任务4　特种铸造

砂型铸造是目前生产中应用最广泛的一种铸造方法。它具有较大的灵活性，受零件尺寸、形状、生产批量及合金种类的限制较小，所用设备简单便宜，成本低廉。但它也存在着许多缺点，例如，一个铸型只能浇注一次，生产率低；铸件的晶粒粗大，容易产生一些铸造缺陷，降低了零件的力学性能；铸件的尺寸精度较低和表面粗糙度较高，需要较大的切削余量；工人劳动强度大，工作条件差等。为提高铸件的质量并适应大批量生产的需要，人们还创造了许多其他铸造方法，如金属型铸造、压力铸造、熔模铸造、离心铸造、低压铸造、壳型铸造和陶瓷铸造等，我们把这些铸造方法统称为特种铸造。目前生产中常用以下四种方法。

一、金属型铸造

将液态金属浇入用金属制成的铸型中而获得铸件的方法称为金属型铸造。金属型可重复使用，所以又称为永久型铸造。

1．金属型的构造

金属型根据分型面位置不同可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式等。其中垂直分型式的金属型（见图10－14）具有开设浇口和取出铸件方便，且易于实现机械化等优点，所以应用较多。

图10－14　垂直分型式金属型

1—底座；2—铸件活动半型；

3—定位销；4—固定半型

金属型多用灰铸铁制成，也可选用铸钢。金属型本身无透气性，为了排出型腔内的气体，在金属型的分型面上开出一些通气槽。为了防止液体金属流出，通气槽的深度应小于0．4mm。此外，为防止产生气孔并利于金属的充填，大多数的金属型都开有出气口。为了能够在高温下从铸型中取出铸件，大部分金属型设有顶出铸件的机构。

铸件内腔可以用金属型芯或砂芯制出。金属型芯一般只用于非铁金属件，为了能够从形状复杂的铸件内腔中取出金属型芯，型芯可以由几部分组合而成，浇注后，再分别按先后次序抽出。

2．金属型铸造的工艺特点

金属型导热比砂型快，又没有容让性，所以铸件容易产生冷隔、浇不足、裂纹等缺陷，灰铸铁件还容易形成白口组织。此外，在高温液态金属的冲刷下，容易损坏型腔，影响金属型的寿命和铸件表面的质量，并影响铸件的取出。

为了避免减少上述铸造缺陷，金属型铸造应采用以下工艺措施。

（1）浇注前金属型必须预热。在连续生产过程中，铸型的温度太高时，则应利用散热装置（气冷或水冷）来散热，使金属型保持一定的工作温度，达到减缓冷却速度，增加液态金属的充填能力，促进铸铁石墨化和延长铸型寿命的目的。

（2）为保护型腔、降低铸件表面粗糙度和减缓铸型的传热速度，型腔要涂以厚度为0．2～1．0mm的耐火涂料（由耐火材料和绝热材料组成）使金属和铸件隔开。同时，型腔每浇注一次要喷涂一薄层煤油或灯烟等，以形成隔热气膜。

（3）选择适宜的开铸型时间，使铸件尽早的从铸型中取出。由于金属无容让性，铸件在铸型中停留时间过久，可能产生很大的内应力，导致开裂或造成铸件取出的困难。但不宜过早，因金属在高温时的强度较低，若铸件在铸型中停留的时间过短，取出时则可能产生变形。

（4）为防止铸件产生白口组织，铸铁件的壁厚不应过薄（一般大于15mm），选择适当的涂料及复料中加入硅铁粉，以便使起局部产生孕育作用，控制铁水化学成分，使之有较高的碳硅总含量（不小于6%）或浇入孕育处理过的铁水。在实际生产中，一般在铸铁件自铸型中取出后，为了消除产生的白口组织，应立即利用铸铁件的自身余热进行高温退火。

3．金属型铸造的特点及应用范围

（1）一个金属型可以浇注几百次至上千次，生产效率高，节约了大量的造型材料，改善了劳动条件。

（2）金属型导热性好，铸件冷却快，所以晶粒较细，组织致密，提高了铸件的机械性能。如铜铝合金薄壁铸件的抗拉强度比砂型铸造可提高10%～20%。

（3）金属型铸件比砂型铸件有较高的尺寸精度（IT12～IT16）和较低的表面粗糙（Ra为25～12．5μm），可以减少加工余量或不需再加工。

（4）制造金属型的成本高，周期长，铸造工艺规程要求严格。由于金属型冷却快，铸铁件易产生白口组织和裂纹等缺陷。

（5）金属型无容让性，不易生产形状复杂、过大或过薄的铸件。

由于上述一些特点，金属型铸造的使用范围受到限制。金属型铸造主要使用于大批量生产非铁合金铸件，如汽车、拖拉机、内燃机的铝活塞、汽缸体、油泵壳体，以及铜合金轴瓦、轴套等，有时也可以用于生产铸铁件。

二、压力铸造

在高压下，快速地将液态或半液态的金属压入金属铸型，使它在高压下凝固以形成铸件的方法，称为压力铸造。

1．压力铸造的工艺过程

压铸时所用的模具称为压型或压铸模。压型与垂直分型的金属相似，由定型（或静模）、动型（或动模）、拔出金属芯和自动顶出铸件的机构所组成（见图10－15）、压型用耐热合金钢制成，有高的加工精度和低的表面粗糙度，还要经过严格的热处理。

压力铸造与金属型铸造的主要区别在于压力铸造过程是利用压铸机产生的高压加工液态金属快速地压入型腔中形成的，主要的工序有闭合压型、压入金属、打开压型和顶出铸件。

压铸机主要由合型机构和压射机构组成。合型机构的作用是开合压型，并在压射金属时用压力顶住压型以防止液态金属由分型面处漏出。压铸机的规格一般用合型力大小来表示。

压铸机按压射部分特点的不同可分为热压室式和冷压室式两类。热压室式压铸机是将熔化金属用的坩埚与压室连成一个整体，压室浸在液态金属中，以杠杆机构或压缩空气为动力进行压铸。这种压铸机仅能压制熔点较低的合金，一般很少使用。冷压室式压铸机的压室不与坩埚炉相连，只有在压铸时才将液态金属浇入，这种压铸机一般采用高压油为动力（6．5～20 MPa），合型力很大（0．25～2．5MN）。冷压室压铸机按其压射活塞运动的方向不同，又可分为立式冷压和卧式冷压两种。

图10－15所示为卧式冷压式压铸机的工作原理。这种压铸机的生产效率高、结构简单、便于自动化生产，比立式的应用广。

图10－15　卧式冷压室压铸机工作原理

1—压室；2—压射冲头；3—压型；4—铸件；5—顶杆

2．压铸件的结构工艺性

（1）压铸件要有结构斜度，以便于从压型中取出。压铸件应尽量避免内凹和深腔。

（2）为保证液态金属充满型腔，压铸的壁厚不宜太薄。为保证铸件的强度和耐磨性，压铸件的壁厚也不能太厚，并防止铸件收缩和顶出时变形，可采用加强筋的结构。筋的分布要均匀对称，交叉处应当错开，以免形成金属积聚。筋的厚度一般为铸件壁厚的2／3～3／4。

铸件壁厚应尽量均匀，一般适宜的壁厚：锌合金1～4mm，铝合金1．5～5mm，铜合金2～5mm。

（3）压铸件上的圆角半径、铸孔、铸造螺纹、铸造齿轮等结构都有一定的要求，设计应参考有关资料来确定。

（4）对形状复杂而无法脱芯的铸件，可分两次铸出，即将第一次铸出零件的一部分作为第二次压铸的嵌件。为改善压铸件上的局部性能（如耐磨性、导电性、绝缘性等），可以用其他金属或金属材料预先制成镶嵌件，压铸在铸件或镶嵌件的铸入部分常铸出滚花、凹槽或凸起，以保证镶嵌件连接牢固可靠。

3．压力铸造的特点及应用范围

（1）由于液体金属是在高压、高速下形成的，因此可铸造出壁厚很薄、形状复杂、轮廓清晰的铸件，并可直接铸出1mm直径的小孔、螺纹和齿轮。

（2）压铸件表面粗糙度可达Ra6．3～1．6μm，尺寸精度可达IT11～IT13，一般不需要再进行机械加工就可直接使用。

（3）液态金属在铸型内冷却快，又是在压力下结晶的，所以能获得细小晶粒、组织致密的薄壁铸件。薄壁压铸件的机械强度比砂型铸件提高20%～40%。

（4）压力铸造的生产率高，并易于实现半自动化和自动化生产。

（5）压力铸造的设备投资大，制造压型费用高，生产周期长，不适宜小批量生产。

（6）对于铸铁、铸钢等金属，由于浇注温度高，压型寿命短，所以难以适用。

（7）压铸速度高，型腔内气体不易排出，在铸件内部易形成细小气孔。由于金属冷凝快，很难进行补缩，在厚壁处容易产生缩孔、缩松。

（8）压铸件内部的细小气孔是在高压下形成的，在热处理加热时，由于气体的膨胀会使铸件表面不平或变形，因此，压铸件不能进行热处理。

压力铸造主要适用于大量生产的非铁金属薄壁小铸件（最小壁厚为0．5～1mm，质量达几克）。在汽车、拖拉机、飞机、电器仪表、纺织、国防等部门得到广泛应用。压铸是实现无切削加工的有效途径，随着生产技术的发展，压铸件质量的不断提高，压力铸造的适用范围也正在日益扩大。

三、熔模铸造

熔模铸造是一种精密铸造。先用易熔材料制成模型和浇注系统，然后用造型材料将其包住，经过硬化后，加热熔失模型，制成无分型面的硬壳型，再在铸型中浇注液态合金铸成铸件。由于模型广泛采用蜡质材料制造，所以熔模铸造又称失蜡铸造。

1．熔模铸造的工艺过程

熔模铸造的工艺过程如图10－16所示。

图10－16　熔模铸造工艺过程

（1）制造母模。母模〔见图10－16（a）〕是用钢或黄铜制造的标准铸件，制造时要考虑铸造合金和蜡模材料的双重收缩量，母模是用来制造压型的。

（2）制造压型。压型〔见图10－16（b）〕是用来制造蜡模的特殊铸型。因铸件的表面质量取决于蜡模，所以压型应有很高的尺寸精度和很低的表面粗糙度。当铸件精度高或生产批量大时，压型常用钢或锡青铜或铝合金等材料经过机械加工而制成；铸件精度不高或生产批量不大时，压型用易熔金属（如Sn、Pb、Si等合金）直接浇注出来；单件小批生产时，也可用石膏制造压型。

（3）制造蜡模。蜡模常用50%石蜡和50%硬脂酸配制而成。将熔化的蜡模〔见图10－16 （c）〕。压入压型〔见图10－16（d）〕，待其冷却后取出，修去毛刺，即成单个蜡模〔见图10－16（e）〕。为了提高生产率，可将一些单个蜡模黏合在蜡制的浇注系统上，成为蜡模组〔见图10－16（f）〕。

（4）蜡模结壳。蜡模上的涂料是用水玻璃作为黏合剂与石英粉配成的。将蜡模组浸挂涂料后，在表面上撒一层石英砂，然后放入氯化铵溶液（硬化剂）中，反应后生成的硅酸溶胶就将砂黏牢并加以硬化，重复涂挂3～7次，直到结成5～10mm的硬壳为止。这种具有足够强度的硬壳铸型称为型壳。

（5）脱蜡。将型壳放入85～95℃的热水中使蜡模熔化而流出，型壳便形成了铸型空腔〔见图10－16（g）〕。

（6）焙烧。为了排出残留的挥发物，提高型壳的强度和质量，需要放入850～950℃的电炉内焙烧。

（7）浇注。为防止浇注时型壳变形或破裂，一般把它放在铁箱中，周围填紧干砂，便可以进行浇注〔见图10－16（h）〕。

2．熔模铸造的特点及应用范围

（1）可浇注形状复杂的铸件，铸造的精度达IT11～IT14，表面粗糙度达Ra25～3．2μm。因此，可减少加工余量或不经加工而直接成为零件。

（2）能够铸造各种合金铸件，特别适用于高熔点合金及难切削加工合金的铸造，如耐热合金、磁钢等。

（3）生产批量不受限制，能实现机械化流水线操作。

（4）工艺过程复杂，生产周期长，成本高。

（5）由于蜡模容易变形，型壳强度不高等原因，铸件的大小受到限制，一般重量不超过25kg。

熔模铸造主要使用于生产各种形状复杂的小型零件。例如各种汽轮机、涡轮发动机的叶片或叶轮，飞机、汽车、拖拉机、风动工具、刀具、机床等中的某些小型零件。

四、离心铸造

将液态金属浇入高速旋转的铸型中，使金属在离心力的作用下充填铸型并结晶凝固而制成铸件的方法，称为离心铸造。

离心铸造的铸型可以是金属型，也可以是砂型。当使用金属型时，可省去造型工作和浇注系统。

1．离心铸造机

离心铸造一般都是在离心铸造机上进行的。根据转轴的空间位置不同，离心铸造机可分为立式和卧式两种。

立式离心铸造机〔见图10－17（a）〕的铸型装在垂直轴上旋转。浇注时由于液态合金本身的重力作用，铸件的内表面呈抛物线形，上薄下厚，而且铸件旋转越慢，铸件高度越大时，这种厚度的差别就越大。因此，立式离心铸造机只适用于铸造短管的环类和套类等铸件及型铸件，如青铜齿轮，巴氏合金及铅青铜的轴套等。在这种铸造机上固定铸型和进行浇注都比较方便。

图10－17　离心铸造示意图

卧式离心铸造机〔见图10－17（b）〕的铸型在水平轴上旋转。这种铸造机在足够大的转速下浇注时，铸件的壁厚沿整个长度和圆周方向都很均匀。因此，应用较广泛，主要用来铸造较长的管件，汽车、拖拉机缸套及成型铸件等。

2．离心铸造特点

（1）铸件在离心力的作用下，从外向内结晶凝固，所以组织致密，无缩孔、缩松、气孔、渣眼等缺陷，力学性能较好。

（2）铸造圆形中空的铸件可不用型芯和浇注系统，提高了金属的利用率。

（3）便于铸造“双金属”铸件，例如钢套镶铜轴承等，其结合面牢固、耐磨，并节约了贵重的金属材料。

（4）由于离心力的作用，金属中的气体、熔渣等夹杂物因密度较小而集中在铸件的内表面上，所以内孔的尺寸不精确，质量也不好，必须增加机械加工余量。

（5）不宜铸造容易产生偏析的合金，否则将使铸件内部和外表的合金成分有很大的差别。

五、各种铸造方法的比较

每种方法各有其特点，生产中应根据铸件大小、形状、壁厚、合金种类、生产批量、表面质量要求、车间设备条件、铸造成本等具体情况全面分析比较，再正确选择铸造方法。

砂型铸造虽然有一些缺点，但适应性较强，而且设备简单，所以它仍然是目前最基本的铸造方法。特种铸造仅在一定的条件下，才能发挥出它们的优越性。表10－9所列为常用铸造方法的比较。

表10－9常用铸造方法比较

复习思考题10

1．何谓铸造生产？铸造有哪些特点？

2．砂型铸造工艺过程包括哪几个阶段？

3．设计模型和芯盒时，应考虑哪些问题？

4．型砂和芯砂应具备哪些性能？这些性能对铸件质量有何影响？

5．型砂的主要组成成分有哪些？各起什么作用？

6．按砂箱特征来划分，有哪几种造型方法？什么情况下采用三箱造型和地坑造型？

7．按模型特征来划分，有哪几种造型方法？活块造型、分模造型和刮板造型各适用于哪些场合？

8．挖砂造型和假箱造型两者如何选择？

9．手工造型和机器造型各有何优缺点？各适用于什么场合？

10．为提高型芯的强度和透气性，可分别采取哪些措施？

11．名词解释。

缩孔和缩松　浇不足与冷隔　出气口与冒口　逐层凝固与顺序凝固

12．某定型生产的薄铸铁件，投产以来质量基本稳定，但最近一时期浇不足和冷隔缺陷突然增多，试分析其原因。

13．什么是顺序凝固原则？什么是同时凝固原则？各需采用什么措施来实现？上述两种凝固原则各适用于哪种场合？

14．浇注温度为什么过高或过低？

15．常见的铸造缺陷有哪些？对铸件质量有何影响？如何防止这些缺陷？

16．合金的流动性对铸件的质量有何影响？影响流动性的因素有哪些？

17．合金的收缩分为哪几个阶段？对铸件质量有何影响？

18．何谓缩孔和缩松？防止缩孔产生的措施有哪些？

19．铸造内应力可分为哪几种？是如何产生的？

20．防止铸件产生气孔的措施有哪些？

21．铸钢的铸造性能与铸铁相比有何特点？铸钢的铸造工艺有哪些基本要求？22．铝合金的铸造性能有何特点？如何防止铝合金液氧化和吸气？

23．铜合金的铸造性有何特点？铜合金熔炼时如何解决其氧化问题？24．试述分型面选择的基本原则，它与浇注位置有何关系？

25．铸件的壁厚，为什么不宜太薄或太厚，而且应尽可能壁厚均匀？

26．金属型铸造有何特点？它能否广泛代替砂型铸造？

27．试述压力铸造、离心铸造工艺特点和适用范围。

28．简述熔模铸造的实质和工艺过程。

29．试选择下列铸件在大批量生产时的铸造方法。车床床身　汽轮机叶　铸铁污水管铝活塞　缝纫机头　摩托车汽缸体大模数齿轮铣刀 汽缸套