特種鑄造簡介

2024年1月4日發(作者：熱情高漲)

特種鑄造

特種鑄造：鑄型用砂較少或不用砂、采用特殊工藝裝備進行鑄造的方法，如熔模鑄造、金屬型鑄造、壓力鑄造、低壓鑄造、離心鑄造、陶瓷型鑄造和實型鑄造等。

特點：特種鑄造具有鑄件精度和表面質量高、鑄件內在性能好、原材料消耗低、工作環境好等優點。但鑄件的結構、形狀、尺寸、重量、材料種類往往受到一定限制。

一、熔模鑄造（失蠟鑄造）

（一）熔模鑄造的工藝過程

1．制造蠟模 蠟模材料常用50%石蠟和50%硬脂酸配制而成。如圖1-34a所示。為提高生產率，常把數個蠟模熔焊在蠟棒上，成為蠟模組，如圖1-34b所示。

2．制造型殼 在蠟模組表面浸掛一層以水玻璃和石英粉配制的涂料，然后在上面撒一層較細的硅砂，并放入固化劑（如氯化銨水溶液等）中硬化。使蠟模組外面形成由多層耐火材料組成的堅硬型殼（一般為4~10層），型殼的總厚度為5~7mm，如圖1-34c所示。

3．熔化蠟模（脫蠟） 通常將帶有蠟模組的型殼放在80~90℃的熱水中，使蠟料熔化后從澆注系統中流出。

4．型殼的焙燒 把脫蠟后的型殼放入加熱爐中，加熱到800~950℃，保溫0.5~2h，燒去型殼內的殘蠟和水分，并使型殼強度進一步提高。

5．澆注 將型殼從焙燒爐中取出后，周圍堆放干砂，加固型殼，然后趁熱（600~700℃）澆入合金液，并凝固冷卻。

6．脫殼和清理 用人工或機械方法去掉型殼、切除澆冒口，清理后即得鑄件。

圖1-34 熔模鑄造的工藝過程

（二）熔摸鑄造鑄件的結構工藝性

熔摸鑄造鑄件的結構，除應滿足一般鑄造工藝的要求外，還具有其特殊性：

1．鑄孔不能太小和太深 否則涂料和砂粒很難進入臘模的空洞內，只有采用陶瓷芯或石英玻璃管芯，工藝復雜，清理困難。一般鑄孔應大于2mm.。

2．鑄件壁厚不可太薄 一般為2~8mm。

3．鑄件的壁厚應盡量均勻 熔摸鑄造工藝一般不用冷鐵，少用冒口，多用直澆口直接補縮，故不能有分散的熱節。

（三）熔模鑄造的特點和應用

熔模鑄造的特點是：

（1）鑄件精度高、表面質量好，是少、無切削加工工藝的重要方法之一，其尺寸精度可達IT11~IT14，表面粗糙度為Ra12.5~1.6μm。如熔模鑄造的渦輪發動機葉片，鑄件精度已達到無加工余量的要求。

（2）可制造形狀復雜鑄件，其最小壁厚可達0.3mm，最小鑄出孔徑為0.5mm。對由幾個零件組合成的復雜部件，可用熔模鑄造一次鑄出。

（3）鑄造合金種類不受限制，用于高熔點和難切削合金，更具顯著的優越性。

（4）生產批量基本不受限制，既可成批、大批量生產，又可單件、小批量生產。

缺點：工序繁雜，生產周期長，原輔材料費用比砂型鑄造高，生產成本較高，鑄件不宜太大、太長，一般限于25kg以下。

產品：生產汽輪機及燃氣輪機的葉片，泵的葉輪，切削刀具，以及飛機、汽車、拖拉機、風動工具和機床上的小型零件。

二、金屬型鑄造

金屬型鑄造：將液體金屬在重力作用下澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種方法。鑄型用金屬制成，可以反復使用幾百次到幾千次。

1、金屬型的結構與材料

根據分型面位置的不同，金屬型可分為垂直分型式、水平分型式和復合分型式三種結構，其中垂直分型式金屬型開設澆注系統和取出鑄件比較方便，易實現機械化，應用較廣，如圖1-35所示。

圖1-35 垂直分型式金屬型

圖1-36所示為鑄造鋁合金活塞用的垂直分型式金屬型，它由兩個半型組成。上面的大金屬芯由三部分組成，便于從鑄件中取出。當鑄件冷卻后，首先取出中間的楔片及兩個小金屬芯，然后將兩個半金屬芯沿水平方向向中心靠攏，再向上拔出。

制造金屬型的材料熔點一般應高于澆注合金的熔點。如澆注錫、鋅、鎂等低熔點合金，可用灰鑄鐵制造金屬型；澆注鋁、銅等合金，則要用合金鑄鐵或鋼制金屬型。金屬型用的芯子有砂芯和金屬芯兩種。

圖1-36 鋁合金活塞的金屬型簡圖

2、金屬型的鑄造工藝措施

由于金屬型導熱速度快，沒有退讓性和透氣性，為了確保獲得優質鑄件和延長金屬型的使用壽命，必須采取下列工藝措施：

（1）加強金屬型的排氣

（2）表面噴刷防粘砂涂料

（3）預熱金屬型

（4）開 型

因金屬型無退讓性，除在澆注時正確選定澆注溫度和澆注速度外，澆注后，如果鑄件在鑄型中停留時間過長，易引起過大的鑄造應力而導致鑄件開裂。因此，鑄件冷凝后，應及時從鑄型中取出。通常鑄鐵件出型溫度為780~950℃左右，開型時間為10~60s。

3、金屬型鑄件的結構工藝性

（1）鑄件結構一定要保證能順利出型，鑄件結構斜度應較砂型鑄件為大。

（2）鑄件壁厚要均勻，壁厚不能過?。ˋl-Si合金2~4mm，Al-Mg合金為3~5mm）。

（3）鑄孔的孔徑不能過小、過深，以便于金屬型芯的按放和抽出，

4、金屬型鑄造的特點及應用范圍

金屬型鑄造的特點是：

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

（2）鑄件的晶粒較細，力學性能好。

（3）可實現一型多鑄，提高了勞動生產率，且節約造型材料。

但金屬型的制造成本高，不宜生產大型、形狀復雜和薄壁鑄件；由于冷卻速度快，鑄鐵件表面易產生白口，切削加工困難；受金屬型材料熔點的限制，熔點高的合金不適宜用金屬型鑄造。

用途：銅合金、鋁合金等鑄件的大批量生產，如活塞、連桿、汽缸蓋等；鑄鐵件的金屬型鑄造目前也有所發展，但其尺寸限制在300mm以內，質量不超過8kg，如電熨斗底板等。

三、壓力鑄造

比壓30~70MPa，充型時間0.01~0.2c。

（一）壓鑄機和壓鑄工藝過程

壓鑄機分類：根據壓室工作條件不同，分為冷壓室壓鑄機和熱壓室壓鑄機兩類。熱壓室壓鑄機的壓室與坩堝連成一體，而冷壓室壓鑄機的壓室是與坩堝分開的。冷壓室壓鑄機又可分為立式和臥式兩種，目前以臥式冷壓室壓鑄機應用較多，其工作原理如圖1-37所示。

壓鑄鑄型：定型、動型，將定量金屬液澆入壓室，柱塞向前推進，金屬液經澆道壓入壓鑄模型腔中，經冷凝后開型，由推桿將鑄件推出。冷壓室壓鑄機，可用于壓鑄熔點較高的非鐵金屬，如銅、鋁和鎂合金等。

圖1-37 臥式冷壓室壓鑄機工作原理

（二）壓鑄件的結構工藝性

1．壓鑄件上應消除內側凹，以保證壓鑄件從壓型中順利取出。

2．壓力鑄造可鑄出細小的螺紋、孔、齒和文字等，但有一定的限制。

3．應盡可能采用薄壁并保證壁厚均勻。由于壓鑄工藝的特點，金屬澆注和冷卻速度都很快，厚壁處不易得到補縮而形成縮孔、縮松。壓鑄件適宜的壁厚：鋅合金為1~4mm，鋁合金為1.5~5mm，銅合金為2~5mm。

4．對于復雜而無法取芯的鑄件或局部有特殊性能（如耐磨、導電、導磁和絕緣等）要求的鑄件，可采用嵌鑄法，把鑲嵌件先放在壓型內，然后和壓鑄件鑄合在一起。

（三）壓力鑄造的特點及其應用

壓鑄有如下特點：

（1）壓鑄件尺寸精度高，表面質量好，尺寸公差等級為IT11~IT13，表面粗糙度Ra值為6.3~1.6μm，可不經機械加工直接使用，而且互換性好。

（2）可以壓鑄壁薄、形狀復雜以及具有很小孔和螺紋的鑄件，如鋅合金的壓鑄件最小壁厚可達0.8mm，最小鑄出孔徑可達0.8mm、最小可鑄螺距達0.75mm。還能壓鑄鑲嵌件。

（3）壓鑄件的強度和表面硬度較高。壓力下結晶，加上冷卻速度快，鑄件表層晶粒細密，其抗拉強度比砂型鑄件高25%~40%。

（4）生產率高，可實現半自動化及自動化生產。

不足：氣體難以排出，壓鑄件易產生皮下氣孔，壓鑄件不能進行熱處理，也不宜在高溫下工作；金屬液凝固快，厚壁處來不及補縮，易產生縮孔和縮松；設備投資大，鑄型制造周期長、造價高，不宜小批量生產。

應用：生產鋅合金、鋁合金、鎂合金和銅合金等鑄件；汽車、拖拉機制造業、儀表和電子儀器工業、在農業機械、國防工業、計算機、醫療器械等制造業等。

四、低壓鑄造（0.02~0.06MPa）

（一）低壓鑄造的工藝過程

低壓鑄造裝置如圖1-38a所示。

緩慢地向坩堝爐內通入干燥的壓縮空氣，金屬液受氣體壓力的作用，由下而上沿著升液管和澆注系統充滿型腔，如圖1-38b所示。開啟鑄型，取出鑄件，如圖1-38c所示。

圖1-38 低壓鑄造示意圖

（二）低壓鑄造的特點及應用

特點：

（1）澆注時的壓力和速度可以調節，故可適用于各種不同鑄型（如金屬型、砂型等），鑄造各種合金及各種大小的鑄件。

（2）采用底注式充型，金屬液充型平穩，無飛濺現象，可避免卷入氣體及對型壁和型芯的沖刷，提高了鑄件的合格率。

（3）鑄件在壓力下結晶，鑄件組織致密、輪廓清晰、表面光潔，力學性能較高，對于大薄壁件的鑄造尤為有利。

（4）省去補縮冒口，金屬利用率提高到90～98%。

（5）勞動強度低，勞動條件好，設備簡易，易實現機械化和自動化。

應用：汽車發動機缸體、缸蓋、活塞、葉輪等。

五、離心鑄造

離心鑄造是指將熔融金屬澆入旋轉的鑄型中，使液體金屬在離心力作用下充填鑄型并凝固成形的一種鑄造方法。

（一）離心鑄造的類型

鑄型：金屬型或砂型。

分類：離心鑄造機通?？煞譃榱⑹胶团P式兩大類，如圖1-39所示。

圖1-39 離心鑄造機原理圖

a)立式離心鑄造 b)臥式離心鑄造

（二）鑄型的轉速

根據鑄件直徑的大小來確定離心鑄造的鑄型轉速，一般在250~1500r/min范圍內。

（三）離心鑄造的特點及應用范圍

離心鑄造的特點是：

（1）液體金屬能在鑄型中形成中空的自由表面，不用型芯即可鑄出中空鑄件，簡化了套筒、管類鑄件的生產過程。

（2）由于旋轉時液體金屬所產生的離心力作用，離心鑄造可提高金屬充填鑄型的能力，因此一些流動性較差的合金和薄壁鑄件都可用離心鑄造法生產。

（3）由于離心力的作用，改善了補縮條件，氣體和非金屬夾雜物也易于自金屬液中排出，產生縮孔、縮松、氣孔和夾雜等缺陷的幾率較小。

（4）無澆注系統和冒口，節約金屬。

不足：金屬中的氣體、熔渣等夾雜物，因密度較輕而集中在鑄件的內表面上，所以內孔的尺寸不精確，質量也較差；鑄件易產生成分偏析和密度偏析。

應用：鑄鐵管、汽缸套、銅套、雙金屬軸承、特殊鋼的無縫管坯、造紙機滾筒等鑄件的生產。

六、陶瓷型鑄造

（一）工藝過程

陶瓷型鑄造的工藝過程，如圖1-40所示。

圖1-40 陶瓷型鑄造的工藝過程

1．砂套造型 先用水玻璃砂制出砂套。制造砂套的模樣B比鑄件模樣A應大一個陶瓷料厚度（圖1-40a）。砂套的制造方法與砂型鑄造相同（圖1-40b）。

2．灌漿與膠結 其過程是將鑄件模樣固定于模底板上，刷上分型劑，扣上砂套，將配制好的陶瓷漿料從澆注口注滿砂套（圖1-40c），經數分鐘后，陶瓷漿料便開始結膠。

陶瓷漿料由耐火材料（如剛玉粉、鋁礬土等）、粘結劑（如硅酸乙酯水解液）等組成。

3．起模與噴燒 漿料澆注5~15min后，趁漿料尚有一定彈性便可起出模樣。為加速固化過程提高鑄型強度，必須用明火噴燒整個型腔（圖1-40d）。

4．焙燒與合型 澆注前要加熱到350~550℃焙燒2~5h，燒去殘存的水分、并使鑄型的強度進一步提高。

5．澆注 澆注溫度可略高，以便獲得輪廓清晰的鑄件。

（二）陶瓷型鑄造的特點及適用范圍

陶瓷型鑄造的特點：

（1） 陶瓷面層在具有彈性的狀態下起模，同時陶瓷面層耐高溫且變形小，故鑄件的尺寸精度和表面粗糙度等與熔模鑄造相近。

（2） 陶瓷型鑄件的大小幾乎不受限制，可從幾公斤到數噸。

（3） 在單件、小批量生產條件下，投資少、生產周期短，在一般鑄造車間即可生產。

（4） 陶瓷型鑄造不適于生產批量大、重量輕或形狀復雜的鑄件，生產過程難以實現機械化和自動化。

用途：厚大的精密鑄件，廣泛用于生產沖模、鍛模、玻璃器皿模、壓鑄型和模板等，也可用于生產中型鑄鋼件等。

七、實型鑄造

實型鑄造：采用聚苯乙烯發泡塑料模樣代替普通模樣，造好型后不取出模樣就澆入金屬液，在金屬液的作用下，塑料模樣燃燒、氣化、消失，金屬液取代原來塑料模所占據的空間位置，冷卻凝固后獲得所需鑄件的鑄造方法。其工藝過程如圖1-41所示。

圖1-41 實型鑄造示意圖

實型鑄造具有以下特點

（1） 由于采用了遇金屬液即氣化的泡沫塑料模樣，無需起模，無分型面，無型芯，因而無飛邊毛刺，鑄件的尺寸精度和表面粗糙度接近熔模鑄造，但尺寸卻可大于熔模鑄造。

（2） 各種形狀復雜鑄件的模樣均可采用泡沫塑料模粘合，成形為整體，減少了加工裝配時間，可降低鑄件成本10%～30%，也為鑄件結構設計提供充分的自由度。

（3） 簡化了鑄件生產工序，縮短了生產周期，使造型效率比砂型鑄造提高2~5倍。

缺點：實型鑄造的模樣只能使用一次，且泡沫塑料的密度小、強度低，模樣易變形，影響鑄件尺寸精度。澆鑄時模樣產生的氣體污染環境。

用途：實型鑄造主要用于不易起模等復雜鑄件的批量及單件生產。

八、磁型鑄造

磁型鑄造：在實型鑄造的基礎上發展起來的，利用磁丸（又稱鐵丸）代替干砂，并微震緊實，再將砂箱放在磁型機里，磁化后的磁丸相互吸引，形成強度高、透氣性好的鑄型，澆注時氣化模在液體金屬熱的作用下氣化消失，金屬液替代了氣化模的位置，待冷卻凝固后，解除磁場，磁丸恢復原來的松散狀，便能方便地取出鑄件。磁型鑄造原理如圖1-42所示。

圖1-42 磁型鑄造原理示意圖

磁型鑄造的特點：

（1） 提高了鑄件的質量。因為磁型鑄造無分型面，不起模，不用型芯，造型材料不含粘結劑，流動性和透氣性好，可以避免氣孔、夾砂、錯型和偏芯等缺陷。

（2） 所用工裝設備少，通用性大，易實現機械化和自動化生產。

（3） 節約了金屬及其它輔助材料，改善了勞動條件，降低了鑄件成本。

用途：機車車輛、拖拉機、兵器、農業機械和化工機械等制造業。主要適用于形狀不十分復雜的中、小型鑄件的生產，以澆注黑色金屬為主。其質量范圍為0.25~150kg，鑄件的最大壁厚可達80mm。

九、擠壓鑄造

擠壓鑄造：是將定量金屬液澆入鑄型型腔內并施加較大的機械壓力，使其凝固、成形后獲得毛坯或零件的一種工藝方法。

分類：擠壓鑄造按液體金屬充填的特性和受力情況，可分為柱塞擠壓、直接沖頭擠壓、間接沖頭擠壓和型板擠壓四種，如圖1-43和圖1-44所示。

圖1-43 三種擠壓鑄造原理圖

a)柱塞擠壓 b)直接沖頭擠壓 c)間接沖頭擠壓

圖1-44 型板擠壓鑄造原理圖

（一）擠壓鑄造的工藝過程

擠壓鑄造的工藝過程如圖1-45所示。

1．鑄型準備 對鑄型清理、型腔內噴涂料和預熱等，使鑄型處于待注狀態。

2．澆 注 將定量的金屬液澆入型腔。

3．合型加壓 將上、下型鎖緊，依靠沖頭壓力使金屬液充滿型腔，進而升壓并在預定的壓力下保持一定時間，使金屬液凝固。

4．取出鑄件 卸壓、開型、取出鑄件。

圖1- 45 擠壓鑄造工藝過程示意圖

（二）擠壓鑄造的特點及應用范圍

擠壓鑄造的特點是：

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

（2）需設澆冒口，金屬利用率高。

（3）鑄件組織致密，晶粒細小，力學性能好。

（4）工藝簡單，節省能源和勞動力，易實現機械化和自動化生產，生產率比金屬型鑄造高1~2倍。

缺點：澆到鑄型型腔內的金屬液中夾雜物無法排出。擠壓鑄造要求準確定量澆注，否則影響鑄件的尺寸精度。

用途：用于生產強度要求較高、氣密性好、薄板類鑄件。如各種閥體、活塞、機架、輪轂、耙片和鑄鐵鍋等。

特種鑄造的發展很快，除以上常用的幾種外，還有許多其它特種鑄造方法，如連續鑄造、殼型鑄造、真空吸鑄和冷凍鑄造等。