第一讲 特种铸造

学习目标 1.掌握特种铸造的分类及特点； 2.了解熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、 消失模铸造、离心铸造、低压铸造的基本工艺。

一、钢的生产方式

1.把冶炼好的钢液浇注成钢锭再用轧机轧制或连铸连轧成为不同规格的板、带、棒、丝、管等型材。这是由冶金企业完成的，规模一般很大，是钢最主要的生产方式。

2.把冶炼好的钢液浇注成钢锭后，再用锻压设备去开坯锻造，使之成为机械加工的毛坯，即锻造生产。

3.铸钢生产，把一定成分的铁碳合金，在熔炼设备中冶炼成为合格的钢液后，再浇注到已经制备好的铸型中去，冷却后得到金属制品——铸件。

二 铸造基础知识 铸造是制造业中金属零件成形方法中最独特的基础工艺方法。 铸造技术是合金的熔炼技术和铸件的成形技术的结合。 铸造(Foundry, Casting)是指将固态金属熔炼成液态，浇入与零件形状相适应的铸型型腔中，冷凝后获得铸件的工艺过程。 铸造是制造业中金属零件成形方法中最独特的基础工艺方法。 铸造技术是合金的熔炼技术和铸件的成形技术的结合。

1、液态金属的充型能力 液态金属的充型能力(Mold Filling Capacity)是指液态金属充满铸型型腔，获得形状完整、轮廓清晰铸件的能力。 1）金属液的流动性 液态金属的流动性是指金属液的流动能力。流动性越好的金属液，充型能力越强。流动性的好坏，通常用在特定情况下金属液浇注的螺旋形试样的长度来衡量。 2）浇注(Pouring)条件 3）铸型特性 为改善铸型的充填条件，在设计铸件时必须保证其壁厚(Wall Thickness)不小于规定的“最小壁厚” 。

2．合金的凝固特性 合金从液态到固态的状态转变称为凝固(Solidification)或一次结晶(Crystallization) 1）逐层凝固 纯金属、二元共晶成分合金在恒温下结晶时，凝固过程中铸件截面上的凝固区域宽度为零，截面上固液两相界面分明，随着温度的下降，固相区由表层不断向里扩展，逐渐到达铸件中心，这种凝固方式称为“逐层凝固” 。 2）体积凝固 当合金的结晶温度范围很宽，或因铸件截面温度梯度很小，铸件凝固的某段时间内，其液固共存的凝固区域很宽，甚至贯穿整个铸件截面，这种凝固方式称为“体积凝固”（或称糊状凝固）。

3）中间凝固 金属的结晶范围较窄，或结晶温度范围虽宽，但铸件截面温度梯度大，铸件截面上的凝固区域宽度介于逐层凝固与体积凝固之间，称为“中间凝固”方法。 合金的结晶温度范围愈小，凝固区域愈窄，愈倾向于逐层凝固；对于一定成分的合金，结晶温度范围已定，凝固方式取决于铸件截面的温度梯度，温度梯度越大，对应的凝固区域越窄，越趋向于逐层凝固。

3、合金的收缩性 1） 收缩及其影响因素 铸件在冷却过程中，其体积和尺寸缩小的现象称为收缩，它是铸造合金固有的物理性质。金属从液态冷却到室温，要经历三个相互联系的收缩阶段： 液态收缩——从浇注温度冷却至凝固开始温度之间的收缩。 凝固收缩——从凝固开始温度冷却到凝固结束温度之间的收缩。 固态收缩——从凝固完毕时的温度冷却到室温之间的收缩。

2）收缩导致的铸件缺陷 (1)缩孔和缩松 铸件在凝固过程中，由于金属液态收缩和凝固收缩造成的体积减小得不到液态金属的补充，在铸件最后凝固的部位形成孔洞。其中容积较大而集中的称缩孔，细小而分散的称缩松。使铸件的凝固按薄壁－厚壁－冒口的顺序先后进行，让缩孔移入冒口中，从而获得致密的铸件。

缩孔的防止方法可以考虑采用冒口补充热节圆处的金属液体，和采用冷铁激冷远离冒口处的金属，在生产上一般称为定向凝固补缩原则。即远离冒口处的金属先凝固，靠近冒口处的金属后凝固，冒口处的金属最后凝固，形成一条畅通的补缩通道，如下图所示。

(2)铸造应力、变形和裂纹 铸造应力按其形成原因的不同，分为热应力、机械应力等。 减少铸造应力就应设法减少铸件冷却过程中各部位的温差，使各部位收缩一致，如将浇口开在薄壁处，在厚壁处安放冷铁，即采取同时凝固原则。 铸造应力是导致铸件产生变形和开裂的根源。 当铸造应力超过材料的强度极限时，铸件会产生裂纹，裂纹有热裂纹和冷裂纹两种。

4、合金的吸气性及气孔 液态金属在熔炼和浇注时能够吸收周围气体的能力称为吸气性。气孔是铸件中最常见的缺陷。 1）析出性气孔 溶入金属液的气体在铸件冷凝过程中，随温度下降，合金液对气体的溶解度下降，气体析出并留在铸件内形成的气孔称为析出性气孔。 2）侵入性气孔 造型材料中的气体侵入金属液内所形成的气孔称为侵入性气孔。 3）反应性气孔 反应性气孔主要是指金属液与铸型之间发生化学反应所产生的气孔。

5、常用铸造合金的铸造性能特点 1.铸铁 (1)灰口铸铁 (2)球墨铸铁 (3)可锻铸铁 2.铸钢 铸钢的铸造性能差。铸钢的流动性比铸铁差，熔点高，易产生浇不足、冷隔和粘砂等缺陷。铸钢的收缩性大，产生缩孔、缩松、裂纹等缺陷的倾向大 。 3.铸造有色金属 常用的有铸造铝合金、铸造铜合金等。它们大都具有流动性好，收缩性大，容易吸气和氧化等特点，特别容易产生气孔、夹渣缺陷。

6.常见的铸造缺陷

7.传统铸造

7. 铸造生产技术的发展趋势 随着科学的进步和国民经济的发展，对铸造提出优质、低耗、高效、少污染的要求，铸造这一传统工艺也发生着深刻的变化。 1）向机械化、自动化方向发展 由于各种新造型方法(如高压造型、射压造型、气冲造型)和制芯方法(如热芯盒法、冷芯盒法)的开发和推广，铸件生产以汽车、拖拉机铸件为代表，向机械化、自动化的方向发展。

2）发展特种铸造工艺技术 （1）扩大特种铸造工艺的适应性，如精密铸造的应用向大型铸件方向发展，压铸柔性加工系统(FMS)和压铸柔性加工单元(FMC)使压铸适应产品更新换代迅速和多品种小批量生产的要求。 （2）发展复合铸造工艺技术，如挤压铸造、熔模真空吸铸等。 （3） 完善和开发一批全新的工艺方法，如实型铸造工艺、超级合金等离子滴铸工艺。

3）采用具有高强韧性和特殊使用性能的铸造合金材料 （1）采用具有高比强和特种性能的材料，如球墨铸铁、合金钢及铝合金、钛合金等。 （2）开发新型铸造功能材料，如铸造复合材料、阻尼材料和具有特殊磁学、电学、热学性能和耐辐射材料。 4）发展材料净化强化新技术 冶炼方面采用炉外精炼、电渣熔铸；铸后采用浸渗、激光等离子表面处理及热静压处理等。

6）开发、应用新型造型材料，提高传统造型材料的质量 5）加速采用微电子技术 微电子技术已开始用于铸造生产的各个环节，如铸件及铸造工艺设计，模具的设计与制造，凝固过程数值模拟，铸造过程自动检测、监测与控制，铸造车间管理，各种数据库系统和专家系统，机器人的应用等。今后还将进一步扩大微电子技术在铸造生产中的应用范围。 6）开发、应用新型造型材料，提高传统造型材料的质量 如通过浮选和整形等工艺，提高硅砂质量，以满足新造型制芯方法对高品位硅砂的需求，开发复合耐火材料来解决特种铸造用砂的资源不足；开发新型粘结剂和新的抗粘涂料以改善铸造生产的工作条件和提高铸件表面质量。

三、特种铸造的概念与分类 1、特种铸造的概念 除砂型铸造以外，通过改变铸型材料、浇注方法、液态合金充填铸型的形式或铸件凝固条件等因素，形成了多种有别于砂型铸造的其它特殊铸造方法。铸造工作者把有别于砂型铸造工艺的其它铸造方法，统称为特种铸造。

特种铸造一般实现以下一种性能： 提高铸件的尺寸精度和表面质量； 提高铸件的物理及力学性能； 提高金属的利用率(工艺出品率)； 减少原砂消耗量； 适宜高熔点、低流动性、易氧化合金铸造； 改善劳动条件，便于实现机械化和自动化；

2、常见的特种铸造及工艺简介 ①熔模铸造、②金属型铸造、③压力铸造、④消失模铸造 、⑤离心铸造、⑥陶瓷型铸造、⑦低压铸造、⑧真空吸铸、⑨连续铸造 、⑩挤压和液态冲压铸造

砂型铸造 液态成型工艺 特种铸造 手工造型 金属型铸造 熔模铸造 压力铸造 低压铸造 陶瓷型铸造 离心铸造 真空吸铸 连续铸造 消失模铸造 机器造型 砂型铸造 金属型铸造 熔模铸造 压力铸造 低压铸造 陶瓷型铸造 离心铸造 真空吸铸 连续铸造 消失模铸造 挤压和液态 冲压铸造 液态成型工艺 特种铸造

1）熔模铸造 熔模铸造又称失蜡铸造，用易熔材料如蜡料制成模样，在模样上包覆若干层耐火涂料，制成型壳，熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法。 采用可熔性模型和高性能型壳（铸型）来铸造尺寸精度高和表面粗糙度低的无切削或少切削铸件的方法。 熔模铸造又称失蜡铸造，用易熔材料如蜡料制成模样，在模样上包覆若干层耐火涂料，制成型壳，熔出模样后经高温焙烧即可浇注的铸造方法。

特点与应用： （1）铸件的精度高，表面粗糙度低（IT12~10、Ra12.5~1.6μm） （2）可铸出形状复杂的薄壁铸件，如铸件上的凹槽（宽>3mm），小孔（ >2.5mm）均可直接铸出。 （3）铸件合金种类不受限制，钢、铸铁和有色合金均可。 （4） 生产工序复杂，生产周期长。 （5） 原材料价格贵，铸件成本高。 （6） 铸件不能太大、太长，否则蜡模易变形。

熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程主要包括蜡模（Wax pattern）制造、制壳、脱蜡（Dewax）、焙烧和浇注等过程。

图1-1 熔模铸造主要工艺过程

射 蜡 修蜡 组树 蜡清洗 浸浆 干燥 脱蜡 烧结 熔金、浇铸 磨浇口 清砂 品检 整修、焊补 整形 包装 入库 出货 模具制作 敷砂 振壳 防锈处理 表面处理 包装 入库 出货 模具制作 敷砂 振壳 切割 后处理

面层干燥

面层 二层 背层

2）金属型铸造 金属型铸造（Permanent Mould Casting）又称硬模铸造或永久型铸造，在重力作用下将熔融金属浇入金属型而获得铸件的方法采用金属铸型，提高铸件冷却速度，实现一型多铸，获得结晶组织致密的铸件的方法。

特点和适用范围： （1）生产率高 金属型可“一型多铸”，易于实现机械化和自动化生产。 （2）铸件精度和表面质量高，加工余量减小。 （3）铸件力学性能好， 因冷却快，故组织致密。 （4）劳动条件好，减少了硅尘对人的危害和环境的污染。 （5）金属型透气差、无退让性、铸件冷却快，易生缺陷。 用于大批量生产铝合金活塞、气缸体、铜合金轴瓦，及铁合金铸件等。

随着大工业的到来，机器造型和特种铸造的需求日益上升，金属型开始进入使用。 砂型 ─── 一次型 泥型 ─── 半永久型 金属型 ── 永久型 动画：整体式金属型铸造

金属型铸造工艺

3）压力铸造 压力铸造简称压铸(Die Casting) ，通过改变液态合金的充型和结晶凝固条件，使液态合金在高压、高速下充填铸型，并在高压下成型、结晶获得精密铸件。 压力铸造是在压铸机上将熔融的金属进行压铸。压铸机分为立式和卧式两种。

压铸的压力（压射比压）一般为30～70MPa（300～700大气压），充型速度可达5～100m/s，充型时间为0. 05～0 压铸的压力（压射比压）一般为30～70MPa（300～700大气压），充型速度可达5～100m/s，充型时间为0.05～0.2s，最短时间只有千分之几秒。高压、高速是压铸的两大特点。 特点与应用： （1）.生产 效率高，便于实现自动化、半自动化。 （2）.铸件的精度高，表面粗糙度低。 （3）.铸件高压高速下结晶，故晶粒细小，表层紧实，铸件的强度、硬度高。 （4）.便于采用嵌铸又称镶铸法。嵌铸是将各种金属或非金属的零件嵌放在压铸型中，在压铸时与压铸件铸成一体。

（5）. 压铸件不宜热处理，并尽量避免切削加工 。（为什么？） 答：由于压铸的金属液注入和凝固速度过快，型腔气体难以及时完全排出，壁厚处难以进行补缩，故铸件内部易存有气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷。 （6）.压铸机费用高，压铸模具制造成本高，工艺准备周期长，不适用单件小批量生产。

图3-1 压铸件生产工部及生产过程框图

模具设计 冷却与凝固 压铸 开模 顶出铸件 成品 后加工 质量检验 废品 合金熔化 模具安装 合模 清理预热模具 喷刷涂料 与调试 涂料配制 涂料准备 冷却与凝固 压铸 开模 顶出铸件 成品 后加工 质量检验 废品 合金熔化

压力铸造视频

4）消失模铸造 将与铸件尺寸形状相似的发泡塑料模型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂层并烘干后，埋在干石英砂中振动造型，在一定条件下浇注液体金属，使模型气化并占据模型位置，凝固冷却后形成所需铸件的方法。

泡沫模样

烘 干

落 砂 后 的 铸 件 返回

消失模铸造视频

磁性铸造 磁性铸造是德国在研究消失模铸造的基础上发明的铸造方法，其实质是采用铁丸代替型砂及型芯砂，用磁场作用力代替铸造黏结剂，用泡沫塑料气化模代替普通模样的一种新的铸造方法。其质量状况与实型铸造相同，同时比实型铸造更减少了铸造材料的消耗。经常用于自动化生产线上，可铸材料和大小范围广，常用于汽车零件等精度要求高的中小型铸件生产。 动画：磁型铸造

5）离心铸造 离心铸造(Centrifugal Casting)是将熔融金属浇入高速旋转的铸型中，使其在离心力作用下填充铸型和结晶，从而获得铸件的方法。按铸型旋转轴线的空间位置不同，离心铸造分为立式和卧式两种。 改变液态合金的充填铸型和凝固条件，利用离心力的作用，用来铸造环、管、筒、套等许多特殊铸件的方法。

特点与应用： （1） 生产空心旋转铸件时，可以省去型芯、浇注系统和冒口。 （2） 补缩条件好，使铸件致密，力学性能好。（原因：在离心力作用下，密度大的金属液被推往外壁。而密度小的气体、熔渣向自由表面移动，形成自外向内的顺序凝固。） （3）便于浇注“双金属轴套和轴瓦”。

（4）铸件内孔自由表面粗糙，尺寸误差大，质量差。 （5）不适合比重偏析大的合金及铝、镁等轻合金。 离心铸造的应用： 离心铸造适用于大批量生产管、筒类铸件，如铁管、筒套、缸套、双金属钢背铜套，轮盘类铸件，如泵轮、电机转子等，铸件重量可达十多吨。

离心铸造生产视频

6）低压铸造 将液态金属在低压力（0.02～0.07MPa）作用下，由下而上压入铸型，并在一定压力下凝固而获得铸件的一种铸造方法。

低压铸造的工作原理 差压铸造装置如动画所示，其工作原理是：浇注前密封室内有一定的压力（或真空度），然后借往密封室A中加压或由密封室B减压，使A、B室之间形成压力差，进进行升液、充型和结晶。 动画：低压铸造

低压铸造的特点 ① 浇注和凝固时的压力可调，适合各种合金的铸造； ② 铸型可以采用金属型、石膏型、石墨型或干、湿砂型； ③ 铸件内部无气孔，可以进行热处理； ④ 铸件轮廓清晰，可制造形状复杂的薄壁铸件； ⑤ 铸件在压力下结晶，浇口兼作冒口补缩，因而铸件组织致密； ⑥ 低压铸造是底注式充型，液态合金充型比较平稳，可有效减少夹杂的产生； ⑦ 低压铸造时，浇口截面尺寸足够大，且开在厚壁处，以使铸件实现由上而下的顺序凝固，兼起补缩作用；由于省去了冒口，使金属利用率提高到90～98%； ⑧ 设备和工艺过程都较简单，容易实现机械化和自动化。

低压铸造的应用 主要用于生产有色金属合金的中、小型铸件，如发动机汽缸盖、缸体、曲轴箱、电器零件、箱体、球墨铸铁曲轴等。

低压铸造

铸造方法 公差等级(CT) GB6414-86 手工砂型 11～13 机器砂型 8～10 金属型 6～9 低压 熔模 5～7

四、常用铸造方法的比较 铸造种类 比较项目 砂 型 铸 造 熔 模 铸 造 陶瓷型铸造 金属型铸造 低压铸造 压力铸造 离心铸造 砂 型 铸 造 熔 模 铸 造 陶瓷型铸造 金属型铸造 低压铸造 压力铸造 离心铸造 适用合金的范围 不限制 以碳钢和合金钢为主 以高熔点合金为主 以有色金为主 用于有色合金 多用于黑色金属,铜合金 适用铸件的大小及重量范围 一般<25kg 大中型件，最大达数吨 中小件，铸钢可达数吨 中小件最重可达数百千克 一般中小型铸件 中小件 适用铸件的最小壁厚范围(mm) 灰铸件3，铸钢件5，有色合金3 通常0.7，孔Φ1.5～2.0 通常>1，孔>Φ2 铝合金2～3,铸铁>4铸钢>5 通常壁厚2～5最小壁厚0.7 铜合金<2其它0.5～1孔Φ0.7 最小内孔为ΦΦ7 表面粗糙度(um) 粗糙 6.3～1.66.3～1.6 12.5 ～6.3 12.5～1.6 3.2～0.8 尺寸公差(mm) CT11～13 CT4 CT6 金属利用率 70 90 80 95 70～90 铸件内部质量 结晶粗 结晶细 生产率(在适当机械化、自动化后) 可达240箱/h 中等 低 高 应用举例 各类铸件 刀具、机械叶片、测量仪表、电风设备等 各类模具 发动机、汽车、飞机、拖拉机、电器零件等 发动机、电器零件；叶轮；壳体；箱体等 汽车、电器仪表、照相器材、国防工业零件等 各种套、环、筒、辊、叶轮等