砂型铸造论文

砂型铸造工艺研究及分析论文

——材料成型技术基础

摘要：

砂型铸造是一种以砂作为主要造型材料，制作铸型的传统铸造工艺。砂型一

般采用重力铸造，有特殊要求时也可采用低压铸造、离心铸造等工艺。砂型铸造

的适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用。砂型铸

造用的模具，以前多用木材制作，通称木模。此外，砂型比金属型耐火度更高，

因而如铜合金和黑色金属等熔点较高的材料也多采用这种工艺。但是，砂型铸造

也有一些不足之处：因为每个砂质铸型只能浇注一次，获得铸件后铸型即损坏，

必须重新造型，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体性质软而多孔，

所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表面也较粗糙。

本片论文主要对砂型铸造的工艺进行研究分析，以及在工业中的运用进行分

析。具体过程，详见本文的论述。本篇论文是参考《砂型铸造工艺技术手册》上

的工艺过程及相关工艺编写的。本篇论文的内容包括：目录、正文、参考文献等。

关键词：砂芯 砂型 硬模铸造

1. 砂型铸造

砂型铸造——在砂型中生产铸件的铸造方法。

钢、铁和大多数有色合金铸件都可用砂型铸造方法获得。由于砂型铸造所用的

造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均

能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。

砂型铸造所用铸型一般由外砂型和型芯组合而成。为了提高铸件的表面质量，

常在砂型和型芯表面刷一层涂料。涂料的主要成分是耐火度高、高温化学稳定性

好的粉状材料和粘结剂，另外还加有便于施涂的载体（水或其他溶剂）和各种附

加物。

2. 铸造成型工艺简介

铸造是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，经冷却凝固、清

整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛坯因近乎成

形，而达到免机械加工或少量加工的目的降低了成本并在一定程度上减少了时

间．铸造是现代制造工业的基础工艺之一。 铸件自浇注冷却的铸型中取出后，

有浇口、冒口及金属毛刺披缝，砂型铸造的铸件还粘附着砂子，因此必须经过

清理工序。进行这种工作的设备有抛丸机、浇口冒口切割机等。砂型铸件落砂

清理是劳动条件较差的一道工序，所以在选择造型方法时 ，应尽量考虑到为落

砂清理创造方便条件。有些铸件因特殊要求，还要经铸件后处理，如热处理、

整形、防锈处理、粗加工等。

铸造是比较经济的毛坯成形方法，对于形状复杂的零件更能显示出它的经济性。

如汽车发动机的缸体和缸盖，船舶螺旋桨以及精致的艺术品等。有些难以切削的

零件 ，如燃汽轮机的镍基合金零件不用铸造方法无法成形。

另外，铸造的零件尺寸和重量的适应范围很宽，金属种类几乎不受限制；零件

在具有一般机械性能的同时，还具有耐磨、耐腐蚀、吸震等综合性能，是其他金

属成形方法如锻、轧、焊、冲等所做不到的。因此在机器制造业中用铸造方法生

产的毛坯零件，在数量和吨位上迄今仍是最多的。

铸造生产经常要用的材料有各种金属、焦炭、木材、塑料、气体和液体燃料、

造型材料等。所需设备有冶炼金属用的各种炉子，有混砂用的各种混砂机，有造

型造芯用的各种造型机、造芯机，有清理铸件用的落砂机、抛丸机等。还有供特

种铸造用的机器和设备以及许多运输和物料处理的设备。

染环境。铸造生产会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制

造工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。

铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量

和更光洁的表面。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。

为适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，冶炼新工艺和新设备将相应出现。

铸造生产的机械化自动化程度在不断提高的同时，将更多地向柔性生产方面

发展，以扩大对不同批量和多品种生产的适应性。节约能源和原材料的新技术将

会得到优先发展，少产生或不产生污染的新工艺新设备将首先受到重视。质量控

制技术在各道工序的检测和无损探伤、应力测定方面，将有新的发展。 铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。铸造作为一种金属热加工工艺，在我

国发展逐步成熟。铸造工艺是将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇进铸型里，

经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。

铸造机械一般按造型方法来分类，习惯上分为普通砂型铸造和特种铸造。普通砂

型铸造包括湿砂型、干砂型、化学硬化砂型铸造三类。特种按造型材料的不同，

又可分为两大类：一类以天然矿产砂石作为主要造型材料，如熔模铸造、壳型铸

造、负压铸造、泥型铸造、实型铸造、陶瓷型铸造等；一类以金属作为主要铸型

材料，如金属型铸造、离心铸造、连续铸造、压力铸造、低压铸造等。

铸造工艺可分为三个基本部分，即铸造金属准备、铸型准备和铸件处理。 铸造

金属是指铸造生产中用于浇注铸件的金属材料，它是以一种金属元素为主要成分，

并加入其他金属或非金属元素而组成的合金，习惯上称为铸造合金，主要有铸铁、

铸钢和铸造有色合金。

环境。铸造工艺会产生粉尘、有害气体和噪声对环境的污染，比起其他机械制造

工艺来更为严重，需要采取措施进行控制。

铸造产品发展的趋势是要求铸件有更好的综合性能，更高的精度，更少的余量和

更光洁的表面。此外，节能的要求和社会对恢复自然环境的呼声也越来越高。为

适应这些要求，新的铸造合金将得到开发，新铸造工艺和新铸造设备将相应出现。

3. 砂型铸造的优缺点

（1) 优点

a.金属型冷却速度较快，铸件组织较致密，可进行热处理强化，力学性能较好。 b. 金属型铸造，铸件质量稳定，表面粗糙度优于砂型铸造，废品率低。

c. 劳动条件好，生产率高，工人易于掌握。

(2) 缺点

a. 金属型导热系数大，充型能力差。

b. 金属型本身无透气性。必须采取相应措施才能有效排气。

c. 金属型无退让性，易在凝固时产生裂纹和变形。

4. 金属型铸件常见缺陷及预防

(1) 针孔

预防产生针孔的措施：

a. 严禁使用被污染的铸造铝合金材料、沾有有机化合物及被严重氧化腐蚀的材料。 b. 控制熔炼工艺，加强除气精炼。

c. 控制金属型涂料厚度，过厚易产生针孔。

d. 模具温度不宜太高，对铸件厚壁部位采用激冷措施，如镶铜块或浇水等。

e. 采用砂型时严格控制水分，尽量用干芯。

(2) 气孔

预防气孔产生的措施：

a. 修改不合理的浇冒口系统，使液流平稳，避免气体卷入。

b. 模具与型芯应预先预热，后上涂料，结束后必须要烘透方可使用。

c. 设计模具与型芯应考虑足够的排气措施。

(3)氧化夹渣

预防氧化夹渣的措施：

a. 严格控制熔炼工艺，快速熔炼，减少氧化，除渣彻底。

b. 熔炉、工具要清洁，不得有氧化物，并应预热，涂料涂后应烘干使用。

c. 设计的浇注系统必须有稳流、缓冲、撇渣能力。

d. 采用倾斜浇注系统，使液流稳定，不产生二次氧化。

e. 选用的涂料粘附力要强，浇注过程中不产生剥落而进入铸件中形成夹渣。

(4) 热裂

预防产生热裂的措施：

a. 实际浇注系统时应避免局部过热，减少内应力。

b. 模具及型芯斜度必须保证在2°以上，浇冒口一经凝固即可抽芯开模，必要时可用砂芯代替金属型芯。

c. 控制涂料厚度，使铸件各部分冷却速度一致。

d. 根据铸件厚薄情况选择适当的模温。

e. 细化合金组织，提高热裂能力。

f. 改进铸件结构，消除尖角及壁厚突变，减少热裂倾向。

(5) 疏松

预防产生疏松的措施：

a. 合理冒口设置，保证其凝固，且有补缩能力。

b. 适当调低金属型模具工作温度。

c. 控制涂层厚度，厚壁处减薄。

d. 调整金属型各部位冷却速度，使铸件厚壁处有较大的激冷能力。

e. 适当降低金属浇注温度。

5. 砂型铸造工艺的分类

1. 重力铸造

重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称浇铸。

(1).重力铸造法又称为金属模铸造法, 成形原理是靠冒口的重力作用來补充凝固收缩。此重力浇注模具可重复使用, 也可称为永久模铸造。

(2).金属模铸造法之冷缺方式可使用空压气体(氣冷式) 或空压气体加水之混合雾气(水冷式), 使模具及铸件本体冷卻。

(3).金属模铸造法之铸件需預留加工尺寸量仍高, 原因是铸件经热处理后会有变形之情況。

(4).金属模铸造法之制程中铝水之除气作业相当重要, 否則铸件于表面加工后极易产生针孔。

(5).金属模铸造法较适合少量多样的订单生产制程方式。

2. 低压铸造 低压铸造指在低压气体作用下使液态金属充填铸型并凝固成铸件的铸造

方法。气体压力一般为0.6～1.5帕。低压铸造的工艺过程是：在熔化金属的坩埚炉上加放密封盖，盖中心部位装有升液管，升液管插到金属液面以下，盖的上部安放铸型。将干燥的压缩空气通过进气管送到坩埚内，使金属液通过升液管从浇口进入铸型（见图）, 保持压力到铸型中的金属液完全凝固, 然后解除压力，升液管中的金属液会自动落回坩埚中，这时可以开型，推出铸件。通入坩埚的气体压力和流量可以控制，故金属液充填铸型的速度和气体压力可以

根据铸件结构和铸型材料不同而调整。低压铸造用的铸型可以是砂型、壳型、陶瓷型，也可以是金属型、石墨型等。在低压铸造基础上进一步改进，使液态金属在差压下充型、在压力下凝固的方法称为差压铸造，它是低压铸造的一种特殊形式。

低压铸造最初主要用于铝合金铸件的生产，以后进一步扩展用途，生产熔点高的铜铸件、铁铸件和钢铸件。中国已于20世纪70年代将这种方法成功地用于铸造万吨级大型船舶用铜合金螺旋桨和2000马力柴油机球墨铸铁曲轴等重要零件。

低压铸造的优点是：金属液在压力下充型有利于铸造薄壁铸件; 铸件的致密性得到提高；底注充型平稳, 可减少因金属液冲击飞溅而引起的氧化夹杂；浇冒口系统简单, 金属利用率可达80％以上；劳动条件得到改善, 并可实现机械化和自动化，生产效率高。

3. 离心铸造 将液态金属浇入旋转的铸型里，在离心力作用下充型并凝固成铸件的铸造方法。离心铸造用的机器称为离心铸造机。按照铸型的旋转轴方向不同，离心铸造机分为卧式、立式(见图) 和倾斜式3种。卧式离心铸造机主要用于浇注各种管状铸件, 如灰铸铁、球墨铸铁的水管和煤气管, 管径最小75毫米, 最大可达3000

毫

米。此外可浇注造纸机用大口径铜辊筒, 各种碳钢、合金钢管以及要求内外层有不同成分的双层材质钢轧辊。

离心铸造所用的铸型，根据铸件形状、尺寸和生产批量不同，可选用非金属型(如砂型、壳型或熔模壳型) 、金属型或在金属型内敷以涂料层或树脂砂层的铸型。铸型的转数是离心铸造的重要参数，既要有足够的离心力以增加铸件金属的致密性，离心力又不能太大，以免阻碍金属的收缩。尤其是对于铅青铜，过大的离心力会在铸件内外壁间产生成分偏析。一般转速在每分钟几十转到1500转左右。

离心铸造的特点是金属液在离心力作用下充型和凝固，金属补缩效果好，铸件组织致密，机械性能好；铸造空心铸件不需浇冒口，金属利用率可大大提高。因此对某些特定形状的铸件来说，离心铸造是一种节省材料、节省能耗、高效益的工艺，但须特别注意采取有效的安全措施。

6. 砂型铸造工艺的基本过程

a. 砂型铸造工艺过程有制造模型和芯合, 混砂, 造型和造芯,

b. 工艺设计：

1. 确定铸造工艺方案

首要考虑：浇铸位置的选择, 铸型分型面得选择

还要 注意：机械加工余量，把模斜度，铸件收缩率，冒口位置及尺寸等

7. 砂型铸造工艺装配特点

砂型铸造工艺装备是造型、制芯及合箱过程中所使用的模具和装置总称，包括模样、模底板、模板框、砂箱、砂箱托板、压铁、套箱、芯盒、烘干板(器) 、砂芯修整磨具、组芯及下芯夹具、挤压机下芯框、量具及检具等等。通常所称铸造模具仅指模板(含模样、横底板) 和芯盒，是铸造工艺装备中的核心部分。