金属型铸造技术

HEATS 发表于 2010-9-12 18:30:05

一、概述

　　金属型铸造又称硬模铸造，它是将液体金属浇入金属铸型，以获得铸件的一种铸造方法。铸型是用金属制成，可以反复使用多次(几百次到几千次)。

　　金属到铸造与砂型铸造比较：在技术上与经济上有许多优点。

　　(1)金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。同样合金，其抗拉强度平均可提高约25%，屈服强度平均提高约20%，其抗蚀性能和硬度亦显著提高；(2)铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定；(3)铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30%；(4)不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80～100%；此外，金属型铸造的生产效率高；使铸件产生缺陷的原因减少；工序简单，易实现机械化和自动化。金属型铸造虽有很多优点，但也有不足之处。如：(1)金属型制造成本高；(2)金属型不透气，而且无退让性，易造成铸件洗不足、开裂或铸铁件白日等缺陷；(3)金属型铸造时，铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度，铸件在铸型中停留的时间，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。

　　金属型铸造目前所能生产的铸件，在重量和形状方面还有一定的限制，如对黑色金属只能是形状简单的铸件；铸件的重量不可太大；壁厚也有限制，较小的铸件壁厚无法铸出。因此，在决定采用金属型铸造时，必须综合考虑下列各因素：铸件形状和重量大小必须合适；要有足够的批量；完成生产任务的期限许可。

　　二、金属型铸件形成过程的特点

　　金属型和砂型，在性能上有显著的区别，如砂型有透气性，而金属型则没有；砂型的导热性差，金属型的导热性很好，砂型有退让性，而金属型没有等。金属型的这些特点决定了它在铸件形成过程中有自己的规律。

　　型腔内气体状态变化对铸件成型的影响：金属在充填时，型腔内的气体必须迅速排出，但金属又无透气性，只要对工艺稍加疏忽，就会给铸件的质量带来不良影响。

　　铸件凝固过程中热交换的特点：金属液一旦进入型腔，就把热量传给金属型壁。液体金属通过型壁散失热量，进行凝固并产生收缩，而型壁在获得热量，升高温度的同时产生膨胀，结果在铸件与型壁之间形成了“间隙”。在“铸件一间隙一金属型”系统未到达同一温度之前，可以把铸件视为在“间隙”中冷却，而金属型壁则通过“间隙”被加热。

　　金属型阻碍收缩对铸件的影响：金属型或金属型芯，在铸件凝固过中无退让性，阻碍铸件收缩，这是它的又一特点。

　　三、金属型铸造工艺

　　1、金属型的预热未预热的金属型不能进行浇注。这是因为金属型导热性好／液体金属冷却决，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足夹杂、气孔等缺陷。未预热的金属型在浇注时，铸型，将受到强烈的热击，应力倍增，使其极易破坏。因此，金属型在开始工作前，应该先预热，适宜的预热温度(即工作温度)，随合金的种类、铸件结构和大小而定，一般通过试验确定。一般情况下，金属型的预热温度不低于1500C.金属型的预热方法有：(1)用喷灯或煤气火焰预热；(2)采用电阻加热器；(3)采用烘箱加热，其优点是温度均匀，但只适用于小件的金属型；(4)先将金属型放在炉上烘烤，然后浇注液体金属将金属型烫热。这种方法，只适用于小型铸型，因它要浪费一些金属液，也会降低铸型寿命。

　　2、金属型的浇注

　　金属型的浇注温度，一般比砂型铸造时高。可根据合金种类、如化学成分、铸件大小和壁厚，通过试验确定。

　　由于金属型的激冷和不透气，浇注速度应做到先慢，后快，再慢。在浇注过程中应尽量保证液流平稳。

　　3、铸件的出型和抽芯时间如果金属型芯在铸件中停留的时间愈长，由于铸件收缩产生的抱紧型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。金属型芯在镜件中最适宜的停留时间，是当铸件冷却到塑性变形温度范围，并有足够的强度时，这时是抽芯最好的时机。铸件在金属型中停留的时间过长，型壁温度升高，需要更多的冷却时间，也会降低金属型的生产率。

　　最合适的拔芯与铸件出型时间，一般用试验方法确定。

　　4、金属型工作温度的调节要保证金属型铸件的质量稳定，生产正常，首先要使金属型在生产过程中温度变化恒定。所以每浇一次，就需要将金属型打开，停放一段时间，待冷至规定温度时再浇。如靠自然冷却，需要时间较长，会降低生产率，因此常用强制冷却的方法。冷却的方式一般有以下几种：(1)风冷：即在金属型外围吹风冷却，强化对流散热。风冷方式的金属型，虽然结构简单，容易制造，成本低，但冷却效果不十分理想。

　　(2)间接水冷：在金属型背面或某一局部，镶铸水套，其冷却效果比风冷好，适于浇注铜件或可锻铸铁件。但对浇注薄壁灰铁铸件或球铁铸件，激烈冷却，会增加铸件的缺陷。

　　(3)直接水冷：在金属型的背面或局部直接制出水套，在水套内通水进行冷却，这主要用于浇注钢件或其它合金铸件，铸型要求强烈冷却的部位。因其成本较高，只适用于大批量生产。

　　如果铸件壁厚薄悬殊，在采用金属型生产时，也常在金属型的一部分采用加温，另一部分采用冷却的方法来调节型壁的温度分布。

　　5、金属型的涂料在金属型铸造过程中，常需在金属型的工作表面喷刷涂料。涂料的作用是：调节铸件的冷却速度；保护金属型，防止高温金属液对型壁的冲蚀和热击；利用涂料层蓄气排气。

　　根据不同合金，涂料可能有多种配方，涂料基本由三类物质组成：

　　1.粉状耐火材料(如氧化锌，滑石粉，锆砂粉、硅藻土粉等)；

　　2.粘结剂(常用水玻璃，糖浆或纸浆废液等)；

　　3.溶剂(水)。具体配方可参考有关手册。

　　涂料应符合下列技术要求：要有一定粘度，便于喷涂，在金属型表面上能形成均匀的薄层；涂料干后不发生龟裂或脱落，且易于清除；具有高的耐火度；高温时不会产生大量气体；不与合金发生化学反应(特殊要求者除外)等。

　　6、复砂金属型(铁模复砂)涂料虽然可以降低铸件在金属型中的冷却速度，但采用刷涂料的金属型生产球墨铸铁件(例如曲轴)，仍有一定困难，因为铸件的冷速仍然过大，铸件易出现白口。若采用砂型，铸件冷速虽低，但在热节处又易产生缩松或缩孔，在金属型表面复以4-8mm的砂层，就能铸出满意的球墨铸铁件。

　　复砂层有效地调节了铸件的冷却速度，一方面使铸铁体不出白口，另一方面又使冷速大于砂型铸造。金属型无溃散性，但很薄的复砂却能适当减少铸件的收缩阻力。此外金属型具有良好的刚性，有效地限制球铁石墨化膨胀，实现了无冒口铸造，消除疏松，提高了铸件的致密度。如金属型的复砂层为树脂砂，一般可用射砂工艺复砂，金属型的温度要求在180～200℃之间。复砂金属型可用于生产球铁，灰铁或铸钢件，其技术效果显著。

　　7、金属型的寿命提高金属型寿命的途径为：1.选用导热系数大，热膨胀系数小，而且强度较高的材料制造金属型；2.合理的涂料工艺，严格遵守工艺规范；3.金属型结构合理，制造毛坯过程中应注意消除残余应力；4.金属型材料的晶粒要细小。

　　四、金属型铸件的工艺设计

　　根据金属型铸造工艺的一些特点，为了保证铸件质量，简化金属型结构，充分发挥它的技术经济效益，首先必须对铸件的结构进行分析，并制订合理的铸件工艺。

　　1、铸件结构的工艺性分析金属型铸造结构工艺性的好坏，是保证铸件质量，发挥金属型铸造优点的先决条件。合理的铸造构应遵循下列原则：1)铸造结构不应阻碍出型，防碍收缩；

　　2)厚差不能太大，以免造成各部分温差悬殊，从而引起铸件缩裂和缩松；

　　3)限制金属型铸件的最小壁厚。

　　另外，对铸件非加工面的精度和光洁度应要求适当。

　　2、铸件在金属型中的浇注位置铸件的浇注位置直接关系到型芯和分型面的数量、液体金属的导入位置，冒口的补缩效果，排气的通畅程度以及金属型的复杂程度等。选择浇注位置的原则如下：1.保证金属液在充型时流功平稳，排气方便，避免液流卷气和金属被氧化；2.有利于顺序凝固，补缩良好，以保证获得组织致密的铸件；3.型芯数目应尽量减少，安放方便、稳定、而且易于出型；4.有利于金属型结构简化，铸件出型方便等。

　　3、铸性分型面的选择分型面形式一般有垂直、水平和综合分类(垂直、水平混合分型或曲面分型)三种。选择分型面的原则如下：1.为简化金属型结构，提高稿件精度，对形状教简单的铸件最好都布置在半型内，或大部分布置在半型内；2.分型面数目应尽量少，保证铸件外形美观，铸件出型和下芯方便；3.选择的分型面应保证设置浇冒口方便，金属充型时流动平稳，有利于型腔里的气体排出；4.分型面不得选在加工基准面上；5，尽量避免曲面分型，减少拆卸件及活决数量。

　　4、浇铸系统设计根据金属型铸造的某些特点，在设计浇注系统时须注意以下几点：金属浇注速度大，超过砂型的约20%。其次，在液体金属充型时，型腔里的气体要能顺利排除，其流向应尽可能与液流方向一致，顺利的将气体挤向冒口或出气冒口；此外，应注意使液体金属在充型时流动平稳，不产生涡流，不冲击型壁或型芯，更不可产生飞溅。

　　金属型的浇注系统一般分为顶注式底注式和侧注式三类。

　　1)顶注式，其热分布较合理，有利于顺序凝固，可减少金属液的消耗，但金属液流动不平稳，易进法，铸件高时，易冲击型胶底部或型芯。若用于浇注铝合金件，一般只适用于铸件高度小于100毫米的简单件；2)底注式，金属液流动较平稳，有利于排气，但温度分布不合理，不利于铸件顺利凝固；3)侧注式，兼有上述两者的优点，金属液流动平稳，便于集渣，排气等，但金属液消耗大，浇口清理工作量大。

　　金属型浇注系统的结构与砂型铸造基本相似，但由于金属型壁不透气，导热能力强，因此要求浇注系统结构，能有利于降低金属液流速，流动平稳，减少其对型壁的冲刷。除应保证型腔内气体有充裕的时间排除外，还保证在充型过程中不得产生喷溅。

　　当用金属型浇注黑色金属时，由于铸件冷速大，液流的粘度急剧增加，因此多采用封闭式浇口，其各部分截面积比例为：F内：F横：F直＝1：1.15：1.25

　　5、冒口设计

　　金属型铸造的冒口和砂型铸造时具有同等的作用：即为补缩、集渣和排气。它的设计原则也与砂型用冒口相同。由于金属型冷却速度大，而冒口又常采用保温涂料或砂层，因此金属型的冒口尺寸可比砂型的冒口小。

　　6、金属型铸件的工艺参数由于金属型工艺的特点，其铸件的工艺参数与砂型铸件略有区别。金属型铸件的线收缩率不仅与合金的线收缩有关，还与铸件结构、铸件在金属型中收缩受阻的情况、铸件出型温度，金属型受热后的膨胀及尺寸变化等因素有关，其取值还要考虑在试浇过程中留有修改尺寸的余地。

　　为取出金属型芯和铸件，在铸件的出芯和出型方向应取适当斜度，对各种不同合金铸件的铸造斜度参阅有关手册。

　　金属型铸件精度一般比砂型铸件高，所以加工裕量可较小，一般在0.5～4mm之间。

　　在确定铸件工艺参数之后，就可绘制金属型铸件工艺图，该图与砂型铸件的工艺图基本相同。

　　五、金属型的设计

　　铸件工艺图绘制之后，就可进行金属型设计。设计内容主要包括确定金属型的结构、尺寸、型芯、排气系统和顶杆机构等。

　　对设计的金属型应力求结构简单，加工方便，选材合理，安全可靠。.金属型的结构形式1、金属型的结构形式金属型的结构取决于铸件形状、尺寸大小；分型面数量；合金种类和生产批量等条件。按分型面位置，金属型结构有以下几种形式：1.整体金属型，铸型无分型面，结构简单，但它只适用于形状简单，无分型面的铸件；2.水平分型金属型，它适用于薄壁轮状铸件。

　　1.垂直分型金属型，这类金属型便于开设浇冒口和排气系统，开合型方便，容易实现机械化生产；多用于生产简单的小铸件；4.综合分型金属型：它由两个或两个以上的分型面组成，甚至由活块组成，一般用于复杂铸件的生产。操作方便，生产中广泛采用。

　　2、金属型主体设计金属型主体系指构成型腔，用于形成铸件外形的部分。主体结构与铸件大小，其在型中的浇注位置，分型面以及合金的种类等有关。在设计时应力求使型腔的尺寸准确；便于开设浇注系统和排气系统，铸件出型方便，有足够的强度和刚度等。

　　3、金属型芯的设计根据铸件的复杂情况和合金的种类可采用不同材料的型芯。一般浇注薄壁复杂件或高熔点合金(如锈钢、铸铁)时，多采用砂芯，而在浇注低熔点合金(如铝、镁合金)时，大多采用金属芯。在同一铸件上也可砂芯和金属芯并用。

　　4、金属型的排气在设计金属型时就必须有排气设施，其排气的方式有以下几种：1.利用分型面或型腔零件的组合面的间隙进行排气。

　　2.开排气槽。即在分型面或型腔零件的组合面上，芯座或顶杆表面上做排气槽。

　　3.设排气孔。排气孔一般开设在金属型的最高处。

　　4.排气塞是金属型常用的排气设施

　　5、顶出铸件机构设计金属型腔的凹凸部分，对铸件的收缩会有阻碍，铸件出型时就会有阻力，必须采用顶出机构，方可将铸件项出。在设计顶出机构时，须注意下面几点：防止顶伤铸件，即防止铸件被顶变形或在铸件表面顶出凹坑；防止顶杆卡死，首先是顶杆与顶杆孔的配合间隙要适当。如果间隙过大易钻入金属，过小则可能造成卡死的现象。根据经验最好采用D4／dC4级配合。

　　6、金属型的定位、导向及锁紧机构金属型合型时，要求两半型定位准确，、一般采用两种办法，即定位销定位和“止口”定位。对于上下分型，而分型面为圆形时，可采用“止口”定位，而对于矩形分型面大多采用定位销定位。定位销应设在分型面轮廓之内，当金属型本身尺寸较大，而自身的重量也较大时，要保证开合型定位方便，可采导向形式。

　　7、金属型材料的选择从金属型的破坏原因分析可以看到，制造金属型的材料，应满足下列要求：耐热性和导热性好，反复受热时不变形，不破坏；应具有一定的强度、韧性及耐磨性，机械加工性好。

　　铸铁是金属型最常用的材料。其加工性能好，价廉，一般工厂均能自制，并且它又耐热、耐磨，是一种较合适的金属型材料。只是在要求高时，才使用碳钢和低合金钢。

　　采用铝合金制造金属型，在国外已引起注意，铝型表面可进行阳极氧化处理，而获得一层由Al2O3及Al2O3·H2O组成的氧化膜，其熔点和硬度都较高，而且耐热、耐磨。据报导这种铝金属型，如采用水冷措施，它不仅可铸造铝件和铜件，同样也可用来浇注黑色金属铸件

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