第三篇工程材料成形技術基礎

第八章鑄造成形工程材料與成形技術基礎一什么是鑄造?

將液體金屬澆鑄到與零件形狀相適應的鑄造空腔中,待其冷卻凝固后,以獲得零件或毛坯的方法.第八章鑄造成形

二特點

1優(yōu)點:1)

可以生產形狀復雜的零件,尤其復雜內腔的毛坯(如暖氣)2)

適應性廣,工業(yè)常用的金屬材料均可鑄造.幾克~幾百噸.3)

原材料來源廣泛.價格低廉.廢鋼,廢件,切屑4)

鑄件的形狀尺寸與零件非常接近,減少切削量,屬少無切削加工.∴應用廣泛:農業(yè)機械40~70%

機床:70~80%重量鑄件

2缺點:1)

機械性能不如鍛件(組織粗大,缺陷多等)2)

砂性鑄造中,單件,小批,工人勞動強度大.3)

鑄件質量不穩(wěn)定,工序多,影響因素復雜,易產生許多缺陷.

鑄造的缺陷對鑄件質量有著重要的影響,因此,我們從鑄件的質量入手,結合鑄件主要缺陷的形成與防止,為選擇鑄造合金和鑄造方法打好基礎.

第一節(jié)鑄造成形理論基礎

合金鑄造時的工藝性能稱為合金的鑄造性能，它包括流動性、收縮、偏析、氧化和吸氣等。

一、液態(tài)合金的流動性與充型能力

1．合金的流動性

熔融金屬的流動能力，稱為合金的流動性。液態(tài)金屬本身的流動性----合金流動性

(1)流動性對鑄件質量影響1)

流動性好,易于澆出輪廓清晰,薄而復雜的鑄件.2)

流動性好,有利于液態(tài)金屬中的非金屬夾雜物和氣體上浮,排除.3)

流動性好,易于對液態(tài)金屬在凝固中產生的收縮進行補縮(2)測定流動性的方法:

以螺旋形試件的長度來測定:如灰口鐵:澆鑄溫度1300℃試件長1800mm.鑄鋼:

1600℃

100mm

(3)影響合金流動性的因素

主要是化學成分:1)

純金屬流動性好:一定溫度下結晶,凝固層表面平滑,對液流阻力小2)

共晶成分流動性好:恒溫凝固,固體層表面光滑,且熔點低,過熱度大.3)

非共晶成分流動性差:結晶在一定溫度范圍內進行,初生數枝狀晶阻礙液流此外，在相同的澆注溫度下，由于共晶成分合金的凝固溫度最低，相對來說合金的過熱度大，推遲了合金的凝固，因此共晶成分合金的流動性最好。合金成分愈遠離共晶，結晶溫度范圍愈寬，流動性愈差。因此，選擇鑄造合金時，在滿足使用要求的前提下，應盡量選擇靠近共晶成分的合金。

圖8．2不同成分合金的流動性

a)共晶成分b)非共晶成分

圖8—3所示為鐵-碳合金的流動性與含碳量的關系。由圖可見，結晶溫度范圍寬的合金流動性差，結晶溫度范圍窄的合金流動性好，共晶成分合金的流動性最好。

含碳量(質量分數)(％)圖8-3Fe-C合金流動性與含碳量關系鑄鐵中的其他元素(如Si、Mn、P、S)對流動性也有一定影響。Si、P可提高鐵水的流動性，而S則降低鐵水的流動性。

2．充型能力

(1)充型能力與流動性的關系充型:液態(tài)合金填充鑄型的過程.充型能力:液態(tài)合金充滿鑄型型腔,獲得形狀完整,輪廓清晰鑄件的能力充型能力是考慮鑄型及工藝因素影響的熔融金屬的流動性，流動性則是指熔融金屬本身的流動能力，它是影響充型能力的主要因素之一。合金的流動性愈好，充型能力就愈強。同時流動性好，也有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除，還有利于對合金冷凝過程所產生的收縮進行補縮。充型能力不足易產生:澆不足:不能得到完整的零件.冷隔:沒完整融合縫隙或凹坑,機械性能下降.(2)影響充型能力的主要因素鑄型條件、澆注溫度等。1)鑄型條件對充型能力有很大影響。鑄型中凡能增加金屬流動阻力、降低流速和提高金屬冷卻速度的因素，均會降低合金的充型能力。如鑄型中型腔過窄、直澆道過低、澆注系統(tǒng)截面積太小或布置得不合理、型砂中水分過多或透氣不足、鑄型排氣不暢、鑄型材料導熱性過大等，均會降低充型能力。為了改善鑄型的充型條件，鑄件設計時必須保證鑄件的壁厚大于規(guī)定的“最小壁厚”(詳見第四節(jié)“鑄件結構設計”)，并在鑄型工藝上針對需要采取相應的措施，如加高直澆道、擴大內澆道橫截面積、增加出氣口、對鑄型烘干、鑄型表面刷涂料等。

2)澆注溫度對合金的充型能力影響也很顯著。澆注溫度高，液態(tài)合金的粘度下降；同時，因過熱度大，液態(tài)合金所含熱量增加，因而液態(tài)合金傳給鑄型的熱量增多，減緩了合金的冷卻速度，這都使充型能力得到提高。因此，提高合金的澆注溫度，是改善充型能力的重要工藝措施。必須指出，澆注溫度過高，合金的總收縮量增加，吸氣增多，氧化也嚴重，鑄件易產生縮孔、縮松、粘砂、氣孔等缺陷。因此，在保證充型能力足夠的前提下，盡可能做到“高溫出爐，低溫澆注”。但是，對于形狀復雜或薄壁鑄件，澆注溫度以略高些為宜。綜上所述，為提高合金的充型能力，改善鑄件質量，應盡可能選用流動性好的共晶成分，或結晶溫度范圍窄的合金。在合金成分確定的情況下，需從改善鑄型條件，提高澆注溫度和改進鑄件結構等幾個方面來提高充型能力。

二、鑄造合金的收縮

1．收縮的概念在合金從液態(tài)冷卻至室溫的過程中，體積縮小的現象稱為收縮。收縮是鑄造合金的物理本性，也是鑄件產生縮孔、縮松、變形、裂紋、殘余應力等鑄造缺陷的基本原因。為使鑄件的形狀、尺寸符合技術要求，內部組織致密，必須對收縮的規(guī)律加以研究。

1)收縮的三個階段：(1)液態(tài)收縮從澆注溫度到凝固開始溫度(即液相線溫廢)的收縮。

(2)凝固收縮從凝固開始溫度到凝固終止溫度(即固相線溫度)的收縮。(3)固態(tài)收縮從凝固終止溫度到室溫間的收縮。

2)收縮率(1)合金的液態(tài)收縮和凝固收縮

表現為合金的體積縮小，它是鑄件產生縮孔、縮松的基本原因。常用單位體積的收縮量所占比率，即體收縮率來表示。(2)合金的固態(tài)收縮

雖然也是體積變化，但它只引起鑄件外部尺寸的縮減，因此常用單位長度上的收縮量所占比率，即線收縮率來表示。它是鑄件產生內應力、變形和裂紋的基本原因。幾種鐵碳合金的收縮率見表8—1。

表8．1幾種鐵碳合金的收縮率

合金種類

收縮率(％)、

碳鋼

白口鑄鐵

灰鑄鐵

球墨鑄鐵體收縮率線收縮率(自由狀態(tài))

10～142.17

12～142.18

5～81.08

—0.81灰鑄鐵收縮率小的原因是由于其中大部分碳是以石墨狀態(tài)存在，而石墨的比體積大，液態(tài)灰鑄鐵在結晶過程中析出的石墨所產生的體積膨脹抵消了合金的部分收縮。2．鑄件的實際收縮

鑄件的實際收縮不僅與合金的收縮率有關，還與鑄型條件、澆注溫度和鑄件結構等有關。鑄型材料導熱性低，澆注溫度高，鑄件的實際收縮值就大；反之就小。鑄件在固態(tài)收縮過程中由于受到鑄型和型芯的阻礙不能自由收縮，此時收縮率顯然要小于自由收縮率。鑄件形狀愈復雜，其收縮率(線收縮率)一般愈小。因此，在鑄件生產時，必須根據合金的種類、鑄件的結構、鑄型條件等因素確定適宜的實際收縮率(常用的為線收縮率)。三、鑄件中的縮孔和縮松

鑄件凝固結束后往往在某些部位出現孔洞，大而集中的孔洞稱為縮孔；細小而分散的孔洞稱為縮松。

1．縮孔和縮松的形成

(1)縮孔

純金屬、共晶成分和凝固溫度(即結晶溫度)范圍窄的合金，在澆注后，型腔內發(fā)生垂直于型壁的由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金液的補充，則在鑄件最后凝固的地方就會產生縮孔。現以圓柱體鑄件為例分析縮孔的形成過程，如圖84所示。圖8—4a為合金液充滿型腔，降溫時發(fā)生液態(tài)收縮，但可從澆注系統(tǒng)得到補償。圖84b為當鑄件表面散熱條件相同時，表層先凝固結殼，此時內澆道被凍結。圖8—4c為繼續(xù)冷卻時，產生新的凝固層，內部液體發(fā)生液態(tài)和凝固收縮，使液面下降。同時外殼進行固態(tài)收縮，使鑄件外形尺寸縮小。如果兩者的減小量相等，則凝固外殼仍和內部液體緊密接觸。但由于液態(tài)收縮和凝固收縮遠大于外殼的固態(tài)收縮，因此合金液將與硬殼頂面脫離。圖8-4d為硬殼不斷加厚，液面不斷下降，當鑄件全部凝固后，在上部形成一個倒錐形縮孔。圖8-4e為繼續(xù)降溫至室溫，整個鑄件發(fā)生固態(tài)收縮，縮孔的絕對體積略有減小，但相對體積不變。如圖8_4f為如果往鑄件頂部設置冒口，縮孔將移至冒口中。

由上可知，縮孔產生的基本原因是合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，且得不到補償所致?？s孔產生的部位在鑄件最后凝固區(qū)域，如壁的上部或中心處。此外，鑄件兩壁相交處因金屬積聚凝固較晚，也易產生縮孔，此處稱為熱節(jié)。熱節(jié)位置可用畫內接圓方法確定，如圖8．5所示。鑄件中壁厚較大及內澆道附近的地方也是熱節(jié)

圖8-5用內接圓法確定熱節(jié)位置

(2)縮松形成原因

合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮所致。但縮松主要出現在結晶溫度范圍較寬的合金中或斷面較大的鑄件壁中。圖8—6為縮松形成過程示意圖。

圖8—6a為合金液充滿型腔，并向四處散熱。圖8—6b為鑄件表面結殼后，內部有一個較寬的液相與固相共存凝固區(qū)域。圖8—6c、d為繼續(xù)凝固，固體不斷長大，直至相互接觸，此時合金液被分割成許多小的封閉區(qū)。圖8．6e為封閉區(qū)內液體凝固收縮時，因得不到補充而形成許多小而分散的孔洞。圖8—6f為固態(tài)收縮?？s松分為宏觀縮松和顯微縮松兩種。宏觀縮松是用肉眼或放大鏡可以看出的小孔洞，多分布在鑄件中心軸線區(qū)域、熱節(jié)處、冒口根部和內澆道附近，也常分布在集中縮孔的下方。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小孔洞，要用顯微鏡才能觀察出來，這種縮松分布面積更為廣泛，有時遍及整個截面。顯微縮松難以完全避免，對于一般鑄件來說多不作為缺陷對待；但對氣密性及力學性能、物理性能和化學性能要求很高的鑄件，則必須設法減少。

縮孔、縮松的形成除主要受合金成分影響外，澆注溫度、鑄型條件及鑄件結構也有一定的影響。澆注溫度高，合金的縮孔傾向大。鑄型材料對鑄件的冷卻速度影響很大，濕型比干型的冷卻能力大，縮松減少；金屬型的冷卻能力更大，故縮松顯著減少。鑄件結構與形成縮孔、縮松的關系極大，設計時必須予以充分注意?？s孔和縮松都使鑄件的力學性能、氣密性、物理性能、化學性能降低，以致成為廢品。因此，縮孔和縮松都屬鑄件的重要缺陷，必須根據技術要求，采取適當的工藝措施予以防止。

2．防止鑄件產生縮孔和縮松的方法

(1)合理選用鑄造合金從縮孔和縮松的形成過程可知，結晶溫度范圍寬的合金，易形成縮松，且縮松分布面廣，難以消除。因此生產中在可能條件下盡量選擇共晶成分的合金或結晶溫度范圍窄的合金。

(2)采用順序凝固原則所謂順序凝固，就是在鑄件上可能出現縮孔的厚大部位通過增設冒口等工藝措施，使鑄件遠離冒口的部位先凝固(圖8-7)，而后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。冒口是鑄型中貯存補縮合金液的空腔，澆注完成后為鑄件的多余部分，待鑄件清理時去除。為了實現順序凝固，在安放冒口的同時，還可在鑄件上某些厚大部位增設冷鐵。圖8—8所示鑄件的熱節(jié)不止一個，若僅靠頂部冒口難以向底部凸臺補縮，為此在該凸臺的型壁上安放了兩個外冷鐵。由于冷鐵加速了該處的冷卻速度，使厚度較大的凸臺反而最先凝固，從而實現了自下而上的順序凝固，防止了凸臺處縮孔、縮松的產生?？梢钥闯?，冷鐵僅是加快某些部位的冷卻速度，以控制鑄件的凝固順序，但本身并不起補縮作用。冷鐵通常用鋼或鑄鐵制成安放冒口和冷鐵，實現順序凝固，雖可有效地防止縮孔和縮松(宏觀縮松)，但卻耗費許多合金和工時，加大了鑄件的成本。同時順序凝固擴大了鑄件各部分的溫度差，促進了鑄件的變形和裂紋傾向。因此，順序凝固原則主要用于收縮大或壁厚差別大，易產生縮孔的合金鑄件，如鑄鋼、可鍛鑄鐵、鋁硅合金和鋁青銅合金等。特別是對鑄鋼件，由于其收縮大大超過鑄鐵，在鑄造工藝上采用冒口、冷鐵等措施實現順序凝固非常有效四、鑄造內應力及鑄件的變形、裂紋鑄件凝固后的繼續(xù)冷卻收縮，有可能使鑄件產生變形或裂紋，而鑄造應力就是鑄件產生變形和裂紋的基本原因。1．鑄造應力

鑄造應力是熱應力、收縮應力和相變應力的矢量和。

(1)熱應力鑄件在凝固和冷卻過程中，由于不同部位不均衡的收縮而引起的應力稱為熱應力。合金有一個臨界溫度tij在此溫度以上，合金處于塑性狀態(tài)；在此溫度以下，合金處于彈性狀態(tài)。合金處于塑性狀態(tài)時，伸長率很高，在較小的外力下就發(fā)生塑性變形(即永久變形)，此時內應力自行消除；合金處于彈性狀態(tài)時，在外力作用下，合金發(fā)生彈性變形，變形后應力繼續(xù)存在。

1)熱應力的產生過程如圖8．9a所示。其熱應力的形成過程可分為三個階段說明，如圖8．8b所示。

1)t0至t1：厚部工和薄部Ⅱ都處于臨界溫度(tij)以上，兩部分都呈塑性狀態(tài)，能夠自由收縮。Ⅱ薄，冷卻速度比厚部I大，同一時刻，薄部Ⅱ的溫度比厚部工低，收縮要比厚部I大。因為兩部分是一個整體，只能收縮到一個共同的長度，此時若不產生彎曲變形，Ⅱ將被塑性拉伸，I則被塑性壓縮，變形的結果，T形桿內不產生熱應力。2)t1至t2：此時，Ⅱ的溫度己低于臨界溫度(tij)而呈彈性狀態(tài)，．I仍處于塑性狀態(tài)。Ⅱ的收縮，迫使I產生塑性收縮，此時T形桿內仍無熱應力產生。3)t2至t3：當I進入彈性狀態(tài)時，其收縮會受到早已進入彈性狀態(tài)的Ⅱ的阻礙，于是形成了Ⅱ受彈性壓縮，而I受彈性拉伸的狀態(tài)。因兩部分都呈彈性狀態(tài)，故I內存在拉應力，而Ⅱ內則存在壓應力，于是，在T形桿件就產生了殘留熱應力

。

由此可見，熱應力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。鑄件的壁厚差別愈大，合金的線收縮率愈高，彈性模量愈大，則熱應力愈大。2)預防熱應力的基本途徑a.減小鑄件各部分的溫度差，使其均勻地冷卻。b.鑄件壁厚均勻，避免金屬的聚集，采用同時凝固原則。同時凝固原則，是采取工藝措施使鑄件各個部分沒有大的溫度差，而同時凝固。為此，須將澆注系統(tǒng)開在鑄件薄壁處，為了加速厚壁的冷卻，有時還可在厚壁處安放冷鐵，如圖8一10所示。

同時凝同原則可減小熱應力，防止鑄件變形和裂紋等缺陷，而且因不用冒口而節(jié)省金屬和工時。其缺點是鑄件的中心部位易出現縮松(或縮孔)。同時凝固原則主要用于普通灰鑄鐵、錫青銅等。因為灰鑄鐵收縮小，不易產生縮孔；而錫青銅結晶間隔很大，用冒口也難以消除縮松。同時凝固原則也可用于薄壁鑄鋼件或其他易變形和易裂的鑄件。

(2)收縮應力

鑄件在固態(tài)收縮時，因受到鑄型、型芯、澆冒口、箱帶等外力的阻礙而產生的應力稱為收縮應力，如圖8—1l所示。收縮應力又稱機械應力，它使鑄件產生拉伸或切應力，并且是暫時的，在鑄件落砂之后，這種內應力便可自行消除。但收縮應力在鑄型中可與熱應力共同起作用，增加了鑄件產生裂紋的可能性。(3)相變應力

鑄件由于固態(tài)相變，各部分體積發(fā)生不均衡變化而引起的應力為相變應力。一般鑄造合金的相變應力較小，并且與熱應力方向相反。

2．鑄件的變形與防止鑄件鑄出后，存在于鑄件不同部位的內應力(鑄造應力)稱為殘留應力。帶有殘留應力的鑄件是不穩(wěn)定的，會自發(fā)地變形使殘留應力減小而趨于穩(wěn)定。顯然，只有原來受彈性拉伸的部分產生壓縮變形；受彈性壓縮的部分產生拉伸變形，鑄件的殘留應力才有減小或消除的可能。為防止變形，在鑄件設計時應力求壁厚均勻，形狀簡單與對稱(詳見第四節(jié)“鑄件結構設計”)。對于細而長、大而薄等易變形鑄件，可將模樣制成與鑄件變形方向相反的形狀，待鑄件冷卻時變形正好與相反的形狀抵消(此法稱“反變形法”)，如圖8．12所示。此外，在鑄造工藝上應采取措施使鑄件同時凝固或在鑄件上附加工藝肋等。

常用的去除應力的方法自然時效法、人工時效法和共振法。自然時效法是將鑄件置于露天場地半年以上，利用天然熱脹冷縮使其緩慢地發(fā)生變形，從而使應力消除。人工時效法是將鑄件加熱至550～650℃進行去應力退火，它比自然時效速度快，應力去除較為徹底，故應用廣泛。共振法是使鑄件在共振頻率下振動10～50min，從而達到消除殘留應力的目的。共振法需要專用設備，但效率高并且節(jié)能、污染少。

3．鑄件的裂紋與防止

當鑄造應力超過合金的強度極限時，鑄件便產生裂紋。裂紋是鑄件的嚴重缺陷，多使鑄件報廢，必須設法防止。按裂紋形成的溫度范圍可分為熱裂和冷裂兩種。(1)熱裂熱裂是高溫下形成的裂紋，其形狀特征是裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內呈氧化色。

防止熱裂的主要措施是：合理設計鑄件結構；合理選用型砂、芯砂的粘結劑與附加物，以改善其退讓性；大的型芯可制成中空的或內部填以焦炭；嚴格限制鋼和鑄鐵中的硫含量(因為硫能增加熱脆性，降低合金的高溫強度)；選用收縮率小的合金等。(2)冷裂冷裂是指在低溫下形成的裂紋，其形狀特征與熱裂不同，冷裂紋細小，呈連續(xù)直線狀，縫內干凈，有時呈輕微氧化色。冷裂是合金處于彈性狀態(tài)時，當其鑄造應力大于該溫度下合金的強度極限時產生的。

防止冷裂的主要措施是：減少鑄造應力或降低合金的脆性。嚴格控制鋼和鑄鐵的磷含量。澆注之后，勿過早打箱。

五、鑄件中的氣孔

氣孔是氣體在鑄件中形成的孔洞，其內壁較光滑、明亮或帶輕微氧化色，易與縮孔等孔洞類缺陷區(qū)分開來。氣孔是鑄件中最常見的缺陷，它減少了鑄件的有效承載面積，并在氣孔附近引起了應力集中，因而降低了鑄件的力學性能，特別是沖擊韌度和疲勞強度顯著降低。彌散性氣孔還可促使顯微縮松的形成，降低鑄件的氣密性。氣孔可分類析出性氣孔、侵入性氣孔和反應性氣孔三類。

1．析出性氣孔

合金在熔煉和澆注時吸收氣體的性能稱為合金的吸氣性，也是合金的鑄造性能之一。析出性氣孔的特征是：分布面積較廣；靠近冒口、熱節(jié)等后凝固區(qū)域分布較密集；形狀呈團球形或裂紋多角形。這種氣孔在鋁合金鑄件中最為多見。防止析出性氣孔的主要措施有：減少液態(tài)合金的原始含氣量，如斷絕氣體的來源、減少氣體進人的可能性；有色金屬應在熔劑層下熔煉，熔煉后期要進行除氣精煉；提高鑄件凝固時的冷卻速度和外部壓力，以阻止氣體的析出等。

2．侵入性氣孔

侵人性氣孔是由于砂型表面層聚集的氣體侵入合金中而形成的氣孔。侵入鑄件中的氣體，主要來源于造型材料中的水分、粘結劑和各種附加物的加熱蒸發(fā)。侵人性氣孔一般體積較大，單個或數量不多，在鑄件的局部(如鑄件的凹角處、外表面或內表面等)出現。有時因泥芯受潮或型砂發(fā)氣量太大會造成氣孔叢生，呈蜂窩狀，俗稱“嗆火”。防止侵入性氣孔的主要措施降低型(芯)砂的發(fā)氣量和增加鑄型的排氣能力以及應用涂料等。

3．反應性氣孔

澆人鑄型中的合金液與鑄型之間或在合金液內部發(fā)生化學反應所產生的氣孔，稱為反應性氣孔。反應性氣孔主要來源于合金液與型砂中的水分反應所形成的氣體。這些氣體或溶入液態(tài)合金中而在冷凝過程中析出，或直接侵入造成氣孔缺陷。合金與鑄型問反應性氣孔，通常分布在鑄件表面皮下1～3mm(有時只在一層氧化皮下面)，表面經加工或清理后，就暴露出許多小氣孔，所以通稱皮下氣孔，也稱針孔。

防止反應性氣孔的主要措施減少澆注前合金液的含氣量；提高澆注溫度以利于氣體的排除；嚴格控制型(芯)砂的發(fā)氣量，并增加透氣性；合理使用涂料；若使用冷鐵，應防止潮濕和銹蝕。此外，澆注時要平穩(wěn)，以減少合金液產生氧化。

第二節(jié)砂型鑄造目前,鑄件生產的主要方法,砂型鑄件占鑄件總量的90%以上,可生產各種鑄鋼,灰鐵,球鐵,可鍛鑄鐵,有色金屬等.用于鑄造各種機械零件砂型鑄造生產過程:

配砂→造型→烘干

熔化

→澆注→合型→落砂→清理→檢驗配砂→造芯→烘干造型操作順序:1安放鑄模2套下箱,撒防粘材料3蓋上面砂4鏟填背砂5用尖頭砂沖舂砂6用平頭砂沖舂砂

7刮去多余型砂8翻轉下型9撒分型砂10吹去鑄模上的分型砂11撒防粘材料12加面砂13填上型14扎通氣孔15去上型16起模17挖澆口18合箱澆注.

一、砂型鑄造生產過程簡介

1．造型材料的選擇制造鑄型(芯)用的材料為造型材料，主要由砂、粘土、有機或無機粘結劑和其他附加物組成。造型材料按一定比例配合，經過混制獲得符合要求的型(芯)砂。每生產1t合格鑄件，約需4～5t型(芯)砂。型(芯)砂應具備的性能良好的成型性、透氣性和退讓性，足夠的強度和高的耐火性等。鑄件中的常見缺陷，如砂眼、夾砂、氣孔及裂紋等缺陷的產生常是由于型(芯)砂的性能不合格引起的。合理選擇造型材料，制備符合要求的型(芯)砂，可提高鑄件質量，降低成本。

型(芯)砂分類(按使用粘結劑)(1)粘土砂

粘土砂是由砂、粘土、水及附加物(煤粉、木屑等)按一定比例制備而成，以粘土為粘結劑。粘土砂的適應性很強，鑄鐵、鑄鋼及鋁、銅合金等鑄件均適宜，并且不受鑄件的大小、重量、形狀和批量的限制。它既廣泛用于造型，又可用來制造形狀簡單的大、中型芯。并且粘土砂可用于手工造型，也可用于機器造型。另外，粘土的儲量豐富、來源廣、價格低廉。粘土砂的回用性好，舊砂仍可重復使用多次，因此應用最廣泛。粘土砂可分為濕型砂和干型砂兩大類。濕型砂主要用于中小鑄件；干型砂主要用于質量要求高的大、中型鑄件。

(2)水玻璃砂

水玻璃砂是以水玻璃為粘結劑的一種型砂。目前生產中廣泛采用的水玻璃砂是用二氧化碳氣體來硬化的。目前，正在推廣在水玻璃中加入有機酯硬化劑而制得的水玻璃自硬砂。優(yōu)點不需要烘干，硬化速度快，生產周期短。型砂強度高易于實現機械化，工人勞動條件得以顯著改善。不足之處鑄鐵件及大的鑄鋼件易粘砂出砂性差，致使鑄件的落砂清理困難。水玻璃砂的回用性差。(3)油砂、合脂砂及樹脂砂對結構形狀復雜、要求很高的型芯，則難以滿足要求，因此要求芯砂需具備更高的干強度、透氣性、耐火性、退讓性和良好的出砂性，同時要求較低的發(fā)氣性和吸濕性，并且不易粘芯盒。1)油砂及合脂砂植物油(如桐油、亞麻仁油等)一直是制造復雜型芯的主要粘結劑。盡管油砂性能優(yōu)良，但油料來源少，價格昂貴，因此常用“合脂”來代替。用“合脂”為粘結劑配制的型(芯)砂稱為合脂砂?！昂现笔侵圃砉I(yè)的副產品，性能與植物油相近，且來源豐富，價格便宜，故已得到廣泛應用。

2)樹脂砂以合成樹脂為粘結劑配制的型(芯)砂稱為樹脂砂。樹脂砂包括熱芯盒砂、冷芯盒砂。熱芯盒砂

使用的粘結劑是液態(tài)呋喃樹脂，芯砂射人熱芯盒后，在熱的作用下固化；冷芯盒砂

使用的粘結劑是酚醛樹脂，芯砂射入冷芯盒后，在催化劑的作用下硬化。

樹脂砂制備的型(芯)不需要烘干，可迅速硬化，故生產率高；型芯強度比油砂高，型芯的尺寸精確、表面光滑，其退讓性和出砂性好，同時便于實現機械化和自動化。

2．造型與造芯

造型是用造型混合料及模樣等工藝裝備制造鑄型的過程，它是砂型鑄造的最基本工序。通常分為手工造型和機器造型。生產中應根據鑄件的尺寸、形狀、生產批量、鑄件的技術要求以及生產條件等因素，合理地選擇造型方法。(1)手工造型手工造型是指造型主要的兩工序緊實和起模是由手工完成的，它主要用于單件小批生產。各種手工造型方法的特點和適用范圍見表8-2。(2)機器造型機器造型是指用機器完成全部或至少完成緊實和起模兩主要工序的操作。機器造型可提高生產率、提高鑄件精度和表面質量、鑄件加工余量小、改善了勞動條件，但只有大批量生產時才能顯著降低鑄件成本。

表8．2各種手工造型方法的特點和適用范圍

造型方法主要特點適用范圍按砂型特征分類兩箱造型造型的最基本方法，鑄型由上箱和下箱構成，操作方便各種生產批量和各種大小鑄件三箱造型鑄型由上中、下三箱構成。中箱高度須與鑄件兩個分型面的間距相適應。三箱造型操作費工，且需配有合適的砂箱單件小批生產。具有兩個分型面的鑄件脫箱造型(無箱造型)在可脫砂箱內造型，合型后澆注前，將砂箱取走，重新用于新的造型。用一個砂箱可重復制作很多鑄型，節(jié)約砂箱。需用型砂將鑄型周圍填實，或在鑄型上加套箱，以防澆注時錯箱生產小鑄件。因砂箱無箱帶，所以砂箱尺寸小于400×400mmn×150lnrn地坑造型在地面以下的砂坑中造型，不用砂箱或只用上箱，大鑄件需在砂床下面鋪以焦炭，埋上出氣管，以便澆注時引氣。減少了制造砂箱的費用和時間，但造型費工，勞動量大，要求工人技術較高整模選型砂箱不足或生產批量不大、質量要求不高的鑄件，如砂箱壓鐵、爐、芯骨等。按模樣特征分類整模造型模樣是整體的，分型面是平面，鑄型型腔全部在一個砂箱內。選型簡單，鑄件不會產生錯型缺陷最大截面在一端、且為平面的鑄件挖砂造型模樣是整體的,分型畫為曲面。為起出模樣，造型時用手工挖去阻礙起模的砂。造型費工，生產率低，要求工人技術高單件小批生產。分型面不是平面的鑄件假箱造型克服了挖砂造型的挖砂缺點，在造型前預先作一個與分型面相吻合的底胎，然后在底胎上造下箱。因底胎不參加澆注，故稱假箱。比挖砂造型簡便，且分型面整齊在成批生產中需要挖砂的鑄件分模造型將模樣沿最大截面處分為兩半，型腔位于上、下兩個砂箱閃，造型簡單，節(jié)省工時最大截面在中部的鑄件活塊造型鑄件上有妨礙起模的小凸臺、肋條等。制模時將這些部分作成活動的(即活塊)。起模時先起出主體模樣，然后再從側面取出活塊。造型費工，工人技術水平要求高單件小批生產。帶有突出部分難以起模的鑄件刮板造型用刮板代替實體模樣造型?？山档湍映杀?，節(jié)約木材，縮短生產周期。但生產率低，要求工人技術水平高等截面的或回轉體的、中型鑄件的單件小批生產，如帶輪、鑄管、彎頭等機器造型是采用模板進行兩箱造型的。模板是將模樣、澆注系統(tǒng)沿分型面與模底板聯結成一整體的專用模具，造型后模底板形成分型面，模樣形成鑄型型腔。機器造型不能進行三箱造型，同時也應避免活塊，否則會顯著降低造型機的生產率。因此，在設計大批量生產的鑄件及確定其鑄造工藝時，應考慮這些要求。表8．3為常用機器造型方法及應用。

表8．3各種機器造型方法的特點和應用

型砂緊實方法

主要特點

適用范圍壓實緊實用較低比壓(砂型單位面積上所受的壓力，MPa)壓實砂型。機器結構簡單噪音小、生產率高、消耗動力少。型砂的緊實度沿砂箱高度方向分布不均勻愈往下愈小成批生產，高度小于200nⅡn的鑄件高壓緊實用較高比壓(大于O.7MPa)壓實砂型。砂型緊實度高，鑄件精度高，表面粗糙度R。值小，廢品率低，生產率高，噪聲低、灰塵少，易于機械化、自動化；但機器結構復雜，制造成本高大批大量生產，中、小型鑄件，如汽車、機車車輛、紡織機械、縫紉機等產品較為單一的制造業(yè)震擊緊實依靠震擊力緊實砂型。機器結構簡單，制造成本低；但噪聲大，生產率低，要求廠房基礎好。砂型緊實度沿砂箱高度方向愈往下愈大成批生產，中小型鑄件震壓緊實經多次震擊后再加壓緊實砂型。生產率較高，能量消耗少，機器磨損少，砂型緊實度較均勻，但噪聲大廣泛用于成批生產，中、小型鑄件微震壓實在加壓緊實型砂的同時，砂箱和模板作高頻率、小振幅振動。生產率較高，緊實度較均勻，噪聲較小廣泛用于成批生產，中、小型鑄件拋砂緊實用機械的力量，將砂團高速拋入砂箱，可同時完成填砂和緊實兩工序。生產率高，能量消耗少，噪聲小，型砂緊實度均勻，適應性廣單件小批生產，成批、大量生產，大、中型鑄件或大型芯射壓緊實用壓縮空氣將型(芯)砂高速射入砂箱，同時完成填砂、緊實兩工序。然后再用高比壓壓實砂型。生產率高，緊實度均勻，砂型型腔尺寸精確，表面光滑，勞動強度小，易于自動化；但造型機調整、維修復雜大批大量生產形狀簡單的中、小型鑄件

(3)造芯砂芯主要用于形成鑄件的內腔及尺寸較大的孔，也可以形成鑄件的外形。最常用的造芯方法是用芯盒造芯。在大批量生產中，應采用機器造芯。

圖8．13震壓式造型機

a)填砂b)震實c)壓實d)起模1一壓頭2一模板3一砂箱4一震擊活塞5一壓實活塞6一壓實氣缸7一進氣口8一氣缸9一頂桿

3．熔煉與澆注熔煉是指使金屬由固態(tài)轉變成熔融狀態(tài)的過程。熔煉的任務是提供化學成分和溫度都合格的熔融金屬。澆注是將熔融金屬從澆包注入鑄型的操作。4．落砂與清理

落砂是指用手工或機械使鑄件與型砂、砂箱分開的操作。清理是指落砂后從鑄件上清除表面粘砂、型砂、多余金屬(包括澆冒口、氧化皮)等過程的總稱。清理后的鑄件應根據技術要求仔細檢驗，判斷鑄件是否合格。技術條件允許焊補的缺陷應進行焊補。合格的鑄件應進行去應力退火或自然時效。

二、鑄造工藝圖的制定

鑄造生產必須根據鑄件結構特點、技術要求、生產批量、生產條件等進行鑄造工藝設計，并繪制鑄造工藝圖。鑄造工藝圖是按規(guī)定的工藝符號或文字直接在零件圖上繪制出表示鑄型分型面、澆注位置、型芯結構尺寸、澆冒口系統(tǒng)、控制凝固措施(如放置冷鐵)等的圖樣。在單件、小批生產情況下，鑄造工藝設計只制定鑄造工藝圖，并以此作為制造模樣、鑄型和檢驗鑄件的依據。在大批量生產中，制定鑄造工藝圖是繪制鑄件圖、模樣圖和鑄型裝配圖的依據。制定鑄造工藝圖，必須對鑄件進行工藝分析、選擇分型面、確定澆注位置，并在此基礎上確定鑄件的主要工藝參數，進行澆冒口設計等。

1．分型面和澆注位置的選擇

(1)分型面和澆注位置的概念分型面是指鑄型組元間的接合面，即分開鑄型便于起模的接合面。澆注位置是指澆注時鑄型分型面所處的位置。分型面為水平、垂直或傾斜時，分別稱水平澆注、垂直澆注或傾斜澆注。(2)分型面和澆注位置的選擇原則。首先應保證鑄件質量，其次應使操作盡量簡化，并考慮具體的生產條件。分型面和澆注位置的選擇原則見表8．4。

表8．4分型面和澆注位置的選擇原則

2．鑄造工藝參數的確定

(1)加工余量

為保證鑄件加工面尺寸和零件精度，在鑄造工藝設計時預先留出在以后機械加工時切去的金屬層厚度，稱為加工余量。它通常是依據實際生產條件和有關資料來確定。加工余量的代號字母為MA。確定加工余量大小程度的級別，稱為加工余量等級。加工余量等級由精到粗分為A、B、c、D、E、F、G、H和J共9個等級。鑄件尺寸公差是指對鑄件尺寸規(guī)定的允許變動量，其代號用字母CT表示。鑄件的尺寸公差等級由高到低分為l、2、3、…、16，共16個等級。

當鑄件尺寸公差等級和加工余量等級確定后，就可以按鑄件的基本尺寸在表8-5中查出鑄件尺寸公差數值，在表8—6中查出鑄件的切削加工余量值。鑄件的基本尺寸，是指在有加工要求的表面上最大尺寸和該表面距它的加工基準間尺寸二者中較大的尺寸。

表8-5鑄件尺寸公差值(摘自GB／T6414—1986)（mm)

鑄件基本尺寸公差等級CT大于至

9

l0

1l

12

13

14

15

16一

10

1016

1.51.6

2.02.2

2.83.0

4.24.4

162540

254063

1.7l.82.0

2.42.62.8

3.23.64.0

4.65.05.6

678

8910

101112

1214

63100160

100160250

2.22.52.8

3.23.64.0

4．45．05．6

678

91011

111214

141618注：表中CTl3～CTl6，并小于或等于16mm的鑄件基本尺寸，其公差值需單獨標注，可提高2～3級。鑄件基本尺寸公差等級CT大于至

9

l0

ll

12

13

14

15

16

250400630

4006301000

3.23.64.0

4.456

6.278

910ll

121416

161820

202225表8-6鑄件的切削加工余量(摘自GB／T11350—1989)(㎜)

CT

11

12

13

14

15

MA

G

H

G

H

J

G

H

J

H

J

H

J基本尺寸加工余量數值大于至1004.03.04.53.5

4.53.0

5.03.5

6.O4.5

6.04.0

6.54.5

7.55.5

7.55.0

8.56.0

9.05.5L06.5100160

4.53.5

5.54.0

5.54.0

6.55.0

7.56.0

7.04.5

8.05.5

9.06.5

9.06.0

107.0

117.0

128.0

160250

6.04.5

7.O5.0

7.05.0

8.06.0

9.57.5

8.56.09.57.0

118.5

1l7.5

139.0

138.5

1510

2504007.55.5

8.57.0

8.06.09.57.5

119.0

9.56.5

1l8.0

1310

139.0

1511

15lO

1712400630

7.56.0

9.58.0

9.O6.5

118.5

1411

117.5139.5

1612

15111813

1712

2014

注：表中每欄有兩個加工余量數值，上面數值是一側為基準，另一側進行單側加工的加工余量值；下面數值是進行雙側加工的加工余量值。

單件小批生產時，鑄件的尺寸公差等級與造型材料及鑄件材料有關。采用干、濕型砂型鑄出的灰鑄鐵件的尺寸公差等級為CTl5~CTl3。大批量生產時，鑄件的尺寸公差等級與鑄造工藝方法及鑄件材料有關。采用砂型機器造型方法鑄出的灰鑄鐵件的尺寸公差等級為CTl3～CTll。

鑄件的加工余量等級與鑄件的尺寸公差等級應匹配使用。單件小批生產時，采用干、濕型砂鑄出的灰鑄鐵件CT與MA的匹配關系是(CTl3～CTl5)／H；大批量生產時，采用砂型機器造型方法鑄出的灰鑄鐵件CT與MA的匹配關系是(CTll～CTl3)／H。

鑄件上的孔、槽是否鑄出，應考慮工藝上的可能性和使用上的必要性。灰鑄鐵件最小鑄出孔的直徑(零件孔徑減去加工余量后的尺寸)對于單件生產為25～35mm，大量生產為12～15mln.鑄鋼件最小鑄出孔的直徑為55mm.有色合金價格昂貴，原則上孔應盡量鑄出。

(2)起模斜度

起模斜度是指為使模樣容易從鑄型中取出或型芯自芯盒中脫出，平行于起模方向在模樣或芯盒璧上的斜度。起模斜度通常為０o15'～3o影響起模斜度的因素有垂直壁的高度、造型方法、模樣材料等。一般來說，垂直壁愈高，斜度愈??；機器造型比手工造型的斜度要小一些；金屬模比木模的斜度要小一些。為了型砂能從模樣內腔中脫出，形成“自帶型芯”，模樣內壁的起模斜度應比外壁大，通常為3°～10°。圖8．14所示的a、b、c，表示上、下、側表面的切削加工余量；α、β、γ表示外壁和內壁的起模斜度。

(3)線收縮率

線收縮率是指鑄件從線收縮溫度開始，冷卻至室溫的收縮率，常以模樣與鑄件的長度差除以模樣長度的百分比表示。合金的線收縮率與合金的種類、鑄件的結構形狀、復雜程度及尺寸等因素有關。通常灰鑄鐵的線收縮率為0.7％～1.2％；鑄鋼件線收縮率為2％；有色合金鑄件的線收縮率為1．5％。

(4)型芯設計包括型芯數量及形狀、芯頭結構、芯子的排氣等。由于造芯費工、費時、增加成本，故應盡量少用型芯。對高度小、直徑大的內腔或孔應采用自帶型芯。芯頭是型芯的重要組成部分，起定位、支撐型芯、排除型芯內氣體的作用。根據芯頭在砂型中的位置，芯頭可分為垂直芯頭和水平芯頭兩種形式。圖8-15為垂直芯頭的幾種形式：圖a為上、下都有芯頭，用得最多；圖b只有下芯頭，無上芯頭，適用于截面較大，高度不大的型芯；圖c上、下都無芯頭，適用于較穩(wěn)的大型芯。水平芯頭的一般形式為兩個芯頭。當型芯只有一個水平芯頭，或雖有兩個水平芯頭仍然定位不穩(wěn)固而發(fā)生傾斜或轉動時，還可采用其他形式的芯頭，如聯合芯頭、加長或加大芯頭以及安放型芯撐來支撐型芯，如圖8．16所示。芯頭的具體尺寸，一般是根據生產經驗并參考有關手冊決定，本課程不作具體要求。

圖8．15垂直芯頭的形式

a)上、下都有芯頭b)只有下芯頭C)上、下都無芯頭

圖8．16水芯頭的形式a)一般形式b)聯合芯頭c)加長芯頭d)芯頭加型芯撐

3．澆注系統(tǒng)

為了澆注時將合金液引入型腔而在鑄型中開出的通道，稱為澆注系統(tǒng)。一般高度較大、形狀復雜的鑄件，其內澆道應開設在型腔底部，稱底注式；高度小、形狀簡單的鑄件，內澆道多開設在型腔頂部，稱頂注式；大多數鑄件內澆道在分型面引入型腔，稱中注式。澆注系統(tǒng)各單元的尺寸相形狀，可以計算或參考有關手冊確定。4．冒口

冒口的主要作用是補充鑄件凝固收縮時所需的合金，避免產生縮孔。對收縮較大的合金(如鑄鋼)則必須考慮設置冒口。冒口設計包括確定冒口位置、尺寸及個數。詳見有關手冊。

三、綜合分析舉例

現以圖8．17所示支撐臺零件為例，進行綜合工藝分析。支撐臺零件承受中等載荷，起支承作用，材料為灰鑄鐵(牌號HT200)，小批量生產。由于材料為灰鑄鐵，鑄造性能良好，能滿足質量要求。支撐臺是一個回轉體構件，宜采用分模兩箱造型方法。生產批量小，宜采用砂型鑄造手工造型方法。

1．選擇分型面選擇通過軸線的縱向剖面為分型面，工藝簡便。

2．確定澆位置水平澆注使兩端面?zhèn)攘?，因兩端面為加工面有利于保證鑄件質量。

3．確定工藝參數(1)加工余量圖樣要求僅兩端面加工，需留加工余量，≯20mm的8個孔不能鑄出。如前述，采用干、濕型砂鑄型鑄出的灰鑄鐵件的尺寸公差等級為CTl3一CTl5，與加工余量等級MA的匹配關系是(CTl3～CTl5)／H。若取CTl4／H，基本尺寸為200mm(大于160～250mm，雙側切削加工)，查表8．6可知，支撐臺兩側面的加工余量值為7．5mm.查表8—5可知，鑄件的尺寸公差數值為14mm。

(2)起模斜度使用木模，起模斜度選擇為α≈3o。鑄件法蘭(兩端圓盤)較厚，可在遠離分型面處減少2mm加工余量，以獲得起模斜度。(3)線收縮率材料為灰鑄鐵，由鑄件結構看有一定的受阻收縮，線收縮率選擇為l％。

(4)型芯頭支撐臺具有錐形空腔，宜設計整體型芯，芯頭尺寸及裝配間隙可查有關手冊確定。澆注系統(tǒng)和冒口設計，本課程對此不作具體要求。將上面確定的各項內容，用規(guī)定的顏色、符號(一般分型線、加工余量、澆注系統(tǒng)均用紅線表示；分型線用紅色寫出“上、下”字樣；不鑄出的孔、槽用紅線打叉表示。芯頭邊界用藍色線表示：芯用藍色“x”標注。)描繪在零件的主要投影圖上，鑄造工藝圖的繪制即告完成，如圖8一18所示。根據鑄造工藝圖就可畫出鑄件(毛坯)圖，如圖8．19所示。鑄件圖是反映鑄件實際形狀、尺寸和技術要求的圖樣，是鑄造生產、鑄件檢驗與驗收的主要依據。

第三節(jié)特種鑄造與現代鑄造技術

特種鑄造包括：一、熔模鑄造二、金屬型鑄造三、壓力鑄造四、低壓鑄造五、離心鑄造六、連續(xù)鑄造現代鑄造技術介紹：

一、氣壓造型將貯存在壓力罐內的壓縮空氣突然釋放出來，作用在砂箱里松散的型砂上面，使其緊實成型，或利用可燃氣體燃燒爆炸產生的壓力波使型砂緊實成型。氣壓造型鑄型密度一般為1.6g/cm3左右，又稱為高密度鑄型。特點吃砂量小，砂箱利用率高鑄件尺寸精度較高，鑄件表面質量較好，鑄件重量減輕。勞動生產率高。制造一個鑄型只需要0.5s左右。勞動條件改善。一般都在85dB以下。機器的安裝和維修較容易。二、實型鑄造

采用泡沫聚苯乙烯塑料模樣代替普通模樣又稱“氣化模造型”、“泡沫聚苯乙烯塑料模造型”、“消失模鑄造”或“無型腔鑄造”等

簡化鑄件生產工序，縮短生產周期

降低了鑄件廢品率，提高了鑄件質量使鑄件尺寸精度提高增大了鑄件設計的自由度提高了材料利用率

三、半固態(tài)加工技術半固態(tài)成形原理利用非枝晶半固態(tài)金屬（Semi-SolidMetals，簡稱SSM）獨有的流變性和攪熔性來控制鑄件的質量。THIXOCASTING&RHEOCASTING

半固態(tài)加工技術簡介成形裝備瑞士BüHLER公司推出的觸變壓鑄設備半固態(tài)加工技術的特點幾種鑄造方法鑄件性能比較便于實現高度自動化、提高生產率改善環(huán)境、生產趨于更安全顯著提高了成形件的質量和可靠性半固態(tài)壓鑄件可以熱處理（T5、T6）大大減少對成形模具的熱沖擊凈形化成形，減少切削加工傳統(tǒng)成形件與半固態(tài)成形件重量對比

半固態(tài)加工技術的應用現狀適用于有液固共存區(qū)的合金體系，不僅有鎂合金、鋁合金、鋅合金、銅合金等有色金屬，而且也適用于鋼鐵等黑色金屬。此外，可以制造金屬基復合材料。目前已成功用于主缸、轉向系統(tǒng)零件、搖臂、發(fā)動機活塞、輪轂、傳動系統(tǒng)零件、燃油系統(tǒng)零件和空調零件等制造，另外，在軍事、航空、電子以及消費品等方面也得到應用。汽車零件汽車零件（二）殼體及框架在電子產品方面的應用殼體及框架A356鋁合金鑄件的半固態(tài)壓鑄結果探傷檢查和金相組織觀察表明，鑄件的內部顯微組織結構均勻致密、各向同性，沒有氣孔、縮松等缺陷。美國采用真空壓鑄，廢品率10－20％。上海汽