金屬型鑄造機相關概念和套用
金屬型鑄造概述金屬型鑄造又稱硬模鑄造，它是將液體金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。鑄型是用金屬製成，可以反覆使用多次（幾百次到幾千次）。金屬到鑄造與砂型鑄造比較：在技術上與經濟上有許多優點。（1）金屬型生產的鑄件，其機械性能比砂型鑄件高。同樣合金，其抗拉強度平均可提高約25％，屈服強度平均提高約20％，其抗蝕性能和硬度亦顯著提高；（2）鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高，而且質量和尺寸穩定;（3）鑄件的工藝收得率高，液體金屬耗量減少，一般可節約15～30％；（4）不用砂或者少用砂，一般可節約造型材料80～100％；此外，金屬型鑄造的生產效率高；使鑄件產生缺陷的原因減少；工序簡單，易實現機械化和自動化。金屬型鑄造雖有很多優點，但也有不足之處。如：（1）金屬型製造成本高；（2）金屬型不透氣，而且無退讓性，易造成鑄件洗不足、開裂或鑄鐵件白日等缺陷;（3）金屬型鑄造時，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度，鑄件在鑄型中停留的時間，以及所用的塗料等，對鑄件的質量的影響甚為敏感，需要嚴格控制。金屬型鑄造目前所能生產的鑄件，在重量和形狀方面還有一定的限制，如對黑色金屬只能是形狀簡單的鑄件；鑄件的重量不可太大；壁厚也有限制，較小的鑄件壁厚無法鑄出。因此，在決定採用金屬型鑄造時，必須綜合考慮下列各因素：鑄件形狀和重量大小必須合適；要有足夠的批量；完成生產任務的期限許可。金屬型鑄件形成過程的特點金屬型和砂型，在性能上有顯著的區別，如砂型有透氣性，而金屬型則沒有；砂型的導熱性差，金屬型的導熱性很好，砂型有退讓性，而金屬型沒有等。金屬型的這些特點決定了它在鑄件形成過程中有自己的規律。型腔內氣體狀態變化對鑄件成型的影響：金屬在充填時，型腔內的氣體必須迅速排出，但金屬又無透氣性，只要對工藝稍加疏忽，就會給鑄件的質量帶來不良影響。鑄件凝固過程中熱交換的特點：金屬液一旦進入型腔，就把熱量傳給金屬型壁。液體金屬通過型壁散失熱量，進行凝固並產生收縮，而型壁在獲得熱量，升高溫度的同時產生膨脹，結果在鑄件與型壁之間形成了“間隙”。在“鑄件一間隙一金屬型”系統未到達同一溫度之前，可以把鑄件視為在“間隙”中冷卻，而金屬型壁則通過“間隙”被加熱。金屬型阻礙收縮對鑄件的影響：金屬型或金屬型芯，在鑄件凝固過磋甲無退讓性，阻礙鑄件收縮，這是它的又一特點。金屬型鑄造工藝1.金屬到的預熱未預熱的金屬型不能進行澆注。這是因為金屬型導熱性好／液體金屬冷卻決，流動性劇烈降低，容易使鑄件出現冷隔、澆不足夾雜、氣孔等缺陷。未預熱的金屬型在澆注時，鑄型，將受到強烈的熱擊，應力倍增，使其極易破壞。因此，金屬型在開始工作前，應該先預熱，適宜的預熱溫度（即工作溫度），隨合金的種類、鑄件結構和大小而定，一般通過試驗確定。一般情況下，金屬型的預熱溫度不低於1500C。金屬型的預熱方法有：（1）用噴燈或煤氣火焰預熱；（2）採用電阻加熱器；（3）採用烘箱加熱，其優點是溫度均勻，但只適用於小件的金屬型；（4）先將金屬型放在爐上烘烤，然後澆注液體金屬將金屬型燙熱。這種方法，只適用於小型鑄型，因它要浪費一些金屬液，也會降低鑄型壽命。2.金屬型的澆注金屬型的澆注溫度，一般比砂型鑄造時高。可根據合金種類、如化學成分、鑄件大小和壁厚，通過試驗確定。下表中數據可供參考。各種合金的澆注溫度合金種類澆注溫度℃合金種類澆注溫度℃鋁錫合金350～450黃銅900～950鋅合金450～480錫青銅1100～1150鋁合金680～740鋁青銅1150～1300鎂合金715～740鑄鐵1300～1370由於金屬型的激冷和不透氣，澆注速度應做到先慢，後快，再慢。在澆注過程中應儘量保證液流平穩。3.鑄件的出型和抽芯時間如果金屬型芯在鑄件中停留的時間愈長，由於鑄件收縮產生的抱緊型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。金屬型芯在鏡件中最適宜的停留時間，是當鑄件冷卻到塑性變形溫度範圍，並有足夠的強度時，這時是抽芯最好的時機。鑄件在金屬型中停留的時間過長，型壁溫度升高，需要更多的冷卻時間，也會降低金屬型的生產率。最合適的拔芯與鑄件出型時間，一般用試驗方法確定。4.金屬型工作溫度的調節要保證金屬型鑄件的質量穩定，生產正常，首先要使金屬型在生產過程中溫度變化恆定。所以每澆一次，就需要將金屬型打開，停放一段時間，待冷至規定溫度時再澆。如靠自然冷卻，需要時間較長，會降低生產率，因此常用強制冷卻的方法。冷卻的方式一般有以下幾種：（1）風冷：即在金屬型外圍吹風冷卻，強化對流散熱。風冷方式的金屬型，雖然結構簡單，容易製造，成本低，但冷卻效果不十分理想。（2）間接水冷：在金屬型背面或某一局部，鑲鑄水套，其冷卻效果比風冷好，適於澆注銅件或可鍛鑄鐵件。但對澆注薄壁灰鐵鑄件或球鐵鑄件，激烈冷卻，會增加鑄件的缺陷。（3）直接水冷：在金屬型的背面或局部直接制出水套，在水套內通水進行冷卻，這主要用於澆注鋼件或其它合金鑄件，鑄型要求強烈冷卻的部位。因其成本較高，只適用於大批量生產。如果鑄件壁厚薄懸殊，在採用金屬型生產時，也常在金屬型的一部分採用加溫，另一部分採用冷卻的方法來調節型壁的溫度分布。5.金屬型的塗料在金屬型鑄造過程中，常需在金屬型的工作表面噴刷塗料。塗料的作用是：調節鑄件的冷卻速度；保護金屬型，防止高溫金屬液對型壁的沖蝕和熱擊；利用塗料層蓄氣排氣。根據不同合金，塗料可能有多種配方，塗料基本由三類物質組成：1．粉狀耐火材料（如氧化鋅，滑石粉，鋯砂粉、硅藻土粉等）；2．粘結劑（常用水玻璃，糖漿或紙漿廢液等）；3．溶劑（水）。具體配方可參考有關手冊。塗料應符合下列技術要求：要有一定粘度，便於噴塗，在金屬型表面上能形成均勻的薄層；塗料乾後不發生龜裂或脫落，且易於清除；具有高的耐火度；高溫時不會產生大量氣體；不與合金髮生化學反應（特殊要求者除外）等。6.復砂金屬型(鐵模復砂)塗料雖然可以降低鑄件在金屬型中的冷卻速度，但採用刷塗料的金屬型生產球墨鑄鐵件（例如曲軸），仍有一定困難，因為鑄件的冷速仍然過大，鑄件易出現白口。若採用砂型，鑄件冷速雖低，但在熱節處又易產生縮松或縮孔，在金屬型表面復以4－8mm的砂層，就能鑄出滿意的球墨鑄鐵件。復砂層有效地調節了鑄件的冷卻速度，一方面使鑄鐵體不出白口，另一方面又使冷速大於砂型鑄造。金屬型無潰散性，但很薄的復砂卻能適當減少鑄件的收縮阻力。此外金屬型具有良好的剛性，有效地限制球鐵石墨化膨脹，實現了無冒口鑄造，消除疏鬆，提高了鑄件的緻密度。如金屬型的復砂層為樹脂砂，一般可用射砂工藝復砂，金屬型的溫度要求在180～200℃之間。復砂金屬型可用於生產球鐵，灰鐵或鑄鋼件，其技術效果顯著。7.金屬型的壽命提高金屬型壽命的途徑為：1）選用導熱係數大，熱膨脹係數小，而且強度較高的材料製造金屬型；2）合理的塗料工藝，嚴格遵守工藝規範；3）金屬型結構合理，製造毛坯過程中應注意消除殘餘應力；4）金屬型材料的晶粒要細小。金屬型鑄件的工藝設計根據金屬型鑄造工藝的一些特點，為了保證鑄件質量，簡化金屬型結構，充分發揮它的技術經濟效益，首先必須對鑄件的結構進行分析，並制訂合理的鑄件工藝。1.鑄件結構的工藝性分析金屬型鑄造結構工藝性的好壞，是保證鑄件質量，發揮金屬型鑄造優點的先決條件。合理的鑄造構應遵循下列原則：1）鑄造結構不應阻礙出型，防礙收縮；2）厚差不能太大，以免造成各部分溫差懸殊，從而引起鑄件縮裂和縮松；3）限制金屬型鑄件的最小壁厚。另外，對鑄件非加工面的精度和光潔度應要求適當。2.鑄件在金屬型中的澆注位置鑄件的澆注位置直接關係到型芯和分型面的數量、液體金屬的導入位置，冒口的補縮效果，排氣的通暢程度以及金屬型的複雜程度等。選擇澆注位置的原則如下：1)保證金屬液在充型時流功平穩，排氣方便，避免液流卷氣和金屬被氧化；2)有利於順序凝固，補縮良好，以保證獲得組織緻密的鑄件；3)型芯數目應儘量減少，安放方便、穩定、而且易於出型；4)有利於金屬型結構簡化，鑄件出型方便等。3.鑄性分型面的選擇分型面形式一般有垂直、水平和綜合分類（垂直、水平混合分型或曲面分型）三種。選擇分型面的原則如下：1）為簡化金屬型結構，提高稿件精度，對形狀教簡單的鑄件最好都布置在半型內，或大部分布置在半型內；2）分型面數目應儘量少，保證鑄件外形美觀，鑄件出型和下芯方便；3）選擇的分型面應保證設定澆冒口方便，金屬充型時流動平穩，有利於型腔里的氣體排出；4）分型面不得選在加工基準面上；5）儘量避免曲面分型，減少拆卸件及活決數量。4.澆鑄系統設計根據金屬型鑄造的某些特點，在設計澆注系統時須注意以下幾點：金屬澆注速度大，超過砂型的約20％。其次，在液體金屬充型時，型腔里的氣體要能順利排除，其流向應儘可能與液流方向一致，順利的將氣體擠向冒口或出氣冒口；此外，應注意使液體金屬在充型時流動平穩，不產生渦流，不衝擊型壁或型芯，更不可產生飛濺。金屬型的澆注系統一般分為頂注式底注式和側注式三類。1）頂注式，其熱分布較合理，有利於順序凝固，可減少金屬液的消耗，但金屬液流動不平穩，易進法，鑄件高時，易衝擊型膠底部或型芯。若用於澆注鋁合金件，一般只適用於鑄件高度小於100毫米的簡單件；2）底注式，金屬液流動較平穩，有利於排氣，但溫度分布不合理，不利於鑄件順利凝固；3）側注式，兼有上述兩者的優點，金屬液流動平穩，便於集渣，排氣等，但金屬液消耗大，澆口清理工作量大。金屬型澆注系統的結構與砂型鑄造基本相似，但由於金屬型壁不透氣，導熱能力強，因此要求澆注系統結構，能有利於降低金屬液流速，流動平穩，減少其對型壁的沖刷。除應保證型腔內氣體有充裕的時間排除外，還保證在充型過程中不得產生噴濺。
鑄鐵是金屬型最常用的材料。其加工性能好，價廉，一般工廠均能自制，並且它又耐熱、耐磨，是一種較合適的金屬型材料。只是在要求高時，才使用碳鋼和低合金鋼。採用鋁合金製造金屬型，在國外已引起注意，鋁型表面可進行陽極氧化處理，而獲得一層由Al2O3及Al2O3·H2O組成的氧化膜，其熔點和硬度都較高，而且耐熱、耐磨。據報導這種鋁金屬型，如採用水冷措施，它不僅可鑄造鋁件和銅件，同樣也可用來澆注黑色金屬鑄件。
