鐵型覆膜砂鑄造工藝

 鐵型覆砂鑄造是在金屬型（稱為鐵型）內(nèi)腔覆上一薄層型砂而形成鑄型的一種鑄造工藝。由于覆砂層比較?。?～8mm），因此采用比較貴的高質(zhì)量造型材料，在經(jīng)濟上也是合理的，其結(jié)果是使鑄件質(zhì)量大大改善和廢品顯著減少；由于鐵型覆砂鑄型剛度很好，從而顯著地提高了鑄件的尺寸精度和致密性。

     德國、前蘇聯(lián)等國于60年代前后開始把鐵型覆砂鑄造應(yīng)用于鑄造生產(chǎn)，主要用于生產(chǎn)球鐵曲軸、剎車轂、剎車盤、缸套、炸彈殼、坦克履帶和電機底座等30余種鑄件。我國對鐵型覆砂鑄造的應(yīng)用性研究起始于70年代初，至1979年，浙江省機電設(shè)計研究院和永康拖拉機廠等單位合作，首次將該工藝用于S195曲軸毛坯的批量鑄造生產(chǎn)，同時，完成了對該工藝所生產(chǎn)的球鐵曲軸性能的考核評價，在疲勞強度（疲勞極限應(yīng)力σ-1的比較）、斷裂強度（門檻值ΔKth的比較以及斷裂韌性K1C的比較）和使用壽命（10000h臺架耐久試驗對比）等方面，與砂型鑄造曲軸進行了大量的試驗對比，皆優(yōu)于砂型鑄造。在其后的10余年里，該工藝不斷在應(yīng)用中提高完善，至90年代初,已有7家企業(yè)應(yīng)用了該工藝，尤其是單缸曲軸和四缸曲軸的鐵型覆砂鑄造工藝取得了很大的成功。這段時期的代表企業(yè)是永康拖拉機廠、上虞動力機廠、望都曲軸連桿廠、皖北曲軸廠、金華內(nèi)燃機配件廠、常州柴油機廠等。1991年國家計委將鐵型覆砂鑄造批準(zhǔn)為國家“八五”重點新技術(shù)推廣項目，并把浙江省機電設(shè)計研究院作為該項目的技術(shù)依托單位，這對于我國鐵型覆砂鑄造技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動作用。我院承擔(dān)了該推廣項目后，在其后的5～6年時間里基本上解決了鐵型覆砂鑄造用于批量生產(chǎn)的一系列問題。

主要是：

①設(shè)計和定型了覆砂造型機，解決了長期以來由射芯機改裝代用的問題；
②定型規(guī)范了標(biāo)準(zhǔn)的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線，使原來比較簡單的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線得到了改進，在上海球鐵廠等企業(yè)應(yīng)用；
③鐵型覆砂鑄造應(yīng)用擴大到鑄造工藝難度較大的一些鑄件，例如六缸曲軸和三缸曲軸等；
④將覆膜砂引入鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)中，大大提高了覆砂造型質(zhì)量；
⑤鐵型覆砂鑄造工藝設(shè)計進一步規(guī)范，設(shè)計水平也大大提高，并開發(fā)了鐵型覆砂鑄造過程的計算機模擬軟件和引入了鐵型覆砂鑄造工藝的計算機輔助設(shè)計軟件。

目前，全國已有近百家企業(yè)應(yīng)用了鐵型覆砂鑄造工藝生產(chǎn)球鐵曲軸、凸輪軸、平衡軸、耐壓閥體、缸套，耐磨齒盤等30余種鑄件，估計年產(chǎn)鑄件在10×104t左右。比較典型的企業(yè)有通遼市永鑫硅砂有限責(zé)任公司、上海汽車鑄造總廠球鐵廠、、廣西百礦集團、宜興機械總廠、山東九羊集團、浙江曙光曲軸廠、本溪天緣曲軸廠、保定電影機械廠、山西潞城曲軸廠、河北辛集曲軸廠等。但是由于這些企業(yè)引入該工藝的方式不同：有委托我院進行設(shè)計或承建的，也有自行仿造開發(fā)的。因此他們對鐵型覆砂鑄造工藝的掌握程度相差甚遠。僅以鐵型覆砂鑄造廢品率為例，不少掌握得比較好的企業(yè)可穩(wěn)定在3%左右，取得了非常好的經(jīng)濟效益。但也有少數(shù)企業(yè)的鐵型覆砂鑄造廢品率卻高達20%左右，這大大地抵消了該工藝來該產(chǎn)生的的經(jīng)濟效益。究其原因，發(fā)現(xiàn)是由于這些企業(yè)還沒有完全掌握該工藝的設(shè)計和生產(chǎn)要領(lǐng)，以及疏于生產(chǎn)管理所致。

鐵型覆砂鑄造工藝設(shè)計及實際生產(chǎn)主要解決：

①鐵型壁厚和覆砂層厚度及二者的配合，以滿足不同壁厚和不同材質(zhì)鑄件對凝固和冷卻的不同要求；
②便捷和經(jīng)濟的覆砂成型方法，以滿足不同鑄件對表面質(zhì)量和尺寸精度的要求；
③工藝參數(shù)。如澆注系統(tǒng)、射砂系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)等的確定；
④批量生產(chǎn)的實現(xiàn)。例如生產(chǎn)線及覆砂主機和輔機的設(shè)計定型；
⑤工藝規(guī)程的制定，例如澆注、冷卻和開箱等規(guī)程，以及鑄件成分的調(diào)整等。

2鐵型覆砂鑄造的熱交換特點

液態(tài)金屬澆入鐵型覆砂鑄型以后，“鑄件——覆砂層——鐵型”是一個不穩(wěn)定的熱交換系統(tǒng)。為了使問題簡化，假設(shè)鑄件是半元限的；并假設(shè)系統(tǒng)中各組元的溫度場按直線規(guī)律分布的。表示系統(tǒng)的一部分，顯然，同樣的比熱流q通過了系統(tǒng)中各個組元：

鑄件—覆砂層—鐵型的溫度分布

令分別表示鑄件與覆砂 層、鐵型與覆砂層之間熱交換強度的兩個傳熱準(zhǔn)則。k1是鑄件熱阻與覆砂層熱阻之比；k2是鐵型的熱阻與覆砂層熱阻之比。將k1和k2結(jié)合起來考慮，隨著覆砂層厚度的變化，有以下三種實際上可能發(fā)生的“鑄件——覆砂層——鐵型”間不同的傳熱情況：

①當(dāng)k≤1，k2≤1時，覆砂層在正常的厚度之內(nèi)，鑄件的冷卻速度隨著覆砂層厚度的減少而增大。
②當(dāng)覆砂層的厚度超過某一厚度以后，鐵型對鑄件冷卻已不產(chǎn)生影響，這時就相當(dāng)于普通的砂型鑄造或樹脂砂鑄造。由于覆砂層的導(dǎo)熱系數(shù)比鐵型的導(dǎo)熱系數(shù)小得多，所以鑄件冷卻緩慢。
③當(dāng)k≧1，k2≧1時，覆砂層厚度太薄，這時就相當(dāng)于金屬型鑄造了。

以上熱交換特點已為實驗所證實，當(dāng)曲軸（CTЦ-14）鐵型覆砂鑄造的覆砂層厚度從4～32mm逐漸變化時，曲軸組織中的滲碳體量不斷減少，珠光體量和鐵素體量不斷增加。而當(dāng)覆砂層厚度小于4mm時，鑄件的冷卻強度與金屬型（厚涂料）相近；覆砂層大于32mm時，則其冷卻強度相當(dāng)于普通樹脂砂鑄造了。

當(dāng)鐵型覆砂鑄造用于各種不同鑄件的生產(chǎn)時，就是通過試驗或經(jīng)驗類比，以確定不同的覆砂層厚度和鐵型厚度來控制鑄件的凝固速度。例如在490Q球鐵曲軸鐵型覆砂鑄造工藝設(shè)計中，取覆砂層厚度為5～8mm，鐵型壁厚為20～30mm，生產(chǎn)出了優(yōu)質(zhì)的無冒口鑄態(tài)球鐵，其主要原因：

①覆砂層有效地調(diào)節(jié)了鑄件的冷卻速度，一方面使鑄件不易出現(xiàn)白口，另一方面又使冷卻速度大于砂型鑄造。如圖2所示，當(dāng)鐵水澆入鐵型覆砂鑄型后，經(jīng)8min鑄件溫度降到930℃左右，而砂型要降到同樣溫度，就需要24min，冷卻速度提高了3倍左右，其結(jié)果使鑄件的機械性能顯著提高。

②鐵型無退讓性，但很薄的覆砂層卻能適當(dāng)減少鑄型的收縮阻力；而鐵型所具有的剛性，又有效地利用了球鐵在凝固過程中的石墨化膨脹，實現(xiàn)了無冒口鑄造；由于覆砂層薄，型腔不易變形，鑄件精度比砂型大為提高。

1-鐵型覆砂2-砂型
圖2球鐵澆注后的冷卻曲線

3鐵型覆砂鑄件的冷卻速度

影響鐵型覆砂鑄件冷卻速度的因素有鑄件壁厚、鑄件材質(zhì)、澆注溫度、覆砂層厚度、覆砂層的材料、鐵型厚度、鐵型材質(zhì)和鑄型溫度等因素。在此，僅討論鑄件壁厚（bc）、覆砂層厚度（bm）及鐵型厚度(bi)的影響。

3.1 bc、bm和bi對鑄件冷卻的影響

圖3是在下列實驗條件下做出的不同鑄件壁厚（分別是10mm、20mm、40mm、80mm）、不同覆砂層厚度（分別是4mm和32mm）以及不同鐵型壁厚（分別是32mm和8mm）對鐵型覆砂鑄件冷卻速度的影響情況：鑄件化學(xué)成分3.52%C、2.46%Si、0.80%Mn、0.18%P、0.031%S，覆砂層化學(xué)成分為：石英砂90%，粘土8%，煤粉2%，水分3%。

圖3鑄件壁厚、覆砂層厚度、鐵型壁厚對冷卻速度的影響

從圖3可見：①鑄件壁厚、覆砂層厚度和鐵型壁厚共同影響鑄件的冷卻速度。因此，在實際生產(chǎn)中，應(yīng)根據(jù)不同的鑄件壁厚來選擇合適的鐵型厚度和覆砂層厚度，以得到所需的冷卻速度。②不同厚度的鑄件可以通過選擇合適的覆砂層厚度和鐵型壁厚得到相同的冷卻速度，例如圖3中的Ⅰ區(qū)表示厚度為10mm和20mm、Ⅱ區(qū)表示20mm和40mm、Ⅲ區(qū)表示40mm和80mm鑄件冷卻范圍之間的重疊。③雖然可以改變bm和bi使不同厚度的鑄件獲得相同的冷卻速度，但并非任何厚度的鑄件都可獲相同的冷卻速度，在本實驗條件下，厚度為10mm和厚度為40mm的鑄件就不能獲得完全一樣的冷卻速度（曲線沒有重疊部分）。

3.2覆砂厚度（bm）和鐵型壁厚（bi）的選擇

bm和bi一般都是根據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒灤_定，這里介紹一種圖表法。圖4是用以確定鐵型覆砂鑄造應(yīng)用范圍的曲線圖表，適用于鑄件厚度（bc）從10～80mm，開箱溫度600℃的條件?？v座標(biāo)為冷卻時間。圖右邊曲線的橫座標(biāo)上標(biāo)有覆砂層厚度，它可以從已知的鑄件冷卻到600℃所需要的時間以及各種鑄件厚度而查定，而且在所求的鑄件壁厚中（10、20、40、80mm）已知一個，那么覆砂層厚度及鐵型厚度的確定是很方便的。從左半部曲線的橫座標(biāo)上找到相應(yīng)的bc(比如bc=20mm)畫一條水平線，如果這兩條線相交在畫有剖面線的曲線范圍里，那么表明這種鑄件適宜采用鐵型覆砂鑄造。把這條水平線向右延伸，它便伸入bc=20mm的區(qū)域里，在這個區(qū)域里引一根垂直線向下就可得到所需要的覆砂層厚度。但應(yīng)使這根垂線盡可能地向右邊畫，以便得到最小的覆砂層厚度及鐵型厚度。如果所需確定的覆砂層厚度不在這個范圍以內(nèi)，則可按照類似方法從鄰近的曲線范圍中去找。

圖4鐵型厚度、覆砂層厚度、鑄件壁厚和鑄件冷卻速度關(guān)系曲線圖

如果鑄件的壁厚各處不均勻，則先看一下這個鑄件能否采用鐵型覆砂鑄造，然后按照各個壁厚來確定其覆砂層厚度及鐵型厚度。例如，一個鑄件具有15mm、30mm和45mm三種不同的壁厚，同上在圖4的左半部按照這三個壁厚數(shù)值引三根垂線，然后使其與一根水平線相交，它們的交點應(yīng)盡可能處在鐵型覆砂范圍里。把這根水平線向右半部引伸，在那里可以獲得各個壁厚所需要的覆砂層厚度，利用水平線可以得到鑄件冷卻到600℃所需的時間。對厚度為15mm的部分，其垂線選在bc為20～10mm之間；對厚度為30mm的部分其垂線選在20～40mm之間；而對于壁厚為45mm的部分，只要查bm等于4mm的地方就可以了。覆砂層厚度確定以后，可從圖5確定鐵型的厚度。

圖5不同壁厚與覆砂層厚度及冷卻時間的關(guān)系

4生產(chǎn)實現(xiàn)

4.1覆砂造型

大批量生產(chǎn)的鐵型覆砂鑄造，其覆砂造型如圖6所示。即從鐵型背面的一組射砂孔經(jīng)鐵型和模型合模后形成的間隙（覆砂層厚度）中射入流動性較好的型砂，經(jīng)固化起模后形成鐵型覆砂鑄型。整個造型過程在專用的覆砂造型機或由射芯機改裝的覆砂造型機上完成。

1.射砂頭2.覆砂層3.鐵型4.型板
圖6覆砂造型1

實際生產(chǎn)中有時還有如圖7所示的覆砂造型方式。一般用于生產(chǎn)批量比較小的情況，覆砂過程由人工完成。

1.型板2.覆砂層3.鐵型4.吹嘴5.吹砂頭
圖7覆砂造型2

吹制覆砂層的壓縮空氣壓力的選擇可參考圖8。從圖中可見，當(dāng)覆砂層不厚于4～5mm時，把射砂壓力從2個大氣壓增加到6個大氣壓，覆砂層的密度增高了；當(dāng)覆砂層較厚時，壓力增加，效果較小。當(dāng)覆砂層厚度為4～6mm時，其密度大。

圖8不同空氣壓力下覆砂層厚度與密度的關(guān)系圖

4.2鑄件成分調(diào)整

鐵型覆砂鑄造由于冷卻速度比較快，因此鑄件的化學(xué)成分（主要是C和Si）要做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。圖9方框中的成分是鐵型覆砂鑄造用于生產(chǎn)球鐵件時的成分范圍。當(dāng)C少于3.5%，Si少于2.3%，則因為有助于鐵水凝固膨脹的有效石墨少而產(chǎn)生縮孔；而當(dāng)C高于3.9%，Si高于2.9%則產(chǎn)生石墨漂浮和疏松。此外,實驗指出，與碳當(dāng)量CE(C+1/3Si)相比，Si的效果要大，并且(C+1/2Si)＜4.9%時發(fā)生縮孔，在5.2%以上時發(fā)生石墨漂浮和疏松。一般建議(C+1/2Si)在5.0%～5.1%范圍所得效果好。

圖9鐵型覆砂鑄造球鐵曲軸用C、Si含量范圍

4.3工藝流程及生產(chǎn)線

目前，在生產(chǎn)中應(yīng)用的鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線的工藝流程，如圖10示。其中覆砂造型由覆砂造型機完成，這種造型機有單工位和雙工位兩種，90年代以前單工位使用較多，90年代以后雙工位使用更多。其它工序由各種輔機完成，輔機有氣動和手動兩種。鐵型在輥道上輸送，輸送輥道也有人工和機動兩種，以適應(yīng)不同機械化程度的要求。目前鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)線用于生產(chǎn)球鐵曲軸時，典型的技術(shù)數(shù)據(jù)是：①鑄件平均精度CT7級左右，表面粗糙度6.3～12.5μm；②鑄態(tài)QT800；③鑄造工藝出品率90%以上。

圖10鐵型覆砂鑄造生產(chǎn)流程

5存在問題

5.1優(yōu)化工藝設(shè)計

由于鐵型覆砂鑄造的工裝造價較高，且修改比較困難。因此該工藝的設(shè)計要求一次成功。而目前一些生產(chǎn)企業(yè)由于工藝工裝設(shè)計不當(dāng)，而造成鑄件廢品率居高不下的情況時有發(fā)生。近年我院完成了鐵型覆砂鑄造球鐵件凝固過程計算機數(shù)值模擬課題，能進行多種工藝方案的優(yōu)化對比。但由于準(zhǔn)確的熱物性參數(shù)難以獲得以及一些簡化處理，目前要達到真正意義的優(yōu)化設(shè)計還有一定距離。

5.2工裝的通用性

鐵型覆砂鑄造由于每種鑄件都需要不同的鐵型和模型，因此用砂量很少，生產(chǎn)成本很低。但對于鑄件品種很多的鑄造車間，則鐵型的管理、保存就很麻煩。如果解決好了鐵型的專用和通用問題，則該工藝的應(yīng)用將會更加普遍。

5.3生產(chǎn)線水平仍不高

目前鐵型覆砂鑄造的機械化和自動化水平尚不高。尤其是缸套的鐵型覆砂鑄造，國外有多工位轉(zhuǎn)盤式鐵型覆砂造型機，效率很高。