特种铸造简介

2024年1月4日发(作者：热情高涨)

特种铸造

特种铸造：铸型用砂较少或不用砂、采用特殊工艺装备进行铸造的方法，如熔模铸造、金属型铸造、压力铸造、低压铸造、离心铸造、陶瓷型铸造和实型铸造等。

特点：特种铸造具有铸件精度和表面质量高、铸件内在性能好、原材料消耗低、工作环境好等优点。但铸件的结构、形状、尺寸、重量、材料种类往往受到一定限制。

一、熔模铸造（失蜡铸造）

（一）熔模铸造的工艺过程

1．制造蜡模 蜡模材料常用50%石蜡和50%硬脂酸配制而成。如图1-34a所示。为提高生产率，常把数个蜡模熔焊在蜡棒上，成为蜡模组，如图1-34b所示。

2．制造型壳 在蜡模组表面浸挂一层以水玻璃和石英粉配制的涂料，然后在上面撒一层较细的硅砂，并放入固化剂（如氯化铵水溶液等）中硬化。使蜡模组外面形成由多层耐火材料组成的坚硬型壳（一般为4~10层），型壳的总厚度为5~7mm，如图1-34c所示。

3．熔化蜡模（脱蜡） 通常将带有蜡模组的型壳放在80~90℃的热水中，使蜡料熔化后从浇注系统中流出。

4．型壳的焙烧 把脱蜡后的型壳放入加热炉中，加热到800~950℃，保温0.5~2h，烧去型壳内的残蜡和水分，并使型壳强度进一步提高。

5．浇注 将型壳从焙烧炉中取出后，周围堆放干砂，加固型壳，然后趁热（600~700℃）浇入合金液，并凝固冷却。

6．脱壳和清理 用人工或机械方法去掉型壳、切除浇冒口，清理后即得铸件。

图1-34 熔模铸造的工艺过程

（二）熔摸铸造铸件的结构工艺性

熔摸铸造铸件的结构，除应满足一般铸造工艺的要求外，还具有其特殊性：

1．铸孔不能太小和太深 否则涂料和砂粒很难进入腊模的空洞内，只有采用陶瓷芯或石英玻璃管芯，工艺复杂，清理困难。一般铸孔应大于2mm.。

2．铸件壁厚不可太薄 一般为2~8mm。

3．铸件的壁厚应尽量均匀 熔摸铸造工艺一般不用冷铁，少用冒口，多用直浇口直接补缩，故不能有分散的热节。

（三）熔模铸造的特点和应用

熔模铸造的特点是：

（1）铸件精度高、表面质量好，是少、无切削加工工艺的重要方法之一，其尺寸精度可达IT11~IT14，表面粗糙度为Ra12.5~1.6μm。如熔模铸造的涡轮发动机叶片，铸件精度已达到无加工余量的要求。

（2）可制造形状复杂铸件，其最小壁厚可达0.3mm，最小铸出孔径为0.5mm。对由几个零件组合成的复杂部件，可用熔模铸造一次铸出。

（3）铸造合金种类不受限制，用于高熔点和难切削合金，更具显著的优越性。

（4）生产批量基本不受限制，既可成批、大批量生产，又可单件、小批量生产。

缺点：工序繁杂，生产周期长，原辅材料费用比砂型铸造高，生产成本较高，铸件不宜太大、太长，一般限于25kg以下。

产品：生产汽轮机及燃气轮机的叶片，泵的叶轮，切削刀具，以及飞机、汽车、拖拉机、风动工具和机床上的小型零件。

二、金属型铸造

金属型铸造：将液体金属在重力作用下浇入金属铸型，以获得铸件的一种方法。铸型用金属制成，可以反复使用几百次到几千次。

1、金属型的结构与材料

根据分型面位置的不同，金属型可分为垂直分型式、水平分型式和复合分型式三种结构，其中垂直分型式金属型开设浇注系统和取出铸件比较方便，易实现机械化，应用较广，如图1-35所示。

图1-35 垂直分型式金属型

图1-36所示为铸造铝合金活塞用的垂直分型式金属型，它由两个半型组成。上面的大金属芯由三部分组成，便于从铸件中取出。当铸件冷却后，首先取出中间的楔片及两个小金属芯，然后将两个半金属芯沿水平方向向中心靠拢，再向上拔出。

制造金属型的材料熔点一般应高于浇注合金的熔点。如浇注锡、锌、镁等低熔点合金，可用灰铸铁制造金属型；浇注铝、铜等合金，则要用合金铸铁或钢制金属型。金属型用的芯子有砂芯和金属芯两种。

图1-36 铝合金活塞的金属型简图

2、金属型的铸造工艺措施

由于金属型导热速度快，没有退让性和透气性，为了确保获得优质铸件和延长金属型的使用寿命，必须采取下列工艺措施：

（1）加强金属型的排气

（2）表面喷刷防粘砂涂料

（3）预热金属型

（4）开 型

因金属型无退让性，除在浇注时正确选定浇注温度和浇注速度外，浇注后，如果铸件在铸型中停留时间过长，易引起过大的铸造应力而导致铸件开裂。因此，铸件冷凝后，应及时从铸型中取出。通常铸铁件出型温度为780~950℃左右，开型时间为10~60s。

3、金属型铸件的结构工艺性

（1）铸件结构一定要保证能顺利出型，铸件结构斜度应较砂型铸件为大。

（2）铸件壁厚要均匀，壁厚不能过薄（Al-Si合金2~4mm，Al-Mg合金为3~5mm）。

（3）铸孔的孔径不能过小、过深，以便于金属型芯的按放和抽出，

4、金属型铸造的特点及应用范围

金属型铸造的特点是：

（1）尺寸精度高（IT12~IT16）、表面粗糙度小（Ra12.5~6.3μm），机械加工余量小。

（2）铸件的晶粒较细，力学性能好。

（3）可实现一型多铸，提高了劳动生产率，且节约造型材料。

但金属型的制造成本高，不宜生产大型、形状复杂和薄壁铸件；由于冷却速度快，铸铁件表面易产生白口，切削加工困难；受金属型材料熔点的限制，熔点高的合金不适宜用金属型铸造。

用途：铜合金、铝合金等铸件的大批量生产，如活塞、连杆、汽缸盖等；铸铁件的金属型铸造目前也有所发展，但其尺寸限制在300mm以内，质量不超过8kg，如电熨斗底板等。

三、压力铸造

比压30~70MPa，充型时间0.01~0.2c。

（一）压铸机和压铸工艺过程

压铸机分类：根据压室工作条件不同，分为冷压室压铸机和热压室压铸机两类。热压室压铸机的压室与坩埚连成一体，而冷压室压铸机的压室是与坩埚分开的。冷压室压铸机又可分为立式和卧式两种，目前以卧式冷压室压铸机应用较多，其工作原理如图1-37所示。

压铸铸型：定型、动型，将定量金属液浇入压室，柱塞向前推进，金属液经浇道压入压铸模型腔中，经冷凝后开型，由推杆将铸件推出。冷压室压铸机，可用于压铸熔点较高的非铁金属，如铜、铝和镁合金等。

图1-37 卧式冷压室压铸机工作原理

（二）压铸件的结构工艺性

1．压铸件上应消除内侧凹，以保证压铸件从压型中顺利取出。

2．压力铸造可铸出细小的螺纹、孔、齿和文字等，但有一定的限制。

3．应尽可能采用薄壁并保证壁厚均匀。由于压铸工艺的特点，金属浇注和冷却速度都很快，厚壁处不易得到补缩而形成缩孔、缩松。压铸件适宜的壁厚：锌合金为1~4mm，铝合金为1.5~5mm，铜合金为2~5mm。

4．对于复杂而无法取芯的铸件或局部有特殊性能（如耐磨、导电、导磁和绝缘等）要求的铸件，可采用嵌铸法，把镶嵌件先放在压型内，然后和压铸件铸合在一起。

（三）压力铸造的特点及其应用

压铸有如下特点：

（1）压铸件尺寸精度高，表面质量好，尺寸公差等级为IT11~IT13，表面粗糙度Ra值为6.3~1.6μm，可不经机械加工直接使用，而且互换性好。

（2）可以压铸壁薄、形状复杂以及具有很小孔和螺纹的铸件，如锌合金的压铸件最小壁厚可达0.8mm，最小铸出孔径可达0.8mm、最小可铸螺距达0.75mm。还能压铸镶嵌件。

（3）压铸件的强度和表面硬度较高。压力下结晶，加上冷却速度快，铸件表层晶粒细密，其抗拉强度比砂型铸件高25%~40%。

（4）生产率高，可实现半自动化及自动化生产。

不足：气体难以排出，压铸件易产生皮下气孔，压铸件不能进行热处理，也不宜在高温下工作；金属液凝固快，厚壁处来不及补缩，易产生缩孔和缩松；设备投资大，铸型制造周期长、造价高，不宜小批量生产。

应用：生产锌合金、铝合金、镁合金和铜合金等铸件；汽车、拖拉机制造业、仪表和电子仪器工业、在农业机械、国防工业、计算机、医疗器械等制造业等。

四、低压铸造（0.02~0.06MPa）

（一）低压铸造的工艺过程

低压铸造装置如图1-38a所示。

缓慢地向坩埚炉内通入干燥的压缩空气，金属液受气体压力的作用，由下而上沿着升液管和浇注系统充满型腔，如图1-38b所示。开启铸型，取出铸件，如图1-38c所示。

图1-38 低压铸造示意图

（二）低压铸造的特点及应用

特点：

（1）浇注时的压力和速度可以调节，故可适用于各种不同铸型（如金属型、砂型等），铸造各种合金及各种大小的铸件。

（2）采用底注式充型，金属液充型平稳，无飞溅现象，可避免卷入气体及对型壁和型芯的冲刷，提高了铸件的合格率。

（3）铸件在压力下结晶，铸件组织致密、轮廓清晰、表面光洁，力学性能较高，对于大薄壁件的铸造尤为有利。

（4）省去补缩冒口，金属利用率提高到90～98%。

（5）劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。

应用：汽车发动机缸体、缸盖、活塞、叶轮等。

五、离心铸造

离心铸造是指将熔融金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力作用下充填铸型并凝固成形的一种铸造方法。

（一）离心铸造的类型

铸型：金属型或砂型。

分类：离心铸造机通常可分为立式和卧式两大类，如图1-39所示。

图1-39 离心铸造机原理图

a)立式离心铸造 b)卧式离心铸造

（二）铸型的转速

根据铸件直径的大小来确定离心铸造的铸型转速，一般在250~1500r/min范围内。

（三）离心铸造的特点及应用范围

离心铸造的特点是：

（1）液体金属能在铸型中形成中空的自由表面，不用型芯即可铸出中空铸件，简化了套筒、管类铸件的生产过程。

（2）由于旋转时液体金属所产生的离心力作用，离心铸造可提高金属充填铸型的能力，因此一些流动性较差的合金和薄壁铸件都可用离心铸造法生产。

（3）由于离心力的作用，改善了补缩条件，气体和非金属夹杂物也易于自金属液中排出，产生缩孔、缩松、气孔和夹杂等缺陷的几率较小。

（4）无浇注系统和冒口，节约金属。

不足：金属中的气体、熔渣等夹杂物，因密度较轻而集中在铸件的内表面上，所以内孔的尺寸不精确，质量也较差；铸件易产生成分偏析和密度偏析。

应用：铸铁管、汽缸套、铜套、双金属轴承、特殊钢的无缝管坯、造纸机滚筒等铸件的生产。

六、陶瓷型铸造

（一）工艺过程

陶瓷型铸造的工艺过程，如图1-40所示。

图1-40 陶瓷型铸造的工艺过程

1．砂套造型 先用水玻璃砂制出砂套。制造砂套的模样B比铸件模样A应大一个陶瓷料厚度（图1-40a）。砂套的制造方法与砂型铸造相同（图1-40b）。

2．灌浆与胶结 其过程是将铸件模样固定于模底板上，刷上分型剂，扣上砂套，将配制好的陶瓷浆料从浇注口注满砂套（图1-40c），经数分钟后，陶瓷浆料便开始结胶。

陶瓷浆料由耐火材料（如刚玉粉、铝矾土等）、粘结剂（如硅酸乙酯水解液）等组成。

3．起模与喷烧 浆料浇注5~15min后，趁浆料尚有一定弹性便可起出模样。为加速固化过程提高铸型强度，必须用明火喷烧整个型腔（图1-40d）。

4．焙烧与合型 浇注前要加热到350~550℃焙烧2~5h，烧去残存的水分、并使铸型的强度进一步提高。

5．浇注 浇注温度可略高，以便获得轮廓清晰的铸件。

（二）陶瓷型铸造的特点及适用范围

陶瓷型铸造的特点：

（1） 陶瓷面层在具有弹性的状态下起模，同时陶瓷面层耐高温且变形小，故铸件的尺寸精度和表面粗糙度等与熔模铸造相近。

（2） 陶瓷型铸件的大小几乎不受限制，可从几公斤到数吨。

（3） 在单件、小批量生产条件下，投资少、生产周期短，在一般铸造车间即可生产。

（4） 陶瓷型铸造不适于生产批量大、重量轻或形状复杂的铸件，生产过程难以实现机械化和自动化。

用途：厚大的精密铸件，广泛用于生产冲模、锻模、玻璃器皿模、压铸型和模板等，也可用于生产中型铸钢件等。

七、实型铸造

实型铸造：采用聚苯乙烯发泡塑料模样代替普通模样，造好型后不取出模样就浇入金属液，在金属液的作用下，塑料模样燃烧、气化、消失，金属液取代原来塑料模所占据的空间位置，冷却凝固后获得所需铸件的铸造方法。其工艺过程如图1-41所示。

图1-41 实型铸造示意图

实型铸造具有以下特点

（1） 由于采用了遇金属液即气化的泡沫塑料模样，无需起模，无分型面，无型芯，因而无飞边毛刺，铸件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模铸造，但尺寸却可大于熔模铸造。

（2） 各种形状复杂铸件的模样均可采用泡沫塑料模粘合，成形为整体，减少了加工装配时间，可降低铸件成本10%～30%，也为铸件结构设计提供充分的自由度。

（3） 简化了铸件生产工序，缩短了生产周期，使造型效率比砂型铸造提高2~5倍。

缺点：实型铸造的模样只能使用一次，且泡沫塑料的密度小、强度低，模样易变形，影响铸件尺寸精度。浇铸时模样产生的气体污染环境。

用途：实型铸造主要用于不易起模等复杂铸件的批量及单件生产。

八、磁型铸造

磁型铸造：在实型铸造的基础上发展起来的，利用磁丸（又称铁丸）代替干砂，并微震紧实，再将砂箱放在磁型机里，磁化后的磁丸相互吸引，形成强度高、透气性好的铸型，浇注时气化模在液体金属热的作用下气化消失，金属液替代了气化模的位置，待冷却凝固后，解除磁场，磁丸恢复原来的松散状，便能方便地取出铸件。磁型铸造原理如图1-42所示。

图1-42 磁型铸造原理示意图

磁型铸造的特点：

（1） 提高了铸件的质量。因为磁型铸造无分型面，不起模，不用型芯，造型材料不含粘结剂，流动性和透气性好，可以避免气孔、夹砂、错型和偏芯等缺陷。

（2） 所用工装设备少，通用性大，易实现机械化和自动化生产。

（3） 节约了金属及其它辅助材料，改善了劳动条件，降低了铸件成本。

用途：机车车辆、拖拉机、兵器、农业机械和化工机械等制造业。主要适用于形状不十分复杂的中、小型铸件的生产，以浇注黑色金属为主。其质量范围为0.25~150kg，铸件的最大壁厚可达80mm。

九、挤压铸造

挤压铸造：是将定量金属液浇入铸型型腔内并施加较大的机械压力，使其凝固、成形后获得毛坯或零件的一种工艺方法。

分类：挤压铸造按液体金属充填的特性和受力情况，可分为柱塞挤压、直接冲头挤压、间接冲头挤压和型板挤压四种，如图1-43和图1-44所示。

图1-43 三种挤压铸造原理图

a)柱塞挤压 b)直接冲头挤压 c)间接冲头挤压

图1-44 型板挤压铸造原理图

（一）挤压铸造的工艺过程

挤压铸造的工艺过程如图1-45所示。

1．铸型准备 对铸型清理、型腔内喷涂料和预热等，使铸型处于待注状态。

2．浇 注 将定量的金属液浇入型腔。

3．合型加压 将上、下型锁紧，依靠冲头压力使金属液充满型腔，进而升压并在预定的压力下保持一定时间，使金属液凝固。

4．取出铸件 卸压、开型、取出铸件。

图1- 45 挤压铸造工艺过程示意图

（二）挤压铸造的特点及应用范围

挤压铸造的特点是：

（1）压铸件的尺寸精度高（IT11~IT13），表面粗糙度小（Ra6.3~1.6μm），铸件的加工余量小。

（2）需设浇冒口，金属利用率高。

（3）铸件组织致密，晶粒细小，力学性能好。

（4）工艺简单，节省能源和劳动力，易实现机械化和自动化生产，生产率比金属型铸造高1~2倍。

缺点：浇到铸型型腔内的金属液中夹杂物无法排出。挤压铸造要求准确定量浇注，否则影响铸件的尺寸精度。

用途：用于生产强度要求较高、气密性好、薄板类铸件。如各种阀体、活塞、机架、轮毂、耙片和铸铁锅等。

特种铸造的发展很快，除以上常用的几种外，还有许多其它特种铸造方法，如连续铸造、壳型铸造、真空吸铸和冷冻铸造等。