《金属材料铸造》课件

金属材料铸造欢迎来到金属材料铸造课程本课程将系统性地介绍金属铸造工艺的基本原理、工艺流程、材料特性以及质量控制方法铸造作为一种重要的金属成形工艺，在现代工业制造中扮演着不可替代的角色课程概述基本概念与流程深入了解金属铸造的核心原理、基本特点和工艺流程，掌握铸造在工业生产中的应用基础与技术要点工艺详细介绍全面剖析传统与现代铸造工艺的技术特点、操作流程和应用领域，包括砂型铸造、金属型铸造、压力铸造等多种工艺方法材料性能与选择探讨铸造材料的性能特点、选择标准和适用条件，帮助您根据不同应用需求选择最佳铸造材料缺陷分析与质量控制第一章铸造基础铸造历史发展金属铸造历史可追溯至公元前5000年，从简单的青铜器铸造到现代精密铸造工艺，不断发展演进，成为人类文明进步的重要标志工业生产重要地位铸造技术是现代工业制造的基础工艺之一，大约60%的机械零部件通过铸造工艺生产，在国民经济中占据重要地位现代应用领域现代铸造技术广泛应用于汽车制造、航空航天、军工装备、能源电力等高端制造领域，推动着工业技术的不断创新铸造的基本概念金属熔化将固态金属加热至液态状态，形成具有良好流动性的熔融金属液这一过程需要精确控制温度，确保金属充分熔化而不过热浇注成型将熔融金属液体浇入预先制备好的与零件形状相适应的铸型型腔中，使金属液填充整个型腔空间冷却凝固浇注后的金属液在铸型中冷却凝固，由液态转变为固态，形成与型腔形状相同的金属固体获得铸件从铸型中取出凝固后的金属铸件，经过清理、后处理等工序，最终得到所需的毛坯或成品零件铸造的基本特点液态成形铸造利用金属在液态状态下的流动性进行成形，这是其最基本的工艺特点金属在熔融状态下可以流动填充各种复杂的型腔形状，实现难以通过其他加工方法获得的复杂结构压力充型熔融金属在重力、压力或离心力等外力作用下充满铸型内部的型腔不同的压力条件会影响金属液的流动性能和充型质量，进而影响最终铸件的内部质量凝固成形金属液通过凝固过程转变为固态，在此过程中伴随着体积收缩、组织形成等复杂物理冶金过程控制凝固过程是获得高质量铸件的关键环节复杂成形能力铸造可以一次性成形几何形状复杂的零件，包括内腔、薄壁、异形面等难以用切削加工获得的结构，大大简化了制造流程，节约材料和加工成本铸造的应用领域机械制造业汽车工业航空航天机械制造业中超过60%的零部件通过铸造汽车工业是铸造技术的主要应用领域之航空航天领域需要高性能、高可靠性的关工艺生产，包括发动机缸体、缸盖、曲一，变速箱壳体、底盘部件、制动系统等键零部件，如涡轮叶片、结构件等，这些轴、飞轮等核心零件这些铸件通常结构关键零件多采用铸造工艺铸造技术的进零件通常采用精密铸造工艺生产，以满足复杂，对强度和耐磨性要求高步促进了汽车轻量化和性能提升严格的性能要求和安全标准铸造的分类方法按浇注方式分类按铸型材料分类重力铸造利用金属液自重充填型腔砂型铸造使用砂质材料制作一次性铸型压力铸造在高压作用下充填型腔金属型铸造使用金属材料制作永久性铸型低压铸造利用低压力将金属液压入型腔特种铸型铸造石膏型、陶瓷型、石墨型等真空吸铸利用真空吸力充填型腔按铸件材质分类按凝固方式分类铁基合金铸造铸铁、铸钢等普通铸造自然冷却凝固铝基合金铸造各类铝合金定向凝固铸造控制凝固方向铜基合金铸造青铜、黄铜等单晶铸造获得单一晶体组织镁、锌、钛等特种合金铸造铸造工艺的选择因素铸件性能要求最终产品的力学性能、表面质量和使用条件要求结构与精度要求铸件的结构复杂程度和尺寸精度需求生产规模与经济性批量大小、投资成本和生产效率设备与技术条件现有设备、工艺实施可行性和技术水平铸造工艺的选择是一个综合考量的过程，需要平衡产品性能要求与生产条件限制正确的工艺选择能够优化产品质量、降低生产成本、提高生产效率在实际应用中，常常需要进行多方案对比和试验验证，以确定最佳铸造工艺路线第二章砂型铸造砂型铸造的定义与特点使用砂质材料制作一次性铸型的传统铸造方法砂型铸造的工艺流程从模型制作到最终铸件的完整生产过程砂型铸造的材料与设备型砂、模具和铸造设备的种类与选择砂型铸造的优缺点分析传统砂型铸造的应用优势与技术局限砂型铸造概述基本定义主要特点砂型铸造是使用砂质材料制作铸型，将熔融金属浇注其中，冷却•工艺适应性强，几乎适用于所有铸造合金凝固后获得铸件的传统铸造方法作为最古老、应用最广泛的铸•可以制造从几克到几百吨的各种尺寸铸件造工艺，砂型铸造至今仍占据全球铸件产量的80%以上•对铸件结构复杂程度适应性好砂型铸造具有工艺简单、设备投资少、适应性强等特点，特别适•设备投资相对较低，适合各种规模企业合于单件小批量生产和大型铸件制造•原材料来源广泛，成本较低•工艺成熟度高，操作相对简单砂型铸造工艺流程制造模型和芯盒根据铸件设计要求制作模型和芯盒，考虑收缩裕量、加工余量和拔模斜度配制型砂及芯砂根据铸件要求配制具有适当强度、透气性和耐火性的型砂和芯砂造型制芯利用模型和芯盒制作铸型和砂芯，形成铸件的外形和内腔熔化金属浇注将熔融金属浇入铸型中，经冷却凝固后形成铸件落砂清理检验从铸型中取出铸件，进行清理、热处理和最终检验模型与芯盒模型的基本概念模型材料选择芯盒特点与应用模型是制作铸型的工具，其形状与铸件•木材成本低，加工简单，适合小批芯盒是制作砂芯的工具，用于形成铸件相似但尺寸略大模型的精度和质量直量生产内腔或难以用模型直接成形的部位芯接影响铸件的几何精度和表面质量，是盒设计需要考虑砂芯的取出、支撑和排•金属耐久性好，尺寸稳定，适合批砂型铸造的关键工装之一气等问题，确保砂芯具有足够的强度和量生产稳定性模型设计需要考虑金属凝固收缩、加工•塑料重量轻，耐腐蚀，适合中等批量余量和拔模斜度等因素，以确保最终铸件符合设计要求根据不同的生产要•石膏表面光滑，复制精度高求，模型可分为实模、分模、骨架模等•3D打印材料快速制作，适合复杂形多种类型状型砂与芯砂型砂组成型砂主要由原砂（石英砂、橄榄石砂等）、黏结剂（粘土、树脂等）和添加剂（煤粉、木粉等）组成不同的配比决定了型砂的不同性能，满足各种铸造工艺需求型砂性能优质型砂应具备足够的强度、良好的透气性、适当的耐火性、合适的崩溃性和再生性这些性能相互影响，需要根据铸件特点进行平衡配置常用型砂类型湿砂（粘土砂）传统型砂，成本低但强度适中；干砂烘干后使用，强度高；化学硬化砂加入化学固化剂，常温下快速硬化，强度高，精度好芯砂特点芯砂比型砂要求更高的高温强度和透气性，同时需要良好的崩溃性以便铸件凝固后容易清除常用树脂砂、水玻璃砂等作为芯砂材料造型与制芯手工造型机械造型制芯技术打印砂型3D传统的手工造型方法灵活利用造型机进行砂型制作，主要包括冷芯盒工艺、热利用3D打印技术直接制作性高，适合单件、小批量效率高，型砂紧实度好，芯盒工艺、覆膜砂工艺等砂型和砂芯，无需模具，或形状复杂的铸件生产铸件尺寸精度高，表面质现代制芯技术强调高效率、特别适合复杂结构、小批手工造型虽然效率较低，量好适合批量生产，根高精度和环保性，以满足量或定制化铸件生产这但对设备要求简单，投资据不同的生产要求，可选高质量铸件生产的需求项新兴技术大大缩短了铸成本低，在中小型铸造企用震压造型机、射砂造型造准备周期，提高了设计业仍有广泛应用机等设备自由度合箱与浇注合箱操作浇注系统设计浇注工艺控制合箱是将已完成的上型箱和下型箱精确浇注系统是引导金属液进入型腔的通道浇注是铸造生产的关键环节，需要严格对准并合在一起的过程合箱质量直接系统，主要包括直浇道、横浇道、内浇控制浇注温度、浇注速度和浇注时间影响铸件的尺寸精度和表面质量，是铸道等部分良好的浇注系统设计应遵循浇注温度过高会导致气孔、粗大晶粒；造生产中的重要工序以下原则过低则可能造成冷隔、浇不足等缺陷浇注速度应保持稳定，避免金属液飞溅合箱时需要确保•确保金属液平稳充填型腔和卷入气体•防止夹渣、夹气等缺陷•型腔清洁，无松散砂粒•控制凝固顺序•上下型箱对准精确•优化金属液流动路径•砂芯定位准确•提高出品率•合箱后牢固固定落砂与清理落砂操作落砂是将凝固后的铸件从铸型中取出的过程根据生产规模和铸件特点，可采用不同的落砂方法•振动落砂利用机械振动使型砂松散•水射落砂利用高压水流冲击型砂•手工落砂适用于小型或精密铸件铸件清理清理工序主要包括去除浇冒口系统、清除表面粘砂、修整毛刺等常用的清理方法有•抛丸清理金属丸高速撞击铸件表面•喷砂清理砂粒气流冲击铸件表面•机械打磨利用砂轮等工具修整表面热处理工序许多铸件需要经过热处理以改善内部组织和机械性能常见热处理工艺包括•退火减少内应力，提高塑性•正火细化晶粒，提高强韧性•淬火与回火提高硬度和强度质量检验铸件经过清理和热处理后，需进行全面质量检验，包括•外观检查表面质量、尺寸精度•无损检测X射线、超声波等方法•性能测试硬度、强度等性能指标砂型铸造的优缺点主要优点主要缺点环保问题与解决方案•设备简单，投资成本低•铸件精度相对较低（IT14-16级）传统砂型铸造存在粉尘、废气、废砂等环保问题现代砂型铸造工艺通过以下•适应性强，可铸造各种金属材料•表面粗糙度一般（Ra

12.5-25μm）措施改善环境影响•可制造复杂形状和大型铸件•生产效率相对较低•型砂可回收再利用，降低材料成本•铸件表面质量受型砂影响较大•采用无机粘结剂替代有机树脂•工艺成熟，技术人员易于掌握•劳动强度大，工作环境较差•型砂再生技术提高回收利用率•适合从单件到大批量的各种生产规模•粉尘污染和噪声问题突出•废气收集与处理系统降低排放•自动化设备减少粉尘暴露•清洁生产技术应用第三章特种铸造工艺金属型铸造利用金属材料制作的永久性铸型进行铸造，相比砂型铸造具有更高的尺寸精度和表面质量金属型具有良好的导热性，使铸件冷却速度快，组织致密，机械性能好主要应用于有色金属合金铸件生产压力铸造将熔融金属在高压作用下快速充填金属铸型的工艺压力铸造具有生产效率高、尺寸精度好、表面光洁度高等特点，是现代铸造工业中发展最快的铸造方法之一，特别适合铝、锌等有色金属的批量化生产离心铸造利用离心力将熔融金属压向铸型外壁的特种铸造工艺离心铸造的铸件具有致密的组织结构和良好的机械性能，特别适合圆筒形铸件的生产，如管子、轴套、轴承衬等其他特种铸造包括低压铸造、真空铸造、熔模铸造、消失模铸造等多种特种工艺，它们各自针对特定的应用领域和铸件要求，发挥独特的工艺优势，满足现代工业对高性能铸件的需求金属型铸造工艺定义工艺特点适用材料金属型铸造是使用金属材金属型导热性好，冷却速金属型铸造主要用于铸造料（通常是铸铁、铸钢或度快，使铸件具有致密的熔点较低的有色金属合金，热作模具钢）制作的永久组织结构和较好的机械性如铝合金、锌合金、镁合性铸型进行铸造的方法能铸件尺寸精度高金和铜合金等铁基合金金属型可重复使用数千甚（IT10-13级），表面粗糙因熔点高、对金属型侵蚀至数万次，大大提高了生度好（Ra

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3.2μm），性强，应用相对较少产效率和铸件的一致性但金属型制造成本高，不适合形状复杂的铸件应用范围金属型铸造广泛应用于汽车工业的气缸盖、活塞、进排气歧管等零件，以及家电产品的电机壳体、压缩机部件等中小型批量生产的铸件金属型铸造工艺金属型设计金属型设计需要考虑铸件的收缩特性、脱模要求、冷却系统和浇注系统金属型结构通常包括固定部分和可动部分，以便铸件脱模设计时需要充分考虑热应力、热疲劳等问题预热与涂料金属型使用前需要预热到适当温度（通常为200-300℃），并涂覆专用涂料预热可减少热冲击，延长模具寿命；涂料可改善铸件表面质量，防止粘模，调节冷却速度浇注控制浇注过程需控制金属液温度、浇注速度和浇注时间金属型铸造一般采用倾斜浇注或底部浇注，以获得平稳的金属液流动冷却系统通过控制不同部位冷却速率来优化铸件组织取出与处理铸件凝固后通过顶出机构从金属型中取出，然后进行去除浇冒口、热处理、机械加工等后续处理金属型使用一定次数后需要检修，修复磨损和热疲劳裂纹压力铸造原理基本原理技术参数压力铸造是将液态金属在高压作用下快速充填金属铸型的铸造方压力铸造的关键技术参数包括法通过高压力使金属液在极短时间内充满型腔，并在压力保持•充型压力15-200MPa，远高于其他铸造方法下凝固，从而获得尺寸精确、表面光洁的铸件•金属液充填速度30-50m/s压力铸造的核心在于利用高压力克服金属液在充填过程中的流动•型腔填充时间

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0.2秒，极为迅速阻力，实现快速、完全充型，同时压力还能减少铸件的气孔和缩•金属液凝固时间数秒至数十秒松缺陷•压力保持时间直至铸件完全凝固这些技术参数需要根据铸件形状、尺寸和材质进行精确控制，以获得最佳铸件质量压力铸造设备热室压铸机冷室压铸机智能化趋势热室压铸机的压射系统浸入金属液中，适冷室压铸机的压射系统位于金属液外部，现代压铸设备正朝着智能化、自动化方向用于熔点较低、不与铁基材料发生反应的每次浇注需要将金属液注入压射室，适用发展采用闭环控制系统、实时监测技术合金，如锌合金、铅合金和镁合金其特于铝合金、铜合金等熔点较高的材料其和机器人操作系统，实现生产过程的精确点是结构简单、循环时间短、自动化程度特点是可承受较高压力，适合生产较大尺控制和数据采集分析，大幅提高生产效率高，但压力和铸件尺寸受到限制寸铸件，但循环时间较长和铸件质量稳定性压力铸造工艺流程模具预热压铸模具需预热至适当温度（150-金属熔化300℃），并涂覆专用脱模剂合理的预热在专用熔炉中熔化金属，调整成分，控制温温度可减少热应力，延长模具寿命，改善铸度熔化过程需严格控制熔炼参数，避免氧件表面质量化和气体吸收，确保金属液质量注入与压射将金属液注入压射室或压射套筒，通过高速高压压射，使金属液在极短时间内充满型腔压射参数对铸件质量影响极大，需开模取件精确控制铸件凝固后，打开模具，通过顶出机构取出压力保持铸件，进行去除浇口、打磨、热处理等后续处理取件后模具需要冷却和清理，准备下充型完成后，保持高压状态直至铸件完全凝一个工作循环固压力保持可减少铸件缩孔、缩松等缺陷，提高铸件致密度和力学性能压力铸造特点高精度尺寸精度可达IT8-12级，远优于普通铸造表面光洁表面粗糙度Ra

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0.4μm，减少后续加工优异性能组织致密，强度和硬度高于同材质重力铸件高效率生产速度50-150次/小时，适合大批量生产压力铸造的这些显著特点使其成为汽车、电子、通讯等行业大批量生产复杂精密零件的首选工艺通过压力铸造可以一次成形带有复杂内腔、薄壁结构和精细表面细节的铸件，大大减少了后续机械加工工序和材料浪费随着压铸技术的不断发展，真空压铸、半固态压铸等新工艺克服了传统压铸的部分局限性，进一步拓展了压铸工艺的应用范围压力铸造局限性气孔问题由于高速充型过程中容易卷入空气，压铸件表皮下常存在微小气孔这些气孔在后续热处理过程中可能膨胀，导致铸件表面起泡或变形，限制了压铸件的热处理适应性加工限制内部气孔的存在使压铸件不适合进行大量切削加工，加工过程中可能暴露内部气孔，影响零件的气密性和表面质量因此，压铸件通常设计为接近最终形状，尽量减少加工余量成本因素压铸设备投资大、模具制造成本高，对于小批量生产而言经济性不佳压铸模具设计和制造复杂，需要考虑散热、排气、抗热疲劳等多方面因素，制作周期长，成本高材料与尺寸限制压力铸造主要适用于有色金属合金，对铁基合金应用有限同时，受设备能力限制，压铸件尺寸和重量也有上限，超大型铸件难以采用压铸工艺生产压力铸造应用铝合金应用铝合金是压铸最广泛应用的材料，主要用于汽车发动机缸体、缸盖、变速箱壳体等结构复杂的大型零件铝合金压铸件具有重量轻、强度高、导热性好等特点，是汽车轻量化的关键技术锌合金应用锌合金因其低熔点、高流动性和优异的表面处理性能，广泛用于制作精密电子设备外壳、装饰件和功能部件锌合金压铸可以实现极高的尺寸精度和表面细节，是电子和日用消费品领域的理想选择铜合金应用铜合金压铸主要应用于要求高强度、耐腐蚀和导电性能的场合，如水暖阀门、电气开关、轴承衬套等铜合金压铸工艺难度较大，但其产品性能优异，尤其适合要求耐磨损和抗腐蚀的工作环境离心铸造原理基本原理离心铸造分类工艺特点离心铸造是利用离心力使液态金属充填•真离心铸造铸型绕铸件轴线旋转，离心铸造的主要特点包括铸型并凝固的特种铸造方法当熔融金适合管状铸件•铸件组织致密，机械性能好属被注入高速旋转的模具中时，离心力•半离心铸造铸型绕与铸件不重合的•金属液自动分层，可制作复合材料使金属液向外壁压紧，实现充型和成轴线旋转，适合轴对称铸件形•充型能力强，适合薄壁铸件•离心浇注利用离心力使金属液流向•无需冒口，金属利用率高型腔各部位，适合复杂铸件离心铸造的核心优势在于利用离心力实现金属液的自动分层，密度大的物质被•表面质量好，内部缺陷少甩向外层，而密度小的杂质和气体则集中在内层，从而获得外层致密、纯净的铸件组织其他特种铸造工艺低压铸造利用低气压（

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0.06MPa）将金属液压入金属铸型的工艺其特点是充型平稳，铸件组织致密均匀，尺寸精度好，金属利用率高适用于铝合金轮毂、气缸盖等薄壁复杂铸件的生产真空铸造在真空或惰性气体保护下进行的铸造方法可有效防止金属液氧化和气体吸收，减少气孔和夹杂缺陷，提高铸件质量主要用于高性能合金和反应性强的材料铸造，如钛合金、高温合金等熔模铸造也称失蜡铸造，采用易熔材料（如蜡）制作精确模型，经浸涂、烘干形成陶瓷型壳，再将蜡模熔化排出，用金属液浇注熔模铸造的最大特点是精度高、表面光洁，可铸造极其复杂的形状消失模铸造使用泡沫塑料（如聚苯乙烯）制作模型，埋入干砂中，浇注时泡沫模型气化消失，金属液填充原模型空间该工艺无需开模，可实现复杂内腔，工艺简单，环保性好第四章铸造合金及其性能合金性能要求1满足铸造工艺和使用条件的综合性能铸造合金种类铁基、铝基、铜基等多种合金体系性能评价方法流动性、充型能力、收缩率等指标测试合金选择原则根据使用条件、工艺适应性和经济性综合选择铸造合金是铸造工艺的物质基础，其性能与特点直接影响铸件质量和使用性能本章将系统介绍铸造合金的基本要求、常用种类、性能评价方法和选择原则，帮助您全面了解铸造材料学的核心知识铸造合金的基本要求良好的流动性流动性是指金属液体填充型腔的能力，直接影响铸件的成形质量良好的流动性使金属液能够充满复杂的型腔，减少冷隔、未充满等缺陷流动性主要受合金成分、浇注温度和铸型条件影响适当的凝固温度区间凝固温度区间决定了合金的凝固方式，影响铸件的偏析程度和收缩特性窄凝固区间合金（如纯金属、共晶合金）凝固收缩小，但易产生热裂；宽凝固区间合金则易产生缩松和偏析较小的凝固收缩率凝固收缩是指金属从液态到固态过程中体积减小的现象，过大的收缩率会导致铸件缩孔、缩松和变形理想的铸造合金应具有较小的凝固收缩率，以减少缺陷形成的倾向抗裂性和抗渗透性铸造过程中，合金需要承受复杂的热应力和约束力，良好的抗裂性能可以防止热裂纹形成同时，合金还应具备良好的气密性和抗渗透性，确保铸件在使用过程中不会泄漏铸铁合金灰铸铁灰铸铁中碳以片状石墨形式存在，含碳量一般为

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3.5%其特点是流动性好、收缩率小、耐磨性好、减震性能优良，但强度和韧性较低广泛用于制造机床床身、汽缸体、制动鼓等对振动吸收性能要求高的铸件球墨铸铁在灰铸铁中加入镁或稀土元素处理，使石墨形态由片状变为球状，大幅提高了铸铁的强度和韧性，接近于铸钢水平，同时保持了铸铁的良好铸造性能球墨铸铁广泛应用于曲轴、凸轮轴、齿轮等重要受力零件可锻铸铁将白口铸铁经过高温退火处理，使其中的碳化物分解，形成团絮状石墨组织可锻铸铁具有良好的韧性和可加工性，主要用于制造要求较高韧性和抗冲击性能的小型铸件，如汽车差速器壳、接头等铸钢合金碳钢铸件低合金铸钢不锈钢铸件碳钢铸件是最基本的铸钢材料，碳含量通过添加适量的Cr、Ni、Mo、V等合金不锈钢铸件含有大量的Cr（通常13%）一般为

0.2-

0.6%相比铸铁，碳钢铸件元素，改善铸钢的强度、耐磨性、耐热和Ni等元素，具有优异的耐腐蚀性能，具有更高的强度、塑性和韧性，但铸造性和耐腐蚀性低合金铸钢广泛应用于主要应用于化工设备、海洋工程、食品性能较差，如流动性低、收缩率大、易矿山机械、工程机械、轨道交通等领域医疗等领域产生热裂和气孔等的关键受力零部件不锈钢铸造难度较大，存在流动性差、碳钢铸件主要应用于承受重载和冲击的•锰钢含Mn11-14%，具有极高的耐高温氧化、热裂倾向大等问题，需要采机械零件，如起重机构件、轧钢设备零磨性和工作硬化性用特殊的铸造工艺和熔炼技术常见的件等铸造后通常需要进行热处理以改不锈钢铸件牌号有ZG1Cr18Ni9Ti、•铬钼钢具有良好的高温强度和抗蠕善性能ZG1Cr13等变性能•镍铬钢具有优良的韧性和耐腐蚀性能有色金属铸造合金有色金属铸造合金以其轻量化、特殊性能和优良的铸造性能，在现代工业中占据重要地位铝合金因其密度低、比强度高、耐腐蚀性好而广泛应用于汽车、航空等领域；铜合金以其优异的导电导热性和耐腐蚀性成为电力电子设备的理想材料；锌合金凭借超高的精密压铸性能成为电子产品外壳的首选；镁合金作为密度最低的工程金属，成为超轻量化设计的核心材料铸造性能评价铸造合金选择原则性能要求优先基于最终产品的使用条件和性能要求选择合适合金工艺适应性2考虑合金与选定铸造工艺的兼容性和可行性经济性分析综合评估材料成本、加工成本和使用寿命环境因素考虑合金的可回收性和生产过程的环境影响铸造合金的选择是一个综合考量的过程，需要在满足产品性能要求的前提下，平衡工艺可行性和经济效益在实际选择中，应首先确定产品在强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性等方面的具体要求，然后筛选出符合这些要求的候选合金；其次评估这些合金在所选铸造工艺中的适应性，如流动性、收缩率、热裂倾向等；最后进行经济性和环境影响分析，包括材料成本、加工成本、能源消耗和回收价值等因素第五章铸造工艺设计分型面设计设计原则确定铸型分割位置，影响脱模、成型质量和生产效率铸造工艺设计遵循的基本准则和方法1论，以确保铸件质量和生产效率浇注系统设计设计金属液流动路径，控制充型速度和温度分布计算机辅助设计冒口设计利用模拟技术优化铸造工艺，提前预测并解决潜在问题补偿凝固收缩，防止缩孔缩松缺陷的形成铸造工艺设计原则保证铸件质量提高生产效率铸造工艺设计的首要目标是确保铸件达到设计要求的质量标准这包括控合理的工艺设计应考虑生产效率因素，包括铸型制备速度、浇注效率、清制铸件的尺寸精度、表面质量、内部组织和力学性能等方面工艺设计应理便捷性等可通过优化铸件在型腔中的排布、减少工艺附件重量、简化充分考虑金属液流动、充型、凝固过程中可能出现的各种缺陷，如缩孔、造型和清理工序等方式提高效率对于批量生产，应考虑自动化设备的应缩松、气孔、夹杂、冷隔等，并采取有效措施预防这些缺陷用和生产节拍的优化降低生产成本改善工作条件经济性是工艺设计的重要考量因素通过提高金属收得率（减少浇冒口系现代铸造工艺设计越来越重视环保和安全因素设计应考虑减少粉尘、废统重量）、降低能源消耗、减少废品率等方式降低成本同时，工艺设计气、噪声等污染物排放，改善操作人员的工作环境同时，工艺设计还应还应考虑后续加工的便利性，减少加工余量，降低整体制造成本关注能源节约和资源回收利用，实现铸造生产的可持续发展分型面设计分型面基本概念分型面选择原则复杂铸件分型面设计分型面是铸型分割的界面，也是上、下•尽量选择平面作为分型面，减少合箱对于结构复杂的铸件，可能需要采用非型箱的接触面合理的分型面设计直接误差平面分型面或多重分型面设计在这种影响铸件的成形质量、尺寸精度和生产情况下，需要特别注意•尽量使铸件主体位于一个型箱内，减效率分型面设计是铸造工艺设计的首少错箱风险•分析铸件几何特征，确定最佳分割方要环节，对后续工艺步骤有重要指导意•考虑铸件的取向，确保充型、排气和案义凝固顺序合理•评估各分型方案对铸件质量的影响分型面选择需要综合考虑铸件的结构特•避免分型面穿过铸件重要工作表面•考虑使用活块、活芯等辅助工装点、尺寸要求、生产批量以及成本因素•减少造型和起模的复杂度，便于生产•必要时可采用多层造型或组芯造型技等多种因素，既要保证铸件质量，又要操作术便于造型和取件操作•考虑浇注系统和冒口的布置需求浇注系统设计直浇道设计直浇道是金属液进入铸型的第一通道，其设计影响浇注速度和稳定性直浇道通常采用锥形，大端向上，以减少金属液飞溅和卷气直浇道截面积根据充型时间和铸件重量计算确定横浇道设计横浇道连接直浇道和内浇道，起到分配金属液和初步过滤的作用横浇道截面积通常由小到大，以减缓金属液流速并促进夹杂上浮横浇道位置应便于金属液均匀分配到各内浇道内浇道设计内浇道直接将金属液导入型腔，其位置和形状对充型方式影响最大内浇道设计原则是使金属液平稳进入型腔，避免直接冲刷型壁和砂芯，防止卷入气体和型砂内浇道总截面积一般小于横浇道，实现增压效果截面计算方法浇注系统各部分截面积比例关系通常为直浇道:横浇道:内浇道对于铸铁等易氧化金属，通常采用压力式浇注系统1:2:4；对于铝合金等易卷气金属，通常采用非压力式浇注系统4:3:2具体计算需考虑金属液特性、铸件厚度和浇注高度等因素冒口设计冒口的作用冒口类型冒口尺寸计算冒口是铸造工艺中用于补偿铸件凝固收根据位置和形状，冒口可分为冒口设计需要确保其凝固时间长于铸件缩的重要工艺附件其主要功能包括相应部位，通常要求冒口的凝固模数大•开放式冒口与大气相通，散热快，于铸件热节的凝固模数冒口尺寸计算•为铸件热节提供液态金属，补偿凝固补缩效果一般主要基于以下几种方法收缩•闭口冒口完全埋在型砂中，散热•凝固模数法基于体积与表面积比•集中缩孔缩松于冒口，保证铸件本体慢，补缩效果好质量•尼亚马法则基于圆的内切圆直径•侧冒口位于铸件侧面，适用于较薄•促进铸件定向凝固，改善铸件内部组的铸件•经验公式法根据铸件重量和材质织•顶冒口位于铸件顶部，适用于较厚对于大型或复杂铸件，还需要通过凝固•在一定程度上作为排气通道，减少气的铸件模拟进行验证与优化孔计算机辅助铸造工艺设计CAD建模阶段使用三维CAD软件建立铸件、浇注系统和冒口的精确几何模型先进的CAD系统支持参数化设计和特征建模，便于快速修改和优化工艺方案现代铸造CAD系统通常具备铸造工艺专用功能，如收缩率自动补偿、型芯识别等铸造过程模拟通过专业铸造模拟软件，对金属液充型和凝固过程进行数值模拟模拟计算基于流体力学和传热学原理，能够预测充型不良、缩孔缩松、冷热裂等潜在缺陷先进的模拟软件还能预测铸件的组织结构和力学性能，为工艺优化提供科学依据结果分析与优化根据模拟结果，分析潜在问题并进行工艺方案优化通过调整浇注系统布局、冒口尺寸和位置、浇注参数等，逐步完善工艺方案优化过程通常需要多次迭代，直至达到理想的模拟结果同时，经验丰富的工艺设计人员的判断仍然是必不可少的工艺验证与实施优化后的工艺方案通过试制进行验证，必要时结合无损检测技术评估实际铸件质量验证合格的工艺方案最终转化为生产指导文件，包括工艺卡片、造型指导书等现代数字化铸造车间还能实现工艺数据的自动传输和智能控制，进一步提高生产效率和质量稳定性第六章铸造缺陷与质量控制缺陷类型形成机理预防控制铸造过程中可能出现的各种深入分析各类缺陷产生的物通过优化工艺设计、改进生质量问题，包括充型缺陷、理冶金学原理和工艺因素，产工艺和加强过程控制，建凝固缺陷、金属材质缺陷和包括金属液流动特性、凝固立系统的缺陷预防机制，从尺寸形状缺陷等，每种缺陷收缩规律、合金成分影响和源头上减少或消除铸造缺陷都有其特定的表现形式和形工艺参数关系等科学基础的产生概率成机理检测方法介绍各种铸件质量检测技术，包括外观检查、尺寸测量、无损检测和破坏性检测等方法，以及如何选择合适的检测技术评估铸件质量铸造缺陷分类金属充型缺陷充型阶段形成的缺陷，主要与金属液流动行为相关常见的充型缺陷包括冷隔、浇不足、夹渣、夹气和粘砂等这类缺陷通常是由于金属液温度过低、流动不畅、浇注系统设计不合理或型砂性能不良导致的凝固缺陷金属液凝固过程中形成的缺陷，主要与凝固收缩和散热条件相关典型的凝固缺陷有缩孔、缩松、缩变形和热裂等这些缺陷与铸件的结构设计、冒口系统设计以及合金的凝固特性密切相关金属材质缺陷铸件金属材质不符合要求的缺陷，包括化学成分偏差、组织缺陷和性能不达标等常见的材质缺陷有偏析、白口、粗大晶粒和夹杂物等，这类缺陷主要与熔炼工艺、合金成分控制和凝固条件有关形状与尺寸缺陷铸件的形状、尺寸或表面质量不符合要求的缺陷常见的有尺寸偏差、变形、错箱、漏箱和表面粗糙度超标等这类缺陷主要与模具设计、造型质量、合箱精度和清理工艺有关铸造应力与变形铸造应力产生原因铸件变形机理控制措施铸造应力是铸件在凝固冷却过程中，由铸件变形是铸造应力超过材料屈服强度减少铸造应力和变形的主要技术措施于温度梯度、凝固收缩、相变等因素导时产生的永久形变变形的严重程度与•优化铸件结构设计，避免壁厚突变致的内部残余应力铸造应力的主要产以下因素相关•合理设计浇注系统和冒口，实现均匀生原因包括•铸件结构壁厚不均匀、刚性差的结凝固•热应力不同部位冷却速率不同产生构易变形•控制浇注温度和冷却速率的热梯度应力•材料特性高热膨胀系数、低屈服强•使用适当的铸型材料和砂芯强度•相变应力金属相变过程中体积变化度的材料易变形•铸件出型后进行适当的热处理，如退引起的应力•冷却条件冷却不均匀会加剧变形倾火•约束应力铸型、砂芯和铸件结构相向•采用预变形设计，补偿预期的变形量互约束产生的应力•铸型刚性铸型刚性过大会增加约束应力铸造缺陷的控制措施工艺设计优化1从源头控制缺陷形成的可能性工艺参数控制精确控制关键工艺参数确保稳定质量设备维护保养确保设备性能满足生产工艺要求人员培训与管理提升操作人员技能和工艺执行力有效控制铸造缺陷需要建立全过程的质量管理体系在工艺设计阶段，应充分利用计算机模拟技术预测潜在问题，优化浇注系统、冒口设计和铸型结构生产过程中，需要严格控制原材料质量、型砂性能、金属熔炼、浇注温度和冷却条件等关键参数设备的定期维护和校准对保证生产稳定性至关重要，特别是熔炼设备、造型设备和温度测量装置同时，操作人员的专业技能培训和工艺规范执行也是控制缺陷的关键环节建立完善的质量检测和数据分析系统，可以及时发现问题并进行持续改进铸件质量检测外观与尺寸检查通过目视检查、触摸和测量工具评估铸件的表面质量和尺寸精度常用设备包括•卡尺、千分尺等测量工具无损检测•三坐标测量机•表面粗糙度仪在不破坏铸件的情况下检测内部缺陷的方法，主要包括•轮廓投影仪•X射线透视检测发现缩孔、夹杂等内部缺陷•超声波检测评估内部连续性和缺陷分布破坏性检测•磁粉探伤检测表面和近表面裂纹通过破坏试样获取铸件性能数据的方法，包括•渗透探伤发现表面开口缺陷•力学性能测试拉伸、硬度、冲击等•化学成分分析光谱分析、湿法分析统计分析与质量控制•金相组织分析显微组织检查利用统计方法分析检测数据，建立质量控制体系•压力试验密封性和强度测试•SPC统计过程控制•质量能力指数分析•失效模式分析FMEA•持续改进计划制定第七章现代铸造技术发展精密铸造技术精密铸造技术通过特殊的模型材料和铸型材料，实现高精度、高表面质量的铸件生产熔模铸造、陶瓷型铸造等工艺使铸件尺寸精度可达IT6-9级，表面粗糙度可达Ra

1.6-

0.8μm，大大减少了机械加工工序快速成型与3D打印3D打印技术与传统铸造工艺的结合，实现了铸造模具和铸件的快速制造3D打印砂型、蜡模和金属直接打印技术大大缩短了产品开发周期，特别适合小批量、个性化铸件的生产需求数字化与智能铸造数字孪生、物联网和人工智能技术在铸造领域的应用，实现了生产过程的全面监控和智能决策智能铸造系统可以实时调整工艺参数，预测产品质量，优化生产效率，推动铸造工业向智能制造方向发展绿色铸造技术环保型粘结剂、废砂再生技术、清洁能源熔炼和废气处理系统等绿色铸造技术的发展，有效减少了铸造生产的环境影响循环经济理念下的资源回收利用，使铸造工业逐步实现可持续发展精密铸造与近净成形熔模精密铸造陶瓷型精密铸造近净成形技术熔模铸造（又称失蜡铸造）是一种陶瓷型铸造使用特殊配方的陶瓷浆近净成形是指铸件的形状、尺寸和使用易熔材料制作精确模型，经浸料制作铸型，具有优异的高温稳定表面质量接近或达到最终使用要求，涂、烘干形成耐火型壳，熔模后浇性和尺寸精度陶瓷型铸造特别适无需或仅需少量机械加工的铸造技注金属的精密铸造工艺该工艺可合铸造高温合金、钛合金等活性金术近净成形技术通过精确控制铸以铸造极其复杂的形状和精细结构，属，广泛应用于航空发动机叶片、造过程，大幅减少材料浪费和能源尺寸精度高，表面质量好，被广泛医疗植入物等高端铸件的生产消耗，提高生产效率，降低制造成应用于航空航天、医疗器械和精密本机械领域高精度应用案例精密铸造技术的典型应用包括航空发动机涡轮叶片、医疗植入物、精密仪器零件等这些应用展示了精密铸造在复杂几何形状、薄壁结构和高性能材料方面的独特优势，为先进制造业提供了重要的技术支持打印与铸造结合3D3D打印技术与传统铸造工艺的结合创造了新的制造可能性3D打印砂型技术利用选择性激光烧结或粘结剂喷射方法直接打印复杂砂型和砂芯，无需传统的模具和芯盒，大大缩短了开发周期，特别适合复杂结构和小批量生产3D打印蜡模或树脂模型应用于精密铸造领域，提高了模型精度和制作效率而直接金属激光烧结技术则可以直接打印金属零件，与铸造相比具有更高的设计自由度，但成本较高，生产效率较低，两种技术结合使用可以优势互补数字化设计与制造流程使个性化定制和快速响应成为可能，为铸造行业开辟了新的发展方向课程总结工艺地位铸造是现代制造业的基础工艺，不可替代技术融合传统工艺与现代技术相结合，相互促进发展趋势绿色化、数字化、智能化、精密化方向发展人才能力4跨学科知识结构，创新实践能力本课程系统介绍了金属材料铸造的基础理论、工艺方法、材料特性、工艺设计和质量控制技术从传统的砂型铸造到现代的精密铸造和3D打印技术，铸造工艺在不断创新发展，与数字技术、智能制造深度融合未来的铸造技术将更加注重环保节能和资源循环利用，向绿色铸造方向转变；数字化、网络化、智能化将成为铸造工业的主要发展趋势；轻量化、高性能材料的应用将不断扩大作为铸造工程师，需要具备材料学、机械工程、计算机技术和环境工程等多学科知识，不断学习新技术，提升创新能力，推动铸造技术持续进步。