第二章 金属液态成形

第二章金属液态成形
将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇入铸型，经冷却凝固、清理处理后得到预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。

铸造是现代机械制造工业的基础工业之一，是人类掌握较早的一种金属热加工工艺。

发展的三个历史阶段…
铸造一般按造型方法分类：
•普通砂型铸造
▪湿砂型、干砂型、化学硬化砂型
•特种铸造
▪以天然矿产砂石为造型原料：熔模铸造、壳型铸造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等
▪以金属作为主要造型原料：金属型铸造、离心铸造、连铸、压力铸造、低压铸造等
第一节砂型铸造方法
砂型铸造采用耐火度高的硅砂、锆英砂等，配以型砂粘结剂和其他辅助材料混制成型砂，作为铸型材料。

可分作手工造型和机械造型两种。

砂型铸造基本概念
一、手工造型常用方法
•整模造型
•分模造型
•挖砂造型
•假箱造型
•活块造型
•刮板造型
•三箱造型
•地坑造型
单件小批生产的重型铸件，手工造型仍是重要的方法。

手工造型能适应各种复杂的要求，不
要求很多工艺装备。

对于单件生产的重型铸件，采用地坑造型法成本低，投产快。

比较灵活、易行，但效率低，劳动强度大，尺寸精度和表面质量低。

二、机械造型
适用于批量生产的中、小铸件，尺寸精度和表面质量高，投资大。

几种典型的机械造型
1.震压造型
•空气震动，噪音大
•适用于中小型铸件
2.微震压实造型
•振动f=150~500Hz,A=25~80mm
微振f=400~3000Hz,A=5~10mm
•压实效果好、生产效率高
•弹簧气动结构较复杂、噪声大
3.高压造型
•整体预震和局部微震结合，效果好
•结构复杂，适用于自动生产线
4.射砂造型
1）热芯盒射砂造型
•含树脂型砂喷射和热固化
•效率高、质量好
2）冷芯盒射砂造型
•型砂喷射，气体硬化
•质量好、生产灵活
5.射压造型
•造型质量好
•自动化程度高
•生产率高
第二节特种铸造方法
一、熔模铸造
1.工艺步骤
•制造压型
•制造熔模
•制造型壳
•脱模、焙烧
•浇注、清理
2.工艺简介：
1).熔模和模组的制造
• 熔模：压型表面涂分型剂，压制熔模 • 组模：焊接法、机械组装法 熔模制造：
多采用压力把糊状模料压入压型的方法制造熔模。

之前，在压型表面薄涂分型剂，以便取出熔模。

压制蜡基模料时，分型剂可为机油、松节油等；压制树脂基模料时，常用麻油和酒精的混合液或硅油作分型剂。

分型剂层越薄越好，使熔模能更好地复制压型的表面，提高熔模的表面光洁度。

压制熔模的方法有三种：柱塞加压法、气压法和活塞加压法。

熔模的组装：
熔模的组装是把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起，主要有两种方法： 1、焊接法 用薄片状的烙铁，将熔模的连接部位熔化，使熔模焊在一起。

此法较普遍。

2．机械组装法 在大量生产小型熔模铸件时，国外已广泛采有机械组装法组合模组，采用此种模组可使模组组合和效率大大提高，工作条件得到改善。

型壳的制造：
熔模铸造的铸型可分为实体型和多层型壳两种，目前普遍采用的是多型壳。

将模组浸涂耐火涂料后，撒上料状耐火材料，再经干燥、硬化，如此反复多次，使耐火涂挂层达到需要的厚度为止，这样便在模组上形成了多层型壳，通常将近其停放一段时间，使其充分硬化，然后熔失模组，便得到多层型壳。

多层壳有的需要装箱填砂；有的则不需要，经过焙烧后就可直接进行浇注。

在熔失熔模时，型壳会受到体积正在增大的熔融模料的压力；在焙烧和注时，型壳各部分会产生相互牵制而又不均的膨胀的收缩，因此，金属还可能与型壳材料发生高温化学反应。

名称
熔点(o C)
灰分(重量％) 重度25o
C 时(牛/米2) 抗拉强度(牛/
米2) 延伸率(%)
线收缩率(%)
软化点
(o
C)
石蜡
58-66 <0.11 (8.5-8.7)X10
3
(2.21-2.94)X1
05 2-2.5
0.5-0.7
约30 硬脂酸
70-71
<0.02
(8.4-8.7)X10
3
(1.72-1.96)X1
5 2.0-3.0
0.6-0.69 约35 松香 89-93
<0.03
(8.8-10.7)X1
03
0.07-0.09 52-66
川蜡 80-85 0.036-0.051
(9.0-9.3)X10
3
(11.3-12.7)X105
1.6-
2.2
0.8-1.2
地蜡
67-80
0.03
9.8X10
4
71.74X10
5
2.0
约40
褐煤蜡 82-87 0.1-0.5
(8.6-10.1)X1
03
聚乙烯
115-130
0.04-0.08
(8.8-9.1)X10
3
(118-137)X10
5
1-1.5
约80
所以对型壳便有一定的性能要求，如小的膨胀率和收缩率；高的机械强度、抗热震性、而火度和高温下的化学稳定性；型壳还应有一定的透气性，以便浇注时型壳内的气体能顺利外逸。

这些都与制造型壳时所采用的耐火材料、粘结剂以及工艺有关。

2）.制壳工艺
制壳过程中的主要工序和工艺为：
•模组的除油和脱脂
•在模组上涂挂涂料和撒砂
•型壳干燥和硬化
•自型壳中熔失熔模
•焙烧型壳
3）熔模铸件的浇注方法
•热型重力浇注
•真空吸气浇注
•压力下结晶
•定向结晶（定向凝固）
4）熔模铸件的清理
•从铸件上清除型壳。

•自浇冒系统上取下铸件。

•去除铸件上所粘附的型壳耐火材料。

•铸件热处理后的清理，如除氧化皮、飞边和切割浇口残余等。

3.特点和适用范围
•精度高、表面质量好
•适用于复杂的薄壁小铸件（尤其适用于艺术品）
•适用于各种合金的铸造
•工序复杂，成本高
消失模铸造简介
将涂有耐火材料涂层的聚苯乙烯发泡模型放入砂箱，模型四周用干砂充填紧实，浇注液态金属，取代泡沫模型的工艺。

这种工艺也称为气化模铸造或实型铸造。

基本工艺过程
1）预发泡
2）模型成型
3）模型簇组合
4）模型簇浸涂
5）填砂振实
6）浇注
7）落砂
消失模铸造的特点及适用范围
消失模铸造是一项创新的铸造工艺方法。

在技术、经济、环境保护三个主要方面具有优势。

适用于生产有色及黑色金属动力系统的零件，包括：汽缸体、汽缸盖、曲轴、变速箱、进气管、排气管及刹车毂等铸件。

二、金属型铸造
金属型铸造又称硬模铸造、永久型铸造、冷激模铸造。

它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。

铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次）。

1.金属型铸件形成过程的特点
金属型和砂型的区别：
1).砂型有透气性，金属型没有；
2).砂型的导热性差，金属型的导热性很好；
3).砂型有退让性，而金属型没有。

2.金属型构造
•整体式
•水平分型式
•垂直分型式
•复合分型式
3.工艺要点
•金属型预热
金属型导热性好，液体金属冷却决，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足、夹杂、气孔等缺陷。

未预热的金属型在浇注时，铸型将受强烈热冲击，应力倍增，使其极易破坏。

适宜的预热温度（即工作温度），随合金的种类、铸件结构和大小，通过试验确定。

一般情况下，金属型的预热温度不低于100C。

金属型的预热方法有：
（1）喷灯或煤气火焰预热
（2）采用电阻加热器
（3）采用烘箱加热
（4）先烘烤，然后浇注液体金属将金属型烫热
•刷涂料
作用：调节铸件的冷却速度；保护金属型，防止高温金
属液对型壁的冲蚀和热击；利用涂料层蓄气排气。

要求：
–有一定粘度，便于喷涂，在金属型表面上能形成
均匀的薄层
–涂料干后不发生龟裂或脱落，且易于清除
–具有高的耐火度
–高温时不会产生大量气体
–不与合金发生化学反应（特殊要求者除外）。

–浇注温度
比砂型铸造时高。

可根据合金种类、化学成分、铸件大小和壁厚，通过试验确定。

（下表数据可供参考）
由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应按“慢-快-慢”工艺制度。

在浇注过程中尽可能保证液流平稳
合金种类浇注温度℃合金种类浇注温度℃
铝锡合金350～450 黄铜900～950
锌合金450～480 锡青铜1100～1150
铝合金680～740 铝青铜1150～1300
镁合金715～740 铸铁1300～1370
•及时开型脱模
金属型刚性大，无退让性，易引起开裂、卡型等。

金属型芯在铸件中停留的时间愈长，铸件收缩产生的抱紧型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。

当铸件冷却到塑性变形温度范围，并有足够的强度时，这时是抽芯最好的时机。

铸件在金属型中停留的时间过长，型壁温度升高，需要更多的冷却时间，也会降低金属型的生产率。

最合适的拔芯与铸件出型时间，一般用试验方法确定。

铸铁件：780~950C, 10~60min
4.特点及适用范围
•机械性能比砂型铸件高。

抗拉强度平均可提高约25％，屈服强度平均提高约20％，抗蚀性能和硬度提高显著。

•铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定。

•铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30％。

•不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80～100％
•工序简单，易实现机械化和自动化。

•金属型制造成本高。

•金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、开裂或铸铁件白点等缺陷。

•金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。

•适用于非铁合金铸件和形状简单的中小铸铁件。

三、压力铸造
在高压作用下，使液态或半液态金属以较高的速度充填压铸型型腔，并在压力下成型和凝固而获得铸件的方法。

1.压铸机及压铸工艺过程
涂油合型→控制温度、速度、压力→压铸→保压凝固→脱模清理
2.压力铸造的特点和应用范围
高压和高速充填压铸型是压铸的两大特点。

优点：
•产品质量好
•生产效率高
•经济效果优良
缺点：
•流态不稳定, 铸件易产生气孔，不宜进行热处理；
•对内凹复杂的铸件，压铸较为困难；
•高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低
•压铸机生产效率高，小批量生产不经济。

四、低压铸造
低压铸造是使液体金属在较低压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。

1.工艺过程
在密封的坩埚（或密封罐）中，通入干燥的压缩空气，金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止。

然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流回坩埚，再由气缸开型并推出铸件。

2.低压铸造的特点和应用范围
•液体金属充型比较平稳；
•铸件成形性好，有利于形成轮廓清晰、表面光洁的铸件，对于大型薄壁铸件的成形
更为有利；
•铸件组织致密，机械性能高；
•提高了金属液的工艺收得率，一般情况下不需要冒口，使金属液的收得率大大提高，收得率一般可达90％。

•劳动条件好；设备简单，易实现机械化和自动化。

五、离心铸造
将液体金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力的作用下充填铸型和凝固形成的一种铸造方法。

1.离心铸造的类型
•立式离心铸造机
•卧式离心铸造机
2.特点和应用范围
•不用型芯,铸出中空的铸件，简化了管类铸件的生产过程；
•离心力作用，可提高充型能力，适用于流动性较差的合金和薄壁铸件；
•离心力作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂也易于自液体金属中排出，因此离心铸件的组织较致密，缩孔（缩松）、气孔、夹杂等缺陷较少；
•消除或节省浇注系统和冒口的金属消耗；
•铸件易产生偏析，铸件内表面较粗糙。

内表面尺寸不易控制。

3.离心铸造工艺
•离心铸型转速的选择：足够的离心力形成筒状液体、保证质量避免缺陷
•离心铸造用铸型：金属型、非金属型
•涂料：水性涂料、干性涂料，注意温度
•浇注：金属定量、避免飞溅
•冷却、起模
六、连续铸造
熔融金属连续注入结晶器冷却凝固而获得一定截面铸坯的工艺方式
1.工艺要点
•金属在结晶器中完成外层凝固，并具有一定强度；在二冷段完成中心凝固。

•可以液芯压下
•采用结晶器振动与电磁搅拌技术
•拉速与结晶速度须严格配合
2.特点和适用范围
•机组产能大、效率高，适用于大规模生产板管型型坯。

•目前仅限于低碳、低合金钢和铝、铜等合金连铸坯。

•机组投资巨大，技术要求高。

六、常用铸造方法比较
第三节铸造工艺设计
工艺设计总体原则：
质量、产量、成本、污染、工作强度
一、铸造工艺设计的内容和步骤
1.确定浇注位置
•铸件的重要部分应尽量置于下部。

•重要加工面应朝下或呈直立状态。

•使铸件的大平面朝下，避免夹砂结疤类缺陷。

•薄壁部分朝下，厚实部分朝上，保证铸件能补缩充满。

•避免用吊砂、吊芯或悬臂式砂芯。

•应使合箱位置、浇注位置和铸件冷却位置相一致。

•注意浇注位置、冷却位置与生产批量密切相关。

2.选择分型面
•应使铸件全部或大部分置于同一半型（下半型）内；
•应尽量减少分型面的数目；
•分型面尽量选用平面；
•尽量减少活块和型芯数量；
•不使砂箱过高；
•受力件的分型面选择不应削弱铸件结构强度；
•注意减轻铸件清理和机械加工量。

3.浇注系统设计基本要求
•所确定的内浇道的位置、方向和个数应符合铸件的凝固原则或补缩方法。

•在规定的浇注时间内充满型腔。

•提供必要的充型压力头，保证铸件轮廓、棱角清晰。

•使金属液流动平稳，避免严重紊流。

防止卷入、吸收气体和使金属过度氧化。

•具有良好的阻渣能力。

•金属液进入型腔时线速度不可过高，避免飞溅、冲刷型壁或砂芯。

•保证型内金属液面有足够的上升速度，以免形成夹砂结疤、皱皮、冷隔等缺陷。

•不破坏冷铁和芯撑的作用。

•浇注系统的金属消耗小，并容易清理。

•减小砂型体积，造型简单，模样制造容易
4.确定主要工艺参数
1).铸件尺寸公差(CT)
2).铸件质量公差(MT)
3).铸件加工余量(MA)
4).起模斜度
5).收缩率
6).最小铸出孔、槽及过渡圆角半径
5.芯头设计
•芯头长度
•芯头斜度
•芯头间隙
6.确定浇注系统
系统构成：
浇口杯
直浇道
横浇道
内浇道
通气孔
冒口
7.绘制铸造工艺图
•分型面和分模面
•浇注位置、浇冒口的位置、形状、尺寸和数量
•工艺参数
•型芯的形状、位置和数目、型芯头的定位方式和安装方式
•冷铁的形状、位置、尺寸和数量
•其他
工艺图实例
1.结构及工艺分析
2.造型方法
3.铸型种类
4.分型面
5.浇冒口位置
二、工艺设计中的质量、经济和环保意识
•采用适当的加工方法和工艺过程
•采用新工艺、新型辅助材料
•采用环境净化手段
第四节铸件的结构设计
•设计原则：产品的使用性能、制造中的工艺性能
•技术要点：铸造性能、铸造工艺
•工艺方面需要考虑的有：
制模、造型、造芯、装配、合型、起模、清理等。

•铸造性能方面需要考虑的有：
冷缩、变形、裂纹、冷隔、气孔、偏析等。

•铸件结构要素：
外形、内腔、壁厚、壁与壁的连接、加强肋、凸台、孔槽
一、铸造性能对铸件结构的要求
1.壁厚适当
2.壁厚力求均匀
3.内壁薄于外壁
4.连接要合理
5.避免收缩受阻
6.防止翘曲变形
二、铸造工艺对铸件结构的要求
1.简化外形
2.铸件内腔设计：
▪减少型芯
▪便于固定型芯
▪排气和清理
3.考虑结构斜度
第五节常用合金铸件生产
一、铸铁件生产
1.铸铁的石墨化
1).石墨化过程
2).影响石墨过程和铸铁组织的因素
▪温度
▪化学成分:Ce=C+(Si+P)/3 (4%)
▪冷却速度
2.灰铸铁
1).组织特征
–含碳量高, 以片状石墨形态存在,断口呈灰色。

有：F灰铸铁；F+P灰铸铁；
P灰铸铁
2).性能特点
–力学性能低：F灰铸铁σb<150MPa ；P灰铸铁σb=300MPa
–具有较好的减震性和耐磨性
–缺口敏感性低
3).牌号及用途
HT250:表示σb=250MPa 的灰铸铁
4).铸造性能
–流动性好
–收缩小
–熔点低
5).灰口铸铁的孕育处理
作用：细化石墨
原理：铁水中加入孕育剂，促使形核、结晶
方法：槽内孕育、杯内孕育、型内孕育等瞬时孕育技术3.球墨铸铁
1).组织特征
球墨铸铁断口通常为银灰色
F+P+G混合组织，
F+G,P+G,B+G组织。

2).性能特点
•力学性能好
•塑性好
•铸造性能、减震性、耐磨性、切削性能好
3).牌号及用途
QT450-10:
最小抗拉强度为450MPa,最小延伸率为10%的球墨
铸铁。

主要用途：
常用于动力和传动件、耐磨件和重要
箱体如气缸等结构件。

4).球墨铸铁的生产
•铁水熔炼
•球化处理
•孕育处理
5).球墨铸铁的铸造性能
•糊状凝固
•后期石墨化膨胀易引起流动阻隔
•注意石墨和金属胀缩互补
6).铸后热处理
•退火:F
•正火:P
•调质:S
•等温退火:Bl
4.蠕墨铸铁
1).组织特征
石墨形状似蠕虫分布于铁素体或珠光体基体中
2).性能特征
•铸造性能良好
•机械性能接近球墨铸铁
•高屈强比
•耐磨性好
•导热性好
3).牌号及应用
RuT300:抗拉强度不小于300MPa
主要应用：
•耐磨、交变热应力、高强度，形状复杂的零件
如：发动机缸体、减速箱体、高速运动的重型铸
件等
4).蠕墨铸铁的生产
•采用稀土镁钛或稀土镁锌等蠕化剂进行蠕化
•抗蠕化衰退
•硅铁孕育处理
5.可锻铸铁
1)组织特征
白口铸铁经过热处理，渗碳体分解，碳以石墨团絮形态分布于铁素体和珠光体基体组织中
2) 性能特点
优于灰口铸铁，低于球墨铸铁，
抗氧化性能和耐蚀性能良好，流动性较差
3).牌号及应用
KTH300-06
KTZ550-04
主要应用：小型薄壁零机械零件
4). 可锻铸铁的生产
•制备白口铸铁
•石墨化退火
6. 特殊性能铸铁
1).耐磨铸铁
2).耐热铸铁
3).耐蚀铸铁
二、铸钢件生产
1.铸钢的分类及牌号
•铸造碳钢
•铸造低合金钢
•铸造高合金钢
2.铸钢的铸造性能及铸造工艺特点
•合理设计铸件结构
•合理设计浇注系统
3.铸钢的熔炼
三、非铁合金铸件生产
1.铸造铝合金
1）铸造铝合金的种类、性能和用途
•铝硅合金
•铝铜合金
•铝镁合金
•铝锌合金
2）铝合金的铸造特点
3）铝合金的熔炼
–精炼处理
–变质处理
2. 铸造铜合金
1）铸造铜合金的种类、性能和应用
•铸造黄铜
•铸造青铜
2）铜合金的铸造特点
3）铜合金的熔炼
–磷铜脱氧
–铜液除气
–除渣精炼
–覆盖溶剂
思考题：
1.试比较机械造型方法的特点和应用范围。

2.铸造的一般工艺过程是怎样的？请画出你在金工实习中了解的砂型铸造工艺流程。

3.砂型和金属型的主要区别？
4.形状复杂的零件为什么用铸造毛坯? 受力复杂的零件为什么不采用铸造毛坯?
5.为什么空心球难以铸造出来，采用什么措施才能铸造出来?
6. 现浇注直径为20、40、60mm的三根灰铁试棒,拉断力分别为317，188．5，565KN，问它们的抗拉强度为多少?牌号是否相同?
7. 铸件、模样、零件三者在尺寸上有何区别，为什么?
8. 下列铸件在大批生产时采用什么铸造方法?
铝活塞，缝纫机头．气轮机叶片，大污水铸铁管，气缸套，摩托车气缸体，大模数齿轮滚刀，车床床身，带轮及飞轮．
9. 如图所示三通铸件，材料为KTH330—08，请分别在图上标出：(1)二箱造型分型面，(2)三箱造型分型面，(3)四箱造型分型面．试指出如果大批大量生产．应采用哪种造型方法和分型面方案，并画出铸造工艺图。

10. 如图支座零件图，材料为HT200，请画出大批生产的铸造工艺图。