特种铸造06金属型铸造工艺

金属型铸造工艺DieCasting,PermanentMoldCasting又称硬模铸造或永久型铸造，古代俗成铁范，是在重力作用下将高温熔化的液态材料浇注到用金属制作的铸型型腔中的工艺方法。概述金属型铸件成形特点金属型铸造铸件工艺分析金属型铸造工艺卡片金属型设计第一节概述工艺过程（概述）金属型铸造的优缺点应用范围一、概述工艺流程工艺特点：一型多铸，铸件精度高，力学性能好，但成本高，主要用于大批大量生产铜、铝、镁等非铁合金铸件。（1）金属型生产的铸件，其机械性能比砂型铸件高。（2）铸件的精度和表面光洁度比砂型铸件高，而且质量和尺寸稳定；（3）金属型可方便采用各种工艺措施控制凝固顺序、充填平稳度等，保证获得优质铸件。（4）铸件的工艺收得率高，液体金属耗量减少，一般可节约15～30％；（5）不用砂或者少用砂，一般可节约造型材料80～100％；环境好；（6）工序简单，便于实现生产管理；易实现机械化和自动化，生产效率高；二、金属型铸造的优点：由于铸件金属在金属型中冷得较快，铸件对热节敏感度低，液态金属中过饱和气体不易析出，铸件致密度高。晶粒细小。故力学性能比砂铸好。•铸造精度一般为CT7-10级，轻合金可达CT7-9。砂铸一般都小于CT8。•表面光洁度Ra3.2-12.5μm。砂铸一般都大于Ra12.5μm金属型铸造的不足之处：（1）最小壁厚不小于2mm；（2）金属型不透气，必须采取一定措施导出气体；（3）无退让性，易产生裂纹和变形，不适合热裂倾向大的合金；（4）金属型制造成本高；铸件外形不宜太复杂。不能生产大型铸件，必须在批量较大时才能显出经济效益；（5）金属型铸造时，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，以及所用的涂料等，对铸件的质量的影响甚为敏感，需要严格控制。三、金属型铸造的应用范围合金种类铸件形状和大小尺寸精度和表面粗糙度生产规模除热裂倾向大的合金，常用铸造合金都可利用金属型铸造。一般金属型铸造适用于形状不太复杂的中小铸件。非铁合金可铸较复杂的铸件，例如气冷式发动机缸盖、液压泵壳体、各种壳体等。钢铁合金只能铸形状简单的铸件。有色金属铸件质量在几千克到几十千克，钢铁铸件质量在几十到几百千克。一般只有成批或大量生产时使用。但一般航空件不受此限制。第二节金属型铸件成形特点导热性特点引起的铸件成形特点没有透气性引起的铸件成形特点无退让性引起的铸件成形特点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，升高温度产生膨胀结果在铸件与型壁之间，形成了间隙。形成铸件—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。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t℃t0t1t2t3x1x2x34321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：210112212223233wqttmxwqttmxwqttmx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）t℃t0t1t2t3x1x2x34321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33221130322110xqxqxqtttttttt（1）+（2）+（3）得：整理得：03123123ttqxxx分别为三者的热阻11x22x33x分析：（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（）成反比.（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、t0即为定值。此时比热流q的大小就取决于、和t3的大小，下面分析它们对q的影响。332211xxx11x22x33x03123123ttqxxx1.2金属型对传热的影响1.2.1关于型壁热阻的影响金属型壁导热系数λ3愈大，则其热阻愈小，铸件的冷却速度愈强铸铁铸钢铸铝铸铜39.546.4373.6390.9常用金属材料导热系数λ（w/m.℃）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。33x1.2.2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。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.℃）型壁温度场平均温度t均℃，则金属型蓄热量Q可表示为Q＝F×××c3×t均（J）3x3x可见愈大，Q愈大由于金属型蓄热和导热能力是相互依赖的λ3很大，的增加为其蓄热量的增加创造了条件，这样型壁能迅速从间隙吸收大量热量，从而提高了铸件的冷却速度。但当超过一定值时，铸件的冷却速度变化不大，这主要由于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。3x金属型厚壁，毫米1-平板铸件2-圆柱形铸件铸件凝固时间，秒1.2.3t3的影响在其他条件相同时，t3很小的时候，对冷却速度十分有利，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。1.3关于间隙热阻22x定义21101ttttk21322ttttk1k2k称为魏氏准则t℃t0t1t2t3x1x2x34321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K1是铸件热阻与中间层热阻之比，或是铸件断面的温差与中间层断面温差之比。K2是铸型的热阻与中间层热阻之比，或是铸型断面的温差与中间层断面温差之比。K11,K21;K11,K21;K11,K21;K11,K21。砂型铸造砂型铸造时，砂型本身的热物理性质是决定整个系统热交换过程的主要因素，亦即铸件的冷却强度主要取决与铸型的热物理参数。金属型铸造传热特点是，铸件断面上的温差和铸型断面上的温差与中间层的温度相比，显得很小，可以忽略不计。可以认为，铸件和铸型断面上的温度分布实际上是均匀的，传热过程主要取决于涂料层的热物理性质。金属型的涂料层很薄时中间层断面的温差与铸件和铸型的温差相比较显得很小。可以认为，铸型内表面温度和铸件表面温度相同，传热过程取决与铸件和铸型的热物理量。非金属铸件在金属型中冷却这种类型的热交换特点是，中间层和金属铸型断面上的温差很小，可以忽略不计。传热过程主要取决于非金属铸件本身的热物理性质铸件和金属型在K1《1，K2《1时的温度分布1-金属型2-间隙3-铸件4－铸件中心铸件和金属型在K1》1，K2》1时的温度分布对于金属型铸造，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。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。下列两种情况：（1）k1《1k2《1（2）k1》1k2》11石墨粉涂料2锆英粉涂料3硅藻土涂料01234涂料层厚度（mm）1.21.00.80.60.40.2比热流、（J/cm·K）涂料层的厚度和材料对比热流的影响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。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。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=Ea2（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。金属型铸件无退让性引起的铸件成形特点金属型阻碍收缩，产生较大应力可能形成的缺陷－热裂－冷裂－抽芯、出型困难•尽可能早的取出铸件和从铸件中取出金属型芯•设计简易平稳取出铸件和型芯的结构•严重收缩的内孔改为砂芯•增大铸造斜度、涂料层厚度•涂料层中添加润滑成分3.由金属型无透气性引起的铸件成型特点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。（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，影响金属型寿命第三节金属型铸造工艺1.2根据铸造合金种类大小不同，需要预热（工作）温度不同金属型的预热温度参考值铸件铝合金镁合金铸铁铸铜温度（℃）200~300200~250250~350150~300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。铸件铝合金镁合金铸铁铸铜温度（℃）680~740715~7401300~1370900~950浇注温度经验数据小薄件取上限；大厚件取下限2.2浇注原则浇注速度：（1）先慢，防止飞溅（2）后快，充型快（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。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4.1涂料作用：（1）调节铸型