中国铸造史新

材料成型原理-（铸造）教案
1.本课程的主要讲授内容：铸造成型
简单介绍
铸造是金属成形的一种方法，作为区别于其他成形方法的基本特点，铸造是一种液态金属成形的方法，即将金属加热到液态，使其具有流动性，然后浇入到具有一定形状的型腔的铸型中，液态金属在重力场或外力场(压力、离心力、电磁力、振动惯性力等)的作用下充满型腔，冷却并凝固成具有型腔形状的铸件。

铸造工艺过程：几个主要步骤：
造型，熔化，浇注，冷却。

五大工部：
造型，熔化，砂处理，制芯，清理，
铸造，科学术语
另外一个俗语：翻砂：为什么？
还有一个称呼：
液态成型专业
首先来看一下我们的祖先在铸造领域对世界的贡献：
铸造是一门古老而年青的科学，根据文献记载和实物考察，证明我国铸造生产技术至少有四千年以上的悠久历史。

这四千多年，大致可分力两个
大的发展阶段：前两千年是以青铜铸造为主发展冶铸技术，形成了灿烂的
商周青铜文化，后两千年是以铸铁生产为主推动铸造技术的发展。

春秋战国时期有一本科学著作《考工记》，里边有一段这样的记载：金有六齐，六分其金，而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居一，谓
之斧斤之齐；四分其金，而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金，而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居二，谓之削杀矢之齐；金、锡半，谓之
鉴燧之齐。

这是什么？世界上最早的有记载的合金配比规律，说明在春秋战国时期咱们的先辈对不同成分的合金具有不同的机械性能和用途已有明确的认识！！！
这儿问一个问题：这儿所谓的“金”到底是什么？是不是黄金？为什么在春秋战国时期出现了上述记载？
铜合金！！
青铜合金！！
铜的熔点1084°C，钢的熔点：1500°C左右，相差将近三分之一。

所以其冶炼难度也大大降低，所以铜首先出现。

铸造的实例：鼎
青铜之冠--司母戊大方鼎
商后期(约公元前十四世纪--公元前十一世纪)。

我国目前已出土最负盛名的四足方鼎。

高133厘米、口长110厘米、口宽79厘米、重832.84千克。

立耳，柱足，腹长方形，饰饕餮纹，腹内壁铸铭文“司(或释后)母戊”三字。

1939年河南省安阳市武官村出土。

商代后期王室青铜祭器，一说为商王文丁为其母而作；另一说为商王且庚、且甲为其母而作。

此鼎型制雄伟，是中国目前已发现的最大、最重的古代青铜器。

现藏中国历史博物馆。

杜岭1号、2号铜鼎
郑州商城，商代前期青铜器。

1974年河南郑州张寨南街杜岭土冈出土，因称杜岭1号、2号铜鼎，共两件。

二鼎形制、纹饰基本相同，都是斗形方腹
（1号鼎，口、腹略呈横长方形；2号鼎呈正方形），立耳，四个圆柱形空足，腹饰饕餮纹和乳丁纹。

1号鼎通高100厘米，器口长62.5厘米，宽61厘米，重约86.4公斤;2号鼎通高87厘米，器口长宽各61厘米，重约64.25公斤。

现藏河南省博物馆。

由于我国青铜铸造技术的发达，在商代巳能得到1200度以上的炉温，因此在公元前六世纪就发明了生铁和铸铁技术，比欧洲要早一千八百多年。

铁的最低熔点：1153°C，
据《左传》记载，公元前513年，晋国曾铸造铁的刑鼎，类似的实物已有湖南长沙发现。

生铁、熟铁同时出现，并行发展，是我国古代铁冶炼技术的重要特点。

战国时期的著作《管子》中记载：出铁之山三千六百九。

到了战国中期，生铁铸造的农具，手工工具已取代青铜成为主要的生产工具，使社会生产面貌发生了巨大变化。

由于社会对生铁工具的大量需求，使铸铁金属型(古称铁范)很早在我国发明了。

河北兴隆燕国冶铸作坊曾出土战国铁范八十七件，可以铸造铁锄、铁斧，铁镰，铁凿和车具，工艺水平很高。

铸铁生产工具的使用，促进了铸铁强韧化早期发明。

过去，人们都只知道韧性铸铁(即可锻铸铁)是法国人莱翁缪尔在1722年发明的。

1956年，英国冶金史家考格兰在《旧大陆史前和早期的铁》一书中写到：铸铁在古代确实是有，可锻铸铁则只能在近代技术手段下才得以生产，在古代是不为人知的。

可是在1957年，我国有关部门通过检验古代铁器，发现早在战国时期，我们的先人已能通过石墨化热处理和脱碳热处理分别获得黑心韧性铸铁和白心可锻铸铁。

例如河南南阳汉代冶作坊所出九件铁农凡有八件是黑心韧性铸铁．其质量与现代同类产品相当，可称技术史上的奇迹。

尤其是使人惊奇的是，早在西汉晚期，铸铁中还出现了球状石墨。

例如1978年，对河南巩县铁生沟西汉铁撕进行检验，发现基体中石墨球化良好，经鉴定，球化率相当于国家标准一类A级，在偏光下有典型的放射状组织。

现代球墨铸铁是英国人莫洛于1947年研制成功的，大概没有哪位铸造工作者会想到早在公元前一世纪，中国的铸造工匠以创造出了球状石墨的铸铁件。

前面介绍了合金在中国古代的情况，下面把一些古代的主要的成型方法再向大家简单的介绍一下。

有一种东西在古代使用非常广泛，对人类文明（商品经济）的进步起到了非常重要的作用。

人们最崇拜。

拜金主义，钱！！
另一个常用的调侃的名字：
孔方兄。

孔方兄是怎样做出来的呢？
是不是生出来的？
铸造！！！
古钱币铸造，铸钱是中国古代持续时间最长、实践量最大的铸造活动，其中蕴含了许多重大的技术发明和技术创新。

怎么铸造，典型工艺是什么？
特点：小，薄，多。

一次浇注一个，初期，
一次浇注四个
一次浇注四十个
立式叠铸技术，每块钱范的浇注口都设于中心，钱币型腔呈放射形列于浇注口
制范，就是造型。

熔化，浇注，清理
泥范
关于这些小钱币的生产工艺到底怎么样？最近有的人进行了模拟试验，结果如下：
六十层，每层八个，一次480个，效率基本可以。

这个试验是研究生做的，博士生，验证了古人的工艺。

现在的博士生还要研究咱们老祖宗的生产方法，所以大家不再觉得铸造没有意义了吧。

将来你也可能上研究生，如果有兴趣，你也可以上这一类的研究生。

当大家到一些旅游景点参观的时候，往往可以看到一些非常造型非常优美的工艺品，例如下面的一些图片：
乐寿堂是颐和园生活居住区的重要建筑，乐寿堂门前的陈设有：铜鹤、铜鹿、铜瓶，其寓意为“鹤鹿同春，天下太平”的吉祥之意。

这些铜铸品，上
面铸造着慈禧太后的“天地一家春”用章，下面才是“光绪年制”的用章，象
征着当时慈禧太后的权利地位。

采用什么工艺进行生产的？
工艺特点：形状一般较大，但表面要求精致，细节显示清晰，棱角分明。

什么工艺？
失蜡法
现代术语：熔模铸造
失蜡浇铸方法，最早出现于春秋时期，整个制造过程均为手工操作。

它的工艺过程是：将蜡制成所要制作的型器式样，后将耐高温细泥浆淋至蜡型表面，并撒细砂在泥浆表层，反复多次，使之形成完整的型壳，干燥后加温使蜡质熔出，形成型腔，用以浇铸铜液（即：紫铜加铅、锌、锡等金属元素的熔液）。

完成浇铸后，经去壳、打磨
但是，在铁的冶炼问题解决后，其生产成本大大降低，因此出现了铁贱铜贵的问题。

另外，大家喜欢旅游，到了一些旅游景点，常可以看到金属的大装饰物，如钟，兽，建筑，不知大家想过没有，他们一般是采用什么方法生产的。

河北沧州市东南20 km处，原沧州占城内，有一尊古代大铁狮，见图1所示。

铁狮子通高4m, 身高3.8m, 宽2.85m, 长5.1m, 铸于五代时期的后周广顺二年(953年)。

铁狮雄伟壮观，躯体矫健，四肢叉开，背负巨型莲花座，毛发作波浪状，间有卷曲。

沧州铁狮铸造于1 000多年前，当时，西亚、欧洲等地区，还没有一个国家能生产液态生铁，而我国竟能铸造出30 t- 40 t重的庞然铸铁大物，实属世界奇迹。

沧州铁狮铸造于公元953年，迄今己1 000多年，其体积之大和重量之巨，在我国和世界冶铸史上一直占有重要地位，是我国的国宝。

山于铸铁技术为我国首创，被一些学者称为我国第五大发明，即使到沧州巨型铁狮问世时，欧洲、西亚各国还不知铸铁为何物，所以，沧州铁狮也是我国占代科技水平在世界上处于领先地位的重要标志之一，
全国闻名的河南登封少林寺，还保存着一口明代大铁锅，大锅口径为1. 68 m,高0。

9 m，大锅口沿上铸有铭文:“万历四年十一月，少林寺常住造大铁锅一口，重800斤”这口大铁锅，是为了明万历年间少林寺的八百余僧人煮饭、炒菜用的，八百余人同食一锅饭，也含有佛教推崇的“众生平等”的意义，真是名副其实的“千僧锅”。

对于该铁狮的铸造方法，是采用泥范法造型，明浇法分段铸接而成。

其工艺过程大致可分为:先采用泥范法造型，即先制作骨架，然后做成铁狮的泥模，再翻制外模，从铁狮外表留卜的范线痕迹可知，外范是山多达500多块的范块组成，顺序取卜范块后，将其干燥。

然后，将泥模削去一层厚度后即得内范，即泥芯。

内、外范制成后，即可合范。

但沧州铁狮是特大型铸物，而当时的熔炼设备容量较小，不能一次合范浇成，所以是采用明浇分段铸接法，即山卜向上分段合型浇注，依靠分段铸接，最后才得到巨型铁狮。

图2为铁狮明浇式分段铸接示意图。

这种方法解决了小容量炼灯’浇注特大型铸
件的技术难题，是占代一项杰出成就。

但是也容易造成冷隔、夹渣等铸造缺陷。

虽然，铁狮铸造时，也采用木炭生铁，但因体大壁厚，生成灰口铁，而且其原料中还有不少募化收集来的破锅拦铁，加上长期受积水侵蚀，因而，铁狮的表而氧化锈蚀严重，铁狮上所铸铭文现在大多已看不清，只有颈上“狮子王”三字，尚可辨认。

中华民族伟大吧！！
上一节课我们谈到，当我们参观游览公园时，经常看到外形精美的工艺品。

铜铸的狮、虎、鹤、龟、鼎等
对这种东西的什么最感兴趣？
外形？
漂亮？丑陋？有个性！！
但是，作为材料专业的学生，涉及最多的当然是材料,
这东西采用什么材料制作的?
当咱们谈论一种材料的时候，对材料的什么最感兴趣？
性能！
对于工艺品，只要好看就行，
但是对于另外一些实用的东西，我们对他的性能就特别关心了。

看过武侠小说吧，有很多描写武器的情节：
倚天剑，屠龙刀，玄铁令，圣火令，打狗棒，
削铁如泥，打架的时候，别的武器一碰到这些特殊的武器，马上就断。

描写都很精彩。

这么利害的武器！！
大家有没有考虑过这样问题？有没有这样的材料？
如果有，可能是采用什么样的材料制作的，
有没有削铁如泥的刀和剑呢？
咱们学了这么多的材料的课程，咱们来回答一下这个问题。

没有，为什么？
其实受限于钢铁这种材料本身的限制，
用钢铁材料制作的刀剑：最锋利：Strider公司推出的Strider战术刀硬度可以达到HRC 62以上。

HRC62，非常高的硬度，一般的耐磨材料：常规耐磨材料中硬度最高的：高铬铸铁，硬度一般62
最硬的材料：
金刚石：硬，
脆，容易断，
韧性好的材料，与硬的东西相击，出现缺口，硬的材料：断裂
在工业上大量使用的硬的材料：硬质合金--金属陶瓷，陶瓷
刀具，刃具，机床，削铁如泥，需要加外力。

还有：凳子用什么做的？
钢板：大块，怎么成小块，剪板，剪板机，
需要借助外力，就像武侠小说中的气功，必须用气功，才能自如的使用刀剑。

现在有没有削铁如泥的武器？
导弹！！
中国红箭—9重型反坦克导弹，能够击穿1200mm厚坦克装甲。

什么原理？军迷？
基本原理：速度，旋转，粘贴。

从弹头接触装甲板开始，数十万度的高温使弹体和装甲板一同汽化，而剩下的弹头继续前进、汽化，直到装甲被击穿，残留的弹体和高温金属气体冲进坦克里
除了导弹，还有没有其他东西能够削铁如泥？
火焰切割，
激光，
在咱们铸造工艺中，如何得到一种铸件其性能非常好呢，就是说好的性能从何而来呢？
对于已经学过很多专业基础课的学生，好的性能怎么保证呢？
好的组织！必须有理想的组织才能有理想的性能。

马氏体，铁素体，魏氏体，铸件中的石墨，渗碳体等。

理想的成分：
韧性好的黑色金属：钢，铁，基体组织：铁素体，因此韧性非常好。

但是是不是所有钢的韧性都非常好呢？答案是否定的！！
同一种成分的钢，它的组织既可以为马氏体，也可以为珠光体或是铁素体，还可以为索氏体和屈氏体，另外还可能成为魏氏体。

当然这种不同的组织造成材料的性能也截然不同。

理想的组织怎么得到呢？
为什么会出现这样的情况，在研究材料的时候还必须密切注意另外一个因素:
工艺。

之所以会出现上述同种成分，不同组织和性能，最主要的原因就在于其
生产工艺的不同。

通过不同的生产工艺例如不同的冷却工艺和热处理工艺来实现。

在材料的研究过程中，通常把成分、组织、性能和工艺称为材料的四要素。

通过对这四种要素的研究，我们就可以完全掌握这种材料。

前面谈了好的性能必须有好的组织来保证，下面来看一下咱们铸造中常涉及的组织是什么样的。

下面首先来看一下铸件在成型过程其宏观凝固组织的特征。

前段时间看到一篇文章：
观点:中国对现代文明没有什么贡献！
计算机，汽车，火车，拖拉机，化工，导弹，生物，宇宙飞船，火箭，水泥，炼钢，等等。

你说吧，周围的文明，哪一样是中国发明的。

中国四大发明，五大发明，过去了。

现在开始追赶
550吨世界上最大的铸件。

世界上最大的高炉
赵宏亮老师：塑性变形成型, 老的称呼锻压成型，主要特点：固体条件下的成型。

不能在液体条件下。

潘继民老师：焊接成型: 固体和液体两者结合起来的一种成型方法：先把一部分零件在固体或液体状态下成型，保持在固体状态下，然后再将这些固体部分通过连接部分变成液体再次成型，最后形成一种零件。

特点：固---液成型。

烧结成型：陶瓷，金属陶瓷，成形特点：颗粒保持固体状态，颗粒之间为粘结剂，模压、加热、烧结，使材料表面的金属产生一定的熔化，相互连接在熔焊一起。

这些粘结剂在高温下溶化，将固态颗粒粘结在一起，成型。

硬质合金，刀具。

除了这些：还有一些交叉学科：
如半固态成型。

这是铸造的一个新的开发方向。

成型特点：把金属加热到一定的温度，部分熔化，部分保持在固体状态。

在这种一部分固态一部分液态的情况下充型成型。

液固双金属复合铸造：将一部分固体零件放置在砂型中，再浇入另外一部分液体部分，通过液体部分的热量加热固体部分，使固体部分的表面熔化，然后将两者结合起来。

铝合金中加不锈钢丝
铸造、焊接两者结合起来的工艺。

有没有其他的成型方法？有，冷加工：车、磨、刨、铣、钻、镗等。

另外：装配成型：举例：汽车，各个零件均制作完成后，必须装配起来：最常用：螺栓、还有：铆接、粘接。

这门课程的主要内容：铸造成型，液态成型。

本课程是一门专业基础理论课，它的任务是运用所学的基础课、技术基础课的理论知识
1、分析铸件形成过程的基本规律及内在联系；
2、阐明液态金属的结构及其物理性质，液态金属充填铸型的能力及影
响因素；
3、分析金属与铸型在不同条件下的热交换特点，铸件温度场分布规律
的数学分析及影响因素；
4、阐述液态金属结晶的基奉规律；
5、铸件晶粒组织的形成及控制途径；
6、分析金属凝固过程化学成分不均匀性，气体的溶解和析出．气孔和
非金属夹杂物的形成机理，影响因素及防止途径；
7、研究金属收缩的基本规律以及缩孔，热裂，应力变形、冷裂等缺陷
形成机理，影响因素及防止途径。

由于学时少，只有32个，因此
a、咱们主要讲解一些组织和质量方面的内容，对于有些理论问题，由于朱世杰老师已经给大家仔细讲过，因此，在讲课过程中，涉及到的将简单讲解一下，涉及不到的，基本不讲。

b、在中间要给大家一定的时间做一个大作业（project）。

c、做一个实验：应力框实验。

教材：关绍康老师主编《材料成型基础》，这本书总共包括：铸造、焊接、塑性成型三部分内容。

考试：三门课放在一起考试，每门课的考试内容大概各占三分之一。

内容：主要考试课堂上讲的内容：闭卷考试。