鑄造學
鑄造學
鑄造學是機械製程中一個重要領域，其應用範圍涵蓋很廣，由民生用品至機械、航太零件等，皆可以鑄造方式生產。鑄造學的內容包含材料、製程、設計等方面，是一非常實用的學科，而一個國家的鑄造技術與整個工業技術水準具有密切的關係。
目錄
金屬到鑄造與砂型鑄造比較：在技術上與經濟上有許多優點。
（2）鑄件的精度和表面光潔度比砂型鑄件高，而且質量和尺寸穩定;
（3）鑄件的工藝收得率高，液體金屬耗量減少，一般可節約15～30%；
（4）不用砂或者少用砂，一般可節約造型材料80～100%；
此外，金屬型鑄造的生產效率高；使鑄件產生缺陷的原因減少；工序簡單，易實現機械化和自動化。金屬型鑄造雖有很多優點，但也有不足之處。如：
(1)金屬型製造成本高；
(2)金屬型不透氣，而且無退讓性，易造成鑄件洗不足、開裂或鑄鐵件白日等缺陷;
(3)金屬型鑄造時，鑄型的工作溫度、合金的澆注溫度和澆注速度，鑄件在鑄型中停留的時間，以及所用的塗料等，對鑄件的質量的影響甚為敏感，需要嚴格控制。
金屬型鑄造目前所能生產的鑄件，在重量和形狀方面還有一定的限制，如對黑色金屬只能是形狀簡單的鑄件；鑄件的重量不可太大；壁厚也有限制，較小的鑄件壁厚無法鑄出。因此，在決定採用金屬型鑄造時，必須綜合考慮下列各因素：鑄件形狀和重量大小必須合適；要有足夠的批量；完成生產任務的期限許可。
金屬型鑄件形成過程的特點
金屬型和砂型，在性能上有顯著的區別，如砂型有透氣性，而金屬型則沒有；砂型的導熱性差，金屬型的導熱性很好，砂型有退讓性，而金屬型沒有等。金屬型的這些特點決定了它在鑄件形成過程中有自己的規律。
型腔內氣體狀態變化對鑄件成型的影響：金屬在充填時，型腔內的氣體必須迅速排出，但金屬又無透氣性，只要對工藝稍加疏忽，就會給鑄件的質量帶來不良影響。
鑄件凝固過程中熱交換的特點：金屬液一旦進入型腔，就把熱量傳給金屬型壁。液體金屬通過型壁散失熱量，進行凝固併產生收縮，而型壁在獲得熱量，升高溫度的同時產生膨脹，結果在鑄件與型壁之間形成了“間隙”。在“鑄件一間隙一金屬型”系統未到達同一溫度之前，可以把鑄件視為在“間隙”中冷卻，而金屬型壁則通過“間隙”被加熱。
金屬型阻礙收縮對鑄件的影響：金屬型或金屬型芯，在鑄件凝固過磋甲無退讓性，阻礙鑄件收縮，這是它的又一特點。
金屬型鑄造工藝
1金屬到的預熱
未預熱的金屬型不能進行澆注。這是因為金屬型導熱性好／液體金屬冷卻決，流動性劇烈降低，容易使鑄件出現冷隔、澆不足夾雜、氣孔等缺陷。未預熱的金屬型在澆注時，鑄型，將受到強烈的熱擊，應力倍增，使其極易破壞。因此，金屬型在開始工作前，應該先預熱，適宜的預熱溫度（即工作溫度），隨合金的種類、鑄件結構和大小而定，一般通過試驗確定。一般情況下，金屬型的預熱溫度不低於1500C。
金屬型的預熱方法有：
（1）用噴燈或煤氣火焰預熱；（2）採用電阻加熱器；（3）採用烘箱加熱，其優點是溫度均勻，但只適用於小件的金屬型；（4）先將金屬型放在爐上烘烤，然後澆注液體金屬將金屬型燙熱。這種方法，只適用於小型鑄型，因它要浪費一些金屬液，也會降低鑄型壽命。
2金屬型的澆注
金屬型的澆注溫度，一般比砂型鑄造時高。可根據合金種類、如化學成分、鑄件大小和壁厚，通過試驗確定。下表中數據可供參考。
各種合金的澆注溫度
合金種類澆注溫度℃合金種類澆注溫度℃
鋁錫合金350～450黃銅900～950
鎂合金715～740鑄鐵1300～1370
由於金屬型的激冷和不透氣，澆注速度應做到先慢，后快，再慢。在澆注過程中應盡量保證液流平穩。
3鑄件的出型和抽芯時間
如果金屬型芯在鑄件中停留的時間愈長，由於鑄件收縮產生的抱緊型芯的力就愈大，因此需要的抽芯力也愈大。金屬型芯在鏡件中最適宜的停留時間，是當鑄件冷卻到塑性變形溫度範圍，並有足夠的強度時，這時是抽芯最好的時機。鑄件在金屬型中停留的時間過長，型壁溫度升高，需要更多的冷卻時間，也會降低金屬型的生產率。
最合適的拔芯與鑄件出型時間，一般用試驗方法確定。
4金屬型工作溫度的調節
要保證金屬型鑄件的質量穩定，生產正常，首先要使金屬型在生產過程中溫度變化恆定。所以每澆一次，就需要將金屬型打開，停放一段時間，待冷至規定溫度時再澆。如靠自然冷卻，需要時間較長，會降低生產率，因此常用強製冷卻的方法。冷卻的方式一般有以下幾種：
（1）風冷：即在金屬型外圍吹風冷卻，強化對流散熱。風冷方式的金屬型，雖然結構簡單，容易製造，成本低，但冷卻效果不十分理想。
（3）直接水冷：在金屬型的背面或局部直接制出水套，在水套內通水進行冷卻，這主要用於澆注鋼件或其它合金鑄件，鑄型要求強烈冷卻的部位。因其成本較高，只適用於大批量生產。
如果鑄件壁厚薄懸殊，在採用金屬型生產時，也常在金屬型的一部分採用加溫，另一部分採用冷卻的方法來調節型壁的溫度分佈。
5金屬型的塗料
在金屬型鑄造過程中，常需在金屬型的工作表面噴刷塗料。塗料的作用是：調節鑄件的冷卻速度；保護金屬型，防止高溫金屬液對型壁的沖蝕和熱擊；利用塗料層蓄氣排氣。
根據不同合金，塗料可能有多種配方，塗料基本由三類物質組成：1．粉狀耐火材料（如氧化鋅，滑石粉，鋯砂粉、硅藻土粉等）；2．粘結劑（常用水玻璃，糖漿或紙漿廢液等）；3．溶劑（水）。具體配方可參考有關手冊。
塗料應符合下列技術要求：要有一定粘度，便於噴塗，在金屬型表面上能形成均勻的薄層；塗料干后不發生龜裂或脫落，且易於清除；具有高的耐火度；高溫時不會產生大量氣體；不與合金髮生化學反應（特殊要求者除外）等。
6復砂金屬型(鐵模復砂)
塗料雖然可以降低鑄件在金屬型中的冷卻速度，但採用刷塗料的金屬型生產球墨鑄鐵件（例如曲軸），仍有一定困難，因為鑄件的冷速仍然過大，鑄件易出現白口。若採用砂型，鑄件冷速雖低，但在熱節處又易產生縮松或縮孔，在金屬型表面復以4－8mm的砂層，就能鑄出滿意的球墨鑄鐵件。
復砂層有效地調節了鑄件的冷卻速度，一方面使鑄鐵體不出白口，另一方面又使冷速大於砂型鑄造。金屬型無潰散性，但很薄的復砂卻能適當減少鑄件的收縮阻力。此外金屬型具有良好的剛性，有效地限制球鐵石墨化膨脹，實現了無冒口鑄造，消除疏鬆，提高了鑄件的緻密度。如金屬型的復砂層為樹脂砂，一般可用射砂工藝復砂，金屬型的溫度要求在180～200℃之間。復砂金屬型可用於生產球鐵，灰鐵或鑄鋼件，其技術效果顯著。
7金屬型的壽命
提高金屬型壽命的途徑為：
2．合理的塗料工藝，嚴格遵守工藝規範；
3．金屬型結構合理，製造毛坯過程中應注意消除殘餘應力；
4．金屬型材料的晶粒要細小。
金屬型鑄件的工藝設計
根據金屬型鑄造工藝的一些特點，為了保證鑄件質量，簡化金屬型結構，充分發揮它的技術經濟效益，首先必須對鑄件的結構進行分析，並制訂合理的鑄件工藝。
1鑄件結構的工藝性分析
金屬型鑄造結構工藝性的好壞，是保證鑄件質量，發揮金屬型鑄造優點的先決條件。合理的鑄造構應遵循下列原則：
1）鑄造結構不應阻礙出型，防礙收縮；2）厚差不能太大，以免造成各部分溫差懸殊，從而引起鑄件縮裂和縮松；3）限制金屬型鑄件的最小壁
另外，對鑄件非加工面的精度和光潔度應要求適當。
2鑄件在金屬型中的澆注位置
鑄件的澆注位置直接關係到型芯和分型面的數量、液體金屬的導入位置，冒口的補縮效果，排氣的通暢程度以及金屬型的複雜程度等。選擇澆注位置的原則如下：
1．保證金屬液在充型時流功平穩，排氣方便，避免液流卷氣和金屬被氧化；
2.有利於順序凝固，補縮良好，以保證獲得組織緻密的鑄件；
3．型芯數目應盡量減少，安放方便、穩定、而且易於出型；
4．有利於金屬型結構簡化，鑄件出型方便等。
3鑄性分型面的選擇
分型面形式一般有垂直、水平和綜合分類（垂直、水平混合分型或曲面分型）三種。選擇分型面的原則如下：
1．為簡化金屬型結構，提高稿件精度，對形狀教簡單的鑄件最好都布置在半型內，或大部分佈置在半型內；
2．分型面數目應盡量少，保證鑄件外形美觀，鑄件出型和下芯方便；
3．選擇的分型面應保證設置澆冒口方便，金屬充型時流動平穩，有利於型腔里的氣體排出；
4．分型面不得選在加工基準面上；
5，盡量避免曲面分型，減少拆卸件及活決數量。
4澆鑄系統設計
根據金屬型鑄造的某些特點，在設計澆注系統時須注意以下幾點：金屬澆注速度大，超過砂型的約20%。其次，在液體金屬充型時，型腔里的氣體要能順利排除，其流嚮應儘可能與液流方向一致，順利的將氣體擠向冒口或出氣冒口；此外，應注意使液體金屬在充型時流動平穩，不產生渦流，不衝擊型壁或型芯，更不可產生飛濺。
金屬型的澆注系統一般分為頂注式底注式和側注式三類。
1）頂注式，其熱分佈較合理，有利於順序凝固，可減少金屬液的消耗，但金屬液流動不平穩，易進法，鑄件高時，易衝擊型膠底部或型芯。若用於澆注鋁合金件，一般只適用於鑄件高度小於100毫米的簡單件；
2）底注式，金屬液流動較平穩，有利於排氣，但溫度分佈不合理，不利於鑄件順利凝固；
清理工作量大。
金屬型澆注系統的結構與砂型鑄造基本相似，但由於金屬型壁不透氣，導熱能力強，因此要求澆注系統結構，能有利於降低金屬液流速，流動平穩，減少其對型壁的沖刷。除應保證型腔內氣體有充裕的時間排除外，還保證在充型過程中不得產生噴濺。
當用金屬型澆注黑色金屬時，由於鑄件冷速大，液流的粘度急劇增加，因此多採用封閉式澆口，其各部分截面積比例為：F內：F橫：F直＝1：1.15：1.25
5冒口設計
金屬型鑄造的冒口和砂型鑄造時具有同等的作用：即為補縮、集渣和排氣。它的設計原則也與砂型用冒口相同。由於金屬型冷卻速度大，而冒口又常採用保溫塗料或砂層，因此金屬型的冒口尺寸可比砂型的冒口小。
4.4.6金屬型鑄件的工藝參數
由於金屬型工藝的特點，其鑄件的工藝參數與砂型鑄件略有區別。金屬型鑄件的線收縮率不僅與合金的線收縮有關，還與鑄件結構、鑄件在金屬型中收縮受阻的情況、鑄件出型溫度，金屬型受熱后的膨脹及尺寸變化等因素有關，其取值還要考慮在試澆過程中留有修改尺寸的餘地。
為取出金屬型芯和鑄件，在鑄件的出芯和出型方嚮應取適當斜度，對各種不同合金鑄件的鑄造斜度參閱有關手冊。
金屬型鑄件精度一般比砂型鑄件高，所以加工裕量可較小，一般在0.5～4mm之間。
在確定鑄件工藝參數之後，就可繪製金屬型鑄件工藝圖，該圖與砂型鑄件的工藝圖基本相同。
金屬型的設計
鑄件工藝圖繪製之後，就可進行金屬型設計。設計內容主要包括確定金屬型的結構、尺寸、型芯、排氣系統和頂桿機構等。
對設計的金屬型應力求結構簡單，加工方便，選材合理，安全可靠。.金屬型的結構形式
1金屬型的結構形式
金屬型的結構取決於鑄件形狀、尺寸大小；分型面數量；合金種類和生產批量等條件。按分型面位置，金屬型結構有以下幾種形式：
1．整體金屬型，鑄型無分型面，結構簡單，但它只適用於形狀簡單，無分型面的鑄件；
2．水平分型金屬型，它適用於薄壁輪狀鑄件。
3．垂直分型金屬型，這類金屬型便於開設澆冒口和排氣系統，開合型方便，容易實現機械化生產；多用於生產簡單的小鑄件；
4．綜合分型金屬型：它由兩個或兩個以上的分型面組成，甚至由活塊組成，一般用於複雜鑄件的生產。操作方便，生產中廣泛採用。
2金屬型主體設計
3金屬型芯的設計
根據鑄件的複雜情況和合金的種類可採用不同材料的型芯。一般澆注薄壁複雜件或高熔點合金（如銹鋼、鑄鐵）時，多採用砂芯，而在澆注低熔點合金（如鋁、鎂合金）時，大多採用金屬芯。在同一鑄件上也可砂芯和金屬芯並用。
4金屬型的排氣
在設計金屬型時就必須有排氣設施，其排氣的方式有以下幾種：
1．利用分型面或型腔零件的組合面的間隙進行排氣。
2．開排氣槽。即在分型面或型腔零件的組合面上，芯座或頂桿表面上做排氣槽。
3．設排氣孔。排氣孔一般開設在金屬型的最高處。
4.排氣塞是金屬型常用的排氣設施
5頂出鑄件機構設計
金屬型腔的凹凸部分，對鑄件的收縮會有阻礙，鑄件出型時就會有阻力，必須採用頂出機構，方可將鑄件項出。在設計頂出機構時，須注意下面幾點：防止頂傷鑄件，即防止鑄件被頂變形或在鑄件表面頂出凹坑；防止頂桿卡死，首先是頂桿與頂桿孔的配合間隙要適當。如果間隙過大易鑽入金屬，過小則可能造成卡死的現象。根據經驗最好採用D4／dC4級配合。
6金屬型的定位、導向及鎖緊機構
金屬型合型時，要求兩半型定位準確，、一般採用兩種辦法，即定位銷定位和“止口”定位。對於上下分型，而分型面為圓形時，可採用“止口”定位，而對於矩形分型面大多採用定位銷定位。定位銷應設在分型面輪廓之內，當金屬型本身尺寸較大，而自身的重量也較大時，要保證開合型定位方便，可采導向形式。
7金屬型材料的選擇
從金屬型的破壞原因分析可以看到，製造金屬型的材料，應消足下列要求：耐熱性和導熱性好，反覆受熱時不變形，不破壞；應具有一定的強度、韌性及耐磨性，機械加工性好。