第二章金属型铸造

1、第二章金属型铸造 第二章第二章 金属型铸造金属型铸造 第一节第一节 概述概述1. 概念概念金属型铸造金属型铸造 金属型铸造是将熔融的液体金属浇注到中，而获得铸件的铸造方法，也叫铁模铸造或永久型铸造(使用几百到上万次)。第二章金属型铸造2. 金属型铸造特点（与砂型比）金属型铸造特点（与砂型比）优点：优点： （1）不需造型）不需造型 节省了型砂制备、输送及造型、落砂、砂处理 等工序。劳动环境改善。 （2）金属型导热性、蓄热性好）金属型导热性、蓄热性好 铸件组织致密、机械性能高（结晶组织细密、偏析较少，但气体不易析出)，抗拉强度一般可提高25%）。由于组织致密，形成铸造硬壳，铸件抗蚀性、硬度也显著提

2、高。 （3）铸造质量稳定、废品率低）铸造质量稳定、废品率低 简化了生产过程，影响铸件质量的因素较少，容易控制。废品率降低50%第二章金属型铸造 （4）高精度、高光洁度）高精度、高光洁度 减少了机加工余量。金属型铸件表面一般无粘砂层，切削加工效率可进一步提高 （5）劳动生产率高）劳动生产率高 便于实现机械化，自动化 （6）金属利用率高）金属利用率高 加工余量、浇冒口尺寸可以减少，相应提高了金属利用率，节约了材料，降低了成本，一般可节约1530%。第二章金属型铸造缺点：缺点： （1）金属型成本高结构复杂，要求高，加工周期长 （2）激冷作用大，无退让性，透气性 （3）应用范围受限制，薄壁件易产生冷隔

3、，浇不足。 3.应用范围 可用于飞机、汽车、拖拉机制造方面，应用广泛。在运输机械、农业机械、机床以及日用品生产中的应用也不断扩大。金属型铸造生产的铸件小至数十克，大至数吨重。金属型可生产铸铁、铸钢及各有种有色金属铸件。第二章金属型铸造 第二节第二节 金属型铸件的成型特点金属型铸件的成型特点 由金属型材料的导热性能所引起的铸件成型特点 金属液浇入型腔，就把热量传递给金属型壁。 型壁有两方面变化 (1)蓄热：把热量积蓄起来，温度升高，发生膨胀 (2)传热：把热量散发到周围介质中去 系统发生的变化 (1)液体金属通过型壁散失热量, 凝固、收缩 (2)铸型获得热量，升高温度产生膨胀 结果在铸件与型壁之

4、间，形成了间隙。 形成了铸件间隙金属型散热系统第二章金属型铸造1.1 金属型传热模型金属型传热模型 为使热交换问题讨论简化起见，现对板型铸件进行分析。 假定：（1）系统是稳定传热（2）系统中各组元温度均呈直线分布（3）在热交换过程中，通过系统中各组元的比热流（单位时间、单位面积通过的热量）q都相同 t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布 1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心第二章金属型铸造根据付立叶定律，q值可用下述三式表示：210112212223233wqttmxwqttmxwqttmx1、2、3 分别为铸件、间隙和

5、金属型的导热系数。单位w/m x1、x2、x3 分别为铸件、间隙和金属型的厚度 。单位m（1）（2） （3） t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布 1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心第二章金属型铸造 33221130322110 xqxqxqtttttttt（1）+（2）+（3） 得：整理得：03123123ttqxxx分别为三者的热阻11x22x33x第二章金属型铸造分析：（1）比热流 q 与铸件断面中心温度和金属型表面温度之差（t0-t3）成正比，而与热阻之和（ ）成反比（2）比热流愈大，铸件冷却强度愈大（3）铸

6、件材质、尺寸一经确定，其热阻 、t0 即为定值。此时比热流 的大小就取决于 、 和t3的大小，下面分析它们对 的影响。332211xxx11xq22x33x03123123ttqxxx第二章金属型铸造金属型对传热的影响金属型对传热的影响关于型壁热阻关于型壁热阻 的影响的影响 金属型壁导热系数3愈大，则其热阻愈小，铸件的冷却速度愈强铸铁铸钢铸铝铸铜39.546.4373.6390.9 常用金属材料导热系数（w/m. ） 可见，铜铸型比铁铸型冷却速度要大，所以连铸结晶器用铜结晶器。 33x第二章金属型铸造1.2.2 型壁厚度型壁厚度 的影响的影响 如果型壁 愈大，其热阻愈大，按公式 愈小，这不符合

7、实际情况。这是因为在热交换过程中，除了导热外，还兼有蓄热作用，而公式中却未反应型壁的蓄热能力。3x3xq假定金属型壁与铸件接触面为F（m2），密度比热容c3（单位J/kg.）型壁温度场平均升高温度t均，则金属型蓄热量Q可表示为QFc3t均（J）3x3x可见愈大，Q愈大第二章金属型铸造 由于金属型蓄热和导热能力是相互依赖的 3很大， 的增加为其蓄热量的增加创造了条件，这样型壁能迅速从间隙吸收大量热量，从而提高了铸件的冷却速度。但当超过一定值时，铸件的冷却速度变化不大，这主要由于铸型的热传导性能决定了型壁中离工作表面较远的地方温度不能升得太高，该处的金属型壁也就起不到蓄热作用。 3x 金属型厚壁，

8、毫米1-平板铸件 2-圆柱形铸件铸件凝固时间，秒第二章金属型铸造1.3 t3 的影响的影响 在其他条件相同时，t3很小的时候，对冷却速度十分有利，此时应尽可能减少热阻，即减小型壁厚度，提高其导热系数，以充分发挥型壁外的介质强化冷却作用。1.4 关于间隙热阻关于间隙热阻 22x定义 21101ttttk21322ttttk1k2k称为魏氏准则 t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布 1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心第二章金属型铸造图27 铸件和金属型在K11， K21时的温度分布1-全属型 2-间隙 3-铸件 4铸件中

9、心图26 铸件和金属型在K11，K21 时的温度分布1-全属型 2-间隙 3-铸件 4铸件中心第二章金属型铸造11k12k 对于金属型铸造，属于第一种情况。即金属液及金属型中的温差与间隙的温差比可忽略，间隙成为铸件冷却的控制环节。 金属型铸造时，型壁与铸件间是有涂料的，涂料可以认为是间隙的一部分。涂料和空气的导热系数都很小，且间隙层都很薄。 可以用改变涂料的热物理性能和厚度的方法来控制铸件的凝固。 下列两种情况 ：（1） k1 1 k2 1（2）第二章金属型铸造2、由金属型材料的无退让性所引起的铸件、由金属型材料的无退让性所引起的铸件的凝固收缩特点的凝固收缩特点 金属型阻碍铸件的凝固收缩。 在

10、金属液冷却，尤其是进入结晶区间，开始有凝固收缩，当收缩受到阻碍，就可能形成热裂、冷裂等缺陷。热裂热裂 铸件温度在合金的再结晶温度以上，合金处于塑性铸件温度在合金的再结晶温度以上，合金处于塑性状态。于是金属型阻碍铸件收缩而使铸件产生塑性变状态。于是金属型阻碍铸件收缩而使铸件产生塑性变形。形。 第二章金属型铸造 = a1(T缩-T1)其中a1在(T 缩-T1)范围内的线收缩率； T缩铸件合金开始线收缩的温度； T1凝固到某一时刻铸件的温度 若大于铸件本身在该温度下的塑性变形极限，就出现热裂有热节时，就在热节处集中出现裂纹。第二章金属型铸造2.2 冷裂冷裂 当温度降至再结晶温度以下时，合金处于弹性状

11、态，金属型芯阻碍铸件收缩将产生应力。 = E a2（T弹 - T2） 其中E（T弹 - T2）范围内的弹性模量； a2（T弹 - T2）范围内的线收缩率； T弹开始产生弹性形变的温度； T2某一时刻铸件的温度 超过T2温度下的强度极限时，铸件就会出现冷裂 第二章金属型铸造防止收缩裂纹的措施防止收缩裂纹的措施 综上所述，由于金属型无退让性，为防止铸件产生裂纹，并顺利取出型芯和铸件需采用一些专门的措施：（1）设计专门抽芯，顶出机构；（2）尽早拔取铸件，取出型芯；（3）严重阻碍收缩的孔采用砂 芯；（4）增大金属型拔模斜度，涂层厚度增大，据各件不同而定。第二章金属型铸造3.由金属型无透气性引起的铸件成

12、型特点由金属型无透气性引起的铸件成型特点 3.1 气体来源：气体来源： （1）型内气体； （2）铁锈产生； （3）芯和涂料未干 金属型充填时，型腔中原存气体以及涂料等受热散发 的气体，如果排不出去，就对铸件质量造成不良影响。第二章金属型铸造造成缺陷造成缺陷 （1）如果气体压力过高，高过总外压之和，气体就有可能冲破金属液流束表层，通过内浇口向外逸出，不仅破坏了金属的继续流动，还会造成强烈氧化。 （2）穿越金属液时，受到初晶或凝固层的阻碍，便留在金属中成为气孔。 （3）在金属某些局部（拐角、凹坑）处，气体的通路被金属液阻碍、包围，易产生气阻、浇不足。图2-1 金属型浇注时，型腔内气体压力变化示意图

13、V一型腔内气体的体积 p一型腔内气体的压力 p外压一液体全属、大气等对型腔内气体的压力 图22 型腔里的“气阻”阻碍铸件成型 1一气阻 2一金属型 3一液体金属 4金属型芯第二章金属型铸造 第三节第三节 金属型铸造工艺金属型铸造工艺 为保证获得优质铸件和延长金属型的使用寿命，须有严格的铸造工艺。金属型铸造的工艺规范包括：预热、浇注、出型、涂料等。1、 金属型的预热金属型的预热 金属型浇注前须经预热 1.1 预热作用： （1）避免浇不足，冷隔缺陷 （2）避 免金属型强烈热冲击，影响金属型寿命第二章金属型铸造1.2 根据铸造合金种类大小不同，需要预热（工 作）温度不同 金属型的预热温度参考值铸件铝

14、合金镁合金铸铁铸铜温度（）200300200250250350150300 小薄件取上限，大厚件取下限，最下限150 1.3 预热方法（1）喷灯或者煤气火焰预热: 简单方便，但温度不均匀（2）电阻加热器预热: 大型金属型背面设加热器（3）加热炉预热：温度均匀，适用于小件第二章金属型铸造2、 金属型的浇注金属型的浇注 金属型浇注，合金的浇注温度和浇注速度必须适当。浇注原则 由于金属型的特点, 金属型的浇注温度比砂型的高； 金属型的浇注速度比砂型的快 如果浇注温度低，速度慢就会产生浇注不足，冷隔等。浇注温度：铸件铝合金镁合金铸铁铸铜温度（）68074071574013001370900950 浇注

15、温度有经验数据小薄件取上限；大厚件取下限 第二章金属型铸造浇注速度：（1）先慢，防止飞溅 （2）后快，快充型 （3）再慢，防止金属溢出型外3、铸件出型和抽芯时间、铸件出型和抽芯时间抽芯晚的危害 （1）铸件在金属型内停留时间愈长，其收缩量就愈大，由于型腔的阻碍，包紧力愈大，取出铸件愈困难。（2）铸件在金属型中停留时间过长，型壁温度升高，需要更多的冷却时间，降低生产率，降低模寿命。第二章金属型铸造3.2 最佳停留时间： 当铸件冷却到塑性变形温度范围，并有足够强度时，是抽芯的最好时机。一般通过经验获得。抽芯：过早会发生形变，断裂； 过晚会包紧、力大、出型困难； 模型温度上升，寿命下降，生产 率下降。

16、第二章金属型铸造4、金属型涂料、金属型涂料 4.1 涂料作用：涂料作用：（1）调节铸型冷却速度）调节铸型冷却速度 从“铸件间隙金属型”系统热交换分析看，涂料对铸件的冷却十分重要。其导热性和厚度都可用来调节铸件的冷却速度。（2）保护金属型）保护金属型 可保护铸型免受浇注时的热冲击、冲刷和磨损。 实验结果表明：当采用硅藻土涂料，涂层厚度为时，浇入铁水，与铁水接触的第一秒，涂料表面温度约981，(t1)而金属型表面温度只有494(t2)，温差约487 ，可见涂料可有效地减轻金属型的表面热冲击和冲蚀。同时取铸件时，防止金属型磨损。 t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图2-4

17、铸件-间隙-金属 型系统的温度分布 1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心第二章金属型铸造（3）改善铸件表面质量 防止激冷而使铸件产生浇注不足、冷隔、白口等。（4）改善型腔排气条件 涂料有一定的蓄气和通气能力，在死角处，气体可以通过涂料的蓄气通气能力，将气体排出。 图2-16 涂料层的蓄气和排气示意图 1-金属型 2-型腔 3-金属液流 4-涂料层 5-被阻的气体 第二章金属型铸造4.2 涂料的组成涂料的组成 耐火粉料、粘结剂、悬浮剂、载体 （与砂型涂料类似，只是喷涂、黏度有差别） 第二章金属型铸造第四节第四节 金属型的破坏原因及防止措施金属型的破坏原因及防止措施1 破坏原因破坏原因 金

18、属型的制造费用昂贵，因此，应尽量延长其寿命。分析其破坏原因。以便采取有力措施。（1）热应力的叠加）热应力的叠加 金属型常用铸铁来制造，在铸造毛坯时，一般有内应力产生。如果该应力没有及时消除而残留在加工后的金属型内，当开始使用时，受到液体金属的热作用，若两种应力符号相同，叠加起来，当应力大于金属型某一部位的强度极限时就出现开裂。 制造时残余应力 + 使用时应力 材料强度极限。 开裂 如新的金属型，在使用初期开裂，一般最先在金属型表面上易形成应力集中处开裂，一般属于该情况。第二章金属型铸造（2） 热疲劳压力热疲劳压力 金属型每浇注一个铸件就要经受一次加热冷却，在浇注之前，金属型内温度可视为均匀的。高温液体金属浇入铸型后，内表层温度迅速升高，中间层和型壁外表层处温度来不及同步上升，温度分布曲线如图。 内表层膨胀量比中间层、外表面大很多，型壁中间阻碍内表层膨胀，故在金属内表层产生压应力，中间层产生拉应力，而外层温度变化不多，没有出现应力。图2-18凝固时金属型壁受交变热应力示意图 1-金属液 2-铸件 3-金属型 4-温度分布线 5-应力分布线 A-表层