铁型覆沙铸造工艺

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1、铁型覆砂铸造技术在国外早有研究应用，1955 年由美国铸铁管公司研究成功并用 monocast 法生产离心铸管。后来我国一些科研单位和工厂也相继研采用铁型覆砂铸造工艺生产球铁曲轴， 凸轮轴，阀体，水泵壳等铸件取得成功并广泛应用。铁型覆砂工艺是利用铸造粗成形的铁型内腔(芯铁)表面覆上一层很薄的树脂砂衬所形成的铸型生产铸件的工艺。这一工艺主要优点是铁型表面覆上一层树脂砂衬后的铸型，在浇注时的工作条件大为改善，能够有效地承受高温铁液的热冲击，型内的最高温度可由 600降低到 2oo左右，铁型厚度方向上的温度梯度也大为降低，铁型的热应力明显降低，这对提高铁型的使用寿命非常有利，使用寿命可高达十几万次。

2、同时由于铁型覆砂的铸型有足够的强度和刚度，覆砂层硬度高(9O 以上 )，可避免铸件出现胀砂、砂等缺陷，可生产重量较大的铸件。对于球铁可充分利用铁液凝固时石墨膨胀的特性，消除缩孔、缩松等缺陷。本工艺是在覆砂造型机上对准铁型射砂孔射砂造型，在 04MPa 压缩空气下，利用颗粒动力学原理气砂两相的动能作用，使射砂筒内射人铁型内腔的砂流连续、稠密，在短时间受热硬化。因此覆砂层的硬度大且均匀，浇注后可获得比普通砂型铸件表面光洁、(粗糙度可达尺125 左右) 尺寸精确(CT67 级)、内部组织致密的铸件。而且由于覆砂层的绝热性能，型腔又有一定的预热温度，完全可以在铁型覆砂条件下生产符合国际标准的铸态铁素体

3、管件。此工艺可与树脂砂和消失模铸造相媲美，可比水玻璃砂刮板造型提高生产效率 lO 倍以上，降低废品率10以上，在标准允许的情况下可减轻铸件重量 10 以上，减少工人 2530 ，降低生产成本 10 以上，管件后处理工作量减少 70 ，型砂用量减少 80 ，水压试验合格率高达 98 以上。由于大大减少了型砂处理量，车间的环境粉尘污染明显改善，是一项先进的绿色环保铸造技术。铁型覆砂铸造是在金属型（称为铁型）内腔覆上一薄层型砂而形成铸型的一种铸造工艺。由于覆砂层比较薄（48mm），因此采用比较贵的高质量造型材料，在经济上也是合理的，其结果是使铸件质量大大改善和废品显著减少；由于铁型覆砂铸型刚度很好，

4、从而显著地提高了铸件的尺寸精度和致密性。 德国、前苏联等国于 60 年代前后开始把铁型覆砂铸造应用于 铸造生产，主要用于生产球铁曲轴、刹车毂、刹车盘、缸套、炸弹壳、坦克履带和电机底座等 30 余种铸件。我国对铁型覆砂铸造的应用性研究起始于 70 年代初，至 1979 年，浙江省机电设计研究院和永康拖拉机厂等单位合作，首次将该工艺用于 S195 曲轴毛坯的批量铸造生产，同时，完成了对该工艺所生产的球铁曲轴性能的考核评价，在疲劳强度（疲劳极限应力 -1的比较）、断裂强度（门槛值 Kth的比较以及断裂韧性 K1C 的比较）和使用寿命（10000h 台架耐久试验对比）等方面，与砂型铸造曲轴进行了大量的

5、试验对比，皆优于砂型铸造。在其后的 10 余年里，该工艺不断在应用中提高完善，至 90 年代初,已有 7 家企业应用了该工艺，尤其是单缸曲轴和四缸曲轴的铁型覆砂铸造工艺取得了很大的成功。这段时期的代表企业是永康拖拉机厂、上虞动力机厂、望都曲轴连杆厂、皖北曲轴厂、金华内燃机配件厂、常州柴油机厂等。1991 年国家计委将铁型覆砂铸造批准为国家“八五” 重点新技术推广项目，并把浙江省机电设计研究院作为该项目的技术依托单位，这对于我国铁型覆砂铸造技术的发展起了巨大的推动作用。我院承担了该推广项目后，在其后的 56 年时间里基本上解决了铁型覆砂铸造用于批量生产的一系列问题。 主要是： 设计和定型了覆砂造

6、型机，解决了长期以来由射芯机改装代用的问题； 定型规范了标准的铁型覆砂铸造生产线，使原来比较简单的铁型覆砂铸造生产线得到了改进，在上海球铁厂等企业应用； 铁型覆砂铸造应用扩大到铸造工艺难度较大的一些铸件，例如六缸曲轴和三缸曲轴等； 将覆膜砂引入铁型覆砂铸造生产中，大大提高了覆砂造型质量； 铁型覆砂铸造工艺设计进一步规范，设计水平也大大提高，并开发了铁型覆砂铸造过程的计算机模拟软件和引入了铁型覆砂铸造工艺的计算机辅助设计软件。 目前，全国已有近百家企业应用了铁型覆砂铸造工艺生产球铁曲轴、凸轮轴、平衡轴、耐压阀体、缸套，耐磨齿盘等 30 余种铸件，估计年产铸件在 10104t 左右。比较典型的企业

7、有上海汽车铸造总厂球铁厂、沈阳第一曲轴厂、广西百矿集团、宜兴机械总厂、山东九羊集团、浙江曙光曲轴厂、本溪天缘曲轴厂、保定电影机械厂、山西潞城曲轴厂、河北辛集曲轴厂等。但是由于这些企业引入该工艺的方式不同：有委托我院进行设计或承建的，也有自行仿造开发的。因此他们对铁型覆砂铸造工艺的掌握程度相差甚远。仅以铁型覆砂铸造废品率为例，不少掌握得比较好的企业可稳定在 3%左右，取得了非常好的经济效益。但也有少数企业的铁型覆砂铸造废品率却高达 20%左右，这大大地抵消了该工艺来该产生的的经济效益。究其原因，发现是由于这些企业还没有完全掌握该工艺的设计和生产要领，以及疏于生产管理所致。 铁型覆砂铸造工艺设计及

8、实际生产主要解决： 铁型壁厚和覆砂层厚度及二者的配合，以满足不同壁厚和不同材质铸件对凝固和冷却的不同要求； 便捷和经济的覆砂成型方法，以满足不同铸件对表面质量和尺寸精度的要求； 工艺参数。如浇注系统、射砂系统、排气系统等的确定； 批量生产的实现。例如生产线及覆砂主机和辅机的设计定型； 工艺规程的制定，例如浇注、冷却和开箱等规程，以及铸件成分的调整等。 2 铁型覆砂铸造的热交换特点 液态金属浇入铁型覆砂铸型以后，“铸件覆砂层铁型” 是一个不稳定的热交换系统。为了使问题简化，假设铸件是半元限的；并假设系统中各组元的温度场按直线规律分布的。图 1 表示系统的一部分，显然，同样的比热流 q 通过了系统

9、中各个组元： 图 1 铸件覆砂层铁型的温度分布令 分别表示铸件与覆砂 层、铁型与覆砂层之间热交换强度的两个传热准则。k1 是铸件热阻与覆砂层热阻之比；k2 是铁型的热阻与覆砂层热阻之比。将 k1 和 k2结合起来考虑，随着覆砂层厚度的变化，有以下三种实际上可能发生的“铸件覆砂层铁型”间不同的传热情况： 当 k1，k21 时，覆砂层在正常的厚度之内，铸件的冷却速度随着覆砂层厚度的减少而增大。 当覆砂层的厚度超过某一厚度以后，铁型对铸件冷却已不产生影响，这时就相当于普通的砂型铸造或树脂砂铸造。由于覆砂层的导热系数比铁型的导热系数小得多，所以铸件冷却缓慢。 当 k1，k21 时，覆砂层厚度太薄，这时

10、就相当于金属型铸造了。 以上热交换特点已为实验所证实，当曲轴（CT-14）铁型覆砂铸造的覆砂层厚度从432mm 逐渐变化时，曲轴组织中的渗碳体量不断减少，珠光体量和铁素体量不断增加。而当覆砂层厚度小于 4mm 时，铸件的冷却强度与金属型（厚涂料）相近；覆砂层大于32mm 时，则其冷却强度相当于普通树脂砂铸造了。 当铁型覆砂铸造用于各种不同铸件的生产时，就是通过试验或经验类比，以确定不同的覆砂层厚度和铁型厚度来控制铸件的凝固速度。例如在 490Q 球铁曲轴铁型覆砂铸造工艺设计中，取覆砂层厚度为 58mm，铁型壁厚为 2030mm ，生产出了优质的无冒口铸态球铁，其主要原因： 覆砂层有效地调节了铸

11、件的冷却速度，一方面使铸件不易出现白口，另一方面又使冷却速度大于砂型铸造。如图 2 所示，当铁水浇入铁型覆砂铸型后，经 8min 铸件温度降到930左右，而砂型要降到同样温度，就需要 24min，冷却速度提高了 3 倍左右，其结果使铸件的机械性能显著提高。 铁型无退让性，但很薄的覆砂层却能适当减少铸型的收缩阻力；而铁型所具有的刚性，又有效地利用了球铁在凝固过程中的石墨化膨胀，实现了无冒口铸造；由于覆砂层薄，型腔不易变形，铸件精度比砂型大为提高。 1-铁型覆砂 2-砂型 图 2 球铁浇注后的冷却曲线3 铁型覆砂铸件的冷却速度 影响铁型覆砂铸件冷却速度的因素有铸件壁厚、铸件材质、浇注温度、覆砂层厚

12、度、覆砂层的材料、铁型厚度、铁型材质和铸型温度等因素。在此，仅讨论铸件壁厚（bc）、覆砂层厚度（bm）及铁型厚度(bi)的影响。 3.1 bc、bm 和 bi 对铸件冷却的影响 图 3 是在下列实验条件下做出的不同铸件壁厚（分别是 10mm、20mm、40mm、80mm ）、不同覆砂层厚度（分别是 4mm 和 32mm）以及不同铁型壁厚（分别是 32mm 和 8mm）对铁型覆砂铸件冷却速度的影响情况：铸件化学成分3.52%C、2.46%Si、0.80%Mn、0.18%P、0.031%S，覆砂层化学成分为：石英砂 90%，粘土 8%，煤粉 2%，水分 3%。 图 3 铸件壁厚、覆砂层厚度、铁型壁

13、厚对冷却速度的影响从图 3 可见：铸件壁厚、覆砂层厚度和铁型壁厚共同影响铸件的冷却速度。因此，在实际生产中，应根据不同的铸件壁厚来选择合适的铁型厚度和覆砂层厚度，以得到所需的冷却速度。不同厚度的铸件可以通过选择合适的覆砂层厚度和铁型壁厚得到相同的冷却速度，例如图 3 中的区表示厚度为 10mm 和 20mm、区表示 20mm 和 40mm、区表示 40mm 和 80mm 铸件冷却范围之间的重叠。虽然可以改变 bm 和 bi 使不同厚度的铸件获得相同的冷却速度，但并非任何厚度的铸件都可获相同的冷却速度，在本实验条件下，厚度为 10mm 和厚度为 40mm 的铸件就不能获得完全一样的冷却速度（曲线

14、没有重叠部分）。 3.2 覆砂厚度（bm）和铁型壁厚（bi）的选择 bm 和 bi 一般都是根据经验或实验确定，这里介绍一种图表法。图 4 是用以确定铁型覆砂铸造应用范围的曲线图表，适用于铸件厚度（bc）从 1080mm，开箱温度 600的条件。纵座标为冷却时间。图右边曲线的横座标上标有覆砂层厚度，它可以从已知的铸件冷却到600所需要的时间以及各种铸件厚度而查定，而且在所求的铸件壁厚中（10、20、40、80mm）已知一个，那么覆砂层厚度及铁型厚度的确定是很方便的。从左半部曲线的横座标上找到相应的 bc(比如 bc=20mm)画一条水平线，如果这两条线相交在画有剖面线的曲线范围里，那么表明这种

15、铸件适宜采用铁型覆砂铸造。把这条水平线向右延伸，它便伸入 bc=20mm 的区域里，在这个区域里引一根垂直线向下就可得到所需要的覆砂层厚度。但应使这根垂线尽可能地向右边画，以便得到最小的覆砂层厚度及铁型厚度。如果所需确定的覆砂层厚度不在这个范围以内，则可按照类似方法从邻近的曲线范围中去找。 图 4 铁型厚度、覆砂层厚度、铸件壁厚和铸件冷却速度关系曲线图如果铸件的壁厚各处不均匀，则先看一下这个铸件能否采用铁型覆砂铸造，然后按照各个壁厚来确定其覆砂层厚度及铁型厚度。例如，一个铸件具有 15mm、30mm 和 45mm 三种不同的壁厚，同上在图 4 的左半部按照这三个壁厚数值引三根垂线，然后使其与一

16、根水平线相交，它们的交点应尽可能处在铁型覆砂范围里。把这根水平线向右半部引伸，在那里可以获得各个壁厚所需要的覆砂层厚度，利用水平线可以得到铸件冷却到 600所需的时间。对厚度为 15mm 的部分，其垂线选在 bc 为 2010mm 之间；对厚度为 30mm 的部分其垂线选在 2040mm 之间；而对于壁厚为 45mm 的部分，只要查 bm 等于 4mm 的地方就可以了。覆砂层厚度确定以后，可从图 5 确定铁型的厚度。 图 5 不同壁厚与覆砂层厚度及冷却时间的关系4 生产实现 4.1 覆砂造型 大批量生产的铁型覆砂铸造，其覆砂造型如图 6 所示。即从铁型背面的一组射砂孔经铁型和模型合模后形成的间隙（覆砂层厚度）中射入流动性较好的型砂，经固化起模后形成铁型覆砂铸型。整个造型过程在专用的覆砂造型机或由射芯机改装的覆砂造型机上完成。 1.射砂头 2.覆砂层 3.铁型 4.型板 图 6 覆砂造型 1实际