3.1鑄造工藝基礎3.2砂型鑄造3.3特種鑄造3.4鑄件結構工藝性3.5常用合金鑄件的鑄造3.6鑄造技術的發(fā)展思考題與習題3.1.1液態(tài)合金的充型

液態(tài)合金填充鑄型的過程簡稱充型。

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，稱為液態(tài)合金的充型能力。在液態(tài)合金的充型過程中，有時伴隨著結晶現(xiàn)象。若充型能力不足，在型腔被填滿之前，形成的晶粒將充型的通道堵塞，金屬液被迫停止流動，于是鑄件將產生澆不足或冷隔等缺陷。

充型能力主要受金屬液本身的流動性、鑄型性質、澆注條件及鑄件結構等因素的影響。3.1鑄造工藝基礎

1.合金的流動性

液態(tài)合金本身的流動能力稱為合金的流動性，是合金主要鑄造性能之一。合金的流動性愈好，充型能力愈強，愈便于澆鑄出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件。同時，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。液態(tài)合金的流動性通常以“螺旋形試樣”(圖3-1)長度來衡量。顯然，在相同的澆注條件下，合金的流動性愈好，所澆出的試樣愈長。表3-1列出了常用鑄造合金的流動性，其中灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。圖3-1金屬流動性試樣表3-1常用鑄造合金的流動性影響合金流動性的因素很多，以化學成分的影響最為顯著。共晶成分合金的結晶是在恒溫下進行的，此時，液態(tài)合金從表層逐層向中心凝固，由于已結晶的固體層內表面比較光滑，對金屬液的流動阻力小，故流動性最好。除純金屬外，其他成分合金是在一定溫度范圍內逐步凝固的，此時，結晶是在一定寬度的凝固區(qū)內同時進行的，由于初生的樹枝狀晶體使固體層內表面粗糙，所以合金的流動性變差。顯然，合金成分愈遠離共晶點，結晶溫度范圍愈寬，流動性愈差。圖3-2所示為Fe-C含金的流動性與碳質量分數(shù)的關系。由圖可見，隨碳質量分數(shù)的增加，亞共晶鑄鐵結晶溫度范圍減小，流動性逐漸提高。圖3-2Fe-C合金流動性與碳質量分數(shù)的關系

2.澆注條件

1)澆注溫度

澆注溫度對合金的充型能力起著決定性作用。提高澆注溫度，合金的粘度下降，流速加快，還能使鑄型溫度升高，合金在鑄型中保持流動的時間長，從而大大提高了合金的充型能力。但澆注溫度過高，鑄件容易產生縮孔、縮松、粘砂、氣孔、粗晶等缺陷，故在保證充型能力足夠的前提下，澆注溫度應盡量降低。

2)充型壓力

液態(tài)合金所受的壓力愈大，充型能力愈好。如壓力鑄造、低壓鑄造和離心鑄造時，因充型壓力較砂型鑄造提高甚多，所以充型能力較強。

3.鑄型填充條件

液態(tài)合金充型時，鑄型阻力將影響合金的流動速度，而鑄型與合金間的熱交換又將影響合金保持流動的時間。因此，如下因素對充型能力均有顯著影響。

1)鑄型材料

鑄型材料的導熱系數(shù)和比熱容愈大，對液態(tài)合金的激冷能力愈強，合金的充型能力就愈差。如金屬型鑄造較砂型鑄造容易產生澆不足和冷隔缺陷。

2)鑄型溫度

金屬型鑄造、壓力鑄造和熔模鑄造時，鑄型被預熱到數(shù)百度，由于減緩了金屬液的冷卻速度，故使充型能力得到提高。

3)鑄型中氣體

在金屬液的熱作用下，鑄型(尤其是砂型)將產生大量氣體，如果鑄型排氣能力差，型腔中氣壓將增大，以致阻礙液態(tài)合金的充型。為了減小氣體的壓力，除應設法減少氣體的來源外，應使鑄型具有良好的透氣性，并在遠離澆口的最高部位開設出氣口。3.1.2鑄件的收縮

鑄件在冷卻過程中，其體積或尺寸縮減的現(xiàn)象稱為收縮，它是鑄造合金的物理本性。收縮給鑄造工藝帶來許多困難，是多種鑄造缺陷(縮孔、縮松、裂紋、變形等)產生的根源。

金屬從液態(tài)冷卻到室溫要經(jīng)歷三個相互聯(lián)系的收縮階段，即液態(tài)收縮：從澆注溫度到凝固開始溫度(液相線溫度)間的收縮。

凝固收縮：從凝固開始溫度到凝固終止溫度(固相線溫度)間的收縮。

固態(tài)收縮：從凝固終止溫度到室溫間的收縮。合金的液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積縮小，使型腔內金屬液面下降，通常用體積收縮率來表示，它們是鑄件產生縮孔和縮松缺陷的基本原因；合金的固態(tài)收縮不僅引起合金體積上的縮減，同時，更明顯地表現(xiàn)在鑄件尺寸上的縮減，因此固態(tài)收縮常用單位長度上的收縮量(即線收縮率)來表示，它是鑄件產生內應力以致引起變形和產生裂紋的主要

原因。

1.影響收縮的因素

不同合金的收縮率不同。表3-2所示為幾種鐵碳合金的體積收縮率。表3-2幾種鐵碳合金的體積收縮率鑄件的實際收縮率與其化學成分、澆注溫度、鑄件結構和鑄型條件等有關。

2.收縮對鑄件質量的影響

1)鑄件的縮孔與縮松

液態(tài)合金在冷凝過程中，若其液態(tài)收縮和凝固收縮所縮減的容積得不到補足，則在鑄件最后凝固的部位形成一些孔洞。其中，容積較大而集中的稱縮孔(shrinkagecavity)；細小而分散的稱縮松(shrinkageporosity)，如圖3-3所示。圖3-3縮孔、縮松示意圖一般來講，純金屬和共晶合金在恒溫下結晶，鑄件由表及里逐層凝固，容易形成縮孔。縮孔常集中在鑄件的上部或厚大部位等最后凝固的區(qū)域。具有一定凝固溫度范圍的合金，凝固是在較大的區(qū)域內同時進行的，容易形成縮松。縮松常分布在鑄件壁的軸線區(qū)域及厚大部位。

縮孔和縮松會減小鑄件的有效面積，并在該處產生應力集中，降低其機械性能，縮松還可使鑄件因滲漏而報廢。因此，必須依據(jù)技術要求，采取適當?shù)墓に嚧胧┯枰苑乐?。實踐證明，只要能使鑄件實現(xiàn)順序凝固原則，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒有縮孔的致密鑄件。所謂順序凝固(progressivesolidification)，就是在鑄件上可能出現(xiàn)縮孔的厚大部位通過安放冒口等工藝措施，使鑄件遠離冒口的部位(圖3-4中Ⅰ)先凝固；然后是靠近冒口的部位(圖中Ⅱ、Ⅲ)凝固；最后才是冒口本身的凝固。按照這樣的凝固順序，先凝固部位的收縮，由后凝固部位的金屬液來補充；后凝固部位的收縮，由冒口中的金屬液來補充，從而使鑄件各個部位的收縮均能得到補充，而將縮孔轉移到冒口之中。冒口是多余部分，在鑄件清理時予以切除。圖3-4順序凝固

圖3-5冷鐵的應用為了使鑄件實現(xiàn)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3-5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。由于冷鐵加快了該處的冷卻速度，使厚度較大的凸臺反而最先凝固。由于實現(xiàn)了自下而上的定向凝固，從而防止了凸臺處縮孔、縮松的產生?？梢钥闯觯滂F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(xiàn)順序凝固，雖可有效地防止縮孔和宏觀縮松，但會耗費許多金屬和工時，加大了鑄件成本。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，這種加工工藝主要用于必須補縮的場合，如鋁青銅、鋁硅合金和鑄鋼件等。

2)鑄造內應力、變形和裂紋

鑄件在凝固之后的繼續(xù)冷卻過程中，其固態(tài)收縮若受到阻礙，鑄件內部將產生內應力(innerstress)，這些內應力有時是在冷卻過程中暫存的，有時則一直保留到室溫，后者稱為殘余內應力。鑄造內應力是鑄件產生變形和裂紋的基本原因。

按照內應力產生原因，可分為熱應力(heatstress)和機械應力(mechanicalstress)兩種。

熱應力是由于鑄件的壁厚不均勻、各部分的冷卻速度不同，以致在同一時期內鑄件各部分收縮不一致而引起的。預防熱應力的基本途徑是盡量減少鑄件各個部位間的溫度差，使其均勻地冷卻。為此，可將澆口開在薄壁處，使薄壁處鑄型在澆注過程中的升溫較厚壁處高，因而可補償薄壁處的冷速快的現(xiàn)象。有時為增快厚壁處的冷速，還可在厚壁處安放冷鐵(圖3-6)，這種采用同時凝固(simultaneoussolidification)的工藝原則可減少鑄造內應力，防止鑄件的變形和裂紋缺陷，同時也可免設冒口而省工省料。其缺點是鑄件心部容易出現(xiàn)縮孔或縮松。同時凝固原則主要用于灰鑄鐵、錫青銅等。這是由于灰鑄鐵的縮孔、縮松傾向小，而錫青銅傾向于糊狀凝固，采用定向凝固也難以有效消除其顯微縮松缺陷。圖3-6鑄件的同時凝固原則示意機械應力是合金的固態(tài)收縮受到鑄型或型芯的機械阻礙而形成的內應力，如圖3-7所示。機械應力使鑄件產生暫時性的正應力或剪切應力，這種內應力在鑄件落砂之后便可自行消除。但它在鑄件冷卻過程中可與熱應力共同起作用，增大了某些部位的應力，促進了鑄件的裂紋傾向。圖3-7機械應力具有殘余內應力的鑄件是不穩(wěn)定的，它將自發(fā)地通過變形來減緩其內應力，以便趨于穩(wěn)定狀態(tài)。為防止鑄件產生變形，除在鑄件設計時盡可能使鑄件的壁厚均勻、形狀對稱外，在鑄造工藝上應采用同時凝固原則，以便冷卻均勻。對于長而易變形的鑄件，還可采用“反變形”工藝。反變形法是在統(tǒng)計鑄件變形規(guī)律的基礎上，在模樣上預先作出相當于鑄件變形量的反變形量，以抵消鑄件的變形。當鑄造內應力超過金屬的強度極限時，將產生裂紋。裂紋是鑄件的嚴重缺陷，大多數(shù)會使鑄件報廢。裂紋(crack)可分成熱裂和冷裂兩種。

熱裂是在高溫下形成的裂紋。其形狀特征是：縫隙寬、形狀曲折、縫內呈氧化色。實驗證明，熱裂是在合金凝固末期的高溫下形成的。因為合金的線收縮是在完全凝固之前便已開始，此時固態(tài)合金已形成完整的骨架，但晶粒之間還存有少量液體，故強度、塑性甚低，若機械應力超過了該溫度下合金的強度，便發(fā)生熱裂。另外，鑄件的結構不好，型砂或芯砂的退讓性差，合金的高溫強度低等，都使鑄件易產生熱裂紋。冷裂是在低溫下形成的裂紋。其形狀特征是：裂紋細小、呈連續(xù)直線狀，有時縫內呈輕微氧化色。冷裂常出現(xiàn)在形狀復雜工件的受拉伸部位，特別是應力集中處(如尖角、孔洞類缺陷附近)不同鑄造合金的冷裂傾向不同。如塑性好的合金，可通過塑性變形使內應力自行緩解，故冷裂傾向?。环粗?，脆性大的合金較易產生冷裂。為防止鑄件的冷裂，除應設法降低內應力外，還應控制鋼鐵中的含磷量，使其不能過高。砂型鑄造(sandcasting)就是將液態(tài)金屬澆入砂型的鑄造方法，型(芯)砂通常是由石英砂、粘土(或其他粘結材料)和水按一定比例混制而成的。型(芯)砂要具有“一強三性”，即一定的強度，透氣性、耐火性和退讓性。砂型既可用手工制造，也可用機器造型。

砂型鑄造是目前最常用、最基本的鑄造方法，其造型材料來源廣、價格低廉、所用設備簡單、操作方便靈活。砂型鑄造不受鑄造合金種類、鑄件形狀和尺寸的限制，并適合于各種生產規(guī)模。目前我國砂型鑄件約占全部鑄件產量的80%以上。3.2砂型鑄造圖3-8砂型造型基本工藝過程3.2.1砂型鑄造工藝

1.砂型鑄造工藝過程

砂型鑄造工藝過程如圖3-8所示。首先，根據(jù)零件的形狀和尺寸設計并制造出模樣和芯盒，配制好型砂和芯砂；用型砂和模樣在砂箱中制造砂型，用芯砂在芯盒中制造型芯，并把砂芯裝入砂型中，合箱即得完整的鑄型；將金屬液澆入鑄型型腔，冷卻凝固后落砂清理即得所需的鑄件。

2.砂型鑄造工藝分析

砂型鑄造工藝設計是生產鑄件的第一步，需根據(jù)零件的結構、技術要求、批量大小及生產條件等確定適宜的鑄造工藝方案，包括澆注位置和分型面的選擇、工藝參數(shù)的確定等，并將這些內容表達在零件圖上形成鑄造工藝圖。通常按以下步驟和原則進行。

1)澆注位置的選擇原則

是指澆注時鑄件在鑄型中所處的空間位置。澆注位置確定的好壞對鑄件質量有很大影響，確定時應遵循以下原則：圖3-9床身澆注位置澆注位置

(1)鑄件上的重要加工面或質量要求高的面，盡可能置于鑄型的下部或處于側立位置。因為在澆注過程中金屬液中的氣體和熔渣往上浮，且由于靜壓力的作用導致鑄件下部組織致密。圖3-9為車床床身的澆注位置，其中導軌面是關鍵部分，不允許有任何鑄造缺陷，因此采用導軌面朝下的澆注位置。

(2)將鑄件上的大平面朝下，以免在此面上出現(xiàn)氣孔和夾砂缺陷。因為在金屬液的充型過程中，灼熱的金屬液對砂型上表面產生的強烈熱輻射會使其拱起或開裂，金屬液鉆進砂型的裂縫處，致使該表面產生夾砂缺陷，如圖3-10(a)所示。圖3-10(b)所示方案可以防止這種缺陷的產生。圖3-10大平面的澆注位置

(3)有大面積薄壁的鑄件，應將其薄壁部分放在鑄型的下部或處于側立位置，以免產生澆注不足和冷隔缺陷，如圖3-11所示。

(4)為防止鑄件產生縮孔，應把鑄件上易產生縮孔的厚大部位置于鑄型頂部或側面，以便安放冒口補縮。如圖3-12中的卷揚筒，其厚端位于頂部是合理的。圖3-11箱蓋澆注位置的比較

2)分型面位置的確定原則

分型面是指上、下或左、右砂箱間的接觸表面。分型面位置確定得合理與否是鑄造工藝的關鍵，應遵循以下原則進行：

(1)盡可能將鑄件的重要加工面或大部分加工面與加工基準面放在同一砂箱內，以保證其精度。如圖3-13(a)所示，床身鑄件的頂部為加工基準面，導軌部分屬于重要加工面。若采用圖3-13(b)所示的分型方案，錯箱則會影響鑄件精度。方案(a)在凸臺處增加一外型芯，可使加工面和基準面處于同一砂箱內，保證鑄件的尺寸精度。圖3-12卷揚筒澆注圖圖3-13床身鑄件的分型方案

(2)選擇分型面應考慮方便起模和簡化造型，盡可能減少分型面數(shù)目和活塊數(shù)目，如圖3-14(d)的分型方案比較合理。此外，分型面應盡可能平直，如圖3-15(b)的分模方案，則避免了挖砂或假箱造型。

(3)分型面的選擇應盡可能減少型芯的數(shù)目，如圖3-16(a)方案的接頭內孔的形成需要型芯；方案(b)可通過自帶型芯來形成，從而省去了造芯及芯盒費用。圖3-14三通的分型面方案(a)鑄件；(b)四箱造型；(c)三箱造型；(d)兩箱造型圖3-15起重臂的分型面方案(a)不合理；(b)合理圖3-16接頭的分型面方案(4)分型面的選擇，應便于下芯、扣箱(合型)及檢查型腔尺寸等操作。如圖3-17(a)方案的分型無法檢查鑄件厚壁是否均勻；而(b)方案因增設一中箱，在扣箱前便于檢查壁厚，可保證鑄件壁厚均勻。

3)鑄造工藝參數(shù)的確定

鑄造工藝參數(shù)包括機加工余量、鑄出孔、起模斜度、鑄造圓角和鑄造收縮率等。各參數(shù)的確定方法如下：

(1)機加工余量和鑄出孔的大小。鑄件的機加工余量是指為了機械加工而增大的尺寸部分，凡是零件圖上標注粗糙度符號的表面均需考慮機加工余量，其值的大小可隨鑄件的大小、材質、批量、結構的復雜程度及該加工面在鑄型中的位置等不同而變化，如表3-3所示。

鑄件上的孔和槽鑄出與否，要根據(jù)鑄造工藝的可行性和必要性而定。一般說來，較大的孔和槽應鑄出，以減少切削工時和節(jié)約金屬材料。表3-4是鑄件的最小鑄出孔的尺寸。表3-3灰鑄鐵件的機械加工余量值(摘自JB2854)表3-4鑄件的最小鑄出孔尺寸

(2)起模斜度(或拔模斜度)。起模斜度是指在造型和制芯時，為便于把模型從傳型中或把芯子從芯盒中取出，而在模型或芯盒的起模方向上做出一定的斜度。拔模斜度一般用角度或寬度表示，其標注方法如圖3-18所示。圖3-18起模斜度起模斜度的大小取決于該垂直壁的高度和造型方法。通常隨垂直壁高度的增加，拔模斜度減??；機器造型的拔模斜度較手工造型的??；外壁的拔模斜度也小于內壁。一般拔模斜度在0.5°～5°之間。

(3)鑄造圓角。鑄造圓角是指鑄件上壁和壁的交角應做成圓弧過渡。以防止在該處產生縮孔和裂紋。鑄造圓角的半徑值一般為兩交壁平均厚度的1/3～1/2。

(4)鑄造收縮率。鑄造收縮是指金屬液澆注到鑄型后，隨溫度的下降將發(fā)生凝固所引起的尺寸縮減。這種縮減的百分率為該金屬的鑄造收縮率。制造模型或芯盒時，應根據(jù)鑄造合金收縮率將模型或芯盒放大，以保證該合金鑄件冷卻至室溫時的尺寸能符合要求。合金鑄造收縮率的大小，隨鑄造合金的種類、成分及鑄件的結構和尺寸等的不同而改變。通?；诣T鐵收縮率為0.7%～1.0%，鑄鋼為1.5%～2.0%，有色金屬合金為1.0%～1.5%。

4)砂型鑄造工藝分析實例

下面以拖拉機輪轂為例分析其鑄造工藝，如圖3-19所示。

(1)澆注位置的選擇。拖拉機輪轂的澆注位置有以下兩種方案：圖3-19拖拉機輪轂

(a)零件圖；(b)鑄造工藝圖①垂直澆注。由圖3-19(a)可以看出，輪轂上直徑為100和直徑為90的孔的表面粗糙度Ra為3.2μm；因其內部要裝軸承，對孔的尺寸精度要求也高；此外，法蘭處還需要補縮。所以應采用垂直澆注以保證其質量。

②水平澆注。水平澆注難以保證上箱即上半輪轂的質量，易產生氣孔、夾渣和砂眼等。

(2)分型面的選擇。若從法蘭的上側面分型，輪轂的絕大部分將位于下砂箱，易保證其尺寸精度，且下芯后也便于檢查壁厚均勻與否。若從過中心線的平面處分型，雖易造型、下芯和合箱，但難免產生錯箱缺陷，使輪轂的尺寸和形狀精度難以保證。

經(jīng)分析比較得出，選擇垂直澆注、沿法蘭上側面處分型易保證輪轂質量。3.2.2砂型鑄造方法

1.手工造型

1)手工造型工具

手工造型(handmoulding)常用工具如圖3-20所示。其中，墁刀用于修平面及挖溝槽，秋葉用于修凹的曲面，砂勾用于修深的底部或側面及鉤出砂型中散砂。圖3-20手工造型常用工具(a)搗砂錘；(b)直澆道棒；(c)通氣針；(d)起模針；(e)墁刀；(f)秋葉；(g)砂勾；(h)皮老虎

2)手工造型方法

手工造型的方法很多，按模樣特征可分為：整模造型、分模造型、活塊造型、刮板造型、假箱造型和挖砂造型等；按砂箱特征可分為：兩箱造型、三箱造型、地坑造型、脫箱造型等。

造型方法的選擇具有較大的靈活性，一個鑄件往往可用多種方法造型，應根據(jù)鑄件結構特點、形狀和尺寸、生產批量及車間具體條件等進行分析比較，以確定最佳方案。表3-5為各種手工造型方法的特點和適用范圍。表3-5各種手工造型方法的特點和適用范圍

2.機器造型

機器造型(machinemoulding)是用機器來完成填砂、緊實和起模等造型的操作過程，是現(xiàn)代化鑄造車間的基本造型方法。與手工造型相比，機器造型可以提高生產率和鑄型質量，減輕勞動強度，但設備及工裝模具投資較大，生產準備周期較長，主要用于成批、大量生產。

機器造型按緊實方式的不同分壓實造型、震擊造型、拋砂造型和射砂造型四種。

1)壓實造型

壓實造型利用壓頭的壓力將砂箱內的型砂緊實，圖3-21為其示意圖。圖3-21壓實造型示意圖(a)壓實前；(b)壓實后先將型砂填入砂箱和輔助框中，然后壓頭向下將型砂緊實。輔助框是用來補償緊實過程中砂柱被壓縮的高度。壓實造型生產率較高，但砂型沿砂箱高度H方向的緊實度不夠均勻，一般越接近模底板，緊實度越差。因此，這種方式只適于高度不大的砂箱。

2)振擊造型

振擊造型利用振動和撞擊力對型砂進行緊實，如圖3-22所示。砂箱填砂后，振擊活塞將工作臺連同砂箱舉起一定高度，然后下落，與缸體撞擊，依靠型砂下落時的沖擊力產生緊實作用，砂型緊實度δ分布規(guī)律與壓實造型相反，愈接近模底板緊實度δ愈高。因此，振擊造型常與壓實造型聯(lián)合使用，以便型砂緊實度分布更加均勻。圖3-22振擊造型示意圖(a)振擊前；(b)振擊后

3)拋砂造型

圖3-23所示為拋砂機的工作原理。拋砂頭轉子上裝有葉片，型砂由皮帶輸送機連續(xù)地送入，高速旋轉的葉片接住型砂，并分成一個個砂團，當砂團隨葉片轉到出口處時，由于離心力的作用，以高速拋入砂箱，同時完成填砂和緊實。

4)射砂造型

射砂緊實多用于制芯。圖3-24為射芯機工作原理，由儲氣筒中迅速進入到射膛的壓縮空氣，將型芯砂由射砂孔射入芯盒的空腔中，而壓縮空氣經(jīng)射砂板上的排氣孔排出，射砂過程是在較短的時間內同時完成填砂和緊實，故生產率極高。圖3-23拋砂緊實原理圖圖3-24射砂機工作原理圖3.3.1熔模鑄造

熔模鑄造(lostwaxcasting)是用易熔材料制成模樣，造型之后將模樣熔化，排出型外，從而獲得無分型面的型腔。由于熔模廣泛采用蠟質材料制成，又常稱“失蠟鑄造”。這種鑄造方法能夠獲得具有較高精度和表面質量的鑄件，故有“精密鑄造”之稱。

3.3特種鑄造

1.基本工藝過程

熔模鑄造的工藝過程如圖3-25所示。主要包括蠟模制造、結殼、脫蠟、焙燒和澆注等過程。

1)蠟模制造

通常根據(jù)零件圖制造出與零件形狀尺寸相符合的模具(稱壓型)，把熔化成糊狀的蠟質材料壓入壓型，等冷卻凝固后取出，就得到蠟模。在鑄造小型零件時，常把若干個蠟模粘合在一個澆注系統(tǒng)上，構成蠟模組，以便一次澆出多個鑄件。

2)結殼

把蠟模組放入粘結劑和石英粉配制的涂料中浸漬，使涂料均勻地覆蓋在蠟模表層，然后在上面均勻地撒一層石英砂，再放入硬化劑中硬化。如此反復4～6次，最后在蠟模組外表形成由多層耐火材料組成的堅硬的型殼。

3)脫臘

通常將附有型殼的蠟模組浸入85～95℃的熱水中，使蠟料熔化并從型殼中脫除，以形成型腔。

4)焙燒和澆注

型殼在澆注前，必須在800～950℃下進行焙燒，以徹底去除殘蠟和水分。為了防止型殼在澆注時變形或破裂，可將型殼排列于砂箱中，周圍用干砂填緊。焙燒后通常趁熱(600～700℃)進行澆注，以提高充型能力。圖3-25熔模鑄造的工藝過程(a)壓型；(b)注蠟；(c)單個蠟模；(d)蠟模組；(e)結殼；(f)脫蠟、焙燒；(g)填砂、澆注

2．熔模鑄造的特點和應用

熔模鑄件精度高，表面質量好，可鑄出形狀復雜的薄壁鑄件，大大減少機械加工工時，顯著提高金屬材料的利用率。

熔模鑄造的型殼耐火性強，適用于各種合金材料，尤其適用于那些高熔點合金及難切削加工合金的鑄造。并且生產批量不受限制，單件、小批、大量生產均可。

但熔模鑄造工序繁雜，生產周期長，鑄件的尺寸和重量受到限制(一般不超過25kg)。主要用于成批生產形狀復雜、精度要求高或難以進行切削加工的小型零件，如汽輪機葉片和葉輪、大模數(shù)滾刀等。3.3.2金屬型鑄造

金屬型鑄造(metal-impressioncasting)是將液態(tài)金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的鑄造方法。由于金屬型可重復使用，所以又稱永久型鑄造(permanent-impressioncasting)。

1．金屬型的結構及其鑄造工藝

根據(jù)鑄件的結構特點，金屬型鑄造有多種。金屬型一般用鑄鐵制成，也可采用鑄鋼。鑄件的內腔可用金屬型芯或砂型來形成，其中金屬型芯用于非鐵金屬件。為使金屬型芯能在鑄件凝固后迅速從內腔中抽出，金屬型還常設有抽芯機構。對于有側凹的內腔，為使型芯得以取出，金屬型芯可由幾塊組合而成。圖3-26為鑄造鋁活塞金屬型典型結構簡圖。由圖3-26可見，它是垂直分型和水平分型相結合的復合結構，其左、右兩半型用鉸鏈相聯(lián)接，以開、合鑄型。由于鋁活塞內腔存有銷孔內凸臺，整體型芯無法抽出，故采用組合金屬型芯。澆注之后，先抽出5，然后在取4和6。金屬型導熱快，無退讓性和透氣性，鑄件容易產生澆不足、冷隔、裂紋、氣孔等缺陷。此外，在高溫金屬液的沖刷下，型腔易損壞。為此，需要采取如下工藝措施：通過澆注前預熱，澆注過程中適當冷卻等措施，使金屬型在一定的溫度范圍內工作，型腔內涂以耐火涂料，以減慢鑄型的冷卻速度，并延長鑄型壽命；在分型面上做出通氣槽、出氣口等，以利于氣體的排出；掌握好開型時間以利于取件和防止鑄鐵件產生白口。圖3-26金屬型鑄造

2．金屬型鑄造的特點及應用

金屬型“一型多鑄”，工序簡單，生產率高，勞動條件好。金屬型內腔表面光潔，剛度大，因此，鑄件精度高，表面質量好。金屬型導熱快，鑄件冷卻速度快，凝固后鑄件晶粒細小，從而提高了鑄件的機械性能。但是金屬型的成本高，制造周期長，鑄造工藝規(guī)程要求嚴格，鑄鐵件還容易產生白口組織。因此，金屬型鑄造主要適用于大批量生產形狀簡單的有色合金鑄件，如鋁活塞、汽缸體、缸蓋、油泵殼體，以及銅合金軸瓦、軸套等。3.3.3壓力鑄造

壓力鑄造(pressurecasting)是將熔融的金屬在高壓下，快速壓入金屬型，并在壓力下凝固，以獲得鑄件的方法。壓力鑄造通常在壓鑄機上完成。

1．壓力鑄造的工藝過程

圖3-27為立式壓鑄機工作過程示意圖。合型后，用定量勺將金屬液注入壓室中，如圖3-27(a)所示，壓射活塞向下推進，將金屬液壓入鑄型，如圖3-27(b)所示；金屬凝固后，壓射活塞退回，下活塞上移頂出余料，動型移開，頂桿頂出鑄件，如圖3-27(c)、(d)所示。圖3-27壓鑄機工作過程示意圖

2．壓力鑄造的特點及應用

壓力鑄造在高速、高壓下成型，可鑄出形狀復雜、輪廓清晰的薄壁鑄件。鑄件的尺寸精度高，表面質量好，一般不需機加工可直接使用，而且組織細密，機械性能高。在壓鑄機上生產，生產率高，勞動條件好。但是，壓鑄設備投資大，壓型制造費用高，周期長，壓型工作條件惡劣，易損壞。因此，壓力鑄造主要用于大量生產低熔點合金的中小型鑄件，在汽車、拖拉機、航空、儀表、電器、紡織、醫(yī)療器械、日用五金及國防等生產領域獲得廣泛的應用。3.3.4低壓鑄造

低壓鑄造(lowpressurecasting)是介于金屬型鑄造和壓力鑄造之間的一種鑄造方法。該方法是在較低的壓力下，將金屬液注入型腔，并在壓力下凝固，以獲得鑄件。如圖3-28所示，在一個密閉的保溫坩堝中，通入壓縮空氣，使坩堝內的金屬液在氣體壓力下，從升液管內平穩(wěn)上升充滿鑄型，并使金屬在壓力下結晶。當鑄件凝固后，撤消壓力，于是，升液管和澆口中尚未凝固的金屬液在重力作用下流回坩堝。最后開啟鑄型，取出鑄件。低壓鑄造充型時的壓力和速度容易控制，充型平穩(wěn)，對鑄型的沖刷力小，故可適用于各種不同的鑄型；金屬在壓力下結晶，而且澆口有一定補縮作用，故鑄件組織致密，機械性能高。另外，低壓鑄造設備投資較少，便于操作，易于實現(xiàn)機械化和自動化。因此，低壓鑄造廣泛用于大批量生產鋁合金和鎂合金鑄件，如發(fā)動機的缸體和缸蓋、內燃機活塞、帶輪、粗紗綻翼等、也可用于球墨鑄鐵、銅合金等較大鑄件的生產。圖3-28低壓鑄造3.3.5離心鑄造

離心鑄造(centrifugalcasting)是將熔融金屬澆入高速旋轉的鑄型中，使其在離心力作用下填充鑄型和結晶從而獲得鑄件的方法，如圖3-29所示。圖3-29離心鑄造示意圖(a)立式；(b)臥式離心鑄造不用型芯，不需要澆冒口，工藝簡單，生產率和金屬的利用率高，成本低，在離心力作用下，金屬液中的氣體和夾雜物因比重小而集中在鑄件內表面，金屬液自外表面向內表面順序凝固，因此鑄件組織致密，無縮孔、氣孔、夾渣等缺陷，機械性能高，而且提高了金屬液的充型能力。但是，利用自由表面所形成的內孔，尺寸誤差大，內表面質量差，且不適于比重偏析大的合金。目前主要用于生產空心回轉體鑄件，如鑄鐵管、氣缸套、活塞環(huán)及滑動軸承等，也可用于生產雙金屬鑄件。3.3.6鑄造方法的選擇

每種鑄造方法均有其優(yōu)缺點，選用哪種鑄造方法，必須依據(jù)生產的具體特點來定，既要保證產品質量，又要考慮產品的成本和現(xiàn)場設備、原材料供應情況等，要進行全面分析比較，以選定最適當?shù)蔫T造方法。表3-6列出了幾種常用的鑄造方法，供選擇時參考。表3-6幾種常用鑄造方法的比較1.從簡化鑄造工藝過程分析

為簡化造型、制芯及工裝制造工作量，便于下芯和清理，對鑄件結構有如下要求：

1)鑄件外形

鑄件外形雖然可以很復雜，但在滿足零件使用要求的前提下，應盡量簡化外形，減少分型面，以便于造型，獲得優(yōu)質鑄件。圖3-30為端蓋鑄件的兩種結構，其中(a)由于上面為凸緣法蘭，因此要設兩個分型面，必須采用三箱造型，使造型工藝復雜。若改為圖(b)的設計，即取消了法蘭凸緣，使鑄件有一個分型面，簡化了造型工藝。3.4鑄件結構工藝性圖3-30端蓋鑄件結構鑄件上的凸臺，加強筋等要方便造型，盡量避免使用活塊。圖3-31(a)所示的凸臺通常采用活塊(或外壁型芯才能起模)，如改為圖中3-31(b)的結構可避免活塊。

分型面盡量平直，去除不必要的圓角。圖3-32(a)所示的托架給分型面上加了圓角，結果只得采用挖砂(或假箱)造型，若改為圖3-32(b)所示結構，可采用整模造型，簡化造型過程。圖3-31凸臺的設計((圖3-32托架鑄件

2)鑄件內腔結構

鑄件的內腔結構應符合鑄造工藝要求，通常采用型芯來形成，這將延長生產周期，增加成本。因此，設計鑄件結構時，應盡量不用或少用型芯。圖3-33為懸臂支架的兩種設計方案，圖(a)采用方形空心截面，需用型芯，而圖(b)改為工字形截面，可省掉型芯。

在必須采用型芯的情況下，應盡量做到便于下芯、安裝、固定以及排氣和清理。如圖3-34所示的軸承架鑄件，圖(a)的結構需要兩個型芯，其中大的型芯呈懸臂狀態(tài)，裝配時必須用型芯撐輔助支撐，若改為圖(b)結構，成為一個整體型芯，其穩(wěn)定性大大提高，并便于安裝，易于排氣和清理。圖3-33懸臂支架圖3-34軸承架鑄件

3)鑄件的結構斜度

鑄件上垂直于分型面的不加工面最好具有一定的結構斜度，以利于起模，同時便于用砂垛代替型芯(稱為自帶型芯)，以減少型芯數(shù)量。圖3-35中，(a)、(b)、(c)、(d)各件不帶結構斜度，不便起模，應相應改為(e)、(f)、(g)、(h)所示的帶一定斜度的結構。對不允許有結構斜度的鑄件，應在模樣上留出拔模斜度。圖3-35結構斜度的設計

2.從避免產生鑄造缺陷分析

鑄件的許多缺陷，如縮孔、縮松、裂紋、變形、澆注不足、冷隔等，有時是由于鑄件結構不合理而引起的。因此，設計鑄件結構應考慮如下幾個方面。

1)壁厚應合理

為了防止產生冷隔、澆注不足或白口等缺陷，各種不同的合金鑄件大小、鑄造方法不同，其最小壁厚應受到限制。

從細化結晶組織和節(jié)省金屬材料考慮，應在保證不產生其他缺陷的前提下，盡量減小鑄件壁厚。為了保證鑄件的強度，可采用加強筋等結構。圖3-36為臺鉆底板設計中采用加強筋的例子，采用加強筋后可避免鑄件厚大截面，防止某些鑄造缺陷的產生。圖3-36加強筋設計(a)原板結構；(b)筋板結構；(c)直方格形；(d)交錯方格形

2)鑄件壁厚應力求均勻

鑄件壁厚應力求均勻，減少厚大部分，可防止形成熱節(jié)而產生縮孔、縮松、晶粒粗大等缺陷，并能減少鑄造熱應力，以及因此而產生的變形和裂紋等缺陷。圖3-37所示為頂蓋鑄件的兩種壁厚設計，圖(a)在厚壁處產生縮孔、在過渡處易產生裂紋，若改為圖(b)，則可防止上述缺陷的產生。鑄件上的筋條分布應盡量減少交叉，以防形成較大的熱節(jié)。如圖3-38所示，若將圖(a)交叉接頭改為圖(b)交錯接頭結構，或采用圖(c)的環(huán)形接頭，則可以減少金屬的積聚，避免縮孔、縮松缺陷的產生。圖3-38筋條的分布(a)交叉接頭；(b)交錯接頭；(c)環(huán)狀接頭

3)鑄件壁的連接應合理

鑄件不同壁厚的連接應逐漸過渡和轉變(圖3-39)，拐彎和交接處應采用較大的圓角連接(圖3-40)，避免銳角連接(圖3-41)，以避免因應力集中而產生開裂。圖3-39不同壁厚的連接

(a)不合理；(b)合理圖3-40圓角連接(a)尖角連接；(b)圓角連接

圖3-41避免銳角連接

(a)銳角連接；(b)銳、直角過渡連接

4)應避免較大水平面

鑄件上水平方向的較大平面在澆注時，金屬液面上升較慢，長時間烘烤鑄型表面，容易使鑄件產生夾砂、澆注不足等缺陷，也不利于夾渣、氣體的排除，因此，應盡量用傾斜結構代替過大水平面，如圖3-42所示。

3.鑄件結構要便于后續(xù)加工

圖3-43所示為電機端蓋鑄件，原設計圖3-43(a)不便于裝夾，改為圖3-43(b)所示帶工藝搭子的結構，能在一次裝夾中完成軸孔d和定位環(huán)D的加工，并能較好地保證其同軸度要求。圖3-42避免較大水平面(a)不合理；(b)合理圖3-43端蓋設計(a)原設計；(b)加工藝搭子后

4.組合鑄件的應用

對于大型或形狀復雜的鑄件，可采用組合結構，即先設計成若干個小鑄件進行生產，切削加工后，用螺栓聯(lián)接或焊接成整體。可簡化鑄造工藝，便于保證鑄件質量。圖3-44為組合結構鑄件示意圖。

鑄件結構工藝性內容豐富，以上原則都離不開具體的生產條件，在設計鑄件結構時，應善于從生產實際出發(fā)，具體分析，靈活運用這些原則。圖3-44組合結構鑄件(a)坐標鏜床床身；(b)水壓機工作缸3.5.1鑄鐵件的鑄造

鑄鐵之所以被廣泛用來生產鑄件，與其鑄造性能良好，而且易于切削是分不開的。它適宜于制造形狀復雜的鑄件，產量約占鑄件總產量的80%。

鑄鐵因其中碳的存在形式不同而分為不同類型的鑄鐵。白口鑄鐵中的碳以化合態(tài)(Fe3C)存在，灰口鑄鐵中的碳以游離態(tài)(石墨)存在，而麻口鑄鐵中的碳同時以上述兩種形式存在。其中，灰口鑄鐵根據(jù)石墨形狀的不同又有片狀石墨灰鑄鐵、球狀石墨球墨鑄鐵、團絮狀石墨可鍛鑄鐵和蠕蟲狀石墨蠕墨鑄鐵之分。3.5常用合金鑄件的鑄造

1．灰鑄鐵

按照鐵水的處理方法不同，灰鑄鐵件可分為普通灰鑄鐵件和孕育灰鑄鐵件兩類。鐵水不經(jīng)任何處理、直接進行澆注獲得的灰鑄鐵件是普通灰鑄鐵件；在澆注前，鐵水需要孕育處理再進行澆注獲得的灰鑄鐵件是孕育鑄鐵件或變質鑄鐵件。

(1)普通灰鑄鐵件，又稱低強度灰鑄鐵件。普通灰鑄鐵件的鐵水不經(jīng)任何處理，出爐后直接進行澆注。如HT100和HT150就屬于這類。它們的碳、硅含量較高，碳質量分數(shù)為

3.0%～3.7%、含硅量為1.8%～2.4%；壁厚敏感性(指隨鑄件壁厚的增大，因石墨片粗大使強度降低的現(xiàn)象)大，如表3-7所示。普通灰鑄鐵材質只適合制造受力較小、形狀較復雜的中、小鑄件，如機座、泵殼、箱體等，不宜用來制造厚壁鑄件。

(2)孕育鑄鐵件，又稱高強度灰鑄鐵件。為改善鑄鐵中石墨片的形狀、數(shù)量、大小和分布情況，生產上常進行孕育處理。與普通灰鑄鐵件相比，孕育鑄鐵件的壁厚敏感性小，如表3-7所示，只是澆注前鐵水需要孕育處理。牌號為HT200～HT350的灰鑄鐵件均是孕育鑄鐵件，其組織特點是細小珠光體基體上分布著均勻、細小的石墨片，使鑄鐵件的強度和硬度明顯提高，但塑性和韌性仍然很差。表3-7孕育鑄鐵和普通灰鑄鐵壁厚敏感性比較孕育鑄鐵件的組織和性能均勻性好，如圖3-45所示，即灰鑄鐵件牌號愈高，其截面組織、性能的齊一性愈好。所以高牌號鑄鐵材質更適宜于生產厚壁鑄件。由于其強度、塑性、韌性比普通灰鑄鐵高，因此常用作汽缸、曲軸、凸輪軸等較重要的零件。此外，孕育鑄鐵材質還適合于制造承受較小的動載荷、較大的靜載荷、耐磨性好和有一定減振性的鑄件，如機床的床身。圖3-45孕育鑄鐵和灰鑄鐵截面上硬度的分布孕育處理(inoculation)是指鑄鐵件在澆注前，往鐵水中加入少量(鐵水總重量的4%左右)顆粒狀或粉末狀的孕育劑(如硅鐵、硅鈣合金)進行孕育(變質)處理，使鑄鐵在凝固過程中產生大量的人工晶核，以促進石墨的形核和結晶，以達增加鑄鐵的結晶晶核數(shù)目和細化共晶團或石墨的目的，從而獲得細小珠光體基體上分布有少量細小、均勻分布的石墨片組織。孕育處理時應注意以下幾方面，即原鐵水中的碳、硅含量要低一些(碳含量為2.8%～3.2%，硅含量為1.0%～2.0%)，厚壁鑄件取下限，薄壁鑄件取上限；鐵水的出爐溫度較高，為1420～1450℃，這是因為低碳鐵水的流動性差，且進行孕育處理也會降低鐵水溫度；一般選用含硅75%的硅鐵作孕育劑；孕育方法是采用出鐵槽內沖入法，即將硅鐵孕育劑均勻地加入到?jīng)_天爐的出鐵槽，當鐵水出爐時將其沖入鐵水包，經(jīng)攪拌、扒渣后便可進行澆注。該方法的缺點是孕育劑的加入量大、且在處理完的15～20min內要盡快澆注，否則會出現(xiàn)孕育衰退現(xiàn)象，即隨孕育處理后時間的延續(xù)孕育效果逐漸衰減。

2．可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵實際上并不可以接受鍛造，它只是具有一定塑性和韌性而已。可鍛鑄鐵是白口鑄鐵毛坯在長時間石墨化退火處理后獲得的石墨呈團絮狀的鑄鐵。在球墨鑄鐵出現(xiàn)以前，它是機械性能最好的一種鑄鐵。

(1)可鍛鑄鐵的生產特點?？慑戣T鐵的生產分兩步進行：第一步是先鑄出白口鑄鐵毛坯，即采用碳、硅含量都低的鐵水，以保證獲得全白口的毛坯，所以可鍛鑄鐵的成分為wC＝2.4%～2.8%、wSi＜1.4%、wMn＞0.5%～0.7%、wS＜0.2%、wP＜0.1%；第二步是進行石墨化退火，這是制造可鍛鑄鐵最主要的過程。通常，黑心可鍛鑄鐵要進行兩個階段的石墨化退火，即先將白口毛坯加熱到950℃以上保溫約30h，獲得奧氏體加團絮狀石墨；當冷卻至710～730℃時保溫20h，使共析滲碳體全部分解成石墨；隨爐冷至500～600℃時出爐空冷。它的整個退火周期為40～70h，珠光體可鍛鑄鐵件的退火只需進行第一階段的石墨化，即將白口鑄鐵毛坯加熱到950℃以上保溫30h后，隨爐冷至820～840℃時出爐空冷。

(2)可鍛鑄鐵的鑄造性能?？慑戣T鐵的流動性較差，應適當提高鐵水的出爐溫度以防止產生冷隔和澆不足缺陷。此外，可鍛鑄鐵的體收縮和線收縮都較大，因為其鑄態(tài)組織為白口，沒有石墨化膨脹，極易形成縮孔和縮松缺陷。因此，應設置冒口和冷鐵使之實現(xiàn)順序凝固。

3.球墨鑄鐵

球墨鑄鐵是在20世紀40年代發(fā)展起來的一種鑄鐵，它的石墨呈球狀。

1)球墨鑄鐵件的生產特點

球墨鑄鐵件有如下生產特點：

(1)嚴格控制鐵水化學成分。球墨鑄鐵的鐵水中，碳、硅含量比灰鑄鐵的高。因為球墨鑄鐵中的石墨呈球狀，其數(shù)量的多少對鑄鐵機械性能的影響已不明顯。確定高碳及硅的含量主要是從改善鑄造性能和球化效果出發(fā)的。碳含量控制在共晶點附近。為提高塑性和韌性，球墨鑄鐵對錳、磷和硫的含量限制更低，錳不超過0.4%～0.6%；磷應小于0.1%；硫限制在0.06%以下。

(2)鐵水出爐溫度較高。球墨鑄鐵要進行球化處理和孕育處理，鐵水溫度因此會下降50～100℃，所以鐵水出爐溫度應高于1400～1420℃。

(3)需要進行球化和孕育處理。

①球化劑和孕育劑。球化劑是指能使石墨呈球狀析出的添加劑。我國常用稀土鎂合金作球化劑。球化后應進行孕育處理，其目的是消除球化元素所造成的白口傾向，促進石墨化，增加共晶團數(shù)目并使石墨球圓整和細小，最終使球鐵的機械性能提高。球墨鑄鐵常用的孕育劑也是75%的硅鐵。②球化及孕育方法。最常用的球化方法是沖入法，如圖3-46所示，即先將球化劑放入鐵水包的堤壩內，并在上面覆蓋硅鐵粉和稻草灰，以防球化劑在沖入鐵水時上浮。此外，還有型內球化法，如圖3-47所示，即把球化劑置于鑄型的反應室，澆注時鐵水流經(jīng)反應室時先與球化劑作用，再進入型腔。這種方法的優(yōu)點是可防止球化衰退、球化劑用量少且獲得的石墨球細小，只是反應室的設計和澆注系統(tǒng)的擋渣措施較復雜。圖3-46沖入法球化處理圖3-47型內球化法

(4)球墨鑄鐵的熱處理。一般在球墨鑄鐵進行熱處理時，不同牌號的球墨鑄鐵需要進行不同的熱處理。退火能使珠光體中的滲碳體分解成為鐵素體，主要用于牌號為QT400-18和QT450-10球墨鑄鐵的生產；正火可增加珠光體量、提高球墨鑄鐵的強度、硬度及耐磨性，用于生產QT600-3、QT700-2和QT800-2球墨鑄鐵正火后應馬上進行回火以減小應力；調質可提高球鐵的綜合機械性能。用于制造性能要求較高或截面較大的鑄件如大型曲軸和連桿；等溫淬火可以獲得高強度、有一定塑性及韌性的貝氏體球墨鑄鐵，用于生產牌號為QT900-2的球墨鑄鐵。

2)球墨鑄鐵的鑄造工藝特點

球墨鑄鐵的鑄造性能介于灰鑄鐵與鑄鋼之間，其鑄造工藝有如下特點：

(1)球墨鑄鐵的流動性較差。由于球墨鑄鐵的球化和孕育處理使鐵水的溫度下降較多，易產生澆注不足和冷隔缺陷，因此球墨鑄鐵應提高澆注溫度或采用較大截面澆注系統(tǒng)以提高澆注速度。

(2)球墨鑄鐵的收縮與鑄型剛度有關。因為球墨鑄鐵的結晶溫度范圍寬，在澆入鑄型后的一段時間內不能形成堅固的外殼，球狀石墨析出引起的膨脹力卻很大，所以鑄型的剛度不足以使鑄件外殼向外脹大，造成鑄件最后凝固的部位產生縮孔和縮松，如圖3-48所示。因此，可采取如下措施來防止縮孔和縮松：采用冒口和冷鐵使球鐵鑄件實現(xiàn)順序凝固；增加砂型緊實度，或采用干型、水玻璃快干型，以防止鑄件外形脹大；采用半封閉式澆注系統(tǒng)、過濾球墨鑄鐵件產生夾渣(MgS、MgO)和皮下氣孔缺陷集渣包等擋渣措施，防止球墨鑄鐵件產生夾渣和皮下氣孔缺陷。圖3-48球墨鑄鐵件縮孔和縮松的形成

4．蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是在球墨鑄鐵之后發(fā)展起來的鑄鐵，其石墨形態(tài)介于片狀和球狀之間，呈蠕蟲狀。所以蠕墨鑄鐵在性能上同時具有灰鑄鐵和球墨鑄鐵的一系列優(yōu)點，可用來代替高強度灰鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵生產一些大型復雜件，如大型柴油機的機體和大型機床的立柱等。蠕墨鑄鐵件的制造與球墨鑄鐵件類似：澆注前鐵水應進行蠕化和孕育處理。蠕化處理是采用沖入法把蠕化劑加進鐵水。我國多用稀土合金，如稀土硅鐵合金和稀土硅鈣合金等；國外則多用鎂合金作蠕化劑。需指出的是，蠕墨鑄鐵的研究和應用時間不長，還存在蠕化劑加入量不易把握，造成鑄件報廢的問題。

5．鑄鐵的熔煉

鑄鐵的熔煉是為獲得成分和溫度合格的鐵水。熔煉設備有很多，如沖天爐、反射爐、電弧爐和感應爐等，但以沖天爐應用最多。沖天爐熔煉時以焦炭作燃料，石灰石等作熔劑，以生鐵、廢鋼、鐵合金等為金屬爐料。金屬爐料從加料口進入沖天爐，在迎著上升的高溫爐氣下落的過程中，逐漸被加熱。當被加熱到1100～1200℃時，金屬爐料開始熔化變成鐵水。鐵水經(jīng)爐內過熱區(qū)進一步加熱，最后進入爐缸或前爐待用。3.5.2鑄鋼件的鑄造

對于強度、塑性和韌性等性能要求高的零件應采用鑄鋼制造。鑄鋼件的產量僅次于鑄鐵，約占鑄件總產量的15%。按照成分鑄鋼可分為碳素鋼和合金鋼兩類，而且碳素鋼用得最多，約占鑄鋼產量的80%以上。

1．碳素鑄鋼

由于含碳量的不同，各種碳素鑄鋼的鑄造性能及力學性能有很大差異，適用于不同的零件。

(1)低碳鑄鋼。低碳鑄鋼(如ZG15)的熔點較高、鑄造性能差，僅用于制造電機或滲碳零件。

(2)中碳鑄鋼。中碳鑄鋼(如ZG25～ZG45)的綜合性能高于各類鑄鐵，如強度高、塑性和韌性優(yōu)良，因此適用于制造形狀復雜、強度和韌性要求高的零件如火車車輪、鍛錘機架和砧座等，是應用最多的一類碳素鑄鋼。

(3)高碳鑄鋼。高碳鑄鋼(如ZG55)的熔點低、塑性和韌性較差，僅用于制造少量的耐磨件。

2．合金鑄鋼

根據(jù)合金元素的多少，合金鑄鋼分為低合金鑄鋼和高合金鑄鋼兩大類：

(1)低合金鑄鋼。低合金鑄鋼在我國應用最多的是錳系、錳硅系及鉻系等，如ZG40Mn、ZG30MnSi1、ZG30CrlMnSi1等。這類合金鑄鋼主要用來制造齒輪、水壓機工作缸和水輪機轉子等零件。而ZG40Cr1常用來制造高強度齒輪和高強度軸等重要受力零件。

(2)高合金鑄鋼。高合金鑄鋼具有耐磨、耐熱或耐腐蝕等特殊性能。如高錳鋼ZGMn13，是一種抗磨鋼，主要用于制造在干摩擦工作條件下使用的零件，如挖掘機的抓斗前壁和抓斗齒、拖拉機和坦克的履帶等；鉻鎳不銹鋼ZG1Crl8Ni9和鉻不銹鋼ZG1Cr13、ZGCr28等，對硝酸的耐腐蝕性很高，主要用于制造化工、石油、化纖和食品等設備上的零件。

3.鑄鋼的鑄造工藝特點

鑄鋼的熔點較高，鋼液易氧化，鋼水的流動性差，收縮大：體收縮率為10%～14%，線收縮為1.8%～2.5%。所以鑄鋼的鑄造性能比鑄鐵差，必須采取如下一些工藝措施。

(1)鑄鋼件的壁厚不能小于8mm，以防止產生冷隔和澆注不足等缺陷；澆注系統(tǒng)的結構應力求簡單，且截面尺寸比鑄鐵的大；應采用干鑄型或熱鑄型，并適當提高澆注溫度(1520～1600℃)，以改善流動性。

(2)由于鑄鋼的收縮大大超過鑄鐵，在鑄造工藝上應采用冒口、冷鐵和補貼等工藝措施，以實現(xiàn)順序凝固，如圖3-49所示的大型鋼齒輪。

(3)對薄壁或易產生裂紋的鑄鋼件，一般采用同時凝固原則。如圖3-50所示，開設足夠多的內澆口可使鋼液迅速、均勻地充滿鑄型。此外，在設計鑄鋼件的結構時，還應使其壁厚均勻，避免尖角和直角結構，以防產生縮孔、縮松和裂紋缺陷。也可在型砂中加鋸末，在芯砂中加焦炭，采用空心型芯和油砂芯來改善砂型或型芯的退讓性和透氣性，減少裂紋。

(4)由于鑄鋼的熔點高，鑄鋼件極易產生粘砂缺陷。因此應采用耐火度高的人造石英砂制作鑄型，并在鑄型表面涂刷石英粉或鋯砂制得的涂料。

(5)為減少氣體來源或提高鋼水流動性和鑄型強度，鑄型多用干型或快干型，如用CO2硬化的水玻璃砂型。圖3-49鑄鋼齒輪鑄造工藝圖3-50薄壁鑄鋼件的澆注系統(tǒng)

4．鑄鋼件的熱處理

鑄鋼件均需經(jīng)過熱處理后才能使用。因為在鑄態(tài)下的鑄鋼件內部存在氣孔、裂紋、縮孔和縮松。晶粒粗大、組織不均及殘余內應力等缺陷大大降低了其力學性能，尤其是塑性和韌性。因此鑄鋼件必須進行正火或退火。由于正火處理會引起較大應力，所以只適用于碳質量分數(shù)小于0.35%?的鑄鋼件。因其塑性好，冷卻時不易開裂。正火后的鑄鋼件應進行高溫回火以降低內應力；對于碳質量分數(shù)大于或等于0.35%的以及結構較復雜或易產生裂紋的鑄鋼件，只能進行退火處理。注意，鑄鋼件不宜淬火，否則會開裂。

5．鑄鋼的熔煉

鑄鋼常用平爐、電弧爐和感應爐等熔煉。平爐的特點是容量大、可用廢鋼作原料、可準確控制鋼的成分，多用于熔煉質量要求高的、大型鑄鋼件用鋼液。電弧爐指三相電弧爐，其優(yōu)點是開爐和停爐操作方便，能保證鋼液成分和質量，對爐料的要求不甚嚴格和容易升溫，故可用作煉優(yōu)質鋼、高合金鋼和特殊鋼等。工頻或中頻感應爐適宜熔煉各種高級合金鋼和碳質量分數(shù)極低的鋼，其熔煉速度快、合金元素燒損小、能源消耗低且鋼液質量高，適用于小型鑄鋼車間使用。3.5.3有色金屬及其合金鑄件的鑄造

有色金屬鑄件指用鋁、鎂、銅、鋅、錫、鈦等金屬及其合金制造的鑄件。其中，以鋁及其合金、銅及其合金的鑄件應用最多。

1．鋁合金鑄件的鑄造

1)鋁合金的熔煉特點

液態(tài)鋁合金容易氧化和吸氣，即鋁在液態(tài)下極易氧化成熔點高(2050℃)、密度大和穩(wěn)定性好的Al2O3，并懸浮在液態(tài)鋁合金中很難去除，且液態(tài)鋁合金液極易吸收氫氣，在隨后冷卻過程中過飽和的氫以氣泡形式析出，就可能在鑄件上形成氣孔。為此，鋁合金在熔煉時應進行精煉，如通過加KCl、NaCl等熔劑將鋁合金液面覆蓋，使之與爐氣隔絕，以減少氧化和吸氣的機會。為排除已經(jīng)吸入的氣體，常用通氣法、氯化物法或真空法精煉。

(1)通氣法。通氣法分兩種：一種是通入不與鋁合金發(fā)生化學反應的惰性氣體，如氮氣進行精煉。當它們以氣泡的形式在液態(tài)鋁合金中上浮時，可將液態(tài)鋁合金中的氫氣一起帶出液面，同時氣泡在上升過程中，會吸附一些固態(tài)夾雜物，使其浮至液面爐渣中被清除。另一種是通入一種能與鋁合金發(fā)生化學作用的氣體如氯氣，方程式如下：

3Cl2＋2Al＝2AlCl3↑

C12＋H2＝2HCl↑

在氣態(tài)AlCl3和HCl的上浮過程中，可將鋁合金液中的氣體和夾雜物帶出。氯氣的精煉效果好、成本低，但是有毒，應在安全防護的條件下采用。

(2)氯化物法。常采用六氯乙烷(C2Cl6)進行精煉，即用鐘罩將C2Cl6加入鋁合金液，其反應如下：

3C2Cl6＋2Al＝3C2Cl4↑＋2AlCl3↑

反應產物C2Cl4和AlCl3在上浮過程中，可以將鋁合金液中的氣體(H2)和夾雜物(Al2O3)帶出液面。C2Cl6不吸水、便于保存，且精煉效果好。只是它遇熱分解出的Cl2與C2Cl4氣體對人有刺激。為此，常用刺激性小但效果較差的ZnCl2來精煉。

(3)真空法。在真空室內熔煉和澆注鋁合金鑄件，鋁合金液就不會發(fā)生氧化和吸氣。如將熔煉好的鋁合金液置于真空室內數(shù)分鐘，鋁合金液