特种铸造

1. 特种铸造 Verschiedene Form- und Gießverfahren

2. 特种铸造 ——泛指除传统砂型铸造以外的铸造方法 特种铸造一般能至少实现以下一种性能： • 提高铸件的尺寸精度和表面质量 • 提高铸件的物理及力学性能 • 提高金属的利用率(工艺出品率) • 减少原砂消耗量 • 适宜高熔点、低流动性、易氧化合金铸造 • 改善劳动条件，便于实现机械化和自动化

3. 特种铸造不是一个严格的定义，它是指与砂型铸造不同的其它铸造方法，如熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、低压铸造、差压铸造、压力铸造、挤压铸造、离心铸造、连续铸造、真空铸造、消失模铸造、半固态铸造等。它们之中还可再分为若干种铸造方法。特种铸造方法已得到日益广泛的应用，其中一些方法属于近净形成形的先进工艺，近年来发展的速度极快。特种铸造不是一个严格的定义，它是指与砂型铸造不同的其它铸造方法，如熔模铸造、陶瓷型铸造、金属型铸造、低压铸造、差压铸造、压力铸造、挤压铸造、离心铸造、连续铸造、真空铸造、消失模铸造、半固态铸造等。它们之中还可再分为若干种铸造方法。特种铸造方法已得到日益广泛的应用，其中一些方法属于近净形成形的先进工艺，近年来发展的速度极快。 同时，随着科学技术的发展，新的特种铸造方法还在不断产生。如20世纪末出现的快速铸造，它是快速成型技术和铸造结合的产物。而快速成型技术则是计算机技术、CAD、CAE、高能束技术、微滴技术和材料科学等多领域高科技技术的集成。快速铸造使铸件能够被快速生产出来，满足科研生产的需要。今后，新的特种铸造方法仍将随着技术的发展不断涌现出来。

4. 1. 熔模铸造 Feingießverfahren 定义 ——熔模铸造通常是在可熔模样的表面涂覆多层耐火材料，待其氧化干燥后，加热将其中模样熔去，而获得具有与模样形状相应空腔的型壳，再经过焙烧，然后在型壳温度很高的情况下进行浇注，从而获得铸件的一种方法。 Investment casting Lost wax casting/Lost-wax casting Lost pattern casting Precision casting The ceramic mold, known as the investment The technique of investment casting is both one of the oldest and most advanced of the metallurgical arts.

5. 熔模铸造工艺过程

6. No. 1 Wax Injection • 熔模铸造生产中的第一道工序就是制造熔模。 • 型壳内表面光滑，尺寸精确的型腔是由熔模形成的，因此熔模本身必须有高的尺寸精度和细的表面粗糙度。熔模材料本身还要满足随后型壳制造工艺的一系列要求。 • 熔模是在压型（制造熔模的模具）中形成的，熔模材料（简称模料）还需适用于制造熔模的工艺。

7. No. 2 Assembly 熔模的组装是把形成铸件的熔模和形成浇冒口系统的熔模组合在一起，主要有两种方法：1、焊接法 用薄片状的烙铁，将熔模的连接部位熔化，使熔模焊在一起。此法较普遍。2．机械组装法 在大量生产小型熔模铸件时，国外已广泛采有机械组装法组合模组，采用此种模组可使模组组合和效率大大提高，工作条件也得到了改善。

8. No. 3 Shell Building 熔模铸造的铸型可分为实体型和多层型壳两种 目前普遍采用的是多型壳。 将模组浸涂耐火涂料后，撒上料状耐火材料，再经干燥、硬化，如此反复多次，使耐火涂挂层达到需要的厚度为止，这样便在模组上形成了多层型壳，通常将近其停放一段时间，使其充分硬化，然后熔失模组，便得到多层型壳。

9. 制壳用材料 　　制造型壳用的材料可分为两种类型 □一种是用来直接形成型壳的，如耐火材料、粘结剂等，构成涂料 □另一类是为了获得优质的型壳，简化操作、改善工艺用的材料，如熔剂、硬化剂、表面活性剂（润湿、消泡）等。 1）耐火材料　　目前熔模铸造中所用的耐火材料主要为石英和刚玉，以及硅酸铝耐火材料，如耐火粘土、铝钒土、焦宝石等。有时也用锆英石、镁砂（MgO）等。 2）粘结剂　　在熔模铸造中用得最普遍的粘结剂是硅酸胶体溶液（简称硅酸溶胶），如硅酸乙酯水解液、水玻璃和硅溶胶等。组成它们的物质主要为硅酸（H2SiO3）和溶剂，有时也有稳定剂，如硅溶胶中的NaOH。　　硅酸乙酯水解液是硅酸乙酯经水解后所得的硅酸溶胶模铸造中用得最早、最普遍的粘结剂；水玻璃壳型易变形、开裂，用它浇注的铸件尺寸精度和表面光洁度都较差。但在我国，当生产精度要求较的碳素钢铸件和熔点较低的有色合金铸件时，水玻璃仍被广泛应用于生产；硅溶胶的稳定性好，可长期存放，制型壳时不需专门的硬化剂，但硅溶胶对熔模的润湿稍差，型壳硬化过程是一个干燥过程，需时较长。

10. No.4 De-wax/Burnout/Pre-heat 脱蜡De-wax 常用加热方法：热水法和高压蒸汽法。 热水法：95℃未沸腾 适用于蜡基模料熔模 缺点：砂粒易落入型壳内引起铸件夹砂 　　　溶化不均匀引起型壳开裂 　　　粘接剂吸水回溶引起型壳破 　　　热水中模料易皂化 高压蒸汽法：350~600kPa, 150 ℃, 10~15min 适用于松香基和蜡基模料熔模 焙烧／预热Burnout/Pre-heat 型壳强度足够——直接进行高温焙烧 需要精密度较高的铸件——将型壳埋入装有填充物的箱中再进行焙烧

11. No. 5 Gravity Pouring 　　熔模铸造技术的核心是型壳的制造，浇注过程可以和其他各种铸造方法相结合： 普通铸造浇注过程 热型重力浇注 真空浇注 离心浇注 真空吸铸（CLA法） 定向凝固 ——利用冷却水循环系统等建立 　　　　单向散热条件 特种铸造

12. No. 6 Knock-out/Cut-off 敲打 振击 电液压清理 高压水清理 型壳 浇冒口 残留耐火材料等 No. 7 Finished Castings

13. 工艺特征 • Investment casting is used with almost any castable metal, however aluminium alloys, copper alloys, and steel are the most common. In industrial usage the size limits are 3 g (0.1 oz) to about 5 kg (11 lb). The cross-sectional limits are 0.6 mm (0.024 in) to 75 mm (3.0 in). Typical tolerances are 0.1 mm for the first 25 mm (0.005 in for the first inch) and 0.02 mm for the each additional centimeter (0.002 in for each additional inch). A standard surface finish is 1.3–4 microns (50–125 μm) RMS. • The advantages of investment casting are: • Excellent surface finish良好的表面 • High dimensional accuracy高尺寸精度 • Extremely intricate parts are castable可以铸造特别复杂的部件 • Almost any metal can be cast几乎适用于所有金属 • No or 无飞溅或分型面痕 • The main disadvantage is the overall cost. Some of the reasons for the high cost include specialized equipment, costly refractories and binders, many operations to make a mold, a lot of labor is needed and occasional minute defects.

14. 2. 金属型铸造 Kokillenguss 定义: 金属型铸造是指将金属液用重力浇注法浇入金属型，以获得铸件的一种铸造方法。由于铸型可以反复使用很多次（几百到几千次），故有永久型铸造（Dauermodell）之称。也曾经有过硬模铸造的称谓。

15. 金属型铸造的特点及应用范围 Eigenschaft 1、机械性能高，与砂型相比，抗拉强度提 高 25％、延伸率提高20％； 2、铸件的精度和表面光洁度高； 3、铸件的工艺收得率高，节约15～30％； 4、劳动条件好、有利于环保； 5、生产效率高，易实现机械化和自动化。

16. 缺点 Nachteile: 1、生产成本高，适合大批量生产 2、铸件易形成浇不足和开裂等缺陷， 3、工艺过程参数控制严格 4、采用金属型生产的铸件重量和形状方面 有局限性不易制造复杂、薄壁件。

21. 金属液流 P 型腔 V 金属型浇注时，型腔内气体压力的变化

22. 型腔里的“气阻”阻碍铸件成型 1－气阻；2－金属型；3－液体金属； 4－金属型芯

23. 2、金属型铸件凝固过程中热交换的特点 金属型壁的作用： 积蓄和传递热量。 铸件－间隙－金属型系统的温度分布

24. 铸件凝固时间，秒 金属型壁厚，毫米 铸件凝固时间与金属型壁厚的关系

25. 金属型的浇注 Gießtemperatur 金属型浇注主要控制浇注温度和浇注速度 各种合金的浇注温度 ℃

26. 回转浇注示意图 1－平板；2－金属型；3－浇包；4－转轴； 5－支架

27. 金属型铸件的工艺参数 1、线收缩率 与合金成分、铸件结构，型中受阻情况、出型温度 2、铸造斜度 3、加工余量，一般在0.5~4毫米之间。

28. 金属型铸造工艺 金属型的预热 Vorwärmen 未预热的金属型不能进行浇注。这是因为金属型导热性好／液体金属冷却决，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足夹杂、气孔等缺陷。未预热的金属型在浇注时，铸型，将受到强烈的热击，应力倍增，使其极易破坏。因此，金属型在开始工作前，应该先预热，适宜的预热温度（即工作温度），随合金的种类、铸件结构和大小而定，一般通过试验确定。一般情况下，金属型的预热温度不低于150C。 金属型的预热方法有：（1）用喷灯或煤气火焰预热； （2）采用电阻加热器； （3）采用烘箱加热，其优点是温度均匀，但只适用于小件的金属型； （4）先将金属型放在炉上烘烤，然后浇注液体金属将金属型烫热。 这种方法，只适用于小型铸型，因它要浪费一些金属液，也会降低铸型寿命。

29. 金属型的涂料 涂料应符合下列技术要求：要有一定粘度，便于喷涂，在金属型表面上能形成均匀的薄层；涂料干后不发生龟裂或脱落，且易于清除；具有高的耐火度；高温时不会产生大量气体；不与合金发生化学反应（特殊要求者除外）等。 调节铸件的冷却速度 涂料的作用 保护金属型，防止高温金属液对型壁的冲蚀和热击 利用涂料层蓄气排气 1．粉状耐火材料（如氧化锌，滑石粉，锆砂粉、硅藻土粉等） 涂料配方 2．粘结剂（常用水玻璃，糖浆或纸浆废液等） 3．溶剂（水）

30. 提高金属型寿命的途径：1．选用导热系数大，热膨胀系数小，而且强度较高的材料制造金属型；2．合理的涂料工艺，严格遵守工艺规范；3．金属型结构合理，制造毛坯过程中应注意消除残余应力；4．金属型材料的晶粒要细小。提高金属型寿命的途径：1．选用导热系数大，热膨胀系数小，而且强度较高的材料制造金属型；2．合理的涂料工艺，严格遵守工艺规范；3．金属型结构合理，制造毛坯过程中应注意消除残余应力；4．金属型材料的晶粒要细小。 5．控制好工作温度，尽可能早取出铸件。

31. 金属型铸造特征 Eigenschaft von Kokillenguss • The main advantages are: • reusable mold, • good surface finish • good dimensional accuracy. • Typical tolerances are 0.4 mm for the first 25 mm (0.015 in for the first inch) and 0.02 mm for each additional centimeter (0.002 in per in); if the dimension crosses the parting line add an additional 0.25 mm (0.0098 in). Typical surface finishes are 2.5 to 7.5 μm (100–250 μin) RMS. A draft of 2 to 3° is required. Wall thicknesses are limited to 3 to 50 mm (0.12 to 2.0 in). Typical part sizes range from 100 g to 75 kg (several ounces to 150 lb). • Other advantages include : • The ease of inducing directional solidification by changing the mold wall thickness or by heating or cooling portions of the mold. • The fast cooling rates created by using a metal mold results in a finer grain structure than sand casting. • Retractable metal cores can be used to create undercuts while maintaining a quick action mold.

32. There are three main disadvantages: • high tooling cost, • limited to low-melting-point metals • short mold life. • The high tooling costs make this process uneconomical for small production runs. When the process is used to cast steel or iron the mold life is extremely short. For lower melting point metals the mold life is longer but thermal fatigue and erosion usually limit the life to 10,000 to 120,000 cycles.

33. 3. 压力铸造 Druckguss 定义: 压力铸造(Pressure Casting/Die Casting/High Pressure Die Casting)是液态或半固态金属在活塞的高压作用下以较高的速度充填铸型型腔,并在压力作用下凝固而获得铸件的方法。 • 半固态——semisolid; semi solid state 半固态是指合金内既存在球团状固相又存在流体液相的两相状态.半固态铸造是合金在凝固过程中,进行剧烈搅拌或控制固-液温度区间,得到半固态组织,然后浇注成形的方法。 20世纪70年代初美国麻省理工学院的学者开始半固态研究。 • 高压——作用在金属上的压力可为几个到几十个MPa，有时甚至达200MPa。 • 充填速度——充型线速度约为0.5~75m/s，有时可高达120m/s。相应的充型时间则很短，一般为0.01~0.2s。 • Die——模具；冲模；压模——引申为：一种硬模铸造

34. 1、压铸时金属所受压力和活塞移动速度 ——以卧式冷压室压铸机为例 • 压室全断面充满阶段 • 一般金属液所占压室体积只占压室整体体积的75%以下，所以活塞开始移动后，首先推动金属液全断面充满压室靠近铸型一端的部分——压射活塞的速度从0开始上升，活塞前段金属液面抬高和传布。 第一级增压 A 活塞移动的加速过慢 则可能会使液面上波峰的前进传布速度大于活塞的移动速度，当波峰前进传布到达压室的左端面时，在波峰后面的金属液面上还有一个充满空气的空间，最后反流波峰和活塞面上升高的金属液便会在压室中裹进被封死的空气进入压铸型，使铸件中形成气孔。

35. B 活塞移动的加速过快 在活塞端面前可能会形成液流的波峰，它也会把空气裹入金属液，在铸件中形成气孔。 C 活塞移动速度适当 随着活塞的移动，在活塞端面前形成充满压室整个断面的液面抬高短，随着活塞的继续前进，一次增加抬高段的程度，把压室内空气向左挤，进入型腔，通过排气通道进入大气。 瑞士已有技术实现活塞移动的等加速压射系统，可获得理想压室全断面的充满过程。

36. 第二级增压 • ② 活塞快速压射、型腔充填阶段 • 金属液在活塞压力作用下经浇道快速充填型腔 • 一般活塞的移动速度约为1000~1200mm/s； • 型腔填充时间仅为十分之几秒至百分之几秒； 活塞施加在金属液上的压力增大，在加上活塞移动的高速度，使得金属液能够克服在浇道和型腔中流动时所遇到的阻力，表现出很好的充型能力。由于金属液本身一部分能量消耗于摩擦和它本身运动的动能，所以金属上的压力比压室中金属液的压力小。 • 在型腔被金属充满的时刻，快速流动的金属液突然速度降低为零，金属液的动能瞬间便为压力： • 这一压力促使金属液更紧密的贴近型腔表面，完成最后的充型； • 同时也更进一步的改善了金属液与型壁间的热传导，促使压铸件晶粒变得很细小； • 还可使金属液中裹进的气泡体积变小，减小了铸件中气孔的危害。

37. ③ 增压、保压阶段 先进的压铸机上，在压铸结束的末了都有一个突然增高活塞上压力的空置机构，使得在0.01~0.02s时间内活塞上的压力可以突然升到某一设定值，一方面抵消充型重点金属液所产生的反压力，同时也争取在压铸性内内浇道凝固前加大压室中金属液上的压力，增大这部分金属的补缩能力，进一步提高铸件的致密度。此一增大的压力值一直保持到型内铸件完全凝固。最终的压力值可为50~500MPa。 第三级增压

38. 压铸用涂料 压铸过程中，为了避免铸件与压铸型焊合，减少铸件顶出的摩擦阻力和避免压铸型过分受热而采用涂料。对涂料的要求： 1）在高温时，具有良好的润滑性； 2）挥发点低，在100～150℃时，稀释剂能很快挥发； 3）对压铸型及压铸件没有腐蚀作用； 4）性能稳定在空气中稀释剂不应挥发过决而变稠； 5）在高温时不会析出有害气体； 6）不会在压铸型腔表面产生积垢。 常用的压铸涂料及配置方法

39. 4. 挤压铸造 Druckguss Definition Squeeze casting, also known as liquid metal forging, is a combination of casting and forging process. 挤压铸造( 又称液态模锻) , 作为一种实现锻铸相结合, 净成形的先进工艺技术， 是指液态或半固态金属在压力作用下以合理的速度充填模腔并在高压下快速凝固成型的方法。是介于铸、锻之间的一种少无切削工艺技术。其基本原理是：浇入到模具内的液态或半固态金属在较高的压力下成型、凝固并伴有微量的塑性变形组织。

40. 合金压力下结晶的强化机理 • 改变合金状态图和某些热物理参数 • 结晶时体积收缩的纯金属和共晶合金,如铝、镁、锌、钢、铁及Al2Si 等,压力下结晶会使其熔点升高,即增加其过冷度,这有利于合金显微组织的细化。反之,结晶时体积膨胀的金属与共晶合金则会有相反的结果。实际上,压力的变化会导致整个状态图变化,如改变相变点位置、相区范围,甚至相的性质等。 • 以Al2Si 状态图为例,随压力升高, • 纯铝熔点升高;Al2Si 共晶点向高温 • 和富硅的方向移动,硅在铝中的 • 固溶体即α相区扩大,也向高温富硅 • 方向移动。这将对初晶硅的形成, • α相的强化产生一定的影响。

41. 影响合金的宏观晶粒度,细化其显微组织 • 压力对合金结晶的宏观晶粒度的影响是复杂的,要视其他工艺条件而定。由于压力结晶会改善合金与铸型壁的热交换条件,使生长中的枝晶破碎,以形成新晶核,因此,在工艺选配得当的情况下,压力结晶是可以使合金宏观晶粒细化的。但是工艺不当时,在某些条件下,压力会促进发达柱状晶的形成。由于合金的显微组织(即枝晶间距或胞晶尺寸) 与其合金成分及凝固速度有关,因此绝大多数情况下,压力会细化合金的显微组织,对改善合金力学性能是有利的。 • 阻止气体的析出及气孔的形成 • 这是由于外部的压力能提高气体在合金中溶解度,并阻止气泡在液态合金中的形核及长所致。这无疑对提高挤压铸件内部质量是至关重要的。

42. 压力补缩及塑性变形的作用 • 压力补缩是挤压铸造的最主要特征。而为了使凝固中的液态合金受压,外加的机械压力必须使已形成的结晶硬壳不断压缩变形才能实现。因此,挤压铸造过程会使铸件有少量塑性变形。当然这种压力补缩及塑性变形的效果是与铸件形状、挤压方式和工艺参数密切相关的,也是决定铸件合金强化效果的关键所在。 • 压力增大液态合金的流动性,减少铸件收缩及裂纹倾向 • 　　挤压铸造时,液态合金是靠压力充型的。因此,挤压铸造对合金本身的铸造流动性的要求不高。压力下凝固可减少合金凝固的铸造收缩率,一般情况下,挤压铸造的收缩率为常规金属型铸造的1/ 2～1/ 3 ,因而挤压铸造可减少合金的铸造裂纹倾向。因此,挤压铸造对合金本身的铸造性能(即上述的流动性、裂纹倾向等) 要求不高。使某些铸造性不好的变形合金也适用于挤压铸造工艺生产。

43. Heat treatment of squeeze castings 一般情况下,只要工艺、工装设置合理,挤压铸件是可以进行固溶热处理(T6)的,但在实际生产中,尤其是间接挤压铸件在固溶处理时往往会出现“起泡”缺陷,使热处理无法进行, 20世纪90年代中后期造成我国挤压铸造摩托车铝轮产量急剧下滑,与当时热处理技术未过关也是重要原因之一。 为控制热处理“起泡”缺陷,即尽量减少气体及夹渣卷入液态金属中,要采取如下措施。 (1) 须严格控制液态金属的充型速度(浇口速度) ,一般情况下,要控制在0. 8 m / s以下。对直接挤压铸造,此由挤压冲头速度来控制,一般在0. 1～0. 4 m / s之间,间接挤压铸造由浇口速度,或铸件最窄处速度来测算,一般控制在0. 5～1. 0 m / s之间。

44. (2) 应使用水剂涂料,要禁止用油剂或腊基涂料,而且浇注前,一定要将料缸,型腔中的水气吹干。 (3) 要解决好模具的集渣,排气问题,对挤压铸造模具,一般是采用模具的配合间隙,排气槽,集渣包,顶杆等进行排气,对于形状复杂又要求严格的铸件,有的还需使用排气块、排气阀,甚至真空等方法排气。 (4) 在模具的进料系统及内浇道设计时,要尽量减少液态金属流对型态和模腔壁的正面冲击,使液态金属的浮渣和已凝固的硬壳尽量挡在料缸内,形成料饼或进入渣包中,并使型腔中气体能顺利排出。

45. 5. 低压铸造 Niderdruckguss

46. 概述 在二十世纪初期，国外开始研究并应用低压铸造工艺，同时期，英国E.H.Lake登记了第一个低压铸造专利，主要用于巴氏合金的铸造。法国人制定了用于铝合金和铜合金的计划，并首先在铝合金铸造生产中得到推广使用。    第二次世界大战爆发后，随着航空工业的发展，英国广泛地采用低压铸造生产技术要求较高的航空发动机的气缸等轻铝合金铸件，并采用金属性低压铸造，大量生产高硅铝合金铸件。北美的汽车工业和电机工业又广泛采用金属型低压铸造生产汽缸、电机转子等重要铸件。这样，低压铸造工艺迅速扩散到通用机械、纺织机械、仪表和商业产品的领域。    我国从五十年代开始研究低压铸造，但发展一直比较缓慢。随着汽车工业的发展，和大量新技术的采用，在上世纪末和本世纪初，低压铸造在我国得到快速发展，国产低压铸造机的功能和性能，及使用的稳定性和可靠性已经接近或达到国际先进水平，被大量用于汽车轮毂、汽车缸盖等铸件的生产。

47. 低压铸造原理 低压铸造是使液体金属在压力作用下充填型腔，以形成铸件的一种方法。由于所用的压力较低，所以叫做低压铸造。其工艺过程如下：在装有合金液的密封容器（如坩埚）中，通入干燥的压缩空气，作用在保持一定浇注温度的金属液面上，造成密封容器内与铸型型腔的压力差，使金属液在气体压力的作用下，沿升液管上升，通过浇口平稳地进入型腔，并适当增大压力并保持坩埚内液面上的气体压力，使型腔内的金属液在较高压力作用下结晶凝固。然后解除液面上的气体压力，使开液管中未凝固的金属液依靠自重流回坩埚中，再开型并取出铸件，至此，一个完整的低压浇铸工艺完成。低压铸造工艺过程演示如下：

48. 低压铸造优点Vorteile des Niederdruckgiessens 1·常用压力为0.02~0.06MPa。介于重力和压力铸造之间。 2·铸件轮廓清晰、组织致密。 3·金属利用率高（可达90%以上）。 4·浇注方法为底注式充型，无金属液的飞溅，不对铸型 冲刷，故铸件中无针孔等缺陷。 5·设备简单，易于实现机械化、自动化。 6·升液管的寿命短，金属液在保温过程中易氧化。 主要应用于铸造性能要求高的铝合金和镁合金铸件。 如：汽缸体、缸盖、曲轴箱等铸件。

49. 低压铸造设备

50. 6. 离心铸造 Schleuderguss Definition Centrifugal casting, sometimes called rotocasting, is a metal casting process that uses centrifugal force to form cylindrical parts. This differs from most metal casting processes, which use gravity or pressure to fill the mold. In centrifugal casting, a permanent mold made from steel, cast iron, or graphite is typically used. However, the use of expendable sand molds is also possible. 离心铸造是将液体金属浇入旋转的铸型中，使液体金属在离心力的作用下充填铸型和凝固形成的一种铸造方法。