金属工艺学 第四章 铸造.doc

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1、第四章 铸造本章学习的目的和要求：1.熟悉合金的铸造性能及对铸件质量影响。2.了解常用铸造合金的熔炼及铸造特点。3.掌握砂型铸造和常用特种铸造方法的特点和应用。4.掌握铸件结构工艺性的一般原则。5.了解铸造新工艺、新技术及其发展趋势。本章主要介绍了铸造生产的方法与应用、合金的熔炼、铸件的结构工艺性等内容。学习本章前，学生应预习工程材料中有关二元相图、凝固与结晶的内容。在学习本章内容时，应与“金工实习”中实际操作的工艺相联系，理论联系实际。铸造是熔炼金属，制造铸型，并将熔融金属浇入铸型，凝固后获得一定形状和性能铸件的成形方法。铸件一般是毛坯，经切削加工等才成为零件。零件精度要求较低和表面粗糙度，

2、参数值允许较大的零件，或经过特种铸造的铸件也可直接使用。 铸造生产可分为砂型铸造和特种铸造两大类。铸造生产具有以下优点： (1)可以制成外形和内腔十分复杂的毛坯，如各种箱体、床身、机架等。 (2)适用范围广，可铸造不同尺寸、重量及各种形状的工件；也适用于不同材料，如铸铁、铸钢、非铁合金。铸件重量可以从几克至数百吨。 (3)原材料来源广泛，可利用报废的机件或切屑；工艺设备费用小，成本低。 (4)所得铸件与零件尺寸较接近，可节省金属的消耗，减少切削加工工作量。 但铸件也有力学性能较差，生产工序多，质量不稳定，工人劳动条件差等缺点。随着铸造合金、铸造工艺技术的发展，特别是精密铸造的发展和新型铸造合金

3、的成功应用，使铸件的表面质量、力学性能均有显著提高，铸件的应用范围日益扩大。铸件广泛用于机床制造、动力、交通运输、轻纺机械、冶金机械等设备。第一节 砂型铸造工艺砂型铸造是指在砂型中生产铸件的铸造方法，也是最基本和应用最广泛的一种铸造方法，目前砂型铸造生产的铸件约占总产量的80%以上。砂型铸造基本工艺过程如图4-1所示：图4-1 套筒的砂型铸造过程1-芯盒；2-模样；3-芯砂；4-造型；5-砂芯；6-型砂；7-造型；8-砂型；9-合型；10-铸型；11-浇注；12-落砂清理；13-铸件一、造型1.造型材料的制备砂型铸造用的造型材料主要是用于制造砂型的型砂和用于制造砂芯的芯砂。通常型砂是由原砂(山

4、砂或河砂)、粘土和水按一定比例混合而成，其中粘土约为9，水约为6，其余为原砂。有时还加入少量如煤粉、植物油、木屑等附加物以提高型砂和芯砂的性能。2.型砂的性能 型砂的质量直接影响铸件的质量，型砂质量差会使铸件产生气孔、砂眼、粘砂、夹砂等缺陷。良好的型砂应具备下列性能：（1）透气性 型砂能让气体透过的性能称为透气性。高温金属液浇入铸型后，型内充满大量气体，这些气体必须由铸型内顺利排出去，否则将使铸件产生气孔、浇不足等缺陷。铸型的透气性受砂的粒度、粘土含量、水分含量及砂型紧实度等因素的影响。砂的粒度越细，粘土及水分含量越高，砂型紧实度越高，透气性则越差。（2）强度 型砂抵抗外力破坏的能力称为强度。

5、型砂必须具备足够高的强度才能在造型、搬运、合箱过程中不引起塌陷，浇注时也不会破坏铸型表面。型砂的强度也不宜过高，否则会因透气性、退让性的下降使铸件产生缺陷。（3）耐火性 指型砂抵抗高温热作用的能力。耐火性差，铸件易产生粘砂。型砂中SiO2含量越多，型砂颗粒就越大，耐火性越好。（4）可塑性 指型砂在外力作用下变形，去除外力后能完整地保持已有形状的能力。可塑性好，造型方便，制成的砂型形状准确、轮廓清晰。（5）退让性 指铸件在冷凝时，型砂可被压缩的能力。退让性不好，铸件易产生内应力或开裂。在型砂中加入木屑等物可以提高退让性。3.造型方法造型是砂型铸造的最基本工序，通常分为手工造型和机械造型两大类。造

6、型的质量直接影响铸件的优劣。无论何种造型方法，其基本工艺过程是：模样置于砂箱中填砂紧实制作出气道起模制作浇注系统与冒口安放砂芯合箱。（1）手工造型手工造型时，填砂、紧实、起模和开挖浇注系统都用手工进行。手工造型具有操作灵活、适应性强、工艺装备简单、生产准备时间短、成本低等优点。但造型效率低、劳动强度大、铸件质量较差、劳动环境差。因此主要用于单件小批生产，特别是重型和形状复杂的铸件生产。常见的造型方法有：整模造型 整模造型过程如图4-2所示。整模造型的特点是：模样是整体结构，最大截面在模样一端为平面；分型面多为平面；操作简单。整模造型适用于形状简单的铸件，如盘、盖类。分模造型 模样分为两半，造型

7、时模样分别在上、下型内进行造型的方法，套筒的分模造型过程如图4-3所示。此法主要用于某些没有平整的表面，而且最大断面在模样中部，难以进行整模造型的铸件，可将模样在最大断面处分开，进行分模造型。分模造型适用于形状复杂的铸件，如套筒、管子和阀体等。三箱造型 用三个砂箱制造铸型的过程称为三箱造型。前述各种造型方法都是使用两个砂箱，操作简便、应用广泛。但有些铸件如两端截面尺寸大于中间截面时，需要用三个砂箱，从两个方向分别起模。图4-4为带轮的三箱造型过程。三箱造型主要用于单件、小批量生产具有两个分型面的铸件。图4-2 齿轮整模造型过程图4-3 套筒分模造型过程 图4-4 带轮的三箱造型过程活块造型 模

8、样上可拆卸或能活动的部分叫活块。当模样上有妨碍起模的侧面伸出部分(如小凸台、肋条等)时，常将该部分做成活块。起模时，先将模样主体取出，再将留在铸型内的活块单独取出，这种方法称为活块造型。用钉子连接的活块造型时(如图4-5)，应注意先将活块四周的型砂塞紧，然后拔出钉子。活块造型主要用于单件、小批量生产带有突出部分、难以起模的铸件。图4-5 活块造型1-用钉子连接活块；2-用燕尾连接活块刮板造型 尺寸大于500mm的旋转体或等截面铸件，如带轮、飞轮、大齿轮等单件或小批量生产生产时，为节省木材、模样加工时间及费用，可以采用刮板造型。刮板是一块和铸件截面形状相适应的木板。造型时将刮板绕着固定的中心轴旋

9、转，在砂型中刮制出所需的型腔，如图4-6所示。图4-6 皮带轮铸件的刮板造型过程挖砂造型 当铸件按结构特点需要采用分模造型，但由于条件限制(如模样太薄，制模困难)仍做成整模时，为便于起模，下型分型面需挖成曲面或有高低变化的阶梯形状(称不平分型面)，这种方法叫挖砂造型。手轮的挖砂造型过程如图4-7所示。挖砂造型主要用于单件小批生产和分型面不是平面的铸件。图4-7 手轮的挖砂造型过程 （2）机器造型机器造型是将紧砂、起模等工序用造型机来完成。其实质就是用机器代替了手工紧砂和起模。机器造型是大批量生产砂型的基本方法。与手工造型相比，机器造型生产效率高，铸件尺寸精度高，表面粗糙度值低，并改善了劳动条件

10、；但设备及工艺装备费用高，生产准备时间长。机器造型用的机器，称为造型机，多以压缩空气为动力。根据紧砂和起模方式不同，有气动微震压式造型、射压造型、高压造型、抛砂造型等多种类型，各自具有其特点及应用范围。图4-8为常用气动微震压式造型机的工作原理。图4-8 气动微震压式造型机造型过程二、造芯制造型芯的过程称为造芯。为获得铸件的内腔或局部外形，用芯砂或其他材料制成的、安放在型腔内部的铸型组元称型芯。绝大部分型芯是用芯砂制成的。砂芯的质量主要依靠配制合格的芯砂及采用正确的造芯工艺来保证。浇注时砂芯受高温液体金属的冲击和包围，因此除要求砂芯具有铸件内腔相应的形状外，还应具有较好的透气性、耐火性、退让性

11、、强度等性能。为了满足以上性能要求，制芯时常采用如下工艺措施：1.放芯骨以提高型芯的强度；2.开通气道以提高型芯的通气性；3.刷涂料以防止铸件粘砂；4.烘干以提高型芯的强度和透气性。形状简单的大、中型型芯，可用粘土砂来制造。但对形状复杂和性能要求很高的型芯来说，必须采用特殊粘结剂来配制，如采用油砂、合脂砂和树脂砂等。另外，型芯砂还应具有一些特殊的性能，如吸湿性要低（以防止合箱后型芯返潮）；发气要少（金属浇注后，型芯材料受热而产生的气体应尽量少）；出砂性要好（以便于清理时取出型芯）。型芯一般是用芯盒制成的，其开式芯盒制芯是常用的手工制芯方法，适用于圆形截面的较复杂型芯。其制芯过程见图4-9。图4

12、-9 对开式芯盒制芯(a)准备芯盒 (b)夹紧芯盒，分次加入芯砂、芯骨，舂砂 (c)刮平、扎通孔(d)松开夹子，轻敲芯盒 (e)打开芯盒，取出砂芯，上涂料三、模样和芯盒的制造模样是铸造生产中必要的工艺装备。对具有内腔的铸件，铸造时内腔由砂芯形成，因此还要制备造砂芯用的芯盒。制造模样和芯盒常用的材料有木材、金属和塑料。在单件、小批量生产时广泛采用木质模样和芯盒，在大批量生产时多采用金属或塑料模样、芯盒。金属模样与芯盒的使用寿命长达10万30万次，塑料的使用寿命最多几万次，而木质的仅1000次左右。为了保证铸件质量，在设计和制造模样和芯盒时，必须先设计出铸造工艺图，然后根据工艺图的形状和大小，制造

13、模样和芯盒。在设计工艺图时，要考虑下列一些问题(见图4-10)：1.分型面的选择 分型面是上、下砂型的分界面，选择分型面时必须使模样能从砂型中取出，并使造型方便和有利于保证铸件质量。2.拔模斜度 为了易于从砂型中取出模样，凡垂直于分型面的表面，都做出0.54的拔模斜度。 3.加工余量 铸件需要加工的表面，均需留出适当的加工余量。4.收缩量 铸件冷却时要收缩，模样的尺寸应考虑铸件收缩的影响。通常用于铸铁件的要加大1；铸钢件的加大1.52；铝合金件的加大11.5。5.铸造圆角 铸件上各表面的转折处，都要做成过渡性圆角，以利于造型及保证铸件质量。6.芯头 有砂芯的砂型，必须在模样上做出相应的芯头。图

14、4-10是压盖零件的铸造工艺图及相应的模样图。从图中可见模样的形状和零件图往往是不完全相同的。图4-10 压盖零件的铸造工艺图及相应的模样图四、铸型的组成铸型是根据零件形状用造型材料制成的，铸型可以是砂型，也可以是金属型。砂型是由型砂（型芯砂）做造型材料制成的。它是用于浇注金属液，以获得形状、尺寸和质量符合要求的铸件。铸型一般由上型、下型、型芯、型腔和浇注系统组成，如图4-11所示。铸型组元间的接合面称为分型面。铸型中造型材料所包围的空腔部分，即形成铸件本体的空腔称为型腔。液态金属通过浇注系统流入并充满型腔，产生的气体从出气口等处排出砂型。图4-11 铸型装配图 1-分型面；2-上型；3-出气

15、孔；4-浇注系统；5-型腔；6-下型；7-型芯；8-芯头芯座五、浇注系统和冒口1.浇注系统 为了使金属液流入型腔而开设于铸型中的一系列通道，称为浇注系统。它的作用是：平稳、迅速地导入液体金属；防止熔渣、砂粒或其他杂质进入型腔；调节铸件凝固顺序或补给铸件冷凝收缩时所需的金属液。合理地设置浇注系统，对保证铸件质量、降低金属的消耗量有重要的意义。若浇注系统不合理，铸件易产生冲砂、砂眼、渣孔、浇不足、气孔和缩孔等缺陷。典型的浇注系统由外浇口、直浇道、横浇道和内浇道四部分组成，如图4-12所示。对形状简单的小铸件可以省略横浇道。（1）外浇口 小型铸件通常为漏斗状（称浇口杯），较大型铸件为盆状（称浇口盆）

16、。其作用是减少金属流对铸型的冲击并分离熔渣。（2）直浇道 它是连接外浇口与横浇道的垂直通道。断面多为圆形，利用直浇道的高度产生一定的静压力，使金属迅速充填型腔。如果直浇道的高度或直径太大，会使铸件产生浇不足的现象。（3）横浇道 它是将直浇道的金属液引入内浇道的水平通道，一 般开设在砂型的分型面上，其截面形状多为梯形，并位于内浇道的上面。横浇道的主要作用是分配金属液进入内浇道和起挡渣作用。（4）内浇道 它直接与型腔相连，其断面多为扁梯形或三角形，主要作用是控制金属液流入型腔的速度和方向，使之平稳地充满型腔。并可利用内浇道开设位置的不同来调节铸件的凝固顺序，故对铸件质量有较大影响。 图4-12 典

17、型浇注系统 2.冒口 常见的缩孔、缩松等缺陷是由于铸件冷却凝固时体积收缩而产生的。为防止缩孔和缩松，往往在铸件的顶部或厚实部位设置冒口。冒口是指在铸型内特设的空腔及注入该空腔的金属。冒口中的金属液可不断地补充铸件的收缩，从而使铸件避免出现缩孔、缩松。冒口是多余部分，清理时要切除掉。冒口除了补缩作用外，还有排气和集渣的作用。六、合型、浇注、落砂、清理和检验1.合型（合箱）将铸型的各个组元如上型、下型、型芯、浇口杯等组合成一个完整铸型的操作过程称为合型。合型后要保证铸型型腔几何形状、尺寸的准确性和型芯的稳固性。型芯放好并经检验后，才能扣上上型和放置浇口杯。2.浇注将金属液从浇包（如图4-13）注入

18、铸型的操作，称为浇注。金属液应在一定的温度范围内按规定的速度注入铸型。若浇注温度过高，金属液吸气过多，液体收缩大，铸件就容易产生气孔、缩孔、裂纹及粘砂等缺陷。若浇注温度过低，金属液流动性差，就会产生浇不足、冷隔等缺陷。 图4-13 浇包3.落砂用手工或机械使铸件和砂型（芯砂）、砂箱分开的操作过程，称为落砂。浇注后，必须经过充分的凝固和冷却才能落砂。若过早落砂，就会使铸件产生较大的应力，从而导致变形或开裂；此外，铸件还会形成白口组织，从而使铸件切削加工困难。4.清理落砂后，从铸件上清除表面粘砂、型砂（芯砂）、多余金属（包括浇口、冒口、飞翅和氧化皮）等操作称为清理。清理主要是去除铸件上的浇口、冒口

19、、型芯、粘砂以及飞边毛刺等部分。5.检验铸件清理后应进行质量检验。可通过眼睛观察（或借助尖嘴锤）找出铸件的表面缺陷，如气孔、粘砂、砂眼、缩孔、浇不足、冷隔等。对于铸件内部缺陷可进行耐压试验、超声波探伤等。第二节 特种铸造 特种铸造是指与砂型铸造不同的其他铸造方法。随着铸造技术的发展，特种铸造在铸造生产中占有相当重要的地位。常用的特种铸造方法有以下几种：一、金属型铸造金属型铸造是将液态金属在重力作用下浇入金属铸型内，获得铸件的方法。图4-14所示。用铸铁、碳钢或低合金钢等金属材料制成铸型，铸型可反复使用。与砂型铸造相比较，金属型铸造的主要优点是：散热快、铸件组织致密，力学性能好，精度和表面质量较

20、好，液态金属耗用量少，劳动条件好。适用于大批生产有色合金铸件。其主要缺点是：制造成本高、制造周期长、导热性好，降低了金属液的流动性。因而不宜浇注过薄、过于复杂的铸件。无退让性，冷却收缩时产生内应力将会造成铸件的开裂。型腔在高温下易损坏，因而不宜铸造高熔点合金。图4-14 铸造铝活塞的金属型1-销孔；2-左、右半型；3-左侧型芯；4-中间型芯；5-右侧型芯；6-底板 二、压力铸造压力铸造是在高压作用下将金属液以较高的速度压入高精度的型腔内，力求在压力下快速凝固，以获得优质铸件的高效率铸造方法。常用压力铸造的压力为5150Mpa，充型速度为5100m/s。压力铸造的基本设备是压铸机。压铸机可分为热

21、室压铸机和冷室压铸机两大类，冷室压铸机又可分为立式和卧式等类型。压铸型是压力铸造生产铸件的模具，主要由活动半型和固定半型两个大部分组成。固定半型固定在压铸机的定型座板上，由浇道将压铸机压室与型腔连通。活动半型随压铸机的动型座板移动，完成开合型动作。完整的压铸型组成中包括型体部分、导向装置、抽芯机构、顶出铸件机构、浇注系统、排气和冷却系统等部分。压铸工艺过程见图4-15。图4-15 压铸工艺过程示意图1-顶杆；2-活动半型；3-固定半型；4-金属液；5-压射冲头；6-压射室；7-铸件压铸的优点是：铸件质量高，致密性好，很多情况下无需切削加工；可以压铸形状复杂、壁薄的铸件；生产率高。其缺点是：不宜

22、压铸厚壁件；设备和模具费用高；模具生产周期长。因此，压力铸造适用于大批生产壁薄的有色金属中小型铸件。三、离心铸造将液态合金注入旋转的铸型中，在离心力作用下充型、冷凝而获得铸件的铸造方法，称为离心铸造。其铸型多用金属型，也可以用砂型，是在离心铸造机上进行的。铸型在离心铸造机上可根据需要可以绕垂直轴旋转，也可以绕水平轴旋转，如图4-16所示。(a)绕垂直轴旋转 （b）绕水平轴旋转图4-16 离心铸造示意图 1-铸件；2-铸型离心铸造的优点是：由于离心力的作用，铸件没有气孔、缩孔，组织致密，强度高；无浇口、冒口，节省材料；制造圆筒形铸件，可以不用型芯；可铸造薄壁圆筒和双金属铸件。其缺点为：圆筒形铸件

23、的内表面质量较差，不适合铸造易产生偏析的合金（如铅青铜）铸件。离心铸造目前主要用于回转体铸件的生产，如轴套、缸套、活塞环等。四、熔模铸造用易熔材料（蜡或塑料等）制成精确的可熔性模型，并涂以若干层耐火涂料，经干燥、硬化成整体型壳，加热型壳熔失模型，经高温焙烧而成耐火型壳，在型壳中浇注铸件。熔模铸造的工艺过程如图4-17。熔模铸造的优点是：铸件的尺寸精度和表面质量都很高，一般可不进行切削加工；可以铸造形状很复杂的铸件，如汽轮叶片、各种叶轮、复杂刀具等；所需设备简单、投资少、不受生产批量的限制。其缺点是：工艺过程复杂，生产周期长； 由于受蜡模、型壳强度和刚度的限制，铸件质量一般不超过25kg。（a）

24、 （b） （c） （d） （e） （f） （g） （h）图4-17 熔模铸造工艺过程示意图（a)母模 (b)压型 (c)熔蜡 (d)焊成蜡模组 （e)结壳（f)熔模 （g)造型、焙烧 （h)浇注第三节 合金的熔炼与浇注一、合金的铸造性能液态合金在铸造生产过程中所表现出来的工艺性能，常称为铸造性能，铸造性能是表示合金铸造成形获得优质铸件的能力。铸造性能是一个非常重要的工艺性能，对铸件质量、铸造工艺及铸件结构有显著的影响，通常用流动性、收缩性和偏析等来衡量。1.合金的流动性 液态合金充满型腔，形成轮廓清晰、形状完整的优质铸件的能力，称为合金的流动性，又叫做“充型能力”。液态合金的流动性愈好，不仅易

25、于铸造出轮廓清晰，薄而形状复杂的铸件，而且有助于液态合金在铸型中收缩时得到补充，有利于液态合金中的气体及非金属夹杂物上浮与排除。若流动性不好，则易使铸件产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣和缩松等缺陷。影响合金流动性的因素有：（1）合金的成分 成分不同的合金具有不同的结晶特点，其流动性也不同。一般凝固温度范围越小，合金流动性越好。如纯金属和共晶成分的合金，由于它们是在恒温下结晶的，所以流动性最好。（2）铸型的特点 铸型材料的导热速度愈大，使液态合金的冷却速度加快，从而使流动性变差。如液态合金在金属型中的流动性比在砂型中差；铸件壁厚过小，形状复杂，会增加液态合金的流动阻力，故会降低合金的流动性。因此设计

26、铸件时，铸件的壁厚必须大于规定的最小允许壁厚值，并力求形状简单。（3）浇注条件 浇注温度愈高，液态合金的粘度愈低，保持液态的时间愈长，故液态合金的流动性提高。但浇注温度过高，铸件易产生缩孔、缩松、粘砂、气孔、粗晶等缺陷，在保证铸件薄壁部分能充满的前提下，浇注温度不宜过高。各种合金的浇注温度范围是：铸铁为12301450； 铸钢为15201620；铝合金为680780。薄壁复杂件取上限，厚大件取下限。2合金的收缩性合金从浇注、凝固直至冷却到室温的过程中，其体积或尺寸缩减的现象，称为收缩。收缩是合金的物理本性，是铸件中缩孔、缩松、裂纹、变形、残余应力等缺陷产生的主要原因。液态金属从浇注温度冷却到常

27、温，其收缩过程可划分为三个阶段： （1）液态收缩 指合金从浇注温度冷却到凝固开始温度（液相线温度）之间的体积收缩。这个阶段合金处于液态下的收缩。（2）凝固收缩 指合金从凝固开始温度冷却到凝固终止温度（固相线温度）之间的体积收缩，即合金在结晶温度范围内的收缩。在一般情况下，这个阶段仍表现为型腔内液面降低。（3）固态收缩 指合金从凝固终止温度温度冷却到室温之间的体积收缩。这个阶段合金处于固态下的收缩。合金的总体积收缩为上述三个阶段收缩之和。液态收缩和凝固收缩会引起型腔内液面的下降，表现为合金体积的收缩，常用体收缩率表示。它们是铸件产生缩孔、缩松的基本原因。固态收缩一般直观的表现为铸件外形尺寸的减少

28、，常用线收缩率表示。它是铸件产生内应力、变形和裂纹的基本原因。影响合金收缩的因素有：（1）合金的化学成分 常用合金中，铸钢的收缩率最大，灰铸铁最小。灰铸铁收缩小是由于其中大部分碳是以石墨状态存在的，石墨的比容大，在结晶过程中，析出石墨所产生的体积膨胀抵消了部分收缩所致。故含碳量越高，灰铸铁的收缩越小。（2）浇注温度 合金的浇注温度愈高，过热度愈大，液态收缩量愈大。（3）铸型条件和铸件结构 铸件冷却收缩时，因其形状、尺寸的不同，各部分的冷却速度不同，导致收缩不一致，且互相阻碍；此外，铸型和型芯对铸件收缩产生阻碍，故铸件的实际收缩率总是小于其自由收缩率，但会增大铸造应力。3.铸造应力随着温度的下降

29、，铸件会产生固态收缩，有些合金甚至还会因发生固态相变而引起收缩或膨胀，这些收缩或膨胀若受到阻碍或因铸件各部分互相牵制，都将在铸件内部产生应力。铸件各部分由于冷却速度不同、收缩量不同而引起的阻碍引起的应力称热应力；铸型、型芯对铸件收缩的阻碍引起的应力称机械应力（收缩应力）。这两种应力得不到及时消除，同时产生作用会引起铸件的变形。若超过铸件材料的强度极限，将使铸件产生裂纹。减小与消除应力的方法：一是铸造工艺方面采用退让性好的型砂和芯砂，合理设置浇注系统和冒口，使铸件各部分冷却温差减小；二是及时对铸件进行消除应力退火，以消除其铸造应力。二、铸铁的熔炼与浇注在铸造生产中，铸铁件占铸件总重量的70%75

30、%，其中绝大多数采用灰铸铁。为获得高质量的铸铁件，首先要熔化出优质铁水。1.铸件的熔炼要求：（1）铁水温度要高；（2）铁水化学成分要稳定在所要求的范围内；（3）提高生产率，降低成本。2.铸件的熔炼设备图4-18 冲天炉的构造1-出铁口；2-出渣口；3-前炉；4-过桥；5-风口；6-底焦；7-金属料；8-层焦；9-火花罩；10-烟囱；11-加料口；12-加料台；13-热风管；14-热风胆冲天炉是铸铁熔炼的设备，如图4-18所示。炉身是用钢板弯成的圆筒形，内砌以耐火砖炉衬。炉身上部有加料口、烟囱、火花罩，中部有热风胆，下部有热风带，风带通过风口与炉内相通。从鼓风机送来的空气，通过热风胆加热后经风带

31、进入炉内，供燃烧用。风口以下为炉缸，熔化的铁液及炉渣从炉缸底部流人前炉。冲天炉的大小是以每小时能熔炼出铁液的重量来表示，常用的为1.510t/h。3.冲天炉炉料及其作用(1)金属料金属料包括生铁、回炉铁、废钢和铁合金等。生铁是对铁矿石经高炉冶炼后的铁碳合金块，是生产铸铁件的主要材料；回炉铁如浇口、冒口和废铸件等，利用回炉铁可节约生铁用量，降低铸件成本；废钢是机加工车间的钢料头及钢切屑等，加入废钢可降低铁液碳的含量，提高铸件的力学性能；铁合金如硅铁、锰铁、铬铁以及稀土合金等，用于调整铁液化学成分。(2)燃料冲天炉熔炼多用焦炭作燃料。通常焦炭的加入量一般为金属料的1/121/8，这一数值称为焦铁比

32、。(3)熔剂熔剂主要起稀释熔渣的作用。在炉料中加入石灰石(CaCO3)和萤石(CaF2)等矿石，会使熔渣与铁液容易分离，便于把熔渣清除。熔剂的加入量为焦炭的2530。4.冲天炉的熔炼原理在冲天炉熔炼过程中，炉料从加料口加入，自上而下运动，被上升的高温炉气预热，温度升高；鼓风机鼓入炉内的空气使底焦燃烧，产生大量的热。当炉料下落到底焦顶面时，开始熔化。铁水在下落过程中被高温炉气和灼热焦炭进一步加热(过热)，过热的铁水温度可达1600左右，然后经过过桥流入前炉。此后铁水温度稍有下降，最后出铁温度为13801430。冲天炉内铸铁熔炼的过程并不是金属炉料简单重熔的过程，而是包含一系列物理、化学变化的复杂

33、过程。熔炼后的铁水成分与金属炉料相比较，含碳量有所增加；硅、锰等合金元素含量因烧损会降低；硫含量升高，这是焦炭中的硫进入铁水中所引起的。5.浇注工艺要点正确地进行浇注，不仅可以减少废品，而且是安全生产的必要条件。其工艺中主要掌握浇注温度与浇注速度。(1) 浇注温度 铁水注入铸型时所测量到的温度，称为浇注温度。控制浇注温度的原则是，在保证铁水有足够流动性的前提下，尽量降低浇注温度。铁水温度高，流动性好，有利于熔渣的聚积与排除，因而减少铸件夹渣的可能性。但是，温度过高，会使铸件产生缩孔和缩松，组织的晶粒粗大，力学性能下降。温度过低，铁水流动性差，容易产生浇注不足和冷隔等缺陷。 （2）浇注速度 即单

34、位时间内浇入铸型中的金属液重量，单位为kg/s。一般情况，用浇注时间来控制浇注速度，以分钟计算，也可通过浇注系统进行控制。三、铸钢的熔炼与浇注 对于力学性能要求较高，或要求具有特殊力学、物力、化学性能的重要铸件，要用铸钢制造，如汽车后桥壳，轧钢机机座，化工设备的泵壳、阀体，以及推土机、坦克的履带板等。铸钢在铸造生产中的应用，仅次于铸铁，居第二位。 1.铸钢的熔炼设备 熔炼铸钢的方法主要有平炉、电弧炉和感应电炉等。在一般机械厂的铸钢车间里，电弧炉和感应电弧炉应用最多。三相电弧炉构造如图4-19所示。 图4-19 三相电弧炉的构造示意图 1-电弧；2-出钢口；3-炉墙；4-电极；5-加料口；6-钢

35、水；7-倾斜机构2.铸钢的熔炼铸钢的熔炼一般采用电弧炉，通电后三根石墨电极与金属炉料间产生强烈的电弧。利用电弧热进行钢的熔炼。电弧炉的容量为15t,熔炼时间约为24h。电弧炉炼钢具有温度高、合金元素烧损较少、操作方便、开炉停炉方便、设备投资少；金属炉料的适应性强，要求其质量不严；可炼多种钢，并能严格控制钢水成分。但其消耗电能多、成本较高。电弧炉炼钢，大致要经过补炉、装料（主要是废钢）、熔化期、氧化期、还原期和出钢等几个阶段。整个过程要严格要求控制钢水的碳含量及降低杂质中的硫、磷含量。与此同时，不得使钢水中的氧与氧化铁太多，所以炉料熔化后，要经过氧化期与还原期，以降低钢水的碳含量与硫、磷含量，以

36、及去除氧，达到要求后，方可出钢浇注。3.浇注工艺要点由于钢的熔点高，铸钢的浇注温度一般为15001600， 小的薄壁及形状复杂的铸钢件，浇注温度还要高些。若浇注温度过高，浇注速度又低，铸型表面会受钢水的热辐射，产生剥落和开裂。但浇注速度太快，会造成钢水喷溅，因而控制铸钢的浇注速度比铸铁严格。四、铝合金的熔炼与浇注铸铝是工业生产中应用最广泛的铸造非铁合金之一。由于铝合金的熔点低，熔炼时极易氧化、吸气，合金中的低沸点元素(如镁、锌等)极易蒸发烧损，故铝合金的熔炼应在与燃料和燃气隔离的状态下进行。1.铝合金的熔炼设备铝合金的熔炼一般是在坩埚炉内进行，根据所用热源不同，有焦炭加热坩埚炉、电加热坩埚炉等

37、不同形式，如图4-20所示。通常用的坩埚有石墨坩埚和铁质坩埚两种。石墨坩埚是用耐火材料和石墨混合并成型烧制而成。铁质坩埚是由铸铁或铸钢铸造而成，可用于铝合金等低熔点合金的熔炼。 1-炉盖；2-炉体；3-坩埚；4-焦炭； 1-坩埚；2-托板；3-耐热板；4-耐火砖； 5-垫板；6-炉篦；7-进气管 5-电阻丝；6-石棉板；7-托砖 图4-20 铝合金熔炼设备2.铝合金的熔炼在熔炼铝合金时，铝氧化生成Al2O3呈固态夹杂物悬浮在合金液中，很难去除，既恶化了铝合金的铸造性能，又降低了力学性能。与此同时，合金液容易吸气（主要是氢气），在铸件凝固时形成细长的气孔，使铸件致密性降低，从而使铝合金的熔炼工艺

38、控制较为复杂。主要工艺措施是使铝合金在熔剂层下熔炼和进行精炼。将炉料（铝锭、回炉废铸铝件与中间合金）紧密地放入坩埚中，上面撒入熔剂（NaCl、KCl或Na2AlF6等）。当合金熔化后，熔剂浮在合金液的上面，从而使合金液与炉气隔离。即便是这样，也难以完全避免吸收与溶解气体，因为气体的来源是多方面的。为此，需要进行精炼。常用ZnCl2(铝化锌)或通入氯气精炼。氯化锌加入铝合金液后，生成AlCl3气体。在其上浮过程中将铝合金液中的气体，以及Al2O3、SiO2等夹杂物带到液体表面，而后可方便除掉。炼好的铝合金液，一般在730740出炉，然后加入氯化物（NaCl、KCl）和氟化物（NaF）等，进行变质

39、处理，以690730浇注成铝铸件。3.浇注工艺要点对于一般要求的铸件在检查其含气量后就可浇注。浇注时视铸件厚薄和铝液温度高低，分别控制不同的浇注速度。浇注时浇包对准浇口杯先慢浇，待液流平稳后，快速浇人，见合金液上升到冒口颈后浇速变慢，以增强冒口补缩能力。如有型芯的铸件，在即将浇入铝液时用火焰在通气孔处引气，可减少或避免“呛火”现象和型芯气体进入铸件的机会。四、铸件的常见缺陷在实际生产中，常需对铸件缺陷进行分析，其目的是找出产生缺陷的原因，以便采取措施加以防止。铸件的缺陷很多，常见的铸件缺陷名称、特征、产生的主要原因及预防的措施见表4-1。表4-1 常见的铸件缺陷及产生原因缺陷名称图例及特征产生

40、的主要原因预防的主要措施气 孔在铸件内部或表面有大小不等的光滑孔洞型砂含水过多，透气性差；起模和修型时刷水过多；砂芯烘干不良或砂芯通气孔堵塞；浇注温度过低或浇注速度太快等1.遵守合理的熔炼工艺、加熔剂保护，进行脱气处理等；2.铸型、型芯烘干，避免吸潮；3.湿型起模时，刷水不要过多，减少铸型发气量；4.改善铸型透气性；5.适当提高浇注温度；6.浇包、工具要烘干；7.将金属液进行镇静处理。缩 孔缩孔多分布在铸件厚断面处，形状不规则，孔内粗糙铸件结构不合理，如壁厚相差过大大，造成局部金属积聚；浇注系统和冒口的位置不对，或冒口过小；浇注温度太高，或金属化学成分不合格，收缩过大1.合理设计铸件避免铸壁过

41、厚，可采用T形、工字形等截面；2.合理放置浇注系统，实现顺序凝固加冒口补缩；3.根据合金种类等不同，设置一定数量和相应尺寸的冒口；4.选择合适浇注温度和速度。砂 眼在铸件内部或表面有充塞砂粒的孔眼型砂和芯砂的强度不够；砂型和砂芯的紧实度不够；合箱时铸型局部损坏浇注系统不合理，冲坏了铸型1.合理设计铸件圆角；2.提高砂型强度；3.合理设置浇口、减小液态金属对型腔的冲刷力；4.控制砂型的烘干温度；5.合箱前应吹净型腔内散砂、合箱动作要轻、合箱后应及时浇注。粘 砂铸件表面粗糙，粘有砂粒 型砂和芯砂的耐火性不够；浇注温度太高；未刷涂料或涂料太薄1.根据不同的合金及浇注条件，确定合适的浇注温度；2.选用

42、耐火度较好的型砂；3.按要求刷涂料。错 箱铸件在分型面有错移 模样的上半模和下半模未对好；合箱时，上、下砂箱未对准1.按定为标记、定位销合箱；2.合箱后应锁紧或压铁块；3.在搬运传送中不要碰撞上、下箱；4.分开模样用定位销定位；5.可能时采用整模两箱造型。裂 缝 铸件开裂，开裂处金属表面氧化 铸件的结构不合理，壁厚相差太大；砂型和砂芯的退让性差；落砂过早1.合理设计铸件结构，使壁厚均匀；2.合理设置浇注系统，实现同时凝固；3.改善砂型，芯砂的退让性；4.严格控制合金的含硫磷量；5.把高温铸件随炉冷却。冷 隔铸件上有未完全融合的缝隙或洼坑，其交接处是圆滑的 浇注温度太低；浇注速度太慢或浇注过程曾

43、有中断；浇注系统位置开设不当或浇道太小1.根据合金种类等限制铸件最小壁厚；2.可能时选用流动性较好的合金浇注复杂薄壁铸件；3.适当提高浇注温度和浇注速度，能明显提高充型能力；4.增大浇口横截面积和多开内浇口。浇 不 足 液态金属未充满铸型，铸件形状不完整 浇注时金属量不够；浇注时液体金属从分型面流出；铸件太薄；浇注温度太低；浇注速度太慢。1.合理设计铸件、最小壁厚应限制；2.复杂件选用流动性好的合金；3.适当提高浇注温度和速度；4.烘干、预热铸型；5.合理设计浇注系统，改善排起。第四节 砂型铸造工艺设计 为了获得合格的铸件，减小铸型制造的工作量，降低铸件成本，在砂型铸造的生产准备过程中，必须合

44、理地制订出铸造工艺方案，并绘制出铸造工艺图。一、浇注位置的确定 浇注时，铸件在铸型中所处的位置称为浇注位置，即在浇注时，铸件在铸型中是处于垂直、水平或倾斜的位置。浇注位置选择正确与否，对铸件、造型方法都有重要的影响。浇注位置的选择主要考虑以下三个原则：1.铸件上重要的加工面、受力面和基准面，在浇注时应尽量朝下。因为气体、熔杂、砂粒等容易上浮，使铸件上部质量较差。例如生产车床床身铸件时，应将重要的导轨面朝下，如图4-21所示。图4-21 床身的浇铸位置2.铸件的大平面应朝下。这样可以防止大平面上产生气孔、夹砂的缺陷，如图4-22所示。这是由于在浇注过程中，高温的金属液对型腔上表面有强烈的热辐射，

45、容易引起型腔上表面型砂因急剧地热膨胀而拱起或开裂，从而使铸件表面产生夹砂缺陷。图4-22 平板的浇注位置3.具有大面积薄壁的铸件，应将薄壁部分放在铸型下部。这是为了防止薄壁部分产生浇不足，冷隔等缺陷。如图4-23所示。图4-23 薄件的浇注位置4.易形成缩孔的铸件，应把厚的部分放在分型面附近的上部或侧面，这样便于在铸件厚处直接安置冒口，以利于补缩。 二、分型面的选择分型面是指上、下砂型的接合面，其表示方法如图4-24所示。短线表示分型面的位置，箭头和“上”、“下”两字表示上型和下型的位置。分型面的确定原则如下：1.分型面应选择在模样的最大截面处，以便于取模，挖砂造型时尤其要注意(图4-24a)。2.应尽量减少分型面数目，成批量生产时应避免采用三箱造型。3.应使铸件中重要的机加工面朝下或垂直于分型面，便于保证铸件的质量。因为，浇注时液体金属中的渣子、气泡总是浮在上面，铸件的上表面缺陷较多，铸件的下表面和侧面质量较好(图4-24b)。图4-24 分型面的确定原则示意图4.应使铸件全部或大部分在同一砂型内，以减少错箱、飞边和毛刺，提高铸件的精度(图4-24c)三、型芯 型芯一般由芯体和芯头两部分组成。芯体的形状应与所形成的铸件相应部分的形状一致。芯头是型芯的外伸部分，落入铸型的芯座内，起定位和支承型芯的作用。芯头的形状