铁型覆膜砂铸造工艺

 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（4～8mm），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，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σ-1的比较）、断裂强度（门槛值ΔKth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5～6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：

①设计和定型了覆砂造型机，解决了长期以来由射芯机改装代用的问题；
②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；
③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；
④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；
⑤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10×104t左右。比较典型的企业有通辽市永鑫硅砂有限责任公司、上海汽车铸造总厂球铁厂、、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实际生产主要解决：

①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；
②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；
③工艺参数。如浇注系统、射砂系统、排气系统等的确定；
④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；
⑤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。表示系统的一部分，显然，同样的比热流q通过了系统中各个组元：

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：

①当k≤1，k2≤1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。
②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。
③当k≧1，k2≧1时，覆砂层厚度太薄，这时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（CTЦ-14）铁型覆砂铸造的覆砂层厚度从4～32mm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5～8mm，铁型壁厚为20～30mm，生产出了优质的无冒口铸态球铁，其主要原因：

①覆砂层有效地调节了铸件的冷却速度，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。

②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、铁型壁厚对冷却速度的影响

从图3可见：①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。②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Ⅰ区表示厚度为10mm和20mm、Ⅱ区表示20mm和40mm、Ⅲ区表示40mm和80mm铸件冷却范围之间的重叠。③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10～80mm，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20～10mm之间；对厚度为30mm的部分其垂线选在20～40mm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

实际生产中有时还有如图7所示的覆砂造型方式。一般用于生产批量比较小的情况，覆砂过程由人工完成。

1.型板2.覆砂层3.铁型4.吹嘴5.吹砂头
图7覆砂造型2

吹制覆砂层的压缩空气压力的选择可参考图8。从图中可见，当覆砂层不厚于4～5mm时，把射砂压力从2个大气压增加到6个大气压，覆砂层的密度增高了；当覆砂层较厚时，压力增加，效果较小。当覆砂层厚度为4～6mm时，其密度大。

图8不同空气压力下覆砂层厚度与密度的关系图

4.2铸件成分调整

铁型覆砂铸造由于冷却速度比较快，因此铸件的化学成分（主要是C和Si）要做适当的调整。图9方框中的成分是铁型覆砂铸造用于生产球铁件时的成分范围。当C少于3.5%，Si少于2.3%，则因为有助于铁水凝固膨胀的有效石墨少而产生缩孔；而当C高于3.9%，Si高于2.9%则产生石墨漂浮和疏松。此外,实验指出，与碳当量CE(C+1/3Si)相比，Si的效果要大，并且(C+1/2Si)＜4.9%时发生缩孔，在5.2%以上时发生石墨漂浮和疏松。一般建议(C+1/2Si)在5.0%～5.1%范围所得效果好。

图9铁型覆砂铸造球铁曲轴用C、Si含量范围

4.3工艺流程及生产线

目前，在生产中应用的铁型覆砂铸造生产线的工艺流程，如图10示。其中覆砂造型由覆砂造型机完成，这种造型机有单工位和双工位两种，90年代以前单工位使用较多，90年代以后双工位使用更多。其它工序由各种辅机完成，辅机有气动和手动两种。铁型在辊道上输送，输送辊道也有人工和机动两种，以适应不同机械化程度的要求。目前铁型覆砂铸造生产线用于生产球铁曲轴时，典型的技术数据是：①铸件平均精度CT7级左右，表面粗糙度6.3～12.5μm；②铸态QT800；③铸造工艺出品率90%以上。

图10铁型覆砂铸造生产流程

5存在问题

5.1优化工艺设计

由于铁型覆砂铸造的工装造价较高，且修改比较困难。因此该工艺的设计要求一次成功。而目前一些生产企业由于工艺工装设计不当，而造成铸件废品率居高不下的情况时有发生。近年我院完成了铁型覆砂铸造球铁件凝固过程计算机数值模拟课题，能进行多种工艺方案的优化对比。但由于准确的热物性参数难以获得以及一些简化处理，目前要达到真正意义的优化设计还有一定距离。

5.2工装的通用性

铁型覆砂铸造由于每种铸件都需要不同的铁型和模型，因此用砂量很少，生产成本很低。但对于铸件品种很多的铸造车间，则铁型的管理、保存就很麻烦。如果解决好了铁型的专用和通用问题，则该工艺的应用将会更加普遍。

5.3生产线水平仍不高

目前铁型覆砂铸造的机械化和自动化水平尚不高。尤其是缸套的铁型覆砂铸造，国外有多工位转盘式铁型覆砂造型机，效率很高。