《现代铸造工艺方法》北京航空航天大学材料学院 周铁涛 2014.1BUAA现代铸造工艺方法铸造生产是以异型的金属毛坯和零件供应国民经济部门，首先供给机器制 造业及金属加工业。它是机械工业的基础，是工业生产的重要组成部分。 1978年，美国10项主要工业部门增加生产产值的指标中，铸件的产值仅次于 汽车、黑色冶金、化学制品及飞机制造业，列第五位。铸造生产在国民经济 中的作用不断提高，在现代的机器设备中，铸件重量约占其总重量的60.85％。 1986年全世界铸件产量为8000万吨。与60年代前后相比，近10多年来，西方 工业发达国家的铸件产量长期徘徊或下降。例如美国，1973年为2014.6万吨， 1982年为977.8万吨，1985年为1148万吨。其原因是有些国家近来工业发展缓 慢，工业产品减少，产业结构进行调整，如日本由原来的重、厚、长、大工 业转向以电子、电气及精密机械为中心的轻、薄、短、小工业，从国外进口 铸件；如美国1981年从国外进口的铸铁件达165.9万吨，占当年美国铸铁产量 的21.1％。最后，也是最重要原因之一是由于铸造合金及工艺的不断改善， 铸件的质量不断提高，铸件壁厚及重量不断减小，例如，1960年美国轻便汽 车汽缸头的壁厚为7.9毫米，1972年为4.3毫米，1976华为3.17毫米。因此，在 保持铸件原来的工作性能不变或更高的条件下，用同样重量的金属材料可生 产更多的铸件。与20年前相比，平均每吨液体金属可多生产39％以上的铸件。BUAA铸造生产的发展受到多因素的限制， 要求在稳定提高铸件质量的前提下， 应尽量地节省原材料及能源， 降低成本，减少公害，努力实现铸造生产过程机械化、自动化和专业化，以达到优质、高产、低耗、 少污染的要求。 “优质”的含义一般包括铸件的重量轻、性能好、尺寸精度及表面光洁度高等方面。 为了实现上述的要求，人们对老的铸造工艺方法进行改进和革新，并研制出许多新的工艺方法，有力 地推动了铸造生产和科学技术不断向前发展。 砂型铸造目前在世界各国仍然占重要的地位。 例如， 英国 70％的铁合金铸件是采用砂型铸造生产 的。在大批量生产中，砂型铸造是向高紧实度、高生产率的方向发展。震击和抛砂造型逐渐被淘汰， 有箱及无箱高压造型、空气冲击造型、燃气冲击造型的应用日益广泛。铸造生产是耗能大户之一。在 铸铁件的生产中，平均每个工人所用的电能比机械加工多 4―5 倍。为了节省能源，提高铸件质量， 冷硬树脂砂已广泛应用。真空密封造型的应用范围日益扩大，目前全世界已有几百家工厂采用这种造 型方法生产各种合金铸件。 采用泡沫聚苯乙烯塑料作为模样的实型铸造已在世界各国广泛应用。 用这种铸造方法生产冲压模 具之类的铸件，具有很大的优越性，显著地降低了铸件成本，减少了铸件重量，是铸造技术的一个大 发展。目前采用泡沫聚苯乙烯珠粒发泡制成气化模，用于石英砂负压成型，使这种铸造方法不仅可用 于小批生产，而且也可用于成批生产，使实型铸造的应用范围迅速扩大。BUAA采用泡沫聚苯乙烯塑料制成模样，用磁丸代替型砂，用磁场感应强度代替粘结剂的磁型铸造，可 真正实现“翻砂不用砂”的想法，简化了铸件生产工艺过程，提高了铸件质量，降低了铸件的成本， 具有许多优点。这种铸造方法已在许多国家中推广应用。 钛及其合金具有很高的比强度，在航空航天工业和化工机械中的应用起来越多。由于钛及其合 金的化学性能很活泼，在生产过程中存在不少困难，因而使钛铸件的应用大大低于其技术上的潜力。 近 10 多年来，钛铸件的生产取得较大的进展。采用自耗电极真空凝壳炉及磁悬浮炉熔化，用机械加 工制成的石墨型或在石墨粉中加入适量的粘结剂制成石墨型、石墨壳型或浸渍的石墨型或新型陶瓷 型壳浇注钛铸件，取得良好的结果。 金属液在较大的压力作用下，利用压力差充型，并把压力场的作用贯穿于充型与凝固全过程的 反压铸造，具有低压及高压釜两种铸造方法的优点，可获得机械性能好、尺寸精确、表面光洁的铸 件。保加利亚在反压铸造的基础上进一步发展为可控气氛的反压铸造，用来生产气体合金化铸钢件。 西北工业大学铸造教研室采用这种铸造方法生产出壁厚为 0．5 毫米，形状复杂的波导管铸件、 ．获 得国内外铸造专家的好评。BUAA把定量的液体金属浇入铸型中，施加较大的机械压力，使其成型、凝固而获得零件毛坯的挤压铸 造，是介于铸造与锻造之间，兼有铸锻特点的一种新工艺方法。挤压铸件的机械性能可达到或接近 同类合金锻件的水平。我国五二研究所生产的挤压铝铸件，其抗拉强度、达 800MPa。与锻造相比， 挤压铸件的尺寸精度及表面光洁度高，原材料消耗少，挤压铸造机所需的吨位小，工装模具简单， 成本较低。目前，挤压铸造已广泛应用于铝合金、部分变形铝合金、铝基复合材料、黄铜、青铜、 碳钢、合金钢、耐热钢、不锈钢、灰口铸铁及球墨铸铁等铸件。铸件种类日益增多，有铝合金的活 塞及弹尾，铜合金的齿轮及高压阀体，铸钢的锻模及轮盘等。采用挤压铸造生产整体导弹翼板，节 省了大量工时及材料消耗，大幅度降低了零件的成本，提高了劳动生产率，具有显著的优越性。 在浇铸过程中，将一定量的金属粉末加入到金属液流中，使其与液体金属掺和在一起流入型腔， 凝固冷却后而获得铸件毛坯的悬浮铸造，不仅用来控制铸锭的凝固过程，而且可成功铸造出各种优 质的大中型铸钢与铸铁件，并且用来生产某些合金钢、合金铸铁及特种合金钢铸件，是一种很有前 途的铸造方法。BUAA铸型的发展过程 1、泥型及陶型青铜器时代的铸型主要为泥型 那时铸造较小的青铜器铸件可直接 用泥型铸造，而较大的铸件一般采 用陶型铸造。例：司母戊鼎的铸造司母戊鼎高为1.33m ， 口长 为1.10m，重达832.84 。其合金成 分分别为:铜84.77% ,锡11.44% ,铅 2.76%，其他1.03% 。司母戊鼎是 采用组芯的造型方法，从铸造痕迹 来看，司母戊鼎是用20块范铸成的例：明代永乐大钟的铸造BUAA2、砂型 铁器时代的到来，将金属液的温度由锡青铜的990℃提 高到1147℃以上，由于泥型的耐火性不能满足要求，因而 逐渐被砂型铸造所代替。 3、金属型 随着大工业的到来，机器造型和特种铸造的需求日益上 升，金属型开始使用。 4、其他铸型 以下为常用铸型的使用时间：砂 型 ── 一次型 泥 型 ── 半永久型 金属型── 永久型BUAA现代造型第一节概述一、造型(芯)方法的发展与分类 随着科学技术和生产的不断发展，尤其是高分子化学和无机化学的巨大成就，为砂型铸造技术的迅速发展奠定了基础。新的铸造 粘结剂不断出现，可供铸造工作者选择的造型(芯)方法越来越多。从手工造型到机器造型，从湿砂型到壳型，从真空密封造型到冷芯 盒法造型，种类繁多，差异甚大。自硬树脂砂型的普及推广应用，气压造型的出现及应用，是近代造型(芯)方法显著进步的又一标志。 铸造生产的历史悠久，我国是铸造的故乡，早在几千年前就能铸造铸铁农具。在那漫长的铸造历史过程中，手工造型(芯)一直是 主要的方法。砂箱的搬运、翻转、填砂、紧砂、修模、修型、合箱及落砂等工序都是手工操作，劳动强度大，生产率低，产品质量差。 随着工农业生产不断地发展，铸件的需要量越来越多，铸件的质量要求越来越高，手工造型(芯)方法远远不能满足生产发展的需要。 大约在本世纪 30 年代，西方发达国家广泛采用机器造型与制芯。到 60 年代，高压造型自动生产线在发达国家中广泛应用， 使造型(芯) 的劳动生产率迅速提高，铸件产量猛增，铸件质量得到改善。随着时代的进步，造型(芯)方法的发展情况，可从每五年举办一次的杜 塞尔多夫国际铸造博览会上清楚地看出： 在 1962 年的国际铸造博览会上，首次展出射压紧实造型机，引起铸造工作者很大重视。 在 1968 年的博览会上，抛砂机是最后一次展出，以后再没有出现，这种造型方法已逐步被淘汰。 在 1979 年的博览会上，首次展出真空压实造型机，尽管当时只用于有彩水平分型，但仍然引起铸造工作者的重视。 在 1984 年的博览会上，震压式造型机已退出博览会，而射压造型已广泛应用于所有形式的分型――水平分型有箱及无箱造型， 垂直分型有箱及无箱造型。 真空压实造型再次出现，并第一次用于无箱造型。在这次博览会上还第一次展出气压造型机，包括空气冲击和燃气冲击造型机， 标志着造型方法进入了一个新阶段。 以上介绍的是造型(芯)方法的发展简况。在砂型铸造中粘结剂是最活跃的因素，一种新的铸造粘结剂的出现，往往引起造型(芯 ) 方法的变化，出现新的铸型。BUAA1933 年出现了水泥砂型，随后又出现矾土水泥铸型，主要用于大中型的铸钢和铸铁件。到 70 年代， 日本首先采用一种叫“0J”法水泥铸型，它具有快速凝固、快速硬化的特点，所以又称双快水泥自 硬砂。目前日本已有不少工厂采用这种铸型。 水玻璃粘结剂是 1898 发明，但一直到 1947 年左右才作为铸造粘结剂。1953 年，佛塞科公司首 次介绍了 CO2 法水玻璃砂，很快在全世界推广应用。随后又出现了矿渣法水玻璃砂型和硅铁粉法水玻 璃砂型，1967 年出现水玻璃流态自硬砂型。由于水玻璃自硬砂存在一个致命缺点，溃散性差，落砂 清理不方便，型砂的回用困难。70 年代出现了酯化法水玻璃砂，大大改善了水玻璃砂的溃散性，为 水玻璃砂的存在与发展开辟了新途径。 1940 年左右，德国人克洛宁(Croning)采用酚醛树脂做粘结剂，用六次甲基四胺做固化剂，经加 热使树脂发生缩聚反应，成为不溶不熔的高聚物。用这种酚醛树脂制造壳型，具有良好的工艺性能， 可生产出优质铸件，但这种粘结剂来源少，成本高。1958 年出现了呋喃树脂自硬砂型，1960 年出现 了温芯盒法树脂砂，1964 年出现自硬冷芯盒树脂砂，1968 年出现气雾硬化法冷芯盒树脂砂。目前， 树脂砂不仅用于制芯，而且也用于制作铸型；不仅用来生产铝合金铸件，而且也用来生产各种批量 的铸铁及铸钢件。特别是 1973 年能源危机以来，国外许多的铸造厂纷纷采用树脂砂生产各种合金铸 件，目前德国采用树脂砂制芯已占全部砂芯的 80％以上。BUAA1971 年日本秋田公司研制成功的真空密封造型，于 1974 年的国际铸造学会上发表，引起世界各国铸 造工作者的广泛重视。目前这种方法已在许多国家推广应用。日本已有成套的流水线设备出口。我 国已有不少工厂采用这种方法生产各种合金铸件。 为了提高铸件的质量，增加铸件的产量，减轻工人的劳动强度和降低铸件的成本，很多国家努 力实现铸造生产过程机械化和自动化。首先是造型工序的机械化与自动化。建立一条自动化的高压 造型生产线，只需要几个人操作，而且劳动生产率比单机造型可提高几十倍。 据统计，1970 年美 国造型工序机械化程度为 55％左右，而 1980 年达 80％。前苏联在 1970 年造型工序机械化程度为 40 ％，1980 年提高到 75．8％。BUAA砂型铸造有各种各样的分类。 按模样特点可分为： (1)整体模造型(含挖砂、假箱造型)； (2)分开模造型(含活块、吊砂造型)； (3)活箱造型； (4)车板及刮板造型； (5)骨架模样造型； (6)模板造型； (7)气化模造型。BUAA按造型的机械化程度可分为： (1)手工造型； (2)机器造型。 按型砂的特点可分为： (1)湿型铸造； (2)干型铸造； (3)表面干型铸造。BUAA按维持铸型方法可分为： (1)地坑造型(含有益箱、无益箱和机械化地坑造型)； (2)砂箱造型(含单砂箱、双砂箱和多箱造型)； (3)脱箱造型(又称无箱造型)； (4)劈箱造型； (5)叠箱造型； (6)组芯造型。BUAA按铸型的成型或硬化方法可分为：BUAA二．优质铸件适宜的造型方法选择 铸件的质量及成本与造型工艺紧密相关，据统计，铸件的缺陷约有 30―60％是由于 铸型原因产生的，铸件的焊补约有 70 ％是由铸型原因引起的，铸件的成本约有 50％用 于造型。不同的造型方法对铸件质量的影响是不同的。因此，如何根据对铸件质量及数 量的要求和车间的生产条件，选择适宜的造型(芯)方法，不仅关系到铸件的质量及成本， 而且关系到能否按期交付铸件的问题。BUAA铸件质量一般包括铸件内部的致密性及均匀性，铸件的尺寸精度和表面光洁度以及物理 性能等方面。铸件的致密性是指铸件内部没有孔洞，即，既没有因补缩不良而引起的缩 孔、缩松和表面缩凹，也没有因内在气体而引起的孔洞缺陷。铸件尺寸精度是指铸件尺 寸应符合技术条件要求，随着用计算机控制的高速机械加工工艺的发展，对铸件的尺寸 精度要求日益严格，尤其是对大批量生产的铸件。对铸件表面光洁度的要求虽然不象对 装饰品那样高，尤其是对装在机器内部的铸件，多数不必要求过高的表面光洁度。但是 铸件产生粘砂、飞刺、毛边以及结疤之类的缺陷，损坏了铸件的外观，增加了铸件清理 工作量，严重者将使铸件报废。铸件产生上述缺陷，表明铸件生产过程控制有问题，或 者所采用的造型工艺有问题，或者所采用的造型(芯)方法有问题，或者铸件设计工艺、 造型方法、模样质量有问题。铸件表面质量也和所采用的型砂与涂料的质量有关。由砂 芯形成的内腔、通孔及盲孔所产生的毛刺缺陷，可能在很大程度上受铸件设计的影响， 往往只要对圆角半径稍微改变就可以解决这个问题。物理性能是指铸件应具有良好的加 工性能，并有足够的强度，工作时能够承受载荷的作用而不破坏。铸件物理性能在很大 程度上受到铸件冷却速度的影响，因而也取决于铸型的种类。一般说来，铸件在湿型中 的冷却速度较快，在树脂砂型中的冷却速度较慢，尤其是铸铁件对铸型的种类尤为敏感。BUAA1．湿型 用现代的造型机可制造出很硬的湿铸型，用这样的铸型可浇注出尺寸精度较高的铸 件。但对于大型铸件却有困难，因为尺寸大，难以紧实。即使能紧实，但要从紧实得很 硬的铸型深腔处起模也有困难。一定不能忽视金属模板的质量，它是影响铸件质量、降 低铸件成本的重要因素。 铸件表面质量与所用的型砂质量密切相关。如果型砂的成分、水分、挥发物质含量、 铸型紧实度等因素不合适，都将使铸件表面粗糙，表面质量下降。采用颗粒细的型砂， 铸件表面光洁度可以提高，但铸件容易产生有关气孔、夹砂等缺陷。 在正常的情况下，铸型分型面和芯头处不应有缺陷，但当模板装置质量差，砂箱磨 损较厉害时，就容易产生劣质铸件，且需要昂贵的清理和修理费用。采用现代造型机， 能生产出配合紧密，芯头处几乎没有飞边的铸件。合型时处于压力之下，能使铸型的整 个平面互相接触密合。 湿型中含有较多的水分，在浇注过程中它对液体金属有激冷作用，有利于细化金属 组织。但在浇注薄壁铸铁件时，容易产生白口组织，使铸件的机械加工困难，并难以退 火纠正。BUAA2．机械化高速造型方法湿型机械化造型方法可归纳为以下四类： (1)震压式造型机 这种造型机的价格便宜，安装容易，操作维修比较方便，砂箱的尺寸范围较大。但造型时所花的劳动力较多，生 产率较低，每人每小时只能生产 20 箱左右。一对机械化的造型机在用机械化搬运砂箱时，每小时可生产 150 箱左右的 砂型。由于这种造型机存在噪音大等缺点，已逐步被淘汰。 (2)自动双面模板造型机 这种造型机又叫作水平无箱造型机， 60 年代首先在美国出现并迅速得到发展。这种造型机的生产率每小时为 80-130 型，成本较低，适应性强，当情况需要时还可以进一步提高机械化程度，是一种既灵活又经济的机械化造型方 法。 (3)垂直无箱造型 这是一种较新的造型方法。造型时把型砂吹入挤压室内，模板的一面形成室的垂直壁，室内的砂被其挤压，前箱 为铸型的一面，后箱为铸型的另一面。这种造型机操作方便，生产率高，每小时可生产 300 箱以上。但这类造型机需 要有专门的工艺装备，以适合垂直分型的浇注系统。为此，它对新工厂、新零件或新添流水线特别适合，它的快换模 板装置对于小批量生产是一个极大的鼓舞，因而使无箱造型日益广泛应用。 (4)水平固定砂箱造型 水平高压有箱造型由于它与自动化的搬运系统一起使用，所以一直广泛用于大批量生产大中型铸件。开始主要用 于汽车制造厂，近年来已在各种小批生产的铸造车间应用。BUAA3．水玻璃铸型采用 C02 法水玻璃砂造型，只要正确地实行吹气工艺，铸型的硬度就很高，可获得致密 件，而且铸件的尺寸精度一般是良好的。和其他的造型方法一样，要获得尺寸精度高的 的铸 铸件，则必须有高质量的模样。C02 法水玻璃型一般也需要涂料。涂料必须使用得当，浓度适合，所用的液 体载体必须在浇注前烘干。在这些条件下，可获得表面光洁度较高的铸件。但这一工艺如用于薄壁 的砂芯，就很难获得满意的结果，因为会产生严重的帖砂；和其他铸型一样，采用加工不良的工艺 装备时，飞边可能成为很不经济的因素，C02 法水玻璃型的冷却速度比其他方法稍微快些，但不致使 铸铁件产生白口。 水玻璃粘结剂与有机粘结剂铸型的不同之处是，无论在造型、浇注，还是在落砂清理阶 均不会产少有害气体或难闻味道，降低了车间的通风和废气净化的费用，减少对工人健 害。在水玻璃粘结剂中加入有机酯硬化物，可在很大程度上改善水玻璃砂的溃散性。 砂相比，水玻璃砂的最大优点是无毒无味，成本低。假设 1 吨水玻璃砂的成本为 脂砂则为 200％。 段， 康的损 与其他型100％，呋喃树BUAA4．合成树脂砂型由于壳芯法树脂砂和热芯盒法树脂砂需加热硬化，需有结构复杂的壳芯机和造型机，成 本高。因此，加热硬化的树脂砂难以推广应用，而冷硬树脂砂将会得到进一步的发展。自硬树脂砂型 具有较高的强度及刚度，但有时可能是虚假的，即铸型内部没有硬化或硬化不够。制造致密的铸件， 要求铸型要有足够的硬化深度，如果采用固化不透的铸型，在浇注过程中可能引起铸件肿大，影响 了铸件的尺寸精度。自硬型的强度与铸型的硬化时间、硬化温 素有关，应严格控制。对于采用酸催化的树脂砂铸型，毛刺 采用对甲苯磺酸作催化剂的型砂，制成的铸型用来浇注含 问题。 度、固化剂的种类及加入量等因 可能成为一个严重的问题，尤其是 磷量低的灰口铸铁时，更应注意这一BUAA冷硬树脂砂的合理应用范围应该是单件生产的大型铸件，形状复杂的薄壁铸件 (如泵件、发动机 件)，尺寸稳定、精度要求高的铸件，采用单一型砂生产各种合金铸件的小型铸造车间，资金有限及 能源紧张的铸造车间，熟练的技术力量来源不能保证的铸造车间，难以实现铸造工艺过程机械化和 自动化的中小型铸造车间。 近几年来，采用气体胺固化的酚脲烷系树脂和二氧化硫汽体硬化的呋喃和酚醛树脂的造型及制 芯方法迅速发展。这两种方法只要保证正确的固化过程，铸件的质量将是良好的。虽然这种型砂的 流动性良好，但是，造型时必须紧实，否则得不到坚硬的铸型。在一般的情况下，铸件的尺寸精度 是良好的。然而，酚脲烷树脂砂型容易使铸件产生严重的飞边缺陷，这是由于射砂制芯的密度高和 在浇注时产生的热强度的缘故。采用酚脲烷树脂砂型和砂芯铸件容易产生气孔缺陷。但只要使粘结 剂中的溶剂有足够的时间全部挥发，那么产生飞边缺陷就能大为减少。铸型在脱模后应存放一段时 间，使溶剂全部挥发再合型。因此，在制定工艺时应计入该阶段时间。 与油砂、C02 水玻璃砂和冷硬树脂砂相比，采用 S02 硬化的树脂砂具有更高的尺寸精度,更好的工 艺性能( 特别是充填性能)，很好的溃散性，并且可使用的时间长，成本适宜，原材料及设备来源充 足，劳动卫生条件良好，减少浇注和冷却铸型工段的排烟排气量，减少铸件废品率，降低能源和劳 动费用消耗，具有良好的发展前景。BUAA5．用物理方法成型真空密封造型(又称 V 法造型) 的推广应用是铸造工艺上的一个大进步，与湿砂型相比，可节省 造型费用 16％，减少能源消耗 40％，减少铸件清理工时 20-25％。提高了铸件质量，减少粘结剂的 消耗，改善车间劳动卫生条件，主要用来生产簿壁铸件。 将制造好的铸型放在冷冻室里用冷冻剂喷洒铸型，冷冻后合箱、浇注，几分钟后便可落 砂，十几分钟后型砂就可回用，这种冷冻造型法，大大改善了劳动卫生条件，在英国已用来生产中小型 铸铁件。BUAA第二节真空密封造型法一、真空密封造型的实质、特点及发展首次发表，引起铸造工作者极大的兴趣。真空密封造型是一种全新的物理造型方法，它的基本原理是在特制的砂箱内，填入无水无粘结 剂的干石英砂，用塑料薄膜将砂箱密封后抽成真空，借助铸型内外的压力差使型砂紧实和成型。其工艺过程如图所示，主要工艺程序如 下： (1)根据铸件的结构特点，制造带有抽气箱和抽气孔的模板以及特殊结构的砂箱。 (2)将经烘烤呈塑性状态的塑料薄膜覆盖在模板上，开动真空泵抽成真空，使塑料薄 (3)将带有过滤抽气管的特制砂箱放在已覆盖塑料薄膜的模板上。 (4)往砂箱里填入没有粘结剂及附加物的干石英砂，并微震紧实、刮平。真空密封造型简称为真空造型，又称真空薄膜造型法、减压造型法和 V 法造型，1971 年由日本人发明，在 1974 年的国际铸造学会上膜紧贴附在模板上并让其成型、如图所示。(5)往砂型上面安放密封塑料薄膜，打开抽气阀门抽去型砂中的空气，使铸型内外存在 300-400 毫米水银柱的压力差。在压力差的作 用下，铸型具有较高的硬度，型砂硬度计的读数可达 95 左右。如图所示。 (6)去除模板内的真空，使它与大气相通，这样原来覆盖在模板上的塑料薄膜就均匀地贴附在砂型表面上，然后起模，但铸型内要继 续抽真空，直到铸件全部凝固为止。 (7)依照上述方法制造另一半型。 (8)下芯、合箱、浇注。在浇注过程中塑料薄膜逐渐消失，但铸型仍能保持原状而不溃散。如图所示。 (9)待金属全部凝固后，停止对铸型抽真空，使铸型内的压力逐渐与铸型外的压力相近，铸型就自行溃散，可方便地取出铸件，如图 所示。BUAABUAA与其他的造型方法比较，这种方法具有以下的特点： (1)铸件的尺寸精度和表面光洁度较高。由于型砂与模样之间有一层塑料薄膜，模样的拔模斜度 小，起模时不必敲击模样就能方便地取出。所用的型砂颗粒细，铸型的硬度高且均匀。因此，铸件 的表面较光洁，轮廓清晰，尺寸精度较高，毛刺少。 (2)型砂中可不必加粘结剂、水分及附加物。简化了型砂处理工作，铸件的落砂清理方便。旧砂 只要过筛去除杂质、冷却后去除细粉即可回用。型砂损耗少，回用率可达 95％以上。造型时基本上 不必捣砂，只要适当微震即可满足要求。一般说来， 这种造型方法所用的设备比抛砂造型设备便宜 30 ％左右，设备所需的动力约为湿型设备的 60％，劳动力可减少 35％左右，模板及砂箱的使用寿命较 长，生产周期缩短，金属的利用率较高，废品率降低，铸件的成本有所降低。 (3)在具有塑料薄膜的铸型中，金属的流动性提高，充填铸型的能力较强，可铸造出壁厚为 3 毫 米左右的铸件，铸件的尺寸精度较高，机械加工余量减小，铸件的重量减轻。 (4)由于型砂中没有粘结剂及附加物，浇注时产少的有害气体少，劳动强度降低，作业环境卫生 较好。BUAA在推广应用的过程中，这种造型方法也存在一些缺点和有待进一步解决的问题。 主要有： (1)因受塑料薄膜延伸率和成型性的限制，对于形状复杂的铸件覆膜较难，尤其是对形状复杂的 铸钢件，由于需设置较多的冒口，使塑料薄膜的成型更困难。塑料薄膜的延伸率虽然不断提高，但 仍然难以满足生产要求。 (3)型砂经长期反复使用后，砂粒表面将被冷凝的薄膜蒸汽所覆盖，使型砂的流动性降低，紧实 度下降，性能变坏。同时，砂子的冷却和去除砂子中的粉尘问题有待进一步解决。 (3)塑料薄膜的覆膜成型和采用软管抽真空等工序均系手工操作，难以机械化，造型生产率较低。BUAA这种造型方法问世至今虽只有 20 年左右，但发展较快。报报道，1981 年日本已有 100 多家工厂采用这种造型方法， 生产铸铁件、铸钢件和铸铝件达 10 多万吨，质量良好。英国有近 30 家工厂采用，生产的铸件 3 万多吨。西欧已有 30 多家工厂采用，生产铸件几万吨。在开发初期，这种方法主要用来生产铝合金的门及栅栏，铸铁的澡盆和叉车的平衡 锤等非机械加工产品。而现在已用来生产石油、矿山、铁道、车辆和核动力等机械产品的铸件。日本采用这种方法生 产重达 950 千克的高锰钢链轮铸件和重为 11．8 吨的铸钢锚铸件。美国得克萨斯钢铁公司，采用这种造型方法生产重 量为 4―5 吨的高锰钢铸件。在过去，这种造型方法的机械化程度不高，但近来有了较大改进。日本新东公司设计并 制造出一条全自动高速 V 法造型生产线。这套设备从薄膜成型、浇注系统成型、加砂、震动紧实、浇注、取出铸件、 去除废薄膜均自动进行。下芯、薄膜成型和监视铸件取出等工序只由三人操作。所用砂箱尺寸为 950×850×180／180 毫米，造型速度为每 35 秒制造一箱。美国宾夕法尼亚州的哈毛尼加斯帝古公司，1981 年引进一条 V 法造型自动线， 用来生产铝合金铸件。这条生产线除下芯和取出铸件外，其余全部自动化，造型速度为每小时 20 箱。目前美国采用 这种方法主要是用来生产普通铸钢件、高锰钢以及其他特殊的铸钢件，铸件的尺寸及重量均比日本大。法国的波鲁休 公司在 1984 年安装了一条生产澡盆的 V 法造型自动线，除刷涂料外，其余工序全部自动化。这种造型方法在其他国 家，如德国、英国、瑞典、南非、澳大利亚和苏联也已采用。 我国在 70 年代就对这种造型方法进行研究推广，目前已有几十家工厂采用这种造型方法生产铸钢件、铸铁件、 可锻铸铁件以及铝合金铸件。生产的铸件有车床床身、汽油机缸体、缸盖以及铁路机车配件等，其应用范围正在日益 扩大。BUAA二、主要的工装及设备真空密封造型所用的主要工装及设备如图所示。 1．模样 真空密封造型所用的模样与普通砂型用的模样不同。模样安装在抽气箱上面，并在其上面覆盖塑料薄膜。为了使 塑料薄膜能很好贴附在模样表面上，一般都在模样上开设一定数量的通气孔并与中空的抽气箱相通，以便抽真空将塑 料薄膜吸附在模样表面上。在制造模样时应注意以下几个问题： (1)通气孔的孔径及孔距应适当，通气孔的直径一般为 1-2 毫米，不宜过大。否则会将塑料薄膜吸进孔里，孔径 太小覆膜效果不好。通气孔的位置和间距也应适当，孔距一般为 20 毫米左右。 (2)对于塑料薄膜成型欠佳的部位，应增加通气孔的数量，以利于覆膜成型。 (3) 由于塑料薄膜对模样的阻力小，而且由于型砂抽真空后产生紧缩，使模样与型壁之间产生间隙。因此，在 一般的情况下可不必留拔模斜度。 (4) 在真空覆膜成型时，由于大气压力的作用产生很大的压力遍及整个模样，为防止空心模样产生变形，应在 模样背面设置加强筋。 (5)模样上如有深的凹槽，尤其当凹孔的宽度与深度之比小于 1.1 时，塑料薄膜将难以被吸在这些地方，因此， 应采用成型的塞子将塑料薄膜压进凹槽里。 模样材料可用木材、塑料或金属。由于模样不与型砂直接接触，磨损较小。也不像在普通机器造型时受到强烈机 械震动的影响。因此，较软的材料也可采用。近来，有的工厂采用多孔性的材料做模板，既可不钻孔，又能使期料薄 膜很好地覆盖在模样的表面上。BUAABUAA2，砂箱 砂箱有两个方面的作用，一是提供一个紧实的框架以容纳型砂，并供装箱耳及定位衬套 附件；另一作用是将真空设备所产生的真空传递到造型材料中，从铸型中抽去空气使铸型 定的紧实度，便于起模、合箱、浇注。砂箱的结构根据抽气方式的不同，可分以下三 等 具有一种：(1)侧吸式 从砂箱的四周抽气，砂箱为双层结构，砂箱的部分内壁由细孔网板制成，这种细孔 只允许空气通过，而型砂无法通过，如图所示。 (2)背吸式 从砂箱的背面抽气，这种砂箱为双层结构，砂箱的背面放有吸气管，管上钻有细孔， 孔径为 5 毫米，孔距为 25 毫米。吸气管外面卷有两层钢丝网，以防止抽真空时吸入型砂。 （3）管吸式 箱中放入蛇皮管BUAA第三节气压造型法一、气压造型概述 气压造型是近来发展起来的一种新的造型工艺方法。 它是将贮存在压力罐内的压缩空气突然释放 出来，作用在砂箱里松散的型砂上面，使其紧实成型，或利用可燃气体燃烧爆炸产生的压力波使型砂 紧实成型，这种造型方法的产生及发展，是与对铸造生产综合要求分不开的。 近来很多发达国家对铸造生产的要求日益严格，不仅表现在对铸件的质量、数量、成本及能源等 方面，并且对铸造生产的环境卫生方面也加以严格的限制。例如，不少发达国家对铸造车间的噪声加 以限制， 规定造型工段工作时的持续噪声一般应在 90 分贝以下。 但震击造型机的的噪声一般都在 100 分贝以上。如在这类造型机上采用隔音、消声措施，在一定程度上可降低噪声，但却使紧实效果明显 降低。在 1979 年举办的国际铸造博览会上，有家公司采用消声器勉强使噪声低于 100 分贝，但紧实 率降低 20―30％。 为此， 不得不采用提高比压的办法来补救， 但大大增加能源的消耗。 为了消除噪声， 传统的震击造型方法将不得不逐渐被淘汰。BUAA采用压实造型虽然噪声比震击造型小，但由于采用刚性压头，对于高度大、形状复杂的模样来说， 型砂的紧实度分布很不理想。采用多触头压实造型具有生产率高，铸型质量好等优点，在过去的 20 多年中起了积极的作用，满足了人们对铸件质量及数量的要求。但这种造型设备的投资大，工装模 具易磨损，维修的费用高，而且一般都要与震击紧实配合使用。在震击紧实逐步被淘汰的情况下， 多触头压实紧砂方法的应用也将受到很大的限制。 射压造型的噪声只有 80 分贝左右，在 50 年代，这种造型曾得到一定程度的发展，尤其是在无 箱造型方面有了较大的发展。发展射压造型是希望压头的结构回到刚性压头上来，但是在有箱造型 方面主要采用高压造型和震击紧实不受欢迎的悄况下，有些铸造机械制造公司试图在有箱造型方面 用射压造型代替震击造型，但由于射压造型对于面积及高度大、形状复杂的模样来说也不理想，主 要是紧实度分布不均匀。因此，射压造型的应用及发展也受到限制。BUAA近 20 年来，相继出现了高压气流直接冲击砂箱中的型砂，使之紧实成型的气压造型法。这种造型方 法可分为几个发展阶段： 1953 年西德首次采用压缩空气像弹性壁一样冲击在型砂上面，从而使型砂得到紧实。 1962 年出现了气爆造型法，它是在燃烧室里点燃可燃气体，产生爆炸，利用其突然膨胀产生的巨 大压力波使型砂紧实。 1967 年苏联克拉玛托斯克机器制造设计和工艺研究所，采用高速气流直接冲击型砂进行紧实，并 获得成功，已在生产中推广应用。 1976 年日本新东公司发明了静压造型法，它是采用压缩空气对型砂进行冲击紧实，然后再用刚性 压头进行补充压实。并制造两种型号的静压造型机。 1978 年德国发展了燃气造型机，在点燃混合可燃气体之前，先用强力的通风机加速，以提高燃烧气体 放热反应的强度和燃烧前沿的传播速度。BUAA气压造型法目前尚无统一名称和分类。根据资料，可分类如下： 空气冲击造型 静压造型 低压燃气冲击造型 高压燃气冲击造型BUAA二、空气冲击造型1．空气冲击造型的原理及工艺过程 空气冲击造型工艺过程示意图。其工序如下： (1)往压力罐里充入压力为 0．3―0．7MPa 的压缩空气； (2)往砂箱及辅助砂框里加入松散的型砂，然后使其上升与空气冲击装置接触并压紧如图所示； (3)打开冲击阀，压力罐内的压缩空气通过压力阀，迅速地进入型砂上面冲击型砂，使型砂紧实， 如图所示； (4)关闭冲击阀，排除砂箱的残留压缩空气，将模板、砂箱及辅助砂框分别下降到不同高度的位 置上，并回程起模，如图所示。BUAA空气冲击紧砂过程简单，速度快，型砂在没有震击与压实的条件下被紧实。当打开冲击阀后，压缩空 气迅速进入型砂的上面，由于气流向砂层内部渗透的速度较慢，使砂层的上下形成很大的压力差，并 产生压力波。在压力波的作用下，上面的型砂初步得到紧实并向下加速运动，在型砂上部呈现一层预 紧实砂层。通过这一层顶紧实砂层，将压力波的动能一层一 层向下传递，越往下面，加速度越大， 最后冲击模板及底板，从而使型砂紧实。各层型砂将动能传递给下一层后，白己并不停止运动，直到 全部型砂都被紧实才停止移动。型砂被紧实过程的时间很短，一般只有几十分之一秒。 空气冲击造型铸型的紧实度与压力梯度有很大关系。 所谓压力梯度是指作用在型砂上面先后的压 力差 dP 与建压时间 dt 之比。当 dP／dt 值越大，铸型的紧实度就越高。实验表明，欲获得良好的紧 实效果，压力梯度不能太低，否则效果不好。BUAA三、静压造型静压造型的基本工艺过程如图所示。整个造型工艺过程包括填砂、冲击紧实、补充压实和起模。 它与空气冲击造型的主要区别在冲击紧砂后还用压实板进行补充压实，提高铸型上部的强度，因而 不必刮去铸型上部的砂层。这种造型方法具有空气冲击造型所具有的各种特性。铸型上部的紧实度 比空气冲击造型高，但增加了压实机构，增加能源的消耗。随着空气冲击造型机的不断改进和完善， 这种造型方法的推广应用将受到限制。 日本新东公司生产的静压造型机有两种系列产品， 一种是 APS 型有箱静压造型机， 砂箱尺寸为 800 ×600×250／250 毫米和 x 250／250 毫米，生产率为 70-90 箱／小时。这种造型机已用来 代替原先在日本广泛应用的 AVS 型气动微压造型机。另一种是 FBS―P 和 F8M―P 系列的无箱静压造 型机，砂箱尺寸为 450×350×150 毫米和 850×550×220 毫米，生产率为 60-120 箱／小时。BUAABUAA四、燃气冲击造型燃气冲击造型是利用贮气罐内的可燃气体和空气的混合物，点火燃烧爆炸产生的压力波 冲击型 砂使它紧实。其工作程序与空气冲击造型相近。 砂箱规格最大的为 ×550／500 毫米，最小规格为 700x 500×200／200 毫米。最高生 产率为 200 箱／小时。最低生产率为 10 箱／小时。这种造型机主要用于单件小批量或成批量生产汽 车、拖拉机缸体等铸件。 燃气冲击造型铸铁件用型砂的成分一般为，水份 4-4.5％，活性膨润土 10％左右。型砂的主要 性能要求为，原砂粒度 60 左右(美国铸造协会标准)湿压强度 0．24MPa，湿抗拉强度 0.04MPa，透气 率为 60 左右，成型指数为 85-95％。BUAA第四节冷冻造型法一、冷冻造型法的实质及特点 近 20 年来，人们一直在寻找能源消耗少、成本低、对环境卫生污染少的造型方法。冷冻造型法 就是其中的一种。冷冻造型法又称低温硬化造型法，是英国 BDC 公司首先研制出来的，井于 1977 年 建成世界上第一条冷冻造型自动生产线。 冷冻造型法采用普通石英砂作为骨架材料，加入少量的水，必要时还加入少量的粘土，按普通 造型方法制好铸型后送入冷冻室里，用液态的氮或二氧化碳作为致冷剂，使铸型冷冻，懒于包覆在 砂粒表面的冰冻水分而实现砂粒的结合，使铸型具有很高的强度及硬度。浇注时，铸型温度升高， 水分蒸发，铸型逐步解冻，稍加震动立即溃散，可方便地取出铸件。BUAA与其他的造型方法相比，这种造型方法具有以下特点； (1)型砂中只加入少量的水及粘土，没有其他辅助材料，型砂的成分简单，配制容易，铸件的落 砂清理方便，旧砂的回用容易，型砂处理设备少。 (2)在造型、浇注和落砂过程中，所产生的粉尘及有害气体少，污染环境小，不需要添置消除公 害方面的设备。 (3)铸型的强度高、硬度大、透气性好，铸件表面光洁、缺陷少。采用这种造型法生产球墨铸铁 件可实现无冒口铸造，铸铁件不会产生白口组织。 (4)铸件的成本比壳芯法和热芯盆法树脂砂的成本低。 冷冻造型法需要有低温贮存设备，投资较大。需用液态氮作为致冷剂，价格较贵。同时，尚有 不少工艺参数，如冷冻时间等问题需要进一步解决。 冷冻造型法具有显著的特点，问世后引起广大铸造工作者极大的兴趣。不少国家进行研究。英 国采用这种造型方法生产小型铸铁件，效果良好。日本川崎重工技术研究所 1980 年就开展这方面的 研究，并用来生产铸钢、铸铁、铸铜和铝合金铸件。我国哈尔滨科技大学于 1982 年对这种造型方法 进行研究，并生产出铸钢、铸铁和球铁件，质量良好。BUAA二、冷冻造型的工艺过程 冷冻铸型的制造方法有两种： 1，先冷冻后起模法 原砂+水――混砂――造型――冷冻――起模――合箱――浇注――落砂-铸件 2．先起模后冷冻法 原砂+粘结剂+水――混砂――造型――起模――冷冻――合箱――浇注――落砂-铸件 冷冻造型法用的原砂一般为 S45／75 或 S55／100 的石英砂，SjO，含量最好大于 96％，水的加 入量为 3.5-4％。 如采用先起模后冷冻的造型法，为了提高型砂的湿强度， 需加入少量的辅助粘结剂， 一般加入 2.5-3％的粘土，并按普通湿砂型的混砂和造型工艺制造铸型。BUAA根据冷冻工艺特点，冷冻方法可分为以下三种： (1)浸渍法 把制好的铸型浸渍在液态氮中，浸渍时间为 2――6 分钟，铸型温度降低到―50～ ― 850C，铸型表面硬度达 95 左右。在这种状态下铸型完全冻结，很坚硬，与用 CO2 硬化的水玻璃铸型 基本相同。 (2)喷射法 把制造好的铸型型腔朝上，安放在专用的金属底板上，送进冷冻室用液态氮往型腔 表面喷射，使铸型冷冻到所需要的温度及硬度，然后取出来合箱、夹紧、浇注。 (3) 压入法 在铸型 的上下两面安装有导 热性能良好的铜管 ，管上开有许多小孔 ，用压力 为 度。与上述0.137Mpa――0.4MPa 向铸型型腔表面喷射液态氮，使铸型冷冻到所需要的温度及硬 两种冷冻方法相比，这种方法的冶冻时间短，消耗的液态氮少，效果良好。BUAA冷冻铸型所用砂芯的制造方法有两种，对于形状简单的砂芯，可用制造铸型的型砂、制造砂 芯，并与铸型一起进行冷冻。对于形状复杂的砂芯，应采用其他粘结剂，如油类或树脂粘结 剂制成油砂芯或壳芯，然后冷冻到所需要的温度和硬度，再将它安放在铸型里。但应保持与 型腔同样的冷冻状态。 冷冻铸型的强度随着存放时间的延长而下降，因此，冷冻后应抓紧时间下芯、合箱、夹 紧和浇注，防止铸型强度降低过多。BUAA第二章实型铸造第一节概述一、实型铸造的实质及特点 实型铸造又称“气化模造型” 、 “泡沫聚苯乙烯塑料模造型” 、 “消失模铸造”或“无型腔 铸造”等。这种铸造方法的实质是采用泡沫聚苯乙烯塑料模样代替普通模样，造好型后不取 出模样就浇入金属液，在灼热液体金属的热作用下，泡沫塑料模气化、燃烧而消失，金属液 取代了原来泡沫塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后即可获得所需要的铸件，其工艺过程 如图所示。BUAABUAA与砂型铸造相比，这种铸造方法具有下列特点：1．铸件尺寸精度较高 造好型后不起模、不分型，没有铸造斜度和活块，在许多情况下取消砂芯，有时砂芯只用来制造水平小孔。避免 普通砂型铸造时因起模、组芯及合箱等所引起的铸件尺寸误差和缺陷，提高了铸件尺寸精度。例如，某厂采用普通砂 型铸造尺寸为φ
毫米的水轮机转轮体铸件时，铸件尺寸偏差常达 10 毫米以上，废品率高。采用实型铸造 后，铸件尺寸平均偏差小于 3 毫米。采用无粘结剂干砂实型铸造钢件，铸件很少产生热裂缺陷。 2．增大了设计铸造零件的自由度 在设计机械产品时，必须对铸造零件进行结构工艺分析，包括该铸件结构是否合理，制模、起模、下芯是否方便， 铸件的尺寸精度及冶金质量能否保证等。实型铸造由于模样没有 分型面，不存在分型起模等问题，因而改变了砂型铸造时铸件结构工艺性的内涵，很多普通砂型铸造难以实现的问题而在实型铸造时根本不存在任何困艰，产品设计 者可根据总体的需要设计铸件的结构，增大了设计铸造零件的自由度。 3．简化了铸件生产工序，缩短了生产周期，提高了劳动生产率 实型铸造采用泡沫聚苯乙烯塑料制模比用木材或金属制造模的过程简单得多，加工容易，粘合方便，制模效率一 般可提高 l 一 3 倍。在多数情况下不用砂芯，省去芯盒制造、芯砂配制、芯骨准备、砂芯的制造及烘干等工序。造型 时，不起模、不修型、不下芯和配箱等。造型效率可提高 2―5 倍。同时，降低了劳动强度，改善了劳动条件。 4．提高冒口的金属利用率 实型铸造的冒口模样也是采用泡沫聚苯乙烯塑料制成的，由于不起模，可安放在铸件上的任何位置，可制成所需 的各种形状，包括半球形的暗冒口，可显著地提高冒口的金属利用率。 5．减少材料消耗，降低铸件成本BUAABUAA采用实型铸造可节省大量木材，所用的泡沫塑料模的成本，一般只为木模的三分之一左右。如果采 用无粘结剂干砂实型铸造，可节省大量的型砂粘结剂，砂子可以回用，型砂处理简单，所需的设备 少，可节省投资 60―80％左右。就总体来说，实型铸件的制造费用，一般比普通砂型铸件便宜。 实型铸造也存在一些尚需进一步研究和完善的问题 泡沫聚苯乙烯塑料模只能浇注一次，每生产一个铸件就消耗一个模样，增加了铸件的成本；泡 沫塑料的密度小、强度低，若采用普通型砂造型，模样容易产生变形，影响铸件尺寸精度；泡沫聚 苯乙烯塑料模样在浇注过程中气化、燃烧，产生大量的烟雾和碳氢化合物，影响工人浇注操作和车 间的环境卫生；对于具有凹深空腔、形状复杂的铸铁件，采用实型铸造，铸件容易产生皱皮缺陷； 铸钢件采用实型铸造时，铸件经常产生渗碳现象。BUAA二、实型铸造的发展及应用实型铸造是美国于 1956 年首先研制的，并于 1958 年获得专利。在研制初期，主要用来铸造金 属工艺品，如当时麻省理工学院采用这种方法铸造重达 150 千克的飞马铸件。1961 年在美国底特律 举行的国际铸造学术会上介绍了这项新工艺，引起全世界铸造工作者的极大兴趣。当年西德引进这 项专利，1962 年就在铸造生产中应用，并在 1963 年举办的世界铸造博览会上展出部分实型铸件。至 1967 年，西方发达国家 150 多家铸造企业，正式成立了国际实型铸造协会，共同研究如何加速实型 铸造的开发。 在 60 年代里，西德经常发生广商取消铸件的订货而改用焊接结构件，其原因是由于采用铸造方 法生产单件或小批这类铸件的成本高，铸件交货时间过长。但近些年来，情况发生很大变化，采用 实型铸造生产的结构件不断增加，而焊接构件日益减少。采用实型铸造生产 具毛坯，具有显著的优点，可减轻铸件毛坯的重量，降低铸件的成本。 汽车工业用的冲压模BUAA由于实型铸造的推广应用，救活了一大批中小型模具铸造厂。这种铸造方法已在铁路、造 船、电讯、机床和艺术品等工业中广泛应用。 为了解决泡沫聚苯乙烯塑料模的强度低，造型时容易变形的问题，世界各国不少铸造 工作者进行了大量的研究。1960 年西德的 H．内伦和美国的 T．R．史密斯发明了于砂造型 法，即采用无粘结剂的干石英砂造型。松散干石英砂的流动性好，可充填到模样的周围， 稍加震动就可紧实，铸件凝固后，将铸件及石英砂方便地倒出来。于石英砂造型法的出现， 扩大了实型铸造的应用范围。但是干石英砂毕竞是“一盘散砂” ，强度低，浇注时容易产生 崩溃现象，为了克服这一缺点，美国的铸造工作者提出借助磁场的作用，并采用铁丸代替 于石英砂的方法，这种方法很快被西德所发展，发明了磁型铸造法。BUAA为了保持无粘结剂干石英砂造型的优点，克服其缺点，1968 年日本把真空技术与实型铸造结合起来。 即采用泡沫聚苯乙烯塑料制成模样，造型时填入干石英砂并抽真空，改善了型砂的充填条件，提高 了铸型强度，消除了铸型在浇注时产生崩溃的现象，减少了污染。这种新的造型技术的出现，使实 型铸造的应用范围迅速扩大。 近来又出现真空干砂浮动造型法。造型时，在砂箱内通入压力为 0.1―― 0.2MPa 的压缩空气， 使干砂浮动起来，将塑料模样插入浮动的砂里，然后加以震动，使砂子预紧实。随后抽真空，使铸 型具有足够的强度，并在真空条件下浇注，待铸件凝固、冷却后，取出铸件。采用这种方法可生产 较复杂的铸件。 实型铸造自 1962 年用于生产以来已有 30 多年，在前一阶段，由于受专利权的限制和某些技术 问题没有得到解决，因此发展较慢。1975 年以来，由于专利期满和某些技术得到解决，使这种铸造 方法迅速地发展。一般把实型铸造的发展过程分为两个阶段：第一阶段是从 60 年代至 70 年代为旧 的实型铸造法阶段；第二阶段是从 80 年代开始至今，为新的实型铸造法阶段。BUAA近 20 多年来，实型铸造设备的发展比较迅速。1980 年日本在广岛附近建成世界上第一座实型铸 造厂，专门生产冲压模具设备和通用机械铸件，年产量为 1500 吨。1983 年美国福特汽车公司的铸铝 厂建成一条实型铸造生产线，生产进气岐管等铸件。该厂将外购来的铸件及浇冒口的气化模，采用 自动粘合成模样，用机械手浸涂料，用连续的输送器将模样送往煤气烘干炉中烘干，造型时有三个 方向可使砂箱震动，型砂得到紧实。BUAA第三章磁型铸造第一节概述一、磁型祷造的实质及特点 磁型铸造是德国 A．维特莫塞教授在研究实型铸造的基础上发明的一种新的铸造方法。它的基本 方法是用泡沫聚苯乙烯塑料制成气化模，在其表面上刷涂料，放进特制的砂箱内，填入磁丸(又称铁 丸)并微震实，再将砂箱放在磁型机里通电，使磁丸相互吸引，形成强度 好、透气性高的铸型。浇 注时，气化模在液体金属的热作用下气化消失。金属液取代了气化模，磁丸恢复原来的松散状态， 方便地取出铸件。下图为磁型铸造原理示意图。 磁型铸造用气化模的材料与实型铸造基本相同，所用的铁丸在未通电时与无粘结剂的干砂一样， 具有良好的流动性，可充填到砂箱的各个部位。磁型铸造的实质是采用铁丸代替型砂及芯砂，用磁 场应力代替铸造粘结剂，用泡沫塑料气化模代替普通模样的一种崭新的铸造方法。BUAABUAA与砂型铸造相比，磁型铸造具有以下的特点：(1)提高了铸件的质量 磁型铸造采用气化模造型，可不分型、不起模，在一般的情况下不用砂芯，且铸件很少产生飞边、毛刺、错箱和 偏心等缺陷。铸件的尺寸精度较高，比砂型铸件高 1―2 级，铸件表面光洁度也比砂型铸件高。 磁型铸造采用铁丸作为造型材料，不含粘结剂，铁丸的颗粒均匀，流动性及透气性好， 不含水分，发气性小， 铸件产生气孔、夹砂等缺陷少。磁型的冷却速度比砂型约大 3 倍以上，但无一般金属型的激冷作用，改善了铸件的凝 固条件，细化了金属组织，提高了铸件的机械性能。 (2)所需的工装设备较少，通用性较大，且易于实现机械化及自动化 磁型铸造不需要造型、制芯及型砂处理设备。所用的工装设备少，通用性大。一条磁型生产线可以生产几十种甚 至上百种不同品种及规格的铸件，可将单件生产的几种铸件混合装 在一个砂箱里进行浇注。简化了铸件的落砂清理 设备。一般说来，磁型铸造生产线的投资约 为砂型铸造生产线的 20―40％。 (3)节省金属材料和其他辅助材料的消耗 磁型铸件的尺寸精度较高，铸件的机械加工余量较小，铸件产生飞边、纰缝等缺陷少。 浇注时可采用中浇、叠 浇和组合浇注等工艺方法，减少浇冒系统的金属消耗，提高了金属利用率。据统计，磁型铸造金属利用率约比砂型铸 造高 10―30％。 磁型铸造所需要的型砂、芯砂及粘结剂很少，不需要芯骨、铁钉及型芯撑。所用的铁丸可重复使用。所需要的辅 助材料少。 (4)降低了劳动强度，改善了劳动条件 磁型铸件的清理工作少，据大连机车车辆厂对闸瓦托铸件的统计，采用砂型铸造时，每 个铸件所产生的飞边长 达 1．5 米左右，全年清理的飞边长度达 30 多千米，清理量大。改为磁型铸造后，铸件基本上没有飞边等缺陷。 磁型铸造不要配制、运输型砂，落砂容易。埋模、浇注、落砂等工序紧凑，可集中采用吸尘排烟设备，减少污染， 改善了劳动条件。 (6)降低铸件成本，提高了经济效益 磁型铸造的生产面积较小，设备投资少，原材料消耗较省，金属的利用率高。据鞍钢机总西部机修厂对炉爪铸 件的统计，钢水的实收率由原来砂型铸造的 48．5％提高到 78％，铸 件成本降低 15％以上。BUAA二、磁型铸造的发展及应用1968 年在西德杜塞尔多夫的铸造博览会上首次展出磁型铸造设备，引起各国铸造工作者极大兴 趣，纷纷开展试验推广。西德有家汽车制造公司采用这种铸造方法生产汽车缸头零件。零件重 15.5 千克，有 4 个排气孔和挺杆机孔，内部形状复杂，要求较高。原采用砂型铸造，质量不稳定，采用 磁型铸造生产几千件，质量良好，该生产线的产量为每小时 2000 件。 西德有的工厂采用磁型铸造生产球铁的异形管和管接头铸件，铸件的尺寸精度较高，性能良好。 比利时有家工厂采用磁型铸造生产含铬为 30％的钢链条铸件。每个链条的单环外径为 100 毫米，每 4000 个连成一串。采用砂型铸造时，在每个链条的内外表面上有长为 O．5 米的毛刺纰缝。当时生产 500 万个，其纰缝长度达 2590 千米，改用磁型铸造生产后，消除了毛刺纰缝缺陷，节省了大量清理 铸件工时。 日本有好多家公司采用磁型铸造生产各种铸件，日本三菱公司已有成套的磁型铸造生产线设备 出售，其中包括填充铁丸，浇注、冷却、取出铸件，倒出铁丸、铁丸的冷却及运输等部分。目前， 美国、西欧、日本及苏联等国家，先后采用磁型铸造生产碳钢、合金钢、球墨铸铁、可锻铸铁、普 通灰口铸铁和有色合金铸件。BUAA我国济南铸锻机械研究所于 1970 年对磁型铸造进行试验研究，1973 年与河南开封台钳厂协作，建 立了我国第一条磁型铸造生产线，生产出合格的铸件。随后国内有几十家工厂相继地进行推广应用。 铁道部大连机车车辆广从 1975 年到 1980 年采用磁型铸造生产铸件 1800 吨，共 35 万余件，质量良好。 长春第一汽车制造厂从 1976 年开始采用磁型铸造生产可锻铸铁减速器外壳和后轴承盖等铸件， 提高了铸件质量。目前磁型铸造已在我国的机车车辆、农用机械、化工机械、通用机械以及国防工 业生产中推广应用。磁型铸件的材质包括普通碳钢、低合金钢、不诱钢、高锰钢、球墨铸铁和可锻 铸铁等。铸件的最小重量只有几百克，最大达几百千克。 磁型铸造从 1967 年开始用于生产至今已有 30 多年，但目前仍然限于部分中小型铸件，发展较 慢。其主要原因是在发展过程中遇到了一些技术难题没有得到及时解决。在开始阶段，人们对磁型 铸造的发展主流方向作了错误的判断。原先认为磁型铸造主要是磁场成型问题。直到 80 年代才认识 到主要是气化模的制造及涂料问题。目前对于铸钢件渗碳以及大型磁型机的设计等问题，有待于进 一步研究解决。BUAA第四章石墨型铸造第一节概 述一、石墨型铸造的实质及特点 石墨型铸造是用高纯度的人造石墨块经机械加工成型或以石墨砂作骨材添加其他附加物制成铸 型，浇注金属，凝固后获得零件毛坯的一种工艺方法。石墨具有导热快、热容量大、热膨胀系数小、 热强度高、化学稳定性好、常温强度不高、硬度低、容易加工等特点。BUAA石墨型铸造与砂型、金属型铸造相比，具有以下特点： (1)铸型的激冷能力强 铸型的蓄热系数比较大，大约是砂型的 10―12 倍；金属液注入铸型后迅速冷却，可获得较大的结晶 过冷度，有效晶核的临界尺寸减小，晶粒得到细化。加速结晶过程，有助于减轻铸件的偏析。凝固快可使 金属液中溶解的气体在凝固时不易析出，能消除或减轻针孔缺陷。因此，铸件的机械性能和耐压性都可得 到提高。 (2)铸件表面光洁度和尺寸精度高 用石墨型浇注铸件时，由于石墨的热化学稳定性好，熔融金属与铸型接触时一般不发生化学作用，金 属不易粘附型壁，铸件表面光洁度高。石墨型受热尺寸变化很小，不易发生弯曲、变形，故铸件尺寸精度 高。如用熔模石墨型浇注的钛合金铸件的光洁度高，尺寸公差可达 0。12?毫米／米。 (3)劳动生产率较高 劳动生产率比砂型铸造可提高 3――10 倍。 (4)生产成本低，周期短，适应性强 用人造石墨加工制成的石墨型浇注铸件，具有和金属型相同的效果，且制造一个石墨型周期短，石墨 便宜。因此，用石墨型铸造成本低，受铸件复杂程度的影响较小，而且灵活性大，可用于单件或批量生产。BUAA我国从 60 年代开始将石墨型用于铸造生产，1965 年上海汽轮机厂、上海中华造船厂等单位就应用石 墨型浇注铝合金和铜合金铸件。目前，生产的铸件外廓尺寸已从几十毫米到 2000 毫米；壁厚从 3 毫 米到 60 毫米以上；重量由 0.15 千克到 500 千克(带浇冒口达 700 多千克)；形状从简单的罩壳、盖 子、动轮乃至复杂的汽缸盖、增压器转子、油泵体、螺旋桨等铸件。近年来，我国也在开展石墨型 铸造钛合金的应用研究。如 621 所利用熔模精铸石墨型成功地浇注了开式透平叶轮、传动机壳体、 人工钛合金关节等 10 多种零件，其内部质量接近国外同类铸件的水平。大连耐酸泵厂采用石墨型生 产钛合金泵体，尺寸精度和表面质量都达到技术要求。 石墨型不仅可用于重力浇注，而且可用于低压、反压、离心浇注，还可用于连续浇注，如日本 神户铸铁公司用石墨型作为连续挠注棒材的模具。 石墨型铸造目前还存在一些问题，如在机械加工石墨块时，石墨粉尘飞扬，污染环境。手工加工 时，石墨易碎、易剥落，修补困难，工人的技术要求高，且加工石墨型的使用寿命较短，浇注铝铸 件为 300―1000 件，铜铸件为 100―200 件。这就使得这种铸造方法的推广受到限制。BUAA二、石墨型铸造的发展及应用： 国外，石墨型铸造除了用于浇注有色合金和黑色金属铸件外，美国、英国、意大利等西方一些工 业发达的国家和俄罗斯等目前都采用石墨型生产钛合金铸件。库勒于 1949 年首次用高纯度的人造石 墨加工成石墨型浇铸出第一个钛铸件。由于加工的石墨型浇注的钛铸件表面会生成一层渗碳层，即 所谓“ α ”层，它的硬度很高，在力的作用下容易产生微裂纹，需要吹砂和酸洗。所以，现在这种 铸型已很少用来生产钛合金铸件。以后发展为捣实石墨型，它是以石墨砂为基本造型材料，加入有 机粘结剂捣实而成，但仍不失石墨型的优良特性。目前，西方一些国家应用的钦合金铸件大约 80％ 以上是采用此法生产的，铸件最重达 700 千克。捣实石墨型的缺点是铸件尺寸精度较低，工艺流程 较长，铸件局部容易产生化学粘砂。当采用卤化物粘结剂时对设备腐蚀严重，而且也有损于操作人 员的身体健康；以石墨作耐火材料，以碳质有机化合物作粘结剂制成的熔模石墨型，是由美国豪麦 特公司首先发表的一项专利，并用于生产航空精密钛合金铸件。60 年代末，加拿大冶金工程师理查 德又开创了适合于锌合金的石墨型铸造，并研制成功适合于石墨型铸造新的锌铝系合金材料，改变 了过去锌合金只能进行压铸的旧观念。目前，锌合金石墨型铸造己发展到半自动化生产，其生产率 介于压力铸造和熔模铸造之间，石墨型的寿命达 2―5 万次。这种方法特别适宜多孔小孔的锌合金铸 件。石墨芯直径可小到 10 毫米，尺寸精度高，如电视发射监测器隔板铸件有 36 个小孔，其孔位公 差小于± 0.127 毫米。目前，在美国、加拿大、英国、法国及北欧一些国家，这种铸造方法正作为 一项新的铸造技术继续开发研究。BUAA第五章反压铸造第一节概述一、反压铸造的实质、分类及特点 反压铸造又称“压差铸造” 。其实质是使液体金属在压差作用下，充填到预先有一定压力的型腔 内，进行结晶、凝固而获得零件毛坯的一种工艺方法。 反压铸造按工作时下压力筒内充气压力的大小不同，可分为三类： (1)低压反压铸造，充气压力为 0.5――0.6MPa； (2)中压反压铸造，充气压力为 5――10MPa； (3)高压反压铸造，充气压力大于 10MPa。BUAA反压铸造按压差产生的方式不同，又可分为增压法和减压法。其工艺过程如图所示BUAA1.增压法 增压法的工艺过程在上下压力筒充气，在充气压力同时达到 P 时，关闭上压力筒阀，使下压力 筒继续冲气，升液管内的金属液依靠压力充满铸型。 2．减压法 减压法的工艺过程在上下压力筒充气阶段与增压法相同，在充气压力同时达到 P 时关闭 分阀 J 和互通阎 D 后；此时，减压法则开启排气阀 C，使上压力筒的压力由 P 逐渐降至额定结晶压力 P2 从而，使上下压力筒之间产生压差Δ P＝P- P2 坩埚内的金属液在压差Δ P 的作用下升液、充型。待充 填完毕后，关闭排气阀 C，保压一定时间。至铸件全部凝固后，开启互通阀 D，而后打开徘气阀 C， 使上下压力筒同时排气，完成一次浇注循环。减压法的工艺过程类似于真空吸铸，所不同的是减压 法是在较高的压力下吸铸。 从以上工艺过程可见，减压铸造虽然和低压铸造 (或真空吸铸)一样，金属液是在压差作用下沿升 液管上升充型的，但反压铸造在充型过程中型腔内始终有较大的反压作用存在，且铸件的结晶凝固 又类似于压力釜铸造，是在额定的结晶压力下完成的；这使反压铸造既有低压铸造、真空吸铸的优 点，又有压力釜铸造的优点。BUAA其主要特点表现在下述几方面：(1)充型速度可以控制 反压铸造的充型压力和型腔内的反压力均可以随意调节，能够针对同一铸件、不同的高 度给出最佳的压力差， 以获得最佳的充型速度。低压铸造虽可调节充型压力，但充型时型腔 内空气受热膨胀，给金属液的反压力是变动的， 不可调节的，因而无法准确地控制最佳充型 速度。反压铸造由于型腔内有较高的反压力，比起低压铸造更不容易引 起金属液喷射、飞 溅，因而能实现平稳充型，避免液流氧化、卷入气体和冲刷型壁，为铸造冶金质量要求高的大型 复杂铸件提供了有利条件。 (2)铸件成形性好、表面光洁度高 反压铸造时，金属液是在高的反差下充填成形的，所获得的铸件轮廓清晰；这对于薄壁 铸件的成形更是有利。 目前，生产上已能用反压铸造浇注出壁厚为 0．5 毫米左右的薄壁波导管。反压铸造的高压气体充塞于砂型空隙，且 在金属液与砂型之间形成一层气相保护层，将两者隔开，以减少金属液对铸型的热力及化学作用，从而提高了铸件的 表面光洁度。 (3)铸件晶粒细，组织致密，机械性能高 金属在高压下结晶凝固，初凝枝晶在压力作用下会发生变形、破碎，而且冷却速度快，因而晶粒细小。同时，压 力作用能提高补缩能力和抑制金属液中气体析出，使疏松和微观气孔大为减少。由于铸件组织致密，晶粒细小，所以 铸件的机械性能和使用性能均得到明显提高，且铸件的壁厚效应小。反压铸件的机械性能比低压铸件高，如抗拉强度 可提高 20―30％，延伸率则可提高 2 倍左右。所以，在不降低铸件结构强度的情况下，可减薄铸件的壁厚；还可以 用一般材料的反压铸件取代昂贵材料的普通铸件。 铸件不同壁厚处的机械性能相差不大，使得无论是厚壁件、 薄壁件以及壁厚不均匀件都可以采用反压铸造法生产。BUAA(4)可以实现可控气氛浇注在反压铸造设备中，合金液和铸型型腔上部气相中气体分压可以控制，即每种气体的分压比例 能满足含气量的要求。据此，反压铸造就可以实现可控气氛浇注。如果使合金液面上的气相中有害 气体的分压宠于零，则可生产出该有害气体量非常低的铸件。若需要合金中某种气体的含量较高时， 可以在合金凝固过程中将这种气体的分压升高，则该气体会溶解到铸件中去，从而实现金属的气体 合金化。 (5)提高了金属利用率 在反压铸件的凝固过程中，浇注系统中的金属液保持与升液管内金属液连通，铸件凝固收缩所 需要的金属液可以不断地得到来自内浇口金属液的补充；加之压力对金属具有很强的挤滤作用和产 生塑性变形作用，使得反压铸造的结晶条件和补缩条件大大提高，从而强化冒口的补缩效果，冒口 尺寸可相应减小。有时甚至不设置冒口也可以获得无缩孔和缩松铸件。 (6)劳动条件好 由于反压铸造合金的熔化以及浇注都是在密闭的压力筒内进行的，所产生的有害气体便于引出 处理；而且反压铸造设备系统可以实现自动控制。所以劳动条件和生产现场的环境较好。BUAA二、反压铸造的发展和应用反压铸造技术是国外 50 年代开发的一种铸件浇注成形工艺。1961 年，由保加利亚的巴别夫斯基.阿和奇莫夫.依 正式提出反压铸造并获得世界专利。由于这种铸造方法兼有低压铸造和压力釜铸造的优点，并能解决上述两种铸造方 法所不能解决的生产技术问题，所以这项铸造工艺，引起了世界铸造行业的重视。先后有美国、英国、日本、苏联、 法国等国家引进了这项专利，并成功地用于生产铝合金、锌合金铸件以及铸铁、铸钢等黑色金属铸造。其中汽车发动 机及轮毂等零件的生产占相当大的比重。 20 多年来，保加利亚的反压铸造生产发展非常迅速。在铸造技术及设备方面具有相当的优势；设备制造已形成 系列化，并向十几个国家提供 200 多台不同规格型号的专用反压铸造机。目前，在保加利亚铸造业中，反法铸造己成 为一种很重要的铸造生产方法。目前生产铸件已达 1000 多种。还新建了一座年产 l 万吨铝铸件的反压铸造生产车间， 配有 5 台容量为 500 千克的感应炉。生产的铝合金铸件有电机壳阀门、叶轮、汽缸体、汽缸盖、引擎缸头、小汽车“钢 圈”液力耦合器转子、活塞等。 近几年，保加利亚的反压铸造技术又得到进一步发展。运用充型和凝固过程中气氛可控的特点，开发了“气体合 金”新技术。用可控气氛反压铸造生产含氮合金钢和合金铸件；浇注成的含氮合金钢的强度比普通钢提高 2―3 倍。 目前已生产出能浇注 1.5 吨含氮合金钢锭的反压铸造设备和能浇注 0.5 吨含氮合金钢铸件的反压铸造设备。同时扩大 反压铸造技术的应用范围。BUAA我国反压铸造技术的研究和应用比较晚，从 70 年代开始，只有少数几家工厂用于个别重要的铝合 金和镁合金铸件的生产。1977 年，上海新江机器厂采用反压铸造方法代替低压铸造，成功地浇注出 大型薄壁镁合金壳体铸件， 比较好地解决了镁铸件容易产生疏松、 显微气孔和二次氧化夹渣问题。 1976 年上海交通大学等单位采用反压铸造法生产出铝合金壳体铸件。80 年代以后，反压铸造法发展得比 较快，一些研究所和大专院校都在开展反压铸造的基础理论研究及设备研究。西北工业大学研究了 反压铸造石膏型浇注薄壁复杂铝合金铸件的凝固基本规律及其对铸件质量的影响。哈尔滨工业大学 将“CLP 型差压铸造液面加压控制系统”应用于减压法反压铸造设备中，成功地浇注出大型薄壁筒形 铸件，铸件的表面光洁，轮廓清晰。 目前，国内已有不少厂家采用这种铸造方法生产出各种铸件。上海船用柴油机研究所从 1981 年 起对反压铸造设备及其在铝合金砂型铸造上的应用研制，到 1983 年已能浇注增压器涡轮进气壳、活 塞等几十种不同大小及形状的铝合金铸件。 反压铸造法具有独特的优点，引起铸造行业的重视。但从目前国内的应用情况来看，还不够普 及。可以预计，随着对反压铸造基础理论的深入研究和技术水平的不断提高，以及从事反压铸造技 术行业生产联合实体的产生，这种铸造方法在我国铸造生产中将会发挥应有的作用BUAA第六章挤压铸造第一节概述一、挤压铸造的实质、分类及特点 挤压铸造的实质是对定量浇入铸型型腔中的液态金属施加较大的机械压力，使其成形、结晶凝固 而获得零件毛坯的一种工艺方法。这种工艺方法也曾称为“液态金属模锻” 、 “液态金属冲压” 、 “液态 金属锻造” 、 “冲头压力结晶”等。国际压铸学会统一定名为“Squeeze casting” 。根据译意，国内统 称为挤压铸造。 挤压铸造的工艺过程如图所示。BUAABUAABUAA其步骤如下； (1)铸型准备 清理型腔，喷刷涂料，对铸型预热(或冷却 )，将铸型温度控制在所需的温度范围 内，并使铸型处于待浇的状态。 (2)浇注 将定量的金属液浇入铸型内。 (3)合型加压 将上下型锁紧，依靠冲头的压力使液态金属充满型腔，升压并在预 定的压力下保持一定时间，使液态金属在较高的机械压力下结晶凝固。 (4)开型取铸件 卸压、开型、顶出铸件。 钦压铸造的工艺形式有多种，按成形时液体金属充填的特性和受力情况，可分为柱塞挤 压，直 接冲头挤压、间接冲头挤压和型板挤压等四种形式。BUAA柱塞挤压铸造是用柱塞作为加压冲头，施压于凹型里的液体金属，保压至铸件完全凝固。加压时， 液体金属基本上不产生充型运动。这种工艺方法主要适合于形状简单的厚壁铸件及铸锭。直接冲头 挤压利用成形压头，在合型时把它插入液体金属中，使部分液体金属上流充填全部型腔，继续升压 和保压至铸件全部凝固；加压时，液体金属进行充型运动。这种工艺方法没有浇注系统，浇入的液 体金属全部成为铸件，铸件的高度取决于浇入的金属量可用于壁较薄、形状较复杂的铸件。间接冲 头挤压铸造的冲头，其作用除将液态金属挤入型腔外，还通过由冲头和凹型组成的内浇道，将压力 传递到铸件上。由于铸件是在已合型闭锁的 型腔中形成，它不受金属浇注量的影响，因而铸件尺寸精度高。但冲头不直接而只部分加压于铸件上，因此，加压效果较差。而且铸件上留有料饼及内 绕道，金属利用率较低。这种工艺适合于产量较大，形状较复杂的中小型铸件。BUAA型板挤压铸造是一种特殊的挤压铸造形式。其工艺过程是：向半开的楔形型腔中浇注液体金属， 开动动型向静型合拢，液体金属被挤压上升并充填型腔，多余的液体金属外溢，在压力的作用下结 晶凝固。这种工艺的特点是：合型时，上升的液体金属与型壁接触后结晶成一层很薄的硬壳，随着 液态金属的上升，结晶层沿型壁不断生长，最后结晶硬壳中间多余的液态金属被挤出型外，两硬壳 层被挤压成为整体的铸件，这种工艺方法适合于大型整体薄壁铸件。BUAA按加压时型腔中金属的温度，可将挤压铸造分为液态成形和半固态成形两种： 所谓液态成形，就是将金属液浇入铸型后立即挤压成形。 所谓半固态成形是指将金属液浇入铸型后，待一定时间使其呈半固态时再加压成形，而且压力 一直作用至金属完全凝固。这种工艺方法最早始于用摩擦压力机进行的挤压铸造。因摩擦压力机的 压力和速度无法调整，冲击力大。若采用液态金属挤压，金属液会产生喷溅。目前采用的挤压铸造 机所使用的压力及速度虽然可调，但很多工厂仍然采用半固态金属浆料挤压成形，即在“零流动性 温度”挤压成形。金属低于这一温度便失去流动性。在这温度下进行挤压，压力将使液体金属进入 已凝固的树枝晶间，补缩到刚刚收缩的细孔中，提高了金属的致密性。 半固态浆料中的固体有枝晶状和球状的。利用流变铸造的液―固混合浆料来挤压成形，其固体 为球状质点。BUAA挤压铸造是介于铸造与锻造之间的一种新工艺方法，它兼有二者的一些优点。与压力铸造相比，其 特点是： (1)压力铸造时金属在高压作用下，以极快的速度充填铸型，卷入气体，型腔里的空气也难全部 排出，铸件中气体的含量较多，不能热处理。挤压铸造金属液直接浇入型腔中而不经过浇注系统， 吸气少，铸件可进行热处理。 (3)压力铸造时金属液的流程长，冷却凝固快，而且浇道里的金属液比铸件先凝固，压力不可能 维持到铸件结晶凝固终了，铸件得不到补缩。因此，铸件厚壁处的组织难以致密，晶粒也较粗大。 挤压铸造时没有浇注系统，金属液在压力作用下充型，结晶凝固，补缩效果好，晶粒较细，组织致 密均匀。 (3)压力铸造的模具结构复杂，加工工时多，加工费用高，金属的利用率低。挤压铸 造的模具结构较简单，加工费用较低，寿命较长，金属的利用率较高。BUAA与锻造相比，挤压铸造具有如下特点： (1)锻件的机械性能一般比挤压铸件高，但通常存在各向异性，尤其是塑性指标在纵向与横向之 间的差别很大，横向低得多，限制了锻件的应用。挤压铸件的机械性能虽稍低于 锻件，但只要工艺正确，其机械性能可接近或达到锻件的水平，且各向性能均匀。 (3)挤压铸件的成形是压力作用在封闭的型腔里的液态金属使其结晶凝固而成的，而锻件是压力 作用在固态金属上形成的。前者所需的压力比后者小得多，所需设备的功率比锻 造小 65――75％。 (3)挤压铸造为一次成形，生产率高，劳动强度较低，能源消耗低。 (4)挤压铸件的尺寸精度及表面光洁度比锻件高，其尺寸精度和表面光洁度均比熔模精密铸件 高，加工余量小，一般为 0.5―2 毫米，因此，所用的金属料少，成本较便宜。锻件要达到上述的尺 寸精度和表面光洁度是相当困难的。 (5)挤压铸造适用于多种合金材料，包括铸造铝合金、锌合金、铜合金、铸铁、铸钢以及部分变 形合金，而锻造的材质却很有限。BUAA总之，挤压铸件的尺寸精度及表面光洁度高，铸件的加工余量小，无需设置浇冒系统，金属的利 用率高；铸件组织致密，晶粒细化，机械性能较高；可用于各种铸造合金和部分变形合金，适应性 广；工艺过程较简单，节省能源及劳力，容易实现机械化和自动化，生产率高，一般比金属型铸造 高 l 一 2 倍。 挤压铸造工艺也存在一些问题，主要表现在：由于没有浇冒系统，浇铸到铸型型腔内金属液中 的氧化夹杂物无法排除，因此，对金属液的质量要求此普通铸造严格，应采用熔剂进行精炼或对金 属液进行过滤，除去金属液中的氧化夹杂物，如果不注意对液态金属中夹杂物的处理，将会失去挤 压铸造的优越性。目前挤压铸造设备的选型及生产尚存在一些问题，国内的挤压铸造设备大都采用 各种类型的液压机或摩擦压力机，给挤压铸造生产带来不便，例如，挤压铸造工艺要求尽量缩短浇 注至加压之间的时间，要求机器的空程下降速度尽量地快，而液压机就很难达到。挤压铸造时，在 大多数的情况下，定量浇注的精确性决定了铸件高度方向的尺寸精度，因此，要求定量浇注装置必 须准确。挤压铸造工艺涉及到金属学、热力学和结构力学等学科，尚有大量的技术问题需要研究。 例如，金属及合金在高压下的结晶凝固特点与在重力作用下不同，其熔点、状态图、热物理参数、 晶核形成与长大，气体的溶解及析出，第二相的分布与形态等都将发生重大变化，它将直接影响铸 件的质量。目前这方面的研究工作有待于进一步加强与发展。BUAA二、挤压铸造的发展及应用挤压铸造工艺已有 60 多年的历史，早在 30 年代，前苏联就对挤压铸造进行研究并应用于实际生产。到 60 年代 中期，前苏联已有 150 家工厂采用此项工艺，生产 200 多种零件，其中小的只有几十克，重的达 320 千克。随后不少 国家对此项工艺感兴趣，到 70 年代，日本采用千吨以上的液压机生产万吨轮用的铝活塞铸件(φ 400×600 毫米)、绕 线轴铝铸件(φ 762 毫米)以及形状复杂的轮毂、轮盘和轮缘等铸件。 我国在 50 年代中期就对此项工艺进行研究，到 60 年代有广东仪表厂、西安仪表厂和沈阳东北机器制造厂等单位 用于实际生产。到 80 年代初，全国已有几十家工厂采用此项工艺生产近百种的产品。目前，挤压铸造已用来生产铝 合金、钢合金、铸铁和铸钢的各种铸件。武汉水运工程学院在国内首先对间接加压凝固法的挤压铸造工艺进行研究、 生产，并出口数万件铝铸件，质量达到国际同类铸件的水平。五二研究所采用挤压铸造生产的铝合金铸件，其抗拉强 度达 600MPa。北京仪器厂采用变形铝合金生产高速真空泵零件，性能良好，代替了原来的锻件，金属利用率比锻件 提高 28．4％。 铜合金的挤压铸造工艺目前已较成熟，各种铸造青铜和黄铜均可采用挤压铸造，产品既有实心的齿轮、蜗轮和管 接头等铸件，也有形状较复杂的电器元件和高压阀体等。 黑色合金的挤压铸造在国外于 50 年代末已用于生产，但由于铸型材料和某些工艺问题没有很好解决，故发展较 慢。近 10 多年来有了较快发展，采用挤压铸造生产的黑色金属铸件日益增多。生产的铸铁件如刹车毂、管接头、齿 轮等，尤其是生活用的铸铁锅、很多工厂采用挤压铸造生产，锅壁薄且均匀，质量好，产量高。采用挤压铸造生产的 铸钢件有普通机械零件和军械零件，如锻模、轮盘以及导弹零件等。BUAA目前，国内外对挤压铸造研究的重点是努力解决受力大、形状复杂的有色合金铸件的挤 压铸造，不断提高黑色金属挤压铸造模具的寿命。把挤压铸造与其他工艺方法结合起来， 例如，把挤压与振动联合使用，以细化合金组织，提高铸件性能；进一步开发新型材料 的挤压铸造，采用挤压铸造生产复合材料( 液态金属与其他固态金属、金属材料与非金 属材料) 的零件，不仅生产成本低，技术容易掌握，而且性能好、强度高，是一种有发 展前途的工艺方法；发展半固态挤压技术，降低金属的挤压温度，以减小模具的热负荷， 提高模具寿命等。BUAA第七章悬浮铸造第一节概述一、悬浮铸造的实质及分类 悬浮铸造又称悬浮浇注，可分为外生悬浮铸造和内生悬浮铸造两种。 外生悬浮铸造是在浇注过程中，将一定量的金属粉末加入到金属液流里，使其与金属液流掺和 在一起流入型腔，在金属液中引入外来晶核，提高了铸件的凝固速度，增强了容积凝固的一种铸造 方法。 内生悬浮铸造是采用各种特殊的工艺方法，以强制的手段，使合金液中形成结晶核心的质点； 或由于合金组元间的化学反应，使铸件在凝固时获得晶核。即金属液中的固相质点不是外加的，而 是活化内在的晶核。这种悬浮铸造方法在金属中将不会产生附加的非金属夹杂物。但这种方法的工 艺及设备比外生悬浮铸造复杂得多。采用机械搅拌使合金液中形成结晶核心的方法，又称为流变铸 造，已发展成为一种新的铸造方法。本课程讨论的是外生悬浮铸造。BUAABUAA悬浮铸造时，金属粉末既不是加到浇包里，也不是直接加到铸型型腔里，而是在浇注过程中加到 浇注系统里。如将金属粉末加到浇包里，将会显著地降低金属液的温度，而直接加到铸型型腔里， 金属粉末很难均匀分布。因此，悬浮铸造铸型的结构与普通砂型是有差别的，主要表现在浇注系统 的结构，如图所示，它有一个离心式集液包。当金属液从浇口杯沿着斜面呈切线方向进入集液包后， 绕其中心线旋转后再通过直浇道流入型腔。由于金属液旋转的结果，则在集液包中形成一个漏斗形 的空穴，产生负压，吸住供料斗 1 撤下来的金属粉末，并将其卷入液流中去，使金属粉末不致于粘 附在绕道壁上。生产实践证明，金属粉末在浇道里是逐渐散开的，均匀分布在金属液里，并随金属 液流入铸型型腔里。这样流入型腔里的不再是通常过热的金属液，而是含有固态颗粒的悬浮金属液。 所加入的金属粉末称为悬浮剂，又称弥散成核剂。由于悬浮剂也具有通常的内冷铁作用，因此又称 为微型冷铁。由此可见，悬浮铸造与其他铸造方法的根本区别就在于金属液中加入一定量的悬浮剂， 改变了铸件凝固时宏观及微观的温度梯度，从而提高铸件质量的一种铸造方法。BUAA二、悬浮铸造的特点及应用 在 60 年代，苏联的雷日科夫等就对悬浮铸造工艺进行研究。结果表明，悬浮铸造对提高铸件和 铸锭的质量有很大的作用。它不仅用于控制铸锭的凝固过程，而且用于成形铸件的生产。目前已发 展成为一种有实用价值的铸造生产工艺方法，已用来生产造船、冶金和矿山设备的铸件。如透平机 体、锚链、平炉加料箱和大型钢锭模等。其中有的铸件重达 10 多吨。这种方法可用来生产铸钢、铸 铁、合金钢、合金铸铁和特种合金铸铁件。也可用来改善铸铝和铸铜件的质量，是一种很有发展前 途的铸造工艺方法。 与普通铸造生产方法相比， 悬浮铸造可降低铸件热裂与横截面和轴向偏析的发展(降低 l 一 3 级)； 减少缩孔体积 10―20％，减轻铸件的缩松缺陷；铸件机械性能在截面上各方向同性程度平均提高 20 ――30％；同时对铸件轴向部分的组织及性能也大有益处。BUAA采用与合金液化学成分相同的悬浮铸造，可提高铸件的塑性指标，改善铸件截面上的各向同性程度。 采用与合金液化学成分不同的悬浮铸造，除了有上述优点外，尚能显著地改善金属的显微组织和强 度性能指标。实践表明，悬浮铸造时合金元素的被吸收率是很高的。例如，加入 3％的含锰 30％的 颗粒，吸收率可达 90――95％，可使钢的强度提高 50 一 60％。若加入含合金元素锰的颗粒与铁― 铬或铁―硅颗粒的混合物，可使中碳钢的强度提高 10―15％，塑性提高 30―50％。研究钢在 1100 一 13000C 时的性能所得的结果也很有意义。当加入 1―3％与合金液不同的金属粉末，可使钢塑性和 强度比普通铸造方法高 15―20％。 悬浮铸造对铸铁件也很有益处。当加入 1―3％的铸铁粉或铁粉 时，能使铸铁的结晶按平衡状态图进行，提高了石墨化程度，消除白口。加入悬浮剂后，既可提高 铸件的凝固速度，又可使石墨及珠光体细化。当加入 l.2％的铁粉，可使铸件的抗弯强度提高 20―30 ％，抗拉强度提高 10 一 15％，尤其是冲击值更为明显，可由零提高到 9.81 一 lO.79 焦耳／厘米 2。 采用悬浮铸造含铝的铸铁，可使石墨的形态得到明显的改善，并使铸件的热稳定性、抗氧化性、抗 生长性提高 1-4 倍。采用悬浮铸造生产的钢锭模寿命比用普通铸造方法生产的增长 10-20％。BUAA当然，悬浮铸造也存在一些不足之处，主要有：必须仔细准备金属粉末，严格控制金属粉末质量， 保证包装密封，防止在运输、存放过程中发生氧化。浇注时，必须有金属粉末的加入装置，浇注过 程的组织工作应严密；要求金属浇注温度应适当提高并严格控制，这对采用普通冲天炉熔化生产铸 铁件的工厂将带来困难。同时必须指出，悬浮铸造由于金属粉末的加入，将使金属液中非金属夹杂 物的含量增加，铸件工艺出品率稍有降低。但由于铸件的机械性能得到改善，其综合经济效益还是 合算的。当金属粉末加入量不大(1.5-4％)时，所产生的非金属夹杂物对铸件的机械性能及使用性能 影响甚微。金属粉末的加入虽使非金属夹杂物有所增加，但它能改变非金属夹杂物的形态及分布， 使金属的性能得到改善，抵消了由于金属夹杂物数量增多带来的不利的影响。当金属粉末加入量过 多时，它所产生的有利因素就难以消除由于非金属夹杂物数量过多带来的不利影响。因此，金属粉 末的加入量应控制在 2―3％为宜。BUAA近来，悬浮铸造又有新的发展，主要有； (1)采用电磁泵将悬浮剂加入到金属液流里；在浇注铸件和钢锭模时，采用电磁脉冲方法 将金属粉末加到金属液流中，此装置主要适用于铁磁性材料。 (2)在浇注时，利用气体将金属粉末吹到金属液里；浇注大型铸件及钢锭时，将金属粉末通 过柱塞式漏包加到金属液流中，流入铸型里。 (3)采用实型铸造时，将金属粉末充填在泡沫聚苯乙烯塑料模里，浇注后就可获得悬浮金 属液。这种方法主要用于小型铸件。 (4)在真空中将金属液以分散的细流沿着附加振动的热交换运动而获得悬浮金属液，或采 用在附加的热交换器的空腔中使金属液流雾化，并急剧地加以冷却。BUAA第八章：半固态金属 (SSM)成形在金属凝固过程中，进行强烈搅拌，使普通铸造易于形成的村枝晶网络被打碎，得到一种液态 金属母液中均匀最浮着一定颗粒状固相组分的固一液混合浆料，这种半固恣金属具有某种流变特性， 因而可易于用常规加工技木如压铸、挤压、模锻等实现成形。采用这种既非液态、又非完全固态的 金属浆料加工成形的方法称为金属的半固态加工。与以往的金属成形方法相 比半固态金属成形技术 就是集铸造、塑性加工等多学科于一体制造金属制品的又一独特领域，其特 点主要表现在：①由于 SSM 本身具有均匀的细晶粒组织及特殊的流变特性，加之在压力下成形，使 工件具有很高的综合力学性能；由于其成形温度比全液态成形温度低，不仅减少液态成形缺陷，提 高铸件质量，还可拓宽压铸合金的种类至高熔点合金；②能够减轻成形件的质量，实现金属制品的 近终成形、③能够制造用常规液态成形方法不可能制造的合金铸件，例如某些金属基复合材料的制 备。因此，半固态金属成形技木以其诸多的优越性而被视力划时代的金属加工新工艺。BUAA（一） 、半固态金属制备方法半固态金属坯料制备方法有熔体搅拌法、应变诱发熔化激活法、效处理法、粉末冶金法等。其中熔体搅拌法是应用 最普遍的方法。熔体搅拌法根据揽拌原理的不同可分成如下两种。 1． 机械搅拌法：机械搅拌法的突出特点是设备技术比较成熟，易于实现。搅拌状态和强弱易控制，剪切效率高，但 对搅拌器材料的强度、可加工性及化学稳定性要求很高。在半固态成形的早期研究中多采用机械搅拌法。 2． 电磁搅拌法 ：电磁搅拌法的原理是在旋转磁场的作用下，使熔融金属液在容器内作涡流运动。电磁搅拌法的突 出优点是不用搅拌器，对合金液成分影响小，搅拌强度易于控制，尤其适合于高熔点金属的半固态制备。 （二）半固态金属的成形工艺 ： 半固态金属成形的工艺流程可分为两种：由原始浆料连铸或直接成形的方法被称为“流变铸造” （rheocasting） ， 另一条途径用术语描述为“触变成形” （thixoforming） 。一般触变成形中半固态组织的恢复仍用感应加热的方法，然 后进行压铸、锻造加工成形。 半固态金属的成形工艺如下图所示。 半固态金属保持 固态金属的制备 成型 定量下料 二次加热到半固态 （三）SSM 的工业应用与开发前景 目前，半固态成形（SSM）的铝和镁合金件已经大量地用于汽车工业的特殊零件上。生产的汽车零件主要有： 汽车轮毂、主制动缸体、反锁阀体、盘式制动钳、动力换向壳体、离合器总泵休、发动机活塞、液压管接头、空压机 本体、空压机盖等。BUAA第九章：近终形状铸造枝术近终形状铸造（Near Net Shape Casting ）技木主要包括薄板坯连铸（厚度 40 一 100mm） 、带钢 连铸（厚度小于 40mm）以及喷雾沉积等技术。其中喷雾沉积技术为金属成形工艺开发了一条特 殊的工艺路线，适用于复杂材料的凝固成形。 其工艺原理如图所示。 液态金属的喷射流股从安装在中间包底部的耐火材料喷嘴喷出，金属被强劲的气体流股化， 形成高速运动的液滴。在雾化液滴与基体接触前，其温度介于固、液相温度之间。随后液滴冲击 在基体上，完全冷却和凝固，形成致密的产品。根据基体的几何形状和运动方式，可以生产各种 形状的产品，如小型材、圆盘、管子和夏合材料等。当喷雾锥的方向沿平滑的循坏钢带移动时， 便可得到扁平状的产品。多层材料可由几个雾化装置连续喷雾成形。空心的产品也可采用类似的 方法 制成，将液态金属直接喷雾到旋转的基休上，可制成管坯、圆坯和管子。以上讨论的各种方 式均可在喷雾射流中加入非金屑颗粒，制成颗粒固化材料。该工艺是可代替带钢连铸或粉末冶金 的一种生产工艺。BUAABUAA第十章：离心铸造离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液态金属在离心力 作用下充填铸型并凝固成型的一种铸造方法。 离心铸造的类型 离心铸造的铸型可以是金属型，也可以是砂型。为使铸型旋转，离 心铸造必须在离心铸造机上进行。根据铸型旋转轴空间位置的不同，高心 铸造机通常可分为立式和卧式两大类。 在立式离心铸造机上，铸型是绕垂直轴旋转的。由于离心力和液体 金属本身重力共同作用，使铸件的自由表面（内表面）呈抛物面形状，造 成铸件上薄下厚。显然，在其它条件不变的前提下，铸件的高度愈大，壁 厚的差别愈大，因此，立式离心铸造主要用于高度小于直径的圆环泪铸件。 在卧式离心铸造机上，铸型是沿水平轴旋转的；由于铸件各部分的 冷却条件相近，故铸出的圆筒形铸件壁厚均匀，因此卧式离心铸造机适于 生产长度较大的套筒、管类零件，是常用离心铸造方法。BUAABUAA离心铸造的特点和应用范围★离心铸造的优点（与砂型铸造相比） (1)铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，故力学性能较好。 (2)生产中空铸件时可不用型芯，故在生产长管形铸件时可大幅度地改善金属充型能 力，降低铸件壁厚对其长度或直径的比值，简化套筒和管类铸件的生产过程。 (3)生产中几乎没有浇注系统和冒口系统的金属消耗，能提高工艺出品率。 (4)便于制造筒、套类复合金属铸件，如钢背铜套、双金属轧辊等。 (5)铸造成形铸件时，可借离心力提高金属的充型能力，故可生产薄壁铸件，如叶轮、 金属假牙等。 ★ 离心铸造的缺点 (1)对合金成分不能互溶或凝固初期析出物的密度与金属液基体相差较大时，易形成 比重偏析 (2)铸件内孔表面较粗糙，聚有熔渣，其尺寸不易正确控制 (3)用于生产异型铸件时有一定的局限性。BUAA离心铸造应用范围(1)铁管(世界球墨铸铁管总产量的近50%是用离心铸造法生产)。 (2)柴、汽油发动机的}