特种铸造06金属型铸造工艺

1、1金属型铸造工艺金属型铸造工艺 Die Casting,Permanent Mold Casting 又称硬模铸造或永久型铸造，古代俗成铁范，是在重又称硬模铸造或永久型铸造，古代俗成铁范，是在重力作用下将高温熔化的液态材料浇注到用金属制作的铸力作用下将高温熔化的液态材料浇注到用金属制作的铸型型腔中的工艺方法。型型腔中的工艺方法。v 概述概述v 金属型铸件成形特点金属型铸件成形特点v 金属型铸造铸件工艺分析金属型铸造铸件工艺分析v 金属型铸造工艺卡片金属型铸造工艺卡片v 金属型设计金属型设计2第一节 概述v工艺过程（概述）工艺过程（概述）v金属型铸造的优缺点金属型铸造的优缺点v应用范围应用范围3

2、一、概述一、概述工艺流程工艺流程工艺特点：工艺特点： 一型多铸，铸件精度高，力学性能好，但成本高，主要用于大批一型多铸，铸件精度高，力学性能好，但成本高，主要用于大批大量生产铜、铝、镁等非铁合金铸件。大量生产铜、铝、镁等非铁合金铸件。45（1）金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。（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）金属型可方便采用各种工艺措施控制凝固顺序、充填平稳度等，保证获得优质铸件。（4）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约1530；（5）不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80100；环境好；（6）工序简单，便于实现生产管理；易实现机械化

3、和自动化，生产效率高；二、金属型铸造的优点：由于铸件金属在金属型中冷得较快，铸件由于铸件金属在金属型中冷得较快，铸件对热节敏感度低，液态金属中过饱和气体对热节敏感度低，液态金属中过饱和气体不易析出，铸件致密度高。晶粒细小。故不易析出，铸件致密度高。晶粒细小。故力学性能比砂铸好。力学性能比砂铸好。铸造精度一般为铸造精度一般为CT7-10级，轻合金可达级，轻合金可达CT7-9。砂。砂铸一般都小于铸一般都小于CT8。表面光洁度表面光洁度Ra3.2-12.5m。砂铸一般都大于。砂铸一般都大于Ra12.5m6金属型铸造的不足之处：（1）最小壁厚不小于2mm；（2）金属型不透气，必须采取一定措施导出气体；

4、（3）无退让性，易产生裂纹和变形，不适合热裂倾向大的合金；（4）金属型制造成本高；铸件外形不宜太复杂。不能生产大型铸件，必须在批量较大时才能显出经济效益； （5）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。7三、金属型铸造的应用范围三、金属型铸造的应用范围v合金种类合金种类v铸件形状和大小铸件形状和大小v尺寸精度和表面粗糙度尺寸精度和表面粗糙度v生产规模生产规模除除热裂倾向大的合金热裂倾向大的合金，常用铸造合金都可利用金属，常用铸造合金都可利用金属型铸造。型铸造。一般金属型铸造适用于形状不太复杂的中

5、小一般金属型铸造适用于形状不太复杂的中小铸件。非铁合金可铸较复杂的铸件，例如气铸件。非铁合金可铸较复杂的铸件，例如气冷式发动机缸盖、液压泵壳体、各种壳体等。冷式发动机缸盖、液压泵壳体、各种壳体等。钢铁合金只能铸形状简单的铸件。钢铁合金只能铸形状简单的铸件。有色金属铸件质量在几千克到几十千克，钢有色金属铸件质量在几千克到几十千克，钢铁铸件质量在几十到几百千克。铁铸件质量在几十到几百千克。一般只有成批或大量生产时使用。但一般航一般只有成批或大量生产时使用。但一般航空件不受此限制。空件不受此限制。8第二节第二节 金属型铸件成形特点金属型铸件成形特点v 导热性特点引起的铸件成形特点导热性特点引起的铸件

6、成形特点v 没有透气性引起的铸件成形特点没有透气性引起的铸件成形特点v 无退让性引起的铸件成形特点无退让性引起的铸件成形特点9 由金属型材料的导热性能所引起的铸件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。金属液浇入型腔，就把热量传递给金属型壁。 型壁型壁有两方面变化有两方面变化 (1)(1)蓄热：把热量积蓄起来，温度升高，发生膨胀蓄热：把热量积蓄起来，温度升高，发生膨胀 (2)(2)传热：把热量散发到周围介质中去传热：把热量散发到周围介质中去 系统系统发生的变化发生的变化 (1)(1)液体金属通过型壁液体金属通过型壁散失热量散失热量, , 凝固

7、凝固、收缩收缩 (2)(2)铸型获得热量，升高温度产生铸型获得热量，升高温度产生膨胀膨胀 结果在铸件与型壁之间，形成了间隙。结果在铸件与型壁之间，形成了间隙。 形成形成铸件铸件间隙间隙金属型金属型散热系统散热系统101.1 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，为使热交换问题讨论简化起见，现对现对板型铸件板型铸件进行分析。进行分析。 假定：假定：（1 1）系统是稳定传热）系统是稳定传热（2 2）系统中各组元温度均呈直线分布）系统中各组元温度均呈直线分布（3 3）在热交换过程中，通过系统中各）在热交换过程中，通过系统中各组元的比热流（单位时间、单位面积组元的比热流（单

8、位时间、单位面积通过的热量）通过的热量）q q都相同都相同 t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图图2-4 铸件铸件-间隙间隙-金属金属 型系统的温度分布型系统的温度分布 1-金属型金属型 2-间隙间隙 3-铸件铸件 4-铸件中心铸件中心11根据付立叶定律，根据付立叶定律，q q值可用下述三式表示：值可用下述三式表示：210112212223233wqttmxwqttmxwqttmx1 1、2 2、3 3 分别为铸件、间隙和金属型的导热系数。单位分别为铸件、间隙和金属型的导热系数。单位w/m w/m x x1 1、x x2 2、x x3 3 分别为铸件、间隙和金属型的厚

9、度分别为铸件、间隙和金属型的厚度 。单位。单位m m（1）（2） （3） t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图图2-4 铸件铸件-间隙间隙-金属金属 型系统的温度分布型系统的温度分布 1-金属型金属型 2-间隙间隙 3-铸件铸件 4-铸件中心铸件中心12 33221130322110 xqxqxqtttttttt（1 1）+ +（2 2）+ +（3 3） 得：得：整理得：整理得：03123123ttqxxx分别为三者的热阻分别为三者的热阻11x22x33x13分析：分析：（1 1）比热流）比热流 q q 与铸件断面中心温度和金属型表面温度之与铸件断面中心温度和金属型表

10、面温度之差（差（t0-t3t0-t3）成正比，而与热阻之和（）成正比，而与热阻之和（ ）成反比）成反比. .（2 2）比热流愈大，铸件冷却强度愈大）比热流愈大，铸件冷却强度愈大. .（3 3）铸件材质、尺寸一经确定，其热阻）铸件材质、尺寸一经确定，其热阻 、t0 t0 即为定值。此即为定值。此时比热流时比热流q q的大小就取决于的大小就取决于 、 和和t3t3的大小，下面分析它的大小，下面分析它们对们对q q的影响。的影响。332211xxx11x22x33x03123123ttqxxx141.2金属型对传热的影响 1.2.1关于型壁热阻 的影响 金属型壁导热系数3愈大，则其热阻愈小，铸件的冷

11、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。晶器用铜结晶器。 33x151.2.2 1.2.2 型壁厚度型壁厚度x3x3 的影响的影响 如果型壁如果型壁 x3x3 愈大，其热阻愈大，按公式愈大，其热阻愈大，按公式q q 愈小，这不符合实际情况。这是愈小，这不符合实际情况。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

12、能力。蓄热能力。假定金属型壁与铸件接触面为假定金属型壁与铸件接触面为F F（m m2 2），密度），密度比热容比热容c c3 3（单位（单位J/kg.J/kg.）型壁温度场平均温度）型壁温度场平均温度t t均均，则金属型蓄热量则金属型蓄热量Q Q可表示为可表示为QFc3t均均（J）3x3x可见可见愈大，愈大，Q愈大愈大16由于金属型由于金属型蓄热和导热蓄热和导热能力是相互依赖的能力是相互依赖的 33很大，很大， 的增加为其蓄热量的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吸收大量热量，从而提高了铸件的冷却速度。

13、但当超过一定值时，铸件的冷却速度度。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不能升得太高，该处的金属型壁也就起不到蓄热作用。到蓄热作用。 3x 金属型厚壁，毫米金属型厚壁，毫米1-平板铸件平板铸件 2-圆柱形铸件圆柱形铸件铸件凝固时间，秒铸件凝固时间，秒171.2.3 t3 1.2.3 t3 的影响的影响 在其他条件相同时，在其他条件相同时，t3t3很小很小的时候，对冷却速度十分有利，的时候，对冷却速度十分有利，此时应此时应

14、尽可能减少热阻，即减小型壁厚度尽可能减少热阻，即减小型壁厚度，提高其导热系数，以，提高其导热系数，以充分发挥型壁外的介质强化冷却作用。充分发挥型壁外的介质强化冷却作用。1.3 1.3 关于间隙热阻关于间隙热阻 22x定义定义 21101ttttk21322ttttk1k2k称为魏氏准则 t t0t1 t2 t3 x1 x2 x3 4 3 2 1 图图2-4 铸件铸件-间隙间隙-金属金属 型系统的温度分布型系统的温度分布 1-金属型金属型 2-间隙间隙 3-铸件铸件 4-铸件中心铸件中心18vK K1 1是铸件热阻与中间层热阻之比，或是铸件断面是铸件热阻与中间层热阻之比，或是铸件断面的温差与中间

15、层断面温差之比。的温差与中间层断面温差之比。 vK K2 2是铸型的热阻与中间层热阻之比，或是铸型断是铸型的热阻与中间层热阻之比，或是铸型断面的温差与中间层断面温差之比。面的温差与中间层断面温差之比。 K11;K11, K21, K21; K11, K2 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。46（2） 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

16、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。 凝固时金属型壁受交变热应力示意图凝固时金属型壁受交变热应力示意图 1-1-金属液金属液 2-2-铸件铸件 3-3-金属型金属型 4-4-温度分布温度分布线线 5-5-应力分布线应力分布线 A-A-表层表层 B-B-内层内层 C-C-背面背面47 当铸件凝固时，型壁中间层和外表层温度升高，分布如图，金属型内表层仍受压力，外表层出现了拉应力（中间层由于温度升高，膨胀量与内表层接近了，所受压力小了）。 图图2-18 凝固时金属型壁受交变凝固时金属型壁受交变 热应力示意图热应力示意图 1-

17、金属液金属液 2-铸件铸件 3-金属型金属型 4-温度分布线温度分布线 5-应力分布线应力分布线 A-表层表层 B-内层内层 C-背面背面48 图图2-182-18凝固时金属型壁受交变凝固时金属型壁受交变热应力示意图热应力示意图1-1-金属液金属液 2-2-铸件铸件 3-3-金属型金属型4-4-温度分布线温度分布线5-5-应力分布线应力分布线 A-A-表层表层 B-B-内层内层 C-C-背面背面 铸件从型腔取出后，内壁直接与空气接触，降温较快，型壁中间层的温度仍然较高，此时型壁内、外层收缩较多，中间层收缩较少，内、外表层便会产生拉应力。 每浇注一个铸件，金属型就要经受一次交变应力的作用。金属型

18、这种交变应力，超过一定次数，就会超出热疲劳极限，就会在内表面出现微小裂纹，以后不断扩大，最终报废。49（3）铸铁生长 采用铸铁金属型时，其中的珠光体在热作用下会分解为铁素体和石墨，同时伴有体积增大，称为铸铁生长。由于生长是不均匀的，有的部位长得较多，有的部位较少。便会在型内产生应力，它加快了热疲劳应力裂纹的扩展。（4）氧气侵蚀 空气进入热疲劳裂纹中，在高温下与金属型发生氧化反应，使裂纹处组织疏通，并扩展。 （5）金属液冲刷 金属型内表面受剧烈的热冲击，温度迅速升高，本身强度下降，工作表面会较早出现裂纹。50（6）铸件的磨损 金属型无退让性，取出铸件时，将产生较大的磨擦力。温度越高的部位，越易磨

19、损。如浇注系统、型芯等处。2 提高金属型寿命的措施： （1）选用导热系数大，热膨胀系数小，且强度较高的材料制造金属型。 （2）合理的涂料厚度，和涂刷工艺。 （3）金属型结构合理， （4）金属型材料要结构致密，组织稳定。51金属模重力铸造（倾金属模重力铸造（倾转）模拟分析实例转）模拟分析实例52分析目的53网格模型54工艺参数55 充型过程及温度场充型过程及温度场56 充型时型腔内气体充型时型腔内气体运动过程运动过程57凝固过程及温度场 58缩松、缩孔预测缩松、缩孔预测59金属型工作温度的调节v冷却的方式一般有以下几种： （1）风冷 （2）间接水冷 （3）直接水冷 60金属型的浇注金属型的浇注

20、v金属型的浇注温度，一般比砂型铸造时高。v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。61出型与抽芯时间： 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，并有足够的强度时，这时是抽芯最好的时机。626364铸造业贸易技术壁垒及体系铸造业贸易技术壁垒及体系v 贸易技术壁垒原本是国际贸易中相对于关税壁垒的概念，它泛指进口国所采取的在消除关税之后对出口国生产供应厂商的种种限制，一般分为法规壁垒、标准壁垒、认证壁垒、绿色壁垒、包装和标签壁垒、检验程序和检验手续壁垒等，并且往往是互相结合的。 v 近年来兴起的SA8000认证壁垒，同时也是标准壁垒、绿色壁垒、劳工壁垒、人

21、权壁垒和道德壁垒。 v 对铸件生产企业提出ISO9001（质量）、ISO14001（环境）、OHSAS（职业健康与安全）等管理体系的认证证书的要求。 v 处在汽车供应链上的铸造厂，有的客商要求通过汽车行业的ISO9001特殊要求标准认证（准确称为“技术规范”）即ISO/TS16949：2002的认证。以美国三大汽车公司为首的世界顶级汽车制造商们认为：“通过ISO/TS16949认证的供方组织将会得到一个价值更大的注册，因为这个注册是建立在对其质量体系进行纯净地严格审核基础上的。如果你通过了ISO/TS16949认证，说明你已经取得一些成绩”。 65国内现状国内现状v ISO9000 ：到200

22、4年6月30 日止，我国大约有2000家左右的铸造厂获得了ISO9000认证 v 汽车行业ISO/TS16949：到2004年10月底为止，在已获证的近400家中国企业中，专业化的铸造厂不超过10家。 v 获得ISO14000和OHSAS的证书的铸造企业的比例数在各行业中处于中游水平，到目前为止，这两种证书在全国铸造界的拥有量也仅有百余张。 v SA8000：是由民间国际组织发起的，对申请认证机构的审批要相对严格。到目前为止，全世界总共已经发放了至少492张证书，中国54张，位于意大利和巴西之后。涉及铸造的中国企业仅仅是具有压铸工艺的玩具厂和个别砂型铸造的家用器具厂，估计总数不会超过5家。 6

23、6几个铸造性能方面的名词v铸造性能 Foundry Technological Propertiesv顺序凝固 Directional Solidificationv同时凝固 Simultaneously Solidificationv充型能力 mold filling capacityv缩孔和缩松 Shrinkage and Dispersed Shrinkagev冒口 Riserv冷铁 Chillingv热节 Hot Spotv起模斜度 Pattern draft 67铸件工艺性分析铸件工艺性分析 铸件结构工艺性分析铸件结构工艺性分析68合理的铸件结构应遵循原则合理的铸件结构应遵循原则v

24、铸件结构不得阻碍出型，妨碍收缩v 壁厚差不能太大，以免造成温差悬殊，造成缩松和缩裂v 限制最小壁厚，避免浇不足或冷隔6970铸件在金属型中的浇注位置71选择浇注位置应遵循的原则v保证金属液流动平稳，排气方便v有利于顺序凝固，补缩良好，保证获得组织细密铸件v型芯数量应尽量减少，安放方便，易于出型v有利于金属型结构简单化，铸件出型方便72铸件分型面的选择73选择分型面应遵循的原则v 为简化金属型结构，提高铸件精度，对形状较简单的铸件最好都布置在半型内，或大部分布置在半型内；v 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；v 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

25、型腔里的气体排出；v 分型面不得选在加工基准面上；v 尽量避免曲面分型，减少拆卸件及活决数量。74浇注系统设计 浇注特点v金属浇注速度大，超过砂型约20；v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；v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。 75浇注系统设计 浇注方式金属型的浇注系统一般分为顶注式底注式和侧注式三类。v 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，易进渣，铸件高时，易冲击型腔底部或型芯。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v 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v 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。 要求浇注系统结构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。76浇注系统设计 直浇道形式77 垂直分型的金属型一般不设