第二章 金属型铸造

缺点：
（1）金属型成本高——结构复杂，要求高，加工周期长
（2）激冷作用大，无退让性，透气性
（3）应用范围受限制，薄壁件易产生冷隔，浇不足。
3.应用范围
可用于飞机、汽车、拖拉机制造方面，应用广泛。在 运输机械、农业机械、机床以及日用品生产中的应用也 不断扩大。金属型铸造生产的铸件小至数十克，大至数 吨重。金属型可生产铸铁、铸钢及各有种有色金属铸件。
件的冷却速度愈强
常用金属材料导热系数λ（w/m. ℃ ）
铸铁
铸钢 铸铝 铸铜
39.5
46.4
373.6 390.9
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。
1.2.2 型壁厚度 x3 的影响
如果型壁 x3愈大，其热阻愈大，按公式 q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蓄热能力。
q 3
x3
t2 t3
w2 m
（3）
图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布
1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心
λ1、λ2、λ3 分别为铸件、间隙和金属型的导热系数。单位w/m ℃
x1、x2、x3 分别为铸件、间隙和金属型的厚度 。单位m
（1）+（2）+（3） 得：
t0 t1 t1 t2 t2 t3 t0 t3
结果在铸件与型壁之间，形成了间隙。 形成了铸件——间隙——金属型散热系统
1.1 金属型传热模型
为使热交换问题讨论简化起见，现 对板型铸件进行分析。
t℃ 4 3 2 1
t0 t1
假定： （1）系统是稳定传热 （2）系统中各组元温度均呈直线分布 （3）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 通过的热量）q都相同
成反比
1 2 3
（2）比热流愈大，铸件冷却强度愈大
（3）铸件材质、尺寸一经确定，其热阻
x1
1
、t0 即为定
值。此时比热流 q的大小就取决于 x2、 x3和t3的大小，
下面分析它们对 的影响。
2 3
1.2金属型对传热的影响
x3
1.2.1关于型壁热阻 3 的影响 金属型壁导热系数λ3愈大，则其热阻愈小，铸
（1）热应力的叠加
金属型常用铸铁来制造，在铸造毛坯时，一般有内应 力产生。如果该应力没有及时消除而残留在加工后的金属型 内，当开始使用时，受到液体金属的热作用，若两种应力符 号相同，叠加起来，当应力大于金属型某一部位的强度极限 时就出现开裂。
制造时残余应力 + 使用时应力 > 材料强度极限。→ 开裂
2、 金属型的浇注
金属型浇注，合金的浇注温度和浇注速度必须适当。
2.1浇注原则
由于金属型的特点, 金属型的浇注温度比砂型的高； 金属型的浇注速度比砂型的快 如果浇注温度低，速度慢就会产生浇注不足，冷隔等。
2.2浇注温度：
浇注温度有经验数据
铸件
铝合金
镁合金
铸铁
温度（℃） 680~740
715~740
第二章 金属型铸造
第一节 概述
1. 概念—金属型铸造
金属型铸造是将熔融的液体金属浇注到金属模具 中，而获得铸件的铸造方法，也叫铁模铸造或永久 型铸造(使用几百到上万次)。
2. 金属型铸造特点（与砂型比）
优点：
（1）不需造型 节省了型砂制备、输送及造型、落砂、砂处理 等工序。劳动环境改善。
（2）金属型导热性、蓄热性好 铸件组织致密、机械性能高（结晶组织细密、偏 析较少，但气体不易析出)，抗拉强度一般可提高 25%）。由于组织致密，形成铸造硬壳，铸件抗蚀性、 硬度也显著提高。
（3）铸造质量稳定、废品率低 简化了生产过程，影响铸件质量的因素较少，容 易控制。废品率降低50%
（4）高精度、高光洁度 减少了机加工余量。金属型铸件表面一般无粘砂
层，切削加工效率可进一步提高
（5）劳动生产率高 便于实现机械化，自动化
（6）金属利用率高 加工余量、浇冒口尺寸可以减少，相应提高了金 属利用率，节约了材料，降低了成本，一般可节约 15~30%。
第二节 金属型铸件的成型特点
1.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。
型壁有两方面变化 (1)蓄热：把热量积蓄起来，温度升高，发生膨胀 (2)传热：把热量散发到周围介质中去
系统发生的变化 (1)液体金属通过型壁散失热量, 凝固、收缩 (2)铸型获得热量，升高温度产生膨胀
假定金属型壁与铸件接触面为F（m2），密度
比热容c3（单位J/kg.℃） 型壁温度场平均升高温度t均℃，
则金属型蓄热量Q可表示为
Q＝F× x 3 × ×c3×t均（J）
可见 x 3 愈大，Q愈大
由于金属型蓄热和导热能 力是相互依赖的
x λ3很大， 的3 增加为其蓄热
量的增加创造了条件，这样型 铸
时，浇入铁水，与铁水接触的第一秒，涂料表面温度约981℃，
(t1)而金属型表面温度只有494℃(t2)，温差约487℃ ，可见涂
料可有效地减轻金属型的表面热冲击和冲蚀。同时取铸件时，
防止金属型磨损。
（3）改善铸件表面质量 防止激冷而使铸件产生浇注不足、冷隔、白口等。
（4）改善型腔排气条件 涂料有一定的蓄气和通气能力，在死角处，气体可以通
1300~1370
小薄件取上限；大厚件取下限
铸铜 900~950
2.3浇注速度：（1）先慢，防止飞溅 （2）后快，快充型 （3）再慢，防止金属溢出型外
3、铸件出型和抽芯时间
3.1抽芯晚的危害
（1）铸件在金属型内停留时间愈长，其收缩量就愈大， 由于型腔的阻碍，包紧力愈大，取出铸件愈困难。
（2）铸件在金属型中停留时间过长，型壁温度升高，需 要更多的冷却时间，降低生产率，降低模寿命。
图2－2 型腔里的“气阻”阻碍铸件成型 1一气阻 2一金属型 3一液体金属 4金属型芯
第三节 金属型铸造工艺
为保证获得优质铸件和延长金属型的使用寿 命，须有严格的铸造工艺。金属型铸造的工艺规 范包括：预热、浇注、出型、涂料等。
1、 金属型的预热 金属型浇注前须经预热
1.1 预热作用： （1）避免浇不足，冷隔缺陷 （2）避 免金属型强烈热冲击，影响金属型寿命

q
1

q
2

q
3
x1 x2 x3
整理得：
q t0 t3 x1 x2 x3
1 2 3
x1 x2 x3
1 2 3
分别为三者的热阻
分析：
q t0 t3 x1 x2 x3
1 2 3
（1）比热流 q 与铸件断面中心温度和金属型表面温
度之差（t0-t3）成正比，而与热阻之和（ x1 x2 x3 ）
壁能迅速从间隙吸收大量热量，件凝
从而提高了铸件的冷却速度。
固 时
但当超过一定值时，铸件的冷
间 ，
却速度变化不大，这主要由于 秒
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
不能升得太高，该处的金属型
壁也就起不到蓄热作用。
金属型厚壁，毫米 1-平板铸件 2-圆柱形铸件
1.3 t3 的影响 在其他条件相同时，t3很小的时候，对冷却速度
3.1 气体来源：
（1）型内气体； （2）铁锈产生； （3）芯和涂料未干
金属型充填时，型腔中原存气体以及涂料等受热 散发 的气体，如果排不出去，就对铸件质量造成不良 影响。
3.2造成缺陷
（1）如果气体压力过高，高过总外压之和，气体就有可能冲 破金属液流束表层，通过内浇口向外逸出，不仅破坏了金属的 继续流动，还会造成强烈氧化。
过涂料的蓄气通气能力，将气体排出。
图2-16 涂料层的蓄气和排气示意图 1-金属型 2-型腔 3-金属液流 4-涂料层 5-被阻的气体
4.2 涂料的组成
耐火粉料、粘结剂、悬浮剂、载体 （与砂型涂料类似，只是喷涂、黏度有差别）
第四节 金属型的破坏原因及防止措施
1 破坏原因
金属型的制造费用昂贵，因此，应尽量延长其寿命。分 析其破坏原因。以便采取有力措施。
t2 t3
x1 x2 x3
图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布 1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心
根据付立叶定律，q值可用下述三式表示：
q

1
x1
t0

t1
w
2
m
t℃ 4 3 2 1
（1） t0 t1
q 2
x2
t1 t2
w2 m
（2）
t2 t3
x1 x2 x3
（2）穿越金属液时，受到初晶或凝固层的阻碍，便留在金属 中成为气孔。
（3）在金属某些局部（拐角、凹坑）处，气体的通路被金属 液阻碍、包围，易产生气阻、浇不足。
图2-1 金属型浇注时，型腔内气体压 力变化示意图
V一型腔内气体的体积 p一型腔内气 体的压力 Σp外压一液体全属、大气 等对型腔内气体的压力
2.2 冷裂
当温度降至再结晶温度以下时，合金处于弹 性状态，金属型芯阻碍铸件收缩将产生应力。
σ= E a2（T弹 - T2）
其中E——（T弹 - T2）范围内的弹性模量； a2——（T弹 - T2）范围内的线收缩率； T弹——开始产生弹性形变的温度； T2——某一时刻铸件的温度
σ超过T2温度下的强度极限时，铸件就会出现 冷裂
2.3防止收缩裂纹的措施
综上所述，由于金属型无退让性，为防止 铸件产生裂纹，并顺利取出型芯和铸件需采用 一些专门的措施：
（1）设计专门抽芯，顶出机构；
（2）尽早拔取铸件，取出型芯；
（3）严重阻碍收缩的孔采用砂 芯；
（4）增大金属型拔模斜度，涂层厚度增大，据 各件不同而定。
3.由金属型无透气性引起的铸件成型特点
十分有利，此时应尽可能减少热阻，即减小型壁厚度，
提高其导热系数，以充分发挥型壁外的介质强化冷却
作用。
t℃ 4 3 2 1
1.4 关于间隙热阻
x2
2
t0 t1
定义 k1 t0 t1 k 2 t 2 t3
t1 t2
t1 t2
t2 t3
k1 k 2 称为魏氏准则
x1 x2 x3
图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布 1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心
3.2 最佳停留时间：
当铸件冷却到塑性变形温度范围，并有足够强 度时，是抽芯的最好时机。一般通过经验获得。
抽芯：过早——会发生形变，断裂； 过晚——①会包紧、力大、出型困难； ②模型温度上升，寿命下降，生产 率下降。
4、金属型涂料
t℃ 4 3 2 1
4.1 涂料作用：
t0 t1
（1）调节铸型冷却速度 从“铸件—间隙—金属型”系统热
2.1热裂 铸件温度在合金的再结晶温度以上，合金处于塑性
状态。于是金属型阻碍铸件收缩而使铸件产生塑性变 形。
ε= a1(T缩-T1)
其中a1——在(T 缩-T1)范围内的线收缩率； T缩——铸件合金开始线收缩的温度； T1——凝固到某一时刻铸件的温度
若ε大于铸件本身在该温度下的塑性变形极 限，就出现热裂——有热节时，就在热节处集中 出现裂纹。
图2－7 铸件和金属型在K1《1，
图2－6 铸件和金属型在K1》1，K2》1
K2《1时的温度分布
时的温度分布
1-全属型 2-间隙 3-铸件 4－铸件中心 1-全属型 2-间隙 3-铸件 4－铸件中心
下列两种情况 ：
（1） k1 《 1 k2 《 1
（2） k11 k 21
对于金属型铸造，属于第一种情况。即金属液及金 属型中的温差与间隙的温差比可忽略，间隙成为铸件 冷却的控制环节。
1.2 根据铸造合金种类大小不同，需要预热（工 作）温度不同
源自文库
铸件
金属型的预热温度参考值
铝合金 镁合金
铸铁
铸铜
温度（℃） 200~300 200~250 250~350 150~300
小薄件取上限，大厚件取下限，最下限150 ℃
1.3 预热方法
（1）喷灯或者煤气火焰预热: 简单方便，但温度不均匀 （2）电阻加热器预热: 大型金属型背面设加热器 （3）加热炉预热：温度均匀，适用于小件
金属型铸造时，型壁与铸件间是有涂料的，涂料 可以认为是间隙的一部分。涂料和空气的导热系数都 很小，且间隙层都很薄。 可以用改变涂料的热物理性 能和厚度的方法来控制铸件的凝固。
2、由金属型材料的无退让性所引起的铸件 的凝固收缩特点
金属型阻碍铸件的凝固收缩。 在金属液冷却，尤其是进入结晶区间，开始有凝固 收缩，当收缩受到阻碍，就可能形成热裂、冷裂等缺陷。
交换分析看，涂料对铸件的冷却十分
重要。其导热性和厚度都可用来调节
t2 t3
x1 x2 x3
铸件的冷却速度。
图2-4 铸件-间隙-金属 型系统的温度分布
（2）保护金属型
1-金属型 2-间隙 3-铸件 4-铸件中心
可保护铸型免受浇注时的热冲击、冲刷和磨损。
实验结果表明：当采用硅藻土涂料，涂层厚度为0.58mm