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在任何制造业中，铸造都是金属加工最基础也是最重要的一环。


铸造工艺水平的高低，决定了金属零件毛坯的质量，进一步决定了零部件在应用时发挥的性能和作用，说铸造是所有制造业的起点也不为过，在汽车动力零部件中更是如此。


今天我们就一起来看一下，铸造过程中的一些常用方法，以及缺陷分析及控制问题，以及未来铸造工艺将关注哪些新方向。



01常用铸造方法

及其优缺点分析


① 普通砂型铸造


制造砂型的基本原材料是铸造砂和型砂粘结剂。最常用的铸造砂是硅质砂，硅砂的高温性能无法满足使用要求时，则使用锆英砂、铬铁矿砂、刚玉砂等特种砂。

优势

粘土的资源丰富、价格便宜。使用过的粘土湿砂经适当的砂处理后，绝大部分均可回收再用；

制造铸型的周期短、工效高；

混好的型砂可使用的时间长；

适应性很广，小件、大件，简单件、复杂件，单件、大批量都可采用；

劣势

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；

铸型的刚度不高，铸件的尺寸精度较差；

铸件易于产生冲砂、夹砂、气孔等缺陷。



随着3D打印技术的诞生，砂型3D打印技术现阶段已经成熟应用于铸造行业，和传统开模翻砂造型对比，砂型3D打印技术不用开模，直接将图纸分层打印，一体成型，周期由原来的几周压缩到1-2天，大大缩短了造型周期。

所以现在越来越多企业（尤其是汽车、机械工程设备行业）在前期新品开发样件试制阶段，都会选择采用3D打印砂型铸造技术，想了解更多可以关注视频号：3DP打印陈总

② 熔模铸造





熔模铸造通常是指在易熔材料制成模样，在模样表面包覆若干层耐火材料制成型壳，再将模样熔化排出型壳，从而获得无分型面的铸型，经高温焙烧后即可填砂浇注的铸造方案。

由于模样广泛采用蜡质材料来制造，故常将熔模铸造称为“失蜡铸造”。



优势

尺寸精度较高。一般可达CT4-6（砂型铸造为CT10-13，压铸为CT5-7）；

可以提高金属材料的利用率，显著减少产品的成形表面和配合表面的加工量，节省加工台时和刃具材料的消耗；

能最大限度地提高毛坯与零件之间的相似程度，为零件的结构设计带来很大方便；

几乎不受合金材料的限制；

对于难以锻造、焊接和切削加工的合金材料，特别适宜于用精铸方法铸造；

生产灵活性高、适应性强熔模铸造既适用于大批量生产，也适用小批量生产甚至单件生产。

劣势

铸件尺寸不能太大；

工艺过程复杂铸件冷却速度慢；

熔模铸造在所有毛坯成形方法中，工艺最复杂，铸件成本也很高；



但是如果产品选择得当，零件设计合理，高昂的铸造成本由于减少切削加工、装配和节约金属材料等方面而得到补偿，则熔模铸造具有良好的经济性。



③ 压铸


压铸工艺原理是利用高压将金属液高速压入一精密金属模具型腔内，金属液在压力作用下冷却凝固而形成铸件。


压力铸造

压铸工艺流程图

优点

产品质量好，铸件尺寸精度高，一般相当于6-7级，甚至可达4级；

表面光洁度好，一般相当于5-8级；

强度和硬度较高，强度一般比砂型铸造提高25-30%，但延伸率降低约70%；

尺寸稳定，互换性好；

可压铸薄壁复杂的铸件；

生产效率高，国产JⅢ3型卧式冷空压铸机平均八小时可压铸600-700次，小型热室压铸机平均每八小时可压铸3000-7000次；

压铸型寿命长，一付压铸型，压铸钟合金，寿命可达几十万次，甚至上百万次；

易实现机械化和自动化；

经济效果优良，由于压铸件尺寸精确，表泛光洁等优点。一般不再进行机械加工而直接使用；

铸件价格便宜；

可以采用组合压铸以其他金属或非金属材料，既节省装配工时又节省金属。

劣势

压铸时由于液态金属充填型腔速度高，流态不稳定，故采用一般压铸法，铸件易产生气孔，不能进行热处理；

对内凹复杂的铸件，压铸较为困难；高熔点合金（如铜，黑色金属），压铸型寿命较低；

不宜小批量生产，其主要原因是压铸型制造成本高，压铸机生产效率高，小批量生产不经济。



④ 金属型铸造



又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次（几百次到几千次），又叫永久型铸造。



优势

复用性好，可“一型多铸”，节省了造型材料和造型工时；

由于金属型对铸件的冷却能力强，使铸件的组织致密、机械性能高；

铸件的尺寸精度高，公差等级为IT12-IT14；

表面粗糙度较低，Ra为6.3m；

金属型铸造不用砂或用砂少，改善劳动条件。

劣势

金属型的制造成本高、周期长、工艺要求严格，不适用于单件小批量铸件的生产。



因此主要适用于有色合金铸件的大批量生产，如飞机、汽车、内燃机、摩托车等用的铝活塞、汽缸体、汽缸盖、油泵壳体及铜合金的轴瓦、轴套等。对黑色合金铸件，也只限于形状较简单的中、小铸件。



⑤ 低压铸造





低压铸造是指使液体金属在较低压力（0.02-0.06MPa）作用下充填铸型，并在压力下结晶以形成铸件的方法。

低压铸造工艺原理图

1—保温室 2—坩埚 3—升液管 4—贮气罐 5—铸型

低压铸造示意图

优势

浇注时金属液的上升速度和结晶压力可以调节，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；

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，铸件的气孔、夹渣等缺陷少，提高了铸件的合格率；

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；

省去补缩冒口，金属利用率提高到90-98%；劳动强度低，劳动条件好，设备简易，易实现机械化和自动化。

劣势

升液管寿命短，且在保温过程中金属液易氧化和产生夹渣。主要用来铸造一些质量要求高的铝合金和镁合金铸件，如气缸体、缸盖、曲轴箱和高速内燃机的铝活塞等薄壁件。



⑥ 离心铸造



离心铸造是将金属液浇入旋转的铸型中，在离心力作用下填充铸型而凝固成形的一种铸造方法，通常可分为卧式和立式两种。

a)立式离心铸造

b)立式离心浇注成形铸件

c)卧式离心铸造

1，16—浇包 2，14—铸型 3，13—液体金属

4—带轮和带 5—旋转轴 6—铸件

7—电动机8—浇注系统 9—型腔

10—型芯 11—上型 12—下型

15—浇注槽 17—端盖

优势

用离心铸造生产空心旋转体铸件时，可省去型芯、浇注系统和冒口；

补缩条件好，铸件组织致密，力学性能好；

便于浇注“双金属”轴套和轴瓦，如在钢套内镶铸一薄层铜衬套，可节省价格较贵的铜料；

充型能力好；

消除和减少浇注系统和冒口方面的消耗。

劣势

铸件内自由表面粗糙，尺寸误差大，品质差；

不适用于密度偏析大的合金（如铅青铜）及铝、镁等合金。




02铸造缺陷及控制方法


铸件缺陷种类繁多，产生缺陷的原因也十分复杂。它不仅与铸型工艺有关，而且还与铸造合金的性质、合金的熔炼、造型材料的性能等一系列因素有关。


因此，分析铸件缺陷产生的原因时，要从具体情况出发，根据缺陷的特征、位置、采用的工艺和所用型砂等因素，进行综合分析，然后采取相应的技术措施，防止和消除缺陷。


1. 浇不到

铸件局部有残缺，常出现在薄壁部位、离浇道最远部位或铸件上部。残缺的边角圆滑光亮不粘砂。



产生原因：

浇注温度低、浇注速度太慢或断续浇注；

横浇道、内浇道截面积小；

铁水成分中碳、硅含量过低；

型砂中水分、煤粉含量过多，发气量大，或含泥量太高，透气性不良；

上砂型高度不够，铁水压力不足。

防止方法：

提高浇注温度、加快浇注速度，防止断续浇注；

加大横浇道和内浇道的截面积；

调整炉后配料，适当提高碳、硅含量；

铸型中加强排气，减少型砂中的煤粉，有机物加入量；

增加上砂箱高度。



2. 浇不满



铸件上部残缺，直浇道中铁水的水平面与铸件的铁水水平面相平，边部略呈圆形。



产生原因：

浇包中铁水量不够；

浇道狭小，浇注速度又过快，当铁水从浇口杯外溢时，操作者误认为铸型已经充满，停浇过早。

防止方法：

正确估计浇包中的铁水量；

对浇道狭小的铸型，适当放慢浇注速度，保证铸型充满。



3. 损伤



产生原因：

铸件落砂过于剧烈，或在搬运过程中铸件受到冲撞而损坏；

滚筒清理时，铸件装料不当，铸件的薄弱部分在翻滚时被碰断；

冒口、冒口颈截面尺寸过大；冒口颈没有做出敲断面（凹槽）。或敲除浇冒口的方法不正确，使铸件本体损伤缺肉。

防止方法：

铸件在落砂清理和搬运时，注意避免各种形式的过度冲撞、振击，避免不合理的丢放；

滚筒清理时严格按工艺规程和要求进行操作；

修改冒口和冒口颈尺寸，做出冒口颈敲断面，正确掌握打浇冒口的方向。



4. 粘砂和表面粗糙



粘砂是一种铸件表面缺陷，表现为铸件表面粘附着难以清除的砂粒；如铸件经清除砂粒后出现凹凸不平的不光滑表面，称表面粗糙。



产生原因：

砂粒太粗、砂型紧实度不够；

型砂中水分太高，使型砂不易紧实；

浇注速度太快、压力过大、温度过高；

型砂中煤粉太少；

模板烘温过高，导致表面型砂干枯；或模板烘温过低，型砂粘附在模板上。

防止方法：

在透气性足够的情况下，使用较细原砂，并适当提高型砂紧实度；

保证型砂中稳定的有效煤粉含量；

严格控制砂水分；

改进浇注系统，改进浇注操作、降低浇注温度；

控制模板烘烤温度，一般与型砂温度相等或略高。



5. 砂眼


在铸件内部或表面充塞有型砂的孔眼。


产生原因：

型砂表面强度不够；

模样上无圆角或拔模斜度小导致钩砂、铸型损坏后没修理或没修理好就合箱；

砂型在浇注前放置时间过长，风干后表面强度降低；

铸型在合箱时或搬运过程中损坏；

合箱时型内浮砂未清除干净，合箱后浇口杯没盖好，碎砂掉进铸型。

防止方法：

提高型砂中粘士含量、及时补加新砂，提高型砂表面强度；

模样光洁度要高，并合理做出拔模斜度和铸造圆角。损坏的铸型要修好后再合箱；

缩短浇注前砂型的放置时间；

合箱或搬运铸型时要小心，避免损坏或掉入砂型腔砂粒；

合箱前清除型内浮砂，并盖好浇口。



6. 披缝和胀砂


披缝常出现在铸件分型面处，是垂直于铸件表面，且厚薄不均匀的薄片状金属突起物。胀砂是铸件内、外表面局部胀大，形成不规则的瘤状金属突起物。


产生原因：

紧实度不够或不匀；

面砂强度不够、或型砂水分过高；

液态金属压头过大、浇注速度太快。

防止方法：

提高铸型紧实度、避免局部过松；

调整混砂工艺、控制水分，提高型砂强度；

降低液态金属的压头、降低浇注速度。



7. 抬箱


铸件在分型面处有大面积的披缝，使铸型外形尺寸发生变化。抬箱过大，造成跑火——铁水自分型面外溢，严重时造成浇不足缺陷。


产生原因：

砂箱未紧固、压铁质量不够或去除压铁过早；

浇注过快，冲击力过大；

模板翅曲。

防止方法：

增加压铁重量，特铁水凝固后再去除压铁；

降低浇包位置，降低浇注速度；

修正模板。



8. 掉砂





铸件表面上出现的块状金属突起物，其外形与掉落的砂块很相似。在铸件其它部位，则往往出现砂眼或残缺。



产生原因：

模样上有深而小的凹槽，同于结构特征或拔模斜度小，起模时将砂型带坏或震裂；

紧实度不匀，铸型局部强度不足；

合箱、搬运铸型时，不小心使铸型局部砂块掉落。

防止方法：

模样拔模斜度要合适、表面光洁；

铸型紧实度高且均匀；

合箱、搬运过程中，操作小心。



9. 错型（错箱）


铸件的一部分与另一部分在分型面的接缝处错开，发生相对位移，使铸件外形与图纸不相符合。


产生原因：

模样制作不良，上下模没有对准或模样变形；

砂箱或模板定位不准确，或定位销松动；

挤压造型机上零件磨损，例如正压板下衬板、反压板轴承的磨损等；

浇注时用的套箱变形，搬运、围箱时不注意，使上下铸型发生位移。

防止方法：

加强模板的检查和修理；

经常检查砂箱、模板的定位销及销孔、并合理地安装；

检查挤压造型机的有关零件，及时调整，磨损大的要更换；

定期对套箱整形。脱箱后的铸型在搬运时要小心。在面浇注的砂型，应该做一排砂型围一排。



10. 灰口和麻点


铸件断口呈灰黑色或出现黑色小点，中心部位较多，边部较少，金相观察可见到片状石墨。



产生原因：

铁水化学成分不合要求，碳、硅含量过高；

炉前孕育的铋加入浇包内过早或过迟，或是铋量不足。

防止方法：

正确选择化学成分，合理配料，使铁水中碳、硅量在规定范围内；

增加铋的加入量并严格炉前孕育工艺。



11. 裂纹（热裂、冷裂）


铸件外部或内部有穿透或不穿透的裂纹。热裂时带有暗色或黑色的氧化表面断口外形曲折。冷裂是较干净的脆性裂纹，断口较平，具有金属光泽或轻微的氧化色泽。





产生原因：

铁水中碳、硅含苞欲放量过低，含硫量过高；

浇注温度过高；

冒口颈过大、过短，造成局部过热严重，或重口太小，补缩不好；

铸件在清理、运输过程中，受冲击过大。

防止方法：

控制铁水化学成分在规定的范围内；

降低浇注温度；

合理设计冒口系统；

铸件在清理、运输过程中避免过度冲击。



12. 气孔


气孔的孔壁光滑明亮，形状有圆形、梨形和针状，孔的尺寸有大有小，产生在铸件表面或内部。铸件内部的气孔在敲碎后或机械加工时才能被发现。



产生原因：

小炉料潮湿、锈蚀严重或带有油污，使铁水含气量太多、氧化严重；

出铁孔、出铁槽、炉衬、浇包衬未洪干；

浇注温度较低，使气体来不及上浮和逸出；

炉料中含铝量较高，易造成氢气孔；

砂型透气性不好、型砂水分高、含煤粉或有机物较多，使浇注时产生大量气体且不易排出。

防止方法：

炉料要妥善管理，表面要清洁；

炉缸、前炉、出铁口、出铁槽、浇包必须烘干；

提高浇注温度；

不使用铝量过高的废钢；

适当降低型砂的水分、控制煤粉加入量，扎通气孔等。



13. 缩松、疏松


分散、细小的缩孔，带有树枝关结晶的称缩松，比缩松更细小的称疏松。常出现在热世部位。


产生原因：

铁水中碳、硅含量过低，收缩大；

浇注速度太快、浇注温度过高，使得液态收缩大；

浇注系统、冒口设计不当，无法实现顺序凝固；

冒口太小，补缩不充分。

防止方法：

控制铁水的化学成分在规定范围内；

降低浇注速度和浇注温度；

改进浇冒口系统，利用顺序凝固；

加大冒口体积，保证充分补缩。



14. 反白口



铸件断口内部出现白口组织，边缘部分出现灰口。


产生原因：

碳、硅含量较高的铁水，含氢量过高；

炉料中带入的铬等白口形成元素过多；

元素偏析严重；

防止方法：

控制化学成分、碳、硅含量不宜过高；

炉衬、包衬要烘干；型砂水分不宜过高；

加强炉料管理，减少带入白口化元素。



03

汽车铸造新技术和新方向


1. 砂成型技术发展趋势



潮模造型经过手工紧实→震击+压实紧实→高压+微震紧实→气冲紧实→静压紧实几个发展阶段。静压造型技术实质是“气冲预紧实+压实”。


有以下优点：铸型轮廓清晰，表面硬度高且均匀，起模斜度小，型板利用率高，工艺装备磨损小，铸型表面光洁度高，铸型型废率低。因此，是目前最新、最先进的造型工艺，并已成为当今的主流紧实工艺。


当前，国外比较有名的制造静压造型设备的厂家有德国的KW公司、HWS公司和意大利萨威力公司。国内汽车铸造厂家大都选用HWS公司或KW公司制造的设备，如一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西三联、广西玉柴、无锡柴油机厂等。


2. 近净形技术发展趋势


铸造成形工艺

消失模铸造也称气化模铸造、实型铸造、无型腔铸造，被铸造界誉之为“21世纪的铸造新技术”、“铸造的绿色工程”。


该工艺的方法是采用无粘结剂干砂加抽真空技术。我国有一百多家企业用该工艺生产箱体类、管件阀体类、耐热耐磨合金钢类等三大类铸件，总产量超过10万吨。


今后，该工艺将大量采用快速制造技术和模拟仿真技术，以缩短生产准备周期，实现铸件的快捷生产。


熔模精密铸造成形型工艺

熔模精密铸造工艺有水玻璃制壳工艺、复合制壳工艺、硅溶胶制壳工艺。汽车产品材料有碳素钢、合金钢、有色合金与球墨铸铁。国外有高合金钢、超合金材料。


熔炼设备国内采用普通、快速中频炉；国外采用真空炉、翻转炉、高频炉技术。


熔模精密铸造技术成型工艺将来的发展趋势是产品离商品越来越近，传统的精铸件只作为毛坯，已经不适应市场的快速应变；产品的复杂程度和质量档次越来越高；研发手段越来越强，专业化协作开始显现，CAD、CAM、CAE的应用成为产品开发主要技术。



3. 制芯技术的发展趋势


目前，国内外汽车铸造制芯有三种制芯工艺，在现代汽车铸造中常并行采用的主要工艺有热芯盒制芯、壳芯制芯、冷芯盒制芯等，传统的合脂或油砂制芯已被淘汰。


制芯工艺技术有以冷芯盒技术为主的发展趋势。一汽铸造公司、东风汽车铸造厂、上海圣德曼铸造公司、华东泰克西、山西国际铸造公司等均采用冷芯盒制芯技术。


4. 铸铁熔炼技术的发展趋势

目前，国内外铸铁熔炼技术有两种主要方式：一是采用大型热风除尘冲天炉与工频保温炉双联熔炼工艺；二是采用中频感应电炉熔炼工艺技术。


美国因达公司和彼乐公司生产的中频炉技术开始越来越受到重视，该技术日益成熟，其清洁、环保、节能、高效、安全的优势突出，是今后发展的方向。


一汽铸造公司、东风汽公司采用因达公司和彼乐公司生产的中频炉和保温炉技术。已经开发与应用的球化剂、孕育剂、蠕化剂和其他各种添加剂产品，形成商品化、标准化、规格化、系列化。


5. 合金气缸体、气缸盖

压铸成形技术



铝合金是汽车上应用最快和最广的轻金属，因为铝合金本身的性能已经达到质量轻、强度高、耐腐蚀的要求。



最初，铝合金仅用于一些不受冲击的部件。后来，通过强化合金元素，铝合金的强度大大提高，由于质轻、散热性好等特性，可以满足发动机活塞、气缸体、气缸盖在恶劣环境下工作的要求。


铝合金气缸体、气缸盖压铸成形核心技术可以提高净化、精练、细化、变质等材质质量控制，使得铝铸件质量达到一致性和稳定性。


随着我国汽车业的发展，特别是家用轿车的快速增加和汽车部件出口的增大，汽车铝铸件将有很大的增长。


铝气缸盖成形工艺主要有两种，一是以欧美为代表的重力铸造成型工艺，上海皮尔博格、南京泰克西等公司，选用意大利法塔公司重力铸造机生产铝气缸盖。


二是以日韩为代表的低压铸造成型工艺，东风日产发动机分公司铝压铸车间、广东肇庆铸造公司、天津丰田铸造公司，选用日本新东等公司低压铸造机生产铝气缸盖。


6. 半固态压铸成型技术


半固态技术发源于美国，因此在美国这一技术已经基本成熟，处于全球领先地位，被称之为21世纪最有前途的材料成形加工工艺。


Alumax公司率先将该技术转化为生产力，生产的铝合金汽车制动总泵体毛坯尺寸接近零件尺寸，加工量占铸件质量的13%，同样的金属型铸件的加工余量则占铸件质量的40%。


20世纪80年代以来，欧洲等国在半固态应用方面作了大量研究和应用工作。


7. 铸铁材质的发展趋势


薄壁高强度灰铸铁件技术

灰铸铁件在汽车上大量应用，由于该材料具有低的成本和良好的铸造性能优势。随着汽车技术轻量化要求，灰铸铁的增长和发展将受到一定的影响，因此加强薄壁高强度气缸体、气缸盖铸件技术的开发与应用将是发展趋势。


蠕墨铸铁技术

蠕墨铸铁具有球墨铸铁的强度，与灰铸铁相比又有类似的防振、导热能力及铸造性能，有好的塑性和耐热疲劳性能，可以解决大马力气缸盖的热疲劳裂纹问题。


蠕墨铸铁广泛应用的巨大潜在市场是在汽车业，其主要产品则是发动机气缸体和大功率柴油机气缸盖铸件。随着汽车轻量化和比功率（kW/排量）的提高，气缸体和气缸盖的工作温度越来越高，许多部位的工作温度超过200℃，在此温度下，铝合金的强度大幅度下降，而蠕铁则具有很大的优势。


球墨铸铁技术

球墨铸铁由于其高强度、高韧性和低价格，所以在汽车市场上仍有很大发展。汽车铸造业球铁主要有4类产品技术工艺的发展趋势。


一是铸态珠光体、高强度的载货车和轿车曲轴，铸态铁素体、高伸长率的汽车排气管和桥壳底盘类铸件；


二是保安类铸件，铸态生产轿车转向节；


三是耐热球铁件，高硅钼、中硅钼、高镍球铁，该材质生产的排气管件；


四是奥贝球铁，主要用于生产曲轴等产品。除上述外，汽车铸造厂已经生产出铸态球铁冷激凸轮轴。


8. 铸造过程

计算机应用技术发展趋势


随着汽车铸造技术的快速发展，为缩短铸件生产准备周期和降低新产品开发的风险，采用快速原型技术、计算机仿真模拟、三维建模、数控技术的应用越来越广。


快速原型技术应用开发新产品试制用的模样及熔模铸造的蜡模外，还可以制做酚醛树脂壳型、壳芯，可以直接用来装配成砂型。


模拟造型过程正在成为国际汽车铸造关注的前沿领域之一。应用Magna、华铸软件对新产品的铸件充型、凝固的温度场和流动场模拟分析处理，预测和分析铸件的缺陷。


9. 铸造检测技术


无损检测技术的应用越来越广，对重要件时常采用荧光磁粉检测表面裂纹；采用超声波或音频检测球铁的球化率；涡流检测铸件的基体组织（珠光体含量）。为满足重要件检测的要求，有的将上述三项检测仪器组合成一条自动检测线。


10. 绿色铸造技术发展趋势


“绿色铸造”是使铸造产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理整个产品生命周期中，对环境的负面影响最小，资源效率最高。

铸造行业历来被认为是高能耗、高污染的行业，要不断开发新的节能、清洁、低排放、低污染的铸造材料以投入生产使用。

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