鋁合金的半砂半硬“復(fù)合型”鑄造

1、鋁合金的半砂半硬“復(fù)合型”鑄造周麟升重慶紅旗缸蓋制造有限公司（重慶市璧山區(qū)牛角灣 郵編402760 郵箱cqzls-001）摘要：本文提出了半砂半硬“復(fù)合型”的概念，簡述了這種特殊的“型”的特殊規(guī)律。應(yīng)用于這種復(fù)合型的材料范圍，本文中僅限于鋁-硅系列合金。本文所涉及的澆注方法均為重力澆注。關(guān)鍵詞：金屬型 砂型 半砂半硬“復(fù)合型”0 引言在應(yīng)用鋁-硅系合金生產(chǎn)部分汽車、摩托車鑄件時，有許多鑄件，其外形輪廓由金屬型形成；同時，使用大量的砂芯，形成鑄件的復(fù)雜內(nèi)腔，我把這種金屬型加砂芯構(gòu)成的鑄型，稱為半砂半硬“復(fù)合型”。之所以用“硬”代表金屬型，是因為在生產(chǎn)實際中，大家習慣將金屬型簡稱為硬型。在鑄型中

2、，金屬型、砂芯各占約一半時，稱為半砂半硬“復(fù)合型”；金屬型占大半，稱為金屬型砂芯；砂芯占大半，稱為砂型外冷鐵（或稱砂型金屬芯）。所謂一半，不是指它們的數(shù)量或重量，一般是指鑄件的外面與內(nèi)腔、鑄件的上部分與下部分。生產(chǎn)實踐證明，在運用這類“鑄型”(模具) 生產(chǎn)時，發(fā)生的工藝及質(zhì)量問題，既不能完全用金屬型鑄造的理論做出合理的解釋，又不能用砂型鑄造的理論予以解決。這種復(fù)合鑄型，具有自身的特殊規(guī)律，只有遵循這種特殊規(guī)律，才能解決生產(chǎn)實際中出現(xiàn)的一些工藝及質(zhì)量問題。金屬型鑄造概述1.1金屬型鑄造 將（鋁）合金液體澆入用金屬制造的型腔中，以獲得鑄件的方法，稱為金屬型鑄造。由于鑄型是用金屬材料制造的，可反復(fù)使

3、用幾百次至上萬次，因此，這種鑄型又稱為永久型，俗稱“硬型”。 1.2 金屬型鑄造工藝特點金屬型通常由鑄鐵、鑄鋼、熱作模具鋼或其它金屬材料制成。由于金屬型導(dǎo)熱快，沒有退讓性，因此，鑄件易產(chǎn)生澆不足、冷隔、裂紋等鑄造缺陷；受高溫金屬液的長期沖刷，型腔表面易被損傷，被損傷的型腔表面，不僅使金屬型的壽命縮短，還會導(dǎo)致鑄件的表面質(zhì)量下降；較大的損傷，還會導(dǎo)致鑄件脫模困難，拉傷、甚至拉裂鑄件。要緩解上述問題，應(yīng)采取下列工藝措施：（1）保持鑄型溫度 金屬型應(yīng)保持在一定溫度下工作，這樣，可以減緩鑄件的冷卻速度，有利于金屬液的填充，延長鑄型壽命。因此，開始澆注前，要對金屬型進行預(yù)熱；而在連續(xù)使用過程中，為了防止

4、鑄型因吸熱而升溫過高，還必須冷卻金屬型，或利用散熱裝置來散熱，保持鑄型本身溫度在合理范圍內(nèi)。對鋁合金而言，這個溫度區(qū)間通常為100°C250°C左右。不同的鑄型具有不同的合理溫度范圍，應(yīng)在生產(chǎn)實踐中，摸索出適合于那個特定的鑄型的溫度區(qū)間。有些鑄型在使用中，可能溫度需要很低，低于100°C，切忌盲目援引100°C250°C這個參數(shù)，本公司三氣門產(chǎn)品就是例子。（2）刷掛涂料 金屬型型腔表面應(yīng)視鑄件的具體情況，涂刷不同配方、不同厚薄的涂料，刷掛涂料的作用在于：a.改善鑄件的表面質(zhì)量；b. 保持鑄型熱平衡，調(diào)節(jié)鑄件冷卻速度，避免出現(xiàn)縮陷、氣穴（俗稱“陰

5、水” 、“窩氣”）等鑄造缺陷；c.有一定的蓄氣作用；d.保護鑄型型腔表面不至于長期被高溫金屬液沖刷而縮短壽命，同時也起到方便脫模的作用。(3)控制開型時間 由于金屬型沒有退讓性，澆鑄后要盡快開型取出鑄件，防止鑄件卡死在鑄型中。但是，考慮到冷卻速度對鑄件力學性能的影響，和鋁合金鑄件熱強度低的特點，也不能開型過早，防止發(fā)生拉裂、頂傷鑄件、或鑄件力學性能不合格。具體到某一鑄型上，其特定的開型時間，必須在生產(chǎn)實踐中摸索、總結(jié)出來。（4）鑄型表面強化處理 定期對金屬型進行不明顯改變其尺寸的表面強化(硬化) 處理，有利于延長鑄型壽命。1.3 鋁合金的鑄造性能 鋁合金在鑄造成形過程中，獲得外形準確、內(nèi)部健全

6、的鑄件的能力，稱為鋁合金的鑄造性能。主要包括：合金的流動性；吸氣、氧化傾向；凝固溫度范圍和凝固特性；收縮特性；熱裂傾向以及與鑄型和造型材料的相互作用。本文只探討部分鑄造性能。1.3.1 流動性 液態(tài)合金本身的流動能力，稱為合金的流動性。流動性優(yōu)良的合金，易于獲得形狀完整、輪廓清晰的鑄件，有利于合金液中氣體和非金屬夾雜物的上浮與排除，有利于合金凝固過程中的補縮。流動性較差的合金，容易產(chǎn)生澆不足、冷隔、氣孔、夾渣、縮孔等鑄造缺陷。在合金種類確定的情況下，決定合金充型能力的因素,主要是鑄型澆鑄系統(tǒng)的設(shè)置、澆鑄溫度、熔煉質(zhì)量、澆鑄速度和鑄型溫度。 a. 化學成分 本公司所使用的合金牌號已確定，化學成分

7、的影響，本文不作探討；b. 澆注溫度 澆注溫度，指進入鑄型時的合金液的溫度，而不是指坩堝內(nèi)的合金液溫度，也不是指停留在澆包內(nèi)的合金液溫度，同一種合金，澆注溫度越高，合金液的粘度越低，保持液態(tài)的時間越長，因此，合金的充型能力越好。澆鑄溫度的確定，要考慮以下幾點因素的影響：（）鑄件的結(jié)構(gòu)及形態(tài)，以及材料的化學成分；（）澆鑄系統(tǒng)的設(shè)置；（）保持鑄型的熱平衡，保證鑄件具有合理的冷卻速度；（）環(huán)境溫度。c. 澆鑄系統(tǒng) 鑄型中凡是增大合金液冷卻速度和合金液流動阻力的因素，都會降低合金的充型能力。因此，在設(shè)計澆鑄系統(tǒng)時，首先要根據(jù)鑄件結(jié)構(gòu)，確定澆鑄位置，最大限度地避免金屬液直接沖刷型腔的某些特定部位；其次，

8、要避免尖角狀態(tài)，盡可能呈圓弧連接及過渡，有利于提高合金的充型能力。d. 鑄件結(jié)構(gòu) 通常鑄件結(jié)構(gòu)是用戶確定的，鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性，是工藝設(shè)計和鑄型設(shè)計的基礎(chǔ)。有時，針對結(jié)構(gòu)工藝性很差的鑄件，不得不采取特殊的鑄型結(jié)構(gòu)。1.3.2 收縮 澆鑄后的液態(tài)合金，在逐漸冷卻凝固的過程中，總是伴隨體積和尺寸的縮小現(xiàn)象，合金的這種性質(zhì)稱為收縮。收縮過程經(jīng)歷三個階段：a. 液態(tài)收縮 指合金從澆注溫度，冷卻至液相線溫度區(qū)間的收縮；b. 凝固收縮 指合金從液相線到固相線溫度區(qū)間的收縮；c. 固態(tài)收縮 指合金從固相線冷卻至室溫區(qū)間的收縮?？s松、縮孔-液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮小，常用體積收縮率來表示，它們是產(chǎn)生

9、縮松、縮孔的根本原因。應(yīng)力、變形及裂紋-固態(tài)收縮表現(xiàn)為鑄件尺寸的縮小，常用線收縮率來表示，它是影響鑄件尺寸，使鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，變形及裂紋的根源。 1.3.3 影響收縮的因素有合金的化學成分、澆注溫度、鑄件結(jié)構(gòu)及鑄型條件等等。本文只探討澆注溫度的影響。合金的澆注溫度越高，則液態(tài)收縮越大，符合“熱脹冷縮”的普遍規(guī)律。經(jīng)驗表明，澆注溫度每提高100°C，體積收縮率增加1.6左右，反之，冷卻時就會縮小同樣的體積。從這個角度來看，可以得出一種普遍的結(jié)論：“澆鑄溫度越高，形成縮孔的傾向性越大”。澆鑄溫度低，縮孔傾向性小，但又容易出現(xiàn)“冷豆” 、澆不足、冷隔等缺陷。大量的生產(chǎn)實踐證明：只要澆注系統(tǒng)

10、設(shè)計合理，使鑄件按“順序凝固原則” 凝固，結(jié)果，高溫澆注* 不僅消除了“冷豆” 、澆不足、冷隔等缺陷，同時也避免了縮松、縮孔的出現(xiàn)。這是因為：（） 把縮松、縮孔轉(zhuǎn)移到冒口中去了；（） 澆鑄溫度高，模具溫度低，這樣的溫差有利于快速結(jié)晶凝固。本公司產(chǎn)品三氣門缸頭就是很典型的例子。注*：參閱1.2中的第（1）條。因為高溫澆鑄必然導(dǎo)致鑄型溫度升高，如不設(shè)法給鑄型散熱，就不能獲得足夠的凝固溫差，反而會出現(xiàn)更大的危害。 1.4 鑄件的凝固次序 順序凝固原則 同時凝固原則1.4.1順序凝固 采取一些恰當?shù)墓に嚧胧?，保證鑄件的各個部分按照遠離冒口(或內(nèi)澆口) 的部分最先凝固，然后朝著冒口(或內(nèi)澆口) 方向逐漸

11、凝固，最后才是冒口(或內(nèi)澆口) 本身凝固的凝固順序。也稱為“方向凝固”、“定向凝固”。按此原則設(shè)計的澆鑄系統(tǒng)，由于能夠把縮孔集中到冒口中，最后將冒口切除，不僅避免了縮孔缺陷，還得到組織致密的鑄件。但是，由于鑄件不同部位的溫差較大，鑄件出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力、變形、裂紋的傾向性增大，而且，由于可能需設(shè)置體積較大的冒口，會使工藝出品率降低。但是，這只是一般規(guī)律，實際上，如果鑄造工藝設(shè)計合理，就不會出現(xiàn)變形、裂紋等缺陷；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。本公司產(chǎn)品柴油機缸蓋就是非常典型的例子。1.4.2同時凝固 根據(jù)鑄件、鑄型的條件，采取相應(yīng)的工藝措施，使鑄件各部分沒有溫差，或者溫差很

12、小，在冷卻過程中，鑄件各部分同時凝固。按此原則設(shè)計的澆注系統(tǒng)，優(yōu)點是鑄件發(fā)生應(yīng)力、變形、裂紋的傾向性較小，不必設(shè)置冒口或冒口很小，這樣可以提高工藝出品率，材料利用率較高；缺點是鑄件的中心區(qū)域，往往有縮松、縮孔缺陷，鑄件組織致密性差。然而，因為鑄件結(jié)構(gòu)等原因，鑄件很難做到“同時”凝固；為了使鑄件能夠同時凝固，往往需要設(shè)置大冒口或多個冒口，這樣，反而降低了工藝出品率。1.4.3 在本公司鑄造工藝設(shè)計中，幾乎全是按“順序凝固原則” 設(shè)計的澆注系統(tǒng)，很少甚至不采用同時凝固技術(shù)。1.5 加工余量的設(shè)計1.5.1 機械加工余量 在鑄造工藝設(shè)計中，在零件加工面上留出的，供機械加 工時去除的金屬層厚度，稱為加

13、工余量。其大小取決于鑄造合金的種類、鑄造方法的選擇、鑄件尺寸與鑄件形狀的復(fù)雜程度、加工精度、生產(chǎn)批量、鑄造材料的價格因素等等。鑄件的公稱尺寸越大，形狀越復(fù)雜，加工精度要求越高，則加工余量就越大。鑄件澆鑄時位于頂面的余量應(yīng)該比位于底面的和側(cè)面的為大。1.5.2由于金屬型具有冷卻速度快，表面質(zhì)量好，且把容易發(fā)生的氣孔、渣孔、縮松、縮孔等鑄造缺陷包含在型壁以內(nèi)，或轉(zhuǎn)移到冒口中的特點，因此，由金屬型形成的部位，其加工余量的選擇，與同樣結(jié)構(gòu)尺寸由砂型成形的部位相比較，可以偏小。在半砂半硬“復(fù)合型”鑄造中，往往有些加工部位(如燃燒室及燃燒室平面等) 是由砂芯形成的，這些部位的加工余量選擇原則，就不能采用金

14、屬型的，而應(yīng)該選用砂型鑄造的原則確定加工余量，并通過生產(chǎn)實踐進行驗證，最終得出合適的加工余量，這對批量生產(chǎn)的鑄件來說，顯得尤其重要。批量生產(chǎn)的鋁合金金屬型鑄造，鑄件的尺寸精度公差等級可達，表面粗糙度Ra值可達2512.5，故可做到少加工或不加工。而砂型鑄造所能達到的尺寸精度公差等級，遠比金屬型鑄造低。因此，兩種不同的鑄造方法，應(yīng)選取不同的加工余量值。用半砂半硬“復(fù)合型”鑄造的鑄件，由金屬型形成的表面部分，其加工余量值，按金屬型鑄造原則選取；而由砂芯形成的表面，其加工余量值，應(yīng)按砂型鑄造原則施放。即使這樣，也要分底部、上部、側(cè)面，而施放不同的加工余量值。 在同樣的公差等級時，加工余量數(shù)值的大小，

15、與鑄件的公稱尺寸有關(guān)，因此不能只看加工余量的數(shù)值大小。同一精度等級，名義尺寸大的，加工余量大；名義尺寸小的，加工余量小。在同一精度等級下，因名義尺寸不同而施放的不同的加工余量值，盡管數(shù)值不同，卻都是一樣的合理。2砂型鑄造概述2.1 用各種型砂造型，進行澆注的鑄造方法，稱為砂型鑄造。其優(yōu)點是工藝裝備簡單、經(jīng)濟、生產(chǎn)準備時間短、靈活多樣、適應(yīng)性強。缺點是勞動強度大，生產(chǎn)效率較低，鑄件質(zhì)量較差，要求工人具備熟練的操作技能等等。砂型鑄造方法，主要用于單件或小批生產(chǎn)，以及形狀特別復(fù)雜，難于用別的鑄造方法生產(chǎn)的鑄件。2.2 鑄件澆注位置的選擇2.2.1 鑄件的重要加工面或重要工作面應(yīng)優(yōu)先考慮朝下，或位于側(cè)

16、面。這是因為澆注時，鑄件上部容易產(chǎn)生砂眼、氣孔、夾渣等缺陷，而下部的缺陷較少，組織也比上部致密。如果這些面難以做到朝下，則應(yīng)盡量使其位于側(cè)面。當鑄件上重要加工面有數(shù)個時，應(yīng)將較大的面朝下，并對朝上的面采用加大加工余量的方法，來保證鑄件質(zhì)量。當鑄件的結(jié)構(gòu)工藝性決定了重要面只能朝上時，也必須采取加大加工余量的方法來保證鑄件質(zhì)量。2.2.2 鑄件的薄壁且面積大的表面應(yīng)朝下，防止出現(xiàn)澆不足或冷隔缺陷。2.2.3 要便于安放冒口，對于壁厚不均勻，易形成縮孔的鑄件，澆注時應(yīng)將厚的部分放在上部或分型面附近，便于在鑄件厚大部分直接安置冒口，使之自下而上定向凝固，利于補縮。切忌把冒口位置設(shè)計在非加工面上。2.3

17、 排氣 必須充分意識并深刻理解“氣無處不在” 的觀點。 2.3.1 鑄型型腔中的空氣，以及澆注時合金液裹入型腔的空氣：在設(shè)計澆注系統(tǒng)時，要設(shè)法利用合金液填充型腔的過程，將這類空氣排出型腔；或用特殊的澆鑄方法，如傾斜式澆鑄方法，盡量消除或減少氣體被裹入合金液，某些死角處，必須采用開設(shè)氣孔、氣眼、氣縫或加氣塞的方法，排除空氣，保證獲得優(yōu)質(zhì)鑄件。2.3.2 砂芯在澆注后的持續(xù)發(fā)氣 砂芯是用熱法覆膜砂制成的，在受熱條件下，覆膜砂中的熱塑性酚酫樹脂分解產(chǎn)生大量氣體，常用覆膜砂的發(fā)氣量為1016.5ml/g，這些氣體如果不能有效排出，則會在鑄件上形成大量氣孔、氣縫、及二次氧化夾雜，嚴重時，這些氣體可能導(dǎo)致

18、鑄件不能成形。半砂半硬復(fù)合型鑄造，其大部分砂芯，均用于形成內(nèi)腔輪廓，也就是說，砂芯被高溫鋁液部分或完全包容，在這一點上與普通的砂型鑄造比較，有很大的區(qū)別，必須引起高度重視。正因為砂芯被鋁液包容，那么，砂芯所產(chǎn)生的大量氣體，必須千方百計地排向大氣，否則，它必然穿透鑄件壁厚，產(chǎn)生大量的氣孔、氣縫，造成不可挽救的鑄造缺陷。本公司產(chǎn)品HQ0303、HQ0304、HQ0305即為非常典型的例子。特別是HQ0303，共經(jīng)歷了十二次試驗，鑄件逾百，竟無一件合格。究其原因，就是在試制過程中，通常運用“金屬型” 或“砂型” 的普遍原則在分析問題，制定措施，而沒有意識到半砂半硬復(fù)合型的特殊規(guī)律，采取的各種措施，都

19、是為了排出型腔中的空氣。第十三次試驗的措施很簡單，就是想法把被合金液包容的水道芯所產(chǎn)生的氣體引向大氣，就解決了這個難題。同理，將這個特殊的規(guī)律運用于HQ0304、HQ0305也順利解決了砂芯氣體的危害。在設(shè)計這類特定產(chǎn)品的鑄造工藝時，砂芯持續(xù)發(fā)氣的排放，應(yīng)是設(shè)計思想中的重中之重。欲通過減少砂芯發(fā)氣量，或通過延緩砂芯的發(fā)氣時間，降低發(fā)氣速度等方法，均屬“治標” ，不可能保證鑄件質(zhì)量的穩(wěn)定?！爸伪尽?需在工藝設(shè)計時，就充分考慮到，砂芯發(fā)氣不可避免，必須設(shè)法將其排向大氣。砂芯的持續(xù)發(fā)氣，猶如洪水，治水不能“堵塞” ，只能“疏通” 。3鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性 鑄件結(jié)構(gòu)是指鑄件的外形、內(nèi)腔、壁厚及壁與壁之間的連接形式，加強肋板及凸臺等。鑄件結(jié)構(gòu)決定了鑄造這個鑄件的工藝難度，我們通常稱這個工藝難度為鑄件結(jié)構(gòu)的工藝性。但是，鑄件結(jié)構(gòu)往往是由用戶確定，對已經(jīng)確定了的鑄件結(jié)構(gòu)，要想獲得優(yōu)質(zhì)的鑄件，必須在以下方面采取措施，使其適應(yīng)鑄件的結(jié)構(gòu)。3.1 用辯證法的觀念指導(dǎo)鑄造工藝設(shè)計，不同的鑄件，制定不同的鑄造工藝，使之相互匹配。3.2 確定了的鑄件結(jié)構(gòu)，要從合金鑄