金屬型鑄造



概述
金屬型鑄造又稱硬模鑄造，它是將液體金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。鑄型是用金屬制成，可以反復使用多次（幾百次到幾千次）。

金屬到鑄造與砂型鑄造比較：在技術上與經濟上有許多優點。

（1）金屬型生產的鑄件，其機械性能比砂型鑄件高。同樣合金，其抗拉強度平均可提高約25％，屈服強度平均提高約20％，其抗蝕性能和硬度亦顯著提高；

（2）鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高，而且質量和尺寸穩定;

（3）鑄件的工藝收得率高，液體金屬耗量減少，一般可節約15～30％；

（4）不用砂或者少用砂，一般可節約造型材料80～100％；

此外，金屬型鑄造的生產效率高；使鑄件產生缺陷的原因減少；工序簡單，易實現機械化和自動化。金屬型鑄造雖有很多優點，但也有不足之處。如：

（1） 金屬型制造成本高；

（2）金屬型不透氣，而且無退讓性，易造成鑄件洗不足、開裂或鑄鐵件白日等缺陷;

（3）金屬型鑄造時，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度，鑄件在鑄型中停留的時間，以及所用的涂料等，對鑄件的質量的影響甚為敏感，需要嚴格控制。

金屬型鑄造目前所能生產的鑄件，在重量和形狀方面還有一定的限制，如對黑色金屬只能是形狀簡單的鑄件；鑄件的重量不可太大；壁厚也有限制，較小的鑄件壁厚無法鑄出。因此，在決定采用金屬型鑄造時，必須綜合考慮下列各因素：鑄件形狀和重量大小必須合適；要有足夠的批量；完成生產任務的期限許可。

金屬型鑄件形成過程的特點

金屬型和砂型，在性能上有顯著的區別，如砂型有透氣性，而金屬型則沒有；砂型的導熱性差，金屬型的導熱性很好，砂型有退讓性，而金屬型沒有等。金屬型的這些特點決定了它在鑄件形成過程中有自己的規律。

型腔內氣體狀態變化對鑄件成型的影響：金屬在充填時，型腔內的氣體必須迅速排出，但金屬又無透氣性，只要對工藝稍加疏忽，就會給鑄件的質量帶來不良影響。

鑄件凝固過程中熱交換的特點：金屬液一旦進入型腔，就把熱量傳給金屬型壁。液體金屬通過型壁散失熱量，進行凝固并產生收縮，而型壁在獲得熱量，升高溫度的同時產生膨脹，結果在鑄件與型壁之間形成了“間隙”。在“鑄件一間隙一金屬型”系統未到達同一溫度之前，可以把鑄件視為在“間隙”中冷卻，而金屬型壁則通過“間隙”被加熱。

金屬型阻礙收縮對鑄件的影響：金屬型或金屬型芯，在鑄件凝固過磋甲無退讓性，阻礙鑄件收縮，這是它的又一特點。

金屬型鑄造工藝

1.金屬到的預熱

未預熱的金屬型不能進行澆注。這是因為金屬型導熱性好／液體金屬冷卻決，流動性劇烈降低，容易使鑄件出現冷隔、澆不足夾雜、氣孔等缺陷。未預熱的金屬型在澆注時，鑄型，將受到強烈的熱擊，應力倍增，使其極易破壞。因此，金屬型在開始工作前，應該先預熱，適宜的預熱溫度（即工作溫度），隨合金的種類、鑄件結構和大小而定，一般通過試驗確定。一般情況下，金屬型的預熱溫度不低于1500C。

金屬型的預熱方法有：

（1）用噴燈或煤氣火焰預熱；（2）采用電阻加熱器；（3）采用烘箱加熱，其優點是溫度均勻，但只適用于小件的金屬型；（4）先將金屬型放在爐上烘烤，然后澆注液體金屬將金屬型燙熱。這種方法，只適用于小型鑄型，因它要浪費一些金屬液，也會降低鑄型壽命。

2.金屬型的澆注

金屬型的澆注溫度，一般比砂型鑄造時高�？筛鶕�合金種類、如化學成分、鑄件大小和壁厚，通過試驗確定。下表中數據可供參考。

各種合金的澆注溫度

合金種類 澆注溫度℃ 合金種類 澆注溫度℃

鋁錫合金 350～450 黃銅 900～950

鋅合金 450～480 錫青銅 1100～1150

鋁合金 680～740 鋁青銅 1150～1300

鎂合金 715～740 鑄鐵 1300～1370

由于金屬型的激冷和不透氣，澆注速度應做到先慢，后快，再慢。在澆注過程中應盡量保證液流平穩。

3.鑄件的出型和抽芯時間

如果金屬型芯在鑄件中停留的時間愈長，由于鑄件收縮產生的抱緊型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。金屬型芯在鏡件中最適宜的停留時間，是當鑄件冷卻到塑性變形溫度范圍，并有足夠的強度時，這時是抽芯最好的時機。鑄件在金屬型中停留的時間過長，型壁溫度升高，需要更多的冷卻時間，也會降低金屬型的生產率。

最合適的拔芯與鑄件出型時間，一般用試驗方法確定。

4.金屬型工作溫度的調節

要保證金屬型鑄件的質量穩定，生產正常，首先要使金屬型在生產過程中溫度變化恒定。所以每澆一次，就需要將金屬型打開，停放一段時間，待冷至規定溫度時再澆。如靠自然冷卻，需要時間較長，會降低生產率，因此常用強制冷卻的方法。冷卻的方式一般有以下幾種：

（1）風冷：即在金屬型外圍吹風冷卻，強化對流散熱。風冷方式的金屬型，雖然結構簡單，容易制造，成本低，但冷卻效果不十分理想。

（2）間接水冷：在金屬型背面或某一局部，鑲鑄水套，其冷卻效果比風冷好，適于澆注銅件或可鍛鑄鐵件。但對澆注薄壁灰鐵鑄件或球鐵鑄件，激烈冷卻，會增加鑄件的缺陷。

（3）直接水冷：在金屬型的背面或局部直接制出水套，在水套內通水進行冷卻，這主要用于澆注鋼件或其它合金鑄件，鑄型要求強烈冷卻的部位。因其成本較高，只適用于大批量生產。

如果鑄件壁厚薄懸殊，在采用金屬型生產時，也常在金屬型的一部分采用加溫，另一部分采用冷卻的方法來調節型壁的溫度分布。

5.金屬型的涂料

在金屬型鑄造過程中，常需在金屬型的工作表面噴刷涂料。涂料的作用是：調節鑄件的冷卻速度；保護金屬型，防止高溫金屬液對型壁的沖蝕和熱擊；利用涂料層蓄氣排氣。

根據不同合金，涂料可能有多種配方，涂料基本由三類物質組成：1．粉狀耐火材料（如氧化鋅，滑石粉，鋯砂粉、硅藻土粉等）；2．粘結劑（常用水玻璃，糖漿或紙漿廢液等）；3．溶劑（水）。具體配方可參考有關手冊。

涂料應符合下列技術要求：要有一定粘度，便于噴涂，在金屬型表面上能形成均勻的薄層；涂料干后不發生龜裂或脫落，且易于清除；具有高的耐火度；高溫時不會產生大量氣體；不與合金發生化學反應（特殊要求者除外）等。

6.復砂金屬型(鐵模復砂)

涂料雖然可以降低鑄件在金屬型中的冷卻速度，但采用刷涂料的金屬型生產球墨鑄鐵件（例如曲軸），仍有一定困難，因為鑄件的冷速仍然過大，鑄件易出現白口。若采用砂型，鑄件冷速雖低，但在熱節處又易產生縮松或縮孔，在金屬型表面復以4－8mm的砂層，就能鑄出滿意的球墨鑄鐵件。

復砂層有效地調節了鑄件的冷卻速度，一方面使鑄鐵體不出白口，另一方面又使冷速大于砂型鑄造。金屬型無潰散性，但很薄的復砂卻能適當減少鑄件的收縮阻力。此外金屬型具有良好的剛性，有效地限制球鐵石墨化膨脹，實現了無冒口鑄造，消除疏松，提高了鑄件的致密度。如金屬型的復砂層為樹脂砂，一般可用射砂工藝復砂，金屬型的溫度要求在180～200℃之間。復砂金屬型可用于生產球鐵，灰鐵或鑄鋼件，其技術效果顯著。

7. 金屬型的壽命

提高金屬型壽命的途徑為：

1）選用導熱系數大，熱膨脹系數小，而且強度較高的材料制造金屬型；

2）合理的涂料工藝，嚴格遵守工藝規范；

3）金屬型結構合理，制造毛坯過程中應注意消除殘余應力；

4）金屬型材料的晶粒要細小。

金屬型鑄件的工藝設計

根據金屬型鑄造工藝的一些特點，為了保證鑄件質量，簡化金屬型結構，充分發揮它的技術經濟效益，首先必須對鑄件的結構進行分析，并制訂合理的鑄件工藝。

1.鑄件結構的工藝性分析

金屬型鑄造結構工藝性的好壞，是保證鑄件質量，發揮金屬型鑄造優點的先決條件。合理的鑄造構應遵循下列原則：

1）鑄造結構不應阻礙出型，防礙收縮；2）厚差不能太大，以免造成各部分溫差懸殊，從而引起鑄件縮裂和縮松；3）限制金屬型鑄件的最小壁厚。

另外，對鑄件非加工面的精度和光潔度應要求適當。

2. 鑄件在金屬型中的澆注位置

鑄件的澆注位置直接關系到型芯和分型面的數量、液體金屬的導入位置，冒口的補縮效果，排氣的通暢程度以及金屬型的復雜程度等。選擇澆注位置的原則如下：

1)保證金屬液在充型時流功平穩，排氣方便，避免液流卷氣和金屬被氧化；

2)有利于順序凝固，補縮良好，以保證獲得組織致密的鑄件；

3)型芯數目應盡量減少，安放方便、穩定、而且易于出型；

4)有利于金屬型結構簡化，鑄件出型方便等。

3. 鑄性分型面的選擇

分型面形式一般有垂直、水平和綜合分類（垂直、水平混合分型或曲面分型）三種。選擇分型面的原則如下：

1）為簡化金屬型結構，提高稿件精度，對形狀教簡單的鑄件最好都布置在半型內，或大部分布置在半型內；

2）分型面數目應盡量少，保證鑄件外形美觀，鑄件出型和下芯方便；

3）選擇的分型面應保證設置澆冒口方便，金屬充型時流動平穩，有利于型腔里的氣體排出；

4）分型面不得選在加工基準面上；

5）盡量避免曲面分型，減少拆卸件及活決數量。

4.澆鑄系統設計

根據金屬型鑄造的某些特點，在設計澆注系統時須注意以下幾點：金屬澆注速度大，超過砂型的約20％。其次，在液體金屬充型時，型腔里的氣體要能順利排除，其流向應盡可能與液流方向一致，順利的將氣體擠向冒口或出氣冒口；此外，應注意使液體金屬在充型時流動平穩，不產生渦流，不沖擊型壁或型芯，更不可產生飛濺。

金屬型的澆注系統一般分為頂注式底注式和側注式三類。

1）頂注式，其熱分布較合理，有利于順序凝固，可減少金屬液的消耗，但金屬液流動不平穩，易進法，鑄件高時，易沖擊型膠底部或型芯。若用于澆注鋁合金件，一般只適用于鑄件高度小于100毫米的簡單件；

2）底注式，金屬液流動較平穩，有利于排氣，但溫度分布不合理，不利于鑄件順利凝固；

3）側注式，兼有上述兩者的優點，金屬液流動平穩，便于集渣，排氣等，但金屬液消耗大，澆口

清理工作量大。

金屬型澆注系統的結構與砂型鑄造基本相似，但由于金屬型壁不透氣，導熱能力強，因此要求澆注系統結構，能有利于降低金屬液流速，流動平穩，減少其對型壁的沖刷。除應保證型腔內氣體有充裕的時間排除外，還保證在充型過程中不得產生噴濺。

當用金屬型澆注黑色金屬時，由于鑄件冷速大，液流的粘度急劇增加，因此多采用封閉式澆口，其各部分截面積比例為：F內：F橫：F直＝1：1.15：1.25

5.冒口設計

金屬型鑄造的冒口和砂型鑄造時具有同等的作用：即為補縮、集渣和排氣。它的設計原則也與砂型用冒口相同。由于金屬型冷卻速度大，而冒口又常采用保溫涂料或砂層，因此金屬型的冒口尺寸可比砂型的冒口小。

4.4.6 金屬型鑄件的工藝參數

由于金屬型工藝的特點，其鑄件的工藝參數與砂型鑄件略有區別。金屬型鑄件的線收縮率不僅與合金的線收縮有關，還與鑄件結構、鑄件在金屬型中收縮受阻的情況、鑄件出型溫度，金屬型受熱后的膨脹及尺寸變化等因素有關，其取值還要考慮在試澆過程中留有修改尺寸的余地。

為取出金屬型芯和鑄件，在鑄件的出芯和出型方向應取適當斜度，對各種不同合金鑄件的鑄造斜度參閱有關手冊。

金屬型鑄件精度一般比砂型鑄件高，所以加工裕量可較小，一般在0.5～4mm之間。

在確定鑄件工藝參數之后，就可繪制金屬型鑄件工藝圖，該圖與砂型鑄件的工藝圖基本相同。

金屬型的設計

鑄件工藝圖繪制之后，就可進行金屬型設計。設計內容主要包括確定金屬型的結構、尺寸、型芯、排氣系統和頂桿機構等。

對設計的金屬型應力求結構簡單，加工方便，選材合理，安全可靠。.金屬型的結構形式

1.金屬型的結構形式

金屬型的結構取決于鑄件形狀、尺寸大小；分型面數量；合金種類和生產批量等條件。按分型面位置，金屬型結構有以下幾種形式：

1）整體金屬型，鑄型無分型面，結構簡單，但它只適用于形狀簡單，無分型面的鑄件；

2）水平分型金屬型，它適用于薄壁輪狀鑄件。

3）垂直分型金屬型，這類金屬型便于開設澆冒口和排氣系統，開合型方便，容易實現機械化生產；多用于生產簡單的小鑄件；

4）綜合分型金屬型：它由兩個或兩個以上的分型面組成，甚至由活塊組成，一般用于復雜鑄件的生產。操作方便，生產中廣泛采用。

2.金屬型主體設計

金屬型主體系指構成型腔，用于形成鑄件外形的部分。主體結構與鑄件大小，其在型中的澆注位置，分型面以及合金的種類等有關。在設計時應力求使型腔的尺寸準確；便于開設澆注系統和排氣系統，鑄件出型方便，有足夠的強度和剛度等。

3. 金屬型芯的設計

根據鑄件的復雜情況和合金的種類可采用不同材料的型芯。一般澆注薄壁復雜件或高熔點合金（如銹鋼、鑄鐵）時，多采用砂芯，而在澆注低熔點合金（如鋁、鎂合金）時，大多采用金屬芯。在同一鑄件上也可砂芯和金屬芯并用。

4. 金屬型的排氣

在設計金屬型時就必須有排氣設施，其排氣的方式有以下幾種：

1）利用分型面或型腔零件的組合面的間隙進行排氣。

2）開排氣槽。即在分型面或型腔零件的組合面上，芯座或頂桿表面上做排氣槽。

3）設排氣孔。排氣孔一般開設在金屬型的最高處。

4）排氣塞是金屬型常用的排氣設施

5.頂出鑄件機構設計

金屬型腔的凹凸部分，對鑄件的收縮會有阻礙，鑄件出型時就會有阻力，必須采用頂出機構，方可將鑄件項出。在設計頂出機構時，須注意下面幾點：防止頂傷鑄件，即防止鑄件被頂變形或在鑄件表面頂出凹坑；防止頂桿卡死，首先是頂桿與頂桿孔的配合間隙要適當。如果間隙過大易鉆入金屬，過小則可能造成卡死的現象。根據經驗最好采用D4／dC4級配合。

6.金屬型的定位、導向及鎖緊機構

金屬型合型時，要求兩半型定位準確，、一般采用兩種辦法，即定位銷定位和“止口”定位。對于上下分型，而分型面為圓形時，可采用“止口”定位，而對于矩形分型面大多采用定位銷定位。定位銷應設在分型面輪廓之內，當金屬型本身尺寸較大，而自身的重量也較大時，要保證開合型定位方便，可采導向形式。

7.金屬型材料的選擇

從金屬型的破壞原因分析可以看到，制造金屬型的材料，應消足下列要求：耐熱性和導熱性好，反復受熱時不變形，不破壞；應具有一定的強度、韌性及耐磨性，機械加工性好。

鑄鐵是金屬型最常用的材料。其加工性能好，價廉，一般工廠均能自制，并且它又耐熱、耐磨，是一種較合適的金屬型材料。只是在要求高時，才使用碳鋼和低合金鋼。

采用鋁合金制造金屬型，在國外已引起注意，鋁型表面可進行陽極氧化處理，而獲得一層由Al2O3及Al2O3·H2O組成的氧化膜，其熔點和硬度都較高，而且耐熱、耐磨。據報導這種鋁金屬型，如采用水冷措施，它不僅可鑄造鋁件和銅件，同樣也可用來澆注黑色金屬鑄件。