金属型铸造技术

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金属型铸造技术
7 z+ @  I$ A. |) F- _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）。
! K) P4 k9 ]9 B, ^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;
% B0 ~1 z& H" s7 r( |6 {0 ](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％；
3 m/ f+ Y+ n0 z3 k# y(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：

& E  F' Y. E% F( N( {: Q( }(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;
6 e7 |+ B! ]( V/ |& `5 M: m/ N(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。
金属型铸件形成过程的特点
: H( O5 B8 Z: M; `+ W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，在铸件凝固过磋甲无退让性，阻碍铸件收缩，这是它的又一特点。
" l5 ~" t  P/ o7 F' q金属型铸造工艺

1金属型的预热
, i1 g% A$ \: t0 P3 u. b% y+ _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。下表中数据可供参考。
各种合金的浇注温度
! e5 L9 i% U7 B. N0 m& h合金种类
浇注温度℃
合金种类
浇注温度℃
) p. j. _/ l& j6 r1 e铝锡合金 350～450 黄铜 900～950
, u  Y. ~! K0 `. S1 l3 z锌合金 450～480 锡青铜 1100～1150
. B5 K! J. B& ]4 J铝合金 680～740 铝青铜 1150～1300
; `' _+ A/ I6 }* u镁合金 715～740 铸铁 1300～1370

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。
1 @1 l7 P% y% m  n8 h) w! P最合适的拔芯与铸件出型时间，一般用试验方法确定。

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4金属型工作温度的调节
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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：

. m6 r7 f1 L/ n（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。
. t" |  v/ `% c& }（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。
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2 R8 k# n9 _* d7 F. w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。
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  p/ f4 d* U4 a; t5 {1 d2 J# U) Y5金属型的涂料
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* m; ], _9 T5 s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。
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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。
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$ R- h. A0 ^5 ?5 n* w1 @6 J) O6复砂金属型(铁模复砂)
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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。
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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。
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0 H& K& }2 d  @: s) ~7 金属型的寿命
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6 K1 Q2 N7 d& {, U; g4 T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；
- o1 j  f; r+ M3 v( T' Y8 O* L  Y2．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；
) a# ?+ a4 }/ d& L4 |9 r4．金属型材料的晶粒要细小。

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金属型铸件的工艺设计
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5 ?) b  c! L" S( p- P) G3 S! s) O# P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
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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。

. i0 y" D3 `  l! P! }; o, ?* R2 铸件在金属型中的浇注位置

; G! O: X0 h) G' c* e9 H; ^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；
4 Z7 ^! q( E# A; D% f2. 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
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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：

- q3 D; `& g4 S' p1．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；
" n8 ~4 ?. k3 M: D7 m2．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；
- h( r7 K+ R% p3．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 ]' x! B: f0 s" t+ s% u4．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
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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。
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+ q+ X  t% d0 T' |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；
, |' e  \) C6 D  }9 k2）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；
) l$ ]2 h4 O+ b. G3）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。
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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。
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. U8 o" {$ Q' K; P金属型铸件的工艺参数
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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。
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) P; D5 s9 R" E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。
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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

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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。

4 `4 r8 {6 D% V1 v2 \) N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
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$ L9 S6 ?. T/ j7 S. e  Y. V1金属型的结构形式
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6 F/ Y+ A# X& V( N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：
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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。
3．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。

% y$ j( o# p! s8 E" p) Y$ {2 金属型主体设计
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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。

& Z& o, m7 K9 G! r5 f' o; M! x3 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。

6 D. Z: H- r- `, u/ a4 金属型的排气

7 x# W- X2 T3 P) G* l! }4 d# U5 t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。
" F. t0 Z6 u) O9 y, O. d- c& k; a2．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。
6 o( Q: N# ^  {1 c3．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

) H8 E5 O! D  u6 n5 J5 顶出铸件机构设计
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+ j3 H' ~* v9 Q; A# ?" w/ }9 c$ s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。
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+ U1 |* u2 ^. E0 E6 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。
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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，应消足下列要求：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。
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& v! X6 z& W& J. `6 p7 K! J0 B  c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。
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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