第一章 金属型铸造

2）水平分型金属型 如图1-19所示，铸型主体由上、 下两半型组成，下半型固定在工作台面上，上半型 作开（合）型动作。可以配置各种型芯，抽芯及顶 出。砂芯安放方便，但不便于设计浇、冒口系统， 排气条件差。适用于轮盘类铸件。
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。
气体的来源：高温下涂料发气 有气体 潮气 油污
透 气 性 导 致 的 特 点
型腔内原
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。
1.2.3 金属型无退让性对铸件成型的影响
• 缺点:
(1) 金属型制造成本高。
(2) 金属型急冷、不透气，而且无退让性，易造成 铸件浇不足、冷隔、开裂或铸铁件白口等缺陷。
(3) 铸型的工作温度、合金的浇注温度和浇注速度， 铸件在铸型中停留的时间以及所用的涂料，对 铸件质量的影响敏感，控制难度大。 近年来，为了防止浇注时金属液流动过程中形成紊 流，减少氧化夹渣及卷气等缺陷，采用倾转式 浇注已成为金属型铸造的主流方式，见图1-1。
涂料组成：
1）耐火材料：氧化锌、滑石粉、锆砂粉、硅藻 土粉等。 2）粘结剂：水玻璃、糖浆、纸浆废液等。
3）溶剂：水等。
4）附加物
从上面的一些分析可知，确定金属型浇 注工艺规范时，应铸件材质、形状大小、复 杂程度等考虑以下三点原则：
• （1）保证铸件全部表面能得到清晰的外形， 没有冷隔和浇不足的现象，也就是希望冷却 慢些，要求有较高的浇注温度和金属型温度。 • （2）保证铸件变形小，不发生扭曲和裂纹， 要求金属型温度高而浇注温度低。 • （3）保证铸件组织细密，力学性能好，希望 快速冷却，要求较低的金属型温度和浇注温 度。
《特种铸造》第一章
金属型铸造
• 1.1 概述 • 定义：金属型铸造(Gravity die casting) 是指液态金属在重力作用下充填金属 铸型并在型中冷却凝固而获得铸件的 一种成形方法。
如图1-1所示。由于金属铸型可以重复 使用，寿命（指浇注次数）可达数万次， 所以金属型铸造又称永久型铸造 （Permanent mold）。
• 1.3.1
金属型的准备及预热
1. 金属型的准备 新金属型或长期未用的金属型，应先起封， 除油，并在200~300℃下烘烤，除净油迹。 对于经过了一个生产周期，需要清理的金属 型而言，应着重清除型腔、型芯、活块、排气 塞等工作表面上的锈迹、涂料、粘附的金属屑 等杂物。
2. 金属型的预热 金属型在工作前应预热并涂敷涂料，未 经预热和喷涂涂料的金属型不能进行浇注。 这是因为金属型导热性好，金属液冷却快， 流动充型能力差，容易使铸件出现冷隔、 浇不足、夹杂、气孔等缺陷。同时未预热 的金属型在浇注时，铸型将受到强烈的热 冲击，应力倍增，极易损坏。
图1-1（a）金属型合模状态
图1-1（b）倾转浇注
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。
• 优点：（与砂型铸造相比）
（1）金属型的热导率和热容量大，金属液的冷却 速度快，铸件组织致密，力学性能比砂型铸件 高。如铝合金铸件的抗拉强度可增加10％～20 ％，伸长率约提高1倍。 （2）能获得较高尺寸精度和表面光洁度好的铸件， 减少了加工余量。尺寸精度CT7-9级，表面粗糙 度Ra6.3-12.5 （3）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少， 一般可节约15%-30%。 （4）不用砂或少用砂，节约造型材料80%-100%， 减少环境污染。
（4）确保顺序凝固，合理设置冒口或补缩通道。
（5）为了保证铸件质量和提高生产效率，应考虑设置模具的 冷却结构。
1.4.1 铸件结构的工艺性分析
• 铸件结构工艺性分析的原则： 1）铸件结构不应阻碍出型、抽芯、收缩。
见图1-11
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孔。 3）限制金属型铸件的最小壁厚、可铸孔直径、可 铸槽的大小。
室温：应力集中→ 阻碍取件和取芯、导致裂纹 冷却过程中：收缩受阻→拉 应力→拉伸变形→热裂纹
退 让 性 导 致 的 特 点
→冷裂纹
应变：ε1=α（Ts-T1）
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。
金属型的预热方法主要有： 1）用煤气或天然气火焰预热。该方法简单、 方便，但金属型上温度分布不均匀。 2）采用电加热方法。在模具背面设置电加热 管，浇注开始前将金属型预热到指定的温度。 该方法同上述1）方法一样，简单方便，但温 度不是很均匀。也可烘箱加热。 3）将金属型放入加热炉中预热，可获得均匀 一致的温度，但仅限于小金属型。 4）采用浇注金属液的方法预热。该方法一般 不推荐，因为一是浪费金属液，二是缩短金 属型使用寿命。小型铸型。
分型面选择的基本原则：
1）对于形状简单的铸件，分型面应尽量选在铸件的最大 端面上，同时铸件最好都布置在一个半型内或大部分分 布在半型内。 2）矮的盘形和筒形铸件，分型面应尽量不选在铸件的轴 心上。
3）分型面应尽可能地选在同一个平面上，尽量避免曲面 分型。
4）应保证铸件分型方便，尽量减少或不用活块。 5）分型面应尽量不选在铸件的基准面上，也不要选在精 度要求较高的表面上。
1.2 金属型铸造成形过程的特点 1.2.1 金属型导热性对铸件成型的影响
导热性 退让性 透气性
q=λ3（T1-T2）t/x3
导 热 性 导 致 的 特 点
t – 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
金属型工作温度调节的方式有以下几种：
（1）风冷
（2）间接水冷
（3）直接水冷
（4）局部加热
• 1.3.5 金属型涂料
金属型涂料的作用：
1）保护金属型。浇注时可减轻液体金属对金属型的热冲 击和对型腔表面的冲刷作用；在取出铸件时，减轻铸件 对金属型和型芯的磨损，并使铸件易从铸型中取出。 2）采用不同冷却性能的涂料（如激冷涂料、保温涂料等） 能调节铸件在金属型中各部位的冷却速度，控制凝固顺 序。 3）改善铸件的表面质量。防止因金属型有较强的激冷作 用而导致铸件表面产生冷隔或流痕以及铸件表面形成白 口层。 4）改善型腔中气体的排除条件，增加合金的流动性。 5）获得复杂外型及薄壁铸件。
• 1.3.4 金属型工作温度的调节
由于金属型的导热性能比砂型高很多（热导率 约高150倍，蓄热系数约高20倍，导温系数约高 65倍），金属型能获得很大的温度梯度，使铸件 的冷却速度增大。因此，金属型铸造时，对于逐 层凝固的合金和具有体积凝固特性的合金，均能 得到组织致密的铸件。同时，冷却速度快，可使 铸件晶粒细化，还能减轻或消除非铁合金铸件的 针孔。为了得到更快的冷却速度，要求采用较低 的金属型温度。
• 1.3.2 金属型的浇注
在金属型工艺方案确定之后，金属型的浇 注工艺参数即模具温度、浇注温度和涂料的选择 是生产优质铸件和延芯在铸件中最适宜的停留时间是 当铸件冷却到塑性变形温度范围内，并有 足够的强度时，是最好的抽芯时间。
铸件在金属型中停留的时间过长，就会 使金属型壁温度升高，冷却时间加长，也 会降低金属型的生产率。 最合适的时间应由实验确定。
• 4）应保证便于分型取出铸件，防止铸件被拉裂或变形。
下面以图1-12为例进行简要说明 图1-12a所示的方案就不太合理，因为浇注时金 属液通过浇口4直接冲击到砂芯3，导致金属液流紊 乱，容易进渣和卷气；金属型芯2处的厚壁远离冒 口，不易得到补缩，易产生缩孔、缩松；上方的冒 口偏大，切割工作量大；因为有金属型芯2，不设 顶出机构或抽芯机构，无法取出铸件。 图1-12b所示的方案比较合理，采用了底注式浇 注，金属液自下而上充型，流动平稳，排气良好。 砂芯位于下方，放置方便，牢固。壁厚部位位于上 端，冒口补缩容易。因此图1-12b正好克服了图112a的缺点，由此可见铸件在金属型中的位置决定 了工艺方案的优劣，所以在确定铸件位置时，应多 方比较，综合考虑，以选择最佳的位置方案。
• 浇注系统的类型：
1. 顶注式：
2. 底注式：
3. 侧注式：
• 1.5 金属型（模具）的设计 在金属型铸造工艺方案确定以后， 就可以进行金属型（模具）的结构设
计。设计内容包括金属型结构与材料
选择；型体（或镶块）设计；型芯设
计；排气设计；顶杆位置设计等。
• 1.5.1
金属型的结构形式
金属型的结构取决于铸件形状、尺寸大小、分 型面选择等因素，按分型面划分，典型的金属型结 构形式如下： 1）整体金属型 如图1-18所示，浇注出来的铸件无分 型面，尺寸精度高，但应用受到限制，仅适用于从 铸型中方便取出的简单铸件。
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。
1.2.2 金属型无透气性对铸件成型的影响
透 气 性 导 致 的 特 点
• 1.4.3 分型面的选择
铸件的分型面一般有垂直、水平和综合分型（垂 直、水平混合分型或曲面分型）三种形式，一般应 根据铸件结构和铸造成形方法进行确定。 一个铸件经常有几种分型的可能，如图1-13a所示 铸件1的分型情况，在铸件1大圆柱面外围会留下飞 边或毛刺，影响表面质量及精度。 若采用图1-13b所示分型方案则效果比较好。 同理，铸件2若采用图1-13c的分型方案，须改变 铸件外形即增加一个铸造斜度，以利取件。同时毛 刺也留在平面上，影响铸件表面质量。 而采用图1-13d所示的分型方案则无上述缺点。因 此在选择分型方案时，须从多方面比较，而找出最 合理的方案。