铝合金的半砂半硬复合型铸造.docx

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铝合金的半砂半硬复合型铸造

铝合金的半砂半硬“复合型”铸造

周麟升

重庆红旗缸盖制造有限公司

（重庆市璧山区牛角湾邮编402760邮箱cqzls-001@）

摘要：

本文提出了半砂半硬“复合型”的概念，简述了这种特殊的“型”的特殊规律。

应用于这种复合型的材料范围，本文中仅限于铝-硅系列合金。

本文所涉及的浇注方法均为重力浇注。

关键词：

金属型砂型半砂半硬“复合型”

0引言

　在应用铝-硅系合金生产部分汽车、摩托车铸件时，有许多铸件，其外形轮廓由金属型形成；同时，使用大量的砂芯，形成铸件的复杂内腔，我把这种金属型加砂芯构成的铸型，称为半砂半硬“复合型”。

之所以用“硬”代表金属型，是因为在生产实际中，大家习惯将金属型简称为硬型。

　在铸型中，金属型、砂芯各占约一半时，称为半砂半硬“复合型”；金属型占大半，称为金属型砂芯；砂芯占大半，称为砂型外冷铁（或称砂型金属芯）。

所谓一半，不是指它们的数量或重量，一般是指铸件的外面与内腔、铸件的上部分与下部分。

　生产实践证明，在运用这类“铸型”（模具）生产时，发生的工艺及质量问题，既不能完全用金属型铸造的理论做出合理的解释，又不能用砂型铸造的理论予以解决。

这种复合铸型，具有自身的特殊规律，只有遵循这种特殊规律，才能解决生产实际中出现的一些工艺及质量问题。

１金属型铸造概述

.

金属型铸造　将（铝）合金液体浇入用金属制造的型腔中，以获得铸件的方法，称为金属型铸造。

由于铸型是用金属材料制造的，可反复使用几百次至上万次，因此，这种铸型又称为永久型，俗称“硬型”。

.2金属型铸造工艺特点

　金属型通常由铸铁、铸钢、热作模具钢或其它金属材料制成。

由于金属型导热快，没有退让性，因此，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等铸造缺陷；受高温金属液的长期冲刷，型腔表面易被损伤，被损伤的型腔表面，不仅使金属型的寿命缩短，还会导致铸件的表面质量下降；较大的损伤，还会导致铸件脱模困难，拉伤、甚至拉裂铸件。

要缓解上述问题，应采取下列工艺措施：

（1）保持铸型温度金属型应保持在一定温度下工作，这样，可以减缓铸件的冷却速度，有利于金属液的填充，延长铸型寿命。

因此，开始浇注前，要对金属型进行预热；而在连续使用过程中，为了防止铸型因吸热而升温过高，还必须冷却金属型，或利用散热装置来散热，保持铸型本身温度在合理范围内。

对铝合金而言，这个温度区间通常为100°C～250°C左右。

不同的铸型具有不同的合理温度范围，应在生产实践中，摸索出适合于那个特定的铸型的温度区间。

有些铸型在使用中，可能温度需要很低，低于100°C，切忌盲目援引100°C～250°C这个参数，本公司三气门产品就是例子。

（2）刷挂涂料金属型型腔表面应视铸件的具体情况，涂刷不同配方、不同厚薄的涂料，刷挂涂料的作用在于：

a.改善铸件的表面质量；

b.保持铸型热平衡，调节铸件冷却速度，避免出现缩陷、气穴（俗称“阴水”、“窝气”）等铸造缺陷；

c.有一定的蓄气作用；

d.保护铸型型腔表面不至于长期被高温金属液冲刷而缩短寿命，同时也起到方便脱模的作用。

（3）控制开型时间由于金属型没有退让性，浇铸后要尽快开型取出铸件，防止铸件卡死在铸型中。

但是，考虑到冷却速度对铸件力学性能的影响，和铝合金铸件热强度低的特点，也不能开型过早，防止发生拉裂、顶伤铸件、或铸件力学性能不合格。

具体到某一铸型上，其特定的开型时间，必须在生产实践中摸索、总结出来。

（4）铸型表面强化处理定期对金属型进行不明显改变其尺寸的表面强化（硬化）处理，有利于延长铸型寿命。

.3铝合金的铸造性能铝合金在铸造成形过程中，获得外形准确、内部健全的铸件的能力，称为铝合金的铸造性能。

主要包括：

合金的流动性；吸气、氧化倾向；凝固温度范围和凝固特性；收缩特性；热裂倾向以及与铸型和造型材料的相互作用。

本文只探讨部分铸造性能。

.3.1流动性液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性。

流动性优良的合金，易于获得形状完整、轮廓清晰的铸件，有利于合金液中气体和非金属夹杂物的上浮与排除，有利于合金凝固过程中的补缩。

流动性较差的合金，容易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣、缩孔等铸造缺陷。

在合金种类确定的情况下，决定合金充型能力的因素,主要是铸型浇铸系统的设置、浇铸温度、熔炼质量、浇铸速度和铸型温度。

a.化学成分本公司所使用的合金牌号已确定，化学成分的影响，本文不作探讨；

b.浇注温度浇注温度，指进入铸型时的合金液的温度，而不是指坩埚内的合金液温度，也不是指停留在浇包内的合金液温度，同一种合金，浇注温度越高，合金液的粘度越低，保持液态的时间越长，因此，合金的充型能力越好。

浇铸温度的确定，要考虑以下几点因素的影响：

（１）铸件的结构及形态，以及材料的化学成分；

（２）浇铸系统的设置；

（３）保持铸型的热平衡，保证铸件具有合理的冷却速度；

（４）环境温度。

c.浇铸系统铸型中凡是增大合金液冷却速度和合金液流动阻力的因素，都会降低合金的充型能力。

因此，在设计浇铸系统时，首先要根据铸件结构，确定浇铸位置，最大限度地避免金属液直接冲刷型腔的某些特定部位；其次，要避免尖角状态，尽可能呈圆弧连接及过渡，有利于提高合金的充型能力。

d.铸件结构通常铸件结构是用户确定的，铸件结构的工艺性，是工艺设计和铸型

设计的基础。

有时，针对结构工艺性很差的铸件，不得不采取特殊的铸型结构。

.3.2收缩浇铸后的液态合金，在逐渐冷却凝固的过程中，总是伴随体积和尺

寸的缩小现象，合金的这种性质称为收缩。

收缩过程经历三个阶段：

a.液态收缩指合金从浇注温度，冷却至液相线温度区间的收缩；

b.凝固收缩指合金从液相线到固相线温度区间的收缩；

c.固态收缩指合金从固相线冷却至室温区间的收缩。

缩松、缩孔------液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，常用体积收缩率来表

示，它们是产生缩松、缩孔的根本原因。

应力、变形及裂纹-------固态收缩表现为铸件尺寸的缩小，常用线收缩率来表示，它

是影响铸件尺寸，使铸件产生内应力，变形及裂纹的根源。

.3.3影响收缩的因素有合金的化学成分、浇注温度、铸件结构及铸型条件等等。

本文只探讨浇注温度的影响。

合金的浇注温度越高，则液态收缩越大，符合“热胀

冷缩”的普遍规律。

经验表明，浇注温度每提高100°C，体积收缩率增加1.6％左

右，反之，冷却时就会缩小同样的体积。

从这个角度来看，可以得出一种普遍的结

论：

“浇铸温度越高，形成缩孔的倾向性越大”。

浇铸温度低，缩孔倾向性小，但又

容易出现“冷豆”、浇不足、冷隔等缺陷。

大量的生产实践证明：

只要浇注系统设

计合理，使铸件按“顺序凝固原则”凝固，结果，高温浇注*不仅消除了“冷豆”、

浇不足、冷隔等缺陷，同时也避免了缩松、缩孔的出现。

这是因为：

（1）把缩松、缩孔转移到冒口中去了；

（2）浇铸温度高，模具温度低，这样的温差有利于快速结晶凝固。

本公司产品三气门缸头就是很典型的例子。

注*：

参阅

.2中的第

（1）条。

因为高温浇铸必然导致铸型温度升高，如不设法给铸型散热，就不能获得足够的凝固温差，反而会出现更大的危害。

.4铸件的凝固次序顺序凝固原则同时凝固原则

.4.1顺序凝固采取一些恰当的工艺措施，保证铸件的各个部分按照远离冒口（或

内浇口）的部分最先凝固，然后朝着冒口（或内浇口）方向逐渐凝固，最后才是冒口（或

内浇口）本身凝固的凝固顺序。

也称为“方向凝固”、“定向凝固”。

按此原则设计的浇铸系统，由于能够把缩孔集中到冒口中，最后将冒口切除，不仅避免了缩孔缺陷，还得到组织致密的铸件。

但是，由于铸件不同部位的温差较大，

铸件出现内应力、变形、裂纹的倾向性增大，而且，由于可能需设置体积较大的冒

口，会使工艺出品率降低。

但是，这只是一般规律，实际上，如果铸造工艺设计合

理，就不会出现变形、裂纹等缺陷；也不一定要“大冒口”只需很小的冒口即可，

甚至做到不要冒口。

本公司产品柴油机缸盖就是非常典型的例子。

.4.2同时凝固根据铸件、铸型的条件，采取相应的工艺措施，使铸件各部分没

有温差，或者温差很小，在冷却过程中，铸件各部分同时凝固。

按此原则设计的浇注系统，优点是铸件发生应力、变形、裂纹的倾向性较小，不必设置冒口或冒口很小，这样可以提高工艺出品率，材料利用率较高；缺点是铸件的中心区域，往往有缩松、缩孔缺陷，铸件组织致密性差。

然而，因为铸件结构等原因，铸件很难做到“同时”凝固；为了使铸件能够同时凝固，往往需要设置大冒口或多个冒口，这样，反而降低了工艺出品率。

.4.3在本公司铸造工艺设计中，几乎全是按“顺序凝固原则”设计的浇注系统，很少甚至不采用同时凝固技术。

.5加工余量的设计

.5.1机械加工余量在铸造工艺设计中，在零件加工面上留出的，供机械加工时去除的金属层厚度，称为加工余量。

其大小取决于铸造合金的种类、铸造方法的选择、铸件尺寸与铸件形状的复杂程度、加工精度、生产批量、铸造材料的价格因素等等。

铸件的公称尺寸越大，形状越复杂，加工精度要求越高，则加工余量就越大。

铸件浇铸时位于顶面的余量应该比位于底面的和侧面的为大。

.5.2　由于金属型具有冷却速度快，表面质量好，且把容易发生的气孔、渣孔、缩

松、缩孔等铸造缺陷包含在型壁以内，或转移到冒口中的特点，因此，由金属型形

成的部位，其加工余量的选择，与同样结构尺寸由砂型成形的部位相比较，可以偏

小。

在半砂半硬“复合型”铸造中，往往有些加工部位（如燃烧室及燃烧室平面等）是

由砂芯形成的，这些部位的加工余量选择原则，就不能采用金属型的，而应该选用

砂型铸造的原则确定加工余量，并通过生产实践进行验证，最终得出合适的加工余

量，这对批量生产的铸件来说，显得尤其重要。

批量生产的铝合金金属型铸造，铸件的尺寸精度公差等级可达ＣＴ６～ＣＴ８，表面粗糙度Ra值可达25～12.5μｍ，故可做到少加工或不加工。

而砂型铸造所能达到的尺寸精度公差等级，远比金属型铸造低。

因此，两种不同的铸造方法，应选取不同的加工余量值。

用半砂半硬“复合型”铸造的铸件，由金属型形成的表面部分，其加工余量值，按金属型铸造原则选取；而由砂芯形成的表面，其加工余量值，应按砂型铸造原则施放。

即使这样，也要分底部、上部、侧面，而施放不同的加工余量值。

在同样的公差等级时，加工余量数值的大小，与铸件的公称尺寸有关，因此不能只

看加工余量的数值大小。

同一精度等级，名义尺寸大的，加工余量大；名义尺寸小

的，加工余量小。

在同一精度等级下，因名义尺寸不同而施放的不同的加工余量值，

尽管数值不同，却都是一样的合理。

砂型铸造概述

.1用各种型砂造型，进行浇注的铸造方法，称为砂型铸造。

其优点是工艺装备

简单、经济、生产准备时间短、灵活多样、适应性强。

缺点是劳动强度大，生产效

率较低，铸件质量较差，要求工人具备熟练的操作技能等等。

砂型铸造方法，主要

用于单件或小批生产，以及形状特别复杂，难于用别的铸造方法生产的铸件。

.2铸件浇注位置的选择

.2.1铸件的重要加工面或重要工作面应优先考虑朝下，或位于侧面。

这是因为浇注时，铸件上部容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，而下部的缺陷较少，组织也比上部致密。

如果这些面难以做到朝下，则应尽量使其位于侧面。

当铸件上重要加工面有数个时，应将较大的面朝下，并对朝上的面采用加大加工余量的方法，来保证铸件质量。

当铸件的结构工艺性决定了重要面只能朝上时，也必须采取加大加工余量的方法来保证铸件质量。

.2.2铸件的薄壁且面积大的表面应朝下，防止出现浇不足或冷隔缺陷。

.2.3要便于安放冒口，对于壁厚不均匀，易形成缩孔的铸件，浇注时应将厚的

部分放在上部或分型面附近，便于在铸件厚大部分直接安置冒口，使之自下而上定

向凝固，利于补缩。

切忌把冒口位置设计在非加工面上。

.3排气必须充分意识并深刻理解“气无处不在”的观点。

.3.1铸型型腔中的空气，以及浇注时合金液裹入型腔的空气：

在设计浇注系统时，要设法利用合金液填充型腔的过程，将这类空气排出型腔；或用特殊的浇铸方法，如倾斜式浇铸方法，尽量消除或减少气体被裹入合金液，某

些死角处，必须采用开设气孔、气眼、气缝或加气塞的方法，排除空气，保证获得

优质铸件。

.3.

砂芯在浇注后的持续发气

砂芯是用热法覆膜砂制成的，在受热条件下，覆膜砂中的热塑性酚酫树脂分解

产生大量气体，常用覆膜砂的发气量为10～1

.5ml/g，这些气体如果不能有效排出，

则会在铸件上形成大量气孔、气缝、及二次氧化夹杂，严重时，这些气体可能导致

铸件不能成形。

半砂半硬复合型铸造，其大部分砂芯，均用于形成内腔轮廓，也就是说，砂芯被

高温铝液部分或完全包容，在这一点上与普通的砂型铸造比较，有很大的区别，必须引起高度重视。

正因为砂芯被铝液包容，那么，砂芯所产生的大量气体，必须千方百计地排向大气，否则，它必然穿透铸件壁厚，产生大量的气孔、气缝，造成不可挽救的铸造缺陷。

本公司产品HQ0303、HQ0304、HQ0305即为非常典型的例子。

特别是HQ0303，共经历了十二次试验，铸件逾百，竟无一件合格。

究其原因，就是在试制过程中，通常运用“金属型”或“砂型”的普遍原则在分析问题，制定措施，而没有意识到半砂半硬复合型的特殊规律，采取的各种措施，都是为了排出型腔中的空气。

第十三次试验的措施很简单，就是想法把被合金液包容的水道芯所产生的气体引向大气，就解决了这个难题。

同理，将这个特殊的规律运用于HQ0304、HQ0305也顺利解决了砂芯气体的危害。

在设计这类特定产品的铸造工艺时，砂芯持续发气的排放，应是设计思想中的重中之重。

欲通过减少砂芯发气量，或通过延缓砂芯的发气时间，降低发气速度等方法，均属“治标”，不可能保证铸件质量的稳定。

“治本”需在工艺设计时，就充分考虑到，砂芯发气不可避免，必须设法将其排向大气。

砂芯的持续发气，犹如洪水，治水不能“堵塞”，只能“疏通”。

铸件结构的工艺性

铸件结构是指铸件的外形、内腔、壁厚及壁与壁之间的连接形式，加强肋板及凸

台等。

铸件结构决定了铸造这个铸件的工艺难度，我们通常称这个工艺难度为铸件

结构的工艺性。

但是，铸件结构往往是由用户确定，对已经确定了的铸件结构，要想获得优质的铸件，必须在以下方面采取措施，使其适应铸件的结构。

.1用辩证法的观念指导铸造工艺设计，不同的铸件，制定不同的铸造工艺，使之相互匹配。

.2确定了的铸件结构，要从合金铸造性能方面来考虑，必要时需与用户协商，修改铸件结构，使之适应合金的铸造性能。

例如，铸件的壁厚要选择恰当，每一种铸造合金，在规定的铸造方法下，都有适宜的最小壁厚，而且要考虑壁厚尽可能均匀，要设计铸造圆角，避免交叉连接和锐角连接等等。

对于内部组织致密度要求较高的铸件，尽量按“顺序凝固原则”设计浇注系统。

结语

.1半砂半硬“复合型”这个概念，至今尚未引起大家的重视。

在生产实际中，需要

对其特殊规律，加以掌握，加深认识，灵活运用。

至于半砂半硬“复合型”这个专

用名词，是否能准确表达本文所述的基本意义，可以探讨。

.2在生产实际中，切忌形而上学地分析所遇到的工艺、质量问题，应该持普遍联系的、运动发展的观点，全面考察各种铸造方法的特点之间的相互影响、相互制约和相互作用，只有这样，才能做好铸造工艺设计和铸型（模具）设计；解决生产实际中出现的各种问题；高效率、低成本地生产合格铸件。

参考文献

铸造术语GB/T5611

铸造有色合金及其熔炼国防工业出版社1980版

金属工艺学中央广播电视大学1986版曹聿严绍华编

铝铸造技术美国铸造协会编（上海汽车有色铸造总厂译）

铸件缺陷分析美国铸造协会编

机械工业出版社1982版武达兼陈嵩生译

铸件挽救工程重庆大学出版社1996版钱翰城编

重庆市铸造年会论文集重庆铸造学会编2002版

重庆市铸造年会论文集重庆铸造学会编2004版

铸造工技师培训教材机械工业出版社2001版

马克思主义哲学基础知识中央广播电视大学1987版

2004年03月28日