《铸造工艺与合金性能》课件

铸造工艺与合金性能欢迎来到《铸造工艺与合金性能》课程本课程旨在系统介绍铸造技术的基本理论与实践应用，帮助学生掌握金属合金特性及其在铸造过程中的表现铸造是现代制造业不可或缺的核心工艺，从汽车零部件到精密航空器件，铸造技术已深入各个工业领域通过本课程，您将了解不同铸造方法的原理、特点及适用范围，掌握合金成分设计与性能优化的关键知识期待与大家一起探索金属从液态到固态转变的奇妙过程，解析铸造艺术与科学的完美结合铸造基础概念铸造定义历史发展铸造是将熔融状态的金属液倒入预先制备好的铸型腔内，待铸造技术源于人类早期文明，距今已有7000多年历史从其冷却凝固后，获得具有一定形状、尺寸和性能铸件的工艺最初的青铜器铸造到现代高精度压铸，铸造工艺经历了手工过程这一工艺充分利用了金属的可熔性和流动性，能够一作坊、机械化到如今的智能化、精密化的演变过程次成型复杂结构当前，先进的计算机模拟技术、3D打印辅助设计等创新方法正引领铸造技术向更高精度、更复杂形状、更优异性能方向发展铸件的主要用途机械工业机床床身与立柱、大型柴油机缸体缸盖、齿轮箱体等构成了机械设备的骨架与核心部件铸铁件的优良减振性能使其成为精密设备的理想材料汽车工业发动机缸体、缸盖、曲轴、变速箱壳体等关键部件汽车行业约60%的零部件采用铸造工艺生产，尤其是铝合金压铸件在轻量化设计中发挥重要作用航空航天涡轮叶片、燃烧室部件、结构框架等高温合金铸件能在极端环境下保持强度，是航空发动机的核心材料精密铸造技术确保了这些关键部件的可靠性能源电力水轮机叶片、汽轮机壳体、核电站压力容器等大型铸钢件是能源装备的重要组成部分，需要优异的耐压、耐腐蚀性能金属材料及其性能力学性能包括强度、硬度、塑性、韧性等强度表示金属抵抗外力破坏的能力；硬度反映材料抵抗压入或刻划的能力；塑性是金属在外力作用下产生永久变形而不破坏的能力；韧性则体现了材料吸收能量的能力工艺性能包括铸造性、焊接性、切削性等工艺性能直接影响加工制造的难易程度和产品质量优良的工艺性能能够简化生产流程，降低制造成本物理性能包括密度、熔点、热膨胀系数、导热性、导电性等这些性能决定了材料在特定环境下的适用性，如高温、低温、电磁场等条件下的工作能力化学性能包括耐腐蚀性、耐氧化性等在特殊工作环境如海水、酸碱或高温氧化条件下，材料的化学稳定性决定了其使用寿命和可靠性合金的定义与分类铝基合金铜基合金铁基合金以铝为基础的合金系统以铜为基础的合金以铁为基础的合金，包括各种•Al-Si系优良铸造性能•黄铜铜锌合金特种合金铸铁和铸钢•Al-Cu系可热处理强化•青铜铜锡合金用于特殊工况的高性能合金•灰铸铁含碳量

3.0-

3.7%•Al-Mg系耐腐蚀性好•铝青铜耐海水腐蚀•镁合金轻量化材料•球墨铸铁加入镁使石墨呈球状•钛合金耐高温高强•铸钢含碳量小于

2.11%•高温合金涡轮叶片用2314铸造性主要影响因素流动性金属液填充型腔的能力收缩性金属凝固过程中的体积变化偏析倾向合金元素在凝固过程中的不均匀分布熔点与凝固范围决定作业温度与凝固特性铸造性能是衡量金属是否适合铸造成形的综合指标熔点越低，铸造工艺通常越简单，能耗也更低；流动性好的合金能够填充复杂薄壁结构；收缩率过大会导致缩孔、缩松等缺陷；而偏析现象则会引起性能不均，尤其在大型铸件中更为明显合金成分的选择直接影响这些特性，例如在铝合金中添加硅可显著改善其流动性，添加铜则增加强度但降低耐腐蚀性铸造工艺设计必须综合考虑这些因素，才能获得高质量铸件铸造合金的工艺性能液态金属阶段关键指标熔点和流动性合金熔点决定了熔炼所需能耗，流动性影响填充能力例如Al-Si合金，Si含量达到共晶成分

12.6%时，流动性达到最佳凝固阶段关键指标凝固区间和收缩性纯金属和共晶合金具有短凝固区间，易于获得致密组织；而宽凝固区间的合金易产生缩松和偏析Cu-Sn青铜的强收缩性需要更多冒口补缩固态阶段关键指标热裂倾向和机械性能高温强度低的合金在凝固后期易产生热裂灰铸铁中石墨形态缓解了收缩应力，热裂倾向低；而铸钢热裂倾向较大，需要合理的浇注系统设计合金配比对工艺性能有显著影响例如，球墨铸铁中加入球化剂Mg和孕育剂FeSi改变了石墨形态，大幅提升了强度和韧性，但增加了工艺难度；Al-Si合金中加入Na或Sr可细化共晶硅，改善力学性能，但增加了气孔倾向铸铁与铸钢性能比较性能项目灰铸铁球墨铸铁铸钢抗拉强度150-300MPa400-800MPa500-700MPa延伸率1%2-17%15-25%铸造性能优异良好较差减振性能优异一般较差切削加工性优良良好较难成本低中高典型应用机床床身，缸体曲轴，齿轮阀门，涡轮壳铸铁与铸钢在微观结构上有本质区别铸铁中碳主要以石墨形式存在，而铸钢中碳主要以渗碳体形式存在这导致了它们性能的差异性球墨铸铁通过改变石墨形态，实现了强度和韧性的显著提升，在某些领域可以替代铸钢，降低成本选择铸铁还是铸钢，主要取决于零件的工作条件和性能要求需要高强度、高韧性的场合多选用铸钢或球墨铸铁；而对减振性、切削性要求高的零件则多选用灰铸铁铸造合金的选择原则性能要求分析工艺适应性评估根据零件工作条件确定所需强度、硬考虑零件形状复杂度、壁厚变化、生度、耐磨性、抗腐蚀性等关键指标产批量对铸造方法的要求可持续性考量经济性分析材料回收性、能源消耗、环境影响等合金成本、熔炼难度、后处理工序对因素总成本的影响铸造合金选择应遵循满足功能、兼顾工艺、经济合理的原则例如，水泵叶轮需要良好的耐腐蚀性和足够强度，可选择不锈钢铸件；但若成本敏感，则可考虑铝青铜替代同时，合金选择还需考虑使用环境的特殊要求高温工况需选择耐热钢或高温合金；潮湿或腐蚀环境则需选用耐蚀合金；承受冲击或振动工况则需兼顾材料的韧性与疲劳性能砂型铸造工艺简介制模利用模样在砂箱中制作型腔熔炼将金属原料熔化成液态浇注将金属液注入砂型型腔清理破型、切除浇冒口、打磨砂型铸造是应用最广泛的传统铸造方法，具有工艺简单、成本低、适应性强的特点常用原材料包括型砂（石英砂、橄榄砂等）、黏结剂（粘土、水玻璃、树脂等）和各类添加剂工艺要点在于型砂的选择与配比，影响砂型的强度、透气性和表面质量湿型砂需要足够的含水量确保成型性；树脂砂则需控制固化时间合理的砂型紧实度对避免气孔、夹砂等缺陷至关重要砂型铸造的设备要求相对简单，适合从小批量到大批量生产，尤其适合大型复杂铸件的制作砂型铸造的优缺点大型件制造能力复杂内腔成形表面质量限制砂型铸造几乎没有尺寸限制，可制造从几通过砂芯技术，砂型铸造能够制造具有复砂型铸造的表面粗糙度通常在Ra

12.5-克到上百吨的铸件大型船用柴油机缸杂内腔结构的零件发动机缸体的水套、25μm之间，精度等级在CT11-13级这意体、风力发电机基座等大件主要依靠砂型油道等内部通道，可通过多个砂芯组合实味着精密配合面需要额外的机械加工，增铸造工艺生产，这是其他铸造方法难以替现，满足功能设计要求，同时保证制造可加了生产工序和成本提高表面质量需要代的优势行性采用细砂、型砂处理剂或改进工艺砂型铸造的其他优点包括投资成本低、材料适应性广（从铸铁到高温合金均可）、修模灵活，特别适合小批量多品种生产而主要缺点还有生产效率相对较低、环境污染问题（粉尘、废气等）以及需要大量人工操作，自动化程度有限金属型铸造原理金属型预热1控制型壁温度在150-300°C型壁涂料喷涂调节冷却速度，防止粘型浇注与凝固金属液充填型腔并快速凝固开型与顶出取出凝固铸件，继续下一循环金属型铸造是利用金属材料（通常为铸铁、热作模具钢或铜合金）制作的永久性铸型进行铸造的工艺由于金属型具有良好的导热性，铸件冷却速度快，组织致密，尺寸精度和表面质量较高金属型结构包括型芯、分型面、浇注系统、排气系统和顶出机构等现代金属型多采用分体式结构，便于开型取件和型芯的安装拆卸一套金属型通常可生产数千至数万件铸件，实现了一型多铸，大大提高了生产效率，特别适合中小型铸件的批量生产金属型铸造优缺点优点分析缺点分析•铸件组织致密，机械性能高于砂型铸件15-20%•金属型制造成本高，初期投入大，小批量生产不经济•尺寸精度高，可达CT8-10级，表面粗糙度Ra

6.3-•金属型设计复杂，需要考虑热膨胀、冷却系统等因素

12.5μm•铸件尺寸和复杂度受限，难以制造大型或高度复杂铸件•生产效率高，一套金属型可生产数千件，适合批量生产•适用合金范围窄，主要用于铝、镁、铜等低熔点合金•铸件壁厚可做得更薄，达到2-3mm，有利于轻量化设计•金属型寿命有限，高温工作会导致型材疲劳和变形•工作环境好，减少粉尘和有害气体排放金属型铸造特别适合汽车行业的中小型铝合金零部件，如进气歧管、车轮、活塞等相比压铸，金属型铸造的压力较低，铸件内部气孔较少，可进行热处理强化；相比砂型，金属型铸造的冷却速度更有利于形成细小组织，提高铸件性能壳型铸造与熔模铸造壳型铸造熔模铸造壳型铸造是用热固性树脂砂制作薄壳形铸型的精密铸造方熔模铸造是用可熔模料（如蜡、塑料）制作与铸件形状相同法将覆有热固性树脂的石英砂撒在加热的金属模样上，形的模样，经涂料包覆、脱蜡和焙烧后得到陶瓷型壳，然后浇成2-8mm厚的硬壳，然后将壳型从模样上脱开，组装成完注金属液的精密铸造方法整铸型熔模铸造也称失蜡法，是最精密的铸造方法之一，精度可壳型铸造具有尺寸精度高（CT7-9级）、表面质量好达CT5-7级，表面粗糙度Ra

1.6-

3.2μm适用于高合金钢、（Ra

3.2-

6.3μm）、生产效率高等优点，主要用于中小型高温合金、钛合金等难加工材料的复杂形状零件，如涡轮叶复杂薄壁铸件，如汽车配件、阀门零件等片、医疗植入物等熔模铸造的关键技术模样制作模样材料通常为蜡或塑料，通过注蜡机将熔融的模样材料注入模样模具中高质量模样要求尺寸精确、表面光滑、无变形先进技术如3D打印可直接制作复杂模样，缩短开发周期型壳制备型壳制备是熔模铸造的核心环节，通常包括浸涂、撒砂、干燥等步骤，重复6-8次形成厚度适宜的型壳面层浆料决定铸件表面质量，后层浆料提供强度控制型壳透气性、强度和热稳定性是关键脱蜡与焙烧脱蜡通常在高压蒸汽环境中进行，快速熔化模样而不破坏型壳焙烧温度通常在900-1200°C，目的是烧除残留蜡和有机物，提高型壳强度和高温稳定性，还可减少铸件与型壳的反应真空浇注对高温合金、钛合金等活性金属，常采用真空熔炼和真空浇注技术，防止金属液氧化和气体吸收精确控制浇注温度和速度，确保充型质量有些高要求铸件还采用定向凝固或单晶凝固技术熔模铸造在实际中的应用航空发动机涡轮叶片医疗植入物精密泵轮涡轮叶片工作在700-1100°C的高温环钛合金人工关节、脊椎植入物等医疗器械化工泵、油泵的叶轮需要高精度和优良的境，需要采用镍基高温合金制造叶片内要求表面光滑、轮廓精确且无气孔缺陷水力性能不锈钢、双相钢等材质的泵轮部包含复杂的冷却通道，外形具有扭曲的熔模铸造可满足这些严格要求，制造出生采用熔模铸造，可获得流线型水力面和均气动曲面，普通加工方法难以实现熔模物相容性好、疲劳性能优异的医疗植入匀壁厚，同时保证叶片强度抽真空浇注铸造可一次成形这些复杂结构，精度满足物复杂的多孔结构有利于骨组织长入，技术减少了气孔，提高了密封面质量和整高速旋转的动平衡要求提高植入物的长期稳定性体使用寿命熔模铸造虽然成本较高，但在制造高附加值、高性能要求的关键零部件时具有不可替代的优势现代熔模铸造工艺通过数字化设计、精确控制工艺参数和自动化生产，进一步提高了产品一致性和生产效率离心铸造技术原理金属液注入离心力作用将熔融金属倒入高速旋转的铸型中，一般1在离心力作用下，金属液被甩向型壁并成通过定量漏斗送入2型，密度大的物质分布在外层脱型冷却定向凝固4铸件完全凝固后停止旋转，取出铸件进行从外向内凝固，形成径向定向的组织结构3后续处理离心铸造分为真离心铸造和假离心铸造两种真离心铸造适用于管状零件，旋转轴线与铸件轴线重合，如铸管、套筒等；而假离心铸造则是利用离心力将金属液压实，适用于非轴对称零件，如轮毂、齿轮等根据旋转轴方向，又可分为水平离心铸造和垂直离心铸造水平离心铸造适合长度较大的管状件，垂直离心铸造则适合直径较大的环形件金属液在离心力作用下，其流动和凝固行为与静态铸造有显著不同，离心力产生的压力可达几十个大气压，有利于获得致密组织离心铸造特点与应用组织致密性功能梯度材料离心力可达几百倍重力，使金属液利用离心力导致的密度分层效应，在高压下凝固，减少气孔和缩松缺可制备内外性能不同的复合材料陷特别是管类铸件内壁，在离心例如，双金属复合管可在铸钢管内力作用下，气体和夹渣被甩向内表层涂覆耐磨合金，或在铜管内壁形面，可通过后续加工去除，确保工成锡富集层，提高特定部位的性作表面质量能定向组织金属液由外向内凝固，形成径向定向的晶粒结构，提高了径向强度这种结构特别适合承受内压的管道系统，增强了抗爆性能和使用寿命离心铸造广泛应用于制造各类管状零件，包括铸铁排水管、压力管道、石油钻杆、轧钢辊套、发动机缸套等特别是大口径钢管（直径可达3米）和厚壁铜套（壁厚可达300mm）的生产，离心铸造具有明显优势现代离心铸造通过控制转速、温度分布和冷却速率，可精确调控铸件组织和性能例如，球墨铸铁离心管可通过工艺优化，实现内外壁不同的石墨形态，满足不同使用条件的要求压力（压铸）铸造原理合模准备压铸模具闭合，形成铸件型腔高速注射熔融金属以20-80m/s的高速充填型腔增压保持施加35-150MPa压力，保持至凝固开模顶出型壳打开，顶杆推出铸件压铸是将熔融金属在高压下注入金属模具中的铸造方法，分为热室压铸和冷室压铸两种基本类型热室压铸适用于低熔点合金（如锌、铅合金），压射系统浸没在金属液中；冷室压铸适用于铝、铜等中高熔点合金，金属液需要单独加入压射室现代压铸机压力可达150MPa，锁模力可达4000吨，能生产壁厚低至

0.5mm的复杂形状铸件压铸过程实现了高度自动化，单台设备生产效率可达每小时数百件，是大批量生产复杂精密铸件的理想方法压铸工艺优缺点压铸工艺的主要优势在于高效率和高精度生产周期短（数十秒至数分钟），尺寸精度高（CT6-8级），表面粗糙度好（Ra

1.6-

3.2μm），几乎不需要机械加工可以一次成形极其复杂的薄壁结构和精细细节，是现代电子产品外壳、汽车结构件等的首选制造方法然而，压铸也存在明显缺点高速充型易卷入气体形成内部气孔，这些气孔在后续热处理中膨胀导致起泡，因此传统压铸件通常不能热处理模具成本高，设备投入大，仅适合大批量生产压铸主要适用于有色金属，难以应用于高熔点合金针对这些问题，真空压铸、半固态压铸等新工艺正在发展，以提高铸件密度和热处理性能挤压铸造简介挤压铸造是将金属液以较低速度注入预热金属模具中，然后施加高压（70-200MPa）直至完全凝固的铸造方法它结合了压铸的高效率和锻造的高密度特点，生产出组织致密、性能优良的铸件与传统压铸相比，挤压铸造的充型速度较低（

0.5-2m/s），避免了湍流和气体卷入，铸件几乎无气孔；压力作用贯穿整个凝固过程，减少了缩孔和缩松缺陷这使得挤压铸件可以进行热处理，强度比普通压铸件提高30-40%由于成本较高，挤压铸造主要应用于高性能要求的铝合金零件，如汽车悬架部件、轮毂、活塞等，在航空和军工领域也有应用特种铸造工艺综述°1000C定向凝固控制温度梯度实现有序凝固

0.1Pa真空铸造极低气压环境防止氧化和气孔5kHz电磁铸造电磁场改善金属流动和凝固3D打印砂型3D数字化直接制造复杂铸型特种铸造工艺是针对特殊需求开发的先进铸造方法如低压铸造通过控制充型压力，实现平稳充型和定向凝固，主要用于汽车轮毂、缸盖等；真空铸造则主要用于活性金属和特殊合金的铸造，如钛合金和高温合金；电磁铸造利用电磁力控制金属流动和凝固，减少偏析和改善组织定向凝固和单晶铸造是高温合金涡轮叶片制造的关键技术，通过控制凝固前沿的推进，获得沿特定方向生长的柱状晶或单晶组织，显著提高高温强度和抗蠕变性能3D打印技术与铸造的结合也是当前研究热点，如3D打印砂型和蜡模，极大提高了复杂铸件的设计自由度工业纯铝及铝合金密度特性导电性能铝的密度为

2.7g/cm³，仅为钢的1/3导电率约为铜的65%，但重量更轻•轻量化设计的理想材料•电力传输线材•高比强度构件首选•电子散热器回收性耐腐蚀性近100%可回收，节能环保表面形成致密氧化膜，提供保护•循环经济示范•建筑外装饰•减少碳排放•食品包装工业纯铝具有优良的导电性、导热性和耐腐蚀性，但强度低（抗拉强度仅70-100MPa）通过添加合金元素可显著提高其力学性能常见铝合金系列包括Al-Cu系（2xxx，高强度），Al-Mn系（3xxx，良好成形性），Al-Si系（4xxx，优良铸造性），Al-Mg系（5xxx，耐腐蚀），Al-Mg-Si系（6xxx，中等强度，易挤压），Al-Zn系（7xxx，最高强度）铝合金的铸造特点出色的铸造性能热处理强化广泛的应用场景铝合金熔点低（约660°C），熔炼能耗低，对许多铸造铝合金可通过热处理显著提高性能铝合金铸件广泛应用于交通运输、航空航天、模具热冲击小Al-Si系合金（如T6处理（固溶+人工时效）可将A356合金的抗机械制造等领域汽车上的发动机缸盖、缸A356/AlSi7Mg）具有优异流动性和较小的收拉强度从170MPa提高到280MPa以上热处理体、进气歧管、变速箱壳体等都采用铝合金铸缩性，能够铸造复杂薄壁结构硅含量在7-包括固溶处理（480-540°C）使合金元素溶造飞机上的结构框架、起落架部件、发动机12%时，流动性和补缩性达到最佳平衡，是最入基体，淬火保留过饱和状态，时效处理悬挂等关键部件也多采用高强铝合金铸件，实常用的铸造铝合金（150-180°C）析出强化相现减重和高性能铝合金的铸造方法多样，包括砂型铸造、金属型铸造、压铸、低压铸造等不同合金和铸件要求选择不同工艺A356通常用于低压或重力金属型铸造；ADC12（AlSi10Cu3）适合压铸；而A201（Al-Cu-Ag系）则多用于砂型或熔模铸造高性能件铸造铝合金的发展趋势是更高的强度、更好的高温性能和更优的铸造性能铜合金铸造与性能黄铜（）Cu-Zn含锌20-40%，成本低，铸造性能好，有良好的切削加工性，常用于阀门、配件铅黄铜添加1-3%的铅，进一步改善切削性能铸造温度一般在950-1050°C，预热型温在200-300°C锡青铜（）Cu-Sn含锡5-12%，具有优良的耐磨性和耐腐蚀性，适用于轴承、齿轮和海水环境零件但收缩率大，铸造时需充分考虑补缩展现良好的弹性和减振特性，也用于钟、乐器等铝青铜（）Cu-Al含铝5-11%，强度高，耐磨性好，尤其耐海水腐蚀，用于船舶螺旋桨、海水泵部件高温下易氧化，铸造时需保护，添加5%镍可进一步提高耐腐蚀性和高温强度硅青铜（）Cu-Si含硅2-4%，具有优良的流动性和较小的收缩率，适合铸造薄壁复杂件电阻率高，用于电气设备部件硅的加入提高了耐磨性和耐蚀性，但降低了导电性铜合金的铸造主要采用砂型、金属型和离心铸造方法铜合金熔点较高（1000℃左右），对砂型和模具材料要求高铸造时需防止吸气和氧化，常采用石墨覆盖剂和惰性气体保护铜合金组织细化通常通过添加微量元素如锆、铬等实现镁合金铸造与性能镁合金基本特性铸造工艺特点•密度极低，仅为

1.8g/cm³，是最轻的工程金属•熔点低（约650°C），但活性强，熔炼时需保护•比强度高，某些镁合金可达铝合金水平•使用含氟化物熔剂或保护气体（SF₆、CO₂混合气）•良好的电磁屏蔽性和减振性能•模具预热温度较高（200-300°C）•导热性和切削加工性好，可高速加工•压铸是最主要的镁合金成形方法镁合金的主要缺点包括耐腐蚀性较差、高温强度低、易燃性常用铸造镁合金包括AZ91D（含9%Al、1%Zn）、AM60B（特别是粉末状态）通过合理的合金设计和表面处理可克（含6%Al、

0.3%Mn）和AM50A（含5%Al、服部分缺点

0.3%Mn）AZ91D强度高但延性较低，AM系合金延性好但强度较低镁合金铸件广泛应用于汽车轻量化部件（仪表盘骨架、方向盘、座椅框架）、便携电子设备外壳（笔记本电脑、相机、手机）和航空航天领域的非承力结构件近年来，通过添加稀土元素等开发的新型耐热镁合金，正逐步应用于发动机周边部件钛合金及高温合金1钛合金铸造特点钛合金熔点高（约1670℃），活性强，易与氧、氮、氢等反应铸造必须在真空或惰性气体保护下进行，通常采用真空感应熔炼、电弧熔炼或等离子熔炼钛合金流动性差，易产生缩孔和气孔，多采用熔模铸造、熔模铸造与HIP（热等静压）相结合的工艺钛合金应用钛合金铸件主要用于航空航天领域的发动机部件、结构框架和高压导管等医疗领域的人工关节、牙种植体也广泛采用钛合金铸件，利用其优良的生物相容性和比强度化工行业使用钛合金铸件作耐腐蚀部件，如泵体、阀门、管道等高温合金铸造高温合金是能在600℃以上高温环境长期工作的特种合金，主要有镍基、铁基和钴基三类铸造高温合金通常采用真空熔炼和真空精炼，铸造方法以熔模铸造为主，特别是定向凝固和单晶铸造这些工艺可控制晶粒生长方向，显著提高高温下的蠕变性能高温合金应用高温合金铸件主要用于制造航空发动机和工业燃气轮机的热端部件，如涡轮叶片、导向叶片、燃烧室部件等这些部件在极端温度（有时超过1100℃）和高应力下工作，要求材料具有优异的高温强度、抗氧化性、热疲劳性能和结构稳定性铸铁的种类铸铁类型石墨形态抗拉强度延伸率%典型应用MPa灰铸铁片状石墨150-3001机床床身、缸体球墨铸铁球状石墨400-8002-17曲轴、齿轮、管道蠕墨铸铁蠕虫状石墨300-5001-5缸盖、排气歧管可锻铸铁团絮状石墨350-5502-12小型机械零件白铸铁无游离石墨200-400几乎为0耐磨零件、可锻铸铁毛坯铸铁是含碳量在

2.11%以上的铁碳合金，碳主要以石墨或碳化物形式存在灰铸铁中石墨呈片状，切断了金属基体连续性，强度和韧性较低，但具有优良的减振性、导热性和切削加工性；球墨铸铁通过加入球化剂（通常为镁）和孕育剂使石墨呈球状，大幅提高了强度和韧性，接近中碳钢水平蠕墨铸铁是介于灰铸铁和球墨铸铁之间的一种铸铁，兼具灰铸铁的导热性和球墨铸铁的强度，特别适合热循环工况，如汽车发动机缸盖可锻铸铁是将白铸铁通过退火处理，使碳化物分解为团絮状石墨，获得较好韧性，适合制造小型复杂零件灰铸铁的性能优势优异的减振性良好的导热性优良的切削性片状石墨打断了金属基体的连片状石墨提高了热传导率，有片状石墨使切屑断裂，减少了续性，能有效吸收和消散振动助于热量快速分散灰铸铁的切削力和刀具磨损同时，游能量灰铸铁的对数衰减率是导热系数约为45-离石墨还具有自润滑作用，降钢的8-10倍，这使其成为机65W/m·K，是普通碳钢的低了摩擦系数，缩短加工时床床身、缸体等需要抑制振动

1.5-2倍，适合制造需要散热间，延长刀具寿命，降低加工部件的理想材料的部件，如发动机缸体、制动成本盘等卓越的铸造性灰铸铁具有优良的流动性和较小的收缩倾向，可铸造复杂形状和薄壁结构共晶凝固过程中石墨的析出补偿了收缩，降低了缩孔和热裂倾向，有利于铸造大型复杂零件灰铸铁按抗拉强度分为HT150-HT350多个等级强度主要通过控制碳当量和冷却速度调整常见的灰铸铁牌号有HT200（用于一般机械零件）、HT250（用于重要受力件如机床床身）和HT300（用于要求较高强度的零件如齿轮箱体）球墨铸铁与可锻铸铁球墨铸铁是通过向熔融灰铸铁中加入球化剂（通常为镁）和孕育剂（铁硅合金），使石墨呈球状分布的一种高性能铸铁球状石墨减小了应力集中效应，大幅提高了抗拉强度（可达900MPa）和延伸率（可达18%）QT400-

18、QT500-7等常用牌号分别代表抗拉强度和延伸率球墨铸铁兼具铸钢的强韧性和灰铸铁的铸造性、切削性，广泛应用于曲轴、连杆、齿轮、高压管道等关键零部件可锻铸铁是将白口铸铁毛坯经过长时间退火处理，使碳化物分解为团絮状石墨的一种铸铁黑心可锻铸铁（KTZ）基体为铁素体，延性好；珠光体可锻铸铁（KTW）强度较高生产周期长（退火需40-60小时）是其主要缺点可锻铸铁主要用于制造小型复杂零件，如汽车转向节、联轴器、阀门零件等，现已部分被球墨铸铁替代铸钢性能特点高强度高韧性广泛的应用场景铸造工艺挑战铸钢的碳含量一般在

0.2-

0.6%之间，强度和韧铸钢件在铁路、矿山、冶金、能源等重工业领铸钢的铸造性能不如铸铁，主要表现为熔点性均优于铸铁普通碳素铸钢的抗拉强度为域有广泛应用典型产品包括铁路转向架、高（约1500°C），能耗大；流动性差，难以充400-600MPa，延伸率15-25%，冲击韧性轨道扣件、矿山破碎机衬板、大型阀门阀体、填薄壁复杂结构；凝固收缩率大（约

1.5-30-60J/cm²合金铸钢通过添加Cr、Ni、冶金轧辊、水电站水轮机部件等这些零件通2%），容易产生缩孔缩松；热裂倾向大，需要Mo等元素，可获得更高的强度、耐热性或耐腐常工作在恶劣环境，需要较高的力学性能和可合理的结构设计和浇注系统铸钢件通常需要蚀性铸钢广泛用于承受冲击、振动或高压的靠性热处理改善性能和消除内应力重要零件铸钢根据碳含量分为低碳铸钢（

0.25%C）、中碳铸钢（

0.25-

0.5%C）和高碳铸钢（

0.5%C）碳含量越高，强度和硬度越高，但韧性和焊接性降低根据合金元素分为碳素铸钢、低合金铸钢和高合金铸钢铸钢的熔炼主要采用电弧炉或感应炉，铸造方法以砂型铸造为主，大型或复杂件常采用树脂砂工艺合金元素对铸造性能的影响碳C碳是铁基合金最重要的元素，决定了铁素体/奥氏体/碳化物比例在铸铁中，碳增加石墨化倾向和共晶含量，改善流动性，但过高会降低强度和增加缩松倾向铝合金中，碳是有害杂质，形成硬脆Al₄C₃，降低力学性能和耐腐蚀性硅Si硅是强烈的石墨化促进剂，增加铸铁的流动性，减少白口倾向在铝合金中，硅显著改善流动性和减小收缩性，Al-Si系是最主要的铸造铝合金7-12%Si的铝合金具有优异的铸造性能，A356AlSi7Mg和A380AlSi8Cu3是典型代表镁Mg镁是球墨铸铁中的关键球化元素，将片状石墨转变为球状，显著提高强度和韧性在铝合金中，镁是重要的强化元素，提高强度、硬度和响应热处理能力，但降低铸造性能铸造用Al-Mg合金通常限制Mg含量在10%以下，以平衡性能和铸造性铜Cu铜在铸铁中减少石墨化，提高强度和耐磨性，改善耐腐蚀性在铝合金中，铜是主要的强化元素，提高强度和硬度，改善高温性能，但降低延性和耐腐蚀性铸造铝合金中Cu含量一般控制在3-5%，压铸铝合金中可达3-4%其他重要元素包括锰Mn提高铸钢的硬度和强度，中和硫；铬Cr提高耐磨性和耐热性，在铸铁中促进碳化物形成；镍Ni提高铸铁韧性和耐腐蚀性；稀土元素改善铸铁、铝镁合金的铸造性能和力学性能，细化组织，减少气孔和偏析共晶和共析合金碳含量%奥氏体温度°C工艺参数对组织与性能影响浇注温度冷却速度浇注温度对铸件组织和性能有显著影响温度过高会导致冷却速度决定凝固组织的细度和均匀性•晶粒粗大，降低强度和韧性•快速冷却产生细小晶粒，提高强度和韧性•气体溶解度增加，冷却时析出形成气孔•减少枝晶偏析，改善成分均匀性•与型砂、型壳反应加剧，增加夹杂缺陷•抑制某些相的析出，如灰铸铁中抑制石墨化•能耗增加，降低生产效率•冷却太快会增加热应力，导致变形或开裂温度过低则会导致流动性不足，出现冷隔、未充满等缺陷铝合铸件的不同部位由于壁厚差异，冷却速度往往不同，导致组织和金的适宜浇注温度一般为液相线以上60-120°C；铸铁为液相线以性能的不均匀现代铸造通过设计冷铁、控制模具温度等方法调上100-150°C；铸钢为液相线以上50-100°C控冷却速度，获得理想的组织结构除浇注温度和冷却速度外，熔体处理（如变质、细化、除气、除渣）也对组织和性能有重要影响例如，铝硅合金的Na变质处理可将粗大片状硅改变为细小颗粒状，显著提高强度和韧性；铝合金的Ti-B细化处理可细化α-Al枝晶，获得更均匀的组织模型设计原则铸造工艺性确保设计可实现铸造成形补缩系统冒口布置与尺寸优化浇注系统确保充型平稳与顺序合理结构设计壁厚均匀，避免热节模型设计是铸造工艺的关键环节，直接影响铸件质量和成本良好的结构设计应遵循壁厚均匀、过渡圆滑、避免尖角和热节的原则壁厚差异过大会导致冷却不均匀，产生缩松和内应力；锐角和尖角易形成应力集中，增加开裂风险；热节（材料富集区）将成为缩孔的高发区浇注系统设计包括直浇道、横浇道、内浇道等元素，应确保充型平稳、顺序合理、温度适宜冒口设计需遵循后凝固原则，确保在铸件凝固过程中保持液态，为铸件补缩开放式冒口提供大气压力辅助补缩；闭口冒口适用于压力铸造；保温冒口和发热冒口可延长冒口工作时间，提高补缩效率铸造常见缺陷及成因气孔是铸件中最常见的缺陷之一，表现为铸件内部的球形或不规则孔洞成因主要有金属液溶解的气体（如氢在铝合金中）在凝固时析出；浇注系统设计不当导致气体卷入；型砂或砂芯发气气孔降低铸件密封性和力学性能，特别是疲劳强度缩孔和缩松是由金属凝固收缩导致的空腔或疏松区域通常出现在铸件热节处或最后凝固区域主要成因是补缩通道过早封闭或冒口设计不当冷隔是由于金属液前沿在充型过程中温度过低或流动中断导致的不融合缺陷热裂则是由凝固收缩产生的应力超过材料强度导致的裂纹，常见于有阻碍自由收缩的铸件结构中缺陷防治对策缺陷分析确定缺陷类型与根本成因设计优化改进结构与工艺设计工艺调整优化熔炼与浇注参数质量检验验证改进效果预防气孔缺陷的措施包括熔体除气处理（如旋转喷气除气、真空除气）；控制原材料和工具的干燥度；优化浇注系统减少卷气；提高型砂透气性；适当提高浇注温度改善排气对于铝合金，保持低的氢含量（

0.1mL/100g）是关键预防缩孔缩松的措施包括设计合理的顺序凝固路径；在热节处设置冒口或冷铁；改善浇注系统设计确保补缩通道畅通；调整合金成分改善补缩性能（如在铝合金中添加适量Si）预防热裂措施包括避免锐角和壁厚突变；降低浇注温度；调整合金成分降低热裂敏感性；合理布置浇冒口系统减少热应力铸件力学性能测试方法拉伸试验拉伸试验是最基本的力学性能测试方法，可获得抗拉强度、屈服强度、延伸率和断面收缩率等参数铸件通常从关键部位或专门的测试块上切取标准试样进行测试结果反映了材料在单向拉伸载荷下的行为，是评价材料质量的重要指标硬度测试硬度测试可分为布氏硬度HB、洛氏硬度HRC/HRB和维氏硬度HV等方法硬度测试简便快捷，几乎不破坏零件，可用于生产现场检验通过硬度值可间接估算强度，评估热处理效果，预测耐磨性能对于硬度分布不均的铸件，可进行多点测试绘制硬度分布图冲击试验冲击试验测量材料吸收冲击能量的能力，反映材料的韧性常用方法有夏比Charpy和伊佐德Izod试验试样带有标准缺口，测试结果受温度影响显著通过进行不同温度下的冲击试验，可确定材料的脆性转变温度，特别重要的参数显微组织分析是评价铸件质量的重要手段通过金相显微镜观察腐蚀后的表面，可分析晶粒大小、相组成、偏析程度等微观特征电子显微镜和能谱分析可进一步研究显微组成和元素分布X射线衍射可确定相结构，计算机图像分析则可定量评价组织特征这些分析结果与力学性能密切相关，有助于优化工艺参数和改进铸件质量热处理对合金性能的提升退火将铸件加热到适当温度并保持一定时间后缓慢冷却的热处理方法主要目的是消除铸造应力、降低硬度、改善切削性能、细化和均匀化组织灰铸铁退火温度为500-550°C，保温2-4小时；铸钢退火温度为850-950°C，保温时间与壁厚相关2正火将铸件加热到奥氏体区并保持后在空气中冷却的热处理方法正火可细化组织，提高强度和韧性的平衡性，是铸钢常用的热处理方法正火温度一般比退火高30-50°C，冷却速度较快，获得的组织为细小珠光体和少量铁素体淬火将铸件加热到奥氏体化温度后快速冷却的热处理方法，目的是获得马氏体组织，大幅提高硬度和强度铸钢淬火温度为830-870°C，冷却介质可为水、油或聚合物溶液淬火后的铸件硬度高但韧性低，通常需要进行回火处理回火将淬火后的铸件再次加热到低于临界温度并保持一定时间后冷却的热处理目的是减少内应力，调整硬度和韧性的平衡，获得所需的综合性能回火温度决定了最终性能，如低温回火150-250°C保持高硬度，高温回火500-650°C提高韧性铝合金的T6热处理是提升铸造铝合金性能的重要方法，包括固溶处理（如A356合金在540°C保温6小时），将合金元素溶入基体；淬火（水冷或强制空冷），保持过饱和状态；时效处理（155-175°C保温4-8小时），析出强化相T6处理可使A356合金的抗拉强度从170MPa提高到280MPa以上铸造工艺流程案例内燃机缸盖——灰铸铁HT250铝合金A356-T6内燃机缸盖是铸造工艺的典型应用案例传统的汽车发动机缸盖多采用灰铸铁HT250或蠕墨铸铁，具有良好的高温强度、刚性和导热性铸造工艺通常采用树脂砂造型，砂芯组合成型复杂的水套、油道等内腔结构浇注系统设计需确保金属液平稳充填，避免卷气和侵蚀型砂；同时需在热节部位设置合理冒口，防止缩松缺陷汽车结构件的铸造工艺汽车轻量化趋势推动了铸造结构件的广泛应用现代汽车上的悬架支架、副车架、车身节点、防撞梁等结构件越来越多地采用铝合金压铸工艺生产这些零件不仅要求高强度和刚性，还需良好的能量吸收特性和尺寸稳定性常用的铝合金为AlSi10MnMg、AlSi9MnMoZr等，这些合金具有良好的流动性和力学性能，某些变种还可进行热处理大型结构件压铸采用2500-4000吨锁模力的大型压铸机，模具设计需综合考虑充型、冷却、顶出和变形控制等因素薄壁设计（通常为2-4mm）和拓扑优化技术可使零件在保证性能的同时最大限度减轻重量真空辅助压铸技术显著减少了气孔，提高了焊接性能半固态成形技术（如流变铸造）可获得更高致密度和强度，用于安全关键零件模内冷却技术缩短了生产周期，提高了生产效率航空零件铸造案例高温合金涡轮叶片航空发动机涡轮叶片是铸造技术的巅峰之作，工作温度高达1000-1100°C，同时承受高速旋转产生的离心力采用镍基高温合金（如IN

738、CMSX-4等）材料，通过熔模精密铸造工艺制造现代涡轮叶片多采用定向凝固或单晶铸造技术，在叶片内部形成复杂的冷却通道，提高工作温度和效率钛合金结构件钛合金具有高比强度和优异耐腐蚀性，是航空结构件的理想材料典型的钛合金铸件包括发动机机匣、承力框架、起落架部件等这些铸件通常采用熔模铸造工艺，在真空或惰性气体保护下浇注Ti-6Al-4V是最常用的铸造钛合金，铸件常结合HIP（热等静压）处理消除内部缺陷，提高密度和性能铝合金精密件铝合金在飞机结构中占据重要地位，复杂的铝合金铸件多用于液压系统壳体、电子设备外壳和非承力结构框架这类铸件要求高精度、高完整性和良好的表面质量，通常采用熔模铸造或真空差压铸造工艺生产A

201、A357等高强铝合金经T7热处理后，可获得优异的强度-韧性平衡，满足航空级要求航空铸件的质量要求极高，通常采用100%无损检测（X射线、超声波、渗透等），确保无有害缺陷先进的增材制造技术（3D打印）正与传统铸造相结合，如打印蜡模或直接打印型壳，为复杂航空零件的制造开辟新途径高校企业铸造创新案例/智能铸造装备长寿命模具技术清华大学与沈阳铸造研究所合作开发上海交通大学开发的新型压铸模具表的智能铸造生产线实现了熔炼、造面处理技术，通过等离子渗氮和PVD型、浇注、清理全流程自动化该系涂层复合处理，将模具使用寿命提高统采用工业机器人和视觉识别技术，了3倍以上该技术特别适用于铝合金精确控制浇注参数，降低工人劳动强和镁合金压铸，显著降低了模具热裂度，提高铸件一致性系统还集成了纹和粘模现象配合优化的冷却系统实时监测和数据分析功能，能够及时设计，还减少了30%的生产周期，提发现异常并调整工艺参数高了生产效率智能监控系统哈尔滨工业大学与一家汽车零部件企业合作开发的铸造过程智能监控系统，通过多传感器融合和深度学习算法，实现了压铸过程的实时监控和质量预测系统可检测压力、温度、速度等参数的细微波动，并与最终铸件质量建立关联，实现了不良品率降低40%，减少了能源消耗和材料浪费北京航空材料研究院开发的高性能航空铝合金熔模铸造技术，通过超声波处理、真空脱气和精确温度控制，显著减少了气孔和偏析缺陷该技术已成功应用于某型飞机的关键结构件，替代了传统的锻造和机加工工艺，减少了30%的材料浪费和40%的制造周期这些创新案例展示了铸造技术与先进制造理念的融合趋势数字化、智能化、绿色化成为铸造行业技术创新的主要方向，推动传统铸造工艺向高效、精密、环保方向发展绿色铸造与可持续发展节能降耗传统铸造是能源密集型产业，熔炼环节能耗占总能耗的60%以上新型节能电炉、蓄热式燃烧器和余热回收系统可减少30-50%的能源消耗先进的熔炼控制技术和保温材料也大幅降低了能耗同时，优化浇注系统设计，提高金属利用率，减少再熔炼能耗环保材料无机粘结剂砂型技术取代传统呋喃树脂砂，大幅减少有害气体排放水基涂料替代醇基涂料，减少VOC排放新型熔剂和覆盖剂降低了有害物质使用量低碳理念推动了铝合金、镁合金等轻质材料的广泛应用，减轻产品重量，降低使用阶段能耗废弃物管理废砂再生技术（机械再生、热再生、微波再生等）可实现80%以上废砂的循环利用浇冒口系统的金属废料100%回收再利用除尘灰、炉渣等固废通过分选处理，回收有价金属，剩余物用于建材或道路基础水处理闭环系统大幅降低了废水排放清洁生产封闭式生产线减少粉尘和噪声污染自动化设备改善工作环境，提高劳动安全性数字化和智能化技术优化生产过程，减少不良品和浪费生命周期评价方法贯穿产品设计、生产和回收全过程，实现整体环境影响最小化铸造行业现状与发展趋势铸造数字化与智能制造模拟与仿真数字孪生技术智能工厂实践CAE计算机辅助工程CAE技术已成为现代铸造工艺数字孪生是物理铸造系统在虚拟空间的精确映基于工业互联网的智能铸造工厂将设备、材料和开发的核心工具先进的铸造模拟软件（如射，实现了实时数据交互和动态模拟通过在虚工艺紧密结合传感器网络实时监测各项参数，ProCAST、MAGMASOFT等）能够精确模拟金拟环境中对工艺方案进行验证和优化，可显著降云平台和边缘计算处理海量数据，AI算法进行质属液流动、传热传质、凝固收缩等物理过程，预低试错成本数字孪生技术集成了工艺模型、设量预测和工艺优化与传统工厂相比，智能铸造测缩孔、气孔、变形等缺陷基于多目标优化算备模型和管理模型，可实现铸造过程的全链条可工厂可提高30%生产效率，降低20%能耗，减少法的模拟系统能自动寻找最佳工艺参数组合，大视化管理和决策支持，提高生产效率和产品质50%废品率，实现柔性化和定制化生产幅缩短开发周期量3D打印技术与传统铸造的融合创造了新的可能性，如打印砂型、蜡模和铸型，大幅提高了复杂结构的制造能力大数据和人工智能在缺陷识别、品质预测和设备维护方面的应用，使铸造向预测性和前瞻性方向发展随着5G、区块链等新技术的应用，铸造业数字化转型正向更深层次和更广范围推进铸件质量控制全流程原材料控制熔炼过程控制化学成分分析、杂质元素控制、材料纯度温度监测、成分调整、熔体处理效果验证检测终检与试验浇注过程控制无损检测、力学性能测试、尺寸检验浇注温度、速度、时间记录与分析进料检测是质量控制的第一道防线，包括原材料的化学成分分析、物理性能测试和表面质量检查现代铸造厂多采用光谱分析仪进行快速成分分析，确保合金配比精确熔炼过程控制关注温度曲线、气体含量、夹杂物含量等指标，通过取样分析及时调整工艺参数铸件终检主要包括外观检查发现表面缺陷；尺寸测量确保精度要求；射线或超声检测发现内部缺陷；硬度测试、机械性能试验验证材料特性；金相检验分析微观组织先进铸造企业还建立了质量追溯系统，记录每批次铸件的全部生产数据，便于分析问题根源和持续改进质量信息数据库积累的大量历史数据，为质量预测和智能决策提供了基础铸造标准与质量认证国际标准中国国家标准行业认证•ISO8062铸件几何公差•GB/T6414铸造术语•IATF16949汽车行业质量管理体系•ISO4990钢铸件通用技术条件•GB/T9439铸件尺寸公差•AS9100航空航天质量管理体系•ISO8062-3铸件尺寸和几何公差与加工余量•GB/T5611灰铸铁件•PED欧盟压力设备指令认证•ISO9001质量管理体系•GB/T1348球墨铸铁件•CCS中国船级社认证•ISO14001环境管理体系•GB/T11352铝合金铸件•API美国石油协会认证铸造企业质量检验流程通常包括首检（批次开始前的样件验证）、巡检（生产过程中的定期抽检）、终检（成品全面检验）检验标准主要涉及外观质量等级、尺寸精度等级、内部质量等级质量检验可分为破坏性检验（机械性能测试、金相分析等）和非破坏性检验（超声波、X射线、渗透、磁粉等）现代铸造企业的质量管理已从传统的产品检验模式转变为全过程控制模式，采用SPC（统计过程控制）、六西格玛、APQP（产品质量先期策划）等先进方法特殊行业的铸件（如航空、核电、军工）通常需要更严格的质量认证和全过程的质量记录质量认证已成为铸造企业进入高端市场的必要条件课程小结与复习要点铸造基础知识掌握铸造定义、分类及基本原理合金性能特性理解不同合金的组成与工艺性能工艺方法掌握熟悉各类铸造工艺的特点和应用质量控制体系建立全面的铸件质量评价观念铸造工艺与合金性能课程内容丰富，核心知识点包括铸造合金的成分设计与性能调控原理；各类铸造工艺（砂型、金属型、压铸、熔模等）的原理、特点及适用范围；铸造缺陷的形成机理与防治措施；铸件热处理工艺与性能提升方法；现代铸造技术发展趋势学习本课程需要建立系统思维，理解材料-工艺-性能-应用的完整链条掌握的关键能力包括合理选择铸造合金和工艺的能力；铸造工艺参数优化的能力；铸件质量分析与改进的能力建议重点复习各类合金的铸造特点、工艺选择原则和常见缺陷的防治方法课程内容与实际生产紧密结合，同学们应多关注行业前沿技术发展课堂互动与答疑常见问题解析小组讨论实践作业说明针对同学们普遍关心的铸造收分组讨论当前铸造工艺面临的本课程的实践作业包括铸造工缩率计算、缺陷判断与工艺优技术挑战与创新方向每组选艺设计、CAE模拟分析及实际化等问题，本节将进行详细解择一个感兴趣的主题（如铸造铸件试制各小组将获得一个答和案例分析欢迎提前准备合金开发、特种铸造工艺、数真实铸件设计案例，需完成从问题，我们将选择具有代表性字化铸造技术等），进行调研材料选择、工艺设计到质量检的问题进行课堂讨论并准备简短报告验的全过程，并提交完整的技术报告行业交流机会本学期将安排2-3次企业参观和行业专家讲座，帮助同学们了解铸造行业的实际应用和最新发展参观报名和讲座安排将通过课程网站发布，请保持关注课程评分由理论考试40%、实践作业30%、课堂参与10%和期末项目20%组成理论考试重点考察基础概念理解和问题分析能力；实践作业注重工艺设计和问题解决能力；期末项目要求学生结合所学知识解决一个综合性铸造工程问题建议同学们充分利用学校的材料实验室和铸造工艺实训中心，加强动手实践推荐阅读的补充资料包括《铸造合金与工艺》、《铸造手册》以及《International Journalof CastMetals Research》等期刊欢迎有志于从事铸造研究的同学参与课题组的科研项目，获取更多实践经验。