铸造工艺四大关键步骤详解
第一步：型样与模具制备
型样是铸件的复制品，用于形成型腔，材质通常为木材或金属。模具由两半或多半组成，包含主型腔及浇注、排气、补缩等辅助型腔。砂型铸造中，砂箱分为上箱（顶箱）与下箱（底箱）。制作空心铸件需放置砂芯，型样上的芯座用于定位砂芯。
型样余量
型样尺寸大于成品，超出部分称为型样余量，主要包括：
- 收缩余量：补偿铸件从凝固温度冷却至室温的固态收缩。计算公式：αₗ·l·(θ_f - θ₀)，其中 αₗ 为线膨胀系数。不同材料收缩率差异大（如灰铸铁 7~10.5 mm/m，钢 20 mm/m）。
- 加工余量：为后续机加工预留材料，通常铁件 3 mm，有色件 1.5 mm，内表面余量为负值。
- 拔模斜度：型样垂直分型面壁面的锥度（0.5°~2°），便于脱模。
模具制造
小批量手工造型，大批量使用造型机（冲击压实、挤压压实、射砂压实等）。关键工艺点：涂脱模剂、铺面砂、压箱重、大型砂箱加加强筋、设置排气孔、再入角处采用三箱造型（增设中箱）。
第二步：熔炼与浇注
熔炼关键控制点
- 气体控制：氢、氮为主要有害气体。吸热型金属（Al、Mg、Cu、Fe、Ni）溶氢随温度升高增加；放热型金属（Ti、Zr）相反。西弗特定律指导脱氢：通入干燥惰性气体（Ar、He、Cl₂）降低氢分压。铁素体钢需严格控制氮含量，可用 CO 脱氢脱氮。
- 炉型选择：依据金属化学成分、最高温度、出铁速率、原料尺寸决定。流动性（流动长度）决定最佳浇注温度——流动性越好，过热度越低，气体溶解越少。
浇注与浇注系统设计
良好的浇注系统需在不过度降温、湍流、卷气、夹渣前提下，以适宜速率填满型腔。浇注过慢致使冷隔、浇不足；过快冲蚀型壁。需寻找最优浇注速度。
第三步：冷却与凝固
冒口设计与布置
凝固时间与 V/A 比（体积/散热面积）成正比。冒口须晚于铸件凝固，且体积足以补偿液态及凝固收缩（2.5%~7.5%）。凯恩法通过冻结比与体积比的双曲线关系确定冒口尺寸；莫杜法利用形状因子 (l+w)/h 简化计算。薄壁件需多冒口，厚板件单冒口喂铁距离 ≤4.5t，方棒件 ≤30√s。冷铁可增大喂铁距离，单冒口置两端，多冒口置中间。发热剂与保温套可延缓冒口凝固。
第四步：缺陷与检测
砂型铸造常见缺陷（21类）
- 气孔类：气孔（大球形）、针孔（微小密集）、气眼（表面凹陷）、疏松（微孔均匀分布）。
- 砂型缺陷：落砂、粘砂、冲砂、鼓胀、膨胀缺陷（鼓包、鼠尾、结疤）。
- 金属液流动缺陷：浇不足、冷隔、冷撞。
- 收缩缺陷：缩孔、缩松（中心缩松、枝晶间缩松）。
- 应力缺陷：热裂（凝固末期）、冷裂（<270℃）。
- 夹杂：夹渣、夹砂、氧化夹杂。
- 几何偏差：错箱、移芯、变形。
无损检测方法
- 外观检查：表面粗糙、明显错箱、遗漏砂芯、表面裂纹（敲击听音辅助）。
- 压力测试：承压件灌水/气，浸肥皂水观察气泡。
- 磁粉检测：铁磁性材料表面及近表面裂纹、气孔。
- 渗透检测：非磁性材料表面开口缺陷（荧光渗透剂）。
- 射线检测：内部气孔、夹杂、裂纹、缩松（X射线/γ射线）。
- 超声波检测：利用声波反射定位内部不连续，不适用于高阻尼材料（如铸铁）。
工业技术