特种铸造课件

第二章金属型铸造概述概述金属型铸造是将金属液浇注到金属制成的铸型中，随后冷却获得铸件的铸造方法。金属型可以使用几百次到上万次，因此又叫做永久型铸造。也称之为硬模铸造1定义铁范：铁模子北魏贾思勰《齐民要术》：“饼用圆铁范，令径五寸，厚一寸五分，於平板上，令壮士熟踏之。宋沈括《梦溪笔谈·技艺》：“欲印则以一铁范置铁板上，乃密布字印，满铁范为一板。”

概述2应用概述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。

概述2应用概述概述3特点概述1.铸型是永久型，生产时不需要造型，所以生产效率高，劳动条件好，对环境污染小。2.金属型的导热性和蓄热性高。3.工序简单，铸件质量和尺寸易于控制，其稳定性高。4.具有较高的尺寸精度和较低的表面粗糙度，因而减少了加工余量，材料消耗减少。5.工序简化，易于实现生产的机械化和自动化。概述3特点概述6.模具结构复杂，成本高。7.金属型激冷作用大，无退让性，无透气性。8.不易生产过大和过薄的铸件。概述4要求概述1.为防止浇不足、冷隔等缺陷，对铸件最小壁厚有一定限制。2.用金属型芯形成的孔，其最小尺寸有限制。3.金属型的拔模斜度比砂型铸造的小。§4-1金属型铸件的成形特点

导热性退让性透气性q=λ3（T1-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§4-1金属型铸件的成形特点当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。1.金属型的蓄热：1.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1.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1.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§4-1金属型铸件的成形特点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§4-1金属型铸件的成形特点易造成的缺陷：1.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§4-1金属型铸件的成形特点需采取的措施：1.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退让性导致的特点§4-1金属型铸件的成形特点室温：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：1.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§4-2

金属型设计金属型设计的内容：型腔设计、浇冒口系统设计、型芯的结构设计、取芯装置、铸型的定位及锁紧装置、排气系统、铸件取出机构、铸型加热及冷却装置的设计§4-2

金属型设计1整体金属型1）尺寸稳定性好2）操作方便，生产率高3）适用于简单件金属型结构形式§4-2

金属型设计2水平分型金属型

特点：浇注系统开设在中心部位，金属液的流程短，铸型及铸件温度分布均匀，不易变形。浇冒口常阻碍分型取出铸件，故常用型芯形成浇冒口。操作费时，不易实现机械化。金属型结构形式§4-2

金属型设计3垂直分型金属型

特点：易于在分型面上开设浇冒口，不阻碍取件，易于实现机械化。放置砂芯、镶块不方便。4综合分型金属型

特点：有两个或者两个以上的分型面。金属型结构形式§4-2

金属型设计1金属型分型面设计过程中的特殊要求

1）力求金属型结构简单，少用或者不用活块，减少加工成本；分型面型腔及壁厚设计§4-2

金属型设计

2）便于型芯安放和稳固，便于设置浇注系统取出铸件或易于实现自动化。分型面型腔及壁厚设计

3）保证开型时铸件停留在有顶出机构的半型内。§4-2

金属型设计2分型面的选择2)分型面尽量在最大的端面上。

1)尽量使铸件在一个半型中形成。

3)利于取出铸件。4)避免在机械加工的基准面开分型面。分型面型腔及壁厚设计§4-2

金属型设计3型腔和型芯尺寸的确定Ax=(A+Aε+2δ)±ΔAx取值Dx=(D+Dε-2δ)±ΔDx取值其中：Ax、Dx-型腔、型芯的尺寸A、D-图纸尺寸Aε、Dε-线收缩量δ-涂料层厚度ΔAx、ΔDx加工公差分型面型腔及壁厚设计小大§4-2

金属型设计4间距的确定a：25-30mm，厚壁利于吸收热量b：＞30小件10-20避免金属液通过分型面进入另一个型腔中（跑火）c：10-25mm避免局部过热d：30-50mm底部散热不好e：40-60mm浇注压头分型面型腔及壁厚设计§4-2

金属型设计5金属型壁厚的设计高温液体金属的压力、冲刷，温度分布不均引起的热应力，取件时的机械作用要求金属型具有抗热应力作用能力、一定的强度和刚度、一定的冷却能力、不能过重,以利于操作A当其冷却方式为自然冷却时，金属型要从蓄热和散热共同考虑，同时考虑其使用周期。

B当其冷却方式为强制冷却时，金属型要从结构、强度、刚度上重点考虑，壁厚适当薄一些。(可采用加强筋来提高铸型刚度)分型面型腔及壁厚设计§4-2

金属型设计

金属型芯主要用于形成形状简单的铸件孔洞和内腔，当凝固后能顺利地自铸件中取出。砂芯的应用§4-2

金属型设计

A便于取芯B支撑和定位简单C必要时设计抽芯机构或增加型芯的斜度砂芯的应用1设计原则：§4-2

金属型设计2抽芯机构的设计

撬棍抽芯齿轮-齿条抽芯螺杆抽芯偏心轴抽芯砂芯的应用§4-2

金属型设计3砂芯的应用A形成铸件中形状复杂的孔腔，由于其侧面凹凸不平，阻碍金属型芯抽芯。B作为铸件的活块使用，或者用来形成浇冒口。C调节凝固顺序。D改善金属型的排气条件。间隙排气砂芯的应用§4-2

金属型设计F防止铸型开裂，使用砂型提高局部退让性。E保护金属型易损部位，延长金属型使用寿命（浇注系统）。砂芯的应用§4-2

金属型设计A利用顶部明冒口或在易集气的地方开排气孔B利用分型面和金属型芯、芯座、顶杆等位置的配合间隙排气C使用排气塞原则：气体可以通过，金属液不能通过。其他部分设计1排气系统的设计§4-2

金属型设计其他部分设计2金属型半型间的定位§4-2

金属型设计其他部分设计3金属型锁紧机构§4-2

金属型设计其他部分设计3金属型锁紧机构§4-2

金属型设计其他部分设计4顶出铸件机构及时平稳简易分类：单个顶杆机构、组合顶杆机构§4-2

金属型设计其他部分设计设计顶出机构时应注意：A开型后，铸件停留在有顶出机构的半型内。

§4-2

金属型设计其他部分设计B顶杆在受阻力的位置，同时要是铸件在顶出时受力均匀，防止变形。C顶出机构不能破坏铸件表面质量，注意对重要面的保护。（防止因为顶出机构接触面积过小造成压痕）D顶杆与金属型上的孔要间隙配合。（2个作用）§4-2

金属型设计其他部分设计5金属型的加热和冷却装置预热的作用：清除水分、减轻高温金属液的热冲击、提高充型能力预热的方法：加热炉加热、自带加热器、浇金属液预热（不安全）、喷灯、煤气炉火焰烘烤§4-2

金属型设计其他部分设计5金属型的加热和冷却装置冷却的作用：缩短生产周期、提高效率。冷却的方法：1）加散热片或散热针；2）加快铸型背面空气流动；3）冷水强制冷却；4）热管冷却；（气态液化）5）温度可调的液体冷却。§4-2

金属型设计其他部分设计6金属型材料的选择

适宜制作金属型的材料应具有高的高温强度、热震稳定性、热疲劳强度及足够的强韧性。铸铁：灰铸铁，应用最为广泛（易于加工，价廉，耐热性、耐磨性良好）

钢：韧性好，强度高，易焊补，使用寿命长，但加工困难，易变形。

铜合金§4-2

金属型设计金属型破坏的原因造成金属型破坏的原因主要有：应力叠加、热应力疲劳、铸铁生长、氧气侵蚀、金属液冲刷、铸件摩擦等。1)应力叠加铸造应力+热应力＞抗拉强度2)热应力疲劳§4-2

金属型设计相应措施：A刷涂料

B有微裂纹时及时打磨3)铸铁生长珠光体——铁素体+石墨——体积变化

壁厚的不同使得各位置温度不同，局部发生相变后，铸铁金属型的体积变化不均匀，产生裂纹，加速疲劳裂纹的扩展或引起金属型变形。金属型破坏的原因§4-2

金属型设计4)氧气侵蚀5）金属液的冲刷——粘型（微小裂纹）防止措施：A合理设计浇注系统，避免强烈冲刷作用

B选择合适的涂料6）铸件的摩擦金属型破坏的原因§4-2

金属型设计

从上述分折可以看到，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；2）制定合理的涂料工艺；3）金属型结构合理，制造毛坯过程中应注意消除残余应力；(时效后加工)4）金属型的结晶组织要致密。金属型破坏的原因§4-3

金属型铸造工艺A.保证金属液在规定时间（较砂型缩短20-40%）内充满铸型；浇注时金属液平稳、无飞溅；B.浇注系统不影响排气；C.保护金属型，结构简单，易于出型；D.实现顺序凝固，补缩良好，以获得致密组织。浇冒口系统的设计1设计原则2浇注系统尺寸确定方法其它组元截面积比例最小截面积§4-3

金属型铸造工艺

t=H/v（v不能过小）H-铸件高度v-最小允许上升速度Q-金属液质量ρ-金属液密度vmax不能过大浇冒口系统的设计3浇注时间的确定4最小截面积的确定§4-3

金属型铸造工艺浇冒口系统的设计5常见得浇注系统的形式§4-3

金属型铸造工艺1）顶注式优缺点：结构简单、利于补缩；易飞溅、卷气、氧化、形成铁豆。一般用于高度较小的铸件生产时。浇冒口系统的设计6浇注系统在型内的布置§4-3

金属型铸造工艺2）底注式优缺点：浇注平稳，利于排气、挡渣；不利补缩、出品率低另行采取措施：加设冒口、上部增加工艺余量、上部保温、料厚度上厚下薄浇冒口系统的设计6浇注系统在型内的布置§4-3

金属型铸造工艺3）中注式优缺点：较顶注式平稳，铸件温度在高度方向上的不合理。适用于高度较大，不利于安放底注式浇注系统的铸件。浇冒口系统的设计6浇注系统在型内的布置§4-3

金属型铸造工艺4）缝隙式（侧注）优缺点：浇注平稳，利于补缩，利于排气，挡渣。结构复杂，出品率低，不利清理（利用分型面做缝隙）。浇冒口系统的设计6浇注系统在型内的布置§4-3

金属型铸造工艺5）综合式

浇注系统的设计是要根据铸件的结构、尺寸、金属材料的特点等多种情况统一考虑，按实际需要设计。浇冒口系统的设计6浇注系统在型内的布置§4-3

金属型铸造工艺冒口的作用：补缩、集渣、排气1）灰铸铁一般不设冒口；2）铝镁合金件，冒口体积为其热节体积的1.5倍；3）球铁件和可锻铸铁件冒口直径为它们所补缩铸件热节圆直径的1.2倍，高度为1.25倍。冒口颈直径为0.3-0.5倍；4）为防止散热，冒口上要涂绝热涂料，或用砂芯制造冒口，或设置集渣包；5）金属型的冒口尺寸可比砂型的冒口小；6）可通过设置集渣包同时起到冒口的作用。浇冒口系统的设计7冒口的设计§4-3

金属型铸造工艺7）冒口要设为过热冒口，既可集渣，又可补缩。明冒口：静压力大暗冒口：铝、镁合金不适用8）热节处放置冷铁，加强补缩。浇冒口系统的设计§4-3

金属型铸造工艺1）保护金属型：减小热冲击，防止粘型，减小摩擦；2）调节铸件各部位在金属型中的冷却速度，控制凝固补缩顺序，利于获得薄壁件；涂料的选择1金属型铸造涂料的作用3）改善铸件表面质量。避免由于激冷造成的流痕和冷隔缺陷，防止出现白口组织。4）改善金属型排气条件。§4-3

金属型铸造工艺1）化学稳定性和高于金属液的耐火度（组成成分）2）一定的粘着强度，不易开裂和剥落；4）无发气性，挥发成分要少。5）防止氧化。6）易于从型腔上清除。涂料的选择2金属型铸造对涂料的要求不沉降分层存放时：不会流淌涂敷之后：流动性好3）好的流变性涂敷时：§4-3

金属型铸造工艺1）粉状耐火材料：CaCO3氧化锌石棉粉2）粘接剂：水玻璃（常用）、糖浆（铸钢）、纸浆3）溶剂（载体）：水机油4）附加物：赋予涂料特殊性能的物质。提高绝热性：石棉粉、硅藻土减少摩擦：石墨粉、滑石粉防氧化（阻燃剂）：硼酸（镁合金）表面合金化涂料的选择3涂料的组成§4-3

金属型铸造工艺1）型腔预热至160-200℃（过低—过高）2）尽量使用喷枪以雾状喷涂3）涂料层厚度一般应小于0.5mm，浇冒口部位可以超过1mm。需快冷处，可刮去涂料。4）涂料配制后，不易放置过久，以免变质（沉降、分层）涂料的选择6涂料操作主要事项

1.模具准备：首先必须清理模具，除去模具上所有的旧涂层和粘结物，并落沙以粗化表面使其均匀一致。

2.将模具均匀加热至250-350℃（如果模具刚从生产线上撤下，则应冷却、清洁、在进行加热）。然后冷却至180-240℃间即可开始喷涂。

3.打开桶盖，将涂料再彻底重混一次，持续混合一段时间直到其均匀。

4.喷涂：手持喷枪，与模具保持一定距离200-300微米，均匀地来回喷涂几层，直到达到要求的涂层厚度。一般涂层厚度要求75-125微米。

涂料的选择7涂料操作工艺实例§4-3

金属型铸造工艺8金属型的工作温度浇注时应保证金属型在一定温度范围内工作。（合