铸造工艺介绍：从基础到特种铸造方法

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：将熔化的金属液体注入铸型空腔中，冷却后获得零件或毛坯的工艺过程，称为铸造。在铸造生产中，砂型铸造生产的铸件占全部铸件总量的80%以上，它是目前生产上应用最广泛、最基本的铸造方法。因此，对于一些有特殊要求的零件，例如极薄壁件、管子等，常采用与砂型铸造不同的铸造方法，称为特种铸造，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。金属型是指用铸铁、铸钢或其他合金制成的铸型，由于可以反复使用，所以又称为永久型。

将熔化的金属液体注入铸型空腔中，冷却后获得零件或毛坯的工艺过程，称为铸造。铸造生产方法有多种，按熔融金属分，可分为黑色金属铸造和有色金属铸造；按铸型分，可分为砂型铸造和特种铸造；按成品分，可分为普通铸造和精密铸造。

由于铸件的尺寸接近于零件，可以节省金属材料和减少切削加工工作量，因此铸造具有良好的经济性。但由于铸造生产工序较多，部分工序难以控制，因此铸件的质量不稳定，废品率较高，而且铸件的铸态组织晶粒粗大，所以力学性能较差，对于承受动载荷的重要零件一般不采用铸件作为毛坯。机车车辆上许多零件都是采用铸造生产的，如形状复杂的车钩以及转向架主要承载件（侧架、构架、摇枕）等。

1.合金的铸造性能

常用的铸造合金有铸铁、铸钢、铜合金、铝合金等，由于化学成分不同，它们在铸造工艺中表现的特性也不相同。铸铁具有良好的铸造性，可浇注形状复杂的薄壁铸件，产生气孔、渣眼、缩孔和裂纹的倾向性也较小。各种铸铁中以灰铸铁的铸造性能最好。铸钢的综合力学性能比铸铁高，但铸造性能低于铸铁，铸钢件壁厚不能小于8 mm，由于收缩率比较大，故极易产生黏砂、缩孔、裂纹等缺陷。铜合金和铝合金可浇注最小壁厚2.5～3 mm 的复杂铸件，但易形成缩孔，且易于吸气和氧化。

2.砂型铸造

用型砂紧实成形的铸造方法，称为砂型铸造。在铸造生产中，砂型铸造生产的铸件占全部铸件总量的80%以上，它是目前生产上应用最广泛、最基本的铸造方法。砂型铸造的生产工序很多，主要工序为制模、配砂、造型、制芯、合型、熔炼、浇注、落砂、清理和检验。

铸件的形状与尺寸主要取决于造型和制芯，而铸件的化学成分则取决于熔炼，所以造型、制芯和熔炼是铸造生产中的重要工序。图2－1 所示为齿轮毛坯的砂型铸造示意图。

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图2-1　齿轮毛坯的砂型铸造示意图

（1）造型

用造型材料及模型等工艺装备制造铸型的过程称为造型。造型的主要作用是形成铸件的型腔，在浇铸后形成铸件的外部轮廓，而造型材料的好坏则对铸件的质量起决定性影响。

1）造型材料。造型材料是指制造铸型（芯）用的材料，一般指砂型铸造用的材料，包括砂、黏土、有机或无机黏结剂和其他附加物。为保证铸件质量，必须合理地选用和配制造型材料，使其具有良好的可塑性和透气性、足够的强度和耐火性及适当的退让性。

2）造型方法。造型是铸造生产中最主要的工序之一，对保证铸件质量具有重要的影响。按照造型的手段，造型方法可分为手工造型和机器造型两大类。手工造型全部用手或手动工具完成造型工序，操作灵活、适应性强，但生产效率低，劳动环境差，主要用于单件小批量生产。机器造型的实质就是用机器代替了手工紧砂和起模，生产率高、铸件尺寸精度高、表面质量好，适用于大批量生产铸件。

（2）制芯

形成铸件外形的主要是用模样制成的砂型，而形成铸件的孔或内腔的主要是用型芯盒制成的型芯。制造型芯的过程叫制芯。型芯（也叫芯子）的主要作用是获得铸件的内腔。浇注时，由于砂芯被高温液体所包围，与砂型相比，型芯必须具有更高的强度、耐火性、透气性和退让性。这主要靠合理地配制芯砂和正确的制芯工艺来保证。

（3）熔炼、浇注及清理

将金属熔化成高温液体的过程称为熔炼。金属熔炼质量的好坏对铸件质量有重要影响。

如果金属液的化学成分不合格，会降低铸件的力学性能和物理性能。金属液的温度过低，会使铸件产生气孔、夹渣等缺陷；温度过高则会导致铸件的收缩量增加、黏砂严重等缺陷。将液体金属浇入铸型的过程称为浇注。在铸型型腔中开设有一系列通道，即浇注系统，它能保证液体金属均匀平稳地充满整个型腔。为保证浇注质量，必须保证浇注温度高低合适、浇注速度快慢适中。浇注后经过充分冷却和凝固，将铸件和型砂（芯砂）、砂箱分开，并进行铸件表面黏砂、型砂（芯砂）、多余金属等清理工作，这些工作劳动强度较大，在大量生产中均已实现机械化。

3.特种铸造

砂型铸造虽然是应用最普遍的一种铸造方法，但存在铸造尺寸精度低、表面粗糙度值大、铸件内部质量差、生产过程不易实现机械化等缺点。因此，对于一些有特殊要求的零件，例如极薄壁件、管子等，常采用与砂型铸造不同的铸造方法，称为特种铸造，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造等。每种特种铸造方法，在提高铸件精度和表面质量、改善合金性能、提高劳动生产率、改善劳动条件和降低铸造成本等方面，各有其优越之处，下面简单介绍几种特种铸造的特点及应用。

（1）熔模铸造

熔模铸造是用易熔材料（如蜡料）制成零件的精确模样，并在模样上涂敷耐火材料制成型壳，待其硬化干燥后熔去模样，经焙烧后将液态金属浇入，待金属冷凝后敲掉型壳获得铸件的一种方法，又称“失蜡铸造”。由于铸件的尺寸精度较高，表面粗糙度较低，故又可称为“熔模精密铸造”。

熔模铸造的优点为：铸型无分型面，铸件精度高，表面光洁，适于铸造高熔点、形状复杂及难以切削加工的零件，是一种少、无切削加工的铸造方法。

熔模铸造的缺点为：铸造工序多，生产周期长，成本高，不适于生产大型铸件。熔模铸造适用于形状复杂、精度高、难加工的铸件和以铸钢为主的铸件。

（2）金属型铸造

金属型铸造是将液态金属在重力作用下浇入金属铸型内以获得铸件的方法。金属型是指用铸铁、铸钢或其他合金制成的铸型，由于可以反复使用，所以又称为永久型。金属型在浇注前要预热，还需在型腔和浇道中喷刷涂料，以保护铸型表面，使铸件表面光洁。

金属型铸造的优点为：铸件冷却速度快，组织致密，力学性能好，尺寸精度高，加工余量少，一型多铸，生产率高，劳动条件好。

金属型铸造的缺点为：加工费用高，成本高，周期长，易产生裂纹；由于金属型没有退让性，所以不宜生产形状复杂的薄壁铸件；为消除铸铁件的内应力所造成的精度变化，需在加工前做时效处理。

金属型铸造主要适用于形状较简单、壁厚均匀且不太薄、大批量生产的有色金属铸件，有时也可生产铸铁和铸钢件。

（3）压力铸造

压力铸造是在高压下快速将金属液压入金属型中，并在压力下凝固获得铸件的方法。压力铸造需要在压铸机上进行，所用模具是用耐热合金制造的压铸模。

压力铸造的优点为：铸件组织致密，强度高，力学性能好，尺寸精度高，表面粗糙度值小，加工余量小，生产效率高，一般不需要切削加工即可使用。

压力铸造的缺点为：铸型结构复杂，加工精度和表面粗糙度要求很高，成本高，周期长；由于充型速度过快，铸件易产生皮下气孔缺陷，不宜进行机械加工和热处理；考虑到压型寿命，压力铸造不适合用于铸钢、铸铁等高熔点合金的铸造，而且压铸件尺寸不宜过大。

压力铸造适用于有色合金的薄壁小件的大量生产，广泛用于航空、汽车、电气以及仪表工业。

（4）离心铸造

离心铸造是将液态金属浇入高速旋转的铸型内，在离心力作用下充型、凝固后获得铸件的方法。离心铸造的设备是离心铸造机，铸型多采用金属型，可以围绕垂直轴或水平轴旋转。

离心铸造的优点为：铸件组织致密，力学性能好，气孔、夹杂等缺陷少，型芯用量少，浇注系统的金属消耗少。

离心铸造的缺点为：铸件内孔尺寸不精确，非金属夹杂物较多，增加了内孔的加工余量；不宜铸造密度偏析大的合金（如铅青铜）。离心铸造主要用于生产管、筒类回转体铸件，如铸造铁管、钢辗筒、铜套等回转体铸件。离心铸造以铸铁和铜合金为主。

4.铸造的结构工艺性

铸件生产前，必须根据零件结构、技术要求、生产率、生产条件和经济性等因素合理确定铸造工艺。铸造工艺装备是为铸件生产服务的，设计合理的工艺装备，对保证铸件质量、提高生产率、改善劳动条件等起着重要作用。

其中绘制铸造工艺图是一项重要内容，铸造工艺图是指导铸件生产的基本工艺文件，是生产准备、工艺操作和铸件验收的依据，直接影响着铸件的质量和生产率。铸造工艺图应表示铸型分型面、浇冒口系统、浇注位置、型芯结构尺寸及控制凝固措施（冷铁，保温衬板）等。如不铸出孔的尺寸，则应根据生产批量、铸件材质、铸件大小及孔所处位置等条件而定，一般不铸出孔的最小直径应在35 mm 以下。

铸造工艺介绍：从基础到特种铸造方法

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