1、2022年10月28日星期五第三章铸造成形及其工第三章铸造成形及其工艺控制艺控制铸造铸造发展历史我国铸造冶炼历史有5000多年，前3000多年为青铜器时代，后2000多年为铁器时代，铜器和铁器的制造是一个典型的熔化、凝固过程。鼎钟方彝2中国古代三大铸造技术中国古代三大铸造技术在我国古代金属加工工艺中，铸造占着突出的地位，具有广 泛的社会影响，像“泥范泥范”、“陶冶陶冶”、“熔铸熔铸”、“就范就范”等习语，就是沿用了铸造业的术语。劳动人民通过世代相传的长期生产实践，创造了具有我国民族特色的传统铸造工艺。其中特别是泥范、铁范和熔模泥范、铁范和熔模铸造最重要，称古代三大铸造技术。泥范铸造,我国自新石
2、器晚期，就进入铜石并用时代。河北唐山等地出土的早期铜器，有锻打成形的，也有熔铸成形的，说明范铸技术在我国源远流长，很早就发展起来。熔模铸造,传统的熔模铸造一般称失蜡、出蜡或捏蜡、拨蜡。它和用来制造汽轮机叶片、铣刀等精密铸件的现代熔模铸造，无论在所用蜡料、制模、造型材料、工艺方法等方面，都有很大不同。但是，它们的工艺原理是一致的，并且现代的熔模铸造是从传统的熔模铸造发展而来的。铸造铸造发展历史3金属型铸造铸型材料从石和泥、砂改用金属石和泥、砂改用金属，从一次型经多次型又改进成为耐用性更高的所谓“永久”型（金属型），在铸造技术的历史发展上具有重要的意义。1953年河北兴隆铁范的发现，证明我国早在战
3、国时期已经用白口铁的金属型浇注生铁铸件。这批铁范包括锄、镰、斧、凿、车具等类共87件，大部完整配套。其中，镰和凿是一范两件，锄和斧还采用了金属芯。它们的结构十分紧凑，颇具特色。范的形状和铸件相吻合，使壁厚均匀，利于散热：范壁带有把手，以便握持，又能增加范的刚度。可以说是创造了一种中国风格的金属型，并且在那个时候已经大体定型了。近年来，在河南南阳、郑州、镇平和河北满城、山东莱芜等地又陆续出土汉代铁范许多件，品种比战国时期显著增多，型式却基本相同。河南泥池汉魏铁器窖藏中还有铸造成形铁板和矢镞的铁范以及长达半米的大型铁犁范。铸造铸造发展历史44,500 BC1,000 BC 青铜时代（青铜时代（Br
4、onze Age）从矿石中提炼铜冶金业的黎明埃及古墓壁画是埃及古墓壁画是人类冶金业的最早纪录之一人类冶金业的最早纪录之一铸造铸造发展历史5青铜：第一种合金青铜：第一种合金青铜，古称金或吉金，是红铜与其它化学元素（锡、镍、铅、磷等）的合金。史学上所称的“青铜时代”是指大量使用青铜工具及青铜礼器的时期。保守的估计，这一时期主要从夏商周直至秦汉，时间跨度约为两千年左右，这也是青铜器从发展、成熟乃至鼎盛的辉煌期。到春秋戰國時期，齊國工匠總結科技經驗寫成的考工記考工記一書中，提出了金有六齊，這是世界科技史上最早的冶銅經驗總結。夏钺戈铸造铸造发展历史6商代青铜商代青铜bronze文化文化铸造铸造发展历史7
5、铸造铸造发展历史8铸造铸造发展历史9铸造铸造发展历史10商代青铜文商代青铜文化化铸造铸造发展历史11铸造铸造发展历史12湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑铸造铸造发展历史13三星堆三星堆l立人像铸于商代晚期，人像高172厘米，底座高90厘米，通高262厘米，是世界上最大的青铜立人像，被尊称为“世界铜像之王”。l突目面具铸于商代晚期，原件高64.5厘米，宽138厘米，眼球柱状外突长达13.5厘米，其造型在世界上亦属首见。铸造铸造发展历史14铸造铸造发展历史15铸造铸造发展历史16永乐大钟永乐大钟l铜钟通高6.75米，钟壁厚度不等，最厚处185毫米，最薄处94毫米，重w约46吨。钟体内外遍铸经文，共22
6、.7万字。铜钟合金成分为：铜80.54、锡16.40、铝1.12，为泥范铸造。铸造铸造发展历史17中国古代铁器中带有球状石墨的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄铸造铸造发展历史18现代铸造现代铸造l我国已成功地生产出了世界上最大的轧钢机机架铸钢件（重410t）和长江三峡电站巨型水轮机的特大型铸件。l各种铸造方法和铸造合金发展迅速，应用范围不断扩大。铸造铸造发展历史19铸造铸造发展历史20铸造铸造发展历史21铸造铸造发展历史22铸造铸造发展历史23铸造铸造发展历史24铸造铸造发展历史25铸造铸造发展历史26铸造铸造发展历史27铸造铸造发展历史28铸造铸造基本概念铸造的定义铸造的定义 铸造是指将材
7、料(包括金属、合金及复合材料等)熔化成液体，浇注于具有和零件形状相适应的铸型型腔中，待其凝固、冷却后，获得毛坯（或零件）的工艺方法。与其它成型方法相比，铸造的应用相对较为普遍。铸造合金铸造合金 用于铸造的金属称为铸造合金。常用的铸造合金有铸铁、铸钢和铸造有色金属，其中铸铁、特别是灰铸铁用得最为普遍。凝凝 固固 物质从液态到固态的转变过程。铸 造：Casting铸造合金：Casting alloys凝 固：Solidification29铸造工艺特点铸造工艺特点铸造铸造基本概念30铸造铸造基本概念31铸造生产过程32实质：液态金属（或合金）充填铸型型腔并在其中凝固和冷：液态金属（或合金）充填铸型
8、型腔并在其中凝固和冷却。却。砂型铸造概略图砂型铸造概略图33铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能金属的充型能力金属的充型能力 液态金属充填铸型型腔，获得形状完整、轮廓清楚铸件的能力称为金属的充填能力，其与金属的金属的流动性、浇注条件以及铸件结构等因素密切相关。v 金属的流动性金属的流动性1）金属的流动性是指金属本身的流动能力。流动性越好、充型能力越强，越容易获得形状完整的铸件。同时，还有利于非金属夹杂和气体的上浮排除，有利于对金属凝固过程产生的收缩进行补缩。2）金属流动性主要与化学成分、温度、杂质含量及物理性质有关。3）流动性的测定多采用螺旋型试样。v 浇注条件浇注条件 主要包括浇注温度、
9、充型压力等因素的影响v 铸型性质和铸件结构铸型性质和铸件结构浇不足、冷隔等缺陷34铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能v金属性质金属性质 合金成分 结晶潜热 比热、密度和导热系数v铸型性质铸型性质 铸型的蓄热系数 铸型的温度 铸型中的气体v浇注条件 浇注温度 充型压头 浇注系统结构v铸件结构铸件结构35铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能36图1-2 螺旋型试样在相同的浇注工艺条件下，将金属液浇入铸型中，测出其实际螺旋线长度。浇出的试样愈长，合金的流动性愈好！铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能37合金种类 铸型种类 浇注温度/螺旋线长度/铸铁 wC+Si=6.2%wC+Si=5.
10、9%wC+Si=5.2%wC+Si=4.2%砂型 砂型 砂型 砂型 1300 1300 1300 1300 1800 1300 1000 600 铸钢 wC=0.4%铝硅合金（硅铝明）镁合金（含Al和Zn）锡青铜wSn10%wZn2%硅黄铜wSi=1.5%4.5%砂型 砂型 金属型300 砂型 砂型 砂型 1600 1640 680720 700 1040 1100 100 200 700800 400600 420 1000 表表1-1 常用合金的流动性（砂型，试样截面常用合金的流动性（砂型，试样截面88）铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能38温度，温度，T碳钢碳钢铸铁铸铁39由图可见
11、，亚共晶铸铁随含碳量增加，结晶温度区间减小，流动性逐渐提高，愈接近共晶成分，合金的流动性愈好。Fe-C合金的流动性与含碳量的关系40铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能铸件的凝固与收缩v 铸件的凝固方式-取决于凝固区域的宽度。逐层凝固、糊状凝固、中间凝固v铸件的凝固方式对铸件质量的影响 逐层凝固合金充型能力强铸件内部组织致密 糊状凝固合金充型能力若难以获得组织致密的铸件v影响铸件凝固方式的因素 凝固温度范围和固/液相界面前沿的温度梯度铸件的收缩 收缩定义：合金从浇注、凝固到冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象。液态收缩：浇注温度凝固开始温度 凝固收缩：凝固开始温度凝固结束温度 固态收
12、缩：凝固结束温度室温体收缩线收缩收缩率41铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能42铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能43铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能收缩对铸件质量的影响v 缩孔和缩松 产生原因：液态收缩和凝固收缩大于固态收缩。其与以下 影响因素：金属性质（和液态收缩系数、凝固收缩率及固态收缩系数 有关）、铸型条件（激冷能力越大、可以减少）、浇注条 件（浇注温度越高、液态收缩越大；浇注越缓慢，缩孔越 小）和铸件尺寸（壁越厚、越容易产生缩孔）。控制措施：顺序凝固、同时凝固和安放冒口、冷铁、加压补缩（缩松）等。热等静压法。44铸件中缩孔的形成示意图铸铸造造铸件成形基本原理及金属
13、的铸造性能45铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能收缩对铸件质量的影响v 铸造应力、裂纹（热裂和冷裂热裂和冷裂）和变形 铸造应力分类：机械应力、热应力和相变应力 铸件变形的根本原因：铸造应力。46铸件中的偏析及其对铸件质量的影响分类：显微偏析和宏观偏析。显微偏析：晶内偏析和晶界偏析。宏观偏析：正常偏析、反偏析和比重偏析。铸件中的气体与非金属夹杂物及其对铸件质量的影响铸件中的气体铸件中的非金属夹杂物减少气体和非金属夹杂物的措施：吸附精炼法和非吸附精炼法。铸铸造造铸件成形基本原理及金属的铸造性能47铸铸造造砂型铸造铸造方法：砂型铸造:采用型砂制备铸型。特种铸造:有别于砂型铸造的其它铸造方法。砂
14、型铸造的基本生产过程 技术准备铸造工艺方案(浇注位置、分型面、工艺参数、浇铸系统、补缩系统等)生产准备模样和芯盒设计、原材料准备如型（芯）砂 准备、合金材料准备等 工艺过程造型（制芯）、合箱、浇注、落砂和清理等。48浇注金属造型、芯做木模铸件空心圆柱的铸造工艺流程 49型砂型砂molding sand配制配制砂型干燥砂型干燥工装准备工装准备炉料准备炉料准备合金冶炼合金冶炼芯砂芯砂core sand配制配制型芯干型芯干燥燥工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇工艺三大块：冶炼，造型（芯）和浇注注落砂落砂shakeout 清理清理cleaning 铸件检验铸件检验入库入库砂型砂型sand mould铸造
15、工艺流程图铸造工艺流程图凝固冷却凝固冷却铸铸造造砂型铸造50铸铸造造铸造工艺方案制定铸造工艺方案制定 包括选择铸造方法、绘制铸件工艺图、选定合理工艺参数等，其中核心内容是绘制铸件工艺图，其主要内容包括：1）选择浇注位置 2）确定分型面 3）确定工艺参数：加工余量、拨模斜度、型芯及型芯头51v浇注位置：浇注时铸件在铸型中所处位置。v选择原则：重要工作面或主要加工面朝下或侧立；大平面或薄壁结构应朝下或侧立；有利于补缩，防止铸件产生缩孔。铸铸造造铸造工艺方案制定52铸铸造造铸造工艺方案制定53v分型面：指铸型间的接触面，其存在有利于铸型的分开和合 型。分型面选择正确与否，不仅影响铸件质量，还 影响铸
16、造生产工序的复杂程度，还会影响后续切削 加工。v确定原则：1）应能方便顺利地取出模样或铸件。为此，其一 般 在铸件最大截面处 2）应尽量与浇注位置一致，并尽量满足浇注位置的 要求。3）应避免曲折，数量应少。4）尽量使型腔大部或全部 位于同一砂型内；5）应使型芯数量少，切便 于安放和稳定；铸铸造造铸造工艺方案制定54最好铸铸造造铸造工艺方案制定55铸铸造造铸造工艺方案制定56v机械加工余量：在铸造时零件上的加工表面增加的一层供切削加工用的金属量；v拨模斜度：铸件上垂直分型面的各个侧面应具有斜度，以便于把模样（或型芯）砂型（或芯盒）中取出，并避免破坏型腔或型芯，此斜度称为拨模斜度；v型芯及型芯头铸
17、铸造造铸造工艺方案制定57铸铸造造铸造工艺方案制定58铸铸造造铸造工艺方案制定59铸铸造造铸造工艺方案制定浇注系统设计浇注系统设计60铸铸造造铸造工艺方案制定61铸铸造造铸造工艺方案制定62铸铸造造铸造工艺方案制定63铸铸造造铸造工艺方案制定64铸铸造造铸造工艺方案制定冒口设置冒口设置65铸铸造造铸造工艺方案制定66生产和工艺过程链接：各种铸造工艺砂型铸造的特点及应用 1）适应性强，不受铸件材质、尺寸、质量和生产批量限制，几乎所有铸件都可以采用砂型铸造；2）造型工作量大、劳动强度高，特别是手工造型；3）铸件精度和表面质量差，加工余量大；4）影响铸件的因素较多，易产生铸造缺陷；5）设备简单、投资
18、小，价格低廉。铸铸造造砂型铸造67铸铸造造特种铸造特种铸造工艺金属型铸造熔模铸造压力铸造离心铸造连续铸造消失模铸造磁型铸造高压铸造低压铸造68金属型铸造定义:金属材料制成铸型,永久模铸造基本工艺过程:见书。特点及应用:1)金属型可以连续重复使用,生产效率高、劳动条件好；2）铸件质量稳定，尺寸精度较高、表面粗糙度较低；3）铸件晶粒较细、组织致密、机械性能较高；4）适合大批量生产有色合金铸件；5）成本较高、不透气、无退让性，易产生浇不足或开裂等缺陷。铸铸造造金属型铸造69铸铸造造熔模铸造熔模铸造定义:基本工艺过程:蜡模制造制壳脱蜡壳型焙烧与浇注特点及适用范围:1)可获得尺寸精确、表面光洁的铸件；2
19、）可铸造形状复杂的铸件；3）不受铸造合金种类限制；4）工艺过程复杂、工序繁多、生产周期长；5）蜡模易变形、铸件不易过大、原材料价格高、生产成本高。70铸铸造造熔模铸造71铸铸造造高压铸造高压铸造定义:基本工艺过程:见书特点及适用范围:1)在高压下充型和结晶凝固；2）生产效率高、易实现机械化和自动化；3）不受铸造合金种类限制；4）采用金属铸型、铸件组织致密、机械性能好；5）排气困难、不能热处理强化。压铸机：冷室压铸机和热室压铸机72铸铸造造高压铸造73铸铸造造高压铸造74铸铸造造低压铸造低压铸造定义:基本工艺过程:见图书特点及适用范围:1)充型压力和速度易于控制、适用于各种铸型；充型平稳；2）铸
20、件组织致密、机械性能好、且可热处理强化；3）省去补缩冒口、金属液利用率可达90%以上；4）采用金属铸型、铸件组织致密、机械性能好；5）充型能力提高，有利于大型薄壁铸件的成形。6）主要用于质量要求高的铝、镁合金铸件，如缸体（盖等）压铸机：低压铸造机75铸铸造造低压铸造76铸铸造造低压铸造77铸铸造造离心铸造离心铸造定义:离心铸造过程:特点及适用范围:1)改善了补缩条件、铸件组织致密、减少了缩孔、缩松、气 孔等缺陷；2）不需要型芯、浇注系统和冒口等就可获得中空圆形铸件；3）充型能力提高，可铸造流动性差的金属、双金属铸件及薄 壁件等；4）易产生成分偏析，不适合铸造密度偏析大的合金（如铅 青铜等）和易氧化的合金；5）铸件内表面难以精确控制尺寸。离心铸造机：立式和卧式离心铸造机78铸铸造造连续铸造和消失模铸造消失模铸造两种铸造工艺的特点及应用可参考相关文献资料79铸铸造造连续铸造和消失模铸造80铸铸造造连续铸造和消失模铸造81铸铸造造连续铸造和消失模铸造82
