特种铸造6第六章_金属型铸造.

《特种铸造》第六章金属型铸造•6.1概述•定义：金属型铸造(Gravitydiecasting)是指液态金属在重力作用下充填金属铸型并在型中冷却凝固而获得铸件的一种成形方法。如图6-1所示。由于金属铸型可以重复使用，寿命（指浇注次数）可达数万次，所以金属型铸造又称永久型铸造（Permanentmold）。图6-1（a）金属型合模状态图6-1（b）倾转浇注战国时已用此方法生产铜钱，到汉代发展为由中央制造铁范,发给地方作坊，用以生产统一规格的货币。汉代以后，随着叠铸方法进一步发展，开始大量使用铁范来生产车马器件等。•优点：（与砂型铸造相比）（1）金属型的热导率和热容量大，金属液的冷却速度快，铸件组织致密，力学性能比砂型铸件高。如铝合金铸件的抗拉强度可增加10％～20％，伸长率约提高1倍。（2）能获得较高尺寸精度和表面光洁度好的铸件，减少了加工余量。尺寸精度CT7-9级，表面粗糙度Ra6.3-12.5（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）不用砂或少用砂，节约造型材料80%-100%，减少环境污染。•缺点:(1)金属型制造成本高。(2)金属型急冷、不透气，而且无退让性，易造成铸件浇不足、冷隔、开裂或铸铁件白口等缺陷。(3)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，对铸件质量的影响敏感，控制难度大。近年来，为了防止浇注时金属液流动过程中形成紊流，减少氧化夹渣及卷气等缺陷，采用倾转式浇注已成为金属型铸造的主流方式，见图6-1。6.2金属型铸造成形过程的特点6.2.1金属型导热性对铸件成型的影响导热性退让性透气性q=λ3（T6-T2）t/x3t–传热时间λ3-中间层导热系数（远小于铸型）各因素的影响（时间t确定）：λ3：取决于材料的成分厚度可控T1：金属液温度，一般固定T2：外界温度，可控导热性导致的特点当x3很小，忽略不计时，金属型的蓄热和散热就成了铸件冷却速度的决定因素。6.金属型的蓄热：6.金属型的蓄热：bλCXb-蓄热系数λ-铸型导热系数C-铸型比热容X-铸型厚度6.金属型的蓄热：b-蓄热系数λ-铸型导热系数C-铸型比热容X-铸型厚度6.金属型的蓄热：当涂料有一定厚度时，可以通过涂料成分和厚度的控制实现对导热速度的控制导热性导致的特点2.金属型的散热：A自然散热决定于自身的导热能力，通过其外表面向外界散失热量。B强制散热通过自身的导热能力，采取强制手段冷却铸型，达到冷却的目的。例如：风冷，水冷等。综上所述，金属型铸造时，铸型材料的导热性能对铸件的凝固起主导作用。导热性导致的特点6.2.2金属型无透气性对铸件成型的影响易造成的缺陷：6.气体阻力大造成浇不足、冷隔。2.排不出的气体造成铸件侵入性气孔的产生。透气性导致的特点需采取的措施：6.金属型上设置排气装置，如排气槽、排气塞，局部死角处要加强排气2.尽可能的清除产气根源。气体的来源：高温下涂料发气型腔内原有气体潮气油污透气性导致的特点6.2.3金属型无退让性对铸件成型的影响室温：应力集中→阻碍取件和取芯、导致裂纹为了防止裂纹，应采取的措施：6.在一定温度下取出型芯或使铸件脱出铸型。2.设置专门的抽芯机构和铸件顶出机构。3.必要时修改型芯为砂芯。4.增大金属型斜度和涂料层厚度。冷却过程中：收缩受阻→拉应力→拉伸变形→热裂纹→冷裂纹应变：ε1=α（Ts-T1）退让性导致的特点•6.3.1金属型的准备及预热6.金属型的准备新金属型或长期未用的金属型，应先起封，除油，并在200~300℃下烘烤，除净油迹。对于经过了一个生产周期，需要清理的金属型而言，应着重清除型腔、型芯、活块、排气塞等工作表面上的锈迹、涂料、粘附的金属屑等杂物。2.金属型的预热金属型在工作前应预热并涂敷涂料，未经预热和喷涂涂料的金属型不能进行浇注。这是因为金属型导热性好，金属液冷却快，流动充型能力差，容易使铸件出现冷隔、浇不足、夹杂、气孔等缺陷。同时未预热的金属型在浇注时，铸型将受到强烈的热冲击，应力倍增，极易损坏。金属型的预热方法主要有：1）用煤气或天然气火焰预热。该方法简单、方便，但金属型上温度分布不均匀。2）采用电加热方法。在模具背面设置电加热管，浇注开始前将金属型预热到指定的温度。该方法同上述1）方法一样，简单方便，但温度不是很均匀。也可烘箱加热。3）将金属型放入加热炉中预热，可获得均匀一致的温度，但仅限于小金属型。4）采用浇注金属液的方法预热。该方法一般不推荐，因为一是浪费金属液，二是缩短金属型使用寿命。小型铸型。•6.3.2金属型的浇注在金属型工艺方案确定之后，金属型的浇注工艺参数即模具温度、浇注温度和涂料的选择是生产优质铸件和延长金属型使用寿命的关键。6.3.3铸件的出型和抽芯时间金属型芯在铸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内，并有足够的强度时，是最好的抽芯时间。铸件在金属型中停留的时间过长，就会使金属型壁温度升高，冷却时间加长，也会降低金属型的生产率。最合适的时间应由实验确定。•6.3.4金属型工作温度的调节由于金属型的导热性能比砂型高很多（热导率约高150倍，蓄热系数约高20倍，导温系数约高65倍），金属型能获得很大的温度梯度，使铸件的冷却速度增大。因此，金属型铸造时，对于逐层凝固的合金和具有体积凝固特性的合金，均能得到组织致密的铸件。同时，冷却速度快，可使铸件晶粒细化，还能减轻或消除非铁合金铸件的针孔。为了得到更快的冷却速度，要求采用较低的金属型温度。金属型工作温度调节的方式有以下几种：（1）风冷（2）间接水冷（3）直接水冷（4）局部加热•6.3.5金属型涂料金属型涂料的作用：1）保护金属型。浇注时可减轻液体金属对金属型的热冲击和对型腔表面的冲刷作用；在取出铸件时，减轻铸件对金属型和型芯的磨损，并使铸件易从铸型中取出。2）采用不同冷却性能的涂料（如激冷涂料、保温涂料等）能调节铸件在金属型中各部位的冷却速度，控制凝固顺序。3）改善铸件的表面质量。防止因金属型有较强的激冷作用而导致铸件表面产生冷隔或流痕以及铸件表面形成白口层。4）改善型腔中气体的排除条件，增加合金的流动性。5）获得复杂外型及薄壁铸件。涂料组成：1）耐火材料：氧化锌、滑石粉、锆砂粉、硅藻土粉等。2）粘结剂：水玻璃、糖浆、纸浆废液等。3）溶剂：水等。4）附加物从上面的一些分析可知，确定金属型浇注工艺规范时，应铸件材质、形状大小、复杂程度等考虑以下三点原则：•（1）保证铸件全部表面能得到清晰的外形，没有冷隔和浇不足的现象，也就是希望冷却慢些，要求有较高的浇注温度和金属型温度。•（2）保证铸件变形小，不发生扭曲和裂纹，要求金属型温度高而浇注温度低。•（3）保证铸件组织细密，力学性能好，希望快速冷却，要求较低的金属型温度和浇注温度。•6.4金属型铸件的工艺设计金属型的铸造工艺方案是决定金属型铸件质量的最本质因素。在确定铸造工艺方案时应注意以下几点：（1）浇注系统的设计应尽可能简单，设置直浇道、横浇道等时应避免产生紊流。近年来，为了防止浇注时金属液流动过程中形成紊流，可采用倾转式浇注。（2）铸件应力求避免壁厚的突然变化，厚壁与薄壁之间应平滑过渡。因为壁厚的剧烈变化易引起金属液流动时形成紊流及凝固时产生热节，增加卷气或缩孔/松之类的缺陷。（3）为保证金属液完全充满型腔，对于易形成密闭空间的部位（如拐角、凹坑等）应设置排气塞或排气道来强化排气。（4）确保顺序凝固，合理设置冒口或补缩通道。（5）为了保证铸件质量和提高生产效率，应考虑设置模具的冷却结构。6.4.1铸件结构的工艺性分析•铸件结构工艺性分析的原则：1）铸件结构不应阻碍出型、抽芯、收缩。见图6-112）壁厚差不能太大，以免造成各部分温差悬殊，从而引起铸件缩裂和缩孔。3）限制金属型铸件的最小壁厚、可铸孔直径、可铸槽的大小。•6.4.2浇注位置的选择(铸件在金属型中的位置)铸件在金属型中的位置，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。铸件在金属型中位置的设计原则如下：•1）浇注系统易于安放，保证金属液平稳地充满金属型，排气方便，避免金属液流卷气和氧化。•2）铸件最厚大部位应放置在金属型的上端，便于设置冒口补缩。如盖子或盘形铸件的厚大法兰面应向上，便于设置冒口补缩。•3）应使金属型结构简单，型芯数量少，安装方便，定位牢固可靠。•4）应保证便于分型取出铸件，防止铸件被拉裂或变形。下面以图6-12为例进行简要说明图6-12a所示的方案就不太合理，因为浇注时金属液通过浇口4直接冲击到砂芯3，导致金属液流紊乱，容易进渣和卷气；金属型芯2处的厚壁远离冒口，不易得到补缩，易产生缩孔、缩松；上方的冒口偏大，切割工作量大；因为有金属型芯2，不设顶出机构或抽芯机构，无法取出铸件。图6-12b所示的方案比较合理，采用了底注式浇注，金属液自下而上充型，流动平稳，排气良好。砂芯位于下方，放置方便，牢固。壁厚部位位于上端，冒口补缩容易。因此图6-12b正好克服了图6-12a的缺点，由此可见铸件在金属型中的位置决定了工艺方案的优劣，所以在确定铸件位置时，应多方比较，综合考虑，以选择最佳的位置方案。•6.4.3分型面的选择铸件的分型面一般有垂直、水平和综合分型（垂直、水平混合分型或曲面分型）三种形式，一般应根据铸件结构和铸造成形方法进行确定。一个铸件经常有几种分型的可能，如图6-13a所示铸件1的分型情况，在铸件1大圆柱面外围会留下飞边或毛刺，影响表面质量及精度。若采用图6-13b所示分型方案则效果比较好。同理，铸件2若采用图6-13c的分型方案，须改变铸件外形即增加一个铸造斜度，以利取件。同时毛刺也留在平面上，影响铸件表面质量。而采用图6-13d所示的分型方案则无上述缺点。因此在选择分型方案时，须从多方面比较，而找出最合理的方案。分型面选择的基本原则：1）对于形状简单的铸件，分型面应尽量选在铸件的最大端面上，同时铸件最好都布置在一个半型内或大部分分布在半型内。2）矮的盘形和筒形铸件，分型面应尽量不选在铸件的轴心上。3）分型面应尽可能地选在同一个平面上，尽量避免曲面分型。4）应保证铸件分型方便，尽量减少或不用活块。5）分型面应尽量不选在铸件的基准面上，也不要选在精度要求较高的表面上。6）分型面的位置应尽量避免做铸造斜度，而且取件容易。6.4.4浇注系统设计•原则：6.金属型浇注速度要大，超过砂型的20%。2.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，顺利地将气体挤向冒口或出气冒口。3.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。•浇注系统的类型：1.顶注式：2.底注式：3.侧注式：•6.5金属型（模具）的设计在金属型铸造工艺方案确定以后，就可以进行金属型（模具）的结构设计。设计内容包括金属型结构与材料选择；型体（或镶块）设计；型芯设计；排气设计；顶杆位置设计等。•6.5.1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、分型面选择等因素，按分型面划分，典型的金属型结构形式如下：1）整体金属型如图6-18所示，浇注出来的铸件无分型面，尺寸精度高，但应用受到限制，仅适用于从铸型中方便取出的简单铸件。2）水平分型金属型如图6-19所示，铸型主体由上、下两半型组成，下半型固定在工作台面上，上半型作开（合）型动作。可以配置各种型芯，抽芯及顶出。砂芯安放方便，但不便于设计浇、冒口系统，排气条件差。适用于轮盘类铸件。3）垂直分型金属型如图2-16c所示，铸型主体由左、右两半型组成，其中一个半型固定，另一个做开（合）型动作（也可以两个半型同时动作）。操作方便，便于设置浇冒口系统，易实现机械化。适用于结构简单，开型阻力小的铸件。4）综合分型金属型铸型主体有两个或两个以上的垂直和水平分型面组成，可以设置型芯及抽芯，方便设计浇冒口和排气。易实现机械化，广泛应用于各类复杂铸件。•6.5.2金属型（模具）主体设计金属型主体（型体）是指构成型腔，用于形成铸件外形的部分。型体结构与铸件尺寸大小、浇注位置、合金种类等有关。