。如尽可能使分型面平直、数量少，避免无须要活块和型芯等。如（图4-3）三通铸件分型面选择，（d）最优（2）应尽可能使铸件全部或大部置于同一砂箱，以确保铸件精度，图（4-5），摇臂铸件，选（a）虽分型面为曲面（挖砂或成型底板），但大部分轮廓在一箱之中，尺寸精度很好。（3）为便于造型、下芯、合箱和检验铸件壁厚，应尽可能使型腔及关键型芯在下箱。但下箱型腔也不宜过深，尽可能避免使用吊芯和大吊砂。注以上两种选择有亲密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，应尽可能和浇注位置相一致。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）4-2 工艺参数确实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。加工余量应依据铸件生产批量、合金种类、造型方法、加工要求、铸件形状、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：铸件孔、槽是否铸出，不仅取决于工艺上可能性，还须考虑其必需性。通常，较大孔、槽应铸出减小加工工时，减小热节，较小孔、槽无须铸出留待加工更经济。不加工特形孔、价格较贵非铁金属铸孔尽可能铸出 （表4-4）铸件最小铸出孔二、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，应在模样或芯盒起模方向带有一定斜度，此倾斜度称拔模斜度或铸造斜度。（图4-10）起模斜度形式（图4-11）自带型芯起模斜度注：标注用角度或宽度a表示 （表4-5）三、铸造图角预防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1/31/2.四、铸造收缩率因为合金线收缩，铸件冷却后尺寸将比型腔尺寸小，为了确保铸件应有尺寸，模样和芯盒制造尺寸应比铸件大（线收缩率）。收缩率大小和合金种类、铸件结构、尺寸等相关。通常：灰铸铁 0.7%1.0% 铸造碳钢 1.3%2.0% 铝硅合金 0.8%1.2% 锡青钢 1.2%1.4%五、芯头及芯座（图4-12） （图4-13）4-3 浇、冒口系统一、浇注系统引导金属液流入铸型型腔一系列通道总称。组成浇口杯（外浇口） 直浇道 横浇道 （图4-14） 内浇道 1尺寸确实定2常见浇注系统类型顶注式 （图4-15）a分型面（中间）注入式 b底注式 c阶梯式 d3内浇道和铸件型腔连接位置选择：二、冒口铸型中设置一个储存金属液空腔作用提供体收缩时所需金属液。对其进行补缩预防产生缩孔、缩松等（冒口清除）冒口设置铸件热节圆直径较大部位冒口尺寸计算百分比法 （表4-6）（图4-18）第五章 铸件结构设计铸件结构设计：确保其工作性能和力学性能要求、考虑铸造工艺和合金铸造性能对铸件结构要求，铸件结构设计合理是否，对铸件质量、生产率及其成本有很大影响。5-1 铸件设计内容一. 铸件外形设计铸件外形必需努力争取简单、造型方便；加强肋部署应有利于取模；尽可能避免无须要型芯和活块；应注意避免无须要曲线和圆角结构；沿着起模方向不加工表面，应给出结构斜度（表51）。二铸件内腔设计内腔必需努力争取简单、尽可能少用或不用型芯；型芯在铸型中必需支撑牢靠和便于排气、固定、定位和清理；为了固定型芯，和便于清理型芯，应增加型芯头或工艺孔。三铸件壁厚设计 铸件壁厚应均匀，不应过厚或过薄；壁厚不均匀铸件应有利于定向凝固。（表52）四铸件壁（肋）间连接设计铸件内表面及外表面转角连接处应为圆角，以免产生裂纹、缩孔、粘砂和掉砂缺点（表54）；为了预防裂纹，应尽可能采取能够自由收缩或减缓收缩受阻结构，如轮辐设计成弯曲形状；在铸件连接或转弯处，应尽可能避免金属积聚和内应力产生，厚壁和薄壁相连接要逐步过渡，并不能采取锐角连接，以预防出现缩孔、缩松和裂纹（表55）；对细长件或大而薄平板件，为预防弯曲变形，应采取对称或加肋结构。5-2 结构设计时应考虑其它方面一 应用性能二 不一样铸造工艺特殊性三 结构剖分和组合