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1、铝合金的半砂半硬“复合型”铸造周麟升重庆红旗缸盖制造有限公司（重庆市璧山区牛角湾 邮编 402760 邮箱 cqzls-）摘要：本文提出了半砂半硬“复合型”的概念，简述了这种特殊的“型”的特殊规律。应用于这种复合型的材料范围，本文中仅限于铝-硅系列合金。本文所涉及的浇注方法均为重力浇注。关键词：关键词：金属型 砂型 半砂半硬“复合型”0 0 引言引言在应用铝-硅系合金生产部分汽车、摩托车铸件时，有许多铸件，其外形轮廓由金属型形成；同时，使用大量的砂芯，形成铸件的复杂内腔，我把这种金属型加砂芯构成的铸型，称为半砂半硬“复合型” 。之所以用“硬”代表金属型，是因为在生产实际中，大家习惯将金属型简称
2、为硬型。在铸型中，金属型、砂芯各占约一半时，称为半砂半硬“复合型” ；金属型占大半，称为金属型砂芯；砂芯占大半，称为砂型外冷铁（或称砂型金属芯） 。所谓一半，不是指它们的数量或重量，一般是指铸件的外面与内腔、铸件的上部分与下部分。生产实践证明，在运用这类“铸型”(模具) 生产时，发生的工艺及质量问题，既不能完全用金属型铸造的理论做出合理的解释，又不能用砂型铸造的理论予以解决。这种复合铸型，具有自身的特殊规律，只有遵循这种特殊规律，才能解决生产实际中出现的一些工艺及质量问题。金属型铸造概述金属型铸造概述1 1. .1 1 金属型铸造金属型铸造 将（铝）合金液体浇入用金属制造的型腔中，以获得铸件的
3、方法，称为金属型铸造。由于铸型是用金属材料制造的，可反复使用几百次至上万次，因此，这种铸型又称为永久型，俗称“硬型” 。 1 1.2.2 金属型铸造工艺特点金属型铸造工艺特点金属型通常由铸铁、铸钢、热作模具钢或其它金属材料制成。由于金属型导热快，没有退让性，因此，铸件易产生浇不足、冷隔、裂纹等铸造缺陷；受高温金属液的长期冲刷，型腔表面易被损伤，被损伤的型腔表面，不仅使金属型的寿命缩短，还会导致铸件的表面质量下降；较大的损伤，还会导致铸件脱模困难，拉伤、甚至拉裂铸件。要缓解上述问题，应采取下列工艺措施：（1 1）保持铸型温度）保持铸型温度 金属型应保持在一定温度下工作，这样，可以减缓铸件的冷却速
4、度，有利于金属液的填充，延长铸型寿命。因此，开始浇注前，要对金属型进行预热；而在连续使用过程中，为了防止铸型因吸热而升温过高，还必须冷却金属型，或利用散热装置来散热，保持铸型本身温度在合理范围内。对铝合金而言，这个温度区间通常为 100C250C 左右。不同的铸型具有不同的合理温度范围，应在生产实践中，摸索出适合于那个特定的铸型的温度区间。有些铸型在使用中，可能温度需要很低，低于 100C，切忌盲目援引 100C250C 这个参数，本公司三气门产品就是例子。（2 2）刷挂涂料）刷挂涂料 金属型型腔表面应视铸件的具体情况，涂刷不同配方、不同厚薄的涂料，刷挂涂料的作用在于：a.改善铸件的表面质量；
5、b. 保持铸型热平衡，调节铸件冷却速度，避免出现缩陷、气穴（俗称“阴水” 、 “窝气” ）等铸造缺陷；c.有一定的蓄气作用；d.保护铸型型腔表面不至于长期被高温金属液冲刷而缩短寿命，同时也起到方便脱模的作用。(3)(3)控制开型时间控制开型时间 由于金属型没有退让性，浇铸后要尽快开型取出铸件，防止铸件卡死在铸型中。但是，考虑到冷却速度对铸件力学性能的影响，和铝合金铸件热强度低的特点，也不能开型过早，防止发生拉裂、顶伤铸件、或铸件力学性能不合格。具体到某一铸型上，其特定的开型时间，必须在生产实践中摸索、总结出来。（4 4）铸型表面强化处理）铸型表面强化处理 定期对金属型进行不明显改变其尺寸的表面
6、强化(硬化) 处理，有利于延长铸型寿命。1 1.3.3 铝合金的铸造性能铝合金的铸造性能 铝合金在铸造成形过程中，获得外形准确、内部健全的铸件的能力，称为铝合金的铸造性能。主要包括：合金的流动性；吸气、氧化倾向；凝固温度范围和凝固特性；收缩特性；热裂倾向以及与铸型和造型材料的相互作用。本文只探讨部分铸造性能。1 1.3.1.3.1 流动性流动性 液态合金本身的流动能力，称为合金的流动性。流动性优良的合金，易于获得形状完整、轮廓清晰的铸件，有利于合金液中气体和非金属夹杂物的上浮与排除，有利于合金凝固过程中的补缩。流动性较差的合金，容易产生浇不足、冷隔、气孔、夹渣、缩孔等铸造缺陷。在合金种类确定的
7、情况下，决定合金充型能力的因素,主要是铸型浇铸系统的设置、浇铸温度、熔炼质量、浇铸速度和铸型温度。a.a. 化学成分化学成分 本公司所使用的合金牌号已确定，化学成分的影响，本文不作探讨；b.b. 浇注温度浇注温度 浇注温度，指进入铸型时的合金液的温度，而不是指坩埚内的合金液温度，也不是指停留在浇包内的合金液温度，同一种合金，浇注温度越高，合金液的粘度越低，保持液态的时间越长，因此，合金的充型能力越好。浇铸温度的确定，要考虑以下几点因素的影响：（）铸件的结构及形态，以及材料的化学成分；（）浇铸系统的设置；（）保持铸型的热平衡，保证铸件具有合理的冷却速度；（）环境温度。c.c. 浇铸系统浇铸系统
8、铸型中凡是增大合金液冷却速度和合金液流动阻力的因素，都会降低合金的充型能力。因此，在设计浇铸系统时，首先要根据铸件结构，确定浇铸位置，最大限度地避免金属液直接冲刷型腔的某些特定部位；其次，要避免尖角状态，尽可能呈圆弧连接及过渡，有利于提高合金的充型能力。d.d. 铸件结构铸件结构 通常铸件结构是用户确定的，铸件结构的工艺性，是工艺设计和铸型设计的基础。有时，针对结构工艺性很差的铸件，不得不采取特殊的铸型结构。1 1.3.2.3.2 收缩收缩 浇铸后的液态合金，在逐渐冷却凝固的过程中，总是伴随体积和尺寸的缩小现象，合金的这种性质称为收缩。收缩过程经历三个阶段：a.a. 液态收缩液态收缩 指合金从
9、浇注温度，冷却至液相线温度区间的收缩；b.b. 凝固收缩凝固收缩 指合金从液相线到固相线温度区间的收缩；c.c. 固态收缩固态收缩 指合金从固相线冷却至室温区间的收缩。缩松、缩孔缩松、缩孔-液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，常用体积收缩率来表示，它们是产生缩松、缩孔的根本原因。应力、变形及裂纹应力、变形及裂纹-固态收缩表现为铸件尺寸的缩小，常用线收缩率来表示，它是影响铸件尺寸，使铸件产生内应力，变形及裂纹的根源。 1.3.3 影响收缩的因素有合金的化学成分、浇注温度、铸件结构及铸型条件等等。本文只探讨浇注温度的影响。合金的浇注温度越高，则液态收缩越大，符合“热胀冷缩”的普遍规律。经验表明
10、，浇注温度每提高 100C，体积收缩率增加 1.6左右，反之，冷却时就会缩小同样的体积。从这个角度来看，可以得出一种普遍的结论：“浇铸温度越高，形成缩孔的倾向性越大” 。浇铸温度低，缩孔倾向性小，但又容易出现“冷豆” 、浇不足、冷隔等缺陷。大量的生产实践证明：只要浇注系统设计合理，使铸件按“顺序凝固原则” 凝固，结果，高温浇注* 不仅消除了“冷豆”、浇不足、冷隔等缺陷，同时也避免了缩松、缩孔的出现。这是因为：（）把缩松、缩孔转移到冒口中去了；（）浇铸温度高，模具温度低，这样的温差有利于快速结晶凝固。本公司产品三气门缸头就是很典型的例子。注*：参阅 1.2 中的第（1）条。因为高温浇铸必然导致铸
11、型温度升高，如不设法给铸型散热，就 不能获得足够的凝固温差，反而会出现更大的危害。1 1.4.4 铸件的凝固次序铸件的凝固次序 顺序凝固原则 同时凝固原则1 1.4.1.4.1 顺序凝固顺序凝固 采取一些恰当的工艺措施，保证铸件的各个部分按照远离冒口(或内浇口) 的部分最先凝固，然后朝着冒口(或内浇口) 方向逐渐凝固，最后才是冒口(或内浇口) 本身凝固的凝固顺序。也称为“方向凝固” 、 “定向凝固” 。按此原则设计的浇铸系统，由于能够把缩孔集中到冒口中，最后将冒口切除，不仅避免了缩孔缺陷，还得到组织致密的铸件。但是，由于铸件不同部位的温差较大，铸件出现内应力、变形、裂纹的倾向性增大，而且，由于
12、可能需设置体积较大的冒口，会使工艺出品率降低。但是，这只是一般规律，实际上，如果铸造工艺设计合理，就不会出现变形、裂纹等缺陷；也不一定要“大冒口” 只需很小的冒口即可，甚至做到不要冒口。本公司产品柴油机缸盖就是非常典型的例子。1 1.4.2.4.2 同时凝固同时凝固 根据铸件、铸型的条件，采取相应的工艺措施，使铸件各部分没有温差，或者温差很小，在冷却过程中，铸件各部分同时凝固。按此原则设计的浇注系统，优点是铸件发生应力、变形、裂纹的倾向性较小，不必设置冒口或冒口很小，这样可以提高工艺出品率，材料利用率较高；缺点是铸件的中心区域，往往有缩松、缩孔缺陷，铸件组织致密性差。然而，因为铸件结构等原因，
13、铸件很难做到“同时”凝固；为了使铸件能够同时凝固，往往需要设置大冒口或多个冒口，这样，反而降低了工艺出品率。1.4.3 在本公司铸造工艺设计中，几乎全是按“顺序凝固原则” 设计的浇注系统，很少甚至不采用同时凝固技术。1 1.5.5 加工余量的设计加工余量的设计1 1.5.1.5.1 机械加工余量机械加工余量 在铸造工艺设计中，在零件加工面上留出的，供机械加 工时去除的金属层厚度，称为加工余量。其大小取决于铸造合金的种类、铸造方法的选择、铸件尺寸与铸件形状的复杂程度、加工精度、生产批量、铸造材料的价格因素等等。铸件的公称尺寸越大，形状越复杂，加工精度要求越高，则加工余量就越大。铸件浇铸时位于顶面
14、的余量应该比位于底面的和侧面的为大。1.5.2 由于金属型具有冷却速度快，表面质量好，且把容易发生的气孔、渣孔、缩松、缩孔等铸造缺陷包含在型壁以内，或转移到冒口中的特点，因此，由金属型形成的部位，其加工余量的选择，与同样结构尺寸由砂型成形的部位相比较，可以偏小。在半砂半硬“复合型”铸造中，往往有些加工部位(如燃烧室及燃烧室平面等) 是由砂芯形成的，这些部位的加工余量选择原则，就不能采用金属型的，而应该选用砂型铸造的原则确定加工余量，并通过生产实践进行验证，最终得出合适的加工余量，这对批量生产的铸件来说，显得尤其重要。批量生产的铝合金金属型铸造，铸件的尺寸精度公差等级可达，表面粗糙度 Ra 值可
15、达 2512.5，故可做到少加工或不加工。而砂型铸造所能达到的尺寸精度公差等级，远比金属型铸造低。因此，两种不同的铸造方法，应选取不同的加工余量值。用半砂半硬“复合型”铸造的铸件，由金属型形成的表面部分，其加工余量值，按金属型铸造原则选取；而由砂芯形成的表面，其加工余量值，应按砂型铸造原则施放。即使这样，也要分底部、上部、侧面，而施放不同的加工余量值。在同样的公差等级时，加工余量数值的大小，与铸件的公称尺寸有关，因此不能只看加工余量的数值大小。同一精度等级，名义尺寸大的，加工余量大；名义尺寸小的，加工余量小。在同一精度等级下，因名义尺寸不同而施放的不同的加工余量值，尽管数值不同，却都是一样的合
16、理。2 2 砂型铸造概述砂型铸造概述2.1 用各种型砂造型，进行浇注的铸造方法，称为砂型铸造。其优点是工艺装备简单、经济、生产准备时间短、灵活多样、适应性强。缺点是劳动强度大，生产效率较低，铸件质量较差，要求工人具备熟练的操作技能等等。砂型铸造方法，主要用于单件或小批生产，以及形状特别复杂，难于用别的铸造方法生产的铸件。2 2.2.2 铸件浇注位置的选择铸件浇注位置的选择2 2.2.1.2.1 铸件的重要加工面或重要工作面应优先考虑朝下，或位于侧面。这是因为浇注时，铸件上部容易产生砂眼、气孔、夹渣等缺陷，而下部的缺陷较少，组织也比上部致密。如果这些面难以做到朝下，则应尽量使其位于侧面。当铸件上重要加工面有数个时，应将较大的面朝下，并对朝上的面采用加大加工余量的方法，来保证铸
