铸造成形

有铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能金属零件毛坯的成形方法。铸造生产适应性强、成本低廉，机械新产品中铸件占有很大的比例，如机床中铸件重量占60%~80%。但铸件易产生铸造缺陷、力学性能不如锻件，因此铸件多用于受力不大的零件。

第一节 铸造成形工艺基础

合金在铸造过程中所表现出来的工艺性能,称为金属的铸造性能。金属的铸造性能主要是指流动性、收缩性、偏析、吸气性、氧化性等。铸造性能对铸件质量影响很大，其中流动性和收缩性对铸件的质量影响最大。

一、合金的流动性

1、流动性的概念 流动性是指金属液本身的流动能力。它与金属的成分、温度、杂质含量等有关。它对铸件质量有很大的影响。

流动性直接影响到金属液的充型能力。流动性好的金属，充型能力强能获得轮廓清晰、尺寸精确、薄壁和形状复杂的铸件，还有利于金属液中夹杂物和气体的上浮与排除。相反，金属的流动性差，则铸件易出现冷隔、浇不到、气孔、夹渣等缺陷。

2、影响流动性的因素 主要有合金成分、浇注条件、铸型和铸件结构等因素。 （1）合金成分 不同的铸造合金具有不同的流动性。灰铸铁流动性最好，硅黄铜次之，而铸钢的流动性最差。同种合金，而由于成分不同，使其具有不同的结晶特点，流动性也不同。如共晶成分的合金是在恒温下进行，结晶过程是从表面开始向中心逐层推进。由于凝固层的内表面比较平滑，对沿尚未凝固的合金流动阻力小，有利于合金充填型腔，所以流动性好。而其他成分合金的结晶是在一定温度范围内进行，即结晶区域为一个液相和固相并存的两相区。在此区域初生的树枝状枝晶使凝固层内表面参差不齐，阻碍液态合金的流动。合金结晶温度范围愈宽，液相线和固相线距离愈大，凝固层内表面愈参差不齐，这样流动阻力愈大，流动性愈差。

（2）浇注条件

1）浇注温度 在一定温度范围内，浇注温度超高，合金液的流动性越好。但超过某一界限后，由于合金吸气多，氧化严重，流动性反而降低。因此每种合金均有一定的浇注温度范围。

2）充型压力 液态金属在流动方向所受压力越大，流动性就越好。

3）浇注系统的结构 浇注系统的结构越复杂，流动的阻力就越大，流动性就越低。故在设计浇注系统时，要合理布置内浇道在铸件上的位置，选择恰当的浇注系统结构。

（3）铸型 铸型的蓄热系数、温度以及铸型中的气体等均影响合金的流动性。如液态合金在金属型比在砂型中的流动性差；预热后温度高的铸型比温度低的铸型流动性好；型砂中水分过多其流动性差等。

（4）铸件结构 当铸件壁厚过小、厚薄部分过渡面多、有大的水平面等结构时，都使

金属液的流动困难。

二、合金的收缩

1、收缩 收缩是铸造合金从液态凝固和冷却至室温过程中产生的体积和尺寸的缩减。包括液态收缩、凝固收缩和固态收缩三个阶段：

（1）液态收缩，是指合金从浇注温度冷却到凝固开始温度之间的体积收缩，此时的收缩表现为型腔内液面的降低。合金的过热度越大，则液态收缩也越大。

（2）凝固收缩，是指合金从凝固开始温度冷却到凝固终止温度之间的体积收缩，在一般情况下，这个阶段仍表现为型腔内液面的降低。

（3）固态收缩，是指合金从凝固终止温度冷却到室温之间的体积收缩，它表现为三个方向线尺寸的缩小，即三个方向的线收缩。

金属的总体收缩为上述三个阶段收缩之和。液态收缩和凝固收缩（这两个过程称为体收缩）是铸件产生缩孔和缩松的主要原因，固态收缩是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的主要原因。

2、影响收缩的因素 主要化学成分、浇注温度、铸件结构与铸型材料等。

（1）化学成分 不同种类和不同成分的合金，其收缩率不同。铁碳合金中灰铸铁的收缩率小，铸钢的收缩率大。

（2）浇注温度 浇注温度越高，液态收缩越大，因此浇注温度不宜过高。

（3）铸件结构与铸型材料 型腔形状越复杂，型芯的数量越多，铸型材料的退让性越差，对收缩的阻碍越大，产生的铸造收缩应力越大，容易产生裂纹。

3、缩孔和缩松的形成及防止

铸件凝固结束后常常在某些部位出现孔洞，大而集中的孔洞称为缩孔，细小而分散的孔洞称为缩松。缩孔和缩松可使铸件力学性能、气密性和物理化学性能大大降低，以至成为废品，是极其有害的铸造缺陷之一。

（1）缩孔的形成 缩孔常产生在铸件的厚大部位或上部最后凝固部位，常呈倒锥状，内表面粗糙。缩孔的形成过程如图7-1所示。液态合金充满铸型型腔后（图中a），由于铸型的吸热，液态合金温度下降，靠近型腔表面的金属凝固成一层外壳，此时内浇道以凝固，壳中金属液的收缩因被外壳阻碍，不能得到补缩，故其液面开始下降（图中b）。温度继续下降，外壳加厚，内部剩余的液体由于液态收缩和补充凝固层的收缩，使体积缩减，液面继续下降（图中c）。此过程一直延续到凝固终了，在铸件上部形成了缩孔（图中d）温度继续下降之室温，因固态收缩使铸件的外轮廓尺寸略有减小（图中e）。纯金属和共晶成分的合金，易形成集中的缩孔。

（2）缩松的形成 结晶温度范围宽的合金易形成缩松，其形成的基本原因与缩孔相同，也是由于铸件最后凝固区域得不到补充而形成的。

缩松的形成过程如图7-2所示。当液态合金充满型腔后，由于温度下降，紧靠型壁处首先结壳，且在内部存在较宽的液—固两相共存区（图中a）。温度继续下降，结壳加厚，两相共存区逐步推向中心，发达的树枝晶将中心部分的合金液分隔成许多独立的小液体区（图中b）。这些独立的小液体区最后趋于同时凝固，因得不到液态金属的补充而形成缩松（图中c）。

缩松分为宏观缩松和显微缩松两种。宏观缩松是用肉眼或放大镜可以看出的分散细小缩孔。显微缩松是分布在晶粒之间的微小缩孔，要用显微镜才能观察到，这种缩松分布面积更为广泛，甚至遍布铸件整个截面。

（3）缩孔和缩松的防止 缩孔和缩松都使铸件的机械性能下降，缩松还可是铸件因渗漏而报废。因此，缩孔和缩松都属铸件的重要缺陷，必须根据技术要求、采取适当的工艺措施予以防止。实践证明，只要能使铸件实现“顺序凝固”，尽管合金的收缩较大，也可获得没有缩孔的致密铸件。

所谓顺序凝固，就是在铸件上可能出现缩孔的厚大部位通过安放冒口等工艺措施，使铸件上远离冒口的部位先凝固（如图7-3

所示），尔后是靠近冒口部位凝固，最后才是冒口本身的凝固。按照这样的凝固顺序，先凝固部位的收缩，由后凝固部位的金属液来补充；后凝固部位的收缩，由冒口中的金属液来补充，

从而使铸件各个部位的收缩均能得到补充，而将缩孔转移到冒口之中。冒口为铸件的多余部分，在铸件清理时将其去除。

必须指出，对于结晶温度范围甚宽的合金，结晶开始之后，发达的树枝状骨架布满了整个截面，使冒口的补缩道路严重受阻，因而难以避免显微缩松的产生。显然，选用近共晶成分或结晶温度范围较窄的合金生产铸件是适宜的。

4、铸造内应力、变形和裂纹

铸件的固态收缩受到阻碍而引起的内应力，称铸造内应力。它是铸件产生变形、裂纹等缺陷的主要原因。

（1）铸造内应力按其产生原因，可分热应力、固态相变应力和收缩应力三种。热应力是指铸件各部分冷却速度不同，造成在同一时期内，铸件各部分收缩不一致而产生的应力；固态相变应力是指铸件由于固态相变，各部分体积发生不均衡变化而引起的应力。收缩应力是铸件在固态收缩时因受到铸型、型芯、浇冒口、箱挡等外力的阻碍而产生的应力。

铸造内应力可能是暂时的，当引起应力的原因消除以后，应力随之消失，称为临时应力；也可能是长期存在的，称残留应力。

减小和消除铸造内应力的方法有：采用同时凝固的原则，通过设置冷铁、布置浇口位置等工艺措施，使铸件各部分在凝固过程中温差尽可能小；提高铸型温度，使整个铸件缓冷，以减小铸型各部分温度差；改善铸型和型芯的退让性，避免铸件在凝固后的冷却过程中受到机械阻碍；进行去应力退火，是一种消除内应力最彻底的方法。

（2）当铸件中存在内应力时，如内应力超过合金的屈服点，常使铸件产生变形。 为防止变形，在铸件设计时，应力求壁厚均匀、形状简单而对称。对于细而长、大而薄等易变形铸件，可将模样制成与铸件变形方向相反的形状，待铸件冷却后变形正好与相反的形状抵消（此方法称“反变形法”）。

（3）当铸件的内应力超过了合金的强度极限时，铸件便会产生裂纹。裂纹是铸件的严重缺陷。

防止裂纹的主要措施是：合金设计铸件结构；合理选用型砂和芯砂的粘结剂与添加剂，以改善其退让性；大的型芯可制成中空的或内部填以焦炭；严格限制钢和铸铁中硫的含量；选用收缩率小的合金等。

三、合金的吸气和氧化性

合金在熔炼和浇注时吸收气体的能力称为合金的吸气性。如果液态时吸收气体多，则在凝固时，侵入的气体若来不及逸出，就会出现气孔、白点等缺陷。

为了减少合金的吸气性，可缩短熔炼时间；选用烘干过和炉料；提高铸型和型芯的透气性；降低造型材料中的含水量和对铸型进行烘干等。

合金的氧化性是指合金液与空气接触，被空气中的氧气氧化，形成氧化物。氧化物若不及时清除，则在铸件中就会出现夹渣缺陷。

第二节 铸造成形方法

一、砂型铸造

砂型铸造是实际生产中应用最广泛的一种铸造方法，其基本工艺过程如图7-4所示，主要工序为制造模样、制备造型材料、造型、造芯、合型、熔炼、浇注、落砂清理与检验等。

（一）制造模样

造型时需要模样和芯盒。模样是用来形成铸件外部轮廓的，芯盒是用来制造砂芯，形成铸件的内部轮廓的。制造模样和芯盒所用的材料，根据铸件大小和生产规模的大小而有所不同。产量少的一般用木材制作模样和芯盒。产量大的铸件可用金属或塑料制作模样和芯盒。

在设计和制造模样和芯盒时，必须考虑下列问题：

（1）分型面的选择，分型面是两半铸型相互接触的表面，分型面选择要恰当； （2）起模斜度的确定，一般木模斜度为1～3°，金属模斜度为0.5～1°；

（3）考虑到铸件冷却凝固过程中的体积收缩，为了保证铸件的尺寸，模样的尺寸应比铸件的尺寸大一个收缩量；

（4）铸件上凡是需要机械加工的部分，都应在模样上增加加工余量，加工余量的大小与加工表面的精度、加工面尺寸、造型方法以及加工面在铸件的位置有关；

（5）为了减少铸件出现裂纹的倾向，并为了造型、造芯方便，应将模样和芯盒的转角处都做成圆角；

（6）当有型芯时，为了能安放型芯，模样上要考虑设置芯座头。 （二）造型

造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机器造型两种。

1、手工造型 手工造型时，紧砂和起模两工序是用手工来进行的，手工造型操作灵活，适应性强，造型成本低，生产准备时间短。但铸件质量差，生产率低，劳动强度大，对工人技术水平要求较高。因此主要用于简单件、小批量生产，特别是重型和形状复杂的铸件。

在实际生产中，由于铸件的尺寸、形状、生产批量、铸件的使用要求，以及生产条件不同，应选择的手工造型方法也不同。

造型方法 主要特点 适用范围 适用于各种生产铸型由上型和下型组成，造型、起模、修型等操作方便 批量，各种大、中、小铸件 按砂箱特征区分 铸型由上、中、下三部分组成，主要用于单件、中型的高度须与铸件两个分型面的小批量生产具有两间距相适应。三箱造型费工，应尽个分型面的铸件 量避免使用 在车间地坑内造型，用地坑代常用于砂箱数量替下砂箱，只要一个上砂箱，可减不足，制造批量不大少砂箱的投资。但造型费工，而且的大、中型铸件 要求操作者的技术水平较高 铸型合型后，将砂箱脱出，重新用于造型。浇注前，须用型砂将脱箱后的砂型周围填紧，也可在砂主要用在生产小铸件，砂箱尺寸较小 型上加套箱 模样是整体的，多数情况下，适用于一端为最型腔全部在下半型内，上半型无型大截面，且为平面的腔。造型简单，铸件不会产生错型缺陷 模样是整体的，但铸件的分型铸件 按面是曲面。为了起模方便，造型时模用手工挖去阻碍起模的型砂。每造样一件，就挖砂一次，费工、生产率特征为了克服挖砂造型的缺点，先区分 将模样放在一个预先作好的假箱上，然后放在假箱上造下型，省去用于单件或小批量生产分型面不是平面的铸件 低 用于成批生产分型面不是平面的铸 挖砂操作。操作简便，分型面整齐 将模样沿最大截面处分为两件 常用于最大截面半，型腔分别位于上、下两个半型内。造型简单，节省工时 在中部的铸件 铸件上有妨碍起模的小凸台、主要用于单件、肋条等。制模时将此部分作成活块，小批量生产带有突在主体模样起出后，从侧面取出活出部分、难以起模的块。造型费工，要求操作者的技术铸件 水平较高 用刮板代替模样造型。可大大降低模样成本，节约木材，缩短生产周期。但生产率低，要求操作者主要用于有等截面的或回转体的大、中型铸件的单件或小批量生产

的技术水平较高 2、机器造型 机器造型是将手工造型中的紧砂和起模工步实现了机械化的方法。与手工造型相比，不仅提高了生产率、改善劳动条件而且提高了铸件精度和表面质量。但是机器造型所用的造型设备和工艺装备的费用高、生产准备时间长，只适用于中、小铸件成批或大量的生产。

（1）机器造型按照不同的紧砂方式分为震实、压实、震压、抛砂、射砂造型等多种方法，其中以震压式造型和射砂造型应用最广。图7-5所示为震压式造型机示意图。工作时打开砂斗门向砂箱中放型砂。压缩空气从震实出口进入震实活塞的下面，工作台上升过程中先关闭震实进气通路，然后打开震实排气口，于是工作台带着砂箱下落，与活塞顶部产生了一次撞击。如此反复震击，可使型砂在惯性力作用下被初步紧实。砂型紧实后，压缩空气推动压力油进入起模压缸，四根起模顶杆将砂箱顶起，使砂型与模样分开，完成起模。

（2）机器造型采用单面模样来造型，其特点是上、下型以各自的模板，分别在两台配对的造型机上造型，造好的上、下半型用箱锥定位而合型。对于小铸件生产，有时采用双面模样进行脱箱造型。双面模板把上、下两个模及浇注系统固定在同一模样的两侧，此时，上、下两型均在同一台造型机制出，铸型合型后砂箱脱除，并在浇注前在铸型上加套箱，以防错箱。

机器造型不能进行三箱造型，同时也应避免活块，因为取出活块时，使造型机的生产效率显著降低。

（三）造芯

造芯也可分为手工造芯和机器造芯。在大批量生产时采用机器造芯比较合理，但在一般情况下用得最多的还是手工造芯。手工造芯主要是用芯盒造芯。

为了提高砂芯的强度，造芯时在砂芯中放入铸铁芯骨（大芯）或铁丝制成的芯骨（小芯）。为了提高砂芯的透气能力，在砂芯里应作出通气孔。做通气孔的方法是：用通气针扎或用埋蜡线形成复杂的通气孔。

（四）浇注系统

浇注时，金属液流入铸型所经过的通道称为浇注系统。浇注系统一般包括浇口盆、直浇道、横浇道和内浇道，如图7-6所示。

（五）砂型和砂芯的干燥及合箱

干燥砂型和砂芯目的是为了增加砂型和砂芯的强度、透气性、减少浇注时可能产生的气体。为提高生产率和降低成本，砂型只有在不干燥就不能保证铸件质量的时候，才进行烘干。

将砂芯及上、下箱等装配在一起的操作过程称为合型。合型时，首先应检查砂型和砂芯是否完好、干净；然后将砂芯安装在芯座上；在确认砂芯位置正确后，盖上上箱，并将上、下箱扣紧或在上箱上压上压铁，以免浇注时出现抬箱、跑火、错型等问题。

（六）浇注

将熔融金属从浇包注入铸型的操作称为浇注。在浇注过程中必须掌握以下几点： 1、浇注温度的高低对铸件的质量影响很大。温度高时，液体金属的粘度下降、流动性提高，可以防止铸件浇不到、冷隔及某些气孔、夹渣等铸造缺陷。但温度过高将增加金属的总收缩量、吸气量和氧化现象，使铸件容易产生缩孔、缩松、粘砂和气孔等缺陷。因此在保证流动性足够的前提下，尽可能做到“高温出炉，低温浇注”。通常，灰铸铁的浇注温度为1200～1380℃，碳素铸钢为1500～1550℃。形状简单的铸件取较低的温度，形状复杂或薄壁铸件则取较高的浇注温度。

2、较高的浇注速度，可使金属液更好地充满铸型，铸件各部温差小，冷却均匀，不易产生氧化和吸气。但速度过高，会使铁液强烈冲刷铸型，容易产生冲砂缺陷。实际生产中，薄壁件应采取快速浇注；厚壁件则应按慢-快-慢的原则浇注。

（七）铸件的出砂清理

铸件的出砂清理一般包括：落砂、去除浇冒口和表面清理。

1、落砂 用手工或机械使铸件和型砂、砂箱分开的操作称为落砂。落砂时铸件的温度不得高于500℃，如果过早取出，则会产生表面硬化或发生变形、开裂。

2、去除浇冒口 对脆性材料，可采用锤击的方法去除浇冒口。为防止损伤铸件，可在浇冒口根部先锯槽然后击断。对于韧性材料，可用锯割、氧气割等方法。

3、表面清理 铸件由铸型取出后，还需要进一步清理表面的粘砂。手工清除时一般用钢刷或扁铲加工，这种方法劳动强度大，生产率低，且妨害健康。因此现代化生产主要是用震动机和喷砂喷丸设备来清理表面。所谓喷砂和喷丸就是用砂子或铁丸，在压缩空气作用下，通过喷嘴射到被清理工件的表面进行清理的方法。

（八）铸件检验及铸件常见缺陷

铸件清理后进行质量检验。根据产品要求不同，检验的项目主要有：外观、尺寸、金相组织、力学性能、化学成分和内部缺陷等。其中最基本的是外观检验和内部缺陷检验。铸件常见缺陷的特征及其产生原因见下表所示。

序 缺陷名称 缺陷特征 在铸件内部、表面或近于表面处，有大小不1 气孔 有单个的，也有聚集成片的。颜色有白色的或带构，提高砂型和型芯的透气性，使型内气体一层暗色，有时覆有一层氧化皮。 在铸件厚断面内部、两交界面的内部及厚断2 能顺利排出。 壁厚小且均匀的铸件要采用同时凝固，预防措施 降低熔炼时流言蜚语金属的吸气量。减等的光滑孔眼，形状有圆的、长的及不规则的，少砂型在浇注过程中的发气量，改进铸件结缩孔 面和薄断面交接处的内部或表面，形状不规则，壁厚大且不均匀的铸件采用由薄向厚的顺孔内粗糙不平，晶粒粗大。 在铸件内部微小而不连贯的缩孔，聚集在一壁间连接处尽量减小热节，尽量降低浇序凝固，合理放置冒口的冷铁。 3 缩松 处或多处，晶粒粗大，各晶粒间存在很小的孔眼，注温度和浇注速度。 水压试验时渗水。 在铸件内部或表面形状不规则的孔眼。孔眼提高铁液温度。降低熔渣粘性。提高浇注系统的挡渣能力。增大铸件内圆角。 严格控制型砂性能 和造型操作，合型前4 渣气孔 不光滑，里面全部或部分充塞着熔渣。 5 砂 眼 在铸件内部或表面有充塞着型砂的孔眼。 注意打扫型腔。 在铸件上有穿透或不穿透的裂纹（注要是弯严格控制铁液中的 S、P含量。铸件壁厚尽量均匀。提高型砂和型芯的退让性。浇6 热 裂 曲形的），开裂处金属表皮氧化。 在铸件上有穿透或不穿透的裂纹（主要是直冒口不应阻碍铸件收缩。避免壁厚的突然改7 冷 裂 的），开裂处金属表皮氧化。 在铸件表面上，全部或部分覆盖着一层金属变。开型不能过早。不能激冷铸件。 减少砂粒间隙。适当降低金属的浇注温8 粘 砂 （或金属氧化物）与砂（或涂料）的混（化）合度。提高型砂、芯砂的耐火度。 物或一层烧结构的型砂，致使铸件表面粗糙。 在铸件表面上，有一层金属瘤状物或片状物，9 夹 砂 在金属瘤片和铸件之间夹有一层型砂。 统，使金属液流动平稳。大平面铸件要倾斜严格控制型砂、芯砂性能。改善浇注系浇注。 在铸件上有一种未完全融合的缝隙或洼坑，10 冷 隔 其交界边缘是圆滑的。 由于金属液未完全充满型腔而产生的铸件缺11 浇不到 肉。 防止跑火。 统。浇注时不断流。 提高浇注温度和浇注速度。不要断流和提高浇注温度和浇注速度。改善浇注系（九）铸件的修补

当铸件的缺陷经修补后能达到技术要求时，可作合格品使用。铸件的修补方法有： 1、气焊或电焊修补 常用于修补裂纹、气孔、缩孔、冷隔、砂眼等。焊补的部位能达到与铸件本体相近的力学性能可承受较大载荷。

2、金属喷镀 在缺陷处喷镀一层金属。先进的等离子喷镀效果好。

3、浸渍法 此法用于承受气压不高，渗漏又不严重的铸件。方法是：将稀释后的酚醛清漆、水玻璃压入铸件隙缝，或将硫酸铜或氯化铁和氨的水溶液压入黑色金属空隙，硬化后即可将空隙填塞堵死。

4、填腻修补 用腻子填入孔洞类缺陷。但只用于装饰，不能改变铸件的质量。腻子用铁粉5%+水玻璃20%+水泥5%。

5、金属液熔补 大型铸件上有烧不足等尺寸缺陷或损伤较大的缺陷修补时，可将缺陷处铲除，造型，浇入高温金属液将缺陷处填满。此法适用于青铜、铸钢件修补。

二、特种铸造

特种铸造是指与砂型铸造不同的其它铸造方法。常用的有：熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造和离心铸造。

（一）熔模铸造

熔模铸造是用易熔材料（如石蜡）制成模样，然后在表面涂覆多层耐火材料，待硬化干燥后，将蜡模熔去，而获得具有与蜡模形状相应空腔的型壳，再经焙烧后进行烧注而获得铸件的一种方法。

1、熔模铸造的工艺过程 熔模铸造的工艺过程如图7-7所示。 （1）母模是铸件的基本模样，材料为钢或铜。用它制造压型。

（2）压型是用来制造蜡模的特殊铸型。为保证蜡模质量，压型必须具有很高的精度和低粗糙度。当铸件精度高或大批量生产时，压型常钢或铝合金加工而成；小批量时，可采用易熔合金（Sn、Pb、Bi等组成的合金）、塑料或石膏直接向模样（母模）上浇注而成。

（3）制造蜡模的材料有石膏、蜂蜡、硬脂酸和松香等，常用50%石蜡硬脂酸的混合料。蜡模压制时，将蜡料加热至糊状后，在2～3at下，将蜡料压入到压型中，待蜡料冷却凝固便可从压型中取出，然后修分型面上的毛刺，即可得到单个蜡模。为了一次能铸出多个铸件，还需要将单个蜡模粘焊在预制的蜡质烧口棒上，制成蜡模组。

（4）蜡模制成后，再进行制壳，制壳包括结壳和脱壳。结壳就是在蜡模上涂挂耐火涂料层，制成具有一定强度的耐火型壳的过程。首先用粘结剂（水玻璃）和石英粉配成涂料，将蜡模级浸挂涂料后，在其表面撒上一层硅砂，然后放入硬化剂（氯化铵溶液）中，利用化学反应产生的硅酸溶胶将砂粒粘牢并硬化。如此反复涂挂4～8层，直到型壳厚达到5～10mm。型壳制好后，便可进行脱蜡。将其浸泡到90～95℃的热水中，蜡模溶化而流出，就可得到一个中空的型壳。

（5）为进一步排除型壳内残余挥发物，蒸发水分，提高质量，提高型壳的强度，防止浇注时型壳变形或破裂，可将型壳放在铁箱中，周围用干砂填紧，将装着型壳的铁箱在900～950℃下焙烧。

（6）为提高金属液的充型能力，防止浇不足、冷隔等缺陷产生，焙烧后立即进行浇注。 （7）待铸件冷却凝固后，将型壳打碎取出铸件，切除浇口，清理毛刺。对于铸钢件，还

需进行退火或正火处理。

2、熔模铸造的特点及适用范围

（1）获得铸件精度高，尺寸公差可达2T11～2T13；表面粗糙度低，Ra值为12.5～1.6μm。因此采用熔模铸造获得的涡轮发动机叶片等零件，无需机加工即可直接使用。

（2）适合于各种合金的铸件。无论是有色合金还是黑色金属，尤其是适用于熔点高、难切削的高合金铸钢件的制造，如耐热合金、不锈钢和磁钢等。

（3）可铸出形状较复杂、不能分型的铸件。其最小壁厚可达0.3mm，可铸出孔的最小孔径为0.5mm。

（4）铸件的重量一般不超过25kg。

总之，熔模铸造是实现少切削或无切削重要方法。主要用于制造汽轮机、燃气轮机和涡轮发动机的叶片和叶轮、切削刀具以及航空、汽车、拖拉机、机床的小零件等。

（二）金属型铸造

将金属液浇注到金属铸型中，待其冷却后获得铸件的方法叫金属型铸造。由于金属型能反复使用很多次，又叫永久型铸造。

1、金属型的结构 一般的，金属型用铸铁和铸钢制成。铸件的内腔既可用金属芯、也可用砂芯。金属型的结构有多种，如水平分型、重直分型及复合分型。其中垂直分型便于开设内浇口和取出铸件；水平分型多用来生产薄壁轮状铸件；复合分型的上半型是由垂直分型的两半型采用铰链连结而成，下半型为固定不动的水平底板，主要应用于较复杂铸件的铸造。

2、金属型铸造型的工艺特点

金属型的导热速度快和无退让性，使铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹及白口等缺陷。此外，金属型反复经受灼热金属液的冲刷，会降低使用寿命，为此应采用以下辅助工艺措施。

（1）保持铸型合理的工作温度（预热） 浇注前预热金属型，可减缓铸型的冷却能力，有利于金属液的充型及铸铁的石墨化过程。生产铸铁件，金属型预热至250～350℃；生产有色金属件预热至100～250℃。

（2）刷涂料 为保护金属型和方便排气，通常在金属型表面喷刷耐火涂料层，以免金属型直接受金属液冲蚀和热作用。因为调整涂料层厚度可以改变铸件各部分的冷却速度，并有利于金属型中的气体排出。浇注不同的合金，应喷刷不同的涂料。如铸造铝合金件，应喷刷由氧化锌粉、滑石粉和水玻璃制成的涂料；对灰铸铁件则应采用由石墨粉、滑石粉、耐火粘土粉及桃胶和水组成的涂料。

（3）浇注 金属型的导热性强，因此采用金属铸型时，合金的浇注温度应比采用砂型高出20～30℃。一般的，铝合金为680℃～740℃；铸铁为1300℃～1370℃；锡青铜为1100～1150℃。薄壁件取上限，厚壁件取下限。铸铁件的壁厚不小于15mm，以防白口组织。

（4）控制开型时间 开型愈晚，铸件在金属型内收缩量愈大，取出采用困难，而且铸件易产生大的内应力和裂纹。通常铸铁件的出型温度700～950℃，开型时间为浇注后10～60秒。

3、金属型铸造的特点和应用范围

与砂型铸造相比，金属型铸造有如下优点：

（1）复用性好，可“一型多铸”，节省了造型材料和造型工时。

（2）由于金属型对铸件的冷却能力强，使铸件的组织致密、机械性能高。 （3）铸件的尺寸精度高，公差等级为IT12～IT14；表面粗糙度较低，Ra为6.3m。 （4）金属型铸造不用砂或用砂少，改善了劳动条件。

但是金属型的制造成本高、周期长、工艺要求严格，不适用于单件小批量铸件的生产，主要适用于有色合金铸件的大批量生产，如飞机、汽车、内燃机、摩托车等用的铝活塞、汽缸体、汽缸盖、油泵壳体及铜合金的轴瓦、轴套等。对黑色合金铸件，也只限于形状较简单的中、小铸件。

（三）压力铸造

压力铸造是使液体或半液体金属在高压的作用下，以极高的速度充填压型，并在压力作用下凝固而获得铸件的一种方法。

1、压铸机 压铸机是压铸生产最基本的设备。根据压室的不同，压铸机分为热压室和冷压室两种。

2、、压力铸造的特点及应用

（1）压铸的生产率高，可达50～500件/h，便于实现自动化。

（2）获得铸件的尺寸精度高，达IT11～IT13；表面粗糙度低Ra为3.2～0.8μm。使一些铸件无需机加工就直接使用，还压铸结构复杂的薄壁件。

（3）由于金属铸型的冷却能力强，可获得细晶粒组织的铸件，其机械强度比砂型铸件的提高（25～40）%。

总之，压铸是实现少切削、无切削的一种重要方法，但也存在不足： （1）压铸设备投资大，压铸型的制造成本高，只有在大量生产时才合算。 （2）可压铸的合金种类受到限制，很难适用于钢和铸铁等高熔点合金。

（3）由于压铸时的充型速度快，型腔中的空气很难完全排出，且厚壁处也很难补缩，使铸件内部不能避免气孔和缩松缺陷。

（4）压铸件不宜进行热处理或在高温下使用，以免压铸件的气孔中的气体膨胀，引起零件的变形和破坏。

由于压铸的以上特点，使它广泛应用于大批量有色合金铸件的生产。其中铝合金压铸件占的比重最大，约30～50%，其次是锌合金和铜合金铸件。

（四）低压铸造

低压铸造是采用较压力铸造低的压力（一般为0.02～0.06Mpa），将金属液从铸型的底部压入，并在压力下凝固获得铸件的方法。

1、低压铸造的工艺过程

（1）将金属、升液管和铸型装配好，盖好密封盖。

（2）向密封金属液的坩埚中，通入干燥的压缩空气（或惰性气体），使金属液在压力作用下，自下而上地通过升液管而进入铸型，并在压力下凝固。

（3）解除压力，使升液管和浇注系统中未凝固的金属液流回坩埚。 （4）打开铸型，取出铸件。

2、低压铸造的特点及应用 低压铸造介于重力铸造和压力铸造之间，它具有以下优点： （1）浇注及凝固时的压力容易调整、适应性强，可用于各种铸型、各种合金及各种尺寸的铸件。

（2）底注式浇注充型平稳，减少了金属液的飞溅和对铸型的冲刷，可避免铝合金件的针孔缺陷。

（3）铸件在压力下充型和凝固，其浇口能提供金属液来补缩，因此铸件轮廓清晰，组织致密。

（4）低压铸造的金属利用率高，约90%以上。

（5）设备简单，劳动条件较好，易于机械化和自动化。

其主要缺点是升液管寿命短，且在保温过程中金属液易氧化和产生夹渣。

总之，低压铸造主要用来铸造一些质量要求高的铝合金和镁合金铸件，如气缸体、缸盖、曲轴箱和高速内燃机的铝活塞等薄壁件。

（五）离心铸造

离心铸造是将金属液浇入高速旋转（250～1500r/min）的铸型中，并在离心力作用下充型和凝固的铸造方法。其铸型可以是金属型，也可以是砂型。既适合制造中空铸件，也能用来生产成形铸件。

根据旋转空间位置不同，离心铸造机可分为立式和卧式两类。

1、立式离心铸造 立式离心铸造机的铸型绕垂直轴旋转，金属液的自由表面在离心力作用下呈抛物面，所以它主要用来生产高度小于直径的盘、环类铸件，也可用于浇注成形铸件，如图7-8所示。

2、卧式离心铸造 卧式离心铸造机的铸型绕水平轴旋转，铸件的各部分冷却速度和成形条件相同，所以其壁厚沿径向和轴向都均匀。主要用来生产长度大于直径的套、管类铸件，如图7-9所示。

3、离心铸造的特点及应用

（1）铸件组织致密、无缩孔、缩松、气孔和夹渣等缺陷，所以机械性能好。因为金属液在离心力作用下充型和凝固，铸件的凝固从外向内进行，不仅易于补缩，而且使气体，夹渣聚集在内表面便于消除。

（2）由于离心力的作用，金属液的充型能力好，可以浇注流动性差的合金和壁薄的铸件。 （3）便于铸造双层金属的铸件。如钢套镶铜轴承，可节约铜合金。 （4）生产中空铸件无需芯子和浇注系统，节约了金属。 （5）易产生比重偏析缺陷，且内表面粗糙。

总之，离心铸造主要用来生产大批套、管类铸件，如铸铁管、铜套、缸套、双金属钢背铜套等。此外，还可以用于轮盘类铸件，如泵轮、电机转子等铸件的制造。

第三节 铸造成形设计

一、浇注位置的选择

浇注位置是浇注时铸件相对铸型分型面所处的位置。分型面分别为水平、垂直或倾斜时的分别称为水平浇注、垂直浇注或倾斜浇注。浇注位置的正确与否，对铸件的质量影响很大，因此应考虑以下几个原则：

（1）铸件的重要加工面或质量要求高的面，尽可能置于铸型的下部或处于侧立位置。因为在液体金属的浇注过程中，其中的气体和熔渣往上浮；而且由于静压力较小的原因也使铸件上部组织不如下部的致密。如图7-10所示为车床床身的浇

注位置：床身的导轨面是关键部分，要求组织致密且不允许有任何铸造缺陷，因此通常采用导轨面朝下的浇注位置。

（2）将铸件的大平面朝下，以免在此面上出现气孔和夹砂等缺陷。因为在金属液的充型过程中，灼热的金属液会对砂型上表面有强烈的热辐射作用，使该表面的型砂拱起或开裂，

导致金属液钻进裂缝处，这将使铸件的该表面产生夹砂缺陷，如图7-11所示。

（3）具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型的下部或处于侧立位置，以免产生

浇不足和冷隔等缺陷。如图7-12所示。

（4）为防止铸件产生缩孔缺陷，应把铸件上易产生缩孔的厚大部位置于铸型顶部或侧面，以便安放冒口进行补缩。

二、铸型分型面的选择

分型面的选择合理与否，对铸件质量及制模、造芯、合型或清理等工序有很大的影响。在选择铸型分型面时应考虑如下原则：

（1）尽可能使铸件全部或主要部分置于同一砂箱中，以避免错型而造成尺寸偏差。如图7-13所示：

(a)不合理，铸件分别处于两个砂箱中。

(b)合理，铸件处于同一个砂箱中，既便于合型，又可避免错型。 （2）尽可能使分型面为一平面。如图7-14所示：

（a）若采用俯视图弯曲对称面作为分型面，则需要采用挖砂或假箱造型，使铸造工艺复杂化。

（b）起重臂按图中所示分型面为一平面，可用分模造型、起模方便。

（3）尽量减少分型面。如左图所示：

（a）槽轮铸件若采用三箱手工造型，操作复杂。

（b）若槽轮部分用环形芯来形成，可有二箱造型，简化造型过程，又保证铸件质量，提高生产率。

浇注位置和分型面的选择原则，对于某个具体铸件来说，多难以同时满足，有时甚至是相互矛盾的，因此必须抓住主要矛盾。对于质量要求很高的重要铸件，应以浇注位置为主，在此基础上，再考虑简化造型工艺。对于质量要求一般的铸件，则应以简化铸造工艺，提高经济效益为主，不必过多考虑铸件的位置，仅对朝上的加工表面留较大的加工余量即可。

三、工艺参数的选择

1、机械加工余量 铸件的机械加工余量是指为进行机械加工而增大的尺寸。零件图上所有标注粗糙度符号的表面均需机械加工，均应标注机械加工余量。其具体值的大小随铸件的大小、材质、批量、结构的复杂程度及加工面在铸型中的位置等的不同而变化。通常，由于铸钢件表面粗糙、变形较大，其加工余量应比铸铁件大；有色合金铸件表面较光洁、平整，其加工余量要小些；铸铁件中灰铸铁件的加工余量较可锻铸铁和球墨铸铁的要小。

2、收缩率 金属液浇注到铸型中后，随温度的降低将发生凝固、冷却及铸件各部分尺寸的缩减。这种缩减的百分率称为该金属的铸造收缩率。

在制造模型或芯盒时，应根据铸造合金收缩率的大小，将模型或芯盒放大，以保证该合金的铸件冷却至室温时能符合尺寸要求。

铸造合金收缩率的大小，随铸造合金种类、成分及铸件的尺寸和结构的不同而改变。通常灰铸铁的收缩率为0.7～1.0%；铸钢的为1.5～2.0%；有色合金的为1.0～1.5%。

3、起模斜度（又称拔模斜度） 在造型和制芯时，为了很方便地把模型从铸型中或芯子从芯盒中取出，需在模型或芯盒的起模方向上做出一定的斜度。若零件在设计时没设计足够的结构斜度，就应在进行铸造工艺设计时确定拔模斜度。

拔模斜度的大小取决于该垂直壁的高度、造型方法及表面粗糙度等因素。通常，随垂直壁高度的增加，其拔模斜度应减小；机器造型的拔模斜度较手工造型的小；外壁的拔模斜度也小于内壁的。一般拔模斜度在0.5～5°之间。

4、型芯头 它主要用于定位和固定砂芯，使砂芯在铸型中有准确的位置。芯头可分为垂直芯头和水平芯头两类。垂直芯头一般都有上、下芯头，但短而粗的型芯也可不留芯头。

为便于铸型的装配，芯头铸型芯座之间应留有1～4mm的间隙。

5、最小铸出孔及槽 铸件上的孔和槽铸出与否，取决于铸造工艺的可行性和必要性。一般说来，较大的孔和槽应当铸出，以减少切削工时和节约金属材料。如表7-2是铸件的最小铸出孔的尺寸。

表7-2铸件的最小铸出孔尺寸

生产批量 大量 成批 单件、小批 最小铸出孔直径（mm） 灰铸铁件 12~15 15~30 30~50 铸钢件 —— 30~50 50

第四节 铸件结构工艺性

在设计铸件结构时，不仅应考虑到能否满足铸件的使用性能和力学性能需要，还应考虑到铸造工艺和所选用合金的铸造性能对铸件结构的要求。铸件结构的工艺性好坏，对铸件的

质量、生产率及其成本有很大影响。

一、砂型铸造工艺对铸件结构设计的要求

为简化造型、制芯、合箱和清理等铸造生产工序，节约工时，减少废品，并为实现生产机械化创造条件，在设计铸件时应考虑以下因素：

1、减少和简化分型面 铸件分型面的数量应尽量少，且尽量为平面，以利于减少砂箱数量和造型工时，而且能简化造型工艺，减少错型、偏芯等缺陷，提高铸件尺寸精度。图7-16所示。

2、铸件外型应力求简单 采用型芯和活块虽然可以制造各种复杂的铸件，但型芯和活块的使用将使造型、造芯和合型的工作量增加，且易出现废品，故应尽量避免不必要的型芯。

3、应有一定的结构斜度 凡垂直于分型面的不加工面都应有一定的斜度。 4、铸件结构要有利于节省型芯及便于型芯的定位、固定、排气和清理。 二、合金铸造性能对铸件结构设计的要求

在设计铸件结构时，若不充分考虑铸件所用合金的铸造性能，铸件上会出现浇不足、冷隔、缩孔、缩松、铸造应力、变形和裂纹等缺陷。因此，在设计铸件的结构时，除考虑使用要求外，还应考虑以下几个方面：

1、合理设计铸件的壁厚 由于各种铸造合金的流动性不同，在相同铸型条件下，获得铸件的最小壁厚也不同。当然在不同铸型条件下，同一种铸造合金铸件的最小厚度也不相同，冷却能力愈强的铸型，获得铸件的最小壁厚应愈大。为砂型条件下几种铸造合金的最小壁厚值。其值的大小主要取决于铸造合金的种类和铸件的尺寸大小。

表7-3砂型铸造条件下铸件的最小壁厚值

铸造方法合 金 种 类 铸件尺寸/mm 铸钢 8 10~12 15~20 灰铸铁 5~6 6~10 15~20 球墨铸铁 6 12 15~20 可锻铸铁 5 8 10~12 铝合金 3 4 6 铜合金 3~5 6~8 10~12 砂型铸造<200×200 200×200~500×500 >500×500 注：对于结构复杂、高牌号铸铁的大件宜取上限

总之，在确定铸件的壁厚时，不仅保证铸件的强度和刚度等机械性能，而且应使铸件的壁厚大于所用合金的“最小壁厚值”，以免产生浇不足和冷隔缺陷。但铸件壁太厚，又易产生缩孔和缩松缺陷。因此，一般铸件的最大壁厚应不超过最小壁厚的三倍。尤其是铸铁件，其

强度并非按壁厚的增大而成比例地增加。

2、铸件壁厚应均匀 铸件壁厚不均，会造成铸造合金的局部积聚，在积聚处易产生缩孔和缩松；同时，由于铸件壁厚不均，即铸件各部分冷却速度不同，会使铸件产生较大的铸造应力，造成铸件的变形和开裂。

3、铸件的连接和圆角 铸件的壁厚应力求均匀，如果因结构所不能达到厚壁均匀，则铸件各部分不同壁厚的连接应采用逐步过渡。

4、铸件应尽量避免有过大的平面 大的水平面，不利于金属液体的充填，易造成浇不足、冷隔等缺陷，同时还易产生夹砂，不利于气体和非金属夹杂物排除等缺点。