概述
金屬型鑄造又稱硬模鑄造，它是將液體金屬澆入金屬鑄型，以獲得鑄件的一種鑄造方法。鑄型是用金屬制成，可以反復(fù)使用多次（幾百次到幾千次）。
金屬到鑄造與砂型鑄造比較：在技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上有許多優(yōu)點(diǎn)。
（1）金屬型生產(chǎn)的鑄件，其機(jī)械性能比砂型鑄件高。同樣合金，其抗拉強(qiáng)度平均可提高約25%，屈服強(qiáng)度平均提高約20%，其抗蝕性能和硬度亦顯著提高；
（2）鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高，而且質(zhì)量和尺寸穩(wěn)定;
（3）鑄件的工藝收得率高，液體金屬耗量減少，一般可節(jié)約15～30%；
（4）不用砂或者少用砂，一般可節(jié)約造型材料80～100%；
此外，金屬型鑄造的生產(chǎn)效率高；使鑄件產(chǎn)生缺陷的原因減少；工序簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化。金屬型鑄造雖有很多優(yōu)點(diǎn)，但也有不足之處。如：
(1) 金屬型制造成本高；
(2) 金屬型不透氣，而且無退讓性，易造成鑄件洗不足、開裂或鑄鐵件白日等缺陷;
(3) 金屬型鑄造時(shí)，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度，鑄件在鑄型中停留的時(shí)間，以及所用的涂料等，對(duì)鑄件的質(zhì)量的影響甚為敏感，需要嚴(yán)格控制。
金屬型鑄造目前所能生產(chǎn)的鑄件，在重量和形狀方面還有一定的限制，如對(duì)黑色金屬只能是形狀簡(jiǎn)單的鑄件；鑄件的重量不可太大；壁厚也有限制，較小的鑄件壁厚無法鑄出。因此，在決定采用金屬型鑄造時(shí)，必須綜合考慮下列各因素：鑄件形狀和重量大小必須合適；要有足夠的批量；完成生產(chǎn)任務(wù)的期限許可。
金屬型鑄件形成過程的特點(diǎn)
金屬型和砂型，在性能上有顯著的區(qū)別，如砂型有透氣性，而金屬型則沒有；砂型的導(dǎo)熱性差，金屬型的導(dǎo)熱性很好，砂型有退讓性，而金屬型沒有等。金屬型的這些特點(diǎn)決定了它在鑄件形成過程中有自己的規(guī)律。
型腔內(nèi)氣體狀態(tài)變化對(duì)鑄件成型的影響：金屬在充填時(shí)，型腔內(nèi)的氣體必須迅速排出，但金屬又無透氣性，只要對(duì)工藝稍加疏忽，就會(huì)給鑄件的質(zhì)量帶來不良影響。
鑄件凝固過程中熱交換的特點(diǎn)：金屬液一旦進(jìn)入型腔，就把熱量傳給金屬型壁。液體金屬通過型壁散失熱量，進(jìn)行凝固并產(chǎn)生收縮，而型壁在獲得熱量，升高溫度的同時(shí)產(chǎn)生膨脹，結(jié)果在鑄件與型壁之間形成了“間隙”。在“鑄件一間隙一金屬型”系統(tǒng)未到達(dá)同一溫度之前，可以把鑄件視為在“間隙”中冷卻，而金屬型壁則通過“間隙”被加熱。
金屬型阻礙收縮對(duì)鑄件的影響：金屬型或金屬型芯，在鑄件凝固過磋甲無退讓性，阻礙鑄件收縮，這是它的又一特點(diǎn)。
金屬型鑄造工藝
1金屬到的預(yù)熱
未預(yù)熱的金屬型不能進(jìn)行澆注。這是因?yàn)榻饘傩蛯?dǎo)熱性好／液體金屬冷卻決，流動(dòng)性劇烈降低，容易使鑄件出現(xiàn)冷隔、澆不足夾雜、氣孔等缺陷。未預(yù)熱的金屬型在澆注時(shí)，鑄型，將受到強(qiáng)烈的熱擊，應(yīng)力倍增，使其極易破壞。因此，金屬型在開始工作前，應(yīng)該先預(yù)熱，適宜的預(yù)熱溫度（即工作溫度），隨合金的種類、鑄件結(jié)構(gòu)和大小而定，一般通過試驗(yàn)確定。一般情況下，金屬型的預(yù)熱溫度不低于1500C。
金屬型的預(yù)熱方法有：
（1）用噴燈或煤氣火焰預(yù)熱；（2）采用電阻加熱器；（3）采用烘箱加熱，其優(yōu)點(diǎn)是溫度均勻，但只適用于小件的金屬型；（4）先將金屬型放在爐上烘烤，然后澆注液體金屬將金屬型燙熱。這種方法，只適用于小型鑄型，因它要浪費(fèi)一些金屬液，也會(huì)降低鑄型壽命。
2金屬型的澆注
金屬型的澆注溫度，一般比砂型鑄造時(shí)高。可根據(jù)合金種類、如化學(xué)成分、鑄件大小和壁厚，通過試驗(yàn)確定。下表中數(shù)據(jù)可供參考。
各種合金的澆注溫度
合金種類 澆注溫度℃ 合金種類 澆注溫度℃
鋁錫合金 350～450 黃銅 900～950
鋅合金 450～480 錫青銅 1100～1150
鋁合金 680～740 鋁青銅 1150～1300
鎂合金 715～740 鑄鐵 1300～1370
由于金屬型的激冷和不透氣，澆注速度應(yīng)做到先慢，后快，再慢。在澆注過程中應(yīng)盡量保證液流平穩(wěn)。
3鑄件的出型和抽芯時(shí)間
如果金屬型芯在鑄件中停留的時(shí)間愈長(zhǎng)，由于鑄件收縮產(chǎn)生的抱緊型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。金屬型芯在鏡件中最適宜的停留時(shí)間，是當(dāng)鑄件冷卻到塑性變形溫度范圍，并有足夠的強(qiáng)度時(shí)，這時(shí)是抽芯最好的時(shí)機(jī)。鑄件在金屬型中停留的時(shí)間過長(zhǎng)，型壁溫度升高，需要更多的冷卻時(shí)間，也會(huì)降低金屬型的生產(chǎn)率。
最合適的拔芯與鑄件出型時(shí)間，一般用試驗(yàn)方法確定。
4金屬型工作溫度的調(diào)節(jié)
要保證金屬型鑄件的質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)正常，首先要使金屬型在生產(chǎn)過程中溫度變化恒定。所以每澆一次，就需要將金屬型打開，停放一段時(shí)間，待冷至規(guī)定溫度時(shí)再澆。如靠自然冷卻，需要時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)降低生產(chǎn)率，因此常用強(qiáng)制冷卻的方法。冷卻的方式一般有以下幾種：
（1）風(fēng)冷：即在金屬型外圍吹風(fēng)冷卻，強(qiáng)化對(duì)流散熱。風(fēng)冷方式的金屬型，雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易制造，成本低，但冷卻效果不十分理想。
（2）間接水冷：在金屬型背面或某一局部，鑲鑄水套，其冷卻效果比風(fēng)冷好，適于澆注銅件或可鍛鑄鐵件。但對(duì)澆注薄壁灰鐵鑄件或球鐵鑄件，激烈冷卻，會(huì)增加鑄件的缺陷。
（3）直接水冷：在金屬型的背面或局部直接制出水套，在水套內(nèi)通水進(jìn)行冷卻，這主要用于澆注鋼件或其它合金鑄件，鑄型要求強(qiáng)烈冷卻的部位。因其成本較高，只適用于大批量生產(chǎn)。
如果鑄件壁厚薄懸殊，在采用金屬型生產(chǎn)時(shí)，也常在金屬型的一部分采用加溫，另一部分采用冷卻的方法來調(diào)節(jié)型壁的溫度分布。
5金屬型的涂料
在金屬型鑄造過程中，常需在金屬型的工作表面噴刷涂料。涂料的作用是：調(diào)節(jié)鑄件的冷卻速度；保護(hù)金屬型，防止高溫金屬液對(duì)型壁的沖蝕和熱擊；利用涂料層蓄氣排氣。
根據(jù)不同合金，涂料可能有多種配方，涂料基本由三類物質(zhì)組成：1．粉狀耐火材料（如氧化鋅，滑石粉，鋯砂粉、硅藻土粉等）；2．粘結(jié)劑（常用水玻璃，糖漿或紙漿廢液等）；3．溶劑（水）。具體配方可參考有關(guān)手冊(cè)。
涂料應(yīng)符合下列技術(shù)要求：要有一定粘度，便于噴涂，在金屬型表面上能形成均勻的薄層；涂料干后不發(fā)生龜裂或脫落，且易于清除；具有高的耐火度；高溫時(shí)不會(huì)產(chǎn)生大量氣體；不與合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)（特殊要求者除外）等。
6復(fù)砂金屬型(鐵模復(fù)砂)
涂料雖然可以降低鑄件在金屬型中的冷卻速度，但采用刷涂料的金屬型生產(chǎn)球墨鑄鐵件（例如曲軸），仍有一定困難，因?yàn)殍T件的冷速仍然過大，鑄件易出現(xiàn)白口。若采用砂型，鑄件冷速雖低，但在熱節(jié)處又易產(chǎn)生縮松或縮孔，在金屬型表面復(fù)以4－8mm的砂層，就能鑄出滿意的球墨鑄鐵件。
復(fù)砂層有效地調(diào)節(jié)了鑄件的冷卻速度，一方面使鑄鐵體不出白口，另一方面又使冷速大于砂型鑄造。金屬型無潰散性，但很薄的復(fù)砂卻能適當(dāng)減少鑄件的收縮阻力。此外金屬型具有良好的剛性，有效地限制球鐵石墨化膨脹，實(shí)現(xiàn)了無冒口鑄造，消除疏松，提高了鑄件的致密度。如金屬型的復(fù)砂層為樹脂砂，一般可用射砂工藝復(fù)砂，金屬型的溫度要求在180～200℃之間。復(fù)砂金屬型可用于生產(chǎn)球鐵，灰鐵或鑄鋼件，其技術(shù)效果顯著。
7 金屬型的壽命
提高金屬型壽命的途徑為：
1．選用導(dǎo)熱系數(shù)大，熱膨脹系數(shù)小，而且強(qiáng)度較高的材料制造金屬型；
2．合理的涂料工藝，嚴(yán)格遵守工藝規(guī)范；
3．金屬型結(jié)構(gòu)合理，制造毛坯過程中應(yīng)注意消除殘余應(yīng)力；
4．金屬型材料的晶粒要細(xì)小。
金屬型鑄件的工藝設(shè)計(jì)
根據(jù)金屬型鑄造工藝的一些特點(diǎn)，為了保證鑄件質(zhì)量，簡(jiǎn)化金屬型結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮它的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，首先必須對(duì)鑄件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并制訂合理的鑄件工藝。
1鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性分析
金屬型鑄造結(jié)構(gòu)工藝性的好壞，是保證鑄件質(zhì)量，發(fā)揮金屬型鑄造優(yōu)點(diǎn)的先決條件。合理的鑄造構(gòu)應(yīng)遵循下列原則：
1）鑄造結(jié)構(gòu)不應(yīng)阻礙出型，防礙收縮；2）厚差不能太大，以免造成各部分溫差懸殊，從而引起鑄件縮裂和縮松；3）限制金屬型鑄件的最小壁
厚。
另外，對(duì)鑄件非加工面的精度和光潔度應(yīng)要求適當(dāng)。
2 鑄件在金屬型中的澆注位置
鑄件的澆注位置直接關(guān)系到型芯和分型面的數(shù)量、液體金屬的導(dǎo)入位置，冒口的補(bǔ)縮效果，排氣的通暢程度以及金屬型的復(fù)雜程度等。選擇澆注位置的原則如下：
1．保證金屬液在充型時(shí)流功平穩(wěn)，排氣方便，避免液流卷氣和金屬被氧化；
2. 有利于順序凝固，補(bǔ)縮良好，以保證獲得組織致密的鑄件；
3．型芯數(shù)目應(yīng)盡量減少，安放方便、穩(wěn)定、而且易于出型；
4．有利于金屬型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，鑄件出型方便等。
3 鑄性分型面的選擇
分型面形式一般有垂直、水平和綜合分類（垂直、水平混合分型或曲面分型）三種。選擇分型面的原則如下：
1．為簡(jiǎn)化金屬型結(jié)構(gòu)，提高稿件精度，對(duì)形狀教簡(jiǎn)單的鑄件最好都布置在半型內(nèi)，或大部分布置在半型內(nèi)；
2．分型面數(shù)目應(yīng)盡量少，保證鑄件外形美觀，鑄件出型和下芯方便；
3．選擇的分型面應(yīng)保證設(shè)置澆冒口方便，金屬充型時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，有利于型腔里的氣體排出；
4．分型面不得選在加工基準(zhǔn)面上；
5，盡量避免曲面分型，減少拆卸件及活決數(shù)量。
4 澆鑄系統(tǒng)設(shè)計(jì)
根據(jù)金屬型鑄造的某些特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)澆注系統(tǒng)時(shí)須注意以下幾點(diǎn)：金屬澆注速度大，超過砂型的約20%。其次，在液體金屬充型時(shí)，型腔里的氣體要能順利排除，其流向應(yīng)盡可能與液流方向一致，順利的將氣體擠向冒口或出氣冒口；此外，應(yīng)注意使液體金屬在充型時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生渦流，不沖擊型壁或型芯，更不可產(chǎn)生飛濺。
金屬型的澆注系統(tǒng)一般分為頂注式底注式和側(cè)注式三類。
1）頂注式，其熱分布較合理，有利于順序凝固，可減少金屬液的消耗，但金屬液流動(dòng)不平穩(wěn)，易進(jìn)法，鑄件高時(shí)，易沖擊型膠底部或型芯。若用于澆注鋁合金件，一般只適用于鑄件高度小于100毫米的簡(jiǎn)單件；
2）底注式，金屬液流動(dòng)較平穩(wěn)，有利于排氣，但溫度分布不合理，不利于鑄件順利凝固；
3）側(cè)注式，兼有上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，金屬液流動(dòng)平穩(wěn)，便于集渣，排氣等，但金屬液消耗大，澆口
清理工作量大。
金屬型澆注系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與砂型鑄造基本相似，但由于金屬型壁不透氣，導(dǎo)熱能力強(qiáng)，因此要求澆注系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能有利于降低金屬液流速，流動(dòng)平穩(wěn)，減少其對(duì)型壁的沖刷。除應(yīng)保證型腔內(nèi)氣體有充裕的時(shí)間排除外，還保證在充型過程中不得產(chǎn)生噴濺。
當(dāng)用金屬型澆注黑色金屬時(shí)，由于鑄件冷速大，液流的粘度急劇增加，因此多采用封閉式澆口，其各部分截面積比例為：F內(nèi)：F橫：F直＝1：1.15：1.25
5 冒口設(shè)計(jì)
金屬型鑄造的冒口和砂型鑄造時(shí)具有同等的作用：即為補(bǔ)縮、集渣和排氣。它的設(shè)計(jì)原則也與砂型用冒口相同。由于金屬型冷卻速度大，而冒口又常采用保溫涂料或砂層，因此金屬型的冒口尺寸可比砂型的冒口小。
4.4.6 金屬型鑄件的工藝參數(shù)
由于金屬型工藝的特點(diǎn)，其鑄件的工藝參數(shù)與砂型鑄件略有區(qū)別。金屬型鑄件的線收縮率不僅與合金的線收縮有關(guān)，還與鑄件結(jié)構(gòu)、鑄件在金屬型中收縮受阻的情況、鑄件出型溫度，金屬型受熱后的膨脹及尺寸變化等因素有關(guān)，其取值還要考慮在試澆過程中留有修改尺寸的余地。
為取出金屬型芯和鑄件，在鑄件的出芯和出型方向應(yīng)取適當(dāng)斜度，對(duì)各種不同合金鑄件的鑄造斜度參閱有關(guān)手冊(cè)。
金屬型鑄件精度一般比砂型鑄件高，所以加工裕量可較小，一般在0.5～4mm之間。
在確定鑄件工藝參數(shù)之后，就可繪制金屬型鑄件工藝圖，該圖與砂型鑄件的工藝圖基本相同。
金屬型的設(shè)計(jì)
鑄件工藝圖繪制之后，就可進(jìn)行金屬型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括確定金屬型的結(jié)構(gòu)、尺寸、型芯、排氣系統(tǒng)和頂桿機(jī)構(gòu)等。
對(duì)設(shè)計(jì)的金屬型應(yīng)力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，選材合理，安全可靠。.金屬型的結(jié)構(gòu)形式
1金屬型的結(jié)構(gòu)形式
金屬型的結(jié)構(gòu)取決于鑄件形狀、尺寸大?。环中兔鏀?shù)量；合金種類和生產(chǎn)批量等條件。按分型面位置，金屬型結(jié)構(gòu)有以下幾種形式：
1．整體金屬型，鑄型無分型面，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它只適用于形狀簡(jiǎn)單，無分型面的鑄件；
2．水平分型金屬型，它適用于薄壁輪狀鑄件。
3．垂直分型金屬型，這類金屬型便于開設(shè)澆冒口和排氣系統(tǒng)，開合型方便，容易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化生產(chǎn)；多用于生產(chǎn)簡(jiǎn)單的小鑄件；
4．綜合分型金屬型：它由兩個(gè)或兩個(gè)以上的分型面組成，甚至由活塊組成，一般用于復(fù)雜鑄件的生產(chǎn)。操作方便，生產(chǎn)中廣泛采用。
2 金屬型主體設(shè)計(jì)
金屬型主體系指構(gòu)成型腔，用于形成鑄件外形的部分。主體結(jié)構(gòu)與鑄件大小，其在型中的澆注位置，分型面以及合金的種類等有關(guān)。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)力求使型腔的尺寸準(zhǔn)確；便于開設(shè)澆注系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)，鑄件出型方便，有足夠的強(qiáng)度和剛度等。
3 金屬型芯的設(shè)計(jì)
根據(jù)鑄件的復(fù)雜情況和合金的種類可采用不同材料的型芯。一般澆注薄壁復(fù)雜件或高熔點(diǎn)合金（如銹鋼、鑄鐵）時(shí)，多采用砂芯，而在澆注低熔點(diǎn)合金（如鋁、鎂合金）時(shí)，大多采用金屬芯。在同一鑄件上也可砂芯和金屬芯并用。
4 金屬型的排氣
在設(shè)計(jì)金屬型時(shí)就必須有排氣設(shè)施，其排氣的方式有以下幾種：
1．利用分型面或型腔零件的組合面的間隙進(jìn)行排氣。
2．開排氣槽。即在分型面或型腔零件的組合面上，芯座或頂桿表面上做排氣槽。
3．設(shè)排氣孔。排氣孔一般開設(shè)在金屬型的最高處。
4.排氣塞是金屬型常用的排氣設(shè)施
5 頂出鑄件機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
金屬型腔的凹凸部分，對(duì)鑄件的收縮會(huì)有阻礙，鑄件出型時(shí)就會(huì)有阻力，必須采用頂出機(jī)構(gòu)，方可將鑄件項(xiàng)出。在設(shè)計(jì)頂出機(jī)構(gòu)時(shí)，須注意下面幾點(diǎn)：防止頂傷鑄件，即防止鑄件被頂變形或在鑄件表面頂出凹坑；防止頂桿卡死，首先是頂桿與頂桿孔的配合間隙要適當(dāng)。如果間隙過大易鉆入金屬，過小則可能造成卡死的現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)最好采用D4／dC4級(jí)配合。
6 金屬型的定位、導(dǎo)向及鎖緊機(jī)構(gòu)
金屬型合型時(shí)，要求兩半型定位準(zhǔn)確，、一般采用兩種辦法，即定位銷定位和“止口”定位。對(duì)于上下分型，而分型面為圓形時(shí)，可采用“止口”定位，而對(duì)于矩形分型面大多采用定位銷定位。定位銷應(yīng)設(shè)在分型面輪廓之內(nèi)，當(dāng)金屬型本身尺寸較大，而自身的重量也較大時(shí)，要保證開合型定位方便，可采導(dǎo)向形式。
7金屬型材料的選擇
從金屬型的破壞原因分析可以看到，制造金屬型的材料，應(yīng)消足下列要求：耐熱性和導(dǎo)熱性好，反復(fù)受熱時(shí)不變形，不破壞；應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、韌性及耐磨性，機(jī)械加工性好。
鑄鐵是金屬型最常用的材料。其加工性能好，價(jià)廉，一般工廠均能自制，并且它又耐熱、耐磨，是一種較合適的金屬型材料。只是在要求高時(shí)，才使用碳鋼和低合金鋼。
采用鋁合金制造金屬型，在國(guó)外已引起注意，鋁型表面可進(jìn)行陽(yáng)極氧化處理，而獲得一層由Al2O3及Al2O3·H2O組成的氧化膜，其熔點(diǎn)和硬度都較高，而且耐熱、耐磨。據(jù)報(bào)導(dǎo)這種鋁金屬型，如采用水冷措施，它不僅可鑄造鋁件和銅件，同樣也可用來澆注黑色金屬鑄件。
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