材料成型工艺《铸造工艺技术大全》.pptx

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铸造是一种通过将熔融金属浇注到预制型腔中，待其冷却凝固后获得具有一定形状、尺寸和性能的金属制品的工艺方法。

作为历史最悠久的金属成形技术之一，铸造工艺可追溯至几千年前的人类文明初期，中国商周时期已具备较高水平的青铜铸造技术。

1 写在前面

现代铸造技术已发展成为包含砂型铸造、金属型铸造、压力铸造、离心铸造、熔模铸造等多种形式的综合性工程技术，在机械制造、汽车工业、航空航天、能源装备等领域占据着不可替代的地位。

铸造工艺的核心优势在于其能够生产形状极其复杂（特别是具有复杂内腔结构）的金属零件，且不受合金种类限制，铸件大小几乎不受限制。同时，铸造还具有材料来源广、废品可重熔、设备投资相对较低等特点。根据最新行业数据，中国自2000年起连续24年保持全球最大铸件生产国地位，2023年产量达5190万吨，占全球总产量的60%以上，其中灰铸铁占比40.3%、铝镁合金升至15.3%，汽车领域应用占比高达80%。

铸造工艺流程通常包括以下几个关键环节：金属熔炼→铸型制备→浇注充型→凝固冷却→落砂清理→后处理检验。整个过程涉及金属学、热力学、流体力学等多学科交叉知识，需要精确控制材料、模具设计、浇注系统、工艺参数等要素，以确保最终铸件的尺寸精度、表面质量和力学性能。

2 铸造工艺基本原理 2.1 金属熔融与凝固过程

金属熔融是指金属从固态转变为液态的物理过程，需要克服金属晶格中原子间的吸引力，这一过程需要吸收大量热能。当金属被加热到熔点以上时，其原子热运动加剧，最终脱离晶格束缚形成自由流动的液态金属。熔炼过程中，金属的物理化学性质、熔点、熔化速度等都是需要精确控制的关键参数。

金属凝固则是液态金属转变为固态的相变过程，伴随着金属原子从无序排列逐渐形成有序排列的晶格结构。这一过程可分为三个阶段：晶核形成（液态金属中形成固态金属晶体）、晶体生长（晶核继续生长形成枝晶）和凝固完成（全部液态金属凝固成固态）。凝固过程直接影响铸件的晶粒大小、组织致密性和力学性能。控制冷却速度可有效细化晶粒，提高铸件性能；过快冷却可能导致铸件出现缩松或内应力，过慢则可能引起变形或裂纹。

2.2 铸型制备技术

铸型是铸造过程中容纳金属液并赋予其形状的容器，根据材料不同主要分为三类：

• 砂型

  ：以硅砂为主要骨料，添加粘土、树脂等粘结剂制成。砂型成本低、适应性广，尤其适合单件小批量生产。根据粘结剂类型可分为粘土砂、树脂砂等，其中树脂砂具有更高的强度和精度 。

• 金属型

  ：用耐热合金钢、球墨铸铁等金属材料制成的永久型。金属型导热性好，铸件冷却速度快，组织致密，表面光洁度高，适用于大批量生产 。

• 陶瓷型

  ：采用陶瓷材料制成的精密铸型，通常用于熔模铸造。陶瓷型能承受高温，适用于高熔点合金铸造，可获得高精度铸件 。

铸型制备工艺包括制芯（制作铸件内腔形状）、造型（制作铸件外形）、合型（将型芯与铸型组合）和烘干（去除水分防止气孔）等环节。现代铸造中，这些工序已逐步实现机械化和自动化。

2.3 浇注系统设计

浇注系统是引导金属液从浇包进入型腔的通道系统，其设计直接影响铸件质量。一个完整的浇注系统通常包括浇口杯、直浇道、横浇道、内浇道等部分。合理设计的浇注系统应确保金属液平稳、快速、无氧化地充满型腔，并有效挡渣和排气。

冒口系统是浇注系统的重要组成部分，主要用于补缩铸件的收缩。冒口位置应靠近铸件厚大部位，尺寸需保证其凝固时间晚于铸件本体。现代铸造中广泛采用保温冒口、发热冒口等技术提高补缩效率，使工艺出品率由60%提高到80%。

3 主要铸造工艺方法分类

根据铸型类型、充型方式和压力条件的不同，铸造工艺可分为多种方法，各有其适用场景和技术特点。

表：主要铸造工艺方法比较

工艺类型适用材料尺寸精度表面粗糙度(μm)生产效率典型应用砂型铸造

各类金属

CT10-CT13

Ra50-Ra100

低-中

发动机缸体、机床底座

金属型铸造

有色合金为主

CT8-CT10

Ra25-Ra50

中-高

铝合金轮毂、活塞

压铸

铝、锌、镁合金

CT6-CT8

Ra6.3-Ra12.5

极高

汽车零部件、3C产品

熔模铸造

各类合金

CT4-CT7

Ra3.2-Ra6.3

涡轮叶片、艺术品

3.1 砂型铸造

砂型铸造是最基本、应用最广泛的铸造方法，占铸件总产量的80%以上。其特点是使用砂粒作为造型材料，在砂型中形成铸件的型腔。砂型铸造又可分为湿砂型、干砂型和化学硬化砂型三类。

工艺流程包括：模型制作→砂处理→造型→合型→浇注→落砂→清理。砂型铸造的优势在于成本低廉、适应性广，可生产从几公斤到数百吨的铸件，尤其适合制造具有复杂内腔的零件。然而，其缺点也很明显：铸件尺寸精度较低（CT10-CT13级），表面粗糙（Ra50-Ra100μm），且生产效率不高。典型应用包括汽车发动机气缸体、气缸盖、机床床身等大型复杂铸件。

3.2 金属型铸造

金属型铸造又称硬模铸造，是采用金属材料（耐热合金钢、球墨铸铁等）制作铸型的工艺方法。根据充型方式不同，可分为重力铸造、低压铸造和高压铸造。

• 重力铸造

  ：金属液在重力作用下充填铸型，设备简单但效率较低。

• 低压铸造

  ：金属液在较低压力（0.02～0.06MPa）作用下充填铸型，充型平稳，铸件质量好。

• 高压铸造

  ：金属液在高压（几十至上百MPa）下高速充型，效率高但易产生气孔。

金属型铸造的铸型可重复使用数千至数万次，生产效率高，铸件尺寸精度可达CT8-CT10级，表面粗糙度Ra25-Ra50μm。但金属型制造成本高、周期长，且受模具材料耐热性限制，主要用于铝、镁、锌等低熔点合金的生产。

3.3 压力铸造

压力铸造（简称压铸）是在高压作用下将液态或半液态金属高速压入精密金属模具型腔，并在压力下凝固成形的铸造方法。压铸机分为热室压铸机（适用于低熔点合金）和冷室压铸机（适用于铝合金等高熔点合金）两类。

压铸工艺的突出优势是生产效率极高，产品质量好，尺寸稳定，互换性好，特别适合大批量生产。现代压铸件壁厚可达0.5mm，尺寸精度达CT6-CT8级，表面粗糙度Ra6.3-Ra12.5μm，可实现少切削或无切削加工。然而，压铸件易产生皮下气孔，塑性较低，且高熔点合金压铸时模具寿命短。压铸件广泛应用于汽车、仪表、电子、日用五金等领域。

3.4 熔模铸造

熔模铸造又称失蜡铸造，其工艺过程是：用易熔材料（蜡料或塑料）制成精确的模样→在模样表面涂覆多层耐火涂料形成型壳→熔去模样获得无分型面的整体铸型→高温焙烧后浇注。

熔模铸造的最大优势是能生产形状极其复杂、尺寸精度高（CT4-CT7级）、表面光洁（Ra3.2-Ra6.3μm）的铸件，且不受合金种类限制。但工序繁杂，生产周期长，成本较高。特别适用于生产形状复杂、精度要求高的小型零件，如涡轮发动机叶片、艺术品等。现代熔模精铸技术可实现近净成形、结构减重、热等静压处理等优势，在航空发动机零件制造中可替代部分锻件。

4 关键工艺参数与控制要素

铸造过程中需要精确控制多项工艺参数，这些参数直接影响铸件的质量和性能。

• 金属液温度：浇注温度过高可能导致金属氧化、气孔和缩孔等缺陷；温度过低则流动性差，易产生冷隔、浇不足等问题。不同合金有最佳浇注温度范围，如铸铁一般为1300-1400℃，铝合金为680-780℃。

• 浇注速度与顺序：浇注速度过快易造成金属液飞溅、氧化和卷入气体；过慢则可能导致冷隔。合理的浇注顺序应确保金属液平稳充型，避免紊流。底注式浇注系统充型平稳，有利于减少氧化和夹渣。

• 冷却速度控制：冷却速度直接影响铸件的凝固组织和力学性能。金属型铸造冷却速度比砂型快，可获得更细密的组织。大型铸件可通过设置冷铁加速局部冷却，防止缩松；敏感合金则需采用保温措施减缓冷却，防止裂纹。

• 合金成分与熔体处理：合金成分需严格控制，如球墨铸铁要求磷含量≤0.04%、硫含量≤0.02%。熔体处理技术包括脱气（真空脱气、惰性气体吹炼）、精炼（去除杂质）、变质（细化晶粒）等。现代熔炼广泛采用光谱分析技术，2~3分钟即可分析出十几个元素含量。

5 铸件质量控制与缺陷防治

铸造过程中可能产生多种缺陷，影响铸件的质量和性能。了解这些缺陷的特征和成因，并采取相应的防治措施，是保证铸件质量的关键。

5.1 常见缺陷及防治方法

表：常见铸造缺陷及防治措施

缺陷类型主要特征形成原因防治措施气孔

铸件内部或表面的光滑孔洞

金属液含气量高，铸型透气性差，浇注过程卷入气体

金属液脱气处理，提高铸型透气性，优化浇注系统

缩松与缩孔

铸件厚大部位的不规则孔洞

补缩不足，凝固顺序不当

合理设置冒口和冷铁，优化凝固顺序

夹渣

铸件内部非金属夹杂物

熔炼过程氧化，浇注系统挡渣效果差

熔体净化处理，浇注系统加设过滤装置

裂纹

铸件表面的线状开裂

热应力过大，冷却过快，合金收缩率大

优化结构设计，控制冷却速度，改善型砂退让性

除上述缺陷外，铸造过程中还可能产生冷隔（金属液未完全融合）、砂眼（型砂脱落卷入）、粘砂（金属液渗入砂型）等问题。每种缺陷都需要针对性地从材料、工艺、模具设计等方面进行综合防治。

5.2 质量检测技术

铸件质量检测是保证产品质量的关键环节，主要包括以下方法：

• 尺寸与外观检查：使用卡尺、量规等测量工具检测铸件尺寸精度；目视或借助放大镜检查表面缺陷。

• 无损检测：射线探伤（检测内部气孔、缩松）、超声波探伤（检测内部裂纹、夹杂）、磁粉探伤（检测表面裂纹）、渗透探伤（检测表面开口缺陷）等。

• 力学性能测试：包括拉伸试验、硬度测试、冲击试验和疲劳试验等，评估铸件的强度、硬度、韧性等性能指标。

• 金相分析：通过显微镜观察铸件的显微组织，评估晶粒大小、相组成、夹杂物分布等。

现代铸造企业普遍建立ISO9000质量管理体系，实施全过程质量控制，将废品率控制在2%-5%的先进水平。

铸造作为现代制造业的基础工艺，正经历从传统技艺向高科技产业的转型。通过智能化升级、绿色化生产和高端化应用，铸造技术将为装备制造业发展提供更强支撑，在中国从“制造大国”迈向“制造强国”的进程中发挥关键作用。

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