铸造表面粗糙度是指经过清理粘附砂粒后铸造表面上具有较小间距和峰谷所组成的微观几何形状特性。它不包括粘砂、气孔和砂眼等表面缺陷。

    铸造表面质量不但直接影响着产品的外观，而且还影响铸造表面的油漆、电镀质量以及机器的精度、寿命和能耗。本文就铸造表面粗糙度的形成机理、影响因素、评定标准及其测量方法进行讨论。

    在铸造过程中，由于金属液与铸型型腔表面直接接触，使金属液与铸型内壳层之间产生相互作用。它包括热作用、机械作用和物理化学作用。因此，影响铸造表面粗糙度的因素比较复杂。下面以砂型铸造为例，对粗糙度的影响因素作一分析。

1、Ra与型砂颗粒大小的关系

    铸造表面是在砂型表面上形成的，其粗糙度与砂型表面粗糙度有直接关系。金属液因静压力的作用，渗入砂粒的空隙。型砂颗粒越大，砂型表面的孔隙度也越大，铸造表面就越粗糙。如用HT250铸铁在1450℃温度下浇铸，当面砂为200号（筛孔尺寸为0.074mm）砂时，铸造表面最光滑，轮廓的算术平均偏差Ra≈6μm；用20号（筛孔尺寸为0.84mm）砂作面砂时，铸造表面最粗糙，Ra≈80μm，试验结果如图1所示。图中D均为砂粒平均直径。从图中可以看出，Ra值约为砂粒平均直径的十分之一。大量的试验表明，砂型铸铁铸造表面粗糙度的Ra值约为型砂平均直径的1/12-1/6。一般机械的中、小铸件大都采用70/140号细粒砂制型，其Ra值为10-30μm。

    型砂由多种原材料制成，如应用最广泛的粘土型砂就是由造型砂、造型粘土、附加物及水按一定比例配制而成的。粘土和水形成的粘土胶体以薄膜形式复盖在砂粒表面，把砂粒相互联结起来，适当调整型砂的配制比例对表面粗糙度有一定的影响。此外，加入适量的煤粉等附加物，可提高铸造表面的光滑程度。这是因为煤粉在400℃以上的温度时，发挥物分解后会在金属和砂型分界面上形成光泽碳层。

2、Ra与浇注温度及壁厚的关系 

    当浇注温度越高，铸件壁厚愈厚时，则金属液在铸型表面保持液态的时间越长，金属液的流动性就越好，因而渗入孔隙内的金属液也越多，且金属不易冷凝，其渗入深度也大。当浇铸温度超过某一临界值时，由于热力和化学粘砂严重，粗糙度值急剧增加。图2为不同温度的钢液在石英砂型中浇铸时铸造表面粗糙度的变化情况。

3、Ra与砂型紧密度的关系 

    砂型紧密度增大时，质点间的距离越近，砂粒表面粘土薄膜接触面积增大，使砂粒间空隙减少而联接更为紧密，这时，湿强度提高，金属渗入砂型的深度减小，但在紧密度达到某一数值以后，渗入深度就不再减小。减少金属渗入深度最有效的压紧范围是67－100N/cm2。

    此外，粗糙度值还与铸型表面材料的导热性能及铸型中产生的气体压力等因素有关。

    但是，不少人认为铸造表面比铸型表面更为粗糙。然而，试验结果表明，铸造表面一般要比铸型表面光滑。这是因为金属液并非完全进入铸型表面空隙。其升降高度与毛细管中液体的表面张力相平衡。毛细管阻力的大小取决于液体的表面张力、密度和毛细管的半径等。即毛细管半径愈小，其阻力愈大，金属愈不易渗入，只有当金属液超出临界压力时才能进入砂粒孔隙。铸造表面的峰谷一般比铸型表面平缓。实验表明，铸造表面粗糙度值约比铸型表面小10-30%。

    在控制与提高铸造表面质量的过程中，确定表面粗糙度的评定标准与寻求合理的测量方法是个十分重要的问题。

    表面粗糙度是由一系列不同高度和间距的峰谷组成，一般在外观上总会带有加工方的特征。如：使用切削工具加工的表面往往带有均匀间距和清晰的刀具痕迹，而砂型铸造的原始（铸态）表面为不带沟纹的颗粒状表面，经清整后的铸造表面则为不带沟纹的无规律的波纹表面，且在其表面上有或多或少近似圆形的、无规律的隆起或凹坑。

    铸造表面粗糙度的表征参数广泛采用轮廓算术平均偏差Ra、微观不平度十点高度Rz和轮廓最大高度Ry。表征参数Ra能较好地反映表面微观几何形状的特征，且可以从测量仪器上直接读数，不易受测量者主观因素的影响，因此国际标准化组织把它作为主要的评定指标。

    评定铸造表面粗糙度有两种方式：一种是采用仪器进行测量；一种是与铸造表面粗糙度比较样块进行比较。

    各种不同的铸造表面特征所使用的仪器和测量方法：

    A 触针法用于轮廓仪测量；

    D 光切法用于光切显微镜测量；

    E 投影法用于工具显微镜或投影仪测量；

    F 描点法用于测微仪测量；

    H 切片法采用金相显微镜测量。

    轮廓记录仪测量粗糙度能反映铸造表面轮廓的图象，有利于作工艺分析，国内已研制了“铸造表面粗糙度测量仪（记录仪）”。对于粗糙度值较大的铸件表面，在缺乏仪器时，采用打点法描绘轮廓曲线可取得良好的效果。其方法是：将被测铸件安放在工具显微镜或其它有测微移动机构的工作台上，横向移动位置利用测微机构读数；对表面凸峰与凹谷的纵向距离可采用读数值为1μm的测微表读数，触针与测微表钢性联结，测量时点与点之间的距离越小，即工作台每次移动的距离越小，则测量结果越趋于准确。通常，横向移动的距离（即点与点之间每次移动的距离）应小于纵向移动距离的十分之一。测试结果表明，该方法与轮廓记录仪相比，其相差一般小于10℃%。

    值得注意的是，测量中采用不同的表征参数，可能得到不同的结果，这是因为表面轮廓形状不同时，Rz（Ry）和Ra的比值也不一样。当表面轮廓几何形状为三角形时Rz/Ra=4；为矩形时Rz/Ra=2；为凸抛物线时Rz/Ra=3.91；为凹抛物线时Rz/Ra=4.67；为正弦曲线时Rz/Ra=3.15。据实验统计，在切削加工表面中，在▽6以下（包括▽6）时Rz/Ra≈4；在▽7以下（包括▽7）时Rz/Ra≈5。铸造表面轮廓的几何形状很不规则，其Rz（Ry）和Ra之间更难有恰当的换算关系。通过50个砂型铸造表面进行试验，Rz（Ry）与Ra的比值在3与8之间变动。Rz与Ra的平均比值为4.7，Ry与Ra的比值为5.8。这仅是一个近似换算关系，可供要求不严格时参考使用。

    铸造表面一般纹理不规则，因此，仅仅测量几条轮廓线不能正确评定其表面的粗糙度值，而采用仪器测量又显得十分麻烦。为此，国内外普遍以特定合金材质和铸造方法的铸造表面粗糙度比较样块，通过视觉和触觉来评定表面粗糙度。国际标准化组织已经颁布了铸造表面粗糙度样块标准ISO2632/Ⅲ。在该标准中，对粗糙度比较样块的适应范围、参照标准、制造精度和表面特征等都作了明确规定，见表2。我国颁布的铸造表面粗糙度比较样块标准，其名词术语、评定方法、取样长度、制造精度等实质性技术指标与ISO标准完全等效，只是由于受检测条件的限制在评定参数方面，国标中部分选用Rz，对样块增加了色泽要求以及对样块最小尺寸作了部分修改。

表2 比较样块粗糙度等级范围 

    我们按照《ISO2632/Ⅲ》的标准制成功砂型铸造表面粗糙度比较样块，并已通过鉴定。表3为该样块的测试结果。它具有以下的特点：

表3 铸造表面粗糙度样块测试结果 

    注：最后两级为2个取样长度

    样块表面为砂型铸铁铸造表面标准表面的复制阳模，具有砂型铸铁铸造表面的形貌，有良好的对比性。由于机械行业砂型铸铁铸造表面粗糙的Ra值一般不大于100μm，因此每套样块按照ISO标准选用六个等级，其Ra值为3.2-100μm。

    样块重量轻，体积小，携带方便，便于生产现场使用。

    一个已知粗糙度值为Ra（或Rz）的铸造样块表面，只有用来评定同一材质和铸造工艺的铸造表面的粗糙度时才能获得满意的结果，否则可能带来较大的评定误差。笔者曾经用A、B、C三种表面特征状态不同的样块对砂型铸铁铸造表面粗糙度作评定试验。参加评定的有铸造技术人员、产品设计和工艺人员、铸造和金属切削加工检验人员及计量人员等。样块A的母表面为砂粒表面；B为国外的铸造表面粗糙度样块（未注明材质和铸造方法）；C为本厂按ISO2632/Ⅲ标准研制的砂型铸铁铸造表面粗糙度样块。评定结果表明：用样块A来比较评定时，评定结果平均偏低1.4级，即用它来评定砂型铸铁铸造表面的粗糙度时，就有可能将粗糙度值不合格（太粗糙）的铸件当作合格品处理；用样块C来评定时，评定结果平均偏低0.1级，即用它来评定砂型铸铁铸造表面粗糙时一般不会产生评定误差。

    尽管三种样块相对应等级与被测铸造表面的粗糙度值（Ra≈12.5μm）基本相同（即剖面曲线峰谷的高度基本相同），但在单位长度上峰谷分布的密度不一致，其中样块A峰谷分布最稠密，曲线轮廓的平均间距Sm=0.57mm；样块B峰谷分布最稀疏，Sm=2.12mm；样块C和被测铸造表面基本相同，Sm值分别为1.08mm和1.15mm。试验分析表明，即使粗糙度值相同，但由于表面特征状态不一致，给人们的感觉也不同，一般峰谷分布越稠密感觉越光滑。基于上述理由，在使用样块来评定铸造表面的粗糙度时，应选用与该铸件材质及铸造工艺相同或相近的样块。此外在评定粗糙度时，还应注意使样块与被评定的铸造表面两者的光线照射条件相同，以避免由于光照条件的差异而带来评定误差。

    铸造表面粗糙度的评定工作是我国铸造生产中一项亟待解决的重要课题，希望通过本文的发表能引起进一步的讨论研究，以促进铸件表面质量的提高。