金属铸造成型综述分析

金属铸造成型综述分析

张龙飞、任俊伟、王惠东、穆航、陈文涛、杨鸿宇、刘铸张定军、王嘉坤、郑景文、陈隆祥、于淦峰、楚鹤鸣、王兆杰

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 山东青岛 266000

摘要：在快速的复合材料的发展过程中，金属铸造成型是需要持续进行研究和精通的技术。无论金属铸造成型的工艺原理、铸造成型的金属种类还是铸造成型的方法，都时时刻刻离不开金属铸造成型技术的深层次度研究。本文主要从金属铸造成型的原理和方法进行分析，然后进一步分析其特点。金属铸造成型技术的综合研究，将会有助于新型动车机车复合零部件制造技术的进一步发展与应用。

关键词：铸造成型、工艺原理、铸造金属、铸造方法、展望

正文

1金属铸造成型概述

在我国古代，常用的铸造工艺主要有范铸法和失蜡法。范铸法是用范组合成铸型进行浇注的方法，根据所用范的不同，可分为石范铸造、泥范铸造、金属范铸造等。夏、商、周是人类青铜文化史上最为光辉灿烂的时代，中国在金属冶炼、铸造以及合金技术、加工技术等方面都取得了极其伟大的成就。商代晚期青铜器铸造技术进入鼎盛阶段，青铜器已应用在农具、武器、礼器、生活用品等各个方面，铸造出了大量著名的青铜器铸件。

金属铸造是指将金属熔炼成符合一定要求的液体并浇注到铸型里，经冷却凝固、清整处理后得到有预定形状、尺寸和性能的铸件的工艺过程。铸造毛胚因近乎成形，而达到免机械加工或少量加工的目的，降低了成本并在一定程度上减少了时间。铸造是现代机械制造工业的基础工艺之一。

金属铸造有很多的特点：（1）适用范围广：铸造生产方法几乎不受零件的尺寸大小、壁的薄厚和形状复杂程度的限制，适用范围广泛；利用铸造方法可以铸造各种尺寸规模合金铸件。（2）可制造各种合金铸件：铸造方法可以生产铸钢件、铸铁件以及多种铝合金、铜合金、镁合金、钛合金、锌合金等铸件。对于脆性金属或合金，铸造是唯一可行的成型方法。（3）成本低廉：铸件在一般机器生产中占总质量的40%～80%，而成本只占机器总成本的25%～30%。

2铸造成型工艺原理

2.1液态金属对铸型的充填

液态金属的充型能力是指液态金属流经浇注系统并充满铸型的型腔的全部空间，形成轮廓清晰、形状完整的铸件的能力。影响充型能力的因素主要有四点：金属性质、铸型性质、浇注条件与铸件结构。

金属的内部因素决定着金属本身的流动性。铸型的阻力影响金属液的充填速度，铸型与液态金属的热交换强度影响其流动时间，所以铸型性质方面的因素对液态金属的充型能力有重要的影响。浇注温度提高增加了合金的过热热量。因为合金单位体积的热含量增加，所以充型能力改善，超过一定温度后，由于金属吸气增多，氧化严重，充型能力不再提高。铸件的折算厚度和复杂程度决定了铸型型腔结构特点。折算厚度越大，热量散失越慢，充型能力越好；复杂程度越大，流动阻力越大，充型越困难。

2.2液态金属的结晶及组织控制

近程有序的液相结构通过原子迁移、堆砌、相变转变为远程有序的晶体固相。温度由左到右逐渐升高，左端已完全凝固，右端尚是液体，液体中已形核；但晶核形成先后顺序不同，有的已长大并分支，但此处仍有新的晶核刚刚形成；晶核越多，则所得铸件晶粒越细小。结晶时，都先由晶核发展成树枝状晶，逐渐向液体内部伸展，形成骨架。树枝分支间剩余的液体逐渐向分支凝固，形成整个晶粒。

2.3金属铸造成型缺陷

铸件缺陷的种类有很多。分析铸件缺陷及成因，检验铸件质量，修补铸件的缺陷对于铸件生产工艺优化至关重要。金属铸造成型缺陷有很多的种类：气孔、粘砂、破损、沙眼、浇不足、毛刺、缩孔。缩孔和缩松的别名为缩眼，是由于金属液体在凝固期间产生收缩引起。缩孔和缩松的形状不规则，孔内粗糙不平、晶粒粗大。缩孔和缩松产生的主要原因是因为铸件结构设计不合理，浇铸系统不适当，冷铁的大小、数量、位置不符实际，铁水化学成份不符合要求。气孔别名气眼，铸件气孔一般是圆形或不规则的孔眼，孔眼内表面光滑，颜色为白色或带一层旧暗色。渣孔是因为夹渣包渣，铁水温度不高，浇注挡渣不当造成。渣孔的孔眼形状不规则，不光滑，内部充塞着渣。

3铸造金属及方法

3.1主要金属铸造材料

铸铁是指含碳量在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2.5%～3.5%。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%～3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。铸钢是铸造合金的一种，以铁、碳为主要元素，含碳量在0～2%之间。铸钢是指专用于制造钢质铸件的钢材。当铸件的强度要求较高、采用铸铁不能满足要求时应采用铸钢；但铸钢的钢水流动性不如铸铁，故浇注结构的厚度不能太小，形状亦不应太复杂；将含硅量控制在上限值时可改善钢水的流动性。铸造非铁合金是以一种非铁金属元素为基本元素，再添加一种或几种其他元素所组成的合金。非铁合金也可以含有铁，但不是主要成分，它仅仅是作为合金元素或杂质存在于非铁合金当中。

3.2金属铸造方法分类

3.2.1

砂型铸造

砂型铸造是一种以砂作为主要造型材料，制作铸型的传统铸造工艺。铸造行业的80%以上的产品都是砂型铸造完成的，因此日常生活中通常所讲的铸造一般就是指砂铸，即砂型铸造。

3.2.2砂模铸造

砂型铸造所用的造型材料价廉易得，铸型制造简便，对铸件的单件生产、成批生产和大量生产均能适应，长期以来，一直是铸造生产中的基本工艺。每个砂质铸型只能浇注一次，所以砂型铸造的生产效率较低；又因为砂的整体性质软而多孔，所以砂型铸造的铸件尺寸精度较低，表面也较粗糙。

3.2.3特种铸造

随着科学技术的发展，对铸造提出了更高的要求，要求生产出更加精确、性能更好、成本更低的铸件。为适应这些要求，铸造工作者发明了许多新的铸造方法，这些方法统称为特种铸造方法，即特种铸造。

3.2.4熔模铸造

用蜡料做模样时，熔模铸造又称失蜡铸造。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。在航空发动机中，涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“王冠上的明珠”。涡轮叶片的性能水平，特别是承温能力，成为一种型号发动机先进程度的重要标志，在一定意义上，也是一个国家航空工业水平的显著标志。

3.2.5离心铸造

离心铸造几乎不存在浇注系统和冒口系统的金属消耗，提高工艺出品率。离心铸造的生产中空铸件时可不用型芯，故在生产长管形铸件时可大幅度地改善金属充型能力。离心铸造的铸件致密度高，气孔、夹渣等缺陷少，力学性能高

3.2.6低压铸造

低压铸造的工艺过程是：在密封的坩埚中，通入干燥的压缩空气，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，并保持坩埚内液面上的气体压力，一直到铸件完全凝固为止；然后解除液面上的气体压力，使升液管中未凝固的金属液流坩埚，再由气缸开型并推出铸件。

3.2.7特种铸造

特种铸造的铸件尺寸精确，表面粗糙值低，更接近零件最后尺寸，从而易于实现少切削或无切削加工。特种铸造的铸件内部质量好，力学性能高，铸件壁厚可以减薄。特种铸造可以减低金属消耗和铸件废品率。特种铸造可以简化铸造工序（除熔模铸造外），便于实现生产过程的机械化和自动化。特种铸造可以改善劳动条件，提高劳动生产率。

4发展与展望

    材料是人类生存和社会发展的物质基础，但所有的材料都要进行成型加工后才能使用。先进的金属成型技术，既对新材料的研究开发与实际应用具有决定性的作用，也有效地改进和提高传统材料的使用性能。铸造作为重要的机械工业的基础行业，在信息高速发展的现如今，提高铸造的生产加工效率和生产质量，将是广大铸造工作者的必须要面临的课题。铸造技术的发展必然要为社会进步和经济发展的大局所左右，绿色铸造的概念体现了高速发展着的文明进程的人性化特征和经济可持续发展的总体要求。绿色铸造的目标使铸件从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负面影响降低到最小，从而使得资源效率最高。从而使企业经济效益和社会效益达到最优化。

第一作者简介：张龙飞（1998年02月），性别：男；籍贯：山东省潍坊市；学历：硕士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，工程师；现发表SCI 2区论文1篇，北大核心论文1篇，另有4项软件著作权与1项计算机类专利。地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：材料加工、人工智能。

第二作者简介：任俊伟（1992年11月），性别：男；籍贯：山东省烟台市；学历：博士；单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司，材料工程师；北京大学博雅元培教授；中国管理科学研究院教授；地址：山东省青岛市城阳区锦宏东路88号；研究方向：新材料，装备制造，应急管理，医药化工。

作者简介：张飞龙（1998年2月-）性别：男，民族：汉族，籍贯：山东省潍坊市，学历：硕士研究生，研究方向：材料加工、人工智能。