厚德博學追求卓越4鑄造工藝基礎主要內容液態合金的充型一鑄造合金的凝固與收縮二三鑄造內應力、變形與裂紋四鑄件的氣孔與偏析五小結商代的“后（司）母戊大方鼎”

秦“銅車馬”戰國早期的曾侯乙尊盤明永樂大鐘鑄造工藝中華民族是一個智慧的民族一、液態合金的充型金屬的液態成形

什么是金屬的液態成形?

將熔煉好的液態金屬澆注到與零件的形狀和尺寸相適應的鑄型空腔中，待其冷卻凝固后，所獲得毛坯或零件的成型方法，也稱為鑄造。

金屬的液態成形是制造毛坯、零件的重要方法之一。按鑄型材料的不同，金屬液態成形可分為砂型鑄造和特種鑄造（包括壓力鑄造、金屬型鑄造等）。模樣制作芯盒制作造型制芯型砂配置芯砂配置合型澆注落砂清理檢驗鑄件金屬熔煉砂型鑄造生產流程

鑄造生產的優缺點優點：適于做復雜外形，特別是復雜內腔的毛坯。對材料的適應性廣，鑄件的大小幾乎不受限制。成本低，原材料來源廣，價格低廉，一般不需要昂貴的設備。對于某些塑性很差的材料(如鑄鐵等)是制造其毛坯或零件的唯一成型工藝。缺點：工藝過程比較復雜，一些工藝過程還難以控制。鑄件內部組織的均勻性、致密性一般較差。零件易出現縮孔、縮松、氣孔、砂眼、夾渣、裂紋等缺陷，產品質量不夠穩定。鑄件內部晶粒粗大，組織不均勻，且有缺陷，力學性能比同類材料的塑性成形低。合金的鑄造性能

鑄造生產過程非常復雜，影響鑄件質量的因素也非常多，其中合金的鑄造性能的優劣對能否獲得優質鑄件有著重要影響。

鑄造性能——鑄造合金在鑄造過程中表現出的工藝性能。

主要包括充型能力、收縮性、吸氣、偏析等，其中液態合金的充型能力和收縮性是影響成形工藝及鑄件質量的兩個最基本的問題。液態合金的充型

充型能力：指液態合金充滿型腔并使鑄件形狀完整、輪廓清晰的能力。合金充型能力不足會引起澆不足、冷隔等鑄造缺陷。

實踐表明，充型能力首先與合金本身的流動性有關，同時也受外界條件的影響，如澆注條件、鑄型填充條件、鑄件結構等許多因素的影響。1.1

液態合金的流動性

液態合金的流動性是指液態金屬本身的流動能力，是合金主要鑄造性能之一。合金的流動性好，充型能力就強，便于澆鑄出輪廓清晰、薄而復雜的鑄件，并有利于非金屬夾雜物和氣體的上浮與排除，也有利于對合金冷凝過程所產生的收縮進行補縮。

測試合金流動性的方法:螺旋形試樣矩形試樣

在相同的澆注條件下，所澆出的試樣越長，合金的流動性就越好。試驗得知：灰鑄鐵在澆鑄溫度為1300℃，試樣長度為1800mm；鑄鋼在澆鑄溫度為1600℃時，試樣長度為100mm。在常用鑄造合金中，灰鑄鐵、硅黃銅的流動性最好，鑄鋼的流動性最差。1.1

液態合金的流動性

為了研究澆注溫度、模具溫度、擠壓速度對鎂合金流動性的影響規律，對矩形試樣進行了改進設計。1.1

液態合金的流動性

研究結論在實際生產過程中，擠壓鑄造工藝不適合于生產壁厚小于3mm的鎂合金鑄件，否則難以得到輪廓清晰的完整鑄件。1.1

液態合金的流動性

影響合金流動性的因素有很多，但以化學成分的影響最為顯著。

共晶成分合金和純金屬的結晶是在恒溫下進行的，此時，液態合金從表層逐層向中心凝固，由于已結晶的固體層內表面比較光滑，對金屬液的阻力較小；同時，共晶成分合金的凝固溫度最低，相對來說，合金的過熱度大，推遲了合金的凝固，故流動性最好。除純金屬外，其它成分合金是在一定溫度范圍內逐步凝固的，即經過液、固并存的兩相區，結晶是在截面上一定寬度的凝固區內同時進行的，由于初生的樹枝狀晶體使已結晶固體層內表面粗糙，故，合金的流動性變差。1.1

液態合金的流動性

合金成分越遠離共晶成分、結晶溫度范圍越寬，流動性越差。

由圖可見，亞共晶鑄鐵隨含碳量增加，結晶溫度區間減小，流動性提高，愈接近共晶成分，合金的流動性愈好，愈容易鑄造。1.2

澆注條件

對合金充型能力有影響的澆注條件主要包括澆注溫度和充型壓力。

1.澆注溫度澆注溫度對合金的流動性的影響極為顯著。在保證流動性足夠的條件下，應盡可能地降低澆注溫度。生產上常采用“高溫出爐，低溫澆注”來保證鑄件質量。澆注溫度越高，液態金屬的粘度越小，過熱度高，金屬液內含熱量多，保持液態的時間長，同時也會使鑄型的溫度升高，降低合金的冷卻速度，故適當提高澆注溫度是改善合金流動性的重要措施。1.2

澆注條件

2.充型壓力

液態合金在流動方向上所受的壓力愈大，充型能力愈好。砂型鑄造時，充型壓力是由直澆道所產生的靜壓力取得的，故直澆道的高度必須適當。在壓力鑄造、低壓鑄造和離心鑄造時，因充型壓力得到提高，所以充型能力較強。1.3

鑄型填充條件

液態合金充型時，鑄型的阻力將影響合金的流動速度，而鑄型與合金間的熱交換又將影響合金保持流動的時間。

1.鑄型的蓄熱能力

鑄型的蓄熱能力即鑄型從液態合金中吸收和儲存熱量的能力。鑄型材料的導熱系數和比熱愈大，對液態合金的激冷能力愈強，合金的充型能力就愈差。

例如，金屬型鑄造較砂型鑄造容易產生澆不足和冷隔缺陷。

2.鑄型溫度

金屬型鑄造、壓力鑄造、熔模鑄造時，可將鑄型預熱數百度，減少鑄型和金屬液間的溫差，減緩金屬液的冷卻速度，使充型能力得到提高。

3.鑄型中的氣體

在金屬液的熱作用下，鑄型（尤其是砂型）將產生大量氣體，如果鑄型的排氣能力差，型腔中氣體的壓力將增大，以致阻礙液態合金的充型。

為減小氣體的壓力，除應設法減少氣體來源外，應使鑄型具有良好的透氣性，并在遠離澆道的最高部位開設出氣口。1.4

鑄件結構

鑄件壁厚過薄、壁厚急劇變化或有大的水平面結構時，都使金屬液流動困難。因此，設計鑄件時，鑄件的壁厚必須大于規定的最小允許壁厚，以防缺陷產生。樹脂砂型鑄件改善合金的充型能力

改善合金的充型能力1234選用共晶成分合金，或結晶溫度范圍窄的合金提高合金液質量，減少雜質提高澆注溫度和充型壓力合理設置澆注系統和改進鑄件結構二、液態合金的凝固與收縮2.1

鑄造合金的凝固

在鑄造合金的凝固過程中，其鑄件的斷面上一般存在三個區域，即固相區、凝固區和液相區，其中，對鑄件質量影響較大的主要是液相和固相并存的凝固區的寬窄。鑄造合金的“凝固方式”就是依據凝固區的寬窄來劃分的。逐層凝固中間凝固糊狀凝固

鑄件質量與其凝固方式密切相關。一般說來，逐層凝固時，合金的充型能力強，便于防止縮孔和縮松；糊狀凝固時，難以獲得組織致密的鑄件。

1.凝固方式2.1

鑄造合金的凝固

影響鑄件凝固方式的主要因素是合金的結晶溫度范圍和鑄件的溫度梯度。

鑄件的溫度梯度主要取決于：

2.影響凝固方式的因素

（1）合金的結晶

溫度范圍愈小，凝固區域愈窄，愈傾向于逐層凝固。如砂型鑄造時，低碳鋼為逐層凝固；高碳鋼因結晶溫度范圍寬，為糊狀凝固。

（2）鑄件的溫度梯度

在合金結晶溫度范圍已定的前提下，凝固區域的寬窄取決于鑄件內外層間的溫度梯度。若鑄件的溫度梯度由小變大(圖中T1→T2)，則其對應的凝固區由寬變窄。

①合金的性質

合金的凝固溫度越低、熱導率越高、結晶潛熱越大，鑄件內部溫度均勻化能力越強，而鑄型的激冷作用變小，故溫度梯度小。

②鑄型的蓄熱能力

鑄型蓄熱能力愈強，激冷作用愈強，鑄件溫度梯度愈大。

③澆注溫度

澆注溫度愈高，因帶入鑄型中熱量增多，鑄件的溫度梯度減小。2.2

鑄造合金的收縮

鑄件在液態、凝固態和固態冷卻過程中所發生的體積減小的現象，稱為收縮。收縮是鑄造合金本身的物理性質。

收縮是鑄件中許多缺陷，如縮孔、縮松、應力、變形、裂紋等產生的根源。合金的總收縮率為三個階段收縮率的總和。合金的液態收縮和凝固收縮表現為合金的體積縮減，故常用單位體收縮量（即體收縮率）來表示。合金的固態收縮不僅引起合金體積上的縮減，同時，更明顯地表現在鑄件尺寸上縮減，因此固態收縮常用單位長度上的收縮量（即線收縮率）來表示。2.2

鑄造合金的收縮

不同合金的收縮率不同。在常用合金中，鑄鋼的收縮率最大，灰口鑄鐵最小。鑄件的實際收縮率與其化學成分、澆注溫度、鑄件結構和鑄型條件有關。

當澆注溫度不變時，碳鋼隨碳的質量分數的增加液相線溫度降低，其液態體收縮量增大。

在灰口鑄鐵中，碳是形成石墨的元素；硅是促進石墨形成的元素；硫是強烈阻礙石墨化的元素；錳可抵消硫對石墨化的阻礙作用，故適量的錳可使鑄鐵的收縮減小。

合金的澆注溫度越高，過熱度越大，液態收縮量也越大，故總收縮量增加。通常在滿足流動性要求的前提下，應盡量采用低溫澆注以減少液態收縮。2.2

鑄造合金的收縮

合金的收縮給液態成形工藝帶來許多困難，會造成許多鑄造缺陷，如：縮孔、縮松、裂紋、變形等。合金收縮固態合金冷卻液態合金冷卻液態收縮凝固收縮縮孔:恒溫下結晶縮松:兩相區結晶固態收縮裂紋變形應力（線收縮）（體收縮）2.3

鑄件的縮孔與縮松

液態金屬在鑄型內凝固過程中，由于液態收縮和凝固收縮導致體積縮小，若其收縮得不到補充，就在鑄件最后凝固的部分形成孔洞。大而集中的孔洞稱為縮孔，細小而分散的孔洞稱為縮松。

（a）鋁合金縮孔、縮松

（b）金相顯微鏡下縮松

（c）掃描電鏡下縮松2.3

鑄件的縮孔與縮松

純金屬或共晶成分或凝固溫度范圍窄的合金，澆注后在型腔內是由表及里的逐層凝固。在凝固過程中，如得不到合金液的補充，在鑄件最后凝固的地方就會產生縮孔。

合金的液態收縮和凝固收縮越大，澆注溫度越高，鑄件越厚，縮孔的體積就越大。

1.縮孔的形成

縮孔產生的部位在鑄件最后凝固區域，如壁較厚大的上部或鑄件兩壁相交處，這些地方稱為熱節。2.3

鑄件的縮孔與縮松

鑄件最后凝固的收縮未能得到補充，或者結晶溫度范圍寬的合金呈糊狀凝固，凝固區域較寬，液、固兩相共存，樹枝晶發達，枝晶骨架將合金液分割開的小液體區難以得到補縮所致。

合金的液態收縮和凝固收縮越大，澆注溫度越高，鑄件越厚，縮孔的體積就越大。

2.縮松的形成

縮松一般出現在鑄件壁的軸線區域、冒口根部、熱節處，也常分布在集中縮孔的下方。對氣密性、力學性能、物理性能或化學性能要求較高的鑄件，必須設法減少縮松。縮松出現的位置2.3

鑄件的縮孔與縮松

縮孔和縮松都會使鑄件的力學性能下降，縮松還可使鑄件因滲漏而報廢。因此，必須采取適當的工藝措施，防止縮孔和縮松的產生。

實踐證明，只要能使鑄件實現“順序凝固”，盡管合金的收縮較大，也可獲得沒有縮孔的致密鑄件。

3.縮孔和縮松的防止

順序凝固就是在鑄件可能出現縮孔的厚大部位通過安放冒口等工藝措施，使鑄件遠離冒口的部位先凝固，然后是靠近冒口的部位次凝固，最后才是冒口本身的凝固。

順序凝固適用于收縮大或壁厚差別較大，易產生縮孔的合金鑄件，如鑄鋼、高強度灰口鑄鐵和可鍛鑄鐵等。2.3

鑄件的縮孔與縮松

冒口一般設置在鑄件厚壁部位，是防止縮孔、縮松最有效的措施。冒口的尺寸應保證冒口比鑄件補縮部位凝固得晚，并有足夠的金屬液供給。

為了實現順序凝固，在安放冒口的同時，還可在鑄件上某些厚大部位增設冷鐵。冷鐵僅是加快某些部位的冷卻速度，以控制鑄件的凝固順序，本身并不起補縮作用。冷鐵通常是用鑄鋼或鑄鐵等金屬材料制成的激冷物。

3.縮孔和縮松的防止2.3

鑄件的縮孔與縮松

正確判斷鑄件上縮孔或縮松可能產生的部位，是合理設置冒口和冷鐵的重要依據。在實際生產中，常以“凝固等溫線法”或“內切圓法”近似找出縮孔的部位。

借助計算機數值模擬技術可以幫助預測鑄件中縮孔或縮松產生的位置，下圖為借助國產CAE軟件“華鑄CAE”模擬預測鑄件中出現縮孔、縮松的位置。

3.縮孔和縮松的防止三、鑄造內應力、變形與裂紋3.1

鑄造應力的形成

鑄件凝固之后的繼續冷卻過程中，其固態收縮若受到阻礙，將會在鑄件內部產生內應力，稱為鑄造內應力。鑄造內應力是鑄件產生變形和裂紋的基本原因。

鑄造應力按產生原因的不同分為熱應力和機械應力(也稱收縮應力)兩種。鑄造應力熱應力機械應力由于鑄件壁厚不均勻，各部分的冷卻速度也不相同，以致在同一時間內，鑄件各部分的收縮不一致而造成鑄件內部產生的應力，稱為熱應力。合金的固態收縮受到鑄型或型芯的機械阻礙而形成的內應力，稱為機械應力。3.1

鑄造應力的形成

1.熱應力t0——t1高溫階段，塑性狀態，內應力通過塑性變形消除；t1——t2Ⅱ桿彈性狀態，Ⅰ塑性狀態，Ⅱ桿受拉應力，Ⅰ受壓應力，內應力通過Ⅰ塑性變形消除；t2——t3Ⅰ、Ⅱ桿彈性狀態，Ⅰ比Ⅱ溫度高，Ⅰ收縮大于Ⅱ，Ⅰ收縮受Ⅱ的阻礙，產生拉應力；結論：熱應力使鑄件的厚壁或心部受拉伸，薄壁或表層受壓縮。3.1

鑄造應力的形成

2.機械應力

鑄件冷卻到彈性狀態以后，由于受到鑄型、型芯和澆、冒口等的機械阻礙而產生的應力，稱機械應力。

機械應力是在鑄件處于彈性狀態時產生的，一旦形成應力的原因消除，如落砂、去除澆、冒口后，應力也隨之消失。因此，機械應力是一種臨時應力。

機械應力在鑄型中可與熱應力共同作用，增大了某些部位的應力，如果應力超過鑄件的強度極限，鑄件將產生裂紋。3.1

鑄造應力的形成

3.減小和消除鑄造的方法

鑄造應力對鑄件質量危害很大，使鑄件的精度和使用壽命大大降低。鑄件在存放、加工甚至使用過程中，鑄件內的殘余應力將重新分布，使鑄件發生翹曲變形或裂紋，因此必須盡量減小和消除應力。

（1）采用合理的鑄造工藝，使鑄件的凝固過程符合同時凝固原則。3.1

鑄造應力的形成

3.減小和消除鑄造的方法

去應力退火通常是在粗加工以后進行，這樣可將原有的鑄造應力和粗加工產生的應力一并消除。

（2）造型工藝上，采取相應措施以減小鑄造應力，如改善鑄型、型芯的退讓性(型芯、砂內加入木屑、焦碳末等附加物，控制舂砂松緊度)，合理設置澆、冒口等。

（3）鑄件結構上，盡量避免牽制收縮的結構，使鑄件各部分能自由收縮。如壁厚均勻，壁和壁之間連接均勻、熱節小而分散的結構，可減小鑄造應力。

（4）去應力退火；人工時效；振動時效；自然時效。（5）消除機械應力可以通過適時開箱加以解決。振動時效3.2

鑄件的變形

對于厚薄不均勻、截面不對稱及具有細長特點的桿類、板類及輪類等鑄件，當殘留鑄造應力超過鑄件材料的屈服極限時，往往產生翹曲變形。具有殘余應力的鑄件是不穩定的，它將自發地通過變形來減緩其內應力，以便趨于穩定狀態。只有原來受拉伸部分產生壓縮變形、受壓縮部分產生拉伸變形，才能使殘余內應力減小或消除。厚部、心部受拉應力，出現內凹變形；薄部、表面受壓應力，出現外凸變形3.2

鑄件的變形

車床床身的導軌部分厚，側壁部分薄，鑄造后導軌產生拉應力，側壁產生壓應力，往往發生導軌面下凹變形。將一剛生產出來的圓柱體鑄件，作如下加工：（1）將鑄件外表面車掉一層；（2）將鑄件心部鉆一通孔；（3）將鑄件側面切去一部分；問：在這三種情況下鑄件會發生什么變化？

防止鑄造應力的方法，也是防止變形的根本方法。此外，工藝上還可采取某些措施，如反變形法;對某些重要的易變形鑄件，可采取提早落砂，落砂后立即將鑄件放入爐內燜火的辦法消除機械應力。3.3

鑄件的裂紋

當鑄造應力超過金屬的強度極限時，鑄件便產生裂紋，裂紋是嚴重的鑄造缺陷，必須設法防止。按裂紋形成的溫度范圍可分為熱裂紋和冷裂紋兩種。

1.熱裂紋

熱裂是在凝固末期高溫下形成的裂紋。裂紋表面與空氣接觸而被氧化，呈氧化色。裂紋沿晶粒邊界產生和發展，尺寸較短，縫隙較寬，形狀曲折。鋁合金6061圓鑄錠100X

熱裂是鑄鋼件、可鍛鑄鐵坯件(白口鑄鐵)和某些鋁合金鑄件常見的缺陷之一。在鑄鋼件廢品、次品總數中，由熱裂引起的約占20%以上。3.3

鑄件的裂紋

凝固末期，合金絕大部分已成固體，但其強度和塑性很低，當鑄件收縮受到機械阻礙產生較小的鑄造應力就能引起熱裂。

熱裂一般分布在應力集中部位(尖角或斷面突變處)或熱節處。

防止熱裂紋的方法：使鑄件結構合理；減小澆、冒口對鑄件收縮的機械阻礙；內澆口設置應符合同時凝固原則等。

此外，還應嚴格限制鋼和鑄鐵中硫的含量等（因為硫能增加鋼和鑄鐵的熱脆性，使合金的高溫強度降低）。3.3

鑄件的裂紋

2.冷裂紋

冷裂是鑄件處于彈性狀態即在低溫時形成的裂紋。冷裂紋表面光滑，具有金屬光澤或呈微氧化色，冷裂紋穿過晶粒而發生，外形規則，常呈圓滑曲線或直線狀。

脆性大、塑性差的合金，如白口鑄鐵、高碳鋼及某些合金鋼最易產生冷裂紋，大型復雜鑄件也易形成冷裂紋。鋁合金6063圓鑄錠

冷裂往往出現在鑄件受拉應力部位，特別是有應力集中的地方。

冷裂紋在金相分析上的形狀表現為線條狀裂開，成平直的裂線，主要表現為穿晶開裂，一般在斷口位置處顏色表現為亮晶色，很少有氧化現象。

防止冷裂的方法：盡量減小鑄造內應力和降低合金的脆性。

如鑄件壁厚要均勻，增加型砂和芯砂的退讓性，降低鋼和鑄鐵中的含磷量（因為磷能顯著降低合金的沖擊韌度，使鋼產生冷脆）。3.3

鑄件的裂紋

帶輪的輪緣、輪輻比輪轂薄，因此冷卻速度較快，比輪轂先收縮。當鑄件冷至彈性狀態后，輪轂的收縮卻受到先冷卻的輪緣的阻礙，使輪輻中產生拉應力，拉應力過大時輪輻發生斷裂。

飛輪的輪緣較厚，輪輻和輪轂較薄，往往在輪緣中產生拉應力引起冷裂。四、鑄件的氣孔與偏析4.1

鑄件的氣孔

氣孔是鑄件中最常見的缺陷，它是由于金屬液中的氣體未能排除，在鑄件中形成氣泡所致。按照氣體的來源，鑄件中的氣孔主要分為：因金屬原因形成的“析出性氣孔”、因鑄型原因形成的“浸入性氣孔”、因金屬與鑄型相互化學作用形成的“反應性氣孔”三種。

氣孔破壞了金屬的連續性，減少了承載的有效面積，并在氣孔附近引起了應力集中，因而降低了鑄件的力學性能，特別是沖擊韌性和疲勞強度顯著降低。4.1

鑄件的氣孔

1.侵入氣孔

侵入氣孔是由于砂型表面層聚集的氣體侵入金屬液中而形成的氣孔。侵入氣孔的特征是：多位于上表面附近，尺寸較大，呈橢圓形或梨形，孔的內表面被氧化。

侵入鑄件中的氣體主要來自造型材料中的水分、粘結劑和各種附加物。水不僅發氣量大，且發氣的臨界溫度最低，是濕型鑄造中氣體的主要來源。

預防侵入氣孔的基本途徑是降低型砂(型芯砂)的發氣量和增加鑄型的排氣能力。4.1

鑄件的氣孔

2.浸入性氣孔

溶解于金屬液中的氣體在冷凝過程中，因氣體溶解度下降而析出，鑄件因此而形成的氣孔稱為析出氣孔。金屬液的過熱度愈高，氣體的含量愈高。析出性氣孔的特征是分布面積大，有時遍及整個截面。析出氣孔在鋁合金中最為常見，因其直徑多小于1mm，故常稱為“針孔”，它不僅影響合金的力學性能，并將嚴重影響鑄件的氣密性。防止上述氣孔的主要方法是在澆注前對金屬液進行“除氣處理”，以減少金屬液中的氣體含量。同時，對爐料要去除油污和水分，澆注用具要烘干，鑄型水分不能過高等。4.1

鑄件的氣孔

3.反應性氣孔

澆入鑄型中的金屬液與鑄型材料、型芯撐、冷鐵或熔渣之間，因化學反應產生氣體而形成的氣孔，統稱反應氣孔。反應氣孔的種類甚多，形狀各異。如金屬液與砂型界面因化學反應生成的氣孔，多分布在鑄件表層下1～2mm處，呈皮下氣孔。冷鐵、型芯撐若有銹蝕，與灼熱的鋼、鐵液接觸時將發生如下化學反應：Fe3O4＋4C→3Fe＋4CO↑4.2

鑄件的偏析

在鑄件凝固后，其截面上的不同部位，以至晶粒內部，產生化學成分的不均勻現象，稱為鑄造偏析。鑄造偏析可分為微觀偏析和宏觀偏析兩大類。微小范圍內化學成分不均勻的現象稱為微觀偏析，如枝晶偏析(晶內偏析)、晶界偏析等。

1.微觀偏析在實際鑄造條件下，由于冷卻速度較快，溶質來不及充分擴散，因此，凝固后所得到的固溶體常按樹狀枝晶的形式長大，先結晶的枝干部分與后結晶的分枝部分，其化學成分就有差別，稱為枝晶偏析。晶界富集較多的溶質成分或其他低熔點和高熔點物質則稱為晶界偏析。Al-Zn-Mg合金4.2

鑄件的偏析

在較大范圍內化學成分不均勻的現象稱宏觀偏析，又稱區域偏析。

2.宏觀偏析

宏觀偏析通常表現為鑄件表層與中心成分不均勻，也無法通過均勻化熱處理加以消除，因為元素擴散距離太大。

宏觀偏析會使鑄件的力學性能、氣密性和切削加工性能變壞。路雖遠行則將至，

事雖難做則必成！——《荀子·修身》厚德博學追求卓越5常用合金鑄件的生產主要內容鑄鐵件的生產一鑄鋼件的生產二三鑄造有色合金件的生產四小結

古代中國在公元前就發明了液態冶煉：利用鼓風機使燃料充分燃燒，用高溫火焰熔化鐵礦，并不斷加入木炭粉，使其保持液態，令爐渣充分析出，最后用液態的鐵碳合金鑄造農具和日用品——就是鑄鐵。如果用剛熔化的生鐵灌注攪拌，也能得到較好的鋼——這種做法一直延續到了大躍進時代。一、鑄鐵件的生產鑄鐵的分類

鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金。工業上常用的鑄鐵一般含碳量在2.4%～4.0%的范圍內，此外，還含有0.6%～3.0%Si，0.4%～1.2%Mn，P≤0.3%，S≤0.15%等元素。

碳在鐵碳合金中的存在形式有：滲碳體和石墨。

1.白口鑄鐵:在白口鑄鐵中的碳除極少量溶入鐵素體中外，其余的都以化合碳——Fe3C存在，因其斷口呈銀白色，故稱為白口鑄鐵。

根據碳在鑄鐵中所存在的形式不同，把鑄鐵可分為以下幾類：共晶白口鑄鐵

白口鑄鐵中存在大量硬而脆的Fe3C，故白口鑄鐵的性能非常硬和脆，不能切削加工。因此，工業上很少直接用它來制造機械零件，而主要用作煉鋼的原料，或用于制造可鍛鑄鐵的毛坯。鑄鐵的分類

2.麻口鑄鐵:在麻口鑄鐵中的碳一部分以Fe3C形式存在，另一部分以石墨形式存在，斷口為灰白色相間。性能介于白口鑄鐵和灰口鑄鐵之間，既難加工，又無特殊優點，故一般很少應用。麻口鑄鐵

3.灰口鑄鐵:在灰口鑄鐵中的碳主要以石墨形態出現，其斷口呈暗灰色，經過不同的處理，石墨還可以呈團絮狀、球狀、蠕蟲狀，使鑄鐵獲得不同的性能。

常用的灰口鑄鐵又可分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵等。灰鑄鐵球墨鑄鐵可鍛鑄鐵蠕墨鑄鐵1.1灰鑄鐵

灰鑄鐵是指具有片狀石墨的鑄鐵，是應用最廣的鑄鐵，其產量占鑄鐵總產量的80%以上。

1.灰鑄鐵的性能

灰鑄鐵的顯微組織由金屬基體（鐵素體和珠光體）和片狀石墨所組成，相當于在純鐵或鋼的基體上嵌入了大量石墨片。

石墨的強度、硬度、塑性極低，因此可將灰鑄鐵視為布滿細小裂紋的純鐵或鋼。石墨愈多、愈粗大、分布愈不均勻，其力學性能愈差。

由于灰鑄鐵屬于脆性材料，故不能鍛造和沖壓。灰鑄鐵的焊接性能很差，如焊接區容易出現白口組織，裂紋的傾向較大。1.1灰鑄鐵

1.灰鑄鐵的性能

鑄鐵之所以用得如此廣泛，是因為石墨的存在使鑄鐵具有鑄鋼所不具備的性能。優良的減振性石墨片割裂了金屬基體，可阻止振動傳播；石墨對基體破壞越嚴重，它的減震性愈好，所以灰鑄鐵的減震性優于球墨鑄鐵，更優于碳鋼。耐磨性好石墨本身是一種良好的潤滑劑，而石墨剝落后又可使金屬基體形成存儲潤滑油的凹坑，故灰鑄鐵的耐磨性優于鋼。缺口敏感性小由于石墨的存在已使金屬基體形成了大量缺口，因此，外來缺口對灰鑄鐵的疲勞強度影響較小，從而增加了零件工作的可靠性。鑄造性能優良，切削加工性好灰鑄鐵的含碳量接近共晶成分，流動性好；由于石墨的潤滑及割裂作用，使灰口鑄鐵很易切削加工，屑片易斷，不需使用切削液，刀具磨損少。1.1灰鑄鐵

2.影響鑄鐵組織和性能的因素鑄鐵的石墨化：碳以石墨的形式析出的過程。通常視石墨化過程充分與否，會得到不同基體的鑄鐵組織。灰鑄鐵中的碳由化合碳（Fe3C）和石墨碳所組成。根據化合碳的含量不一樣可以分為以下三種：

鐵素體灰鑄鐵(全部石墨)珠光體灰鑄鐵(化合碳0.8%)鐵素體—珠光體灰鑄鐵(化合碳小于0.8%)

因此，想要控制鑄鐵的組織和性能，必須控制石墨化的程度。1.1灰鑄鐵

2.影響鑄鐵組織和性能的因素影響鑄鐵石墨化的主要因素是化學成分和冷卻速度。

(1)化學成分鑄鐵中的碳、硅、錳、硫、磷對石墨化有著不同的影響，其中最主要的是碳和硅。①碳和硅碳既是形成石墨的元素，又是促進石墨化的元素。含碳愈高，析出的石墨數量愈多、愈粗大，而基體中鐵素體增加、珠光體減少；反之，含碳降低，石墨減少，且細化。硅是強烈促進石墨化的元素，隨著含硅量的增加，石墨顯著增多。實踐證明，鑄鐵若含硅量過少，即使含碳量高，石墨也很難形成。1.1灰鑄鐵

2.影響鑄鐵組織和性能的因素

(1)化學成分鑄鐵中的碳、硅、錳、硫、磷對石墨化有著不同的影響，其中最主要的是碳和硅。Ⅰ—白口鑄鐵區

Ⅱa—麻口鑄鐵區

Ⅱ—珠光體灰口鑄鐵區

Ⅱb—珠光體、鐵素體灰口鑄鐵區

Ⅲ—鐵素體灰口鑄鐵區

碳與硅中，硅的影響更大，當硅含量很低(＜0.5%)時，即使含碳量很高，也不能進行石墨化；硅含量過高，又會使石墨片過多，尺寸過于粗大。一般灰鑄鐵的碳、硅含量要控制在一定范圍內，含碳量為2.6%～3.6%，含硅量為1.1%～2.5%。1.1灰鑄鐵

(2)冷卻速度減小冷卻速度可以促進石墨化，增大冷卻速度則阻止石墨化。當其它條件(如化學成分、鑄型材料和澆注溫度等)一定時，鑄件愈厚，冷卻速度愈慢，則石墨化傾向愈大，易得到粗大石墨片和鐵素體基體；反之，鑄件愈薄，冷卻速度愈快，則石墨化傾向愈小，易得到細小石墨片和珠光體基體。Ⅰ—白口鑄鐵區

Ⅱa—麻口鑄鐵區

Ⅱ—珠光體灰口鑄鐵區

Ⅱb—珠光體、鐵素體灰口鑄鐵區

Ⅲ—鐵素體灰口鑄鐵區

隨著壁厚的增加，石墨片數量和尺寸都增加，鑄鐵強度、硬度反而下降，這一現象稱為壁厚(對力學性能的)敏感性。1.1灰鑄鐵

3.灰鑄鐵的孕育處理普通灰鑄鐵的主要缺點是粗大的石墨片嚴重地割裂金屬基體，致使鑄鐵強度低。孕育鑄鐵因石墨仍為片狀，其塑性、韌性仍然很低，故仍然屬于灰鑄鐵。實踐證明，提高灰鑄鐵抗拉強度最有效的途徑是：對出爐鐵液進行孕育處理再行澆注，所獲得的鑄鐵強度可達250～350MPa，這種高強度灰鑄鐵也稱孕育鑄鐵。孕育鑄鐵的制造工藝：（1）控制鐵液化學成分：必須先熔煉出含碳2.8%～3.2%、含硅1%～2%的低碳、低硅鐵液。（2）孕育處理：孕育處理是向鐵液中加入孕育劑，常用的孕育劑為含硅75%的硅鐵合金。

孕育處理的強化原理：孕育劑在鐵水中形成大量彌散的石墨結晶的核心，使石墨化作用顯著提高，從而得到在細珠光體上均勻分布著細片狀石墨的組織，因此強度、硬度顯著提高。1.1灰鑄鐵

4.灰鑄鐵的牌號由于灰鑄鐵的性能不僅與化學成分有關，還與鑄件的壁厚（即冷卻速度有關）。因此，灰鑄鐵的牌號以力學性能來表示。依照國家標準，灰鑄鐵的牌號用“HT”加三位數字表示，其中“HT”代表灰鑄鐵，由“灰鐵”兩個漢語拼音的第一個字母組成，后面的三位數字表示其最低抗拉強度值（MPa）。

GB9439-2010規定了八個灰鑄鐵牌號及不同壁厚灰鑄鐵件的力學性能參考值，其中HT100、HT150、HT200為普通灰鑄鐵，其基體組織依次為鐵素體、鐵素體-珠光體、珠光體；HT250~HT350為孕育鑄鐵。1.1灰鑄鐵

5.灰鑄鐵件的熱處理用于鋼的各種熱處理，原則上也可用于鑄鐵。但熱處理只能改變鑄鐵基體組織，卻不能改變石墨的形狀，因而通過熱處理來提高灰鑄鐵的力學性能效果不大。（1）時效處理

自然時效是將鑄件在機械加工前放置在室外一段時間，使鑄件自行消失一部分內應力。此法的缺點是時間長，效果差，目前應用的較少。

人工時效是將冷卻后的鑄件放在100～200℃的爐中，隨爐升溫至500～600℃，經較長時間保溫后，緩慢的冷卻下來，這樣可消除90%以上的內應力。（2）軟化退火將鑄件加熱至850～900℃，保溫2～5h，使鑄鐵中的白口組織的滲碳體分解為石墨，然后隨爐冷至850～500℃，再置于空氣中冷卻。（3）表面淬火為了提高某些鑄件的表面硬度和耐磨性，如機床導軌的表面和汽缸套內壁等，可采用表面淬火法。1.2可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵又稱瑪鋼或瑪鐵，它是將白口鑄鐵坯件經長時間高溫退火而得到的一種較高塑性和韌性的鑄鐵。由于石墨呈團絮狀，大大減輕了對金屬基體的割裂作用，因此它比灰鑄鐵有更好的韌性、塑性及強度。為表明其韌性、塑性特征，故稱可鍛鑄鐵，但“可鍛”并非指可以鍛造。

1.可鍛鑄鐵的組織和性能按退火工藝不同，可鍛鑄鐵分為黑心可鍛鑄鐵、珠光體可鍛鑄鐵和白心可鍛鑄鐵三種。黑心可鍛鑄鐵退火中滲碳體全部分解為團絮狀石墨，基體為鐵素體。珠光體可鍛鑄鐵退火時冷卻速度較快，共析滲碳體未石墨化，組織為珠光體基體上分布著團絮狀石墨。1.2可鍛鑄鐵

1.可鍛鑄鐵的組織和性能我國目前以生產黑心可鍛鑄鐵為主，也生產少量珠光體可鍛鑄鐵，白心可鍛鑄鐵很少用。黑心可鍛鑄鐵強度較高，塑性較好，如抗拉強度Rm為300～370MPa，斷后伸長率A為6%～12%，多用于制造承受沖擊，振動和扭轉等復雜負荷的零件。1.2可鍛鑄鐵

2.可鍛鑄鐵的制造（1）鑄出白口鑄鐵坯件若坯件在退火前已存在片狀石墨，則退火后仍為片狀石墨，達不到獲得團絮狀石墨的要求，導致廢品的產生。因此，必須采用低碳、低硅的鐵水，以保證獲得白口組織。（2）石墨化退火

1)將白口鑄鐵加熱到950℃以上，保溫30小時左右，組織為奧氏體加石墨團。

2)降溫至710～730℃，保溫20小時左右，共析滲碳體全部石墨化。隨爐冷至500～600℃，空冷，整個退火周期為40～70小時左右。1.3球墨鑄鐵

向出爐的鐵水中加入一定量的球化劑(如純鎂或鎳鎂、稀土鎂等合金)和孕育劑(如硅鐵或硅鈣合金)，以促進碳呈球狀石墨結晶，而獲得的一種具有較高強度及較好塑性的鑄鐵。

1.球墨鑄鐵的組織和性能球墨鑄鐵由于石墨呈球狀，使石墨對金屬基體的縮減和割裂作用減至最低限度，基體強度的利用率可達70%～90%，而灰鑄鐵僅為30%~50%，故球墨鑄鐵具有比片狀灰鑄鐵高得多的力學性能，抗拉強度可以和鋼媲美，塑性和韌性大大提高。

球墨鑄鐵仍保持灰口鑄鐵的優良性能，如良好的耐磨性和減震性，缺口敏感性小，鑄造性能和切削加工性能良好等。球墨鑄鐵管球墨鑄鐵法蘭盤1.3球墨鑄鐵

1.球墨鑄鐵的組織和性能球墨鑄鐵目前已成功取代部分可鍛鑄鐵鑄件、鑄鋼件，也取代了部分負荷較重但受沖擊不大的鑄鋼件。

球墨鑄鐵的牌號中QT表示“球鐵”，后面兩組數字的含義與可鍛鑄鐵相同。球墨鑄鐵的牌號分為鐵素體珠光體球墨鑄鐵（14個牌號）和固溶強化鐵素體球墨鑄鐵（3個牌號）兩類。1.3球墨鑄鐵

2.球墨鑄鐵的生產特點（1）嚴格控制化學成分

球墨鑄鐵化學成分的要求比灰鑄鐵嚴格，碳、硅含量比灰鑄鐵高，錳、磷、硫含量比灰鑄鐵低。一般碳的質量分數為3.6%～4.0%，含硅量對珠光體球墨鑄鐵為2.0%～2.5%，對鐵素體球墨鑄鐵為2.6%～3.1%。（2）球化處理和孕育處理球化處理即向鐵水中加入球化劑，使石墨呈球狀析出，我國廣泛采用的是稀土鎂合金。孕育處理的作用是促進石墨化，消除球化元素造成的白口傾向，細化石墨球，增加共晶團數量。1.3球墨鑄鐵

2.球墨鑄鐵的生產特點（3）鑄造工藝

球墨鑄鐵的流動性比灰口鑄鐵差，且鐵水在球化和孕育處理過程中溫度要下降50～100℃，為保證澆注溫度，球墨鑄鐵出鐵溫度至少在1400～1420℃以上。

球墨鑄鐵也具有接近共晶的化學成分，凝固收縮率較低，具有良好的鑄造性能，但較灰鑄鐵的縮孔、縮松傾向大。1.3球墨鑄鐵

2.球墨鑄鐵的生產特點（4）球墨鑄鐵的熱處理

大多數球墨鑄鐵件鑄后需要進行熱處理，以保證應有的力學性能。這是由于鑄態的球墨鑄鐵多為珠光體和鐵素體的混合基體，有時還有自由滲碳體，形狀復雜件還存在殘余內應力。常用的熱處理方法是退火、正火、調質處理和等溫淬火。1）退火可獲得鐵素體球墨鑄鐵；

2）正火是為了提高球墨鑄鐵基體組織中的珠光體量，以提高其強度和耐磨性；

3）對于一些受力比較復雜、綜合性能要求較高的零件，如連桿、曲軸等，若采用正火，其強度和韌性配合的不理想，則可用調質處理，獲得獲得回火索氏體+石墨組織；4）對于既要求高的強度和韌性，又要求高的硬度和耐磨性，外形復雜、熱處理易變形或開裂的零件，如傳動齒輪、凸輪軸等，可采用等溫淬火，等溫淬火后的組織為下貝氏體+石墨。1.4蠕墨鑄鐵

蠕墨鑄鐵是近年來開始研究和應用的一種新型鑄鐵材料,具有較好的力學性能和導熱性能以及斷面敏感性小等特征。1947年英國人莫羅(H．Morrogh)在研究用鈰處理球墨鑄鐵(簡稱球鐵)的過程中，發現了蠕蟲狀石墨。60年代中國在高碳鐵液中加入稀土硅鐵合金，發現其中部分試樣的宏觀斷口呈“花斑”狀，石墨為蠕蟲狀，其性能超過中國標準中HT300的指標。1955年美國人伊斯蒂斯(J．W．Estes)和斯奇內登溫德(R．Schneidenwind)首次提出建議，采用蠕墨鑄鐵(簡稱蠕鐵)。1.4蠕墨鑄鐵

1.蠕墨鑄鐵的組織和性能蠕墨鑄鐵的組織為金屬基體上分布著蠕蟲狀石墨。這種石墨形態介于片狀石墨和球狀石墨之間，在光學顯微鏡下看，石墨短而厚，頭部較圓，形似蠕蟲。

蠕墨鑄鐵有著廣闊發展前景，主要用來代替高強度灰口鑄鐵、合金鑄鐵、鐵素體球墨鑄鐵和鐵素體可鍛鑄鐵，生產復雜的大型鑄件，如大型柴油機機體，大型機床立柱等。蠕蟲狀石墨引起的應力集中效應比片狀石墨輕，同時基體也得到強化，鑄鐵的力學性能得到明顯提高。江鈴蠕墨鑄鐵發動機蠕墨鑄鐵的顯微組織1.4蠕墨鑄鐵

2.蠕墨鑄鐵的制造蠕墨鑄鐵的制造過程與球墨鑄鐵制造過程相似。

蠕墨鑄鐵鐵水的化學成分和球墨鑄鐵基本相似：高C、Si，低Mn、P、S。一般成分為：C3.0%～4.0%，Si2.0%～3.0%，Mn0.4%～0.8%，P＜0.08%，S＜0.04%（1）鐵水的化學成分（2）蠕化處理和孕育處理蠕化處理也是采用沖入法把蠕化劑加入鐵水中。國外多用鎂合金作為蠕化劑，我國多用采用稀土合金，如稀土硅鐵合金，稀土硅鈣合金等。改變石墨形狀后，和球墨鑄鐵一樣要進行孕育處理。1.5合金鑄鐵

在鑄鐵中加入一定量的合金元素，可使鑄鐵具有某些特殊性能，這些加入合金元素的鑄鐵稱為合金鑄鐵。鑄鐵合金化的目的：一是為了強化鑄鐵組織中的金屬基體，獲得高強度鑄鐵；二是賦予鑄鐵某些特殊性能，如耐熱、耐磨、耐蝕等。1.高強度合金鑄鐵在稀土鎂球墨鑄鐵的基礎上加入少量的Cu、Mo等合金元素。Cu能促進石墨化，可在獲得珠光體球墨鑄鐵的同時減少白口傾向，Cu還能溶入鐵素體使之強化；Mo可細化晶粒，提高強度和韌性。高強度合金鑄鐵還可進行正火及等溫淬火等熱處理，以獲得優良的綜合力學性能。

2.耐熱合金鑄鐵

為了提高鑄鐵的耐熱性，與耐熱鋼一樣，往鑄鐵中加入Al、Si、Cr等合金元素。常用耐熱鑄鐵有高鉻耐熱鑄鐵、中硅耐熱鑄鐵等。1.5合金鑄鐵

3.耐磨合金鑄鐵為了提高鑄鐵的耐磨性，常加入Cu、Mn、Cr、Mo、RE、Si、P等元素，得到高磷鑄鐵、鉻鉬銅鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵、釩鈦鑄鐵、銅鉬合金球鐵、中錳耐磨球鐵、稀土球鐵等。通過表面熱處理可以進一步提高零件表面的耐磨性，常用于鑄鐵零件表面熱處理方法有氮化處理、高頻淬火、接觸電熱表面淬火等。二、鑄鋼件的生產2.1鑄鋼件的類別和性能鑄鋼是一種重要的鑄造合金，它的應用僅次于鑄鐵，鑄鋼件的產量約占鑄件總產量的15%左右。鑄鋼一般用于制造形狀復雜、難于鍛造，且要求較高的強度和韌性、能承受沖擊載荷的零件。鑄鋼的主要優點是力學性能好，強度、特別是塑性和韌性比鑄鐵高很多。但鑄造性能、減震性和缺口敏感性都比鑄鐵差。2.1鑄鋼件的類別和性能按照化學成分，鑄鋼可分為鑄造碳鋼和鑄造合金鋼兩大類，其中鑄造碳鋼應用較廣，約占鑄鋼件總產量的80%以上。鑄鋼不僅比鑄鐵強度高，并有優良的塑性和韌性，因此適于制造形狀復雜、強度和韌性要求都高的零件。鑄鋼較球墨鑄鐵質量易控制，這在大斷面鑄件和薄壁鑄件生產中尤為明顯。此外，鑄鋼的焊接性能好，便于采用鑄、焊聯合結構制造巨型鑄件。2.1鑄鋼件的類別和性能為改善性能而在碳鋼中增加合金元素的鑄鋼，稱為鑄造合金鋼。依據合金元素加入量，可分為低合金鋼和高合金鋼兩大類。（1）低合金鑄鋼低合金鑄鋼中合金元素總量≤5%。加入少量合金元素后，鑄鋼的強度、耐磨性和耐熱性都明顯提高，因而能減輕鑄件重量，節約鋼材，提高使用壽命。如ZG40Mn、ZG30MnSi、ZG30CrMnSi等，用于制造齒輪、水壓機工作缸、水輪機轉子及船用零件等。ZG40Cr常用作高強度齒輪、軸等重要受力零件。水輪機轉子2.1鑄鋼件的類別和性能其中高錳鋼ZGMn13（含C0.9%～1.3%，Mn11%～14%）是一種抗磨鋼，主要用來制造在干摩擦下工作的機器零件，如挖掘機的抓斗前壁及抓斗齒、拖拉機和坦克的履帶板等。（2）高合金鑄鋼高合金鑄鋼中合金元素總量＞10%。大量合金元素的加入，使鋼的組織發生根本的變化，因而具有耐磨、耐熱和耐腐蝕等特殊性能。顎式破碎機齒板2.2鑄鋼件的生產特點鑄鋼的澆注溫度高、流動性差，鋼液易氧化和吸氣，同時，其體收縮率約為灰鑄鐵的2～3倍，線收縮約為灰鑄鐵的2倍。因此，鑄鋼鑄造性能差，容易產生澆不足、氣孔、縮孔、縮松、熱裂、粘砂等缺陷。為防止上述缺陷的產生，必須在工藝上采取相應的措施：（1）鑄鋼用型砂應有高的耐火度和抗粘砂性，以及高的強度、透氣性、退讓性。（2）鑄型工藝上大都采用順序凝固原則，合理設置冒口和冷鐵。2.3鑄鋼件的熱處理鑄鋼件的力學性能比鍛鋼件差，特別是沖擊韌性低。其原因是存在鑄造缺陷(縮孔、縮松、裂紋、氣孔等)以及金相組織缺點，如晶粒粗大和魏氏組織(鐵素體成長條形狀分布在晶粒內部)，使塑性大大降低。此外鑄鋼件內存在較大的鑄造應力。

為了細化晶粒，消除魏氏組織，消除鑄造應力，提高力學性能，鑄鋼件鑄后必須進行退火和正火。

退火適于含碳量≥0.35%或結構特別復雜的鑄鋼件。因這類鑄件塑性較差，殘留鑄造應力較大，鑄件易開裂。

正火適用于含碳量＜0.35%的鑄鋼件，因這類鑄件塑性較好，冷卻時不易開裂。鑄鋼正火后的力學性能較高，生產效率也較高，但殘留內應力較退火后的大。

為進一步提高鑄鋼件的力學性能，還可采用正火+高溫回火。鑄鋼件不宜淬火，淬火時極易發生開裂。三、鑄造有色合金件的生產3.1鋁合金鑄件的生產鑄造鋁合金密度小，熔點低，導熱性和耐蝕性優良，有足夠高的強度和塑性，良好的鑄造性能和切削加工性能，大多數鑄造鋁合金可通過熱處理來強化。鋁合金既可用于砂型鑄造，又可用于壓力鑄造、金屬型鑄造和低壓鑄造，近年來鋁合金鑄件的應用范圍也不斷擴大。3.1鋁合金鑄件的生產按照鑄造鋁合金的主要合金化元素，可將鑄造鋁合金分成五類：

1.鑄造鋁合金的類別和性能

（1）鋁-硅系鑄造鋁合金，有ZL101，ZL101A，ZL102、ZL104等。此類合金具有優良的鑄造性能，經過變質處理后，還具有良好的力學性能、物理性能和切削加工性能。（2）鋁-銅系鑄造鋁合金，有ZL201，ZL201A，ZL202、ZL203等。此類具有較高的室溫和高溫力學性能，但耐蝕性差，鑄造性能差(流動性差、形成縮孔和熱裂的傾向大)，多作為耐熱和高強度合金使用。（3）鋁-鎂系鑄造鋁合金，有ZL301，ZL303，ZL305等。此類合金比重小，耐蝕性好，力學性能高，但熔煉、鑄造工藝比較復雜，鑄造性能差，故多用作耐蝕合金。（4）鋁-鋅系鑄造鋁合金，有ZL401，ZL402等。此類合金在鑄態下，經自然時效就可以獲得較高的力學性能，鑄造性能較好，但比重大，耐蝕性差，熱裂傾向大。3.1鋁合金鑄件的生產

1.鑄造鋁合金的類別和性能3.1鋁合金鑄件的生產

1.鑄造鋁合金的類別和性能A356（Si6.7.5％,Mg0.20～0.40％,Fe≤0.20％,Cu≤0.20％,Mn≤0.10，Zn≤0.10％,Ti≤0.20％;其他元素:每種≤0.05％,總和≤0.15％;鋁為余量）3.1鋁合金鑄件的生產

2.鑄造鋁合金的生產特點

（1）鋁合金的熔煉

鋁合金熔煉時易氧化而生成Al2O3，其熔點為2050℃，相對密度為3.9～4.0，熔化攪拌時容易進入鋁液，呈非金屬夾渣。另外，鋁合金熔煉時容易吸收氫氣，使鑄件產生針孔缺陷，降低鑄件的氣密性和力學性能降低。

為了減緩鋁液的氧化和吸氣，可向坩堝內加入KCl、NaCl等鹽類作為熔劑，將鋁液覆蓋，與爐氣隔離進行熔煉。為了驅除鋁液中吸入的氫氣，防止針孔的產生，在鋁液出爐前應進行去氣精煉。為了改善鋁硅合金的力學性能，需要進行變質處理，以細化共晶硅或過共晶硅。Hypereutecticas-castAl–19.85%Si

3.1鋁合金鑄件的生產

2.鑄造鋁合金的生產特點

（2）鋁合金的鑄造工藝特點

鑄造鋁合金熔點低，流動性好，故可鑄形狀復雜的薄壁鑄件。

對于鑄造性能較差的鋁銅、鋁鎂合金，要采取必要的工藝措施，如順序凝固、冒口補縮等方能獲得滿意的結果。

由于鋁合金導熱快、易氧化和吸氣，因此，對澆注系統的要求是充填時間短、鋁液流動平穩，撇渣能力強。為此，常采用開放式澆注系統，并開多個內澆口，直澆口常用蛇形或鵝頸形等特殊形狀。3.2銅合金鑄件的生產

純銅又稱紫銅，相對密度為8.93，是面心立方晶格，具有良好的塑性、導電性、導熱性和耐蝕性，但其強度較低，不宜作結構零件，而廣泛用作導電材料，散熱器、冷卻器用材及液壓器件中墊片、導管等。

銅中加入適量合金元素后，可獲得較高強度，且具備一些其他性能的銅合金，從而適用于制造結構零件。銅合金分為黃銅和青銅兩大類。

黃銅是銅和鋅的合金，分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。

普通黃銅是銅鋅的合金，其強度比純銅高，塑性較好，耐蝕性也好，價格比純銅和其他銅合金低，加工性能優良。

1.鑄造銅合金的類別和性能在普通黃銅中加入少量硅、錳、鋁、鉛等元素形成的銅合金稱為特殊黃銅。特殊黃銅具有更好的力學性能、耐蝕性和抗磨性。銅和鋅以外的元素所組成的合金統稱青銅，其中銅錫合金稱錫青銅，銅鋁合金稱鋁青銅，銅鉛合金稱鉛青銅。為區別起見，不含錫的青銅統稱為無錫青銅。3.2銅合金鑄件的生產錫青銅是歷史最悠久的鑄造合金，其耐磨性和耐蝕性優于黃銅。錫青銅的線收縮率低，不易產生縮孔，但容易產生顯微縮松。錫青銅中常加入鋅、鉛等元素，以提高鑄件的致密性、耐磨性，并節省錫用量，降低成本，有時還加入磷以便脫氧。

1.鑄造銅合金的類別和性能鋁青銅是最常用的無錫青銅，其耐磨性、耐蝕性和力學性能優良，但鑄造性、導熱性差，故僅用于重要的耐磨、耐蝕件。青銅鼎3.2銅合金鑄件的生產（1）銅合金的熔煉

銅合金在液態下極易氧化，形成的氧化物（Cu2O）因溶解在銅內而使合金的性能下降。

2.鑄造銅合金的工藝特點為防止氧化，熔煉青銅時，應以玻璃、硼砂作為熔劑覆蓋，熔煉后期，用磷銅脫氧。熔煉黃銅時，由于合金本身含有的鋅就能脫氧，所以在熔煉過程中不需另加熔劑和脫氧劑。（2）銅合金的鑄造工藝特點錫青銅的結晶溫度范圍很大，同時凝固區域很寬，流動性較差，易產生縮松，但其氧化傾向不大，是因為所含Sn、Pb等元素不易氧化。錫青銅鑄造時著重要解決疏松問題，對壁厚較大的重要鑄件(蝸輪、閥體等)必須采取強烈的順序凝固，對形狀復雜的薄壁件和一般壁厚件，若致密性允許降低，可采用同時凝固。錫青銅蝸輪

3.2銅合金鑄件的生產（2）銅合金的鑄造工藝特點鋁青銅、鋁黃銅等含鋁較高的銅合金，結晶溫度范圍很小，呈逐層凝固特征，故流動性較好，易形成集中縮孔，但極易氧化。鑄造時要解決的主要問題是防止氧化夾雜和消除縮孔。

澆注系統應具有很強的撇渣能力，如用帶過濾網、集渣包的底注式澆口。為消除縮孔，需要使鑄件順序凝固。鑄件周圍及底面設置一定厚度冷鐵圈，上部采用砂型大冒口

硅黃銅的鑄造性能介于錫青銅和鋁青銅之間，是特殊黃銅中鑄造性能最好的合金。如圖閥體順序凝固工藝，一般用中注式澆注系統，暗冒口尺寸較小。路雖遠行則將至，

事雖難做則必成！——《荀子·修身》厚德博學追求卓越6砂型鑄造主要內容造型方法的選擇一澆注位置和分型面的選擇二三鑄造工藝參數的選擇四澆注系統、冒口和冷鐵五鑄造工藝圖及工藝分析舉例六鑄件的結構設計一、造型方法的選擇砂型鑄造的基本工藝過程

1.1常見的造型（芯）方法

在砂型鑄造中，造型和造芯是最基本的工序。根據造型生產方法的特點，通常將造型方法分為手工造型和機器造型兩大類。一、手工造型1.1常見的造型（芯）方法

1.整模造型1.1常見的造型（芯）方法

2.分模造型1.1常見的造型（芯）方法

3.活塊造型當鑄件側面僅有局部凸起妨礙起模時，則將局部凸起部分做成活塊，并采用適當的定位措施。取木模時，活塊留在砂型內，將其從側面取出。1.1常見的造型（芯）方法

4.挖砂造型

有些鑄件如手輪、法蘭盤等，最大截面不在端部，而模樣又不能分開時，只能做成整模放在一個砂型內，為了起模，需在造好下箱翻轉后，挖掉妨礙起模的砂型至模樣最大截面處，其下分型面被挖成曲面。1.1常見的造型（芯）方法

5.假箱造型當分型面不是單一平面且生產批量較大時，為避免挖砂，預先制備好強度較高的半個鑄型來適應其分型面。由于該鑄型只用于造型，不參與澆注，故稱為假箱。生產中讓可采用木材或金屬制成成型底板來代替假箱。1.1常見的造型（芯）方法

6.刮板造型(芯)

對大、中型具有等截面或回轉體鑄件造型時，為簡單起見不用模樣，采用一個與鑄件或砂芯截面形狀一致的木板（稱為刮板）代替模樣，根據砂型型腔或砂芯表面形狀，引導刮板做旋轉、直線或曲線運動，以形成型腔成為型芯。1.1常見的造型（芯）方法

二、機器造型

機器造型是將加砂、緊砂和起模等工序用造型機來完成的造型方法，是大批、大量生產砂型的主要方法。1.1常見的造型（芯）方法

1.2造型生產線

在大量生產時，均采用造型生產線來組織生產，即將造型和其它輔機按照鑄造工藝流程，用運輸設備(鑄型輸送機、輥道等)聯系起來，組成一套機械化、自動化鑄造生產系統。1.33D打印鑄造砂型

隨著現代工業的迅猛發展，產品的交付周期越來越短，產品復雜度持續增加，傳統砂型鑄造已經無法滿足市場對快速交付和高度復雜產品的需求。砂型3D打印的工藝過程：將已混有固化劑的型砂通過鋪粉器均勻地鋪在工作臺面上，完成鋪砂過程；將砂型模型進行切片處理，計算機根據砂型模型的輪廓精準控制打印頭中粘結劑（如呋喃樹脂、硅膠等）的噴射速度及噴射量，將粘結劑噴射到鑄造砂的粉末床上，待砂子固化后，打印臺下降一個層面，重復往返，砂子層層進行堆積得到所需砂型模型1.33D打印鑄造砂型

3D打印實現了數字化砂芯的生產，替代傳統的芯盒、模具，從CAD數據直接打印砂型和砂芯，實現砂型和砂芯的無模化打印生產，降低了整體生產成本與制造風險，非常適用于中小批量、高復雜度、短期快速等要求的產品制造。1.33D打印鑄造砂型

現階段，行業生產砂型3D打印設備的廠家有德國Voxeljet公司、美國的ExOne公司、中國的峰華卓立、共享裝備股份有限公司等。高速低成本的國產第四代砂型3d打印機（峰華卓立鑄造行業標桿）二、澆注位置和分型面的選擇2.1澆注位置的選擇原則

澆注位置是指澆注時鑄件在鑄型中所處的位置。鑄件的澆注位置選擇正確與否對鑄件質量影響很大，是制定鑄造方案時必須優先考慮的。

澆注位置選擇原則如下：

1.鑄件的重要工作面、主要的加工面應朝下或側立放置。2.1澆注位置的選擇原則

2.鑄件的大平面應朝下，以免形成夾渣和夾砂等缺陷。3.應將鑄件薄而大的平面放在下部、側面或傾斜位置，以利于合金液填充鑄型。4.應將鑄件的厚大部分放在上部或側面，以獲得組織致密，外形完整的鑄件。2.2鑄型分型面的選擇原則

鑄型的分型面是指兩半鑄型相互接觸的表面。

分型面一般在確定澆注位置后再選擇。生產中，澆注位置和分型面有時是同時確定的，分型面的優劣，在很大程度上影響鑄件的尺寸精度、成本和生產率。1.為了方便起模而不損壞鑄型，分型面應選在鑄件的最大截面上。2.盡可能使全部或大部分鑄件，或者加工基準面與重要的加工面處于同一半型內以防止錯型，減小鑄件尺寸偏差。

分型面選擇原則如下：2.2鑄型分型面的選擇原則

3.應盡量減少分型面的數目。

一般機器造型多采用一個分型面、兩箱造型進行生產，在不便于起模的地方采用砂芯而不采用多箱造型和活塊。2.2鑄型分型面的選擇原則

4.分型面應盡量選用平面。

5.分型面的選擇應盡量減少型芯及活塊的數量。2.2鑄型分型面的選擇原則

6.為便于造型、下芯、合箱及檢驗鑄件壁厚，應盡量使型腔及主要型芯位于下箱，但下箱型腔也不宜過深，并力求避免使用吊芯和大的吊砂。

選擇分型面的上述原則，對于某個具體的鑄件來說難以全面滿足，有時甚至互相矛盾。因此，必須抓住主要矛盾、全面考慮，至于次要矛盾，則應從工藝措施上設法解決。三、鑄造工藝參數的選擇3.1機械加工余量和鑄孔

鑄造方案確定之后，還必須選定鑄件的機械加工余量、收縮率和拔模斜度等工藝參數。

機械加工余量是指在毛坯鑄件上為了隨后可用機械加工方法去除鑄造對金屬表面的影響，并使之達到所要求的表面特征和必要的尺寸精度而留出的金屬余量。正確地確定加工余量是一項很重要的工作。生產批量大批量生產時，因采用機器造型，工藝裝備齊全，鑄件精度高，加工余量可小。反之，手工造型誤差大，余量應加大。合金品種鑄鋼件的表面粗糙，其加工余量應比鑄鐵大；有色合金價格昂貴，而鑄件表面較光潔，其加工余量應比鑄鐵小。鑄件尺寸鑄件愈大，誤差加大，其加工余量也應加大。加工面位置澆注時，朝上的表面缺陷多，其加工余量應比底面和側面大。加工面與基準面的距離距離愈大，誤差也愈大，加工余量也應加大。0103020405機械加工余量的影響因素3.1機械加工余量和鑄孔

依據GB/T6414-2017，鑄件的機械加工余量的等級分為10級，分別為A、B、…、J、K，其中灰鑄鐵砂型鑄件要求的機械加工余量如表6-3所示。3.1機械加工余量和鑄孔

鑄件上的孔、槽是否需要鑄出，不僅要考慮工藝上的可能性，尤其應結合鑄件的批量分析其必要性。

一般說來，較大的孔、槽應當鑄出，以減少機械加工余量和減少鑄件上的熱節。

較小的孔、槽，特別是中心線位置有精度要求的孔，由于鑄孔位置準確性差，其誤差雖經擴孔也難糾正，因此，留待直接機械加工較為經濟合理。

灰鑄鐵的最小鑄孔(毛坯孔徑)推薦如下：單件、小批生產Φ30～50mm，成批生產Φ15～30mm，大量生產Φ12～15mm。

零件圖上不要求加工的孔、槽，無論大小均得鑄出。3.2鑄造收縮率

由于合金在冷卻過程中要發生固態收縮(線收縮)，這將使鑄件各部分尺寸小于模樣原來的尺寸，因此，為了使鑄件冷卻后的尺寸與鑄件圖示尺寸一致，則需要在模樣或芯盒上加上其收縮的尺寸。

加大的這部分尺寸為鑄件的收縮量，一般用鑄造收縮率表示。

K＝［（L模樣－L鑄件）/L模樣］×100%

在鑄件的冷卻過程中，其線收縮不僅受到鑄型和型芯的機械阻礙，同時，還因為鑄件壁厚的差異而導致冷卻速度不均引起鑄件各部分之間的相互制約。

通常，灰鑄鐵的鑄造收縮率為0.7%?1.0%，鑄造碳鋼為1.3%?2.0%，鑄造錫青銅為1.2%?1.4%，鋁硅合金為0.8%?1.2%。3.3起模斜度

為了在造型和制芯時便于起模而不致損壞砂型和砂芯，凡平行于起模方向的立壁，在制造模型時，必須留出一定的傾斜度，此斜度稱為起模斜度。

起模斜度(α)的大小，取決于垂直壁的高度、造型方法、模樣材料等。

垂直壁愈高，斜度愈小；機器造型應比手工造型小，而木模應比金屬模斜度大。為使型砂便于從模樣內腔中脫出，鑄件孔內壁的斜度應比外壁大。3.4鑄造圓角

制造模型和設計鑄件時，壁的連接和轉角處都要做成圓弧過渡，稱為鑄造圓角。

鑄造圓角在造型和澆注時，可避免鑄型尖角損壞而形成砂眼，也可防止鑄件交角處粘砂或由于應力集中而產生裂紋。

有時零件上并不需要圓角，為了鑄造工藝的需要，也要做成圓角，但鑄型分型面處則不宜做成圓角。3.5型芯頭

型芯是依靠型芯頭來定位和排氣的。型芯頭可分為垂直芯頭和水平芯頭兩大類。

有些型芯僅僅依靠型芯頭尚難以牢固地定位，此時可用型芯撐來加固。有耐壓要求的鑄件和加工表面，通常不用型芯撐。四、澆注系統、冒口和冷鐵4.1澆注系統

澆注系統是指液態金屬流入鑄型型腔的通道。澆注系統一般包括澆口杯(外澆口)、直澆道、橫澆道和內澆道等。澆注系統的作用是將金屬液平穩地引人鑄型，有利于擋渣和排氣，并能控制鑄件的凝固順序。4.2冒口

為防止鑄件產生縮孔、縮松等鑄造缺陷，保證鑄件質量，除正確設計澆注系統外，還應在鑄件的厚實部位設置冒口，并按順序凝固原則使冒口最后凝固；而在鑄件的厚薄交接處常按同時凝固原則設置冷鐵來加速冷卻。4.3冷鐵

冷鐵的主要作用是：可以減少冒口的數量和尺寸，提高金屬利用率；在鑄件難以設置冒口的厚實部位，設置冷鐵同樣可防止產生縮孔和縮松；在鑄件的適當部位安放冷鐵可控制鑄件的凝固順序，增加冒口的有效補縮距離；使用冷鐵可消除局部熱應力，防止裂紋的產生。五、鑄造工藝圖及工藝分析舉例5.1鑄造工藝圖中工藝符號及其表示方法

鑄造工藝圖是在零件圖上用各種工藝符號及參數表示出鑄造工藝方案的圖形。其中包括澆注位置，鑄型分型面，型芯的數量、形狀及其固定方法，要求的機械加工余量，收縮率，澆注系統，起模斜度，冒口和冷鐵的尺寸和布置等。5.1鑄造工藝圖中工藝符號及其表示方法5.1鑄造工藝圖中工藝符號及其表示方法5.1鑄造工藝圖中工藝符號及其表示方法

鑄造工藝圖是指導模樣（芯盒）設計、生產準備、鑄型制造和鑄件檢驗的基本工藝文件。依據鑄造工藝圖，結合所選定的造型方法，便可繪制出模樣圖及合型圖。工藝流程：1、首先應了解合金品種、生產批量及鑄件質量要求等；2、分析鑄件結構，以便確定鑄件的澆注位置，同時，分析鑄件分型面的選擇方案；3、在此基礎上，依據選定的工藝參數，用紅、藍色筆在零件圖上繪制鑄造工藝圖（包括型芯的數量和固定、冷鐵、澆冒口等），為制造模樣、編寫鑄造工藝卡等奠定基礎；5.2鑄造工藝分析舉例（一）

如圖所示支座，材料為HT150，大批量生產，試分析鑄件可能的成形方案，并按最優方案畫出鑄造工藝圖。5.2鑄造工藝分析舉例（一）

（1）方案Ⅰ沿底板中心線分型，即采用分模造型。優點：底面上110mm凹槽容易鑄出，軸孔下芯方便，軸孔內凸臺不妨礙起模。缺點：底板上四個凸臺必須采用活塊，同時鑄件易產生錯型缺陷，飛翅清理的工作量大。此外，若采用木模樣，加強筋處過薄，木模樣易損壞。5.2鑄造工藝分析舉例（一）

（2）方案Ⅱ沿底面分型，鑄件全部位于下箱，為鑄出110mm凹槽必須采用挖砂造型。方案Ⅱ克服了方案Ⅰ的缺點，但軸