材料与加工技术-铸造(1).

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1、铸造铸造 材料与加工技术（研2011） 尤芳怡 副教授 铸造前言 铸造是人类掌握较早的一种金属热加工工艺，已有约6000年的历 史。公元前3200年，美索不达米亚出现铜青蛙铸件。 公元前13前10世纪之间，中国已进入青铜铸件的全盛时期，工 艺上已达到相当高的水平，如商代的重875Kg的司母戊方鼎、战国的 曾侯乙尊盘和西汉的透光镜等都是古代铸造的代表产品。 司母戊方鼎 西汉透光镜 前言 18世纪的工业革命后，铸件进入为大工业服务的新时期。 进入20世纪，铸造的发展速度很快，先后开发出球墨铸铁，可锻 铸铁，超低碳不锈钢以及铝铜、铝硅、铝镁合金，钛基、镍基合金等 铸造金属材料，并发明了对灰铸铁进行孕

2、育处理的新工艺。 50年代以后，出现了湿砂高压造型，化学硬化砂造型和造芯、负压 造型以及其他特种铸造、抛丸清理等新工艺。 1.铸造的定义 铸造是一种生产零件毛坯的传统型行业。它是将金属熔炼成符合 一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定 形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。它具有适用性强、成本低等优 点，主要体现在以下几个方面。 2.铸造的优点 1)铸件不受零件大小，结构形状复杂的限制；几乎所有的合金都能浇 铸成铸件；既适用于单件、小批量生产，又适用于成批、大量生产。 2)铸件形状和尺寸与零件相近(某些精密铸造产品甚至无需加工)，节 省金属材料和切削加工工时，且废件和废料可以

3、回炉重熔，生产周期 短。 因此，与机械加工等工艺相比，铸造以其特有的优点在国民经济中起 着举足轻重的作用。 3.铸造的分类 按照造型方法和成型方式，铸造可以分为砂型铸造和特种铸造两类。 3.1 砂型铸造 以型砂和芯砂为造型材料制成铸型，液态金属在重力下充填铸型来生 产铸件的铸造方法。 钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。 由于砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单 件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产 中的基本工艺。 3.1 砂型铸造 3.1.1粘土砂铸造 粘土砂铸造是以原砂为造型材料，以粘土和水为粘接剂生产铸型， 液态金属在重力下充填铸

4、型来生产铸件的铸造方法。按照铸型浇注时的 不同状态可以分为粘土砂湿型(潮模)、粘土砂干型和粘土砂表干型铸造 。 3.1.2消失模铸造 消失模铸造（又称实型铸造）是将与铸件尺寸形状相似的泡沫模 型粘结组合成模型簇，刷涂耐火涂料并烘干后，埋在干石英砂中振动 造型，在负压下浇注，使模型气化，液体金属占据模型位置，凝固冷 却后形成铸件的新型铸造方法。 与传统铸造技术相比，消失模铸造技术具有与无伦比的优势，被 国内外铸造界誉为“二十一世纪的铸造技术”、“铸造工业的绿色革 命”。 3.1.2消失模铸造 消失模铸造有下列特点： 1)铸件质量好，成本低。材质不限，大小皆宜；尺寸精度高，表面光 洁，减少清理，节

5、省机加；内部缺陷大大减少，组织致密。 2)可实现大规模、大批量生产。自动化流水线生环保。可以大大改善 作业环境、降低劳动强度、减少能源消耗。 3.1.2消失模铸造 3.1.2消失模铸造 3.1.2消失模铸造 3.1.2消失模铸造 3.1.3 V 法造型 真空密封造型铸造方法，又称负压造型 国外取英文Vacuum（真空）一词的字头，而简称之为V法。 V法造型有下列特点： 1)V法造型不采用粘接剂，因而可使造型和铸件落砂清理劳动量大大 减轻，旧砂回用率可达95%。 2)V法造型的材料利用率高，铸件废品率低，内外质量好，从而降低 铸件成本。 3.1.3 V 法造型 a. 将预先加热好的塑料薄膜在负

6、压作用下，吸贴到模样，模板的整 个表面上，然后在薄膜上均匀地喷 上快干涂料。 b.将带有抽气室的沙箱放上。 c.充填不加粘结剂，水分及附加物 的干沙，边加砂边微微振动，以保 证干沙填满砂箱。刮平，并在砂箱 顶部再覆盖料膜，通过砂箱箱壁抽 真空。 d.翻箱、起模，由于大气压力的作 用，塑料薄膜均匀地贴在砂型上， 而使型砂处于紧实状态，取出模样 ，达到硬度为90度左右的砂型。 e. 合型，铸型的负压状态一直维 持到浇注，铸件凝固完成后。 f. 负压解除后，铸型自行溃散， 可方便地从铸型干砂中取出铸件。 3.1.3 V 法造型 3.1.3 V 法造型 3.1.4水玻璃砂造型 以水玻璃（硅酸钠）为粘接

7、剂制造铸型的铸造方法称为水玻璃砂铸造。 水玻璃砂溃散性差，旧砂再生困难，但也有许多优点： 1)水玻璃砂成本低； 2) 生产过程中没有刺激性或有毒气体溢出、污染小、有利于环保等等; 3)水玻璃砂高温退让性好，铸件尺寸精度及表面质量好。 3.1.4水玻璃砂造型 目前常用的硬化方法主要有以下两种： 1.普通CO2气硬法； 优点： 设备简单，操作方便，使用灵活，成本低廉 硬化速度快，强度高，铸件精度高 ； 缺点： 水玻璃加入量大(7-8)；含水量大，易吸潮；冬季硬透性差； 溃散性差，旧砂再生困难，大量旧砂被废弃，造成环境的碱性污染 。 3.1.4水玻璃砂造型 2.有机酯自硬法 优点： 型(芯)砂具有较

8、高的强度，水玻璃加入量可降至3.5%以下； 型(芯)砂溃散性好，清砂容易，旧砂易干法再生，回用率80， 可减少水玻璃砂排放 ； 铸件质量和尺寸精度可与树脂砂相媲美，生产成本低，劳动条件好 。 缺点： 型芯砂硬化速度较慢； 流动性较差。 因此，目前生产中有时采用复合硬化工艺，如：短时吹CO2达到起 模强度后先起模，再吹热空气、或烘干、或利用有机酯固化。 水玻璃主要参数： 1)模数 模数是指水玻璃中SiO2和Na2O的摩尔数比 ： M=MSiO2/MNa2O=1.033(SiO2)/(Na2O) 式中，(SiO2)、(Na2O)分别为硅酸钠中SiO2和Na2O的质量分数(%) 铸造生产中吹CO2硬

9、化时小型芯采用较高模数(M=2.7-3.2),中等型芯采 用中等模数(M=2.3-2.6)；生产周期长的大型(芯)采用低模数(M=2.0- 2.2)。采用有机脂作为固化剂的水玻璃模数一般为(M=2.2-2.5),冬季 取上限。 水玻璃主要参数： 2)波美度 铸造上习惯于用波美度(Be)来表示水玻璃的密度，波美度 (Be)与密度的换算关系如下： =144.3/(144.3-波美度) 常用水玻璃的波美度为41-49Be 波美度越小水玻璃密度越低，含固量越少，水的质量分数越高； 反之亦然。 水玻璃的改性 水玻璃在存放过程中会产生缩聚，形成凝胶，即老化现象。水玻璃的存 放时间越长、模数越高、浓度越大则

10、”老化”越严重。 1)物理改性 利用磁场、超声波、高频或加热向水玻璃体系 提供能量。但其效果不持久。 2)化学改性 往水玻璃中加入少量含有极性基团的化合物，提高聚硅酸的稳定性 ，阻止老化进行。如加入：丙烯酰胺、改性淀粉、聚磷酸盐等。 3)物理-化学改性 实际生产中通常采用物理改性与化学改性相结合的方法使水玻璃具 有持久的改性效果。如高压釜中加聚丙烯酰胺来改性“老化”的水玻璃 。 水玻璃砂的再生 水玻璃砂的再生目前主要有以下三种方法：干法再生、湿法再生、干热联 合再生。 1)干法再生 工作过程分为预再生、再生、除尘三个阶段，Na2O去除率达40-50%，且除尘 阶段至关重要。 2)湿法再生 Na

11、2O去除率可达80%以上，甚至超过90%； 再生砂回用率高，可达95%以上； 再生砂可作为造型的面砂和单一砂使用； 对酯硬化水玻璃旧砂，能有效去除残留酯，延长再生砂混后的可使用时 间。 3)干热联合再生 为提高砂粒表面水玻璃模的脱模效率，将旧砂加热到180-200(酯硬 化加热到300-350 )，使水玻璃失水脆化，然后再进行撞击、摩擦，可提 高Na2O去除率，可达50%以上。 CO2-有机酯复合硬化水玻璃工艺 用CO2吹使型硬化到脱模强度，脱模后有机酯继续硬化，吹完CO2再放 置3-6小时即可进行合箱浇注。 单独使用有机酯，酯加入量为水玻璃的8-15%，此方法有机酯加入量 只需4-6%，但水

12、玻璃加入量相应提高0.5-1% 3.1.5 树脂砂铸造 树脂砂铸造是以树脂为粘接剂制备型(芯)砂的铸造方法。树脂砂造型 可分为：热法覆膜树脂砂、热芯盒树脂砂、冷芯盒树脂砂、呋喃树脂 自硬砂等。 树脂砂铸造具有如下特点： 1.树脂砂硬化后强度高，特别适合于机器造型，能造出复杂、薄壁的 铸件 ； 2.铸件组织致密，力学性能好。 3.粘接剂价格昂贵，对空气有污染，工作环境差。 3.1.5树脂砂铸造 3.2特种铸造 特种铸造，按造型材料又可分为以天然矿产砂石为主要造型材料的特 种铸造(如熔模铸造、水泥砂铸造、陶瓷型铸造等)和以金属为主要铸 型材料的特种铸造(如金属型铸造、压力铸造、连续铸造、低压铸造

13、、离心铸造等)两类。 3.2.1金属型铸造 金属型铸造又称硬模铸造，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。 (1)金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。同样的合金，其抗 拉强度平均可提高约25，屈服强度平均提高约20，其抗蚀性能和硬 度亦显著提高； (2)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; (3)铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约1530； 3.2.1金属型铸造 金属型铸造的生产效率高，工序简单，易实现机械化和自动化。 但 金属型也具有如下缺点： 1)金属型制造成本高； 2)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

14、口等缺陷； 3)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，对铸件质量的影响甚为 敏感，需要严格控制。 3.2.2熔模精密铸造 熔模精密铸造又称失蜡法铸造，是铸造行业中的一项优异的工艺技术 ，其应用非常广泛。它不仅适用于各种类型、各种合金的铸造，而且 生产出的铸件尺寸精度、表面质量比其它铸造方法要高，甚至其它铸 造方法难于铸得的复杂、耐高温、不易于加工的铸件，均可采用熔模 精密铸造铸得。 3.2.2熔模精密铸造应用 如航空喷气发动机的叶片、叶轮、喷嘴等形状复杂，尺寸精确以及表 面光洁的耐热合金零件，采用传统方法很难加工制得。 3.2.2熔

15、模精密铸造应用 3.2.2熔模精密铸造过程 3.2.3陶瓷型铸造 陶瓷型铸造是在砂型熔模铸造的基础上发展起来的一种新工艺。 陶瓷型是利用质地较纯、热稳定性较高的耐火材料作造型材料；用硅 酸乙酯水解液作粘结剂，在催化剂的作用下，经灌浆、结胶、起模、 焙烧等工序而制成的。采用这种铸造方法浇出的铸件，具有较高的尺 寸精度和表面光洁度，所以这种方法又叫陶瓷型精密铸造。 3.2.3陶瓷型铸造 3.2.3陶瓷型铸造 3.2.3陶瓷型铸造 3.2.4压力铸造 将熔融合金在高压、高速条件下充型并在高压下冷却凝固成型的 一种精密铸造方法，简称压铸，其最终产品是压铸件。 高压、高速充填压型是压铸的两大特点。它常用的压射比压是从几 千至几万KPa，甚至高达2105kPa。充填速度约在1050m/s，有些时 候甚至可达100m/s以上。充填时间很短，一般在0.010.2s范围内。 3.2.4压力铸造 3.2.4压力铸造模具 3.2.4压力铸造产品 3.2.5低压铸造 低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种 方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。 3.2.6连续铸造 利用贯通的结晶器在一端 连续地浇入液态金属，从另 一端连续地拔出成型材料的 铸造方法称为连续铸造。 结晶器一般用导热性较好 ，具有一定强度的材料，如 铜、铸铁、石墨等制成，壁 中空，空隙中间通冷却水以 增强其