实用铸造应用技术与实践

第1章浇注系统设计 1.1浇注系统简介1 1.1.1浇注系统的组成与作用1 1.1.2内浇道位置设置通则3 1.1.3浇注系统的类型和应用范围4 1.2各类铸件浇注系统的设计8 1.2.1灰铸铁件浇注系统设计8 1.2.1.1控流截面积的计算8 1.2.1.2雨淋式浇注系统Ag总截面积的计算12 1.2.1.3控流式浇注系统控流总截面积的计算13 1.2.1.4浇注系统各单元横截面积的比例16 1.2.1.5大孔出流浇注系统的计算16 1.2.1.6阶梯式浇注系统的计算24 1.2.1.7垂直分型浇注系统的计算26 1.2.2球墨铸铁件浇注系统设计31 1.2.2.1传统浇注系统的计算31 1.2.2.2大孔出流浇注系统的计算32 1.2.3可锻铸铁件浇注系统设计36 1.2.3.1水平分型浇注系统的计算37 1.2.3.2垂直分型浇注系统的计算37 1.2.4铸钢件浇注系统设计37 1.2.4.1浇注位置对顺序凝固的影响37 1.2.4.2浇注系统尺寸的计算38 1.2.5非铁合金铸件浇注系统设计46 1.2.5.1铝合金铸件、镁合金铸件的浇注系统46 1.2.5.2铜合金铸件的浇注系统48 1.2.6各类浇注系统尺寸数据库51 1.3出气孔设计69 1.3.1出气孔的作用及设计原则69 1.3.2出气孔的分类及尺寸69 1.4合金液的过滤净化71 1.4.1耐高温玻璃纤维过滤网过滤技术71 1.4.2陶瓷过滤器(板)过滤技术73 1.4.3泡沫陶瓷过滤器过滤技术74 1.4.3.1泡沫陶瓷过滤器的过滤机能74 1.4.3.2泡沫陶瓷过滤器孔眼尺寸和厚度的选择75 1.4.3.3安装过滤器处浇道截面积比的确定76 1.4.3.4合金液的额定过滤重量与流速的选择76 1.4.3.5有效过滤面积与额定过滤重量和流量的另一种确定方法77 1.4.3.6过滤器安装位置的选择77 第2章补缩系统设计 2.1铸件的凝固方式80 2.1.1凝固动态曲线80 2.1.2铸件凝固方式80 2.2凝固方式与铸件质量的关系81 2.2.1逐层凝固方式81 2.2.2体积凝固方式81 2.2.3中间凝固方式82 2.2.4凝固区域宽度的控制82 2.3凝固模数的计算83 2.3.1简单几何体模数的计算85 2.3.2复合体模数的计算86 2.3.2.1有限体复合件模数的计算86 2.3.2.2杆状件复合体模数的计算87 2.3.2.3T形板接头模数的计算88 2.3.2.4十字形板接头模数的计算88 2.3.2.5L形板接头模数的计算89 2.3.2.6其余复合体模数的计算90 2.4铸钢件补缩系统设计93 2.4.1铸钢的收缩93 2.4.2铸钢件中的缩孔和缩松95 2.4.3缩孔形成机理95 2.4.4缩松形成机理96 2.4.5补缩通道与缩孔位置的确定97 2.4.5.1非补缩通道的位置97 2.4.5.2可作为补缩通道或缩孔的位置99 2.4.5.3补缩通道计算实例100 2.4.6冒口的位置103 2.4.7冒口的补缩距离103 2.4.7.1图表法103 2.4.7.2延续度法105 2.4.8补贴的设计106 2.4.8.1金属补贴107 2.4.8.2保温补贴115 2.4.9模数法计算冒口117 2.4.9.1普通冒口的计算117 2.4.9.2保温冒口的计算126 2.4.9.3发热冒口的计算129 2.4.9.4工艺举例131 2.4.10周界商法计算冒口169 2.4.11补缩液量法计算冒口171 2.4.11.1凝固体收缩的计算172 2.4.11.2半球顶等圆柱形冒口的计算172 2.4.11.3半圆顶等腰形冒口的计算172 2.4.11.4侧冒口的计算173 2.4.11.5冒口计算实例173 2.4.12比例法计算冒口183 2.4.13易割冒口的计算192 2.5铸铁件补缩系统设计194 2.5.1灰铸铁件的补缩194 2.5.1.1凝固体收缩194 2.5.1.2冒口补缩距离195 2.5.1.3冒口计算195 2.5.1.4局部厚大截面（热节）的处理196 2.5.2球墨铸铁件的补缩202 2.5.2.1凝固体收缩202 2.5.2.2冒口计算202 2.5.3可锻铸铁件的补缩207 2.5.4铸铁件补缩系统工艺举例210 2.6非铁合金铸件补缩系统设计223 2.6.1冒口补缩距离223 2.6.2冒口计算224 2.6.3非铁合金铸件补缩系统工艺举例226 第3章激冷系统设计 3.1铸钢件激冷系统设计231 3.1.1直接外冷铁及其激冷系统设计231 3.1.1.1直接外冷铁引起的气孔和消除231 3.1.1.2直接外冷铁引起的热裂和消除232 3.1.1.3用模数法计算直接外冷铁239 3.1.1.4激冷系统设计实例245 3.1.2间接外冷铁及其激冷系统设计248 3.1.2.1代替直接外冷铁防止铸件产生气孔248 3.1.2.2代替直接外冷铁或内冷铁控制铸件凝固249 3.1.2.3间接外冷铁的计算249 3.1.2.4激冷系统设计实例250 3.1.3内冷铁及其激冷系统设计251 3.1.3.1熔合内冷铁的计算252 3.1.3.2不熔合内冷铁的计算256 3.1.3.3简易法计算内冷铁257 3.1.3.4激冷系统设计实例261 3.2铸铁件激冷系统设计266 3.2.1灰铸铁件的激冷266 3.2.2球墨铸铁件的激冷267 3.2.3激冷系统设计实例268 3.3非铁合金铸件的激冷274 3.4强制冷却系统设计275 3.4.1强制冷却的原理与工艺措施275 3.4.2强制冷却工艺设计实例276 第4章风力发电设备铸件的铸造 4.1简介284 4.2化学成分控制285 4.2.1ω(CE)、ω（C）和ω（Si）的选择286 4.2.2ω(Mn)、ω(P)和ω(S）的选择286 4.3微量合金元素的控制287 4.4金属炉料的选择288 4.5熔化、球化、孕育处理与浇注288 4.5.1熔化288 4.5.2预处理288 4.5.3球化处理289 4.5.4孕育处理289 4.5.5均衡凝固和缓慢冷却290 4.6热处理291 4.7铸造工艺291 4.7.1砂型与砂芯291 4.7.2浇注系统设计292 4.7.3收缩缺陷的预测292 4.7.4冒口与冷铁设计293 4.7.5铸造工艺举例294 第5章消失模铸造与V法铸造 5.1消失模铸造与V法铸造的比较与选择301 5.2消失模铸造301 5.2.1模样制造302 5.2.1.1模样材料302 5.2.1.2模样的加工成形303 5.2.1.3模样的发泡成形309 5.2.2胎型设计与制造319 5.2.3涂料320 5.2.3.1聚乙烯醇缩丁醛（PVA）快干涂料320 5.2.3.2树脂系快干涂料320 5.2.3.3纸浆废液涂料321 5.2.3.4糖浆涂料321 5.2.3.5CMC涂料322 5.2.3.6施涂工艺与干燥323 5.2.4铸造工艺与生产技术324 5.2.4.1工艺方案选择324 5.2.4.2加工余量与尺寸公差325 5.2.4.3收缩率325 5.2.4.4浇注系统设计325 5.2.4.5补缩系统和激冷系统设计326 5.2.4.6砂箱327 5.2.4.7型砂328 5.2.4.8型砂输送328 5.2.4.9加砂除尘328 5.2.4.10振动紧实329 5.2.4.11抽真空与浇注331 5.2.4.12旧砂处理333 5.2.4.13大型铸件生产335 5.2.5环境保护336 5.2.5.1除尘336 5.2.5.2废气处理337 5.2.6生产线的形式338 5.2.6.1工艺流程338 5.2.6.2造型生产线338 5.2.7铸铁件皱皮缺陷及其预防340 5.2.7.1皱皮形成机理340 5.2.7.2皱皮缺陷预防措施340 5.2.8铸钢件表面增碳及其预防341 5.2.8.1增碳机理341 5.2.8.2影响表面增碳的因素及预防措施342 5.2.9Replicast CS法345 5.2.10负压富氧快烧空壳铸造法346 5.2.10.1工艺流程346 5.2.10.2工艺要点346 5.2.11负压强烧空壳（无碳）铸造法350 5.2.12高温焙烧空壳铸造法352 5.2.12.1涂料的配制352 5.2.12.2焙烧前后注意事项353 5.2.12.3焙烧后的涂层应有的性能354 5.2.13消失模铸造工艺举例354 5.2.14泡沫塑料主要性能指标的检验364 5.2.14.1聚苯乙烯中残留苯乙烯单体测定364 5.2.14.2发泡剂含量的测定364 5.2.14.3聚苯乙烯珠粒的堆积密度365 5.2.14.4聚苯乙烯泡沫塑料的水分365 5.2.14.5泡沫塑料的密度365 5.2.14.6泡沫塑料的线收缩率366 5.2.14.7泡沫塑料的抗拉强度366 5.2.14.8泡沫塑料的抗压强度366 5.3V法铸造367 5.3.1V法铸造原理367 5.3.2造型设备368 5.3.2.1砂箱368 5.3.2.2模板369 5.3.3真空抽气系统372 5.3.3.1真空泵372 5.3.3.2水浴滤气罐372 5.3.3.3真空罐（稳压罐）373 5.3.3.4滤砂与分配罐373 5.3.4V法铸造工艺373 5.3.4.1型砂与砂处理373 5.3.4.2塑料薄膜与覆膜成形373 5.3.4.3涂料与涂敷377 5.3.4.4浇注系统、冒口和冷铁379 5.3.4.5造型与制芯379 5.3.4.6配箱与浇注381 5.3.5V法铸造工艺举例381 5.4消失模铸造与V法铸造兼备385 第6章特种铸造工艺 6.1离心铸造386 6.1.1铜合金管、套类铸件离心铸造388 6.1.1.1铸件的线收缩率389 6.1.1.2机械加工余量389 6.1.1.3铸型转速390 6.1.1.4铸型工作温度391 6.1.1.5涂料391 6.1.1.6浇注温度392 6.1.1.7浇注方法392 6.1.1.8出型温度393 6.1.2轴瓦离心铸造393 6.1.2.1封闭式钢背衬铜轴瓦离心铸造393 6.1.2.2开放式钢背衬铜轴瓦离心铸造395 6.1.2.3开放式钢背巴氏合金轴瓦离心铸造395 6.1.3铜合金叶轮离心铸造396 6.1.4大型管形铸钢件离心铸造396 6.1.4.1卧式离心铸造机397 6.1.4.2筒型设计398 6.1.4.3离心铸造操作要点399 6.1.4.4离心铸造缺陷分析400 6.1.5铸铁气缸套离心铸造401 6.1.5.1材质401 6.1.5.2离心铸造工艺403 6.1.5.3常见的缺陷及防止407 6.2低压铸造407 6.2.1铸件工艺设计408 6.2.1.1浇注位置的选择408 6.2.1.2分型面的选择409 6.2.1.3加工余量、工艺余量和铸造斜度409 6.2.1.4铸造收缩率410 6.2.1.5浇注系统的形式410 6.2.1.6浇注系统计算411 6.2.1.7冒口设计411 6.2.1.8冷铁设计411 6.2.1.9强制冷却411 6.2.2铸型设计412 6.2.2.1铸型的种类412 6.2.2.2铸型的结构设计413 6.2.3以气力驱动的低压铸造工艺419 6.2.3.1工艺过程419 6.2.3.2升液管的准备419 6.2.3.3保温坩埚的准备419 6.2.3.4铸型的准备419 6.2.3.5低压浇注421 6.2.3.6工艺实例425 6.2.3.7液面加压控制浇注工艺432 6.2.4以电磁泵驱动的低压铸造工艺433 6.3差压铸造433 6.3.1差压铸造原理433 6.3.2差压铸造工艺的优点434 6.3.3差压铸造应用范围434 6.3.4铸型与工艺设计435 6.3.5差压铸造浇注工艺435 6.3.5.1浇注过程的特点435 6.3.5.2浇注工艺参数选择436 6.3.6差压铸造设备437 6.3.6.1VP型差压铸造设备437 6.3.6.2国产差压铸造设备437 6.3.6.3差压浇注液面加压控制系统439 6.4调压铸造440 6.4.1调压铸造的工作原理440 6.4.2调压铸造工艺特点440 6.4.3应用范围441 6.4.4液面加压控制系统441 6.5增压铸造441 6.5.1基本原理442 6.5.2增压铸造设备442 6.5.3增压铸造工艺442 6.6石膏型铸造443 6.6.1石膏型铸造应用范围443 6.6.2工艺过程445 6.6.3工艺参数445 6.6.3.1铸件尺寸公差和加工余量445 6.6.3.2铸造斜度445 6.6.3.3线收缩率446 6.6.3.4浇冒口、补贴、冷铁设计447 6.6.4熔模法用模样的制造447 6.6.4.1模料447 6.6.4.2水溶性型芯料447 6.6.4.3蜡模样与型芯的制作448 6.6.5石膏型用原材料449 6.6.6石膏浆料的配方449 6.6.7石膏浆料的制备450 6.6.7.1非发泡石膏浆料的制备450 6.6.7.2发泡石膏浆料的制备451 6.6.8灌浆452 6.6.9石膏型的蒸汽处理、干燥和脱蜡453 6.6.10石膏型的焙烧453 6.6.11浇注454 6.6.12铸件清整456 6.7陶瓷型铸造457 6.7.1硅酸乙酯陶瓷型铸造457 6.7.1.1工艺过程457 6.7.1.2应用范围457 6.7.1.3铸件工艺设计458 6.7.1.4铸型用原材料459 6.7.1.5制型工艺466 6.7.1.6合型、浇注、清理469 6.7.2硅溶胶陶瓷型铸造469 6.7.2.1硅溶胶469 6.7.2.2硅溶胶的稀释处理470 6.7.2.3硅溶胶浆料470 6.7.2.4制型工艺471 6.7.2.5合型、浇注与清理471 6.8振动浇注和结晶471 6.8.1振动对铸件质量的影响472 6.8.2振动对金属结晶的影响472 6.8.3振动浇注、结晶比纯振动结晶优越474 6.8.4振动浇注、结晶的应用范围475 6.8.5消失模振动浇注、结晶的工业化应用475 第7章铸造工艺参数与工艺符号 7.1铸件最小铸出壁厚477 7.2铸件最小铸出孔477 7.2.1用于铝合金铸件的水溶性砂芯478 7.2.2用于铸钢件的水溶性砂芯478 7.3铸件尺寸公差479 7.4机械加工余量481 7.5铸件重量公差483 7.6铸件表面粗糙度484 7.7铸造收缩率485 7.8起模斜度486 7.9非加工壁厚负余量488 7.10反变形量488 7.11工艺补正量489 7.12分型负数491 7.13收缩肋491 7.14压铁的重量和去压铁载荷时间492 7.14.1压铁重量的计算492 7.14.2去除压铁载荷时间494 7.15起吊重量和铸件上吊轴的设计494 7.15.1起吊重量的计算方法494 7.15.2铸件上吊轴的设计494 7.16砂芯芯头尺寸495 7.16.1垂直芯头496 7.16.2水平芯头498 7.17砂芯的定位结构500 7.18压环、防压环和集砂槽芯头结构501 7.19砂芯负数（砂芯减量）501 7.20芯撑502 7.20.1使用芯撑需要注意的几个问题502 7.20.2芯撑尺寸的计算503 7.21铸造工艺符号512 第8章造型与制芯材料 8.1原砂517 8.1.1硅砂517 8.1.1.1来源和分类517 8.1.1.2硅砂的矿物组成517 8.1.1.3粒度518 8.1.1.4表面状态、颗粒形状519 8.1.1.5铸造用硅砂的分级520 8.1.1.6铸造用硅砂的牌号521 8.1.1.7检定铸造黏结剂用标准砂521 8.1.2锆英砂（别称锆砂）521 8.1.3铬铁矿砂522 8.1.4宝珠砂与碳粒砂523 8.1.5橄榄石砂524 8.1.6刚玉砂（粉）525 8.1.7铝矾土耐火熟料砂525 8.1.8石灰石砂526 8.2黏结材料528 8.2.1无机黏结材料528 8.2.1.1普通黏土（代号N）528 8.2.1.2膨润土（代号P）529 8.2.1.3镁钙基膨润土532 8.2.1.4水玻璃532 8.2.2合成树脂黏结剂537 8.2.2.1自硬法用树脂黏结剂538 8.2.2.2覆膜砂用树脂黏结剂及固化剂540 8.2.2.3热芯盒用树脂黏结剂及其固化剂541 8.2.2.4温芯盒用树脂黏结剂及固化剂543 8.2.2.5烘干硬化酚醛树脂黏结剂543 8.2.2.6气硬冷芯盒法用树脂黏结剂544 8.2.3其他黏结剂547 8.2.3.1羧甲基纤维素钠（CMC） 547 8.2.3.2聚乙烯醇缩丁醛（PVB）548 8.2.3.3聚丙烯酰胺（PAM）548 8.2.3.4聚醋酸乙烯乳液（白乳胶）549 8.2.3.5黄原胶549 8.2.3.6硅酸乙酯549 8.2.3.7硅溶胶550 8.2.3.8硫酸铝550 8.3其他材料550 8.3.1铸造用煤粉550 8.3.1.1挥发分550 8.3.1.2焦渣550 8.3.1.3光亮碳550 8.3.1.4粒度550 8.3.2煤粉的代用材料551 8.3.2.1FS粉551 8.3.2.2MD粉552 8.3.2.3α淀粉552 8.3.2.4重油552 8.3.2.5高效煤粉553 8.3.2.6铸造综合添加剂553 8.3.3石墨粉553 8.3.4抗脉纹添加剂555 8.3.5偶联剂556 8.3.6有机溶剂556 8.3.6.1乙醇556 8.3.6.2异丙醇557 8.3.7脱模剂557 8.3.7.1石松子粉和滑石粉557 8.3.7.2全损耗系统用油558 8.3.7.3蜡558 8.3.7.4甲基硅油558 8.4黏土砂559 8.4.1湿型砂各种材料的选用559 8.4.2湿型砂及其性能控制560 8.4.3湿型砂的配方560 8.4.4湿型砂的混制工艺564 8.4.5旧砂回用及其性能控制564 8.5水玻璃型砂和芯砂565 8.5.1CO2硬化水玻璃砂565 8.5.1.1原材料选择565 8.5.1.2CO2硬化水玻璃砂的配方及性能566 8.5.1.3真空CO2硬化水玻璃砂配比与性能（VRH=CO2法）568 8.5.1.4CO2硬化水玻璃砂可能出现的问题与预防措施568 8.5.2烘干硬化水玻璃砂569 8.5.3有机酯水玻璃自硬砂570 8.5.3.1有机酯普通水玻璃自硬砂571 8.5.3.2有机酯改性水玻璃自硬砂573 8.5.3.3新型酯改性水玻璃自硬砂575 8.5.3.4酯硬化水玻璃砂可能出现的问题及防止措施575 8.5.4新型热硬改性水玻璃砂576 8.5.5新型水玻璃冷芯盒气硬砂578 8.5.6水玻璃砂旧砂处理与再生578 8.5.6.1湿法再生578 8.5.6.2干法再生578 8.5.6.3综合法再生578 8.6树脂砂579 8.6.1树脂自硬砂579 8.6.1.1对原材料的要求579 8.6.1.2树脂自硬砂配制580 8.6.1.3树脂自硬砂的旧砂再生582 8.6.2覆膜砂583 8.6.2.1覆膜砂原材料583 8.6.2.2覆膜砂的性能和分类584 8.6.2.3覆膜砂的生产与供应584 8.6.3热芯盒砂584 8.6.3.1热芯盒砂用原材料584 8.6.3.2热芯盒砂配比及混砂工艺585 8.6.4温芯盒砂585 8.6.5气硬冷芯盒砂586 8.6.5.1三乙胺法芯砂586 8.6.5.2SO2法芯砂586 8.6.5.3CO2硬化碱性酚醛树脂芯砂587 8.6.5.4气雾化有机酯硬化酚醛树脂芯砂588 8.6.5.5CO2硬化聚丙烯酸钠芯砂588 8.7涂料588 8.7.1涂料的基本组成589 8.7.1.1耐火骨料589 8.7.1.2悬浮剂589 8.7.1.3黏结剂591 8.7.1.4载体（分散剂）591 8.7.1.5助剂592 8.7.2涂料性能的测定592 8.7.3涂料的选用592 第9章造型、制芯、烘干与砂型装配 9.1造型与制芯方法分类和选择594 9.2造型和制芯596 9.2.1手工造型596 9.2.1.1砂箱造型596 9.2.1.2地坑造型601 9.2.2手工制芯604 9.2.2.1芯盒制芯604 9.2.2.2车板制芯606 9.2.2.3刮板制芯607 9.2.3机器造型607 9.2.4CO2硬化水玻璃砂型、砂芯工艺611 9.2.4.1插管法611 9.2.4.2盖罩法612 9.2.4.3型内吹气法612 9.2.4.4复合吹气法614 9.2.4.5VRH硬化法616 9.2.5酯硬化水玻璃砂工艺618 9.2.6树脂自硬砂造型与制芯工艺619 9.2.6.1造型、制芯工艺特点619 9.2.6.2操作要点619 9.2.7树脂砂热硬法制芯工艺621 9.2.7.1热芯盒法621 9.2.7.2壳芯法621 9.2.8树脂砂气硬法制芯工艺622 9.2.8.1三乙胺法制芯工艺622 9.2.8.2SO2法制芯工艺624 9.2.8.3甲酸酯气雾法制芯工艺624 9.2.8.4CO2硬化法制芯工艺625 9.3烘干626 9.4砂型装配629 9.4.1砂型的装配629 9.4.2合型629 9.4.3紧固630 第10章铸件的落砂、清理与后处理 10.1铸件的落砂除芯632 10.1.1机械落砂除芯634 10.1.1.1机械振动落砂634 10.1.1.2滚筒落砂635 10.1.1.3风动机械除芯636 10.1.2喷丸清砂除芯636 10.1.3水力清砂除芯636 10.1.4电液压清砂除芯637 10.1.5碱煮化学清砂638 10.2铸件的浇冒口、飞翅和毛刺的去除640 10.2.1机械冲、锯、切640 10.2.2导电切割641 10.2.3碳弧气刨642 10.2.4氧乙炔焰切割645 10.3铸件的表面清理647 10.3.1滚筒表面清理647 10.3.2喷丸表面清理647 10.3.3喷砂表面清理648 10.3.4抛丸表面清理650 10.3.5铸件表面的铲磨651 10.4铸件缺陷的修补654 10.4.1手工电弧焊焊补654 10.4.1.1灰铸铁件缺陷的电弧焊补655 10.4.1.2球墨铸铁件缺陷的电弧焊补657 10.4.1.3可锻铸铁件缺陷的电弧焊补658 10.4.1.4铸钢件缺陷的电弧焊补658 10.4.1.5铜合金铸件缺陷的电弧焊补661 10.4.2CO2气体保护焊661 10.4.2.1CO2焊的特点661 10.4.2.2CO2焊焊补工艺661 10.4.2.3CO2焊焊补安全技术664 10.4.3气焊焊补664 10.4.3.1铸铁件的气焊665 10.4.3.2非铁合金铸件的气焊665 10.4.4浸渗修补668 10.4.4.1水玻璃型浸渗剂669 10.4.4.2合成树脂型浸渗剂669 10.4.4.3厌氧型浸渗剂669 10.4.4.4真空压力浸渗工艺670 10.5铸件除应力处理670 10.5.1铸铁件除应力处理670 10.5.1.1灰铸铁件670 10.5.1.2高硅和高铬铸铁件672 10.5.1.3球墨铸铁件673 10.5.2铸钢件除应力处理673 10.5.3非铁合金铸件除应力处理673 10.6铸件的防锈处理674 10.6.1防锈液法674 10.6.2磷化法675 10.6.3油封法675 10.6.4化学氧化处理676 附录 附录A球墨铸铁件常用热处理规范679 附录B可锻铸铁件石墨化退火热处理规范683 附录C碳钢铸件热处理规范684 附录D常用低合金钢铸件热处理规范687 附录E高锰钢铸件热处理规范691 附录F常用不锈钢铸件热处理规范692 附录G铝合金铸件热处理规范694 附录H镁合金铸件热处理规范697 附录I铜合金铸件热处理规范698 参考文献699