特种铸造教学配套课件作者陈维平特种铸造第2章-金属型铸造3-5学时-谭建波.ppt

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,第2章,金属型铸造,2-1,2.1金属型铸造原理2.2金属型铸件的成形特点2.3金属型铸造工艺参数2.4金属型铸件的工艺方案2.5金属型设计与制作2.6金属型铸造缺陷与对策2.7发动机缸盖金属型铸造应用实例,2.1金属型铸造原理,一、金属型铸造定义二、金属型铸造特点,2-2,2-3,金属型铸造是指将金属液用重力浇注法浇入金属型以获得铸件的一种方法。

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。

一、金属型铸造定义,图2-1金属型铸造示意图（教材图2-1）（a）金属型合模状态（b）倾转浇注,2-4,二、金属型铸造特点

（1）金属型的热导率和热容量大，金属液的冷却速度较快，铸件对热节的敏感性相应降低，金属液中过饱和气体不易析出，使铸件组织致密度提高，同时晶粒也比较细小，故铸件的力学性能比砂型铸造高。

（2）铸件的尺寸精度较高。

（3）铸件的工艺收得率高，一般可节约15-30%液态金属的消耗。

（4）不用砂或用少量的芯砂，可节省造型材料80-100%，相应减少了砂处理和型砂运输设备，生产环境大大改善。

此外，金属型铸造的生产率较高，工艺一致性强，使铸件产生缺陷的因素减少，工序简单，在中小铸件生产中易实现机械化、自动化。

金属型铸造虽有很多优点，但也有不足之处。

如：

（1）金属型制造成本高，生产准备费时多，手工操作不能生产大型铸件（因金属型太笨重）。

（2）金属型排气条件差，工艺设计难度较大，冷却速度快，无退让性，易造成铸件浇不足、冷隔、开裂或铸件白口等缺陷。

（3）新产品试制时，需对金属型反复调试，才能获得合格铸件。

而且当型腔定型后，工艺调整和产品结构修改的余地很小。

（4）金属型铸造可以根据产品、产量实现操作机械化，否则并不能降低劳动强度。

所以，金属型铸造适用于大批量铸件的生产，特别是在铝、镁合金铸件方面，应用的较为广泛。

2-5,2.2金属型铸件的成形特点,一、型腔内气体对铸件成形的影响二、铸件凝固过程中热交换的特点三、金属型阻碍收缩对铸件质量的影响,2-6,2-7,型壁材料无透气性，在金属型的某些部位（如拐角、凹坑处），气体无法逸出，形成气阻，使金属液不能充满该处而使铸件形成浇不足和冷隔缺陷。

一、型腔内气体对铸件成形的影响,图2-2型腔内的“气阻”阻碍金属液充型（教材图2-2）1-气阻；2-金属型；3-金属液；4-金属型芯,2-8,二、铸件凝固过程中热交换的特点,金属液浇入金属型型腔后，就把热量传给型壁，金属液的温度不断下降，铸型的温度上升。

这样，型壁就积蓄一部分热量，同时又不断地把热量散发到周围大气或冷却介质中去。

金属液通过型壁散失热量，进行凝固产生收缩，而型壁则温度升高，产生膨胀，结果在铸件与型壁之间形成了一层间隙。

即形成一个“铸件-中间层-铸型-冷却介质”的不稳定传热系统。

2-9,图2-3表示系统的一部分，纵坐标表示温度，横坐标表示距离（厚度）。

在传热过程中，同样的比热流q通过了系统各个组元。

根据傅立叶定律，q值可用下式计算：

图2-3金属型铸造传热系统的温度分布特点（教材图2-4）x1铸件壁厚的一半x2金属型壁厚x3中间层厚度T0铸件中心温度T1铸件表面温度T2铸型内表面温度T3铸型外表面温度T4冷却介质温度,（2-1）,（2-2）,（2-3）,2-10,对上面三个公式进行整理，相加得通过“系统”的比热流q为：

式中x1/1、x2/2、x3/3分别是铸件、铸型及中间层的热阻。

由式可知，通过“系统”的比热流q，与铸件断面中心温度和金属型外表面温度之差（T0-T3）成正比，与热阻之和（x1/1+x2/2+x3/3）成反比。

如果铸件的材质及浇注温度确定，其热阻x1/1和温度T0就可视为定值比热流q的大小，主要取决于x2/2、x3/3和T3的大小。

下面就着重分析它们对比热流q的影响。

（2-4）,2-11,型壁的导热系数2越大，则它的热阻就越小，铸件的冷却强度就越大。

常用金属型材料的导热系数见表2-1。

如果型壁厚度x2越大，则它的热阻就应越大，按式（2-4）看，铸件的冷却强度应该减小，但这与实际情况不符。

因为型壁在热交换过程中，除了导热作用外，还兼有蓄热作用，式（2-4）是假设为稳定导热得出的，没有反映出型壁的蓄热作用。

表2-1金属材料的导热系数（教材表2-1）W/（mK）,2-12,中间层热阻x3/3的影响,（a）（b）图2-4不同中间层厚度对“铸件中间层铸型”系统温度分布的影响（教材图2-6）（a），时的情况（b），时的情况,2-13,三、金属型阻碍收缩对铸件质量的影响,热裂,冷裂,（2-5）,（2-6）,2.3金属型铸造工艺参数,一、金属型铸造的工艺流程二、金属型的预热三、金属型的浇注四、铸件的出型时间五、金属型涂料六、覆砂金属型铸造,2-14,2-15,一、金属型铸造的工艺流程,图2-5金属型铸造的工艺流程图（教材图2-8）,2-16,二、金属型的预热金属型需先预热之后再喷刷涂料，这样可使涂料中的水分迅速蒸发，易获得一层紧密粘牢的涂料层，但预热温度也不易太高，否则涂料容易剥落。

金属型浇注前也需进行预热，这是因为金属型导热性好，金属液冷却速度快，流动性剧烈降低，容易使铸件出现冷隔、浇不足、夹杂、气孔等，另外，还可保护金属型，避免急冷、急热而剧烈收缩和膨胀，延长使用寿命。

三、金属型的浇注

（1）浇注温度浇注温度太高，则铸件冷却缓慢，结晶粗大，力学性能降低，易形成气孔、针孔等缺陷。

而浇注温度过低，将会导致铸件产生冷隔、浇不足等缺陷。

适宜的浇注温度一般比砂型铸造时高，可根据合金种类、化学成分、铸件大小和铸件结构来确定。

（2）浇注工艺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。

先慢利于型腔中气体的排出，减小内浇道的喷射现象，预防二次夹杂物的形成。

后快可使金属液尽快充满型腔，避免形成冷隔。

再慢是防止浇注末期金属液溢出型外。

浇注过程中一定要平稳，液流要连续、不可中断。

2-17,四、铸件的出型时间,铸件在金属型内停留的时间越长，温度越低，其收缩量就越大，由收缩引起的铸件包紧力就越大，取出铸件就越困难，同时铸件产生裂纹及变形的可能性也增大。

因此，一般希望尽早抽芯出型。

对于有色合金铸件，当浇冒口基本凝固完毕，即可抽芯开型。

对铸铁件则掌握在900左右时可抽芯开型；对薄壁件为防止白口，时间还可更早些，可控制在900950开型。

2-18,2-19,五、金属型涂料,金属型铸造时，需在型腔表面喷涂涂料，其目的是：

（1）保护金属型。

浇注时可减轻高温金属液对金属型的热冲击和对型腔表面的冲刷作用，在取出铸件时，可减轻铸件对金属型和型芯的磨损，并使铸件易于从铸型中取出。

（2）调节铸件各部位在金属型中的冷却速度，控制凝固顺序。

（3）改善铸件表面质量，预防可能因铸型激冷作用太强而引起的铸件表面冷隔、流痕以及铸件表面形成白口层。

（4）具有一定的排气作用。

涂料越粗，排气作用越大。

涂料一般由粉状耐火材料、黏结剂、载体和附加物等组成，铝、镁合金金属型铸造时的涂料配方见教材表2-6。

2-20,六、覆砂金属型铸造,图2-6用射砂法制造覆砂金属型示意图（教材图2-9）（a）通过进砂孔射砂（b）通过模样与型间缝隙射砂1模板2模样3金属型4吹砂头5吹嘴6燃气加热器7电加热器8进砂孔,覆砂金属型铸造是在金属型内腔表面覆盖一层3-8mm或更厚的覆砂层而形成铸型的一种铸造方法，该工艺克服了金属型铸造无退让性的缺点，使冷却条件得到了很大改善，该工艺不仅提高了铸件的成品率和工艺出品率，铸件的表面质量和力学性能也有了很大的提高。

2.4金属型铸件的工艺方案,一、压铸定义二、压铸流程三、压铸生产相关的条件四、压铸车间五、压铸产品六、压铸新技术,一、铸件结构的工艺性分析二、铸件在金属型中的浇注位置三、铸件分型面的选择四、浇注系统的设计五、冒口的设计,2-21,2-22,一、铸件结构的工艺性分析,表2-2铸件工艺性比较（教材表2-7）,2-23,合理的铸件结构应遵循下列原则：

（1）铸件结构不得阻碍出型，妨碍收缩。

因为金属型无退让性和溃散性，铸件的结构一定要保证能顺利出型；

（2）壁厚差不能太大，以免造成各部分温差悬殊，从而引起铸件缩裂和缩松；（3）限制金属型铸件的最小壁厚，否则铸件就易产生冷隔或浇不足等缺陷。

金属型铸件允许的最小壁厚见教材表2-8。

确定铸件在金属型中浇注位置的设计原则如下：

（1）保证铸件自下而上的顺序凝固，把最厚大的部位向上放置（如图2-7（a），这样便于设置冒口补缩。

（2）圆筒形、盆形、端盖形和箱形等铸件，其对称轴或对称面应垂直放置，使其底部或厚大法兰向上（如图2-7（b）。

二、铸件在金属型中的浇注位置,图2-7铸件在金属型中的浇注位置（教材图2-13）（a）铸件厚大部分向上（b）筒形等铸件垂直放置,2-24,2-25,（3）铸件的主要加工面或重要工作面应向下放置，因为下部组织较致密，夹渣气孔少。

（4）铸件的大平面以及大型铸件的薄壁部位，应力求垂直放置，避免出现冷隔和浇不足。

（5）应使金属型结构简单，型芯数量少，分型方便，铸件容易出型。

三、铸件分型面的选择金属型铸造时，铸件分型面的选择原则与砂型铸造一样，但应注意结合金属型铸造的特点。

选择分型面的一般原则如下：

（1）力求注意提高铸件的尺寸精度，降低铸件重量。

如应尽,量把分型面开在铸件的最大平面上，使铸件在一个半型内（如图2-8（a），分型面的位置应尽量使铸件避免有铸造斜度，同时容易自型中取出铸件（如图2-8（b）。

图2-8金属型分型面选择举例（教材图2-14）,2-26,

（2）要便于浇冒口系统设置、型芯的安放和稳固以及取出铸件；操作过程容易实现机械化、自动化，以减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。

图2-9（a）为垂直分型面，开、合型过程容易实现机械化。

浇冒口系统可直接由金属型形成，取出铸件也容易。

但中间砂芯安放不便，容易歪斜，且在轮毂部位不能设置冒口。

图2-9（b）为水平分型面，其优缺点与垂直分型相反。

（a）（b）图2-9金属型铸件分型面选择方案的比较（教材图2-15）（a）垂直分型面（b）水平分型面,2-27,（3）分型面的数量应尽量少，最好是平面分型，这样有利于金属型的加工和尺寸检查，两半型能准确吻合，铸件精度高，其次才考虑用折线面作分型面。

（4）要力求简化金属型结构，少用或不用活块，以减少加工工作量，降低金属型制造成本（图2-10）。

（5）分型面不得选在加工基准面上。

（6）在金属型上设置顶出机构时，要考虑开型时，铸件应留在装有顶出机构的半型内。

图2-10少用或不用活块的金属型分型面选择举例（教材图2-16）,2-28,2-29,四、浇注系统的设计,

（1）浇注系统的分类及特点,金属型的浇注系统一般分为顶注式、底注式、中注式和缝隙式四类。

它们的充型及温度分布如图2-11、图2-12、图2-13和图2-14所示，分述如下：

图2-11顶注式充型过程及温度分布（教材图2-17）（a）充型过程（b）金属型温度分布（c）凝固情况1金属型2凝固层3金属液,1）顶柱式浇注系统的内浇道设在铸件的顶部，其热分布较合理，有利于顺序凝固，可减少金属液的消耗，但充型时金属液流动不平稳、形成“铁豆”等问题。

2-30,2）底注式浇注系统的内浇道设在铸件的底部，金属液流动较平稳，有利于排气和挡渣，但温度分布不合理，不利于顺序凝固。

图2-12底注式充型过程及温度分布（教材图2-18）（a）充型过程（b）金属型温度分布（c）凝固情况1浇口2凝固层3金属液,2-31,3）中注式金属液充型比顶注式平稳，温度分布较底注式合理，但仍存在充型时金属液飞溅和铸件高度方向上不尽合理的问题，它适用于高度较大但不便于设置底注式浇注系统的铸件。

（a）（b）（c）图2-13中注式充型过程及温度分布（教材图2-19）（a）浇注开始（b）浇注中间状态（c）金属型温度分布,2-32,4）缝隙式浇注时金属液经直浇道的底部先进入截面积较大的垂直过道，然后经截面积较小的缝隙内浇道进入型腔。

因此，浇注时垂