《材料成型工藝基礎(chǔ)》課件第2章

第2章數(shù)字系統(tǒng)的算法描述2.1合金的鑄造性能

2.2常用的鑄造合金及鑄造方法

2.3砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)

2.4鑄造結(jié)構(gòu)工藝性

鑄造是將液態(tài)金屬澆注到具有與零件形狀及尺寸相適應(yīng)的鑄型空腔中，待冷卻凝固后，獲得一定形狀和性能的零件或毛坯的方法。用鑄造方法所獲得的零件或毛坯，稱為鑄件。

鑄造是現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的基礎(chǔ)工藝之一，是人類掌握比較早的一種金屬熱加工工藝，與其他成型方法相比，鑄造生產(chǎn)具有下列優(yōu)點(diǎn)：

(１)成型方便，工藝適應(yīng)性廣。

鑄件的大小幾乎不受限制，輪廓尺寸可由幾毫米到數(shù)十米，壁厚由幾毫米到數(shù)百毫米，質(zhì)量由幾克到數(shù)百噸都可鑄造成型；并且可以制造外形復(fù)雜，尤其是具有復(fù)雜內(nèi)腔的鑄件，例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的缸體和缸蓋、箱體等的毛坯均為鑄造而成。鑄造使用的材料范圍很廣，包括鑄鐵、鑄鋼、鑄銅、鑄鋁等，其中鑄鐵材料應(yīng)用最廣泛，適用于單件小批量生產(chǎn)或成批及大批量生產(chǎn)。

(２)成本低廉，生產(chǎn)周期短。

鑄造生產(chǎn)使用的原材料成本低，來源方便，且可回收使用。通常鑄件要經(jīng)過機(jī)械加工后，才能作為機(jī)器零件使用。合理的設(shè)計(jì)鑄造工藝和結(jié)構(gòu)，使鑄件的形狀和尺寸與零件較接近，減少了切削加工的余量，節(jié)省了金屬材料。另外，鑄造生產(chǎn)不需要大型、精密的設(shè)備，生產(chǎn)周期較短。

但是，鑄造方法也存在著許多不足之處：

(1)目前廣泛使用的砂型鑄造，大多屬于手工操作，工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)條件差，鑄造過程中產(chǎn)生的廢氣、粉塵等對(duì)周圍環(huán)境造成污染；

(2)鑄造生產(chǎn)工序較多；

(3)一些工藝過程較難控制，鑄件中常有一些缺陷(如氣孔、縮孔等)，而且內(nèi)部組織粗大、不均勻，使得鑄件質(zhì)量不夠穩(wěn)定，廢品率較高，而且力學(xué)性能也不如同類材料的鍛件高。

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及新工藝、新技術(shù)、新材料的開發(fā)，使鑄造勞動(dòng)條件大大改善，環(huán)境污染得到控制，鑄件質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益也在不斷提高。

合金的鑄造性能，是指合金在鑄造生產(chǎn)中表現(xiàn)出來的工藝性能，即獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力，它對(duì)是否易于獲得合格鑄件有很大影響。合金的鑄造性能是選擇鑄造合金、確定鑄造工藝方案及進(jìn)行鑄件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。合金的鑄造性能主要指合金的充型能力、收縮、吸氣性等，其主要內(nèi)容及其相互間的聯(lián)系如圖2-1所示。2.1合金的鑄造性能

圖2-1合金鑄造性能內(nèi)容及聯(lián)系2.1.1合金的充型能力

合金的充型能力是指液態(tài)合金充滿鑄型型腔，獲得尺寸正確、形狀完整、輪廓清晰的鑄件的能力。充型能力取決于液態(tài)金屬本身的流動(dòng)性，同時(shí)又受鑄型、澆注條件、鑄件結(jié)構(gòu)等因素的影響。因此，充型能力差的合金易產(chǎn)生澆不到、冷隔、形狀不完整等缺陷，使力學(xué)性能降低，甚至報(bào)廢。影響合金充型能力的主要因素包括以下幾個(gè)方面。

1.合金的流動(dòng)性

合金的流動(dòng)性是液態(tài)合金本身的流動(dòng)能力，它是影響充型能力的主要因素之一。流動(dòng)性越好，液態(tài)合金充填鑄型的能力越強(qiáng)，越易于澆注出形狀完整、輪廓清晰、薄而復(fù)雜的鑄件；有利于液態(tài)合金中氣體和熔渣的上浮和排除；易于對(duì)液態(tài)合金在凝固過程中所產(chǎn)生的收縮進(jìn)行補(bǔ)縮。如果合金的流動(dòng)性不良，則鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔等鑄造缺陷。

合金的流動(dòng)性大小，通常以澆注的螺旋試樣長(zhǎng)度來衡量。如圖2-2所示，螺旋上每隔50mm有一個(gè)小凸點(diǎn)作測(cè)量計(jì)算用。在相同的澆注條件下澆注出的試樣越長(zhǎng)，表示合金的流動(dòng)性越好。不同合金的流動(dòng)性不同。表2-1列出了常用鑄造合金的流動(dòng)性。由表2-1可見，鑄鐵、硅黃銅的流動(dòng)性最好，鑄鋼的流動(dòng)性最差。

圖2-2流動(dòng)性測(cè)試螺旋試樣表2-1常用合金的流動(dòng)性

影響合金流動(dòng)性的因素很多，凡是影響液態(tài)合金在鑄型中保持流動(dòng)的時(shí)間和流動(dòng)速度的因素，如金屬本身的化學(xué)成分、溫度、雜質(zhì)含量等，都將影響流動(dòng)性。

不同成分的鑄造合金具有不同的結(jié)晶特點(diǎn)，對(duì)流動(dòng)性的影響也不相同。純金屬和共晶成分的合金是在恒溫下進(jìn)行結(jié)晶的，結(jié)晶過程中，由于不存在液、固并存的凝固區(qū)，因此斷面上外層的固相和內(nèi)層的液相由一條界限分開，隨著溫度的下降，固相層不斷加厚，液相層不斷減少，直達(dá)鑄件的中心，即從表面開始向中心逐層凝固，如圖2-3(a)所示。凝固層內(nèi)表面比較光滑，因而對(duì)尚未凝固的液態(tài)合金的流動(dòng)阻力小，故流動(dòng)性好。特別是共晶成分的合金，熔點(diǎn)最低，因而流動(dòng)性最好。非共晶成分的合金是在一定溫度范圍內(nèi)結(jié)晶，其結(jié)晶過程是在鑄件截面上一定的寬度區(qū)域內(nèi)同時(shí)進(jìn)行的，經(jīng)過液、固并存的兩相區(qū)，如圖2-3(b)所示，在結(jié)晶區(qū)域內(nèi)，既有形狀復(fù)雜的枝晶，又有未結(jié)晶的液體。復(fù)雜的枝晶不僅阻礙未凝固的液態(tài)合金的流動(dòng)，而且使液態(tài)合金的冷卻速度加快，從而流動(dòng)性差。因此，合金結(jié)晶區(qū)間越大，流動(dòng)性越差。

圖2-3不同成分合金的結(jié)晶(a)在恒溫下凝固；(b)在一定溫度范圍內(nèi)凝固另外，在液態(tài)合金中，凡能形成高熔點(diǎn)夾雜物的元素，均會(huì)降低合金的流動(dòng)性，如灰鑄鐵中的錳和硫，多以MnS(熔點(diǎn)為1650℃)的形式在鐵水中成為固態(tài)夾雜物，妨礙鐵水的流動(dòng)。凡能形成低熔點(diǎn)化合物且降低合金液黏度的元素，都能提高合金的流動(dòng)性，如鑄鐵中的磷。

2.澆注溫度

合金的澆注溫度對(duì)流動(dòng)性的影響極為顯著。澆注溫度越高，合金的黏度越低，液態(tài)金屬所含的熱量越多，在同樣冷卻條件下，保持液態(tài)的時(shí)間延長(zhǎng)，傳給鑄型的熱量增多，使鑄型的溫度升高，降低了液態(tài)合金的冷卻速度，改善了合金的流動(dòng)性，充型能力加強(qiáng)。但是，澆注溫度過高，會(huì)使液態(tài)合金的吸氣量和總收縮量增大，增加了鑄件產(chǎn)生氣孔、縮孔等缺陷的可能性，因此在保證流動(dòng)性的前提下，澆注溫度不宜過高。在鑄鐵件的生產(chǎn)中，常采用“高溫出爐，低溫澆注”的方法。高溫出爐能使一些難熔的固體質(zhì)點(diǎn)熔化；低溫澆注能使一些尚未熔化的質(zhì)點(diǎn)及氣體在澆包鎮(zhèn)靜階段有機(jī)會(huì)上浮而使鐵水凈化，從而提高合金的流動(dòng)性。對(duì)于形狀復(fù)雜的薄壁鑄件，為了避免產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷，澆注溫度以略高為宜。

3.充型壓力

金屬液態(tài)合金在流動(dòng)方向上所受到的壓力稱為充型壓力。充型壓力越大，合金的流速越快，流動(dòng)性越好。但充型壓力不宜過大，以免產(chǎn)生金屬飛濺或因?yàn)闅怏w排出不及時(shí)而產(chǎn)生氣孔等缺陷。砂型鑄造的充型壓力由直澆道所產(chǎn)生的靜壓力形成，提高直澆道的高度可以增大充型能力。通過壓力鑄造和離心鑄造來增加充型壓力，即可提高金屬液的流動(dòng)性，增強(qiáng)充型能力。

4.鑄型條件

鑄型條件包括鑄型的蓄熱系數(shù)、鑄型溫度以及鑄型中的氣體含量等。鑄型的蓄熱系數(shù)是指鑄型從金屬液吸收并儲(chǔ)存熱量的能力。鑄型材料的導(dǎo)熱率、密度越大，蓄熱能力越強(qiáng)，蓄熱系數(shù)越大，對(duì)液態(tài)合金的激冷作用越強(qiáng)，金屬液保持流動(dòng)的時(shí)間就越短，充型能力越差。鑄型溫度越高，金屬液冷卻越慢，越有利于提高充型能力。另外，在澆注時(shí)，鑄型如產(chǎn)生氣體過多，且排氣能力不好，則會(huì)阻礙充型，并易產(chǎn)生氣孔缺陷。圖2-4鑄件澆注系統(tǒng)鑄型澆注系統(tǒng)如圖2-4所示，若直澆道過低，則液態(tài)合金靜壓力減小；內(nèi)澆道截面過小，鑄型型腔過窄或表面不光滑，則增加液態(tài)合金的流動(dòng)阻力。因此，在鑄型中增加液態(tài)合金流動(dòng)阻力和降低液態(tài)合金冷卻速度等因素，均會(huì)使流動(dòng)性變壞。

2.1.2合金的收縮

1.合金的收縮及影響因素

1)收縮的概念

液態(tài)合金從澆注溫度逐漸冷卻、凝固，直至冷卻到室溫的過程中，其尺寸和體積縮小的現(xiàn)象，稱為收縮。它是鑄造合金本身的物理性質(zhì)，也是合金重要的鑄造性能之一。整個(gè)收縮過程經(jīng)歷了液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮三個(gè)階段。

液態(tài)收縮為合金從澆注溫度冷卻至液相線溫度的收縮。凝固收縮為合金從液相線溫度冷卻至固相線溫度之間的收縮。固態(tài)收縮為合金從固相線溫度冷卻至室溫時(shí)的收縮。合金的總收縮率為上述三階段收縮的總和。合金的液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮減，常用體積收縮率表示，是鑄件產(chǎn)生縮孔、縮松的基本原因；合金的固態(tài)收縮主要表現(xiàn)為鑄件各個(gè)方向上的線尺寸的縮減，通常用線收縮率表示，是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋的基本原因。不同的合金其收縮率不同，表2-2列出了幾種鐵碳合金的收縮率。表2-2常見鐵碳合金的收縮率

2)影響因素

(1)化學(xué)成分：不同的鑄造合金有不同的收縮率，從表2-2中可看出，灰口鑄鐵收縮最小，鑄造碳鋼收縮最大?；铱阼T鐵收縮小的原因是由于大部分的碳是以石墨狀態(tài)存在的，因石墨比容大，在結(jié)晶過程中，析出石墨所產(chǎn)生的體積膨脹，抵消了一部分收縮。硅是促進(jìn)石墨化的元素，因而碳、硅含量越多，收縮就越小。硫能阻礙石墨的析出，使鑄件的收縮率增大。適當(dāng)提高含錳量，錳與鑄鐵中的硫形成MnS，抵消了硫?qū)κ淖璧K作用，使收縮率減小。

(2)澆注溫度：澆注溫度越高，過熱量越大，合金的液態(tài)收縮增加，合金的總收縮率加大。對(duì)于鋼液，通常澆注溫度每提高100℃，體收縮率就會(huì)增加約1.6%，因此澆注溫度越高，形成縮孔傾向越大。

(3)鑄型結(jié)構(gòu)與鑄型條件：合金在鑄型中并不是自由收縮，而是受阻收縮。其阻力來自兩個(gè)方面：其一，鑄件在鑄型中冷卻時(shí)，由于形狀和壁厚上的差異，造成各部分冷速不同，相互制約而對(duì)收縮產(chǎn)生阻力；其二，鑄型和型芯對(duì)收縮的機(jī)械阻力。通常，帶有內(nèi)腔或側(cè)凹的鑄件收縮較小，型砂和型芯砂的緊實(shí)度越大，鑄件的收縮越小。顯然，鑄件的實(shí)際線收縮率比合金的自由線收縮率小。因此，在設(shè)計(jì)模型時(shí)，應(yīng)根據(jù)合金的材質(zhì)及鑄件的形狀、尺寸等，選用適當(dāng)?shù)氖湛s率。

2.鑄件中的縮孔與縮松

澆入鑄型中的液態(tài)合金，因液態(tài)收縮和凝固收縮所產(chǎn)生的體積收縮而不能得到外來液體的補(bǔ)充時(shí)，在鑄件最后凝固的部位形成的孔洞稱為縮孔。縮孔分為集中縮孔與分散縮孔兩類，一般把前者稱為縮孔，后者稱為縮松。廣義的縮孔也包括縮松，它是鑄件上危害最大的缺陷之一。

1)縮孔

縮孔是容積較大的孔洞，常出現(xiàn)在鑄件的上部或最后凝固的部位，其形狀不規(guī)則，多呈倒錐形，且內(nèi)表面粗糙。其形成過程如圖2-5所示。

液態(tài)合金填滿鑄型后，合金液逐漸冷卻，并伴隨有液態(tài)收縮，此時(shí)因澆注系統(tǒng)尚未凝固，型腔還是充滿的，如圖2-5(a)所示。隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行，當(dāng)外緣溫度降至固相線溫度以下時(shí)，鑄件表面凝固成一層硬殼。如內(nèi)澆道已凝固，所形成的硬殼就像一個(gè)封閉的容器，里面充滿了液態(tài)合金，如圖2-5(b)所示。鑄件進(jìn)一步冷卻時(shí)，除了里面的液態(tài)合金產(chǎn)生液態(tài)收縮及凝固收縮外，已凝固的外殼還將產(chǎn)生固態(tài)收縮。但硬殼內(nèi)合金的液態(tài)收縮和凝固收縮遠(yuǎn)大于硬殼的固態(tài)收縮，故液面下降，與硬殼頂面脫離，如圖2-5(c)所示。此時(shí)在大氣壓力作用下，硬殼可能向內(nèi)凹陷，如圖2-5(d)所示。隨著凝固的繼續(xù)進(jìn)行，凝固層不斷加厚，液面繼續(xù)下降，在最后凝固的部位形成一個(gè)倒錐形的縮孔，如圖2-5(e)所示。

圖2-5縮孔的形成

2)縮松

鑄件中分散在某區(qū)域內(nèi)的細(xì)小孔洞稱為縮松，其分布面積較廣。產(chǎn)生縮松的原因也是由于鑄件最后凝固區(qū)域的收縮未能得到補(bǔ)充，或者是由于合金結(jié)晶間隔寬，被樹枝狀晶分隔開的小液體區(qū)難以得到補(bǔ)充所致?？s松可分為宏觀縮松與顯微縮松兩種。宏觀縮松用肉眼或放大鏡可以觀察到，它多分布在鑄件中心、軸線處或縮孔下方，如圖2-6所示。顯微縮松是分布在晶粒之間的微小孔洞，要用顯微鏡才能觀察到，其分布面積更廣，如圖2-7所示。顯微縮松難以完全避免，對(duì)于一般鑄件不作為缺陷對(duì)待，但對(duì)氣密性、力學(xué)性能、物理化學(xué)性能要求很高的鑄件，則必須設(shè)法減少。

圖2-6宏觀縮松

圖2-7顯微縮松由以上的縮孔和縮松的形成過程，可得到以下規(guī)律：

(1)合金的液態(tài)收縮和凝固收縮越大(如鑄鋼、鋁青銅等)，鑄件越易形成縮孔。

(2)結(jié)晶溫度范圍寬的合金易于形成縮松，如錫青銅等；而結(jié)晶溫度范圍窄的合金、純金屬和共晶成分合金易于形成縮孔。普通灰口鑄鐵盡管接近共晶成分，但因石墨的析出，凝固收縮小，故形成縮孔和縮松的傾向都很小。

因此，必須采取適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┯枰苑乐?。防止縮孔常用的工藝措施就是控制鑄件的凝固次序，使鑄件實(shí)現(xiàn)順序凝固。所謂順序凝固，就是使鑄件按遞增的溫度梯度方向從一個(gè)部分到另一個(gè)部分依次凝固。在鑄件可能出現(xiàn)縮孔的熱節(jié)處，通過增設(shè)冒口或冷鐵等一系列工藝措施，使鑄件遠(yuǎn)離冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口部位凝固，最后是冒口本身凝固，如圖2-8所示。按此原則進(jìn)行凝固，能使縮孔集中到冒口中，最后將冒口切除，就可以獲得致密的鑄件。

圖2-8順序凝固示意圖

圖2-9鑄件冒口冷鐵設(shè)置示例冒口是鑄型內(nèi)儲(chǔ)存用于補(bǔ)縮的金屬液的空腔，冷鐵通常用鋼或鑄鐵制成，僅是加快某些部位的冷卻速度，以控制鑄件的凝固順序，但本身并不起補(bǔ)縮作用。冷鐵和冒口設(shè)置的例子可見圖2-9。圖2-9為閥體鑄件，其中，左側(cè)為無冒口和冷鐵的狀況，在熱節(jié)處可能產(chǎn)生縮孔；右側(cè)為增設(shè)冒口和冷鐵后，鑄件實(shí)現(xiàn)了順序凝固，防止了縮孔。

順序凝固雖然可以有效地防止縮孔和宏觀縮松，但鑄造工藝復(fù)雜，增加了鑄件成本，同時(shí)擴(kuò)大了鑄件各部分的溫差，增大了鑄件的變形和裂紋傾向。因此，它主要用于必須補(bǔ)縮的場(chǎng)合，如鑄鋼、鋁硅合金等。另外，結(jié)晶溫度范圍寬的合金，結(jié)晶開始后，形成發(fā)達(dá)的樹枝狀骨架布滿整個(gè)截面，難以進(jìn)行補(bǔ)縮，因而很難避免顯微縮松的形成。因此，順序凝固原則主要適用于純金屬和結(jié)晶溫度范圍窄、靠近共晶成分的合金，也適用于凝固收縮大的合金補(bǔ)縮。

通過加壓補(bǔ)縮的方法也可以防治縮孔和縮松。將鑄型放于壓力室中，澆注后使鑄件在壓力下凝固，可顯著減少顯微縮松。此外，采用壓力鑄造、離心鑄造等特種鑄造方法使鑄件在壓力下凝固，也可有效地防治縮孔和縮松。

3.鑄造內(nèi)應(yīng)力

鑄件在凝固后繼續(xù)冷卻的過程中產(chǎn)生的固態(tài)收縮受到阻礙及熱作用，會(huì)產(chǎn)生鑄造內(nèi)應(yīng)力，它是鑄件產(chǎn)生變形和裂紋等缺陷的主要原因。鑄造內(nèi)應(yīng)力按產(chǎn)生的不同原因主要分為熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力兩種。

1)熱應(yīng)力

熱應(yīng)力是由于鑄件壁厚不均勻、各部分冷卻速度不一致，致使鑄件在同一時(shí)期內(nèi)各部分的收縮不一致而引起的。應(yīng)力狀態(tài)隨溫度的變化而發(fā)生變化，金屬在再結(jié)晶溫度以上的較高溫度下，在較小的應(yīng)力作用下即發(fā)生塑性變形，變形后應(yīng)力消除，金屬處于塑性狀態(tài)。在再結(jié)晶溫度以下的較低溫度下，此時(shí)在應(yīng)力作用下，將產(chǎn)生彈性變形，金屬處于彈性

狀態(tài)。

以圖2-10(a)所示的框形鑄件來分析熱應(yīng)力的形成。該鑄件由較粗的Ⅰ桿和較細(xì)的Ⅱ桿兩部分組成。溫度為t固時(shí)，兩桿均為固態(tài)，溫度繼續(xù)下降，當(dāng)處于高溫階段(Ｔ0~Ｔ1)時(shí)，兩桿均處于塑性狀態(tài)，盡管它們的冷卻速度不同、收縮不一致，但所形成的應(yīng)力均可通過塑性變形而消失。當(dāng)繼續(xù)冷卻時(shí)間為T2時(shí)，細(xì)桿Ⅱ溫度達(dá)到t臨，則進(jìn)入彈性狀態(tài)、而粗桿Ⅰ并未達(dá)到t臨溫度，仍處于塑性狀態(tài)(Ｔ1~Ｔ2)，細(xì)桿冷卻快，收縮大于粗桿，因此Ⅱ桿受拉、Ⅰ桿受壓，如圖

2-10(b)所示，形成暫時(shí)應(yīng)力。但這個(gè)應(yīng)力隨著粗桿的微量塑性變形而消失，如圖2-10(c)所示。當(dāng)進(jìn)一步冷卻到較低溫度時(shí)，Ⅰ、Ⅱ桿均處于彈性狀態(tài)(Ｔ2~Ｔ3)，這時(shí)粗桿溫度較高，還會(huì)進(jìn)行大量的收縮，Ⅱ桿溫度低，收縮趨于停止。因此粗桿Ⅰ的收縮受到Ⅱ桿的強(qiáng)烈阻礙，形成了內(nèi)應(yīng)力。粗桿受拉應(yīng)力，而細(xì)桿受壓應(yīng)力，如圖2-10(d)所示。

圖2-10熱應(yīng)力的形成由此可見，熱應(yīng)力使得鑄件的厚壁部分或心部受拉伸應(yīng)力，薄壁部分或表面受壓縮應(yīng)力。合金的線收縮率越大，鑄件各部分的壁厚差別越大，形狀越復(fù)雜，所形成的熱應(yīng)力也越大。

熱應(yīng)力產(chǎn)生的基本原因是由于冷卻速度不一致所致，因此盡量減小鑄件各部分的溫差，使其均勻冷卻即可預(yù)防熱應(yīng)力。為此，設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡量使鑄件的壁厚均勻，并在鑄造工藝上采用同時(shí)凝固原則。

圖2-11同時(shí)凝固原則所謂同時(shí)凝固原則，就是從工藝上采取必要的措施，使鑄件各部分冷卻速度盡量一致。具體方法就是將澆口開在鑄件的薄壁處，以減小該處的冷卻速度，而在厚壁處可放置冷鐵以加快其冷卻速度，如圖2-11所示。鑄件按同時(shí)凝固原則凝固，各部分溫差小，熱應(yīng)力小，不易產(chǎn)生變形和裂紋，而且不必設(shè)置冒口，鑄造工藝簡(jiǎn)化。但是這種凝固方式易使鑄件中心出現(xiàn)宏觀縮松或縮孔，影響鑄件的致密性。因此，這種凝固原則主要適用于縮孔、縮松傾向較小的灰口鑄鐵等合金。但是同時(shí)凝固原則的工藝措施與防止縮孔、縮松缺陷的順序凝固措施相矛盾，此時(shí)，應(yīng)根據(jù)鑄件的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)際的工藝措施以防止缺陷的產(chǎn)生。

圖2-12機(jī)械應(yīng)力

2)機(jī)械應(yīng)力

鑄件收縮時(shí)受到鑄型、型芯等的機(jī)械阻礙而引起的應(yīng)力稱為機(jī)械應(yīng)力，如圖2-12中機(jī)械應(yīng)力使鑄件產(chǎn)生拉應(yīng)力或剪切應(yīng)力，機(jī)械應(yīng)力是暫存的，鑄件落砂后機(jī)械阻礙消除可自行消失。形成機(jī)械阻礙的原因是型砂的高溫強(qiáng)度高，退讓性差；鑄件型腔結(jié)構(gòu)等。

當(dāng)鑄件的內(nèi)應(yīng)力大于鑄件的抗拉強(qiáng)度時(shí)，鑄件會(huì)產(chǎn)生裂紋，如圖2-12所示。對(duì)于一般鑄鐵件，通常以預(yù)防縮孔和縮松缺陷為主，因?yàn)殍T件在冷卻過程中產(chǎn)生的鑄造內(nèi)應(yīng)力不致引起裂紋，鑄造內(nèi)應(yīng)力問題往往不是主要的工藝問題，但由于會(huì)有殘留下來的應(yīng)力，可以通過時(shí)效處理來加以消除。

時(shí)效處理可分為自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種。自然時(shí)效是將鑄件放置在露天半年到一年的時(shí)間，從而使鑄件內(nèi)部的應(yīng)力自行消失；人工時(shí)效是將鑄件進(jìn)行低溫退火，它可縮短處理時(shí)間，將鑄件加熱到550℃～650℃，保溫2h～4h，隨爐冷卻至150℃～200℃，然后出爐，從而消除鑄件的殘留應(yīng)力。

3)鑄件的變形與防止

內(nèi)應(yīng)力的存在是鑄件產(chǎn)生變形的主要原因。鑄件中厚壁部位受拉應(yīng)力，薄壁部位受壓應(yīng)力，處于應(yīng)力狀態(tài)的鑄件是不穩(wěn)定的，將自發(fā)地通過變形減小應(yīng)力，以趨于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。顯然，受拉的部分有縮短的趨勢(shì)或向內(nèi)凹；受壓的部分有伸長(zhǎng)的趨勢(shì)或向外凸，這樣才能使鑄件中的殘余應(yīng)力減小或消除。圖2-13為車床床身鑄件，其導(dǎo)軌部分較厚，殘留有拉應(yīng)力，床壁部分較薄，殘留有壓應(yīng)力，于是，床身朝著導(dǎo)軌方向彎曲，使導(dǎo)軌下凹。

圖2-13車床床身變形鑄件的變形使鑄件精度降低，嚴(yán)重時(shí)可能使鑄件報(bào)廢，必須進(jìn)行防止。為防止鑄件變形，首先在鑄件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使鑄件壁厚均勻、形狀簡(jiǎn)單和結(jié)構(gòu)對(duì)稱。圖2-14為鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)變形的影響?？梢姡瑢?duì)稱結(jié)構(gòu)不易產(chǎn)生變形。另外，在生產(chǎn)中常用反變形法防止鑄件變形。對(duì)圖2-13中的床身鑄件，預(yù)先將模樣做成與鑄件變形方向相反的形狀，模樣的預(yù)變形量(反撓度)與鑄件的變形量相等，待鑄件冷卻后變形正好抵消。也可采用同時(shí)凝固原則，減少熱應(yīng)力及鑄件變形。實(shí)踐證明，鑄件冷卻時(shí)產(chǎn)生一定的變形，只能減小應(yīng)力，而不能徹底消除應(yīng)力。鑄件經(jīng)機(jī)械加工后，會(huì)引起鑄件的再次變形，零件精度降低。為此，對(duì)重要的鑄件，還必須采用去應(yīng)力退火。

圖2-14鑄件結(jié)構(gòu)對(duì)變形的影響

4)鑄件裂紋及其防止

當(dāng)鑄造內(nèi)應(yīng)力超過金屬的強(qiáng)度極限時(shí)，鑄件便產(chǎn)生裂紋。裂紋是嚴(yán)重的鑄造缺陷，必須設(shè)法防止。裂紋按形成的溫度范圍分為熱裂和冷裂兩種。

熱裂是凝固末期，金屬處于固相線附近的高溫下形成的。在金屬凝固末期，固體的骨架已經(jīng)形成，但樹枝狀晶體間仍殘留少量液體，此時(shí)合金如果收縮，就可能將液膜拉裂，形成裂紋。另外，研究也表明，合金在固相線溫度附近的強(qiáng)度、塑性非常低，鑄件的收縮受到鑄型等因素阻礙時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力將很容易超出此溫度時(shí)的強(qiáng)度極限，導(dǎo)致鑄件開裂。熱裂紋的形狀特征是裂紋短、縫隙寬、形狀曲折、縫內(nèi)呈氧化色，即鑄鋼件呈黑色，鋁合金呈暗灰色。鑄件結(jié)構(gòu)不合理、合金收縮大、型(芯)砂退讓性差以及鑄造工藝不合理均可引發(fā)熱裂。鋼鐵中的硫和磷降低了鋼鐵的韌性，使熱裂紋傾向提高。因此合理地調(diào)整合金成分，合理地設(shè)計(jì)鑄件結(jié)構(gòu)，采用同時(shí)凝固原則和改善型砂的退讓性都是有效的措施。

冷裂是在較低溫度下形成的，此時(shí)金屬處于彈性狀態(tài)，當(dāng)鑄造應(yīng)力超過合金的強(qiáng)度極限時(shí)產(chǎn)生冷裂。其形狀特征是裂紋細(xì)小，呈連續(xù)直線狀，有時(shí)縫內(nèi)有輕微氧化色。冷裂常出現(xiàn)在復(fù)雜件受拉伸部位，特別易出現(xiàn)在應(yīng)力集中處。不同合金的冷裂傾向不同，灰口鑄鐵、高錳鋼等塑性差的合金容易產(chǎn)生冷裂；鋼中磷含量高，冷脆性增加，易形成冷裂，因此，對(duì)鋼鐵材料應(yīng)嚴(yán)格控制含磷量，并在澆注后不要過早落砂。冷裂的傾向與鑄造內(nèi)應(yīng)力有密切關(guān)系，凡能減小鑄造內(nèi)應(yīng)力的因素，均能防止冷裂。2.1.3合金的吸氣性

在熔煉和澆注合金時(shí)，合金會(huì)吸入大量氣體，這種吸收氣體的能力稱為吸氣性。氣體在冷凝的過程中不能逸出，冷凝后則在鑄件內(nèi)形成氣孔缺陷。氣孔表面比較光滑、明亮或略帶氧化色，形狀呈橢圓形、球形或梨形。氣孔的存在破壞了金屬的連續(xù)性，減少了承載的有效面積，并在氣孔附近引起應(yīng)力集中，降低了鑄件的力學(xué)性能。

按照氣體的來源，氣孔可分為侵入氣孔、析出氣孔和反應(yīng)氣孔三類。

1.侵入氣孔

侵入氣孔是砂型和型芯表面層聚集的氣體侵入金屬液中而形成的氣孔。氣體主要來自造型材料中的水分、黏結(jié)劑、附加物等，一般是水蒸氣、一氧化碳、二氧化碳、氧氣、碳?xì)浠衔锏?。侵入氣孔多位于砂型和型芯的表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔的內(nèi)表面被氧化。預(yù)防侵入氣孔產(chǎn)生的主要措施是減少型(芯)砂的發(fā)氣量、發(fā)氣速度，增加鑄型、型芯的透氣性；或是在鑄型表面刷上涂料，使型砂與金屬液隔開，防止氣體的侵入。

2.析出氣孔

溶解于金屬液中的氣體在冷卻和凝固過程中，由于氣體的溶解度下降而從合金中析出，在鑄件中形成的氣孔稱為析出氣孔。析出氣孔的分布面積較廣，有時(shí)遍及整個(gè)鑄件截面，但氣孔的尺寸很小，常被稱為“針孔”。析出氣孔在鋁合金中最為多見，它不僅影響合金的力學(xué)性能，還將嚴(yán)重影響鑄件的氣密性，甚至引起鑄件滲漏。

預(yù)防析出性氣孔的主要措施是減少合金的吸氣量，即將爐料及澆注工具進(jìn)行烘干，縮短熔煉時(shí)間，在覆蓋層下或真空爐中熔煉合金等；可以利用不溶于金屬的氣泡，帶走溶入液態(tài)金屬中的氣體，即對(duì)金屬進(jìn)行除氣處理。如向鋁液底部吹入氮?dú)猓?dāng)?shù)獨(dú)馀萆细r(shí)可帶走鋁液中的氫氣；也可在生產(chǎn)中采用提高鑄件的冷卻速度和使其在壓力下凝固的辦法，使氣體來不及析出而過飽和地溶解在金屬中，從而能避免氣孔的產(chǎn)生。此外，用金屬型鑄造鋁鑄件，則比用砂型鑄造鋁鑄件氣孔要少。

3.反應(yīng)氣孔

澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或熔渣之間，因化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體而形成的氣孔，稱反應(yīng)氣孔。反應(yīng)氣孔的種類很多，形狀各異。如金屬液與砂型界面因化學(xué)反應(yīng)生成的氣孔，多分布在鑄件表層下1mm～2mm處，表面經(jīng)過加工或清理后，許多小孔就會(huì)顯現(xiàn)出來，被稱為皮下氣孔。反應(yīng)氣孔形成的原因和方式較為復(fù)雜，不同合金的防止方法也有所區(qū)別，通常可以通過清除冷鐵、型芯撐的表面油污、銹蝕并保持干燥來預(yù)防反應(yīng)氣孔的出現(xiàn)。

2.2.1常用的鑄造合金

常用的鑄造合金包括鑄鐵、鑄鋼和鑄造有色合金。其中最常用的鑄造合金是鑄鐵件，它大量應(yīng)用于機(jī)器制造業(yè)中，通常鑄鐵件占機(jī)器總重量的50%以上。2.2常用的鑄造合金及鑄造方法

1.鑄鐵

鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的不同形式，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵和麻口鑄鐵。白口鑄鐵中的碳以滲碳體形式存在，斷口呈銀白色，硬脆性大，很少用于制作機(jī)器零件，主要用于煉鋼原料?；铱阼T鐵中的碳以石墨形式存在，斷口呈暗灰色，應(yīng)用較廣。麻口鑄鐵中的碳以自由滲碳體和石墨形式混合存在，斷口為黑白相間的麻點(diǎn)，硬脆性大，也很少使用。

其中灰口鑄鐵根據(jù)石墨的不同形態(tài)又可分為普通灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵。

１)普通灰口鑄鐵

普通灰口鑄鐵通常簡(jiǎn)稱為灰鑄鐵，石墨呈片狀，如圖2-15(a)所示。其化學(xué)成分靠近共晶點(diǎn)，熔點(diǎn)低，具有良好的流動(dòng)性，并且鑄件在結(jié)晶時(shí)，由于石墨的析出而產(chǎn)生膨脹，抵消了鑄鐵的凝固收縮，其總的收縮率很小，因而不易產(chǎn)生縮孔等缺陷，在一般情況下鑄型很少需要冒口和冷鐵。普通灰口鑄鐵澆注溫度較低，因而對(duì)型砂的性能要求較低，普通的天然石英砂即可使用，通常多采用濕型鑄造。因此，普通灰口鑄鐵具有良好的鑄造性能及鑄造工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，便于制造薄而復(fù)雜的鑄件。此外，灰口鑄鐵件一般不需進(jìn)行熱處理，或僅需時(shí)效處理。

圖2-15鑄鐵石墨形態(tài)

(a)普通灰口鑄鐵；(b)可鍛鑄鐵；(c)球墨鑄鐵；(d)蠕墨鑄鐵但是，普通灰口鑄鐵由于粗片狀石墨的存在，導(dǎo)致力學(xué)性能降低(σb不超過250MPa)，因此為了改善灰口鑄鐵的力學(xué)性能，通常需要采用孕育處理來改變片狀石墨的大小和數(shù)量。石墨片越細(xì)小、越均勻，鑄鐵的力學(xué)性能便越高。鐵液經(jīng)孕育處理后，獲得的亞共晶灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。其組織是在珠光體基體上均勻分布著細(xì)小石墨片，其強(qiáng)度和硬度明顯高于普通灰口鑄鐵，但塑性和韌性仍比較差，可用來制造力學(xué)性能要求較高的鑄件，如汽缸、曲軸、凸輪、機(jī)床床身，特別是截面尺寸變化較大的鑄件。孕育處理過程是首先熔煉出碳硅含量低的高溫原鐵水，一般是碳含量為2.7%～3.3%、硅含量為1.0%～2.0%；然后將塊度為3mm3～10mm3的小塊或粉末狀孕育劑均勻地撒到出鐵槽或澆包中，由出爐的高溫鐵水將孕育劑沖熔，并被吸收后，攪拌、扒渣，然后進(jìn)行澆注。常用的孕育劑為含硅75％的硅鐵合金，孕育劑的加入量為鐵水重量的0.25%～0.6%，厚件加入孕育劑的重量要取下限。由于低碳鐵水的流動(dòng)性差，處理后鐵水溫度要降低，因此鐵水出爐溫度一般控制在1400℃～1450℃。孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結(jié)晶核心，使石墨化作用提高，從而得到細(xì)粒珠光體和分布均勻的細(xì)片狀石墨組織，使鑄鐵的力學(xué)性能得到提高。經(jīng)孕育處理的鐵水應(yīng)及時(shí)進(jìn)行澆注，因?yàn)殡S著時(shí)間的增加，孕育效果會(huì)減弱以致消失，產(chǎn)生孕育衰退，所以生產(chǎn)中規(guī)定了孕育處理后進(jìn)行澆注之間的時(shí)間不要超過15min。

普通灰口鑄鐵的牌號(hào)用力學(xué)性能來表示。以“HT”表示普通灰口鑄鐵，后面以三位數(shù)字表示普通灰口鑄鐵的最低抗拉強(qiáng)度值。各牌號(hào)灰口鑄鐵的力學(xué)性能和用途如表2-3所示。表2-3常用普通灰口鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途

2)可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵又稱瑪鐵或瑪鋼，石墨呈團(tuán)絮狀，如圖2-15(b)所示，它是將白口鑄鐵件經(jīng)高溫石墨化退火，使其組織中的滲碳體分解為團(tuán)絮狀石墨而成。由于團(tuán)絮狀石墨的存在大大減輕了對(duì)基體的割裂作用，因而抗拉強(qiáng)度得到顯著提高，特別是其強(qiáng)度和韌性比普通灰口鑄鐵高，因此得名，但是，事實(shí)上可鍛鑄鐵通常不能用于鍛造加工。

可鍛鑄鐵的碳、硅含量較低，凝固溫度范圍較大，因而鐵水的流動(dòng)性較差，為此，必須適當(dāng)提高鐵水的出爐溫度和澆注溫度，以防止?jié)沧r(shí)鑄件產(chǎn)生冷隔和澆不足等缺陷，因?yàn)闈沧囟雀?一般不低于1360℃)，所以型砂的耐火性也要適當(dāng)提高?？慑戣T鐵的鑄態(tài)組織為白口，沒有石墨化膨脹階段，收縮大，容易形成縮孔、縮松和裂紋缺陷，因此，在鑄造工藝上應(yīng)采用順序凝固原則，設(shè)置冒口和提高型砂的退讓性等?？慑戣T鐵的生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，退火周期長(zhǎng)，能源消耗大，鑄件成本較高。

可鍛鑄鐵按基本組織的不同可分為鐵素體基體和珠光體基體兩種可鍛鑄鐵。表2-4為可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途舉例。其中“KT”為“可鐵”二字的拼音字首，此處代表鐵素體可鍛鑄鐵?！癒TZ”代表珠光體可鍛鑄鐵，它們后面第一組數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字代表最低伸長(zhǎng)率。表2-4常用可鍛鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途從表2-4中可見，鐵素體可鍛鑄鐵具有較高的塑性和韌性，強(qiáng)度相對(duì)較低；而珠光體可鍛鑄鐵強(qiáng)度、硬度較高，塑性較差。前者常用于制造受沖擊、震動(dòng)的零件，例如汽車前后橋殼、減速器殼等；后者可用來制造具有較高強(qiáng)度及耐磨性的零件，例如曲軸、連桿等?？慑戣T鐵目前多用于制造形狀復(fù)雜、承受沖擊載荷的薄壁小件，而對(duì)于大中型零件不宜采用。目前，球墨鑄鐵已代替部分可鍛鑄鐵。

3)球墨鑄鐵

球墨鑄鐵內(nèi)石墨呈球狀，如圖2-15(c)所示，其化學(xué)成分接近共晶點(diǎn)，要求碳、硅含量比灰口鑄鐵高，錳、硫、磷含量比灰鑄鐵低。球墨鑄鐵的力學(xué)性能較好，其強(qiáng)度、塑性和韌性較高，并具有良好的耐磨性、抗疲勞性能和減震性，流動(dòng)性較好，但鑄造性能不及普通灰口鑄鐵，主要用來制造載荷較大、受力復(fù)雜的機(jī)器零件。

球墨鑄鐵生產(chǎn)時(shí)，為了獲得球狀石墨，需要進(jìn)行球化處理，而球化劑具有阻礙石墨化的作用，并為防止白口組織現(xiàn)象，要進(jìn)行孕育處理。但是，因?yàn)榍蚧幚頃r(shí)鐵水溫度會(huì)下降50℃～100℃，鑄件會(huì)產(chǎn)生澆不足等缺陷，所以，球墨鑄鐵要較高的澆注溫度及較大的澆注尺寸。為保證澆注溫度，鐵水的出爐溫度應(yīng)在1400℃以上。球墨鑄鐵在凝固收縮前有較大的膨脹，當(dāng)鑄型剛度不足時(shí)，鑄件的外殼將向外脹大，造成鑄件內(nèi)部金屬液的不足，在鑄件最后凝固部位易產(chǎn)生縮孔。因此，球墨鑄鐵一般需用冒口和冷鐵，采用順序凝固原則。另外，由于鐵水中的MgS與型腔中的水分作用，生成H2S氣體，球墨鑄鐵易產(chǎn)生皮下氣孔，因此，在造型工藝上應(yīng)嚴(yán)格控制型砂水分，適當(dāng)提高型砂透氣性。此外，因?yàn)榍蚰T鐵比灰口鑄鐵有較大的內(nèi)應(yīng)力、變形、裂紋傾向，所以對(duì)球墨鑄鐵要進(jìn)行退火，以消除內(nèi)應(yīng)力。

圖2-16包底沖入球化法球墨鑄鐵球化處理的目的是使石墨結(jié)晶時(shí)呈球狀析出，常用的球化劑主要是稀土元素鎂，其加入量為鐵液量的1.3%～1.8%。球化處理一般采用包底沖入處理法，如圖2-16所示，將球化劑放入鐵水包底部，上面覆蓋硅鐵粉和草木灰，以防止球化劑上浮。鐵水分兩次沖入，第一次沖入1/2～2/3，待球化作用后，再?zèng)_入其余鐵水，經(jīng)孕育處理、攪拌、扒渣后即可澆注。常用的孕育劑為75%硅的硅鐵合金，加入量為鐵水重量的0.4%～1.0%。球化處理中，碳可改善鑄造性能和球化效果；低的硅、錳和磷，可提高塑性和韌性；但硫易與球化劑合成硫化物，嚴(yán)重影響球化效果，應(yīng)嚴(yán)格控制。另外，處理后的鐵水應(yīng)及時(shí)澆注，否則球化作用衰退會(huì)引起鑄件球化不良，降低性能，因此為了防止球化衰退，通常要求15min澆注完成。

球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能及用途，如表2-5所示。其中以“QT”表示“球鐵”，它們后面第一組數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度，第二組數(shù)字代表最低延伸率。表2-5常用球墨鑄鐵的牌號(hào)、性能及應(yīng)用舉例4)蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵內(nèi)石墨呈蠕蟲狀，如圖2-15(d)所示，是近幾十年來發(fā)展起來的新型鑄鐵材料。蠕墨鑄鐵的化學(xué)成分與球墨鑄鐵相似，力學(xué)性能介于相同基體組織的灰口鑄鐵和球墨鑄鐵之間，耐磨性比灰口鑄鐵好，減震性比球墨鑄鐵好，有良好的流動(dòng)性和較小的收縮性，鑄造性能接近于灰口鑄鐵，切削性能較好，特別是有很好的導(dǎo)熱性和耐熱疲勞性，強(qiáng)度接近于球墨鑄鐵。因此，蠕墨鑄鐵適合于制造工作溫度較高、經(jīng)受熱循環(huán)載荷、組織要求致密、強(qiáng)度要求高的鑄件，例如汽缸蓋、排氣管、制動(dòng)盤、鋼錠模、制動(dòng)零件、液壓閥的閥體和液壓泵的泵體等。此外，由于其斷面敏感性小，可用于制造形狀復(fù)雜的大鑄件，如重型機(jī)床和大型柴油機(jī)的機(jī)體等。

蠕墨鑄鐵的制造過程及爐前處理與球墨鑄鐵相同，不同的是以蠕化劑代替球化劑。蠕化劑一般采用稀土鎂鈦、稀土鎂鈣和稀土硅鈣等合金。加入量為鐵水質(zhì)量的1%～2%，蠕化處理后，還需加入孕育劑進(jìn)行孕育處理。

2.鑄鋼

鑄鋼為含碳量小于2.11%的用于澆注鑄件的鐵碳合金。鑄鋼的強(qiáng)度與鑄鐵相近，但沖擊韌性和疲勞強(qiáng)度要高得多，力學(xué)性能優(yōu)于各類鑄鐵，主要用于強(qiáng)度、韌性、塑性要求較高、沖擊載荷較大或有特殊性能要求的鑄件，如起重運(yùn)輸機(jī)械中的一些齒輪、挖土機(jī)掘斗等。另外，鑄鋼的焊接性能遠(yuǎn)比鑄鐵優(yōu)良，這對(duì)于采用鑄焊聯(lián)合工藝制造大型機(jī)器零件是很重要的。鑄鋼件產(chǎn)量約占鑄件總產(chǎn)量的30%，僅次于鑄鐵件。

1)鑄鋼的分類

鑄鋼按化學(xué)成分可分為碳素鑄鋼和合金鑄鋼兩大類。

碳素鑄鋼應(yīng)用最廣，占鑄鋼總產(chǎn)量的80%以上，牌號(hào)以“ZG”加兩組數(shù)字表示，第一組數(shù)字表示厚度為100mm以下鑄件室溫時(shí)屈服點(diǎn)最小值，第二組數(shù)字表示鑄件的抗拉強(qiáng)度最小值。用于制造零件的碳素鑄鋼主要是含碳量在0.25%～0.45%的中碳鋼。這是由于低碳鋼熔點(diǎn)高，流動(dòng)性差，易氧化和熱裂；高碳鋼雖然鑄造性能較好(熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好)，但由于含碳量增高，鑄件收縮率增加，同時(shí)使導(dǎo)熱性能降低，容易產(chǎn)生冷裂。表2-6列出了幾種常用碳素鑄鋼的牌號(hào)及用途。表2-6常用碳素鑄鋼的牌號(hào)及用途合金鑄鋼按合金元素的含量分為低合金鑄鋼和高合金鑄鋼兩類。低合金鑄鋼中合金元素的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于或等于5%，力學(xué)性能比碳鋼高，因而能減輕鑄鋼重量，提高鑄件使用壽命，主要用于制造齒輪、轉(zhuǎn)子及軸類零件。高合金鑄鋼中合金元素的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于10%，具有耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性，可用來制造特殊場(chǎng)合下的耐磨和耐腐蝕零件。

2)鑄鋼的鑄造特點(diǎn)

鑄鋼的澆注溫度高，易氧化，流動(dòng)性差、收縮大，因此鑄造困難，容易產(chǎn)生黏砂、縮孔、冷隔、澆不足、變形和裂紋等缺陷。鑄鋼件造型用的型砂及芯砂的透氣性、耐火性、強(qiáng)度和退讓性都要好一些。為了防止黏砂，鑄型表面還要使用石英粉或鋯砂粉涂料。為了減少氣體來源，提高合金流動(dòng)性和鑄型強(qiáng)度，一般多用干型或快干型。鑄件大部分安置相當(dāng)數(shù)量的冒口、冷鐵，采用順序凝固原則，以防止縮孔、縮松缺陷的產(chǎn)生。對(duì)于壁厚均勻的薄件，可采用同時(shí)凝固的原則，開設(shè)多道內(nèi)澆口，讓鋼液均勻、迅速地填滿鑄件，同時(shí)必須嚴(yán)格控制澆注溫度，防止溫度過高或過低致使鑄件產(chǎn)生缺陷。鑄鋼件鑄后晶粒粗大，組織不均勻，有較大的鑄造內(nèi)應(yīng)力，強(qiáng)度低，塑性、韌性較差。為了細(xì)化晶粒、消除應(yīng)力、提高鑄鋼件的力學(xué)性能，鑄鋼鑄后要進(jìn)行退火或正火熱處理。

3.鑄造有色合金

鑄造有色合金的力學(xué)性能比鑄鐵或鑄鋼要低，但具有特殊的物理、化學(xué)性能，如較好的耐蝕性、耐磨性、耐熱性和導(dǎo)電性等。常用的鑄造有色合金有鋁合金、銅合金、鎂合金、鈦合金及軸承合金等，應(yīng)用較多的是鑄造鋁合金及鑄造銅合金。

1)鑄造鋁合金

鑄造鋁合金的相對(duì)密度小，熔點(diǎn)低，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性及耐腐蝕性好，廣泛地用于航空工業(yè)及發(fā)動(dòng)機(jī)制造等領(lǐng)域。

鑄造鋁合金熔點(diǎn)低，一般用坩堝爐熔煉。鋁合金在高溫下易氧化，生成高熔點(diǎn)的Al2O3，造成非金屬夾雜物懸浮在鋁液中，很難清除，使合金的力學(xué)性能降低。此外鋁合金在液態(tài)下還易吸收氫氣，冷卻時(shí)被覆蓋其表面的致密的Al2O3薄膜阻礙而不易排出，會(huì)形成許多小針孔，嚴(yán)重影響鑄件的氣密性，并使力學(xué)性能下降。為防止鋁合金的氧化和吸氣，在熔化時(shí)要向坩堝內(nèi)加入如KCl、NaCl等鹽類作熔劑，將鋁液覆蓋，與爐氣隔絕。在鋁液出爐之前，還要進(jìn)行精煉，以排除吸入的氣體，方法是：將氯氣用管子通入鋁液中6min～10min，在鋁液內(nèi)就發(fā)生如下反應(yīng)：

３Cl2＋２Ａl→２ＡlＣl3↑

Cl2＋Ｈ2→２ＨＣl↑

生成的AlCl3、HCl、Cl2氣泡在上浮過程中，將鋁液中溶解的氣體和Al2O3夾雜物一并帶出液面而除去。

鑄造鋁合金流動(dòng)性好，對(duì)型砂耐火性要求不高，可采用細(xì)砂造型，獲得的鑄件表面粗糙度值小，并可澆注薄壁復(fù)雜鑄件。為防止鋁液在澆注過程中的氧化和吸氣，通常要用開放式的澆注系統(tǒng)，并多開內(nèi)澆口，使鋁液能夠平穩(wěn)而較快地充滿鑄型。

鑄造鋁合金根據(jù)合金成分的不同分為四類，即鋁硅合金、鋁銅合金、鋁鎂合金和鋁鋅合金。鑄造鋁合金的牌號(hào)用“ZL”表示，后面首位數(shù)字1～4分別表示上述四種不同的鑄造鋁合金類型。鋁硅合金熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性較好，線收縮率低，熱裂傾向小，氣密性好，具有良好的鑄造性能，力學(xué)性能、物理性能和切削性能較好，其應(yīng)用最廣，比如常用的有ZL101和ZL102，適用于制造形狀復(fù)雜的薄壁件或氣密性要求較高的零件，如泵殼、儀表外殼、化油器、調(diào)速器殼等。鋁銅合金鑄造性能較差，因此，應(yīng)適當(dāng)提高澆注溫度和澆注速度，同時(shí)在厚鑄件上大部分安置冒口，以防止產(chǎn)生澆不足、縮孔和裂紋等缺陷。盡管鋁銅合金耐腐蝕性較低，但具有較高的力學(xué)性能，應(yīng)用僅次于鋁硅合金，常用于制造活塞、汽缸蓋、金屬模型等。鋁鎂合金耐蝕性最好，密度最小，強(qiáng)度最高，但鑄造工藝較復(fù)雜，常用于航天、航空或長(zhǎng)期在大氣、海水中工作的零件，如水泵體或車輛上的裝飾性部件。鋁鋅合金耐蝕性差，熱裂傾向大，但強(qiáng)度較高，多用來制造汽車發(fā)動(dòng)機(jī)配件、儀表元件等。

2)鑄造銅合金

鑄造銅合金的特性是有較高的耐磨性、耐腐蝕性、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，廣泛用于制造軸套、渦輪、泵體、管道配件以及電器和制冷設(shè)備上的零件，但是銅的比重大，價(jià)格昂貴。

鑄造銅合金分為鑄造黃銅和鑄造青銅兩大類。常用的鑄造銅合金的牌號(hào)、成分、性能及用途如表2-7所示。表2-7常用的鑄造銅合金的牌號(hào)、成分、性能及用途鑄造黃銅是以鋅為主要合金元素的銅基合金，鋅的含量決定黃銅的力學(xué)性能，隨著合金中鋅含量的增加，合金的強(qiáng)度、塑性顯著提高，但當(dāng)鋅的含量超過47%時(shí)，黃銅的性能下降。鋅又是很好的脫氧劑，能使合金的結(jié)晶溫度范圍縮小，提高流動(dòng)性，并避免鑄件產(chǎn)生縮松。鑄造黃銅熔點(diǎn)較低，流動(dòng)性好，可澆注薄壁的復(fù)雜鑄件，對(duì)型砂的耐火度要求不高，可采用較細(xì)的型砂造型，鑄件表面粗糙度值小，加工余量少。鑄造黃銅包括普通黃銅和特殊黃銅。只由銅、鋅兩種元素構(gòu)成的黃銅為普通黃銅。特殊黃銅除了銅、鋅以外，還有鋁、硅、錳、鉛等合金元素。普通黃銅的耐磨性和耐蝕性很差，工業(yè)上用得不多。特殊黃銅的強(qiáng)度和硬度較高，耐蝕性、耐磨性和耐熱性好，鑄造性能和切削加工性能好，可用來制造耐磨、耐蝕零件，如內(nèi)燃機(jī)軸承、軸套、調(diào)壓閥等。

鑄造青銅是銅與鋅以外的元素所構(gòu)成的銅合金，耐磨性和耐蝕性比黃銅高，可制造重要軸承、軸套、調(diào)壓閥座等。鑄造青銅包括錫青銅和特殊青銅。以錫為主要元素的青銅為錫青銅，其他的為特殊青銅，又叫無錫青銅，包括鋁青銅、鉛青銅和錳青銅等。錫能提高青銅的強(qiáng)度和硬度。錫青銅的結(jié)晶溫度范圍寬，合金流動(dòng)性差，易產(chǎn)生縮松，不適于制造氣密性要求較高的零件。因此，壁厚不大的鑄件，需采用同時(shí)凝固的方法；鑄造時(shí)宜采用金屬型，因冷速大而易于補(bǔ)縮，使鑄件結(jié)晶致密。此外，錫青銅在液態(tài)下易氧化，形成Cu２O溶解在銅內(nèi)，使力學(xué)性能下降。為了防止氧化，加入熔劑(如玻璃、木炭、硼砂等)覆蓋銅合金液表面，同時(shí)還加入0.3%～0.5%的磷銅脫氧，使Cu２O還原。2.2.2常見的鑄造缺陷

由于鑄造工序繁多，影響鑄件質(zhì)量的因素比較復(fù)雜，不利于綜合控制，鑄件的缺陷難以完全避免。表2-8列出了鑄件常見缺陷的特征及產(chǎn)生原因。為了能夠正確設(shè)計(jì)鑄件的結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)鑄造生產(chǎn)的實(shí)際條件，合理地?cái)M定技術(shù)要求，以防止缺陷的發(fā)生。表2-8鑄件常見缺陷的特征及產(chǎn)生原因續(xù)表2.2.3鑄造方法

按工藝方法不同，常用的鑄造方法可分為砂型鑄造和特種鑄造兩大類。砂型鑄造是傳統(tǒng)的鑄造方法，其特點(diǎn)是適應(yīng)性廣，成本低，生產(chǎn)周期短，應(yīng)用最為廣泛，但鑄件的精度不高，粗糙度值大，鑄型僅能使用一次，而且工人的勞動(dòng)強(qiáng)度也大等。特種鑄造是指與普通砂型鑄造有一定區(qū)別的一些鑄造方法，如熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、離心鑄造等，這些方法主要從鑄型及鑄型材料、制造鑄型的工藝方法、澆注條件及液態(tài)金屬的冷卻速度等方面加以改善，有利于提高鑄件精度和表面質(zhì)量，從而獲得比砂型鑄件力學(xué)性能更高的鑄件。

1.砂型鑄造

砂型鑄造以型砂和芯砂為造型材料制成鑄型，如圖2-17所示，它是一種通過液態(tài)金屬在重力作用下充填鑄型來生產(chǎn)鑄件的鑄造方法。其所用鑄型一般由外砂型和型芯組合而成。砂型的基本原材料是鑄造砂和型砂黏結(jié)劑。最常用的鑄造砂是硅質(zhì)砂，當(dāng)高溫性不滿足要求時(shí)可用鋯英砂、鉻鐵礦砂、剛玉砂等特種砂。應(yīng)用最廣的型砂黏結(jié)劑是黏土，也可采用干性油或半性油、水柔性硅酸鹽或磷酸鹽和各種合成樹脂。常用的砂型有濕砂型、干砂型和化學(xué)硬化型。圖2-17砂型鑄造鑄型裝配圖

濕砂型以黏土和適量的水為型砂的主要黏結(jié)劑，制成砂型后直接在濕態(tài)下合型和澆注，砂型生產(chǎn)周期短，效率高，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化，成本低，因而應(yīng)用較廣，但是砂型強(qiáng)度低，發(fā)氣量大，易于產(chǎn)生鑄造缺陷。干砂型用的型砂濕態(tài)水分略高于濕砂型用的型砂，砂型制好后，型腔表面涂以耐火涂料，放烘爐中烘干，冷卻后可合型、澆注，鑄型強(qiáng)度和透氣性較高，發(fā)氣量小，鑄造缺陷較少，但生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本高，不易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，一般用于制造鑄鋼件和較大的鑄鐵件。化學(xué)硬化型所用型砂的黏結(jié)劑一般都是在硬化劑作用下能發(fā)生分子聚合反應(yīng)進(jìn)而成為立體結(jié)構(gòu)的物質(zhì)產(chǎn)生硬化，鑄型強(qiáng)度高，生產(chǎn)效率高，粉塵少，但成本較高，易產(chǎn)生黏砂等缺陷，目前應(yīng)用較廣，可用于大、中型鑄件。

砂型鑄造根據(jù)完成造型工序的方法不同，分為手工造型和機(jī)器造型兩大類。

1)手工造型

手工造型操作靈活，工藝裝備簡(jiǎn)單，成本低，大小鑄件均可適應(yīng)，特別能鑄造出形狀復(fù)雜、難以起模的鑄件。但是手工造型鑄件質(zhì)量較差，生產(chǎn)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，要求工人技術(shù)水平高，適用于單件、小批量生產(chǎn)。手工造型的方法很多，表2-9列出手工造型各種方法及應(yīng)用。表2-9手工造型各種方法及應(yīng)用續(xù)表

2)機(jī)器造型

用機(jī)器全部完成或至少完成緊砂操作的造型工序稱機(jī)器造型。與手工造型相比，機(jī)器造型生產(chǎn)效率高，改善勞動(dòng)強(qiáng)度，環(huán)境污染小，制出的鑄件尺寸精度和表面質(zhì)量高，加工余量小。但設(shè)備和砂箱、模具投資大，費(fèi)用高，生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)。因此，機(jī)器造型適用于中、小型鑄件成批或大批量生產(chǎn)。同時(shí)，在各種造型機(jī)上只能采用模板進(jìn)行兩箱造型或類似于兩箱造型的其他方法，并盡量避免活塊和挖砂造型等，提高造型機(jī)的生產(chǎn)率。常用的機(jī)器造型方法的特點(diǎn)及應(yīng)用見表2-10。表2-10常用的機(jī)器造型方法的特點(diǎn)及應(yīng)用

2.熔模鑄造

熔模鑄造又稱失蠟鑄造。其工藝過程如圖2-18所示，首先根據(jù)母模制作壓型，然后將熔融的蠟料擠入壓型中，冷卻后從壓型中取出，經(jīng)修整便獲得和鑄件形狀相同的蠟?zāi)?，把蠟?zāi)Ｈ劢獾綕沧⑾到y(tǒng)上組成蠟樹，在蠟樹上涂掛幾層涂料和石英砂，直至蠟?zāi)１砻娼Y(jié)成5～10mm的硬殼，再將型殼放入85～95℃的熱水中，使蠟?zāi)Ｈ刍鰜砗螅玫借T型的空腔，即中空的硬殼型，殼型還要烘干焙燒去掉雜質(zhì)，最后將液態(tài)金屬澆注到鑄型的空腔中，待其冷卻后，將硬殼破壞，即可獲得所需的鑄件。

圖2-18熔模鑄造工藝過程熔模鑄造出的鑄件尺寸精度高，表面粗糙度值小，可以減少或省去機(jī)械加工余量。這種方法能鑄造出各種合金的鑄件，尤其是那些高熔點(diǎn)合金、難切削加工的合金及形狀復(fù)雜的小型零件，如汽輪機(jī)葉片、成型刀具和汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床上的小型零件。

3.金屬型鑄造

將液態(tài)金屬澆注到用金屬制成的鑄型而獲得鑄件的方法稱為金屬型鑄造。金屬型通常使用鑄鐵或鑄鋼制成，可以反復(fù)使用，故鑄造又稱“永久型鑄造”。

金屬型的結(jié)構(gòu)有整體式、水平分型式、垂直分型式和復(fù)合分型式幾種。其中，垂直分型式由于便于開設(shè)內(nèi)澆道、取出鑄件和易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化而應(yīng)用最廣。金屬型一般用鑄鐵或鑄鋼制造，型腔采用機(jī)械加工的方法制成，鑄件的內(nèi)腔可用金屬芯或砂芯獲得。圖2-19所示為鑄造鋁活塞的金屬型。

圖2-19鑄造鋁活塞的金屬型金屬型鑄造實(shí)現(xiàn)了“一型多鑄”，節(jié)省了造型材料和工時(shí)，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。由于金屬導(dǎo)熱性好，散熱快，因而鑄件組織結(jié)構(gòu)致密，力學(xué)性能高。同時(shí)鑄件的尺寸精度和表面質(zhì)量比砂型鑄造高，切削加工余量小，加工費(fèi)用低。但金屬型生產(chǎn)成本高，周期長(zhǎng)，鑄造工藝嚴(yán)格，而且鑄件要從金屬型中取出，對(duì)鑄件的大小及復(fù)雜程度有所限制。因此，金屬型鑄造主要適用于形狀簡(jiǎn)單的有色合金鑄件的大批量生產(chǎn)，如內(nèi)燃機(jī)的鋁活塞、汽缸體、汽缸蓋以及銅合金的軸瓦、軸套等；有時(shí)也可用于生產(chǎn)某些鑄鐵件或鑄鋼件。

4.壓力鑄造

壓力鑄造是指在高壓作用下，使液態(tài)或半液態(tài)金屬以高速充填金屬鑄型，并在壓力作用下凝固而獲得鑄件的方法。高壓和高速充填金屬鑄型是壓力鑄造區(qū)別于普通金屬型鑄造的重要特征。壓鑄時(shí)所用的壓力高達(dá)數(shù)十兆帕(有時(shí)高達(dá)200MPa)，充填速度約為5m/s～50m／s，液態(tài)合金充滿鑄型的時(shí)間為0.01s～0.2s，在這種情況下，對(duì)金屬的流動(dòng)性要求不高，澆注溫度可以降低，甚至可用半液態(tài)金屬來進(jìn)行澆注。

壓力鑄造是在專用的壓鑄機(jī)上進(jìn)行的。壓鑄機(jī)的類型很多，壓鑄機(jī)可分為熱室壓鑄機(jī)和冷室壓鑄機(jī)兩大類，冷室壓鑄機(jī)又可分為立式和臥式等類型，但它們的工作原理基本相似。其中臥式冷室壓鑄機(jī)用高壓油驅(qū)動(dòng)，合型力大，充型速度快，生產(chǎn)率高，應(yīng)用較廣泛。

壓鑄型是壓力鑄造生產(chǎn)鑄件的模具，主要由活動(dòng)半型和固定半型兩大部分組成。固定半型固定在壓鑄機(jī)的定型座板上，由澆道將壓鑄機(jī)壓室與型腔連通。活動(dòng)半型隨壓鑄機(jī)的動(dòng)型座板移動(dòng)，完成開合型動(dòng)作。完整的壓鑄型組成中包括型體部分、導(dǎo)向裝置、抽芯機(jī)構(gòu)、頂出鑄件機(jī)構(gòu)、澆注系統(tǒng)、排氣和冷卻系統(tǒng)等部分。壓鑄工藝過程如圖2-20所示。

圖2-20壓鑄工藝過程示意圖壓力鑄造所獲得的鑄件精度及表面質(zhì)量高，可以壓鑄出形狀復(fù)雜的薄壁件和很小的孔或螺紋等，因?yàn)閴盒偷睦鋮s速度快，所以鑄件組織致密，抗拉強(qiáng)度比砂型鑄造高。但由于液態(tài)金屬充型速度高，壓力大，氣體難以排出，使鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生皮下氣孔，此外，金屬液也難以補(bǔ)縮，鑄件厚大部分易產(chǎn)生縮孔和縮松。因此壓力鑄造目前多用于有色金屬精密鑄件的大量生產(chǎn)，如發(fā)動(dòng)機(jī)的汽缸體及箱體、化油器、支架等。

5.離心鑄造

將液態(tài)金屬澆入高速旋轉(zhuǎn)的鑄型中，使金屬液在離心力的作用下充填鑄型并結(jié)晶凝固制成鑄件的方法，稱為離心鑄造。離心鑄造必須在離心鑄造機(jī)上進(jìn)行，主要用于生產(chǎn)圓筒形鑄件。

離心鑄造機(jī)根據(jù)鑄件旋轉(zhuǎn)軸空間位置的不同分為立式和臥式兩大類。

圖2-21(a)為立式離心鑄造機(jī)的鑄型繞垂直軸旋轉(zhuǎn)示意圖，當(dāng)其澆注圓形鑄件時(shí)，金屬液并不填滿型腔，在離心力的作用下緊貼型腔外側(cè)而自動(dòng)形成中空的內(nèi)腔，其厚度取決于加入的金屬量。鑄件內(nèi)表面由于重力的作用呈上薄下厚的拋物線形，鑄件高度愈大，其壁厚差愈大。因此，立式離心鑄造主要用于高度小于直徑的環(huán)、套類零件。

圖2-21(b)為臥式離心鑄造機(jī)的鑄型繞水平軸旋轉(zhuǎn)示意圖，由于鑄件各部分冷卻條件相近，鑄出的鑄件壁厚沿長(zhǎng)度和圓周方向都很均勻，因此，臥式離心鑄造主要用于長(zhǎng)度較大的筒類、管類鑄件。

圖2-21離心鑄造示意圖(a)立式離心鑄造；(b)臥式離心鑄造離心鑄造由于金屬的結(jié)晶按由外向內(nèi)順序凝固，鑄件組織致密，無縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷，力學(xué)性能好。當(dāng)生產(chǎn)圓形內(nèi)腔鑄件時(shí)，不需要型芯，此外，還省去了澆注系統(tǒng)，節(jié)省了材料。離心鑄造便于生產(chǎn)雙金屬鑄件，例如鋼套鑲銅襯套，其結(jié)合面牢固，節(jié)省貴重金屬。但離心鑄造不宜生產(chǎn)偏析傾向大的合金，如鋁青銅鑄件。

6.實(shí)型鑄造

實(shí)型鑄造又稱消失模鑄造，是用泡沫塑料模制造鑄型后不取出模樣，澆注金屬時(shí)模樣氣化消失獲得鑄件的鑄造方法。圖2-22所示為實(shí)型鑄造工藝過程。

制模材料常用聚苯乙烯泡沫塑料，制模方法有發(fā)泡成型和加工成型等兩種。發(fā)泡成型是用蒸氣或熱空氣加熱，使置于模具內(nèi)的預(yù)發(fā)泡聚苯乙烯珠粒進(jìn)一步膨脹，充滿模腔成型，用于成批、大量生產(chǎn)。加工成型是采用手工或機(jī)械加工預(yù)制出各個(gè)部件，再經(jīng)黏結(jié)和組裝成型，用于單件、小批生產(chǎn)。模樣表面應(yīng)涂刷涂料，以使鑄件表面光潔或提高型腔表面的耐火性。型砂有以水泥、水玻璃或樹脂為黏結(jié)劑的自硬砂和無黏結(jié)劑的干硅砂等，分別應(yīng)用于單件、小批生產(chǎn)和成批、大量生產(chǎn)。

圖2-22實(shí)型鑄造工藝過程

實(shí)型鑄造不必起模和修型，工序少，生產(chǎn)效率高；鑄件精度高、形狀可較復(fù)雜；可采用無黏結(jié)劑的干砂造型，勞動(dòng)強(qiáng)度低。但實(shí)型鑄造存在模樣氣化時(shí)污染環(huán)境、鑄鋼件表層易增碳等問題。實(shí)型鑄造應(yīng)用范圍較廣，幾乎不受鑄件結(jié)構(gòu)、尺寸、重量、批量和合金種類的限制，特別適用于形狀較復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。

7.低壓鑄造

低壓鑄造是采用較壓力鑄造低的壓力(一般為0.02MPa～0.06MPa)，使液體金屬充填型腔，以形成鑄件的一種方法。由于所用的壓力較低，因此叫做低壓鑄造。其工藝過程如圖

2-23所示，在密封的坩堝(或密封罐)中通入干燥的壓縮空氣，金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管上升，通過澆口平穩(wěn)地進(jìn)入型腔，并保持坩堝內(nèi)液面上的氣體壓力，一直到鑄件完全凝固為止。然后解除液面上的氣體壓力，使升液管中未凝固的金屬液流入坩堝，再打開鑄型，取出鑄件。鑄型多采用金屬型，也可采用砂型。

圖2-23低壓鑄造的工藝示意圖低壓鑄造在澆注及凝固時(shí)的壓力容易調(diào)整，適應(yīng)性強(qiáng)，可用于各種鑄型、各種合金及各種尺寸的鑄件；充型平穩(wěn)，減少了金屬液的飛濺和對(duì)鑄型的沖刷，可避免鋁合金件的針孔缺陷；鑄件成型性好，有利于形成輪廓清晰、表面光潔的鑄件，對(duì)于大型薄壁鑄件的成型更為有利；金屬利用率高，約90%以上；設(shè)備簡(jiǎn)單，勞動(dòng)條件較好，易于機(jī)械化和自動(dòng)化。但是，升液管壽命短，且在保溫過程中金屬液易氧化和產(chǎn)生夾渣。

低壓鑄造主要用來鑄造一些質(zhì)量要求高的鋁合金和鎂合金鑄件，如汽缸體、缸蓋、曲軸箱和高速內(nèi)燃機(jī)的鋁活塞等薄壁件。

8.擠壓鑄造

擠壓鑄造是對(duì)澆入鑄型型腔內(nèi)的液態(tài)金屬施加較高的機(jī)械壓力，使其成型凝固，從而獲得鑄件的一種工藝方法。

擠壓鑄造的典型工藝程序可分為鑄型準(zhǔn)備、澆注、合型加壓和開型取件四個(gè)步驟。鑄型準(zhǔn)備是指使上下型處于待澆注位置，清理型腔并噴刷涂料，對(duì)鑄型進(jìn)行冷卻(或加熱)，將其溫度控制在所需的范圍內(nèi)。然后以定量的液態(tài)金屬澆入凹型中，將上下型閉合，依靠沖頭的壓力使液態(tài)金屬充滿型腔，升壓并在預(yù)定的壓力下保持一定的時(shí)間，使液態(tài)金屬在較高的機(jī)械壓力下凝固。最后卸壓、開型，同時(shí)取出鑄件。

擠壓鑄造是使液態(tài)金屬在高的機(jī)械壓力下進(jìn)行結(jié)晶，因此，擠壓鑄造工藝具有以下特點(diǎn)：

(1)擠壓鑄造可以消除鑄件內(nèi)部的氣孔、縮孔等缺陷，產(chǎn)生局部的塑性變形，使鑄件組織致密。

(2)液態(tài)金屬在壓力下成型和凝固，使鑄件與型腔壁貼合緊密。擠壓鑄件有較高的表面光潔度和尺寸精度，其級(jí)別能達(dá)到鑄件的水平。

(3)擠壓鑄件在凝固過程中，各部位處于壓應(yīng)力狀態(tài)，有利于鑄件的補(bǔ)縮和防止鑄造裂紋的產(chǎn)生。因此，擠壓鑄造工藝的適用性較強(qiáng)，使用的合金不受鑄造性能好壞的限制。

(4)擠壓鑄造是在壓力機(jī)或擠壓鑄造機(jī)上進(jìn)行的，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動(dòng)化，可大大減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。并且，由于擠壓鑄造通常沒有澆冒口，毛坯精化，鑄件尺寸精度高，因而金屬材料的利用率高。

9.鑄造方法的比較與合理選擇

各種鑄造方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，各適應(yīng)于一定的條件和范圍。選擇鑄造方法時(shí)要結(jié)合具體生產(chǎn)情況，從合金的種類、生產(chǎn)批量、鑄件的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、現(xiàn)有設(shè)備條件及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析，比較出一種可行的最佳方案，進(jìn)行鑄造生產(chǎn)。表2-11列出了各種鑄造方法的比較，供選擇時(shí)參考。表2-11各種鑄造方法的比較由表2-11綜合比較可以看出，砂型鑄造雖然有不少缺點(diǎn)，但由于砂型鑄造的模具和設(shè)備簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)，單件小批量生產(chǎn)時(shí)費(fèi)用低，目前仍然是最基本的鑄造方法，砂型鑄件目前占全部鑄件總量的90%以上。特種鑄造往往是在某種特定的條件下，才能顯示出優(yōu)越性。

鑄造工藝設(shè)計(jì)就是根據(jù)鑄造零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)條件等，確定鑄造方案和工藝參數(shù)，繪制鑄造工藝圖，編制工藝卡等技術(shù)文件的過程。鑄造工藝設(shè)計(jì)的有關(guān)文件，是生產(chǎn)準(zhǔn)備、管理和鑄件驗(yàn)收的依據(jù)，并用于直接指導(dǎo)生產(chǎn)操作。因此，鑄造工藝設(shè)計(jì)的好壞，對(duì)鑄件品質(zhì)、生產(chǎn)率和成本的高低起著重要作用。鑄造工藝設(shè)計(jì)的一般內(nèi)容和程序見表2-12。2.3砂型鑄造工藝設(shè)計(jì)表2-12鑄造工藝設(shè)計(jì)的一般內(nèi)容和程序鑄造工藝設(shè)計(jì)內(nèi)容的繁簡(jiǎn)程度，主要取決于批量的大小、生產(chǎn)要求和生產(chǎn)條件。一般包括下列內(nèi)容：鑄造工藝圖，鑄件(毛坯)圖、鑄型裝配圖(合箱圖)、工藝卡及操作工藝規(guī)程。廣義地講，鑄造工藝裝備的設(shè)計(jì)也屬于鑄造工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容，例如模樣圖、芯盒圖、砂箱圖、壓鐵圖、專用量具圖和樣板圖、組合下芯夾具圖等。本節(jié)以砂型鑄造為例介紹鑄造工藝的設(shè)計(jì)。2.3.1砂型鑄造的基本過程

砂型鑄造生產(chǎn)工藝過程如圖2-24所示。由圖2-24可以看出，砂型鑄造首先是根據(jù)零件圖繪制鑄造工藝圖，并以此做成適當(dāng)?shù)哪Ｐ停儆媚Ｐ秃团渲坪玫男蜕爸瞥梢欢ǖ纳靶?，將液態(tài)合金澆注到鑄型空腔中，待液態(tài)合金冷卻凝固后，就可落砂清理鑄件，經(jīng)檢驗(yàn)獲得符合圖紙技術(shù)要求的合格鑄件。

圖2-24砂型鑄造生產(chǎn)工藝過程2.3.2鑄造工藝圖的繪制

生產(chǎn)鑄件時(shí)，首先要根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求、生產(chǎn)批量及生產(chǎn)條件等因素，確定鑄造工藝，并繪制鑄造工藝圖。鑄造工藝圖是指導(dǎo)模型和鑄型的制造、生產(chǎn)準(zhǔn)備和鑄件驗(yàn)收的基本工藝文件，也是在大批量生產(chǎn)中繪制鑄件圖、模型圖、鑄型裝配圖的主要

依據(jù)。

為了繪制鑄造工藝圖，首先要對(duì)鑄件進(jìn)行工藝分析，確定其澆注位置，進(jìn)行分型面的選擇，并在此基礎(chǔ)上確定鑄件的主要工藝參數(shù)，進(jìn)行澆注系統(tǒng)及冒口設(shè)計(jì)等。

1.澆注位置的選擇

澆注位置是指澆注時(shí)鑄件在鑄型內(nèi)所處的位置。澆注位置選擇得正確與否，對(duì)鑄件質(zhì)量影響很大，選擇時(shí)應(yīng)考慮以下原則。

(1)鑄件的主要加工面或主要工作面應(yīng)處于底面或側(cè)面。這是因?yàn)殍T件上部冷卻速度慢，晶粒較粗大，上表面容易形成砂眼、氣孔、渣孔等缺陷。鑄件下部的晶粒細(xì)小，組織致密，缺陷少，質(zhì)量?jī)?yōu)于上部。當(dāng)鑄件有幾個(gè)重要加工面或重要面時(shí)，應(yīng)將主要的和較大的加工面朝下或側(cè)立。無法避免在鑄件上部出現(xiàn)的加工面，應(yīng)適當(dāng)加大加工余量，以保證加工后鑄件質(zhì)量。如機(jī)床床身(見圖2-25)和圓錐齒輪(見圖2-26)，圖示的位置可以避免氣孔、砂眼、縮孔、縮松等缺陷出現(xiàn)在工作面上。圖2-27是起重機(jī)卷?yè)P(yáng)筒的澆注位置，因其圓周表面的質(zhì)量要求均勻一致，故采用立位澆注。

圖2-25機(jī)床床身

圖2-26圓錐齒輪(a)不合理；(b)合理

圖2-27起重機(jī)卷?yè)P(yáng)筒的澆注位置

(2)鑄件的大平面應(yīng)朝下，見圖2-28。因?yàn)樵跐沧r(shí)，高溫的液態(tài)金屬對(duì)型腔的上表面有強(qiáng)烈的熱輻射，型腔上表面急劇地?zé)崤蛎浂捌鸹蜷_裂，使鑄件表面易產(chǎn)生夾砂缺陷。

(3)鑄件的薄壁部分應(yīng)放在鑄型的下部或側(cè)面，以免產(chǎn)生澆不足、冷隔等缺陷(見圖2-29)。

(4)對(duì)于容易產(chǎn)生縮孔的鑄件，應(yīng)將截面較厚的部分置于上部或側(cè)面，以便在鑄件厚處直接安置冒口，使之實(shí)現(xiàn)自下而上的凝固順序。圖2-27所示的卷?yè)P(yáng)筒鑄件，厚截面放在上部是有利于補(bǔ)縮的。

圖2-28大平面鑄件澆注位置(a)不合理；(b)合理

圖2-29薄件澆注位置

(5)盡量減小型芯的數(shù)量，便于型芯的固定、檢驗(yàn)和排氣。圖2-30所示的床腿鑄件，采用圖2-30(a)的方案，中間空腔需要一個(gè)很大的型芯，增加了制芯的工作量；采用圖2-30(b)的方案，中間空腔由自帶芯來形成，簡(jiǎn)化了造型工藝。

圖2-30床腿鑄件澆注位置(a)不合理；(b)合理

2.鑄型分型面的選擇

鑄型分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。分型面選擇是否合理，對(duì)鑄件的質(zhì)量好壞影響很大。因此分型面的選擇應(yīng)在保證鑄件質(zhì)量的前提下，減化鑄造工藝過程，以節(jié)省人力物力，在選擇分型面時(shí)要考慮以下原則：

(１)鑄件應(yīng)盡可能放在一個(gè)砂箱內(nèi)或?qū)⒓庸っ婊蚣庸せ鶞?zhǔn)面放在同一砂箱內(nèi)，以保證鑄件的尺寸精度。圖2-31是床身鑄件分型面的選擇方案，圖2-31(b)的方案較圖2-31(a)更為合理，它將鑄件全部放在下型，避免錯(cuò)箱，保證鑄件精度。圖2-31床身鑄件分型面方案(a)不合理；(b)合理

(２)盡量減少分型面的數(shù)量，并力求采用平直分型面代替曲折分型面。圖2-32所示為繩輪鑄件，圖2-32(a)有兩個(gè)分型面，需要采用三箱造型。圖2-32(b)利用環(huán)狀外型芯措施，將原來的兩個(gè)分型面減為一個(gè)分型面，并可采用機(jī)器造型。圖2-33為起重臂分型面的方案，可采用分模造型，使造型工藝簡(jiǎn)化，如采用曲線作為分型面，則必須采用挖砂或假箱造型。

圖2-32繩輪鑄件

圖2-33起重臂分型面的方案

(３)盡量減少型芯和活塊的數(shù)量，以簡(jiǎn)化制模、造型、合型工序。圖2-34所示為支架分型方案。按圖中方案Ⅰ，凸臺(tái)必須采用四個(gè)活塊制出。當(dāng)采用方案Ⅱ時(shí)，可省去活塊，僅在Ａ處稍加挖砂即可。

(４)為了方便下芯、合箱和檢查型腔尺寸，通常把型芯放在下型箱內(nèi)，如圖2-35所示。

圖2-34支架分型方案

圖2-35機(jī)床支柱分型面的方案以上所述的幾項(xiàng)原則，對(duì)于具體鑄件往往難以全面符合，因此在確定澆注位置和分型面時(shí)，一般情況下，確定澆注位置是首要的，分型面盡量與澆注位置相適應(yīng)，在保證鑄件質(zhì)量的前提下，解決主要問題，次要問題則應(yīng)從工藝措施上設(shè)法解決。

3.工藝參數(shù)的確定

1)機(jī)械加工余量

鑄件上為進(jìn)行機(jī)械加工而加大的尺寸稱為機(jī)械加工余量。加工余量的大小取決于鑄件的大小、生產(chǎn)批量、合金種類、鑄件的復(fù)雜程度以及鑄件在澆注時(shí)的位置等。鑄鋼件表面粗糙，變形量大，加工余量比鑄鐵件大；有色金屬鑄件表面光滑、平整且價(jià)格較貴，加工余量較小。澆注時(shí)朝上的表面缺陷較多時(shí)，其加工余量應(yīng)比底面或側(cè)面要大。此外，若采用機(jī)器造型，則鑄件精度高，加工余量??；而手工造型加工誤差大，加工余量就大些。表2-13列出了灰口鑄鐵的機(jī)械加工余量，其中加工余量數(shù)值中下限用于大批量生產(chǎn)，上限用于單件、小批量生產(chǎn)。表2-13灰口鑄鐵件的機(jī)械加工余量零件上的孔與槽是否鑄出，應(yīng)考慮工藝上的可行性和使用上的經(jīng)濟(jì)性。一般來說，較大的孔與槽應(yīng)鑄出，這樣不僅節(jié)約金屬材料和切削加工工時(shí)，同時(shí)可以減少鑄件熱節(jié)。鑄鐵件上直徑小于25mm和鑄鋼件上直徑小于35mm的加工孔，在單件及小批量生產(chǎn)時(shí)可不鑄出，留待機(jī)械加工更為經(jīng)濟(jì)。而零件圖上不要求加工的孔、槽不論大小，都應(yīng)鑄出。

2)收縮率

鑄件在冷卻過程中，由于收縮，鑄件的尺寸比模型的尺寸要小，為了保證鑄件要求的尺寸，必須加大模型的尺寸。合金收縮率的大小，隨合金的種類及鑄件的尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)而不同，還與鑄件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度(即受阻收縮)有關(guān)。通?；铱阼T鐵的收縮率約為0.7%～1.0%，鑄鋼約為1.5%～2.0%，有色金屬約為1.0%～1.5%。

3)拔模斜度

為了從砂型中起?；驈男竞兄腥⌒痉奖悖怪庇诜中兔娴膫?cè)壁在制造模型時(shí)，必須做出一定的斜度，稱為拔模斜度，又稱為起模斜度。

拔模斜度的大小取決于垂直壁的高度、造型方法、模型材料等，通常為30′～3°。模型越高，斜度越小；金屬模比木模的斜度小；機(jī)器造型比手工造型的斜度小。鑄件內(nèi)壁應(yīng)比外壁斜度大，一般為3°～10°。拔模斜度的形式如圖2-36所示。

圖2-36拔模斜度的形式(a)增加鑄件厚度；(b)加減鑄件厚度；(c)減少鑄件厚度

4)鑄造圓角

在設(shè)計(jì)和制造模樣時(shí)，對(duì)相交壁的交角要做成圓弧過渡，稱為鑄造圓角。其目的是為了避免鑄件壁在轉(zhuǎn)角處產(chǎn)生裂紋、縮孔和黏砂等缺陷。鑄造圓角的大小可以在有關(guān)手冊(cè)中查出。

5)型芯頭

型芯頭是指型芯的外伸部分，不形成鑄件輪廓，只落入型芯座內(nèi)，是為了型芯在鑄型中的定位和固定而設(shè)置的。模樣上用以在型腔內(nèi)形成芯座并放置芯頭的突出部分也稱型芯頭。型芯頭按在鑄型中的位置分為垂直型芯頭和水平型芯頭兩類，見圖2-37。垂直型芯頭一般都有上、下型芯頭，如圖2-37(a)所示，短而粗的型芯也可不設(shè)置上型芯頭，型芯頭的高度Ｈ主要取決于型芯直徑ｄ。型芯頭必須留有一定的斜度α。下型芯頭斜度應(yīng)小些(5°～10°)，高度應(yīng)大些，以便增強(qiáng)型芯的穩(wěn)定性；而上型芯頭斜度應(yīng)大些(6°～15°)，高度應(yīng)小些，以便于合箱。水平型芯頭(見圖2-37(b))的長(zhǎng)度L根據(jù)型芯頭的直徑d和型芯的長(zhǎng)度來確定。鑄型上的型芯座端部也應(yīng)留有一定的斜度α。型芯頭和鑄型型芯座之間應(yīng)留有1～4mm的間隙，以便于鑄型的裝配。

圖2-37芯頭的構(gòu)造(a)垂直型芯頭；(b)水平型芯頭

圖2-38典型澆注系統(tǒng)

4.澆注系統(tǒng)

澆注系統(tǒng)為將液態(tài)金屬引入鑄型型腔而在鑄型內(nèi)開設(shè)的通道，如圖2-38所示，它包括澆口杯、直澆口、橫澆口和內(nèi)澆口。澆口杯承接澆包倒進(jìn)來的金屬液，也稱外澆口。直澆口連接外澆口和橫澆口，將金屬液由鑄型外部引入鑄型內(nèi)部。橫澆口則連接直澆口，分配由直澆口送來的金屬液流。內(nèi)澆口連接橫澆口，向鑄型型腔灌輸金屬液。

澆注系統(tǒng)的作用是控制金屬液充填鑄型的速度及充滿鑄型所需的時(shí)間；使金屬液平穩(wěn)地進(jìn)入鑄型，避免紊流和對(duì)鑄型的沖刷；阻止熔渣和其他夾雜物進(jìn)入型腔；澆注時(shí)不進(jìn)入氣體，并盡可能使鑄件冷卻時(shí)符合順序凝固的原則。

內(nèi)澆口的總截面積﹑橫澆口的總截面積和直澆口的總截面積是澆注系統(tǒng)的重要參數(shù)。根據(jù)內(nèi)澆口﹑橫澆口﹑直澆口的各自總截面積的比例不同，澆注系統(tǒng)分為開放式和封閉式兩種。這里所說的截面積都是指與液流方向垂直的最小截面積。當(dāng)內(nèi)澆口的總截面積最小時(shí)，澆注開始后整個(gè)澆注系統(tǒng)很快就充滿了金屬液，有利于阻止熔渣及夾雜物進(jìn)入型腔，這種澆注系統(tǒng)通常稱為封閉式澆注系統(tǒng)，一般都優(yōu)先采用。當(dāng)橫澆口或直澆口的總截面積小于內(nèi)澆口的總截面積時(shí)，澆注過程中金屬液不會(huì)完全充滿澆注系統(tǒng)，這種澆注系統(tǒng)通常稱為開放式澆注系統(tǒng)，僅在特殊工藝中采用。

設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)的大致步驟為選擇澆注系統(tǒng)類型；確定內(nèi)澆道在鑄件上的位置、數(shù)目和金屬引入方向；決定直澆道的位置和高度；計(jì)算澆注時(shí)間并核算金屬上升速度；計(jì)算阻流截面積；確定澆口比并計(jì)算各組元截面積；繪出澆注系統(tǒng)圖形。實(shí)踐證明，直澆道應(yīng)設(shè)計(jì)得高一些，因?yàn)橹睗驳肋^低會(huì)使充型及液態(tài)補(bǔ)縮壓力不足，易出現(xiàn)鑄件棱角和輪廓不清晰、澆不到、上表面縮凹等缺陷。一般使直澆道高度等于上砂箱高度，并且直澆道的位置應(yīng)設(shè)在橫、內(nèi)澆道的對(duì)稱中心點(diǎn)上，以使金屬液流程最短，流量分布均勻。近代造型機(jī)(如多觸頭高壓造型機(jī))模板上的直澆道位置一般都被確定，在這樣的條件下應(yīng)遵守規(guī)定的位置。直澆道距離第一個(gè)內(nèi)澆道應(yīng)有足夠的距離。

5.鑄造工藝圖的繪制

鑄造工藝圖是鑄造工藝文件的一種，它是在零件圖上用規(guī)定的紅、藍(lán)色的各種工藝符號(hào)表示出鑄件的澆注位置、分型面、型芯及固定方法、鑄造工藝參數(shù)、澆注系統(tǒng)、冒口及冷鐵的布置等。根據(jù)鑄造工藝圖再繪制鑄件圖、模型圖和鑄型裝配圖，是指導(dǎo)生產(chǎn)的基本工藝文件。圖2-39是壓蓋的零件圖、鑄造工藝圖和鑄件圖。

鑄造工藝符號(hào)及表示方法如表2-14所示。表中所列出的是常用的工藝符號(hào)及其表示方法，其他工藝符號(hào)可參閱有關(guān)資料。

圖2-39壓蓋的零件圖、鑄造工藝圖和鑄件圖(a)零件圖；(b)鑄造工藝圖；(c)模樣圖；(d)芯盒表2-14鑄造工藝符號(hào)及表示方法續(xù)表2.3.3鑄造工藝設(shè)計(jì)實(shí)例

C6140車床進(jìn)給箱體材料為HT200，D面為基準(zhǔn)面，各部分尺寸及表面粗糙度如圖2-40所示，分別給出單件小批量和大批量生產(chǎn)時(shí)的鑄造工藝方案。

圖2-40C6140車床進(jìn)給箱體(a)車床進(jìn)給箱零件圖；(b)分型面的選擇；(c)車床進(jìn)給箱鑄造工藝圖

1