铸造课程论文

材料加工技术课程论文

铸造技术基础及设备

学院名称： 材料科学与工程学院

专业班级： 复合材料1102

学生姓名： 赵 明

学 号： 3110706049

指导教师： 焦 雷

2014 年 6 月

摘 要:铸造生产是用液态合金形成产品的方法，将液态合金注入造型中使之冷却，凝固。绝大多数铸件用作毛坯，需要经机械加工后能成为各种机械零件；少数铸件当达到使用的尺寸精度和表面粗糙度要求时，可作为成品或零件而直接使用。

关键词：型砂，型芯，浇道，冒口，砂箱，合箱。

2铸造设备

2.1砂型的结构

在造型的过程中，型砂在外力作用下成型并达到一定的紧实度而成为砂型。它是由原砂和黏结剂组成的一种具有一定强度的微孔—多孔系，原砂是骨干材料，占型砂总质量的82%—99%；黏结剂起粘结沙粒的作用，以粘结薄膜形式包覆砂粒，使型砂具有必要的强度和韧性。

2.2原砂的主要作用

用原砂作为型砂的主要骨干材料，更重要是它能为砂型提供必要的耐高温性能和热物理性能，有助高温金属液顺利充型，以及是金属液在铸型中冷却，凝固并得到所要求形状和性能的铸件。另一方面，原砂砂粒能为砂型提供孔隙，保证型芯的透气性，在浇注过程中，使金属液在型腔内受热急剧膨胀形成的气体和铸型本身产生的大量气体能顺利逸出。

2.3型（芯）砂应具备的性能要求

根据液态金属和铸型的相互作用可见，用于制造砂型（芯）的型砂和芯砂的性能优劣直接影响到铸件的质量。型芯砂的性能主要

有强度、透气性、耐火度和化学稳定性、退让性和工艺性能等。砂芯处于金属液体的包围之中，其工作条件较型砂更恶劣，因此对芯砂的性能要求比型砂高。

1、强度

型（芯）砂应具有一定的强度，以保证在浇注时铸型在液体金属的冲刷和压力作用下不掉砂、不变形以及在造型、合箱和搬运过程中不损坏。型（芯）砂强度的大小与水分、黏结剂含量以及紧砂程度有关。水分过多或过少，都使强度降低。黏结剂含量越多，砂的粒度越细和紧实度越大，则强度越高。但是型（芯）砂的强度太高，又会使铸（芯）型太硬，透气性变差，阻碍铸件收缩而使铸件形成气孔和裂纹等缺陷。

2、透气性

型（芯）砂具有良好的透气性，以保证在液态金属的作用下，铸（芯）型生产的大量气体能通过砂粒间的空隙顺利排出型外，从而消除或减少铸件内气孔等缺陷。通常砂粒大、黏结剂含量少、水分适当、混合均匀及紧实度小时，型砂的透气性均有得到有效改善。

3、耐火度和化学稳定性

型（芯）砂应具有一定的耐火度和化学稳定性，以保证在高温液态金属作用下不软化、不熔化、不与液态金属发生化学反应，使铸件不易粘砂和不产生过量气体。影响耐火度的因素有原砂的化学成分、形状、大小和黏结剂的种类等。通常型砂中石英含量高而杂质少时，其耐火度好。圆形和大颗粒的砂比多角形和细小颗粒的耐

火度要好。为提高型（芯）砂的耐火度，防止粘砂，常加入一些附加物或在型腔（芯）表面涂刷料。

4、退让性

型（芯）砂应具有良好的退让性，这是因为铸件在凝固和随后冷却过程中将伴随者体积和收缩。为了不使铸件生产内应力、变形和裂纹，要求铸型在高温下丧失部分强度。当铸件发生收缩时，能发生相应的变形和退让。影响退让性的主要因素是黏结剂的种类和数量。

5、工艺性能

型（芯）砂应具有良好的工艺性能，即在造型时不粘模，具有良好的流动性和可塑性，使铸型有清晰的轮廓，从而保证铸件有精确的轮廓尺寸。此外，型砂在铸件落砂和清理时具有好的出砂性。需要指出的是，在实际生产条件下，要求型（芯）砂全部满足上述要求是不可能的，也不必要，而是应根据铸造合金的种类和铸件的技术要求，在某些性能方面有所侧重；否则不仅会使铸造工艺过程复杂化，而且还使生产成本大大提高。

2.4 砂箱

砂箱是长方形、方形、圆形的坚实框子，有时根据铸件结构做成特殊形状。砂箱的作用是牢固的围紧型砂，便于铸型的搬运及浇注时承受合金的压力。砂箱可以用木材、铸铁、钢、铝合金制成，一般由上箱和下箱组成一对砂箱，并用销子定位。

3、铸造方法

3.1砂型铸造

砂型铸造是适用面最广的一种凝固成型方法，它几乎适用于所有零部件生产。但由于砂型的导热系数较低，液态金属在砂型中的凝固速度较慢，特别是对一些壁厚较大的铸件，会导致铸件内部晶粒粗大，易于产生组织及成分的偏析等，从而降低了材料的力学性能。另一方面，砂型铸造生产的铸件的表面粗糙度较其他凝固成型方法高。

砂型铸造的基本工艺过程如下图所示主要工序有制造模样和芯盒、配置型砂和芯砂、造型、造芯、合型、浇注、落砂清理和检验等。其中造型（芯）是砂型铸造的基本工序。

3.2手工造型

紧砂与起模由手工完成。手工造型的优点是操作灵活，工艺装备简单，生产准备时间短，适应性强，可用于各种大小形状的铸件。手工造型对人工的技术水平要求高，生产率低，劳动强度大，铸件质量不稳定，主要用于单件、小批量的生产。手工造型的方法很多，有整模造型、分模造型、挖砂造型、活块造型、刮板造型等。

1） 整模造型 模样是整体结构，最大截面在模样一端且是平面，

分型面多为平面。铸型型腔全部在半个铸型内，操作简单，铸件不会产生错型缺陷。适用于简单形状的铸件。

2） 分模造型 将模样外形的最大截面分成两半，型腔位于上下两

个砂箱内。分模造型适用于形状较复杂的铸件。

3） 活块造型 模样上可拆卸或活动的部分叫活块。为起模方便，

将模样方便，将模样上妨碍起模的部分做成活动的。起模时，

先起出主体模样，再单独取出活块。

4） 挖砂造型 模样是整体的，分型面为曲面，为了便于起模，造

型时用手工挖去阻碍起模的型砂，每造一型需挖砂一次，生产率低，要求操作技术水平高。适用于形状复杂铸件的单件生产。

5） 假箱造型 为克服挖砂造型的挖砂缺点，在造型前预先做个底

胎，然后在底胎上制下箱，因底胎不参加浇注，故称假箱。假箱造型比挖砂造型操作简单，且分型面整齐。

6） 刮板造型 用刮板代替实体模样造型，可以降低模样成本，节

约木材，缩短生产周期，但要求操作者技术水平高，适用于有等截面或回转体的铸件。

3.3机械造型

机器造型指紧砂和起模两个重要工序采用机械完成。机械造型实现了机械化，因而生产率高，铸件质量好。但设备投资大，适用于中、小型铸件的批量生产。机器造型按紧实方式分为：

1） 压实造型 压实造型是利用压头的压力将砂箱的型砂紧实，先把

型砂填入砂箱的辅助框内，压头向下将型砂紧实，辅助框是用来补偿紧实过程中型砂被压缩的高度。

2） 震击造型 利用震动和撞击对型砂进行紧实，砂箱填砂后，震击

活塞将工作台连同砂箱举起一定高度，然后下落，与缸体撞击，依靠型砂下落时的冲击力产生紧实作用。

3） 抛砂造型 抛砂头转子上装有叶片，型砂由皮带输送机连续的送

入到叶片上，高速旋转的叶片将型砂分成一个个砂团，当砂团

随叶片转到出口处时，由离心力作用，型砂高速抛入砂箱，同时完成填砂和紧实。

4） 射砂造型 储气筒中的压缩空气迅速进入射堂，将型砂由射砂孔

射入芯盒的空腔中，而压缩空气经射砂上的排气空排出，射砂过程是在短暂的时间内同时完成填砂和紧实。

3.4合箱

在整个铸造过程中，合箱是最关键的一步，合箱就是将造好的型箱与砂芯组合成一个整体的过程。根据合箱计划，按材质，砂箱大小将砂箱放平稳，摆箱应将水口按天车纵向横走向对齐。大活应在箱底下面开沟排气，或将砂箱垫高。

4、铸造辅助材料

4.1铸造用涂料

1涂料的基本组成

铸造涂料由多种不同性质的材料组成的分散系，通常由耐火粉料、载液、悬浮剂、粘接剂和改善某些性能的添加剂所组成。 2涂料的作用

砂型铸造用涂料涂敷在砂型型腔和砂芯表面形成薄层材料其作用：

1） 填塞了砂型和砂芯的表面孔隙，避免铸件表面粗糙、机械粘砂、化学粘砂，使铸件表面粗糙度得到最好的改善。

2） 可防止或减少铸件生产与砂子有关的其他铸造缺陷或质量问题。

3） 用涂料来产生冶金效应，改善铸件局面的表面性能和内在质量。

4.2机械油的用途

在造型（芯）过程中，型（芯）模表面会有粘砂现象，导致模面粗糙，从而给脱模带来一定影响，使砂型（芯）表面存在一定缺陷，影响铸件表面质量。所以在造型（芯）时，将对每层型（芯）模面进行处理，刮掉粘砂，涂刷机械油使模面光滑，容易脱模，从而提高砂型（芯）质量。

4.3石棉绳及耐火材料的作用

合箱是重要的一步，合箱时两个型箱间会有缝隙，分型面凹凸不平时，缝隙会更加明显，为弥补这种缺陷。在装箱前期，在下面型箱的分型面涂敷一定量的耐火材料或放置石棉绳，主要作用是填塞型箱之间的缝隙，避免跑钢。

5、铸造常见的缺陷及控制

5.1缩孔与缩松

（1）缩孔 缩孔产生的基本原因是合金的液态收缩和凝固收缩值远大于凝固收缩值。缩孔形成的条件是金属在恒温或很小的温度范围内结晶。

（2）缩松 缩松实质上是将集中缩孔分散为数量极多的小缩孔。它分布在整个断面上，一般出现在铸件壁的轴线区域、热节处、冒口根部和内浇口附近，也常分布在集中缩孔的下方。形成缩松的基本原因和缩孔相同，条件主要是出现在结晶温度范围宽、呈湖状凝固方式的和金中。

（3）缩孔与缩松的防止

为了防止铸件产生缩孔、缩松，在铸件结构设计时，应避免局部金属积聚。工艺上，针对合金的凝固特点制定合理的铸造工艺，常采取“顺序凝固”和“同时凝固”两种措施。

（1）“顺序凝固”就是在铸件可能出现缩孔或最后凝固的部位设置冒口，使铸件按照远离冒口的部位的液体金属补缩，后凝固部位的收缩是由冒口中的金属液补缩，使铸件各部位的收缩均得到金属补缩，而缩孔则移至冒口，最后将冒口切除。或将冒口与冷铁配合，调节铸件的凝固顺序，扩大冒口的有效补缩距离。

（2）“同时凝固”是使铸件各部位几乎同时冷却凝固，以防止缩孔的产生。在铸件厚部或紧靠厚部处的铸型安放冷铁，同时凝固可减轻铸件热应力，防止铸件变形和开裂。冒口、冷铁的合理运用是消除缩孔、缩松的有效措施。

5.2铸造应力

铸件收缩时受阻就产生铸造应力，主要分为热应力、收缩应力。

（1）热应力 铸件在凝固和冷却过程中，不同部位由于不均衡的收缩而引起的应力，热应力使冷却较慢的后壁处受拉伸，冷却较快的薄壁处受压缩，铸件的壁厚差别愈大、合金的线收缩率或弹性模量愈大，热应力愈大。定向凝固时，由于铸件各部分冷却速度不一致，产生的热应力较大，铸件易出现变形裂纹。

（2）收缩应力 是铸件在固态收缩时，因受铸型、型芯、冒口等外力的阻碍而产生的应力。如果铸件的收缩应力和热应力共同作用，其应力大于铸件的抗拉强度时，铸件会产生裂纹。

消除铸造应力的措施：

1、合理地设计铸件的结构 铸件的形状复杂，各部分壁厚相差越大，冷却不均匀，铸造应力大，在设计铸件时应尽量使铸件形状简单、对称、壁厚均匀。

2、采用同时凝固的工艺 设法改善铸型、型芯的退让性，合理设置浇冒口等。

3、时效处理 时效分为自然时效、热时效和共振失效。自然时效是铸件置于露天场地半年以上，让其内应力消除。热时效是铸件加热到550度至650度，保温2至4小时，随炉温冷却至150至200度，然后出炉。共振法将铸件在其共振频率下振动，消除铸件残余应力。

5.3气孔

在铸件内部、表面处出现光滑孔眼，形状不规则，颜色有白色或带一层暗色，有时覆有氧化铁皮。措施：降低熔炼时金属的吸气量，减少砂型在浇注过程中的发气量，改进铸件结构，提高砂型和型芯的透气性，使型内气体顺利排出。

5.4渣气孔

由于浇注时挡渣不良，浇注温度太低熔渣不易上浮，浇注时断流或未充满浇口，渣和金属液一起流入型腔。导致铸件内部出现不规则的孔眼，孔眼不光滑里面充塞着熔渣。预防措施：提高金属液温度，降低熔渣黏性，提高浇注系统的挡渣能力。

5.5冷隔

（1）缺陷特征：在铸件上有一种未完全融合的缝隙或洼坑，其交界

边缘是圆滑的。（2）产生原因：铸件设计不合理，铸壁较薄，合金流动性差，浇注温度低，浇注速度慢，浇口大小或布置不当，浇注时有中断。（3）预防措施：提高浇注温度和浇注速度，改善浇注系统，浇注时不断流。

参考文献

[1] 张保林. 铸造研究. 2009.04.28

[2] 崔青然. 铸造及其耐磨、耐蚀性能. 2007.06.17

[3] 刘江，彭晓东等. 金属型铸造研究现状. 重庆大学学报. 2003.10. 第26卷第10期

[4] 张保林. 金属型铸造工艺研究. 2009.04.28

[5] 钟蓉，从洪涛，成会明等. 单壁纳米碳管增强纳米铝基复合材料的制备，材料研究学报. 2002,16（4）：344-348

[6] An J W,You D H，Lim D S. Tribological properties of hot—pressedalumina--CNT composites. Wear,2003，255(1)：677-681

[7] Kuzumaki T,Miyazawa K ，Ichinose H ，et a1．Processing of carbon nanotube reinforced aluminum composite，J ．Mater ．Res ．1 998，13(9)：2445-2449

[8] Xu C L，Wei B Q，Ma R Z，et a1．Fabrication of aluminum．carbon nanotube composites and their electrical properties，Carbon ，1999，37(5)：855-858

[9] Zhou S M，Zhang XB，Ding Z只et a1．Fabrication and tribological properties of carbon nanotubes reinforced AI composites prepared by pressureless infiltration technique ，Compos ．Part A，2007，38(2)：301-306

[10]George R ，Kashyap K T ’Rahul R ，et a1. Strengthing in carbon nanotube/aluminium(CNTs/A1)composites，Scri ．Mater ．2005，53(1 0)：1159一1163

[11] Ruoff R S ,Lorents D C,Meehanical and thermal properties of carbon nanotube reinforced aluminum composite,J.Mater.Res. 1998,13(9):2445-2449

[12] 陈洪美，于化顺，张静，等．原位反应法制备A1203一TiC ／Al 复合材料[J]．特种铸造及有色合金，2006，26(10)：674．676．

[13] 朱和国，王恒志，党熊生，等.XD 反应合成A13Ti ，a ．A1203和TiB2／Al 复合材料的界面结构[J].中国有色金属学报，2006，1 6(4)：586．591

[14] 张发云，闫洪，周天瑞，等. 金属复合材料制备工艺的研究进展[J]. 锻压技术，2006，

32(6)：100-105

[15] H．Arik et a1．DU slider wear behaVior of in situ Al-A14C3 metal max composite produced

by mechanical alloying tecllllique[J]．Materialsd Desi 2006，27：799．

[16] Q．D ．Qin et a1．Dsliding wear behaVior of M＆S l composites against automobile ction

material[j]. wear(2007), DOI: 10．101．We ．2007．05．008(in press)．

[17] Chu H S, Liu K S. An in situ composite of Al produced by reciprocating extrusion[J]. Mater

Sci Eng．，2000，A277：25—32．

[18] 袁运站，朱和国. 内生型铝基复合材料合成工艺的发展现状[J]. 上海有色金属，2006，

27(3)：37—42．

[19] 陈东，乐永康，白亮，等. TiB2原位／7055铝基复合材料的力学性能与阻尼性能[J]. 功

能材料，2001，15(3)：1599-1602．

[20] 孙旭炜，曾苏民，陈志谦等. 制备工艺对铝基复合材料增强体颗粒分布均匀性的影响

53[J]. 材料工程，2006，27(9)：27-31．

[21] 郑梦，赵玉涛等. 超声化学原位合成纳米Al2O3增强铝基复合材料的微观组织与力学

行为. 2011.09. 《热加工工艺》2011年第40卷第18期

[22] 袁运站. A1一Zr02、Al —Zr02-C 系铝基复合材料的制备、反应机理及性能[D]：[工学

硕士学位论文]. 南京：南京理工大学，2007

[23] 黄平，孟永钢，徐华．摩擦学教程[M]. 北京：高等教育出版社，2008

[24] 金云学，Lee J M，Kang S B．热处理工艺A356／SiCq 性能及干滑动摩擦磨损特性

的影响[J]. 中国有色金属学报，2008，18(8)：1458．1465

[25] Das S ，Siddhartha D ，Karabi D ．Abrasive wear of zircon sand and alumina

reinforced-4.5wt ％ClI alloymatrix composites-A eomparative study[J]．Sci and Technol ，2007，67：746-751

[26] Ozdemir O，Zeytin S，Bindal C．Tribologieal properties of NiAl produced by pressure-assited

combustion synthesis[J]．Wear,2008，265：979-985

[27] Zhang S Y，Wang F P．Comparison of friction and weal"performances ofbrake material dry

sliding against two aluminum matrix composites reinforced with different SiC particles[J]．Mater Processing Technol，2007，182：122—127

[28] 刘正林．摩擦学原理[M]．北京：高等教育出版社，2009

[29] Hesabi Z R,Simchi A,Reihani S M S,Structural evolution during mechanical

milling of nanometric and micrometric A12O3 reinforced A1 matrix composites,Mater.Sci.Eng.A,2006,428(1-2):159-168.

[30] Morteza E,Joel R,Nasser A,Preparation of aluminum/silicon carbide metal

Matrix composites using centrifugal atomization,Powder Tech. 2008,184(1):11~20

[31] 李海鹏. 金属型铸造的组织与性能. 2008.09.01